AFU_Lektsii

Замечательной особенностью МПЛ является отсутствие граничных нижних частот, в отличие от волновода, где не распространяются волны частот ниже критических. Отсюда возникает возможность построения ФНЧ на МПЛ.

Ограничения, накладываемые на ФНЧ на МПЛ, связаны со степенью воспроизводимости L и C в микрополосковом исполнении. Другими ограничивающими факторами являются краевая емкость С и емкости С1 и С2.

ФНЧ широко используются в выходных низкочастотных цепях, а также в цепях питания активных устройств, где необходимо получение надежных фильтров СВЧ энергии.

1.6.4. Фильтры верхних частот

Схема ФВЧ на сосредоточенных параметрах и его эквивалентная схема на распределенных параметрах представлены на рис.1.23.

Рис.1.23. Фильтр верхних частот: а - эквивалентная схема; б - микрополосковое исполнение

Короткое замыкание индуктивности укорачивает ее длину. Следует заметить, что такие фильтры имеют невысокие электрические характеристики. В высокочастотных участках СВЧ диапазона вместо ФВЧ применяются широкополосные ППФ, иначе называемые фильтрами псевдоверхних частот.

1.7. Фазовращатели и коммутаторы

Управляемые устройства - дискретные фазовращатели (ФВ) и коммутаторы - находят основное применение в ФАР и АФАР, что и определяет совокупность предъявляемых к ним требований. Управляемые устройства характеризуются большим числом параметров. Для ФВ такими параметрами являются: число различных фазовых состояний, фазовый сдвиг, его стабильность, рабочая полоса частот, потери, число управляющих элементов, мощность, потребление по цепям питания и т.д.

Коммутаторы характеризуются числом переключающих каналов, числом управляющих элементов, потерями в открытых и закрытых каналах.

Среди используемых параметров есть основные и вспомогательные. Основными параметрами для дискретных ФВ являются минимальный сдвиг фазы и число

31

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

управляющих элементов, для коммутаторов - число переключаемых каналов и число управляющих элементов.

Прежде чем перейти к анализу ФВ и коммутаторов, дадим ряд определений.

В качестве управляющего элемента во всех схемах используется ключ. Ключом называется линейный двухполюсник, имеющий два различных состояния, которые соответствуют различным значениям сопротивлений ключа, в идеальном случае - 0 и ∞ .

Перевод ключа в одно из состояний осуществляется с помощью внешнего управляющего воздействия. Функцию ключа в рассматриваемых управляемых устройствах выполняет pin-диод.

Неотъемлемым элементом дискретных ФВ и коммутаторов является выключатель. Выключателем называется линейный четырехполюсник, имеющий два различных состояния, в одном из которых он является идеально пропускающим, в другом - идеально отражающим. Выключатель образуется последовательным или параллельным подсоединением ключа в линию передачи (рис.1.24).

Рис.1.24. Выключатели с последовательным (а) и параллельным (б) подсоединением ключа в ЛП

Матрица рассеяния выключателя для двух состояний имеет следующий вид:

Дискретный ФВ представляет собой линейный двухили четырехполюсник, содержащий выключатели, в которых в результате воздействия управляющего сигнала на один или несколько ключей происходит скачкообразное изменение набега фазы электромагнитной волны без изменения ее амплитуды. Минимальный фазовый сдвиг Dj

называется его дискретом. Управление фазовым сдвигом осуществляется от 0 до 2π с дискретом Dj . Число различных фазовых состояний дискретного ФВ p = 2pDj , а

фазовый сдвиг в k-м состоянии

Djk = k × Dj, k = 0,1,..., p -1.

Различают проходные и отражательные ФВ (рис.1.25).

32

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Рис.1.25. Проходной (а) и отражательный (б) ФВ

Проходной ФВ представляет собой линейный, согласованный по входу четырехполюсник без потерь, в котором воздействие управляющего сигнала на ключи приводит к дискретному изменению фазы проходящей электромагнитной волны. Матрица рассеяния проходного ФВ в k-м состоянии

Отражательный ФВ представляет собой линейный двухполюсник без потерь, в котором воздействие управляющего сигнала на ключи приводит к дискретному изменению фазы отраженной электромагнитной волны. Коэффициент отражения в k-м состоянии

Γk = e j(ϕ0 +ϕk ) .

