Коммутационные фазовращатели

Основным элементом антенн рассматриваемого типа являются коммутационные фазовращатели. В остронаправленных сканирующих решетках их количество может достигать несколько десятков тысяч штук. При этом расстояние между фазовращателями обычно лежит в пределах .

Коммутационные фазовращатели должны иметь высокий к. п. д., достаточную электрическую прочность, стабильность характеристик и потреблять минимальную мощность, необходимую для управления их работой.

Кроме того, предъявляются следующие требования к конструктивным характеристикам фазовращателей:

1. Простота конструкции и технологичность.

2. Малые габариты и вес.

3. Надежность.

 Управляемые элементы фазовращателей, обеспечивающие изменение фазы, могут быть выполнены на основе ферритов, сегнетоэлектриков, устройств, в которых используется газовый разряд, и полупроводников.

 

Описание некоторых типов фазовращателей имеется в [ЛО 9, ЛО 10].

 Ниже дается описание конструкций коммутационных фазовращателей сантиметрового диапазона волн, управляемым элементом которых является резонансная щель, коммутируемая pin-диодом. Свойства диодов указанного типа описаны в [Л 4].

Рис. 3.9. Коммутируемая резонансная щель:   а - щелевой модуль; б - схема включения pin-диодов; в - волноводный коммутатор СВЧ мощности; г - эквивалентная схема волноводного коммутатора.

Наличие диода эквивалентно включению в центре щели некоторой емкости. Поэтому для настройки в резонанс щель необходимо укоротить. Это укорочение в среднем составляет примерно 25% от резонансной длины щели без диода.

Полупроводниковые диоды размещают попарно между краями щели в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.9, б. Подобная щель с диодами, прорезанная в поперечной перегородке цилиндрического волновода (см. рис. З.2,в), в обесточенном состоянии пропускает электромагнитную энергию, поступающую от генератора, с малыми потерями, в то время как при пропускании тока через диоды большая часть энергии падающей волны отражается обратно к генератору. В дальнейшем щель с обесточенными диодами будет называться незамкнутой, а щель, по диоду которой протекает ток, замкнутой.

 

 

В качестве примера ниже приводятся характеристики резонансной щели с полупроводниковыми диодами одного из существующих в настоящее время типов. Указанные характеристики соответствуют щели, размещенной на поперечной перегородке в прямоугольном волноводе с размерами поперечного сечения мм, при частоте   Мгц (λ=3,2 см). Размеры пары диодов мм. Размеры щели   мм. Коэффициент прохождения в обесточенном состоянии — дб; при пропускании тока — дб. Предельная пропускаемая мощность: импульсная 5 квт, средняя 10 вт. Ток управления 100 ма.

 На эквивалентной схеме волновод с коммутируемой диафрагмой, о которой шла речь, изображается в виде двухпроводной линии с параллельно включенным в нее переменным активным сопротивлением (см. рис. 3.9, г), которое под действием управляющего тока может меняться от  до . Отношение

 

 ,                                                    (3.36)

 

называемое «качеством», является одной из основных характеристик полупроводниковых коммутационных диодов, определяющей свойства дискретно-коммутационных фазовращателей (к. п. д., точность установки фазы и т. д.). Существующие pin — диоды характеризуются величиной параметра К, изменяющейся в пределах .

Одним из фазовращателей, в котором используются коммутируемые резонансные щели, является фазовращатель так называемого отражательного типа (рис. 3.10). Он состоит из закороченного на одном конце отрезка волновода, в котором на определенном расстоянии друг от друга расположены поперечные перегородки с коммутируемыми щелями. Приходящая со стороны незакороченного конца отрезка волновода электромагнитная волна отражается от одной из перегородок с замкнутой, с помощью диода, щелью. При этом диоды в остальных перегородках обесточены. Если теперь пропустить ток через другой диод, а остальные диоды обесточить, то фаза отраженной волны на открытом конце отрезка волновода изменится из-за изменения пути, проходимого волной внутри волновода. В том случае, когда перегородки расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, наименьшая величина скачка фазы будет равна

 

                                                  (3.37)

где  расстояние между перегородками, замедление фазовой скорости.

 

Выход и вход в фазовращателе рассматриваемого типа оказываются совмещенными.

Рис. 3.10. Коммутационные фазовращатели: а - отражательный; б - проходной на волноводном мосте (1 - волноводный мост, 2 - отражательные фазовращатели).

