RU2494500C2

RU2494500C2 - Method and apparatus for electrical control of phase of waveguide phase changer

Info

Publication number: RU2494500C2
Application number: RU2011146384/08A
Authority: RU
Inventors: Юрий Игоревич Тихов
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2013-09-27
Also published as: RU2011146384A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: transverse electric type electromagnetic wave (TE mode) is transmitted through a section of a rectangular waveguide with varactor diodes; control voltage is applied across the varactor electrodes, said voltage changing the effective waveguide width, thereby controlling the length of the TE mode in the waveguide, such that for a fixed geometrical length of the waveguide section, there is fast control of phase with low insertion losses on passage of the wave. Disclosed is a device having a source of control voltage and a section of a rectangular waveguide, which consists of four conducting (metal) walls which transmit the TE mode in the longitudinal direction, characterised by connection, at least along one of the narrow waveguide walls, of a longitudinal varactor diode insert with capacitance which depends on the applied control voltage, the insert adjoining the wide waveguide walls on microwave current induced by the transmitted TE mode.

EFFECT: low insertion losses of the waveguide phase changer with fast electrical control of phase.

4 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники сверхвысоких частот (СВЧ), а более конкретно, к волноводным фазовращателям и предназначено, главным образом, для построения антенных решеток с электронным сканированием луча, например, миллиметрового диапазона длин волн.The invention relates to the field of ultra-high frequency (UHF) radio engineering, and more specifically to waveguide phase shifters, and is intended primarily for constructing antenna arrays with electron beam scanning, for example, a millimeter wavelength range.

Пример антенной решетки с электронным сканированием луча [Mather J.C., Conway C.M., West J.B., Lehtola G.E., Wichgers J.M. Construction Approach for An EMXT-based Phased Array Antenna // US Patent, Patent No.: US 6,822,617 B1, Nov. 23, 2004 - 1] осуществлен на основе фазовращающих волноводных устройств с электромагнитным кристаллом - electromagnetic crystal (EMXT), называемых в литературе также EBG-фазовращателями (electromagnetic band gap - EBG) и PBG-фазовращателями (photonic band gap - PBG). Волноводная секция таких фазовращателей имеет прямоугольное сечение и выполняется в виде боковых EMXT стенок и проводящих (металлических) верхних и нижних стенок. Каждое из множества EMXT фазовращающих устройств, входящих в состав антенной решетки, требует подачи напряжения смещения и заземления для управления фазовым сдвигом. Управление фазовым сдвигом EMXT фазовращающих устройств в итоге и позволяет осуществлять электронное сканирование луча антенной решетки.An example of an array with electron beam scanning [Mather J.C., Conway C.M., West J. B., Lehtola G. E., Wichgers J. M. Construction Approach for An EMXT-based Phased Array Antenna // US Patent, Patent No .: US 6,822,617 B1, Nov. 23, 2004 - 1] is based on phase-shifting waveguide devices with an electromagnetic crystal - electromagnetic crystal (EMXT), also referred to in the literature as EBG phase shifters (electromagnetic band gap - EBG) and PBG phase shifters (photonic band gap - PBG). The waveguide section of such phase shifters has a rectangular cross section and is made in the form of side EMXT walls and conductive (metal) upper and lower walls. Each of the many EMXT phase shifters included in the antenna array requires bias and ground voltage to control phase shift. The phase shift control of the EMXT phase shifters ultimately allows electronic scanning of the antenna beam.

Известен аналог предложенного способа управления фазой волноводного фазовращателя (прототип способа) - волноводный фазовращатель с механическим управлением фазой [Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988, с.152 - 2], включающий сжимную секцию прямоугольного волновода. Способ управления фазой в таком фазовращателе состоит в уменьшении ширины волновода путем приложения механических сил к узким стенкам волновода, что на заданной рабочей частоте приводит к уменьшению электрической длины сжимной секции (благодаря увеличению длины волны в волноводе), т.е. при сжатии обеспечивается получение опережающего сдвига фазы по сравнению с распространением волны в несжатом волноводе. Основным недостатком такого способа является низкая скорость управления, ограниченная скоростью приложения механических сил.A known analogue of the proposed method for controlling the phase of the waveguide phase shifter (prototype method) is a waveguide phase shifter with mechanical phase control [Sazonov D.M. Antennas and microwave devices. M.: Higher School, 1988, p.152 - 2], including the compression section of a rectangular waveguide. The method of controlling the phase in such a phase shifter is to reduce the width of the waveguide by applying mechanical forces to the narrow walls of the waveguide, which at a given operating frequency leads to a decrease in the electric length of the compression section (due to an increase in the wavelength in the waveguide), i.e. during compression, a leading phase shift is obtained in comparison with wave propagation in an uncompressed waveguide. The main disadvantage of this method is the low control speed, limited by the rate of application of mechanical forces.

