RU2251765C2 - Differential microwave phase shifter - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering; basic components for various microwave devices.

SUBSTANCE: proposed microwave phase shifter has phase-shifting channel on single transmission life with stub and compensating line. Single transmission line is made in the form of odd number of symmetrical cascaded sections of uniform transmission lines whose lengths equal λ_m/4; length of central section equals λ_m/2. Wave impedances of these sections are monotonously reducing toward center of single line; stub is inserted in the middle of central section.

EFFECT: enhanced precision of constant phase shift in wide frequency band with reduced maximal standing wave ratio at phase-shifting channel input.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве базового элемента при создании различных устройств СВЧ.The invention relates to the field of radio engineering and can be used as a basic element in the creation of various microwave devices.

Дифференциальные фазовращатели состоят из компенсирующего и фазосдвигающего каналов. В большинстве случаев компенсирующий канал представляет собой отрезок однородной одиночной линии передачи. В известных структурах дифференциальных фазовращателей фазосдвигающий канал образуется на основе либо одиночных, либо связанных линий передачи. Наибольшее распространение получили дифференциальные фазовращатели, в которых фазосдвигающий канал представляет собой всепропускающую цепочку на основе связанных линий передачи. Основное их достоинство заключается в том, что теоретически они пропускают все сигналы без отражения. Однако такие фазовращатели сложны в изготовлении, в особенности при использовании и реализации полосковых и микрополосковых линий.Differential phase shifters consist of compensating and phase shifting channels. In most cases, the compensating channel is a segment of a uniform single transmission line. In known structures of differential phase shifters, a phase-shifting channel is formed on the basis of either single or coupled transmission lines. The most common are differential phase shifters, in which the phase-shifting channel is an all-transmitting chain based on coupled transmission lines. Their main advantage is that theoretically they pass all signals without reflection. However, such phase shifters are difficult to manufacture, especially when using and selling strip and microstrip lines.

Фазовращатели с фазосдвигающим каналом на одиночных линиях передачи проще в реализации, но они являются отражающими. Уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения K_cтU max входа фазосдвигающего канала на одиночных линиях передачи приводит к росту отклонения Δφ от номинального значения φ_о разности фаз сигналов на выходах компенсирующего и фазосдвигающего каналов. Поэтому при поиске их параметров находится компромисс между отклонением Δφ и К_стUmax.Phase shifters with a phase-shifting channel on single transmission lines are easier to implement, but they are reflective. A decrease in the coefficient of the standing voltage wave K _{ct U} max of the input of the phase-shifting channel on single transmission lines leads to an increase in the deviation Δφ from the nominal value φ _of the phase difference of the signals at the outputs of the compensating and phase-shifting channels. Therefore, when searching for their parameters, a compromise is found between the deviation Δφ and K _stUmax .

Известен дифференциальный фазовращатель СВЧ на одиночной линии передачи, фазосдвигающий канал которого содержит комбинацию полуволнового отрезка линии передачи и двух шлейфов - разомкнутого и короткозамкнутого, расположенных поперек полуволнового отрезка линии передачи. Длины шлейфов равны λ_ср/8, где λ_ср - длина волны в линии на средней частоте рабочего диапазона. (Microwave & RF. - 1979. - №12. - р.167-168).A known microwave differential phase shifter on a single transmission line, the phase-shifting channel of which contains a combination of a half-wave length of a transmission line and two loops - open and short-circuited, located across a half-wave length of a transmission line. The lengths of the loops are equal to λ _cf / 8, where λ _cf is the wavelength in the line at the average frequency of the operating range. (Microwave & RF. - 1979. - No. 12. - p.167-168).

Основным достоинством этого фазовращателя является простота изготовления. В октавной полосе частот для 15°<φ_о<90° они имеют K_стUmах<1,15 и Δφ≈2°. Недостатком этого фазовращателя является относительно большая величина отклонения разности фаз от номинального значения Δφ, не всегда приемлемая для решения практических задач.The main advantage of this phase shifter is its ease of manufacture. In the octave frequency band for 15 ° <φ _о <90 ° they have K _stUmax <1.15 and Δφ≈2 °. The disadvantage of this phase shifter is the relatively large deviation of the phase difference from the nominal value Δφ, which is not always acceptable for solving practical problems.

Известны также широкополосные дифференциальные фазовращатели СВЧ на основе Т- и П-образных соединений, реализуемых на одиночных линиях передачи различных типов: симметричных и несимметричных, полосковых, копланарных и щелевых. Их фазосдвигающие каналы образованы из полуволнового отрезка одиночной линии передачи и четвертьволновых шлейфов. (Радиотехника и электроника. - 1988. - Т.33. - В.1. - С.63-69).Microwave wideband differential phase shifters based on T- and U-shaped connections, realized on single transmission lines of various types: symmetric and asymmetric, strip, coplanar and slotted, are also known. Their phase-shifting channels are formed from a half-wave segment of a single transmission line and quarter-wave loops. (Radio engineering and electronics. - 1988. - T.33. - B.1. - S.63-69).

