RU2454759C1 - Фазовращатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике, технике СВЧ и может найти применение для построения фазированных антенных решеток радиолокационных и радиотехнических комплексов. Техническим результатом является повышение скорости и диапазона регулирования фазы, упрощение конструкции, расширение диапазона рабочих частот, расширение диапазона рабочих температур при эксплуатации, обеспечение возможности пространственного распределения СВЧ сигналов по большой площади и программирования значений разности фаз между этими сигналами. Фазовращатель содержит делитель мощности, фазосдвигатель, управляемые аттенюаторы, сумматор мощности, передающий оптоэлектронный модуль, управляемый драйвером, волоконно-оптические тракты, четыре волоконно-оптических линии задержки, четыре цифроаналоговых преобразователя и приемный оптоэлектронный модуль, микроконтроллер. При этом управление фазовым сдвигом СВЧ сигналов обеспечивается в оптическом диапазоне волоконно-оптическими линиями задержки и программно-управляемыми аттенюаторами оптических сигналов. 6 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике, технике средств связи и может быть использовано в СВЧ трактах для управления фазой и коммутации СВЧ сигналов в фазированных антенных решетках и активных фазированных антенных решетках.

Известно устройство, ферритовый фазовращатель с поперечным магнитным полем [1], содержащий ферритовый вкладыш, установленный в полости металлического волновода, толщина стенки которого много меньше его радиуса, и магнитную систему, аналогичную статору асинхронного двигателя, причем магнитопровод статора выполнен из магнитопроводящих зубцов и магнитопроводящего съемного ярма.

Сущность данного технического решения заключается в том, что зубцы могут изготавливаться прессованием из феррита или из хорошо магнитопроводящего металла или сплава, например электротехнической стали, пермаллоя, посредством механической обработки. Магнитопроводящее ярмо может быть реализовано намоткой на торцы уже установленных на волноводе зубцов тонкой пермаллоевой ленты, при этом обеспечивается прилегание ярма к каждому зубцу.

Устройство состоит из круглого волновода, внутри которого расположен ферритовый вкладыш, причем круглый волновод заканчивается ступеньками и фланцами, а на поверхности его размещена магнитная система управления вращением магнитного поля, состоящая из магнитопроводящих зубцов, между которыми располагаются катушки, и магнитопроводящего съемного ярма.

Ферритовый фазовращатель работает следующим образом.

При подаче тока в обмотку магнитной системы в волноводе с ферритом образуется поперечное магнитное поле и при определенной его ориентации относительно вектора СВЧ электромагнитной волны происходит изменение ее фазы, которое увеличивается при увеличении индукции управляющего поля. Наиболее эффективное изменение фазы происходит при создании четырехполюсного (квадрупольного) магнитного поля, причем центральные линии этого поля и линии (или хотя бы их концы), на которых располагаются точки вращения вектора магнитного поля СВЧ волны, должны совпадать. Для уменьшения потребления энергии управления элементы магнитопровода (зубцы 5 и съемное ярмо 6) должны выполняться из материалов с наибольшей магнитной проницаемостью.

Круглый волновод с двумя фланцами и ступеньками на концах изготавливается целиком из одной заготовки, в результате чего на нем отсутствуют швы и соединения и можно достаточно точно выдержать все размеры.

Недостатками предложенного технического решения являются следующие:

- низкая скорость перестройки;

- сложность согласования СВЧ цепей в расширенном диапазоне рабочих частот (узкий диапазон рабочих частот);

- сложность конструкции;

- большое потребление энергии в цепях управления.

Известно еще одно устройство, СВЧ фазовращатель [2].

Устройство содержит первый 3 дБ мост, второй 3 дБ мост, управляемый фазосдвигатель проходного типа, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом первого 3 дБ моста, первый проходной дискретный фазосдвигатель 0-180°, вход которого соединен с первым выходом первого 3 дБ моста, а выход - с первым входом второго 3 дБ моста, второй проходной дискретный фазосдвигатель 0-180°, вход которого соединен с вторым выходом первого 3 дБ моста, а выход - с вторым входом второго 3 дБ моста, и балансную нагрузку, подключенную к первому выходу второго 3 дБ моста. Второй вход первого 3 дБ моста является вторым выходом устройства, а второй выход второго 3 дБ моста - первым выходом устройства.

СВЧ фазовращатель работает следующим образом.

