Глава 4 УПРАВЛЯЕМЫЕ УСТРОЙСТВА

4.1. Фазовращатели

Фазовращатели строятся на основе управляемых секций, расчет и основные характеристики которых были рассмотрены ранее. Они включают в себя ряд каскадно соединенных секций, управляемых с помощью варикапов или р-i-п-диодов [59, 72] (рис. 4.1). Возможна также механическая подстройка фазового сдвига емкостными винтами [85].

Выбор конструкции секций определяется прежде всего основными требуемыми параметрами фазовращателей: регулируемым фазовым сдвигом Аф и средней фазовой задержкой фср. Величина Дф зависит от эффективности регулирования фазы в секции. В пп. 2.2 и 3.1 было показано, что эффективность регулирования с физической точки зрения зависит от реакции на включение неоднородности и степени регулирования фазовой скорости в СПЛ. Целесообразно при проектировании фазовращателей не разделять эти два фактора, тем более, что по оценкам они или равнозначны, или даже первый из названных больше весом [20]. Показателем эффективности регулирования фазового сдвига в данном случае может служить коэффициент /(<р=Аф/фср. Для сравнения различных вариантов конструкций целесообразно определить предельно достижимый /(<р, который обозначим Кф- Коэффициент Кц, достигает предела Кф при изменении сопротивления регулирующего элемента от бесконечности до нуля.

Упраблятцее-напряжение U,

°т1--i-i I i-X

Cejmu i \ [Секцией

Рис. 4.1. Структурная схема фазовращателей на связанных полосковых линиях

0,01 о,ог 001 0,04 0,05 oos in

Рис. 4.2. Зависимость фазового сдвига ф в управляемой секции от длины связанных полосок /

В дорезонансной области частот зависимость фазового сдвига в секции от ее длины / близка к линейной. На рис. 4.2 приведены расчетные графики, иллюстрирующие изменение Ф от / для секции с включением емкости в центре управляющей полоски на частоте 600 МГц. СПЛ имели следующие параметры: сопротивления одинаковых полосок для синфазного возбуждения Ze=100 Ом, для противофазного Zo=25 Ом; отношение электрических длин 6о/6=1,3; эффективная диэлектрическая

проницаемость для синфазной волиы е^=3. Приблизительно линейная зависимость ф (/), как это видио из рисунка, наблюдается до / = 0,05 м, когда фазовый сдвиг в секции ф 90°. Это позволяет считать /С, (в том числе и в первом приближении неизменными от длины секции, если она ограничена указанными пределами. Тогда при данных условиях К является функцией только поперечных размеров секции и диэлектрических проинцаемост/(й подложек, т. к. по определению К не зависит от сопротивления регулирующего элемента.

Рассмотрим зависимость предельного коэффициента регулирования от первичных параметров полосок секции. Для этого в качестве исходных параметров возьмем и Kc=Ze/Zo. Коэффициент связи Кс, определяемый таким образом, зависит от коэффициента емкостной связи кс:

Для связанных полосковых линий различных конструкций /Сс1[39, 43, 58, 60], а к колеблется в небольших пределах и только для линий с сильно неуравновешенной связью, рассмотренных в п. 3.5, может достигать значения к^=\2. Определенные значения к^ физически реализуемы, начиная только с некоторого Кс (или к с).

Расчетные зависимости К11 от отношения волновых сопротивлений синфазного и противофазного возбуждения одинаковых СПЛ и коэффициента к^ показаны на рнс. 4.3, 4.4. Длина полосок была взята /=0,19 м, эффективная диэлектрическая проницаемость е^=3, а приблизительное условие согласования соблюдалось тем, что полагалось

V2eZo =50 Ом.

Из рис. 4.3 видно, что с увеличением Кс регулировка фазы возрастает, величина /С^тем больше, чем больше к^. Прн фиксированном Кс, например /( =4, удается получить /С < 0,29 (см. рис. 4.4).

При выборе поперечного сечения СПЛ по критерию достаточности Kll, к сожалению, нельзя указать точную границу достижимой регулировки фазовой задержки для разных видов конструкций, т. к. /С, зависит от величины регулирующей емкости, допустимого изменения волнового сопротивления (/C t/). а также от возможной технологии изготовления СПЛ (например, от того, какой зазор можно получить при том или ином способе изготовления линий).

Рнс. 4.3. Завнснмость коэффициента регулирования фазы К? от коэффициента емкостной связи при разных коэффициентах неуравновешенности

Рис. 4.4. Зависимость коэффициента регулирования фазы /С от коэффициента неуравновешенности электромагнитной связи к^ при разных коэффициентах емкостной связи К/.

Проведенные экспериментальные исследования и расчеты показывают, что при планарном расположении связанных

полосок секции [13, 87] характерны значения /(=0,05.....0,1.

Конструкции линий, связанных по широкой стенке (лицевая связь) [87-89], обеспечивает К^= 0,\,...,0,3. СПЛ, предложенные в [19], дают /(>0,3. Примеры конструкций СПЛ, обеспечиваюших наиболее эффективную регулировку, показаны на рис. 4.5.

а

Рис. 4.5. Конструкции связанных полосковых линий, обеспечивающие эффективную регулировку фазы в управляемых секциях

После выбора конструктивной формы связанных полосок секции по критерию достаточности регулирования фазы дальнейший путь проектирования заключается в уточнении продольных и поперечных размеров, номиналов и пределов изменения сопротивлений регулирующих элементов.

Приведем краткое описание конструкций и характеристик некоторых разработанных фазовращателей.

Фазовращатель на диапазон частот 100-200 МГЦ был выполнен на четырех секциях, управляемых варикапами типа КВ102Г [19]. Проводники на подложки наносились с помощью толстопленочной технологии и имели следующие размеры: ш=5=0,5 мм, / =10 мм, число полосок в секции п=20. Материал подложек - керамика с относительными диэлектрически-

ti,4,tpaS

Рнс. 4.6. Регулировочная характеристика плавного фазовращателя на диапазон частот 100-200 МГц

ми проницаемостями ei=9,8 и 62=19, толщины подложек h\=2 мм, /i2=0,5 мм. Расчетный регулируемый фазовый сдвиг на частоте /,= 200 МГц составил 136 град, что хорошо совпадает с экспериментом (рис. 4.6). Была изготовлена партия таких фазовращателей в количестве 16 шт. Разброс по регулируемому фазовому сдвигу составил 10 град и лежал в пределах от 130 до 140 град, что связано в основном с разбросом емкостей варикапов. Специальный входной контроль позволяет снизить абсолютное отклонение Дф до 2-4 град.

На рис. 4.7 изображена конструкция секций фазовращателя на диапазон частот до 700 МГц, а на рис. 4.8, 4.9 - его характеристики в виде зависимости затухания от частоты и регулируемого фазового сдвига Лф на /о=400 МГц от напряжения смещения на варикапах типа КБ 109А. В качестве материала подложек использовался ФЛАН-10. Из сравнения результатов расчета и измерений (рис. 4.8, 4.9) видно их удовлетворительное совпадение.

Фазовращатели более высокочастотного диапазона (до

7 31ка9 0376 97