Наиболее близким аналогом предложенного устройства (прототипом устройства) является волноводный фазовращатель с электрическим управлением фазой [Higgins J.A., Xin H., Sailer A., Rosker M. Ka-Band Waveguide Phase Shifter Using Tunable Electromagnetic Crystal Sidewalls // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 4, APRIL 2003, pp.1281-1288 - 3] с использованием стенок волновода, выполненных из электромагнитного кристалла ЕМХТ - двумерных периодических структур, обеспечивающих создание высокоимпедансных поверхностей при резонансе. Управление фазой в таком фазовращателе достигается электрической перестройкой резонансной частоты электромагнитного кристалла путем изменения напряжения смещения, приводящего к изменению импедансных условий на боковых стенках прямоугольного волновода, что в свою очередь и обеспечивает сдвиг фазы. Причем, благодаря особой структуре электромагнитных кристаллов, рабочей является поперечная электромагнитная волна (ТЕМ-волна), возбуждаемая в ЕМХТ волноводе. ТЕМ-волна по своей природе не имеет «отсечки» - запредельного режима, поэтому поперечное сечение ЕМХТ волновода может быть сколь угодно малым при резонансе в электромагнитном кристалле и при этом поддерживать перенос энергии ТЕМ-волной. Недостатком такого фазовращателя является высокий уровень вносимых потерь, обусловленный потерями в электромагнитном кристалле на рабочих частотах.The closest analogue of the proposed device (prototype device) is a waveguide phase shifter with electric phase control [Higgins JA, Xin H., Sailer A., Rosker M. Ka-Band Waveguide Phase Shifter Using Tunable Electromagnetic Crystal Sidewalls // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 51, NO. 4, APRIL 2003, pp.1281-1288 - 3] using waveguide walls made of EMXT electromagnetic crystal — two-dimensional periodic structures providing the creation of high-impedance surfaces at resonance. The phase control in such a phase shifter is achieved by electric tuning of the resonant frequency of the electromagnetic crystal by changing the bias voltage, which leads to a change in the impedance conditions on the side walls of a rectangular waveguide, which in turn provides a phase shift. Moreover, due to the special structure of electromagnetic crystals, the transverse electromagnetic wave (TEM wave) excited in the EMXT waveguide is working. The TEM wave, by its nature, does not have a “cut-off” —a transcendental regime, therefore, the cross section of the EMXT waveguide can be arbitrarily small at resonance in an electromagnetic crystal and at the same time maintain energy transfer by the TEM wave. The disadvantage of this phase shifter is the high level of insertion loss due to losses in the electromagnetic crystal at operating frequencies.

Целью настоящего изобретения является снижение вносимых потерь волноводного фазовращателя при быстром электрическом управлении фазой.The aim of the present invention is to reduce the insertion loss of the waveguide phase shifter during fast electrical phase control.

Для достижения указанной цели предлагается способ, при котором электромагнитную волну поперечно-электрического типа (ТЕ-волну) в распространяющемся режиме на частотах выше частоты отсечки, преимущественно миллиметрового диапазона длин волн, пропускают через секцию прямоугольного волновода.To achieve this goal, a method is proposed in which an electromagnetic wave of the transverse electric type (TE wave) in a propagating mode at frequencies above the cutoff frequency, mainly the millimeter wavelength range, is passed through a section of a rectangular waveguide.

Согласно изобретению, к указанной секции прямоугольного волновода подают управляющее электрическое напряжение и при этом изменяют эффективную ширину волновода путем шунтирования поперечных СВЧ токов в проводящих стенках волновода посредством перемыкающих противоположные стенки указанного волновода варакторов, управляемых вышеуказанным электрическим напряжением и действующих в нерезонансном режиме. Изменяя управляющее электрическое напряжение, подаваемое на варакторы, увеличивают величину их емкости, а по мере увеличения емкости частично или практически полностью шунтируют прохождение поперечных электрических СВЧ токов в стенках прямоугольного волновода, уменьшая тем самым эффективную ширину прямоугольного волновода. Благодаря изменению эффективной ширины волновода осуществляют и управление длиной ТЕ-волны, распространяющейся в волноводе, что, при неизменной геометрической длине секции, обеспечивает управляемое изменение электрической длины указанной секции прямоугольного волновода. При уменьшении эффективной ширины прямоугольного волновода на заданной рабочей частоте увеличивается длина пропускаемой ТЕ-волны (иными словами, уменьшается электрическая длина секции волновода), что как и в отмеченном выше прототипе - волноводном фазовращателе на основе механически сжимной секции волновода [2], обеспечивает получение опережающего сдвига фазы и малые вносимые потери, но при этом электрическое управление обеспечивает также и высокую скорость изменения фазы. Таким образом обеспечивают быстрое электрическое управление фазой пропускаемой волны на выходе указанной секции волновода с малыми вносимыми потерями.According to the invention, a control voltage is applied to said section of a rectangular waveguide and the effective width of the waveguide is changed by shunting the transverse microwave currents in the conductive walls of the waveguide by means of varactors that cross the opposite walls of the specified waveguide and are controlled by the aforementioned voltage and operating in a non-resonant mode. By changing the control electric voltage supplied to the varactors, the magnitude of their capacitance is increased, and as the capacitance increases, the passage of transverse electric microwave currents in the walls of the rectangular waveguide is partially or almost completely shunted, thereby reducing the effective width of the rectangular waveguide. By changing the effective width of the waveguide, the TE wavelength propagating in the waveguide is also controlled, which, at a constant geometric length of the section, provides a controlled change in the electrical length of the specified section of the rectangular waveguide. By reducing the effective width of the rectangular waveguide at a given operating frequency, the transmitted TE wavelength increases (in other words, the electric length of the waveguide section decreases), which, as in the prototype noted above — a waveguide phase shifter based on a mechanically compressive section of the waveguide [2], provides an advancing phase shift and low insertion loss, but the electrical control also provides a high rate of phase change. Thus, they provide fast electrical control of the phase of the transmitted wave at the output of the indicated section of the waveguide with low insertion loss.