Коммутатор - линейное многополюсное устройство, содержащее выключатели, в которых воздействие управляющего сигнала на ключи приводит к попеременному подключению одного из выходных каналов к входному (рис.1.26).

Рис.1.26. N-канальный коммутатор

В любом состоянии коммутатор является согласованным по входу устройством без потерь, в котором коэффициент передачи во все каналы, кроме i-го, равен 0, а модуль коэффициента передачи в i-й канал равен 1.

1.7.1. Минимальное число ключей

Поскольку ФВ и коммутатор являются линейными многополюсниками, формально они могут быть исследованы на основании аппарата линейной алгебры. В общем случае ФВ и коммутатор являются 2N-полюсниками. Очевидно, что число ключей не может быть меньше, чем N. Рассмотрим управляемый четырехполюсник, который выполняет функции

33

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

переключателя, т.е. в одном состоянии он не оказывает никакого воздействия на падающую волну, а в другом - создает полное отражение. Ключ выполняет единственную функцию - обеспечивает отражение волны. Ясно, что это может быть выполнено одним ключом.

Рассмотрим управляемый четырехполюсник (рис.1.27), который содержит управляющий элемент и ключи, предназначенные для изменения фазового набега проходящей волны, т.е. устройство является ФВ.

Рис.1.27. Управляемый четырехполюсник

Реальный режим возбуждения ФВ соответствует согласованию по входу и полной

где b2' и b2'' - волны на выходе ФВ, соответствующие двум состояниям: без управляющего воздействия и при его наличии.

Воспользуемся методом синфазного и противофазного возбуждения нашего четырехполюсника. Матрица рассеяния ФВ имеет следующий вид:

где e jϕ1 и e jϕ2 - собственные значения, соответствующие синфазному и противофазному возбуждению, равные коэффициентам отражения на клеммах 1 и 2.

Таким образом,

S11 = S22 = 0,5(e jϕ1 + e jϕ2 ); S12 = S21 = 0,5(e jϕ1 − e jϕ2 ).

Согласование по входу b1 = 0 будет выполняться всегда, если S11 = 0. Тогда

+ e jϕ2 = 0 , откуда ϕ1 = ϕ2 ± π .

Отсюда следует вывод, что если управляющее воздействие на один из ключей изменяет собственное значение e jϕ1 , то для обеспечения согласования необходимо также

34

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

воздействие на другое собственное значение e jϕ2 так, чтобы выполнялись эти равенства, т.е. необходим второй ключ. Заметим, что в отличие от коммутатора в ФВ при действии ключей реализуются две функции: создание фазового скачка и обеспечение согласования. Одним ключом выполнить обе функции невозможно.

Дискретное изменение фазового набега волны, прошедшей через ФВ, обеспечивается, если собственные значения в первом и втором состояниях связаны соотношением

не противоречащим условию согласования для обоих соcтояний.

Таким образом, для работы четырехполюсника в режиме проходного ФВ минимально необходимое число ключей n равно числу пар полюсов. Использование одного ключа приведет к появлению отраженной волны, т.е. S11 ¹ 0 , так как в результате воздействия на ключ изменяется только одно из собственных значений, а другое остается неизменным. Если в одном состоянии S11 = 0 , то в другом S11 = sin(Dj2). При ϕ = π (предельный случай) такой ФВ превращается в коммутатор.

1.7.2.Число ключей в многоканальном коммутаторе

имногоразрядном фазовращателе

Многоканальный коммутатор представляет собой 2N-полюсник, в котором один канал с клеммой 1 является входом, а остальные N −1 каналы - выходами. Пусть входной канал соединяется с i-м выходным каналом. При этом все остальные каналы должны быть отключены, что достигается состоянием выключателя в этих каналах. Выключатель с одним управляющим элементом обеспечивает два состояния: пропускание волны через канал с нулевым коэффициентом отражения и полное отражение. Поэтому, чтобы i-й канал закрыть, а j-й канал открыть, в каждом из них необходимо изменить состояние выключателя на противоположное. При этом состояние выключателя в соседнем канале не меняется. Таким образом, в каждом из переключаемых каналов необходимо иметь выключатель, по крайней мере, с одним ключом. В то же время входной канал всегда открыт и не требует ключа. Соответственно минимальное число ключей в многоканальном коммутаторе N – 1. Заметим, что в многоканальном коммутаторе, где не зафиксирован входной канал, минимальное число ключей равно N. В реальных

35

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

коммутаторах число ключей в выходных каналах определяется характеристиками pin- диодов, отличающимися от идеальных, а также схемой включения.