В режиме фазовращателя СВЧ мощность поступает на вход управляемого фазосдвигателя 3. С выхода которого поступает в первое входное плечо первого 3 дБ моста. В мосте мощность делится в соотношении 1:2 и поступает на входы двух дискретных фазосдвигателей, вносящих фазовые сдвиги 180° и 180° или 0° и 0°, а с их выходов мощность поступает на входы второго 3 дБ моста, суммируется и поступает на выход устройства.

В режиме переключателя сигнал СВЧ поступает на выход устройства, делится в соотношении 1:2 во втором 3 дБ мосте и поступает на дискретные фазосдвигатели, которые устанавливают в противофазе (например, фазосдвигатель 180°, фазосдвигатель 0°). Далее сигналы поступают на выходы первого 3 дБ моста, суммируются и поступают на выход устройства. Сигналы, отраженные от дискретных фазосдвигателей, будут поступать в балансную нагрузку.

К недостаткам предложенного технического решения можно отнести следующие.

1. Генератор СВЧ-колебаний должен находиться в непосредственной близости от входа фазовращателя из-за значительных потерь в СВЧ линиях передачи [3]. Потери мощности в коаксиальных кабелях составляют на частоте 10 ГГц не менее 1 дБ/м, потери медных волноводов около 0,3 дБ/м, при этом волноводная линия передачи имеет высокую стоимость, большие размеры и вес. Потери на каждом повороте волноводной системы составляют около 1 дБ. В связи с этим фазовращатели данной конструкции проблематично использовать для фазированных антенных решеток (ФАР) и активных фазированных антенных решеток (АФАР), где полотно антенны имеет значительные размеры, а число элементов антенны измеряется десятками и сотнями.

2. Можно обеспечить только дискретный способ регулирования фазовым сдвигом, так как регулирование фазы осуществляется p-i-n диодами, используемыми в качестве коммутаторов дискретных волноводных секций фазовращателей.

3. Узкий диапазон рабочих частот. Не обеспечивается волновое согласование в широком диапазоне частот дискретных секций фазовращателя.

Известно еще одно устройство, управляемый сверхвысокочастотный жидкокристаллический фазовращатель [4].

Конструкция фазовращателя построена на основе многозвенного полосно-пропускающего фильтра. В этом фильтре последовательно соединены чередующиеся отрезки микрополосковых линий с различной шириной полосковых проводников, каждый из которых является полуволновым резонатором. Связь резонаторов, от величины которой зависит ширина полосы пропускания фильтра, определяется скачком волнового сопротивления смежных отрезков линий, а значит ширины их полосковых проводников.

Подложкой фазовращателя служит жидкий кристалл (ЖК), который удерживается силами поверхностного натяжения между верхним нерегулярным проводником и нижним - экраном.

Вход и выход фазовращателя подключаются к внешним линиям передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.

Такая конструкция позволяет при помощи управляющего напряжения изменять электрическое поле, ориентирующее молекулы ЖК.

Поверхности проводников фазовращателя обработаны таким образом, что в отсутствие управляющего напряжения молекулы ЖК ориентируются параллельно проводникам, то есть ортогонально поляризации высокочастотного электрического поля электромагнитной волны в микрополосковой линии. В этом случае взаимодействие молекул жидкого кристалла с электрическим полем электромагнитной волны слабо, а диэлектрическая проницаемость ЖК мала.

При наложении управляющего электрического поля, достаточного для насыщения ЖК, все молекулы ориентируются параллельно высокочастотному полю. Взаимодействие молекул с полем наибольшее и диэлектрическая проницаемость ЖК максимальная.

Таким образом, изменение управляющего поля от нуля до поля насыщения позволяет плавно увеличивать диэлектрическую проницаемость подложки, а значит в микрополосковой линии появляется возможность управления набегом фазы прошедшей волны.

Устройство в некоторых пределах позволяет производить плавное регулирование фазы СВЧ сигнала.

Устройство имеет следующие недостатки.

1. Генератор СВЧ-колебаний должен находиться в непосредственной близости от входа фазовращателя из-за значительных потерь в СВЧ линиях передачи, в связи с этим значительные сложности использования описываемого фазовращателя для ФАР и АФАР.

2. Диапазон регулирования фазы сигнала ограничен. Нельзя получить сдвиг по фазе более 90°.