Для достижения цели настоящего изобретения предлагается устройство, которое содержит прямоугольный волновод и внешний источник управляющего электрического напряжения.To achieve the objective of the present invention, there is provided a device that comprises a rectangular waveguide and an external source of control voltage.

Согласно изобретению, в полость указанного волновода, ограниченную проводящей поверхностью верхней стенки, проводящей поверхностью нижней стенки и противоположными проводящими поверхностями первой и второй боковых стенок, продольно включена по крайней мере одна варакторная вставка вдоль по крайней мере одной из указанных боковых стенок, выполненная из диэлектрической пластины с нанесенными на одну из ее поверхностей по крайней мере двумя продольными проводящими полосками, и имеющая по крайней мере один зазор между указанными полосками, в который помещен по крайней мере один варактор контактирующий своими электродами с указанными полосками, причем, ко всем указанным полоскам гальванически подключен вышеуказанный источник управляющего электрического напряжения, размещенный вне указанной полости волновода, а ближайшая к указанной верхней стенке волновода полоска соединена по СВЧ току с указанной верхней стенкой и ближайшая к указанной нижней стенке волновода полоска соединена по СВЧ току с указанной нижней стенкой. Включение в отрезок волновода, пропускающего ТЕ-волну в продольном направлении, варакторной вставки в продольном направлении, благодаря электрически управляемому увеличению емкости позволяет уменьшать эффективную ширину прямоугольного волновода путем частичного или практически полного шунтирования прохождения поперечных электрических СВЧ токов в узких стенках прямоугольного волновода. В отличие от отмеченного выше прототипа [3], где в качестве замены узких стенок волновода использован электромагнитный кристалл ЕМХТ для поддержания пропускания поперечной ТЕМ-волны вдоль узких стенок, в предлагаемом устройстве сохранены проводящие (металлические) узкие стенки волновода и используется поперечно-электрическая ТЕ-волна, большая часть переносимой мощности которой сосредоточена посередине полости волновода, что позволяет снизить вносимые потери. В отличие от электромагнитного кристалла ЕМХТ, работающего в существенно резонансном режиме, необходимом для поддержания ТЕМ-волны, варакторная вставка предлагаемого устройства является емкостным элементом и поэтому не проявляет резонансных свойств на рабочих частотах, что также позволяет снизить вносимые потери устройства фазовращателя в целом. Высокая скорость управления фазой предлагаемого устройства определяется скоростью изменения емкости варакторов при соответствующем изменении управляющего напряжения.According to the invention, at least one varactor insert along at least one of said side walls made of a dielectric plate is longitudinally included in the cavity of said waveguide bounded by a conductive surface of the upper wall, a conductive surface of the lower wall and opposite conductive surfaces of the first and second side walls with at least two longitudinal conductive strips deposited on one of its surfaces, and having at least one gap between said strips in which at least one varactor is placed in contact with the indicated strips with its electrodes, moreover, the aforementioned source of the control voltage is galvanically connected to all the indicated strips, located outside the specified waveguide cavity, and the strip closest to the indicated upper wall of the waveguide is connected by microwave current to the indicated upper wall and the strip closest to the indicated lower wall of the waveguide is connected by microwave current to the specified lower wall. The inclusion of a varactor insert in the longitudinal direction into the length of the waveguide transmitting the TE wave in the longitudinal direction, due to the electrically controlled increase in the capacitance, makes it possible to reduce the effective width of the rectangular waveguide by partially or almost completely shunting the passage of transverse electric microwave currents in the narrow walls of a rectangular waveguide. In contrast to the prototype noted above [3], where the EMXT electromagnetic crystal was used as a replacement for the narrow walls of the waveguide to maintain the transmission of the transverse TEM wave along the narrow walls, the proposed device retains the conductive (metal) narrow walls of the waveguide and uses the transverse electric TE wave, most of the transferred power of which is concentrated in the middle of the cavity of the waveguide, which reduces insertion loss. In contrast to the EMXT electromagnetic crystal operating in a substantially resonant mode, which is necessary to maintain the TEM wave, the varactor insert of the proposed device is a capacitive element and therefore does not exhibit resonant properties at operating frequencies, which also reduces the insertion loss of the phase shifter device as a whole. The high speed control phase of the proposed device is determined by the rate of change of capacitance of varactors with a corresponding change in control voltage.