Количество перегородок  с коммутируемыми щелями связано с величиной ∆ следующим соотношением:

 

.                                                       (3.38)

 

Минимальные потери в фазовращателе при  приближенно могут быть оценены по формуле [1]

 

.                                         (3.39)

 

Описанный фазовращатель может быть использован как самостоятельное устройство или как отдельный узел в фазовращателе проходного типа с раздельным входом и выходом. Подобный фазовращатель состоит из трехдецибельного волноводного моста (рис. 3.10, б) и двух отражательных фазовращателей, соединенных с соответствующими плечами моста. Принцип действия трехдецибельного волноводного моста описан в [Л 2]. Подобный фазовращатель имеет механический аналог [ЛО 9], в котором отражательным фазовращателям соответствуют отрезки волноводов с подвижными короткозамыкающими поршнями. Синхронное перемещение поршней обеспечивает плавное изменение фазы на выходе фазовращателя.

В коммутационном фазовращателе синхронное переключение перегородок с диодами соответствует скачкообразному перемещению поршней в механическом аналоге.

Наименьшая величина фазового скачка в подобном фазовращателе определяется формулой (3.37), а число перегородок с коммутируемыми щелями в каждом из двух отражательных фазовращателей формулой (3.38).

Минимальные потери в данном случае также могут быть рассчитаны по формуле (3.39).

Рис. 3.11. Коммутационный фазовращатель ответвляющего типа: а - общий вид фазовращателя; б - излучающие щели; в - проходной фазовращатель 0-π.

 

Другим типом, который можно назвать «ответвляющим», является фазовращатель, изображенный на рис. 3.11. Принцип его действия состоит в следующем. В питающем волноводе 1 возбуждается бегущая волна. Через коммутируемые щели 2, 3, 4, 5 питающий волновод связан с отрезком волновода 6, в торце которого на закорачивающей стенке прорезаны наклонные щели. При работе фазовращателя все щели связи замкнуты, кроме одной, которая возбуждает электромагнитные колебания в отрезке волновода 6. Фаза возбуждаемых колебаний зависит от номера незамкнутой щели, так как щели связи разнесены вдоль оси питающего волновода и фаза их возбуждения совпадает с фазой бегущей волны в месте расположения щелей. Для направления движения волны в питающем волноводе и нумерации щелей, показанных на рис. 3.11, а, фаза колебаний, возбуждаемых в отрезке волновода 6 незамкнутой щелью, в зависимости от номера щели равна:

 

щель 2 ;

щель 3 ;

щель 4 ;

щель 5  .                                                                     (3.40)

 

Энергия волны, возбуждаемой в отрезке волновода 6, излучается одной из наклонных щелей 7, 8, коммутируемых полупроводниковыми диодами. Для уменьшения поляризационных потерь угол наклона щелей берется небольшим, порядка 5-10°. Вследствие малого угла наклона преобладает по величине одна из составляющих поля щели, а именно – составляющая . Указанная составляющая является рабочей. Другая составляющая поля является вредной и ее следует всячески уменьшать путем уменьшения угла наклона щелей. Составляющие поля  имеют противоположное направление, поэтому при переключении щелей фаза излученного поля, соответствующая компоненте , изменяется на 180°. При переключении щелей связи и излучающих наклонных щелей происходит дискретное изменение фазы поля излучения. Если расстояние между щелями связи равно , то согласно (3.40) =0, =45°, =90°,  = 135°, т. е. переключение щелей связи позволяет менять возбуждение волновода 6 скачком через 45°. За счет переключения наклонных излучающих щелей к каждому из приведенных выше фазовых сдвигов можно добавить фазовый сдвиг величиной 180°. Таким образом, данный фазовращатель обеспечивает изменение фазы скачком на 45°. Если вместо четырех щелей взять три или две щели связи и расположить их вдоль оси питающего волновода на расстоянии соответственно  и , то получим фазовращатели с изменением фазы скачком на 60 в 90°. Количество коммутируемых щелей фазовращателя данного типа равно

 

.

 

Отрезок волновода 6 с уменьшенным размером узкой стенки является четвертьволновым трансформатором. Величина его коэффициента трансформации, а также угол наклона щелей связи выбираются из условия получения максимальной величины к. п. д. и требуемой величины связи с питающим волноводом.

Следует отметить, что отрезок волновода 6 с наклонными щелями и четвертьволновым трансформатором можно использовать как самостоятельный проходной фазовращатель с дискретом изменения фазы 180°. В этом случае величина коэффициента трансформации определяется из условия согласования.

 

 

Минимально достижимые потери в описанном выше фазовращателе определяются формулой (3.39).