3. Пониженная стойкость к воздействию таких внешних факторов, как изменение температуры окружающей среды, механические воздействия (удары и вибрации), ограничивающая области применения.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является устройство (фазовращатель), представленное в [5].

Фазовращатель содержит двухканальный синфазный делитель мощности, первый выход которого является входом фазовращателя, ко второму и третьему выходам подключены соответственно первый и второй управляемые аттенюаторы. Выходы аттенюаторов подключены к входам четырехканального делителя, к выходам которого подключены третий, четвертый, пятый и шестой управляемые аттенюаторы, выходы которых попарно соединены с входами двух сумматоров мощности. Выходы сумматоров мощности являются выходами фазовращателя.

Четырехканальный делитель выполнен в виде пяти отрезков полосковой линии, соединенных каскадно, точки соединения которых являются выходами делителя. Начало первого отрезка полосковой линии и конец пятого отрезка полосковой линии являются входами делителя. Первый и пятый отрезки полосковой линии равны, а второй, третий и четвертый отрезки полосковой линии имеют четвертьволновую длину. Делитель может быть выполнен как на несвязанных отрезках полосковой линии, так и на связанных.

Фазовращатель работает следующим образом. СВЧ сигнал поступает на вход двухканального делителя мощности, в котором делится на два синфазных и равных по амплитуде СВЧ сигнала. Каждый из этих двух СВЧ сигналов, пройдя через первый и второй управляемые аттенюаторы, поступают на входы делителя.

Каждый из этих двух СВЧ сигналов делится между четырьмя выходами делителя с фазовым сдвигом между соседними выходами в 90°, что обеспечивается конструкцией делителя. СВЧ сигналы с выходов делителя поступают на третий, четвертый, пятый и шестой управляемые аттенюаторы, после чего попарно суммируются в сумматорах мощности и поступают на выходы фазовращателя.

Векторное представление сигналов I₁, I₂, I₃ и I₄ на выходе делителя представлено на фиг.1. Векторное представление попарного суммирования тех же сигналов, но ослабленных регулируемыми аттенюаторами, i₁, i₂, i₃ и i₄, - на фиг.2.

Изменяя соотношение затуханий между первым и вторым, между третьим и четвертым, а также между пятым и шестым управляемыми аттенюаторами можно изменить разность фаз СВЧ сигналов на выходах фазовращателя.

Из графиков на фиг.1 и 2 видно, что суммарная составляющая I_∑1 может быть сдвинута по фазе относительно I₁ на угол от 0 до 90°, суммарная составляющая I_∑2 может быть сдвинута по фазе относительно I₁ на угол от 180° до 270°. Таким образом, фазовый сдвиг между составляющими I_∑1 и I_∑2 может изменяться от 90° до 270°. Предел регулирования разности фаз при изменении соотношения амплитуд при помощи регулируемых аттенюаторов СВЧ сигналов на выходе фазовращателя составляет 180° (от 90° до 270°).

Широкополосное согласование в делителе мощности достигается уменьшением волнового сопротивления второго и четвертого отрезков в 2 раза по сравнению с волновым сопротивлением первого, третьего и пятого отрезков, которое равно волновому сопротивлению входов и выходов делителя. Широкополосное согласование в делителе достигается использованием электромагнитной связи между первым, вторым, третьим, четвертым и пятым отрезками полосковой линии, которые свернуты в меандр, имеющий четвертьволновую ширину.

Устройство позволяет производить плавное регулирование фазового сдвига СВЧ сигналов в диапазоне 180°, но имеет следующие недостатки.

1. Низкая скорость регулирования фазового сдвига сигналов на выходе фазовращателя, так как для регулирования фазового сдвига используются перестраиваемые вручную СВЧ аттенюаторы.

2. Сложность конструкции для согласования СВЧ цепей (полосковых линий) в расширенном диапазоне рабочих частот (узкий диапазон рабочих частот).

3. Температурная зависимость волновых согласований, а следовательно, зависимость разности фаз сигналов на выходе фазовращателя от температуры.

4. Генератор СВЧ-колебаний должен находиться в непосредственной близости от входа фазовращателя из-за значительных потерь в СВЧ линиях передачи.

5. Ограниченный диапазон регулирования фазового сдвига (от 90° до 270°).

Третий, четвертый и пятый недостатки создают значительные сложности при использовании описываемого фазовращателя для ФАР и АФАР, если полотно антенны имеет значительные размеры, а число элементов антенны измеряется десятками или сотнями.