Сравнение с известными техническими решениями показывает, что сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа и устройства соответствует критерию новизны и изобретательского уровня.Comparison with known technical solutions shows that the combination of distinctive features and properties of the proposed method and device meets the criteria of novelty and inventive step.

Изобретение поясняется на фигурах 1-8:The invention is illustrated in figures 1-8:

На фиг.1 показана схема включения варакторов в секцию прямоугольного волновода вдоль одной боковой стенки согласно осуществлению настоящего изобретения.Figure 1 shows a diagram of the inclusion of varactors in a section of a rectangular waveguide along one side wall according to an embodiment of the present invention.

На фиг.2 показана схема включения варакторов в секцию прямоугольного волновода вдоль двух боковых стенок согласно осуществлению настоящего изобретения.Figure 2 shows a diagram of the inclusion of varactors in a section of a rectangular waveguide along two side walls according to an embodiment of the present invention.

На фиг.3 показано мгновенное распределение СВЧ тока по стенкам секции прямоугольного волновода при прохождении те) о волны согласно осуществлению настоящего изобретения.Figure 3 shows the instantaneous distribution of the microwave current over the walls of the section of a rectangular waveguide when passing through the waves according to the implementation of the present invention.

На фиг.4 показаны дисперсионные характеристики пропускаемой ТЕ-волны через секцию прямоугольного волновода согласно осуществлению настоящего изобретения.4 shows the dispersion characteristics of a transmitted TE wave through a section of a rectangular waveguide according to an embodiment of the present invention.

На фиг.5 показан общий вид устройства электрического управления фазой волноводного фазовращателя согласно осуществлению настоящего изобретения.5 is a perspective view of an electric phase control device of a waveguide phase shifter according to an embodiment of the present invention.

На фиг.6 показана варакторная вставка с двумя рядами варакторов согласно осуществлению настоящего изобретения.6 shows a varactor insert with two rows of varactors according to an embodiment of the present invention.

На фиг.7 показана варакторная вставка с четырьмя рядами варакторов согласно осуществлению настоящего изобретения.7 shows a varactor insert with four rows of varactors according to an embodiment of the present invention.

На фиг.8 показана варакторная вставка с одним рядом варакторов согласно осуществлению настоящего изобретения.FIG. 8 shows a varactor insert with one row of varactors according to an embodiment of the present invention.

По предлагаемому способу, как показано на фиг.1 и 2, поперечно-электрическую ТЕ-волну, предпочтительно волну типа ТЕ₁₀, пропускают через секцию прямоугольного волновода 1, шириной a_max, выбираемой таким образом, чтобы указанная ТЕ-волна оказалась распространяющейся, т.е. чтобы рабочие частоты лежали выше частоты отсечки в волноводе. Например, для волны ТЕ₁₀ ширина a_max должна составлять более половины длины электромагнитной волны в свободном пространстве на наименьшей из рабочих частот. Иными словами, ширина волновода a_max должна быть больше половины критической длины волны. При этом секция волновода 1 должна содержать множество варакторов 2, включенных по крайней мере вдоль одной из узких стенок волновода 3, и перемыкающих по СВЧ току широкие стенки волновода 4. Расстояние a_min между линией варакторов 2, и дальней узкой стенкой 3 (фиг.1), либо между двумя линиями варакторов 2, в случае их включения вдоль обеих узких стенок волновода 3 (фиг.2), также должно быть больше половины критической длины волны.According to the proposed method, as shown in FIGS. 1 and 2, a transverse electric TE wave, preferably a wave of type TE ₁₀ , is passed through a section of a rectangular waveguide 1, a width a _max , selected so that said TE wave is propagating, t .e. so that the operating frequencies lie above the cutoff frequency in the waveguide. For example, for the TE ₁₀ wave, the width a _max should be more than half the length of the electromagnetic wave in free space at the lowest of the operating frequencies. In other words, the waveguide width a _max must be greater than half the critical wavelength. The section of the waveguide 1 should contain many varactors 2 included at least along one of the narrow walls of the waveguide 3 and connecting wide walls of the waveguide 4 along the microwave current 4. The distance a _min between the line of varactors 2 and the far narrow wall 3 (Fig. 1 ), or between two lines of varactors 2, if they are included along both narrow walls of the waveguide 3 (Fig. 2), there should also be more than half the critical wavelength.