В дискретных ФВ обычно используется несколько фазовых состояний. Как правило, p > 2. Ранее было показано, что проходной четырехполюсник, содержащий два ключа, обеспечивает только два фазовых состояния. Для p > 2 применяется каскадная схема включения нескольких четырехполюсников, каждый из которых содержит не менее двух ключей и задает определенное значение фазового сдвига. Такие отдельные четырехполюсники называются разрядами. Минимальный сдвиг фазы Δφ называется

Все сказанное относится к проходным ФВ, в которых число внешних каналов N = 2 . На практике находит применение также отражательный ФВ, который является двухполюсником с N = 1. Управление таким двухполюсником осуществляется одним ключом. Такой отражательный ФВ обеспечивает два фазовых состояния. Если же требуется обеспечить p состояний с дискретом фазового сдвига Δφ, то необходимо попрежнему использовать несколько разрядов. При этом только один разряд включен по схеме двухполюсника, а все остальные разряды представляют четырехполюсники, каскадно включенные между двухполюсником и входным ФВ.

Таким образом, только для одного разряда можно использовать один ключ. В этом случае в отражательном ФВ такого типа число ключей на один меньше, чем в проходном

nmin = 2 log 2 (2π ϕ).

1.7.3. Базовые схемы коммутаторов

Из всего многообразия схем коммутаторов и ФВ можно выделить ограниченный набор элементарных схем, которые являются базовыми при построении многоканальных коммутаторов и многоразрядных ФВ. Анализ таких схем сравнительно прост, и их характеристики позволяют оценить возможность их использования при построении управляемых устройств с заданными параметрами.

Коммутаторы СВЧ могут быть построены с использованием выключателей на pin- диодах с последовательным, параллельным или комбинированным параллельнопоследовательным способами включения диодов в линию передачи (рис.1.28).

36

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

В этих схемах используются собственная емкость диода и индуктивный элемент, сосредоточенный или распределенный - параллельные шлейфы. Недостатком таких коммутаторов является их узкополосность.

Рассмотрим основные схемы двухканальных коммутаторов (рис.1.31). Более сложные схемы могут быть получены либо простым увеличением каналов, либо схемой "елочка".

Рис.1.31. Основные схемы двухканальных коммутаторов

На рис.1.31,а показан коммутатор с последовательным включением диодов в линию. Он является широкополосным и конструктивно простым. Недостаток - малая развязка на высоких частотах.

Параллельная схема (рис.1.31,б) позволяет получить более высокие значения развязки, однако является узкополосной. Эквивалентная схема коммутатора в рабочем режиме представляет пересчитанное в плоскость разветвления каналов сопротивление отключенного канала: Zвх = jtgΘ для r << 1.

Для получаем Zвх = ∞, и потери и согласование открытого канала определяются только параметрами закрытого диода в этом канале, однако при изменении частоты начнет сказываться конечное значение Zвх, что приведет к рассогласованию. Введение последовательного диода в схему (рис.1.31,в) ослабляет влияние закрытого канала и позволяет увеличить рабочую полосу частот.

Схемы коммутаторов могут быть усложнены включением диодов не непосредственно в линию передачи коммутатора, а в шлейфы, короткозамкнутые или разомкнутые на конце, включаемые на некотором расстоянии от точки ветвления (обычно Λ/4). Схемы становятся более громоздкими, при этом существенных улучшений параметров не происходит.

1.7.4. Методика инженерного проектирования и расчета электрических параметров фазовращателей

Принцип работы дискретного ФВ основан на скачкообразном изменении фазы проходящей или отраженной электромагнитной волны за счет изменения электрической длины ФВ. Для пояснения принципа работы на рис.1.32 представлены схемы простейших

38

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

отражательного и проходного ФВ, использующие для создания фазового сдвига собственную реактивность pin-диода.