Предложенная конструкция фазовращателя решает задачи повышения скорости и диапазона регулирования фазового сдвига СВЧ сигналов на выходах фазовращателя, упрощения конструкции, расширения диапазона рабочих частот, расширения диапазона рабочих температур при эксплуатации, передачи СВЧ сигналов от удаленного от фазовращателя генератора СВЧ (например, от генераторной секции до полотна антенны), распределения СВЧ сигналов по большой площади (например, по полотну радиолокационной антенны) с регулируемыми по наперед заданной программе разностями фаз между ними.

Сущность изобретения заключается в том, что в фазовращатель, содержащий, делитель мощности, вход которого является входом фазовращателя, и фазосдвигатель, вход которого соединен с выходом делителя мощности, состоящий из четырехканального делителя, вход которого является входом фазосдвигателя, первый, второй, третий и четвертый управляемый аттенюатор и сумматора мощности, выход которого является выходом фазосдвигателя и одновременно фазовращателя, причем выходы четырехканального делителя соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого управляемых аттенюаторов, выходы первого и второго управляемых аттенюаторов соединены с входами сумматора мощности, введены передающий оптоэлектронный модуль, управляемый драйвером, N+1 волоконно-оптических трактов, микроконтроллер, N-1 фазосдвигателей, причем вход фазовращателя соединен с входом делителя мощности через последовательно установленные передающий оптоэлектронный модуль и первый волоконно-оптический тракт, делитель мощности выполнен в виде оптического разветвителя, имеющего один входной оптический полюс, соединенный с выходным оптическим полюсом первого волоконно-оптического тракта и N выходных оптических полюсов, соединенных с входами первого и остальных N-1 фазосдвигателей через N волоконно-оптических трактов, в каждый фазосдвигатель дополнительно введены четыре волоконно-оптических линии задержки, четыре цифроаналоговых преобразователя и приемный оптоэлектронный модуль, причем четырехканальные делители мощности, установленные в фазосдвигателях, выполнены в виде четырехполюсных оптических разветвителей, входные оптические полюса которых являются входами фазосдвигателей, а выходные оптические полюса каждого четырехполюсного оптического разветвителя оптически соединены с входными оптическими полюсами четырех волоконно-оптических линий задержки, выходные оптические полюса которых оптически соединены с входными оптическими полюсами сумматора, выполненного в виде четырехполюсного оптического объединителя, через управляемые аттенюаторы, выполненные в виде электрооптических модуляторов, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами цифроаналоговых преобразователей, а выходной оптический полюс четырехполюсного оптического объединителя оптически соединен с входным оптическим модулем приемного оптоэлектронного модуля, выход которого является выходом фазосдвигателя и одним из выходов фазовращателя, цифровые входы всех цифроаналоговых преобразователей, установленных в фазосдвигателях, цифровой шиной передачи данных соединены с цифровыми выходами микроконтроллера.

На фиг.1 показано векторное представление СВЧ сигналов на выходе четырехканального делителя в устройстве-прототипе по авторскому свидетельству СССР, №1312664.

На фиг.2 показано векторное представление СВЧ сигналов на выходах двухканальных сумматоров в устройстве-прототипе по авторскому свидетельству СССР №1312664.

На фиг.3 представлена структурная схема предлагаемого фазовращателя.

На фиг.4 приведены эпюры оптических сигналов на выходах линий задержки одного из фазосдвигателей предлагаемого фазовращателя.

На фиг.5 представлены векторное представление СВЧ сигналов на выходе одного из фазосдвигателей при различной степени ослабления составляющих оптического сигнала на выходе электрооптических модуляторов предлагаемого фазовращателя.

На фиг.6 изображена структурная схема восьмиполюсного оптического разветвителя, построенного на базе двухполюсных сплавных оптических разветвителей.

На чертеже (см. фиг.3) изображена структурная схема предлагаемого фазовращателя.

Фазовращатель состоит передающего оптоэлектронного модуля 1, управляемого драйвером (схемой управления) 2, электрический вход которого является входом фазовращателя 3, оптически соединенного через первый волоконно-оптический тракт 4 с N полюсным оптическим разветвителем 5.

N выходных оптических полюсов разветвителя 5 оптически соединены с входными оптическими полюсами N волоконно-оптических трактов 6, выходные оптические полюса которых соединены со входами N фазосдвигателей 7₁, 7₂, …7_N.