Изменяя управляющее электрическое напряжение, подаваемое на варакторы 2, варьируют величиной их емкости в интервале C_min - C_max, где приближают значение C_min к нулю настолько, насколько это возможно. При значении варьируемой емкости C_min, близкой к нулю, влияние варакторов 2 на распространение пропускаемой ТЕ-волны минимально и волна проходит секцию волновода 1 практически так же, как и в обычном полом прямоугольном волноводе шириной a_max. Для волны ТЕ₁₀ мгновенное распределение СВЧ тока в стенках волновода схематично показано на фиг.3. При максимальной емкости C_max варакторы 2 практически полностью шунтируют поперечные электрические СВЧ токи в узких стенках прямоугольного волновода, уменьшая тем самым эффективную ширину прямоугольного волновода до значения близкого к a_max. Для всех варьируемых значений емкости варакторов 2 из интервала C_min - C_max, соответствующая эффективная ширина волновода оказывается в пределах интервала a_max - a_min.Changing the control electric voltage supplied to the varactors 2, vary the value of their capacitance in the range of C _min - C _max , where the value of C _{min is} brought to zero as much as possible. When the variable capacitance C _min is close to zero, the influence of varactors 2 on the propagation of the transmitted TE wave is minimal and the wave passes through the section of waveguide 1 in almost the same way as in a conventional hollow rectangular waveguide of width a _max . For the TE ₁₀ wave, the instantaneous distribution of the microwave current in the walls of the waveguide is shown schematically in FIG. 3. At maximum capacitance C _max, varactors 2 almost completely shunt transverse microwave electric currents in the narrow walls of a rectangular waveguide, thereby reducing the effective width of a rectangular waveguide to a value close to a _max . For all the variable values of the capacitance of varactors 2 from the interval C _min - C _max , the corresponding effective waveguide width is within the interval a _max - a _min .

Для различной эффективной ширины волновода получают и различную дисперсионную характеристику пропускаемой ТЕ-волны - зависимость постоянной распространения γ=2π/λ от частоты F (фиг.4), где λ - длина волны в волноводе. Кривая 21 на фиг.4 соответствует дисперсионной характеристике при эффективной ширине волновода a_max, а кривая 22 - при a_min. Показана также штриховая прямая 23, соответствующая поперечной ТЕМ-волне без отсечки, которая не может распространяться в обычном прямоугольном волноводе. В отличие от ТЕМ-волны, постоянная распространения γ=2π/λ ТЕ-волны нелинейно зависит от частоты F (кривые 21 и 22). При эффективной ширине волновода a_max (a_min) поперечно-электрическая волна ТЕ₁₀ пропускаемая через волноводную секцию 1 имеет отсечку на частоте F₁ (F₂), соответственно. А на рабочей частоте F₀, при эффективной ширине волновода a_max (a_min), постоянная распространения волны ТЕ₁₀ составляет γ_max (γ_min), соответственно.For different effective waveguide widths, a different dispersion characteristic of the transmitted TE wave is also obtained — the dependence of the propagation constant γ = 2π / λ on the frequency F (Fig. 4), where λ is the wavelength in the waveguide. Curve 21 in FIG. 4 corresponds to the dispersion characteristic at the effective waveguide width a _max , and curve 22 for a _min . The dashed straight line 23 is also shown, which corresponds to the transverse TEM wave without cutoff, which cannot propagate in an ordinary rectangular waveguide. Unlike the TEM wave, the propagation constant γ = 2π / λ of the TE wave nonlinearly depends on the frequency F (curves 21 and 22). With the effective waveguide width a _max (a _min ), the transverse electric wave TE ₁₀ transmitted through the waveguide section 1 has a cutoff at a frequency F ₁ (F ₂ ), respectively. And at the operating frequency F ₀ , with the effective waveguide width a _max (a _min ), the propagation constant of the TE ₁₀ wave is γ _max (γ _min ), respectively.

Таким образом, изменяя управляющее электрическое напряжение, варьируют емкости варакторов 2 в интервале C_min - C_max, и тем самым получают изменение длины волны в волноводе на рабочей частоте F₀ в пределах 2π/γ_max - 2π/γ_min, что при неизменной геометрической длине волновода обеспечивает управление фазой пропускаемой ТЕ-волны на выходе волноводной секции 1. Иными словами, электрическим образом уменьшая эффективную ширину прямоугольного волновода на заданной рабочей частоте F₀, уменьшают и электрическую длину секции волновода 1, и тем самым обеспечивают получение опережающего сдвига фазы пропускаемой ТЕ-волны на выходе волноводной секции 1. Запаздывающий сдвиг фазы обеспечивают обратным путем - изменяя управляющее напряжение так, чтобы емкость варакторов 2 уменьшалась по сравнению с ее максимальным значением C_max вплоть до C_min, увеличивают эффективную ширину волновода в интервале от a_min до a_max, что и приводит к увеличению электрической длины секции волновода на заданной частоте, а значит пропускаемая ТЕ-волна оказывается с запаздывающей фазой на выходе волноводной секции 1.Thus, by changing the control electric voltage, the capacitances of the varactors 2 are varied in the range of C _min - C _max , and thereby a change in the wavelength in the waveguide at the operating frequency F ₀ in the range 2π / γ _max - 2π / γ _min , which is unchanged the waveguide length provides control of the phase of the transmitted TE wave at the output of the waveguide section 1. In other words, by electrically reducing the effective width of the rectangular waveguide at a given operating frequency F ₀ , the electric length of the waveguide section 1 is also reduced, thereby They obtain the leading phase shift of the transmitted TE wave at the output of the waveguide section 1. The delayed phase shift is provided in the opposite way - by changing the control voltage so that the capacitance of the varactors 2 decreases compared to its maximum value C _max up to C _min , increase the effective waveguide width by in the range from a _min to a _max , which leads to an increase in the electric length of the waveguide section at a given frequency, which means that the transmitted TE wave is with a delayed phase at the output of the waveguide section 1.

