RU2574471C1

RU2574471C1 - Multicomponent differential shf shifter

Info

Publication number: RU2574471C1
Application number: RU2014146092/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Валентинович Алексеев; Александр Николаевич Ануфриев; Вячеслав Михайлович Исаев; Валерий Петрович Мещанов; Виктор Валериевич Семенчук; Людмила Владимировна Шикова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "НИКА-СВЧ"
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: multicomponent differential SHF shifter includes compensating line and phase-shifting channel in the form of at least two four-terminal circuits coupled by cascade, and each of them is made as a section of related homogeneous lines, which current-conductive conductors are interconnected at one end; according to the solution each four-terminal circuit is loaded by short-circuited stub. The compensating line is made as a section of homogeneous transmission line. Length of the related homogeneous transmission lines for different four-terminal circuits is made identical or different. Length of the short-circuited stub for different four-terminal circuits is made identical or different.

EFFECT: reduced standing-wave factor and reduced maximum deviation Δφ of phase shift function from the rated value φ₀.

6 cl, 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим постоянный фазовый сдвиг между компенсирующей линией (опорным каналом) и фазосдвигающим каналом (ФК) в широкой полосе частот.The invention relates to devices that provide a constant phase shift between the compensating line (reference channel) and the phase-shifting channel (FC) in a wide frequency band.

Известен диференциальный фазовращатель(ДФ) СВЧ, предложенный и исследованный Шиффманом (Schiffman B. M. A new class of broadband microwave 90-degree phase shifters //IRE Trans., 1958. V. MTT-6, no 4. P. 232). В нем опорный канал выполнен в виде отрезка одиночной однородной линии передачи (ЛП), а фазосдигающий канал представляет собой отрезок связанных однородных ЛП с направленностью второго типа, выходные плечи которого непосредственно соединены между собой. Фазосдвигающий канал такого типа получил название С-звена. Теоретически С-звено является всепропускающим четырехполюсником (ЧП): предполагается, что отрезок связанных ЛП в нем характеризуется идеальной направленностью, а длина отрезка, соединяющего выходные плечи связанных однородных ЛП, равна нулю.Microwave differential phase shifter (DF) is proposed and investigated by Schiffman (Schiffman B. M. A new class of broadband microwave 90-degree phase shifters // IRE Trans., 1958. V. MTT-6, no 4. P. 232). In it, the reference channel is made in the form of a segment of a single homogeneous transmission line (LP), and the phase-shifting channel is a segment of connected homogeneous LPs with a directivity of the second type, the output arms of which are directly connected to each other. This type of phase-shifting channel is called the C-link. Theoretically, the C-link is an all-transmitting four-terminal (PE): it is assumed that the segment of coupled drugs in it is characterized by ideal directivity, and the length of the segment connecting the output arms of the connected homogeneous drugs is zero.

Однако на практике потенциальные возможности ДФ на основе С-звеньев не могут быть полностью реализованы, так как длина отрезка, соединяющего выходные плечи связанных однородных ЛП, отлична от нуля. Кроме того, в связанных микрополосковых ЛП конструктивно-технологические ограничения при реализации средних и высоких значений коэффициентов связи и разница фазовых скоростей нормальных волн, распространяющихся в них, нарушают условия идеальной направленности и согласования.However, in practice, the potential capabilities of DF based on C-links cannot be fully realized, since the length of the segment connecting the output arms of the connected homogeneous LPs is nonzero. In addition, in coupled microstrip medicinal products, structural and technological limitations in the implementation of medium and high values of the coupling coefficients and the difference in the phase velocities of the normal waves propagating in them violate the conditions of ideal directivity and coordination.

Известен ДФ СВЧ, включающий опорный и фазосдвигающий каналы (Аристархов Г. М., Алексеев А. А. Широкополосные фазовращатели на связанных микрополосковых линиях с кратными электрическими длинами //Радиотехника, 1987, №12. С. 58). В нем опорный канал выполнен в виде отрезка одиночной однородной ЛП, а фазосдигающий канал представляет собой С-звено, нагруженное короткозамкнутым шлейфом.Known DF microwave, including the reference and phase-shifting channels (Aristarkhov G. M., Alekseev A. A. Broadband phase shifters on coupled microstrip lines with multiple electric lengths // Radio Engineering, 1987, No. 12. P. 58). In it, the reference channel is made in the form of a segment of a single homogeneous PL, and the phase-shifting channel is a C-link loaded with a short-circuited loop.