Каждый из N фазосдвигателей 7₁, 7₂, …7_N состоит из четырехполюсного оптического разветвителя 8, четырех волоконно-оптических линий задержки 9, 10, 11, 12, четырех электрооптических модуляторов 13, 14, 15, 16, управляемых выходным напряжением цифроаналоговых преобразователей 17, 18, 19, 20, четырехполюсного оптического объединителя 21 и приемного оптоэлектронного модуля 22.

Выходы приемных оптоэлектронных модулей 23₁-23_N всех N фазосдвигателей являются выходами этих фазосдвигателей и одновременно выходами фазовращателя.

Цифровые входы цифроаналоговых преобразователей 17, 18, 19, 20 всех фазовращателей 7₁, 7₂, …7_N соединены цифровой шиной передачи данных с выходами микроконтроллера 24.

Предлагаемое устройство (фазовращатель) работает следующим образом.

Входной СВЧ сигнал со входа фазовращателя 3 направляется на электрический СВЧ вход передающего оптоэлектронного модуля 1. Работой модуля 1 управляет драйвер 2, обеспечивающий стабильность выходной оптической мощности. Выходной оптический сигнал передающего оптоэлектронного модуля 1, представляющий собой оптическое излучение, промодулированное по интенсивности СВЧ сигналом, с выходного оптического полюса модуля 1 через волоконно-оптический тракт 4 направляется на входной оптический полюс оптического N-канального разветвителя 5.

Разветвитель 5 равномерно распределяет оптический сигнал по N волоконно-оптическим трактам 6, соединенным своими выходными оптическими полюсами с оптическими входами N фазосдвигателей (7₁-7_N).

Фазосдвигатели предназначены для обеспечения заданного значения фазового сдвига СВЧ сигналов на их выходах.

Фазосдвигатели работают следующим образом.

Оптическим входом каждого из фазосдвигателей 7 является входной оптический полюс четырехполюсного оптического разветвителя 8. На этот вход подается оптическое излучение, промодулированное по интенсивности исходным СВЧ сигналом.

Оптические выводы разветвителя 6 (выходные оптические полюса), представляющие собой отрезки оптических волокон, оптически соединены (при помощи оптической сварки) с оптическими волокнами (оптическими входными полюсами) волоконно-оптических линий задержки 9, 10, 11 и 12. Волоконно-оптические линии задержки представляют собой отрезки оптических волокон различной длины, длина этих отрезков определяет значение времени задержки.

Значение времени задержки волоконно-оптической линии задержки 9, а следовательно, и длина оптического волокна этой линии имеет произвольное значение, равное τ. Значения времени задержки остальных линий 10, 11 и 12 отличаются от τ на постоянную величину Δτ, зависящую от частоты СВЧ сигнала F. Для линии задержки 10 время задержки оптического сигнала должно быть равно τ+Δτ, для линии задержки 11-τ+2Δτ, для линии задержки 12-τ+3Δτ.

Шаг приращения задержки Δτ связан с частотой СВЧ сигнала F выражением

Эпюры оптических сигналов на выходах линий задержки 9, 10, 11 и 12 представлены на фиг.4. Буквами Р₉, Р₁₀, Р₁₁, Р₁₂ - обозначены временные эпюры оптических сигналов на выходах линий задержек 9, 10, 11 и 12, Т - период следования исходного СВЧ сигнала,

.

С выходов линий задержки оптические сигналы направляются на электрооптические модуляторы 13, 14, 15 и 16.

Электрооптические модуляторы построены по классической схеме [6] и состоят из последовательно установленных линейного поляризатора, ячейки Поккельса и анализатора. При отсутствии напряжения, прикладываемого к ячейке Поккельса, оптический сигнал через электрооптический модулятор не проходит (плоскости поляризации анализатора поляризатора ортогональны).

При приложении напряжения к ячейке Поккельса проявляется эффект вращения плоскости поляризации, поворот может достигать 90°. Анализатор начинает пропускать сигнал, при совпадении плоскости поляризации оптического сигнала и анализатора будет иметь место максимальное пропускание оптического сигнала. Таким образом, электрооптический модулятор позволяет регулировать интенсивность оптического сигнала на выходе, при изменении постоянного напряжения на его входе.