В схеме а при переходе от открытого состояния pin-диода (ключ замкнут) к закрытому (ключ разомкнут) происходит укорочение короткозамкнутой на конце линии. Электрическая длина линии Θ меняется скачком на величину ψ = аrctgXD, где XD =

(ωСDρ0 )−1 - нормированное к волновому сопротивлению ЛП реактивное сопротивление pin-диода в закрытом состоянии.

D

D

Рис.1.32. Простейшие отражательный (а) и проходной (б) ФВ

Предполагается, что активная составляющая сопротивления мала и не влияет на фазовые соотношения. Коэффициенты отражения на входных клеммах такой цепи при условии отсутствия потерь в линии для двух состояний равны Γ1 = e− j2Θ , Γ2 = e− j2(Θ+ϕ) и фазовый сдвиг Δφ = 2φ.

В схеме б перевод pin-диода из открытого состояния в закрытое создает в ЛП фазовый набег: ϕ = arctg(X D / 2). Мы уже говорили, что в схеме одного разряда проходного ФВ для обеспечения согласования следует включить по крайней мере еще один фазосдвигающий элемент. В простейшем случае это такой же pin-диод, включенный на расстоянии Λ/4 от первого, так что общее изменение фазы равно 2Δφ.

Обе схемы поясняют принцип работы ФВ с применением pin-диодов, однако в реальных конструкциях требуется применение дополнительных элементов, позволяющих в значительной мере снять ограничения, налагаемые параметрами pin-диодов.

Действительно, как видим из этих формул, фазовый скачок определяется собственной емкостью диода. Волновое сопротивление линии ρ0 можно выбирать в широких пределах, однако тогда необходимо ставить согласующие цепи на входе и выходе. Поэтому обратимся к другим схемам ФВ, которые могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.

Как правило, многоступенчатые фазовращатели образуются каскадным соединением одноступенчатых. Среди проходных одноступенчатых ФВ можно выделить три типа:

39

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1)проходные ФВ, в которых изменение фазы коэффициента прохождения осуществляется коммутацией различных периодически включаемых в линию параллельных реактивностей - проходные шлейфные фазовращатели;

2)проходные ФВ, полученные преобразованием одноступенчатых отражательных ФВ (ООФВ). Преобразование можно осуществить, нагрузив на ООФВ циркулятор или трехдецибельный НО. Такие ФВ называются проходными ФВ на гибридных устройствах;

3)проходные ФВ, в которых скачкообразное изменение фазы проходящего сигнала достигается переключением с помощью диодов каналов с различной электрической длиной. Такие ФВ называются проходными с переключаемыми каналами.

Пример выполнения одного разряда проходного шлейфного ФВ приведен на рис.1.33,а, а его эквивалентная схема - на рис.1.33,б. Этот ФВ представляет микрополосковую линию, в которую на определенном расстоянии (в точки А и В) параллельно включены два одинаковых четвертьволновых шлейфа (длиной Λ / 4 ), нагруженых на разомкнутые отрезки линии и pin-диоды. Сразу отметим недостаток, присущий данному типу ФВ, - он предназначен для реализации небольших фазовых

сдвигов (обычно ϕ < 90o ).

Для обеспечения фазового сдвига Δφ > 45˚, как правило, применяется проходной ФВ на гибридных устройствах. Гибридное устройство представляет собой НО, в котором мощность делится поровну между основным плечом и рабочим. Тип НО может быть различным (двухшлейфный, мост Ланге, НО на связанных линиях и т.д.).

Рис.1.33. Шлейфный ФВ (а) и его эквивалентная схема (б): y0, y1, y2 - волновые проводимости соответствующих отрезков линий; Сб - блокировочная емкость, необходимая для закорачивания pin-диодов на землю по СВЧ сигналу и развязки по постоянному току

Рассмотрим схему ФВ на основе двухшлейфного НО, представленную на рис.1.34,а, и его эквивалентную схему - на рис.1.34,б.

40

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com