Фазочастотные характеристики таких фазовращателей улучшены по сравнению с предыдущим решением. Но при этом максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения К_стUmax входа фазосдвигающего канала стало больше. Большая величина К_стUmax является их недостатком.The phase-frequency characteristics of such phase shifters are improved compared to the previous solution. But at the same time, the maximum value of the coefficient of a standing wave of voltage K _{stUmax of the} input of the phase-shifting channel has become greater. The large value of K _stUmax is their disadvantage.

Наиболее близким к предлагаемому является дифференциальный фазовращатель СВЧ, фазосдвигающий канал которого образован из полуволнового отрезка одиночной линии передачи и включенным посередине ее короткозамкнутым шлейфом, образующим Т-образное соединение. (См.: Радиотехника и электроника. - 1988. - т.33. - в.1. - С.65.)Closest to the proposed is a microwave differential phase shifter, the phase-shifting channel of which is formed from a half-wave segment of a single transmission line and its short-circuited loop connected in the middle, forming a T-shaped connection. (See: Radio engineering and electronics. - 1988. - v. 33. - v.1. - P.65.)

Фазочастотные характеристики этого фазовращателя и максимальное значение коэффициента стоячей волны напряжения К_{стU max} входа фазосдвигающего канала совпадают с предыдущим решением. Большая величина K_cтUmax является их недостатком.The phase-frequency characteristics of this phase shifter and the maximum value of the coefficient of the standing wave of the voltage K _{stU max of the} input of the phase-shifting channel coincide with the previous solution. The large value of K _cUmax is their disadvantage.

Задачей предлагаемого изобретения является более точное обеспечение постоянного сдвига фаз (уменьшение Δφ) в широкой полосе частот при уменьшении K_cтUmах входа фазосдвигающего канала.The objective of the invention is to more accurately ensure a constant phase shift (decrease Δφ) in a wide frequency band while decreasing K _{cUmax of the} input of the phase-shifting channel.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном фазовращателе СВЧ, содержащем фазосдвигающий канал на одиночной линии передачи со шлейфом, и компенсирующую линию, согласно предлагаемому решению одиночная линия передачи выполнена в виде симметричного каскадного включения нечетного числа отрезков однородных линий передачи, длины которых равны λ_ср/4, длина центрального отрезка равна λ_ср/2, волновые сопротивления отрезков монотонно убывают к центру одиночной линии, при этом шлейф включен в середине центрального отрезка.The problem is solved in that in a microwave differential phase shifter containing a phase-shifting channel on a single transmission line with a loop, and a compensating line, according to the proposed solution, a single transmission line is made in the form of a symmetric cascade connection of an odd number of segments of homogeneous transmission lines whose lengths are equal to λ _cf / 4, the length of the central segment is equal to λ _sr / 2, the wave impedances of the segments monotonically decrease towards the center of a single line, with the loop included in the middle of the central segment.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено схематическое изображение предлагаемого фазовращателя, на фиг.2 приведена частотная зависимость разности фаз сигналов на выходах предлагаемого 90° фазовращателя в октавной полосе частот, на фиг.3 - частотная зависимость модуля коэффициента отражения от входа предлагаемого фазовращателя в октавной полосе частот, где:The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a schematic representation of the proposed phase shifter, Fig. 2 shows the frequency dependence of the phase difference of the signals at the outputs of the proposed 90 ° phase shifter in the octave frequency band, Fig. 3 - frequency dependence of the reflection coefficient module from the input of the proposed phase shifter in the octave frequency band, where:

1 - фазосдвигающий канал;1 - phase-shifting channel;

2 - шлейф;2 - a loop;

3 - компенсирующая линия;3 - compensating line;

4 - первый вход (вход фазосдвигающего канала);4 - first input (input phase-shifting channel);

5 - первый выход;5 - the first exit;

6 - второй вход;6 - second entrance;

7 - второй выход.7 - second exit.