Электрические управляющие входы электрооптических модуляторов 13, 14, 15 и 16 соединены с соответствующими аналоговыми выходами цифроаналоговых преобразователей 17, 18, 19, 20, на которых формируется аналоговое управляющее напряжение. Цифровые входы цифроаналоговых преобразователей соединены с выходными линиями микроконтроллера 24, при помощи шины управления, реализующий один из известных последовательных интерфейсов (например, это может быть интерфейс I²C, SPI или другой, выбор интерфейса определяется необходимой скоростью регулирования фазового сдвига и количеством управляемых элементов N). Последовательный интерфейс позволяет индивидуально управлять интенсивностью оптического сигнала на выходе каждого электрооптического модулятора во всех фазосдвигателях.

Таким образом, волоконно-оптические линии задержки обеспечивают задержку составляющих оптического сигнала на четверть периода СВЧ сигнала, а электрооптические модуляторы обеспечивают управление ослаблением интенсивности составляющих оптического сигнала, при помощи микроконтроллера, выполняющего программу, заложенную в его память программ.

Оптические сигналы с выходов электрооптических модуляторов направляются на оптические входные полюса оптического объединителя 21 и суммируются на его выходном оптическом полюсе.

Результатом суммирования является оптический сигнал с той же длиной волны.

Этот сигнал из выходного оптического полюса объединителя 21 направляется на оптический вход (входной оптический полюс) приемного оптоэлектронного модуля 22, электрический выход которого является выходом рассматриваемого фазосдвигателя и одним из выходов фазовращателя.

На фиг.5 представлено векторное представление СВЧ сигнала на выходе рассматриваемого фазосдвигателя при различной степени ослабления составляющих оптического сигнала на выходе электрооптических модуляторов (четыре частных случая суммирования). Представленный чертеж иллюстрирует возможность регулирования фазового сдвига на выходе фазосдвигателя в пределах от 0 до 360°.

Таким образом, на выходах фазосдвигателей и фазовращателя получим СВЧ сигналы, фаза которых может быть сдвинута при помощи управляющей программы микроконтроллера в пределах от 0 до 360°.

Рассмотрим конструкцию отдельных узлов предлагаемого фазовращателя.

Передающий и приемный оптоэлектронные модули, работающие в частотном диапазоне до 16 ГГц, выпускаются НПП «Дилаз» (передающий модуль типа ДМПО 131-23, приемный - ДФДМШ 40-16) [7].

Многополюсные оптические разветвители и объединители могут быть построены на базе двухполюсных сплавных оптических разветвителей/объединителей, серийно выпускаемых отечественными предприятиями, например ЗАО «ЦНИТИ «Техномаш-ВОС» [8]. В качестве примера на фиг.6 представлена схема такого восьмиполюсного оптического разветвителя, построенного на базе сплавных двухполюсных разветвителей.

Волоконно-оптические линии задержки представляют собой отрезки оптических волокон определенной длины.

Электрооптические модуляторы выпускаются рядом предприятий. Например, модуляторы, выпускаемые ООО «НПФ «Проэл» [9] имеют следующие характеристики:

- длина волны излучения: 1,3 мкм или 1,55 мкм;

- вносимые потери, не более 1 дБ;

- полуволновое напряжение, не более 80 B;

- габаритные размеры 55×18×16 мм;

- масса, не более 70 г.

Как было показано выше, предлагаемое изобретение решает следующие задачи:

- повышения скорости регулирования фазового сдвига СВЧ сигналов на выходах фазовращателя;

- расширения диапазона регулирования фазового сдвига СВЧ сигналов на выходах фазовращателя;

- упрощения конструкции;

- расширения диапазона рабочих частот;

- расширения диапазона рабочих температур при эксплуатации;

- обеспечения возможности передачи СВЧ сигналов на фазовращатель от удаленного генератора СВЧ;

- обеспечения возможности пространственного распределения сигналов с заданными фазовыми сдвигами.

Доказательства решения поставленных задач заключаются в следующем.

Скорость регулирования фазового сдвига предложенным устройством ограничивается следующими факторами:

- быстродействием электрооптических модуляторов;

- быстродействием управляющего микроконтроллера;

- быстродействием цифровой шины данных управляющей цифроаналоговыми преобразователями;

- быстродействием цифроаналоговых преобразователей.

Предельная частота управления для электрооптических модуляторов ограничивается емкостью ячейки Поккельса и составляет для большинства модуляторов, выпускаемых промышленностью 1 ГГц [10].