Однако известный ДФ СВЧ со шлейфом является отражающим. Кроме того, потенциальные возможности такого ДФ до сих пор реализованы на практике не в полной мере.However, the known microwave DF with a loop is reflective. In addition, the potential capabilities of such a DF are still not fully realized in practice.

Наиболее близким к заявляемому устройству является ДФ, содержащий компенсирующую линию (опорный канал) и фазосдвигающий канал в виде, по крайней мере, двух ЧП, соединенных каскадно (авторское свидетельство SU 1580459, МПК H01P1/18). Каждый ЧП выполнен в виде отрезка связанных однородных ЛП, токонесущие проводники которых соединены один с другим на одном конце. Длина проводников в ЧП монотонно изменяется от входа ДФ к его выходу и монотонному возрастанию длины проводников соответствует монотонное убывание их коэффициента связи.Closest to the claimed device is a DF containing a compensating line (reference channel) and a phase-shifting channel in the form of at least two PE connected in cascade (copyright certificate SU 1580459, IPC H01P1 / 18). Each state of emergency is made in the form of a segment of connected homogeneous LVs, the current-carrying conductors of which are connected to one another at one end. The length of the conductors in the PE monotonically varies from the input of the DF to its output and a monotonic increase in the length of the conductors corresponds to a monotonic decrease in their coupling coefficient.

Недостатком прототипа являются плохие характеристики, такие как коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и максимальное отклонение Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀.The disadvantage of the prototype is poor performance, such as a standing wave voltage coefficient (VSWR) and the maximum deviation Δφ of the phase shift function from the nominal value of φ ₀ .

Технический результат заявляемого изобретения заключается в уменьшении КСВН и в уменьшении максимального отклонения Δφ функции фазового сдвига от номинального значения φ₀.The technical result of the claimed invention is to reduce the VSWR and to reduce the maximum deviation Δφ of the phase shift function from the nominal value of φ ₀ .

Указанный технический результат достигается тем, что многоэлементный ДФ СВЧ включает компенсирующую линию и фазосдвигающий канал в виде, по крайней мере, двух четырех полюсников,соединенных каскадно, каждый из которых выполнен в виде отрезка связанных однородных линий передачи, токонесущие проводники которых соединены один с другим на одном конце, согласно решению каждый четырехполюсник нагружен короткозамкнутым шлейфом. Компенсирующая линия выполнена в виде отрезка однородной ЛП. Длина связанных однородных ЛП различных четырехполюсников выполнена одинаковой или различной. Длина шлейфа различных четырехполюсников выполнена одинаковой или различной.The indicated technical result is achieved in that the multi-element microwave DF includes a compensating line and a phase-shifting channel in the form of at least two four poles connected in cascade, each of which is made in the form of a segment of connected homogeneous transmission lines, the current-carrying conductors of which are connected one to another on at one end, according to the decision, each four-terminal is loaded with a short-circuit loop. The compensating line is made in the form of a segment of a homogeneous LP. The length of the connected homogeneous LPs of different quadripoles is made the same or different. The length of the loop of the various quadripoles is the same or different.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема многоэлементного ДФ СВЧ. Позициями на чертеже обозначены: компенсирующая линия; четырехполюсник; короткозамкнутый шлейф.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a multi-element DF microwave. The positions in the drawing indicate: compensating line; quadripole; short-circuit loop.

Заявляемый многоэлементный ДФ СВЧ включает компенсирующую линию 1 и фазосдвигающий канал. Компенсирующая линия выполнена в виде отрезка однородной одиночной ЛП. Фазосдвигающий канал выполнен в виде, по крайней мере, двух четырехполюсников 2, соединенных каскадно. Каждый из ЧП выполнен из отрезка связанных однородных ЛП, имеющего направленность второго типа, причем длина связанных однородных ЛП различных ЧП может быть выполнена одинаковой или различной. Выходные плечи отрезка связанных однородных ЛП каждого ЧП непосредственно соединены между собой, а к месту соединения связанных однородных ЛП подключен короткозамкнутый шлейф 3, причем длина шлейфа различных ЧП может быть выполнена одинаковой или различной. Таким образом, фазосдвигающий канал заявляемого изобретения образован каскадным включением нескольких одинаковых или различных элементов. Двухэлементная структура ФК приведена на чертеже.The inventive multi-element DF microwave includes a compensating line 1 and a phase-shifting channel. The compensating line is made in the form of a segment of a homogeneous single LP. The phase-shifting channel is made in the form of at least two four-terminal 2 connected in cascade. Each state of emergency is made from a segment of connected homogeneous drugs having a directivity of the second type, and the length of the connected homogeneous drugs of different state of emergency can be the same or different. The output shoulders of a segment of connected homogeneous drugs of each state of emergency are directly connected to each other, and a short-circuited loop 3 is connected to the junction of connected homogeneous drugs, and the length of the loop of various state of emergency can be the same or different. Thus, the phase-shifting channel of the claimed invention is formed by cascading the inclusion of several identical or different elements. The two-element structure of the FC is shown in the drawing.