Фазовращаетель состоит из фазовращающего канала 1 на одиночной линии передачи, со шлейфом 2, и компенсирующей линии 3. Одиночная линия передачи представляет собой симметричное каскадное включение нечетного числа отрезков однородных линий передачи длиной φ_ср/4 с волновыми сопротивлениями ρ₁, ρ₂, ρ₃, длина центрального отрезка равна λ_ср/2. Волновые сопротивления связаны соотношением ρ₁>ρ₂>ρ₃. Шлейф 2 с волновым сопротивлением ρ_ш включен в середине центрального отрезка. Начало первого отрезка с волновым сопротивлением ρ₁ является входом фазосдвигающего канала и первым входом 4 фазовращателя. Конец второго отрезка с волновым сопротивлением ρ₁ является первым выходом 5 фазовращателя. Компенсирующая линия 3 представляет собой отрезок однородной одиночной линии передачи длиной l_комп. Начало его является вторым входом 6, а конец - вторым выходом 7 фазовращателя.The phase shifter consists of a phase-shifting channel 1 on a single transmission line, with a loop 2, and a compensating line 3. A single transmission line is a symmetric cascade connection of an odd number of segments of homogeneous transmission lines of length φ _cf / 4 with wave impedances ρ ₁ , ρ ₂ , ρ ₃ , the length of the central segment is equal to λ _sr / 2. Wave impedances are connected by the relation ρ ₁ > ρ ₂ > ρ ₃ . A loop 2 with wave impedance ρ _{w is} included in the middle of the central segment. The beginning of the first segment with wave impedance ρ ₁ is the input of the phase-shifting channel and the first input 4 of the phase shifter. The end of the second segment with wave impedance ρ ₁ is the first output 5 of the phase shifter. Compensating line 3 is a segment of a homogeneous single transmission line of length l _comp . Its beginning is the second input 6, and the end is the second output 7 of the phase shifter.

Предлагаемый дифференциальный фазовращатель работает следующим образом: в рабочей полосе частот при подаче на входы 4, 6 одинаковых по амплитуде и фазе СВЧ-сигналов за счет подобранных значений длины компенсирующей линии l_комп и волновых сопротивлений отрезков и шлейфа на входе 4 и на выходах 5 и 7 будут сигналы, удовлетворяющие заданным требованиям к K_cтUmax входа фазосдвигающего канала 4 и к величине максимального отклонения разности между фазами сигналов на выходах 5 и 7 от номинального значения. Благодаря выявленной закономерности распределения волновых сопротивлений линии передачи фазосдвигающего канала, предлагаемый дифференциальный фазовращатель по сравнению с прототипом в одной и той же рабочей полосе частот имеет меньшие значения К_стUmax входа 4 и меньшие максимальные отклонения разности фаз сигналов на выходах 5 и 7 от номинального значения. Например, в октавной рабочей полосе частот при номинальном значении фазового сдвига 90° максимальное отклонение от 90° разности фаз сигналов на выходах 5 и 7 и К_стUmax входа 4 равны соответственно: 1.39° и 1.17 - для прототипа, 0.94° и 1.03 для предлагаемого фазовращателя (фиг.2, 3).The proposed differential phase shifter works as follows: in the working frequency band when applying to the inputs 4, 6 the same amplitude and phase microwave signals due to the selected values of the length of the compensating line l _comp and the wave impedances of the segments and the loop at input 4 and outputs 5 and 7 there will be signals that satisfy the specified requirements for K _{cUmax of the} input of the phase-shifting channel 4 and the maximum deviation of the difference between the phases of the signals at outputs 5 and 7 from the nominal value. Due to the revealed regularity of the distribution of wave impedances of the phase-shifting channel transmission line, the proposed differential phase shifter in comparison with the prototype in the same working frequency band has lower values of K _{stUmax of} input 4 and smaller maximum deviations of the phase difference of the signals at outputs 5 and 7 from the nominal value. For example, in the octave operating frequency band at a nominal phase shift of 90 °, the maximum deviation from 90 ° of the phase difference of the signals at outputs 5 and 7 and K _{stUmax of} input 4 are equal: 1.39 ° and 1.17 for the prototype, 0.94 ° and 1.03 for the proposed phase shifter (figure 2, 3).

Claims (1)

Дифференциальный фазовращатель СВЧ, содержащий фазосдвигающий канал на одиночной линии передачи со шлейфом, и компенсирующую линию, отличающийся тем, что одиночная линия передачи выполнена в виде симметричного каскадного включения нечетного числа отрезков однородных линий передачи, длины которых равны λ_ср/4, длина центрального отрезка равна λ_ср/2, волновые сопротивления отрезков монотонно убывают к центру одиночной линии, при этом шлейф включен в середине центрального отрезка, где λ_ср - длина волны линии передачи на средней частоте рабочего диапазона.A microwave differential phase shifter containing a phase-shifting channel on a single transmission line with a loop and a compensating line, characterized in that the single transmission line is made in the form of a symmetric cascade connection of an odd number of segments of uniform transmission lines whose lengths are equal to λ _sr / 4, the length of the central segment is λ _cf / 2, the wave impedances of the segments monotonically decrease towards the center of a single line, while the loop is turned on in the middle of the central segment, where λ _cf is the wavelength of the transmission line at the average frequency p work range.

Images