Управляющий микроконтроллер в стандартном исполнении, например типа SX18 [11], может работать с тактовой частотой до 150 МГц. При конвейерном выполнении команд время выполнения одной команды для SX18 составляет 6 нс, что обеспечивает скорость передачи через последовательный порт не более 75 Мбит/с.

С другой стороны микроконтроллер может быть реализован на ячейках программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Быстродействие каналов передачи при этом может достигать 6,375 Гбит/с [12].

При использовании стандартного последовательного интерфейса USB скорость передачи составляет до 480 Мбит/с, при использовании Super Speed USB скорость передачи может составить 5 Гбит/с [13].

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) фирмы MAXIM работают в гигагерцовом диапазоне частот преобразования. Например, ЦАП МАХ19692 имеет частоту преобразования, равную 1200 МГц [14].

Из проведенного анализа промышленной компонентной базы можно сделать вывод, что наименее быстродействующими узлами предлагаемого устройства являются цифроаналоговые преобразователи. На современном уровне развития техники предел быстродействия устройства может составлять около 1·10⁹ изменений фазы/с.

При использовании стандартных микроконтроллеров ЦАП со средним быстродействием, встроенных в микросхемы последовательных трехпроводных интерфейсов SPI, скорость изменения фазы на выходах устройства составит около 5·10⁷ изменений фазы/с.

В любом случае и в случае использования сверхбыстродействующей компонентной базы и в случае использования компонентной базы со средними параметрами быстродействие фазовращателя превышает быстродействие прототипа.

Расширения диапазона регулирования фазового сдвига по сравнению с устройством-прототипом обеспечивается за счет использования в фазосдвигателях не двух двухканальных сумматоров, как в прототипе, а одного четырехканального. Устройство-прототип обеспечивает перестройку фазы в диапазоне от 90° до 270° (см. фиг.1 и 2) предлагаемое устройство - в диапазоне от 0° до 360° (см. фиг.5).

Упрощение конструкции обеспечивается отсутствием в предлагаемом устройстве СВЧ узлов. Применяемые в предлагаемом устройстве узлы: оптические разветвители и оптические объединители, изготавливаемые путем сплавления оптических волокон, волоконно-оптические линии задержки и др. не содержат дефицитных материалов, специальных покрытий и конструктивно значительно проще аналогичных по функциональному назначению СВЧ электронных узлов.

Расширение диапазона рабочих частот достигается за счет отсутствия в составе устройства СВЧ полосковых линий передачи, фильтров, сумматоров и делителей мощности, требующих согласования импедансов в диапазоне рабочих частот фазовращателя. При изменении частоты СВЧ сигнала изменят свое угловое расположение векторы исходных сигналов, на выходе волоконно-оптических линий задержки, при этом возможность управления фазовым сдвигом на выходе фазосдвигателя сохраняется. Возможность изменения частоты СВЧ сигнала может быть заложена в программное обеспечение микроконтроллера.

Расширения диапазона рабочих температур при эксплуатации достигается за счет разного механизма влияния температуры на волоконно-оптические узлы фазосдвигателей из кварцевого стекла предлагаемого устройства и металлические узлы фазосдвигателя устройства-прототипа.

При изменении температуры изменяются линейные размеры медных узлов фазовращателя - прототипа (коэффициент теплового линейного расширения меди составляет 16,7·10^-6 1/°С). Изменение размеров ведет к изменению волнового сопротивления и других параметров СВЧ узлов, таких как волноводы, аттенюаторы, полосковые линии передачи и др.

У волоконно-оптических узлов, разветвителей, объединителей, модуляторов и др. нет электрических частей, поэтому нет такого параметра, как волновое сопротивление.

При изменении температуры температурное изменение размеров волоконно-оптических узлов незначительно влияет на их параметры: вносимые оптические потери, потери на отражение и др. Наиболее нестабильным компонентом является передающий электронный модуль, у которого при изменении температуры может изменяться выходная оптическая мощность. Однако для стабилизации температурного режима в предлагаемом устройстве применяется драйвер 2, специальное устройство, обеспечивающее термостабилизацию лазерного диода и стабилизирующее его рабочую точку.