Для двух- и трехэлементных структур была решена задача параметрической оптимизации одновременно фазочастотной характеристики (ФЧХ) фазовращателя и КСВН его фазосдвигающего канала с использованием среды проектирования AWR DE.For two- and three-element structures, the problem of parametric optimization of both the phase-frequency characteristic (PFC) of the phase shifter and the VSWR of its phase-shifting channel using the AWR DE design environment was solved.

В таблицах 1 и 2 приведены рассчитанные оптимальные параметры ДФ двух- и трехэлементной структур ФК для рабочей полосы частот [f₁, f₂] с коэффициентом перекрытия κ=1.5; 2; 2.5 и 3. В таблицах 1 и 2 использованы следующие обозначения: Δφ - максимальное отклонение функции фазового сдвига от номинального значения φ₀;

- электрическая длина ОК;

- длина ОК, нормированная на среднюю длину волны рабочего диапазона частот;

- максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения на входе фазосдвигающего канала; Z_0e, Z_0o - волновые сопротивления четного и нечетного типа возбуждения отрезка связанных ЛП соответственно; Z_шл - волновое сопротивление шлейфа. Волновые сопротивления подводящих линий полагались равными 50 Ом.Tables 1 and 2 show the calculated optimal parameters of the DF of two- and three-element FC structures for the working frequency band [f ₁ , f ₂ ] with an overlap coefficient κ = 1.5; 2; 2.5 and 3. In tables 1 and 2, the following notation is used: Δφ is the maximum deviation of the phase shift function from the nominal value φ ₀ ;

- electric length OK;

- OK length, normalized to the average wavelength of the working frequency range;

- the maximum value of the coefficient of a standing wave of voltage at the input of the phase-shifting channel; Z _0e , Z _0o are the wave resistances of the even and odd type of excitation of a segment of coupled LP, respectively; Z _SHL - wave impedance of the loop. The wave impedances of the supply lines were set equal to 50 Ohms.

Таблица 1. Оптимальные параметры двухэлементной структуры ФКTable 1. The optimal parameters of the two-element structure of the FC

Таблица 2. Оптимальные параметры трехэлементной структуры ФКTable 2. The optimal parameters of the three-element structure of the FC

Из таблиц 1 и 2 следует:From tables 1 and 2 it follows:

1. Увеличение числа элементов приводит к уменьшению отклонения фазочастотной характеристики ДФ от заданного номинального значения φ₀ и уменьшению КСВН на входе ФК.1. An increase in the number of elements leads to a decrease in the deviation of the phase-frequency characteristic of the DF from a given nominal value φ ₀ and to a decrease in VSWR at the input of the FC.

2. Фазовращатели на основе связанных ЛП со шлейфом характеризуются существенно меньшими отклонениями ФЧХ от номинального значения сдвига фазы φ₀. Их практическая реализация упрощается, поскольку значения коэффициентов связи в этих структурах значительно меньше, чем у прототипа.2. Phase shifters based on coupled LPs with a loop are characterized by significantly smaller deviations of the phase response from the nominal value of the phase shift φ ₀ . Their practical implementation is simplified, since the values of the coupling coefficients in these structures are significantly less than that of the prototype.

Claims

1. A multi-element microwave differential phase shifter, comprising a compensating line and a phase-shifting channel in the form of at least two four-terminal devices connected in cascade, each of which is made in the form of a segment of connected homogeneous transmission lines, current-carrying conductors of which are connected to one another at one end, different the fact that each four-terminal is equipped with a short-circuit loop connected to the junction of connected homogeneous lines.

2. A multi-element microwave differential phase shifter according to claim 1, characterized in that the compensating line is made in the form of a segment of a uniform line.

3. A multi-element microwave differential phase shifter according to claim 1, characterized in that the length of the connected homogeneous transmission lines of the various four-terminal networks is different.

4. The multi-element microwave differential phase shifter according to claim 1, characterized in that the length of the connected homogeneous transmission lines of the various four-terminal networks is the same.

5. The multi-element microwave differential phase shifter according to claim 1, characterized in that the length of the loop of the various four-terminal networks is different.

6. A multi-element microwave differential phase shifter according to claim 1, characterized in that the length of the loop of the various four-terminal networks is the same.