Пример предлагаемого устройства электрического управления фазой волноводного фазовращателя показан на фиг.5 и содержит корпус 30, предпочтительно состоящий из проводящих (металлических) частей 31, 32, 33, 34, сжимаемых винтами 35 таким образом, что внутренняя полость корпуса 30 образует волноводный канал 36, ограниченный верхней стенкой из грани части 31, нижней стенкой из грани части 32, и двумя боковыми стенками, формируемыми пазами в частях 33 и 34. В корпус 30 зажимаются также и размещаемые в указанных пазах частей 33 и 34 варакторные вставки 37, к которым через сквозные отверстия 38 в боковых частях 33 и 34 корпуса 30, подается проводящий (металлический) провод 39 с диэлектрическим покрытием 40, как показано на фиг.5. Провод 39 в отверстии 38 образует фильтр нижних частот. Поперечное сечение волноводного канала 36 в данном примере осуществления настоящего изобретения несколько отличается от обычного прямоугольного из-за варакторных вставок 37, однако это отличие не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения, поскольку по электродинамическим характеристикам сечение остается близким к прямоугольному. Волноводный канал 36, может иметь не только близкое к прямоугольному, но и близкое к квадратному поперечное сечение, когда высота узких (боковых) стенок равна ширине широких (верхней и нижней) стенок волновода, что также не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения. Для формирования прецизионных размеров поперечного сечения волноводного канала 36 корпус 30 предпочтительно сжимается винтами 35 вдоль калиброванных штифтов (на фигурах не показаны). Корпус 30 с торцов 41 и 42 имеет предпочтительно резьбовые отверстия 43 для фланцевого соединения предлагаемого устройства с внешними волноводами входа и выхода.An example of the proposed device for electric phase control of the waveguide phase shifter is shown in FIG. 5 and comprises a housing 30, preferably consisting of conductive (metal) parts 31, 32, 33, 34, compressed by screws 35 so that the internal cavity of the housing 30 forms a waveguide channel 36, bounded by an upper wall from the edge of part 31, a lower wall from the edge of part 32, and two side walls formed by grooves in parts 33 and 34. Varactor inserts 37, which are placed in the specified grooves of parts 33 and 34, are also clamped into the housing 30 m through holes 38 in the side portions 33 and 34 of the housing 30 is supplied to the conductive (metallic) wire 39 with dielectric coating 40 as shown in Figure 5. The wire 39 in the hole 38 forms a low pass filter. The cross section of the waveguide channel 36 in this embodiment of the present invention is somewhat different from the usual rectangular one due to the varactor inserts 37, however this difference does not go beyond the essence and scope of the present invention, since the cross section remains close to rectangular in terms of electrodynamic characteristics. The waveguide channel 36, can have not only close to rectangular, but also close to square cross-section, when the height of the narrow (side) walls is equal to the width of the wide (upper and lower) walls of the waveguide, which also does not go beyond the essence and scope of the present invention. To form precise cross-sectional dimensions of the waveguide channel 36, the housing 30 is preferably compressed by screws 35 along calibrated pins (not shown in the figures). The housing 30 from the ends 41 and 42 preferably has threaded holes 43 for flange connection of the proposed device with external waveguides of input and output.