Обеспечение возможности передачи СВЧ сигналов на фазовращатель от удаленного генератора СВЧ и пространственного распределения сигналов с заданными фазовыми сдвигами, позволяющее использовать это устройство для управления приемопередающими модулями АФАР, достигается применением в устройстве волоконно-оптических трактов, позволяющих передавать СВЧ сигналы на значительные расстояния, путем модуляции этими сигналами оптического излучения. Потери энергии в волоконно-оптическом тракте для любой частоты модуляции составляют примерно 0,2 дБ/км, предельное расстояние, на которое могут передаваться оптические сигналы, составляет около 80 км.

Использованная литература

1. Патент РФ 2158991. «Ферритовый фазовращатель». А.И.Мамонов.

2. Патент РФ 2032254. «СВЧ-фазовращатель». Ю.В.Баженов; В.В.Чесноков.

3. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. - М.: Советское радио, 1965 г. - 750 с.

4. Б.А.Беляев, А.А.Лексиков, A.M.Сержантов, В.Ф.Шабанов. Письма в ЖТФ, том 34, вып.11, 2008. Стр.19-28.

5. Романенко Ю.И., Тюхтин М.Ф., Носов Ю.Л. Фазовращатель. Авторское свидетельство СССР, №1312664, кл. Н01Р 1/18.

6. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и связь, 2000. - 468 с.

7. Информация с сайта http://www.dilas.ru/

8. Информация с сайта http://tmvos.ru/

9. Информация с сайта http://www.electroenergetica.ru/technical/tec_modulator.html

10. Переключатель интегрально-оптический. ТУ 6665-017-41085936-2005.

11. Андрэ Ф. Микроконтроллеры семейства SX фирмы «Scenix»/Пер. с фр.: - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002. - 272 с.

12. Вычужанин В. ПЛИС серии CYCLONE с встроенными аппаратными трансиверами. Современная электроника, 5, 2010. - 28-33 с.

13. Информация с сайта http://book.itep.ru/3/usb.htm.

14. Никитин А. Новые цифроаналоговые преобразователи компании Maxim. Новости электроники №5, 2010, 30-36 с.

Claims (1)

1. Фазовращатель, содержащий делитель мощности, вход которого является входом фазовращателя, и фазосдвигатель, вход которого соединен с выходом делителя мощности, состоящий из четырехканального делителя, вход которого является входом фазосдвигателя, первый, второй, третий и четвертый управляемый аттенюатор и сумматор мощности, выход которого является выходом фазосдвигателя и одновременно фазовращателя, причем выходы четырехканального делителя соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого управляемых аттенюаторов, выходы первого и второго управляемых аттенюаторов соединены с входами сумматора мощности, отличающийся тем, что в него введены передающий оптоэлектронный модуль, управляемый драйвером, N+1 волоконно-оптических трактов, микроконтроллер, N-1 фазосдвигателей, причем вход фазовращателя соединен с входом делителя мощности через последовательно установленные передающий оптоэлектронный модуль и первый волоконно-оптический тракт, делитель мощности выполнен в виде оптического разветвителя, имеющего один входной оптический полюс, соединенный с выходным оптическим полюсом первого волоконно-оптического тракта и N выходных оптических полюсов, соединенных с входами первого и остальных N-1 фазосдвигателей через N волоконно-оптических трактов, в каждый фазосдвигатель дополнительно введены четыре волоконно-оптических линии задержки, четыре цифро-аналоговых преобразователя и приемный оптоэлектронный модуль, причем четырехканальные делители мощности, установленные в фазосдвигателях, выполнены в виде четырехполюсных оптических разветвителей, входные оптические полюса которых являются входами фазосдвигателей, а выходные оптические полюса каждого четырехполюсного оптического разветвителя оптически соединены с входными оптическими полюсами четырех волоконно-оптических линий задержки, выходные оптические полюса которых оптически соединены с входными оптическими полюсами сумматора, выполненного в виде четырехполюсного оптического объединителя, через управляемые аттенюаторы, выполненные в виде электрооптических модуляторов, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами цифро-аналоговых преобразователей, а выходной оптический полюс четырехполюсного оптического объединителя оптически соединен с входным оптическим полюсом приемного оптоэлектронного модуля, выход которого является выходом фазосдвигателя и одним из выходов фазовращателя, цифровые входы всех цифро-аналоговых преобразователей, установленных в фазосдвигателях, цифровой шиной передачи данных соединены с цифровыми выходами микроконтроллера.

Images