Варакторная вставка 37 в примере осуществления настоящего изобретения выполняется предпочтительно из диэлектрической пластины 371, на одной из поверхностей которой формируются по крайней мере три проводящие (металлизированные) полоски 372, разделенные продольными зазорами 373, в которых размещаются ряды варакторов 2, подсоединенных своими электродами к полоскам 372, как показано на фиг.6. Обратная сторона пластины 371 свободна от какой-либо металлизации или проводящих слоев. Для подачи управляющего электрического напряжения посредством провода 39 по крайней мере к одной из полосок 372 формируется по крайней мере одно сквозное отверстие 374 в диэлектрической пластине 371. Диэлектрическое покрытие 40 удаляется с провода 39 в месте соединения с соответствующей полоской 372 с тем, чтобы обеспечить гальванический контакт (предпочтительно пайкой либо сваркой). Полярность включения варакторов 2 выбирается порядно, чтобы все варакторы 2, размещенные в соответствующем зазоре 373 включались одинаково, при этом обеспечивая встречное включение рядов варакторов 2 в соседних зазорах 373. Ширина диэлектрических пластин 371 выбирается больше размера узкой стенки волноводного канала 36 с тем, чтобы плотно зажать одну из пластин 371 между прилегающими частями 31, 32 и 33, а другую пластину 371 - между прилегающими частями 31, 32 и 34, обеспечив при этом надежный гальванический контакт между прилегающей полоской 372, и корпусом 30 для каждой из варакторных вставок 37.The varactor insert 37 in the embodiment of the present invention is preferably made of a dielectric plate 371, on one surface of which at least three conductive (metallized) strips 372 are formed, separated by longitudinal gaps 373, in which rows of varactors 2 are placed, connected by their electrodes to the strips 372 as shown in FIG. 6. The reverse side of the plate 371 is free from any metallization or conductive layers. To supply a control voltage through the wire 39 to at least one of the strips 372, at least one through hole 374 is formed in the dielectric plate 371. The dielectric coating 40 is removed from the wire 39 at the junction with the corresponding strip 372 so as to provide galvanic contact (preferably soldering or welding). The polarity of the inclusion of the varactors 2 is selected in order so that all the varactors 2 located in the corresponding gap 373 are switched on the same way, while ensuring the opposite inclusion of the rows of varactors 2 in the neighboring gaps 373. The width of the dielectric plates 371 is chosen larger than the size of the narrow wall of the waveguide channel 36 so that clamp one of the plates 371 between the adjacent parts 31, 32 and 33, and the other plate 371 between the adjacent parts 31, 32 and 34, while ensuring reliable galvanic contact between the adjacent strip 372, and the housing ohm 30 for each of the varactor inserts 37.

Варакторная вставка 37 может иметь более двух рядов варакторов 2, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения. Например, на фиг.7 показана вставка с четырьмя рядами варакторов 2 и, соответственно с пятью полосками 372. Количество рядов варакторов 2 выбирается в зависимости от размера используемых варакторов и размера поперечного сечения волноводного канала 36, определяемых частотным диапазоном, а также исходя из технологических особенностей монтажа варакторов в варакторную вставку 37, где предпочтительным может оказаться так называемый метод поверхностного монтажа flip-chip (метод перевернутого кристалла). Количество варакторов в ряду, приходящееся на единицу длины волноводного канала 36, также ограничивается размером варакторов и выбирается, исходя из требования обеспечения минимальности вносимых потерь, а также с учетом доступной технологии монтажа.Varactor insert 37 may have more than two rows of varactors 2, which does not go beyond the essence and scope of the present invention. For example, Fig. 7 shows an insert with four rows of varactors 2 and, accordingly, with five strips 372. The number of rows of varactors 2 is selected depending on the size of the used varactors and the size of the cross section of the waveguide channel 36, determined by the frequency range, and also based on technological features mounting varactors into varactor insert 37, where the so-called flip-chip surface-mounting method (inverted crystal method) may be preferred. The number of varactors in a row per unit length of the waveguide channel 36 is also limited by the size of the varactors and is selected based on the requirement of minimizing the insertion loss, as well as taking into account the available installation technology.

Варакторная вставка 37 может также иметь лишь один ряд варакторов 2 и, соответственно, лишь две проводящие (металлизированные) полоски 372, разделенные единственным продольным зазором 373, как показано на фиг.8, что также не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения. При выполнении устройства с единственным рядом варакторов 2 и двумя полосоками 372 следует обеспечить гальваническую изоляцию (изоляцию по постоянному току) одной из двух полосок 372 от корпуса 30, например, путем нанесения тонкой диэлектрической пленки 375 (показана на фиг.8 штриховкой) на данную полоску 372, что сохраняет замыкание данной полоски 372 на корпус 30 по СВЧ току.Varactor insert 37 may also have only one row of varactors 2 and, accordingly, only two conductive (metallized) strips 372, separated by a single longitudinal gap 373, as shown in Fig. 8, which also does not go beyond the essence and scope of the present invention. When implementing a device with a single row of varactors 2 and two strips 372, it is necessary to provide galvanic isolation (DC isolation) of one of the two strips 372 from the housing 30, for example, by applying a thin dielectric film 375 (shown in FIG. 8 by shading) on this strip 372, which retains the closure of this strip 372 to the housing 30 by microwave current.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При пропускании ТЕ-волны через волноводный канал 36, выступающий в роли секции прямоугольного волновода 1, и изменении управляющего электрического напряжения, подаваемого через провода 39 на варакторные вставки 37, изменяется емкость варакторов 2, что приводит к изменению эффективной ширины волновода, а тем самым - к изменению электрической длины указанной секции прямоугольного волновода 1, что в итоге обеспечивает быстрое электрическое управление фазой пропускаемой ТЕ-волны на выходе предложенного устройства. При этом варакторы 2 работают в емкостном режиме вдали от резонансной области, а большая часть мощности поперечно-электрической ТЕ-волны переносится посередине полости волноводного канала 36, что позволяет снизить вносимые потери.The proposed device operates as follows. When a TE wave is transmitted through a waveguide channel 36, which acts as a section of a rectangular waveguide 1, and a change in the control electric voltage supplied through wires 39 to the varactor inserts 37, the capacitance of the varactors 2 changes, which leads to a change in the effective width of the waveguide, and thereby to change the electrical length of the indicated section of the rectangular waveguide 1, which ultimately provides quick electrical control of the phase of the transmitted TE wave at the output of the proposed device. In this case, the varactors 2 operate in capacitive mode away from the resonance region, and most of the power of the transverse electric TE wave is transferred in the middle of the cavity of the waveguide channel 36, which allows to reduce the insertion loss.

Так при реализации предложенного устройства электрического управления фазой волноводного фазовращателя миллиметрового диапазона длин волн с варакторами на диодах с барьером Шоттки, время установки требуемой фазы определяется скоростью перестройки источника управляющего напряжения и составляет порядка 10-100 нс, тогда как в самом диоде Шоттки время установки емкости составляет порядка лишь 1 пс. Максимальные вносимые потери устройства на проход волны при 90-градусном фазовом сдвиге составляют менее 1,5 дБ, т.е. удельные вносимые потери на градус фазового сдвига составляют не более 0,017 дБ/град.So, when implementing the proposed electric phase control device for the waveguide phase shifter of the millimeter wavelength range with varactors on the Schottky barrier diodes, the installation time of the required phase is determined by the tuning speed of the control voltage source and is about 10-100 ns, whereas the capacitance installation time in the Schottky diode itself is about 1 ps only. The maximum insertion loss of the device per wave pass at a 90-degree phase shift is less than 1.5 dB, i.e. specific insertion loss per degree of phase shift is not more than 0.017 dB / deg.

Предлагаемое изобретение может быть осуществлено не только с такими типами дискретных варакторов, как, например, диоды Шоттки, p-n диоды, сегнетоэлектрические варакторы, MEMS варакторы (варакторы на основе микроэлектромеханических систем), но и с распределенными типами варакторов - когда сплошная среда с электрически управляемой емкостью, такая, например, как сегнетоэлектрическая пленка или полупроводниковый кристалл, распределена в зазорах 373 и контактирует с полосками 372, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения.The present invention can be implemented not only with such types of discrete varactors as, for example, Schottky diodes, pn diodes, ferroelectric varactors, MEMS varactors (varactors based on microelectromechanical systems), but also with distributed types of varactors - when a continuous medium with an electrically controlled capacitance , such as, for example, a ferroelectric film or a semiconductor crystal, is distributed in the gaps 373 and is in contact with the strips 372, which does not go beyond the essence and scope of the present invention.

Claims

1. The method of electrical control of the phase of the waveguide phase shifter of the predominantly millimeter wavelength range, in which the transverse-electric type electromagnetic wave in the propagating mode at frequencies above the cutoff frequency is passed through a section of a rectangular waveguide, characterized in that a control voltage is applied to said section, and change the effective width of the waveguide by shunting the transverse microwave currents in the conductive walls of the waveguide by means of bridge wires opolozhnye wall of said waveguide varactors operated by the above electric voltage and current in the resonance mode, thus providing a controlled change in electrical length of said rectangular waveguide sections, enabling fast wavelength skipped electrically control the phase of the output of said sections with low insertion loss.

2. A device for electric phase control of a waveguide phase shifter, comprising a rectangular waveguide and an external source of control voltage, characterized in that it is longitudinally included in the cavity of the specified waveguide bounded by the conductive surface of the upper wall, the conductive surface of the lower wall and the opposite conductive surfaces of the first and second side walls at least one varactor insert along at least one of said side walls made of dielectric th plate with at least two longitudinal conductive strips deposited on one of its surfaces and having at least one gap between said strips, in which at least one varactor is placed in contact with said electrodes with said strips, and the abovementioned is galvanically connected to all said strips a control voltage source located outside the specified cavity of the waveguide, and the strip closest to the specified upper wall of the waveguide is connected via microwave current to the the upper wall and the strip closest to the lower wall of the waveguide is connected via microwave current to the specified lower wall.

3. The electric phase control device according to claim 2, characterized in that a plurality of discrete varactors with the same polarity of connecting their electrodes to said strips are included in the gap between the conductive strips of the varactor insert, and the above control voltage source is galvanically connected to all said strips in accordance with the order polarity of the inclusion of these discrete varactors.

4. The electric phase control device according to claim 2, characterized in that a distributed element with a capacitance depending on the applied voltage is included in the gap between the conductive strips of the varactor insert.