УДК 621.372.2

СВЧ-ИНВЕРТОР НА СВЯЗАННЫХ ЛИНИЯХ

Вершинин Иван Михайлович
Югорский государственный университет
кандидат технических наук, доцент кафедры физики и общетехнических дисциплин

Аннотация
Данная статья посвящена расчету инвертора на связанных линиях. За счет дисперсионных свойств линии в рабочей полосе частот сохраняется постоянный 180-и градусный фазовый сдвиг. Даны варианты увеличения связи между линиями. Количество управляющих pin-диодов снижено до двух. Приведены экспериментальные характеристики устройства.

Ключевые слова: инвертор 180-градусный, матричный метод, переключаемые каналы, связанная линия с неоднородным диэлектриком, управляющие pin-диоды, характеристики инвертора


SUPER-HIGH FREQUENCIES INVERTER ON INTERCOUPLED LINES

Vershinin Ivan Mikhailovich
Ugra State University
Ph.D. in Technical Science, associate professor of physics and basic technical disciplines chair

Abstract
The present article is concerned with the inverter calculation on intercoupled lines. In a service band a constant 180-degree phase lag remains unchanged due to dispersion characteristics of the line. Alternatives of connection increase between the lines are given. Quantity of control pin-diodes is held down to two. Test characteristics of device are given.

Keywords: 180-degree inverter, control pin-diodes, intercoupled line with inhomogeneous dielectric, inverter characteristics, matrix method, transferring channels


Библиографическая ссылка на статью:
Вершинин И.М. СВЧ-инвертор на связанных линиях // Современная техника и технологии. 2016. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2016/02/9596 (дата обращения: 28.05.2017).

В измерительной аппаратуре часто требуется постоянный 180-градусный сдвиг СВЧ сигнала в некоторой полосе частот. В двухканальной схеме инвертора, представленной на рис.1, разностный фазовый сдвиг 180 градусов получается за счет коммутации каналов при помощи двух pin-диодов, имеющих два состояния сопротивления: Z = 0 и Z = ∞ . Чтобы скачок фазы Δφ в полосе частот был постоянным в полосе частот, в качестве короткого «нулевого» канала можно использовать связанную линию. За счет дисперсионных свойств наклон ее ФЧХ в районе электрической длины θ = 90°увеличивается с ростом электромагнитной связи между проводниками [1, с. 34].
На рисунке 1 приведена схема инвертора. Электрическая длина связанной линии на центральной частоте диапазона fвыбирается равной θ = 90°.

Рисунок 1. Фазочастотные характеристики связанной (1) и не связанной линии 
передачи (2), схема инвертора.

В состоянии, когда Z1 = ∞, а Z2 = 0, сигнал проходит по связанной линии, т.к. часть участка длинного канала после Z2 образует разомкнутый четвертьволновый шлейф, нулевое входное сопротивление которого в точки разветвления каналов трансформируется в Zвх2 = ∞ (фазочастотная характеристика 1). При изменении значений сопротивлений диодов на противоположные: Z1 = 0, и Z2 = ∞ – сигнал пойдет по несвязанной линии, т.к. участки связанной линии образуют короткозамкнутые четвертьволновые шлейфы с Zвх = ∞ (фазочастотная характеристика 2).
Величиной связи наклон фазочастотной характеристики короткого канала в рабочей полосе частот подбирается таким образом, чтобы разность фаз Δφ каналов оставалась постоянной. 
Расчет инвертора проделан матричным методом с наложением соответствующих граничных условий. На рисунке 2 приведены расчетные схемы переключаемых каналов.

Рисунок 2. Матричные схемы переключаемых каналов.

Матрица передачи А восьмиполюсника 1-го канала на связанных линиях имеет вид [2, с. 76]:
 
где U – матрица нормированных комплексных амплитуд напряжений, составленная из собственных векторов произведения матриц погонных параметров R, L, G, C связанных линий К= ZY = (R– jωL)(G + jωC) ; I = –YU Г-1 – матрица нормированных комплексных амплитуд токов; Г, ch Гℓ, sh Гℓ – диагональные матрицы с элементами γi, ch γiℓ, sh γiℓ соответственно; γi = αi + βi – постоянные распространения нормальных волн, определяемых из собственных значений матрицы К; ℓ – геометрическая длина связанных линий.
Свойства взаимности и симметрии проявляются для блочных матриц в виде: A11= At22, A12= At12, A21= At21, (t – знак транспонирования) и к тому же они повторяют структуру матрицы К. 
Для перехода к четырехполюснику 1-ого канала, накладывая соответствующие граничные условия U= U3, I= U3/Z1– I3, получим: 
 
Выражая U3, I3 из второй группы уравнений и подставляя в первую, найдем матрицу передачи четырехполюсника 1-ого канала:

Для 2-го канала на несвязанной линии матрицы передачи восьмиполюсников А1, Аи А3, соединенных каскадно, соответственно имеют вид:

Общая матрица передачи 2-го канала: B = А1· А2· А3, где А= А1
Для перехода к четырехполюснику накладываются соответствующие граничные условия : I= – I7, U= U7. В результате получается:

Выражая U7, I7 из второй группы уравнений и подставляя в первую, найдем матрицу передачи четырехполюсника 2-ого канала:
 
Результирующая расчетная схема инвертора представляет собой параллельное соединение каналов, поэтому удобнее перейти к матрицам проводимостей четырехполюсников, изображенных на рисунке 3 а). 
Соответственно для 1-го и 2-го каналов получаем:

= Е2212 · U΄1 – 1/Е12 · U΄= 1/Е12 · 1 – Е1112 · 2

I˝= D22/D12 · U˝1 – 1/D12 · U˝I˝= 1/D12 · U˝1 – D11/D12 · U˝2

С учетом граничных условий: 
I1 = + I˝; I2 = + I˝; U1 = 1 = U˝1 ; U2 = 2 = U˝2 ,

элементы матрицы проводимостей инвертора приобретут вид:

Y11 = Е2212 + D22/D12 Y12 = – ( 1/Е12 + 1/D12 )

Y21 = 1/Е12 + 1/D12 Y22 = – (Е1112 + D11/D12 ) .

По условиям симметрии и взаимности четырехполюсников ( Е22 = Е11, D22 = D11 ) результирующий четырехполюсник имеет только два независимых параметра:
Y11 = – Y22 и Y12 = – Y21 .

Рисунок 3. Расчетная схема а), макет инвертора на микрополосковых линиях б), 
варианты увеличения связи между линиями в).

По найденным значениям Y- параметров определяются параметры инвертора: КСВн, фазочастотные характеристики, Δφ, потери в полосе частот.
На рисунке 3 б) показан экспериментальный макет инвертора на микрополосковых линиях, выполненный на поликоровой подложке толщиной h = 0.5 мм с диэлектрической проницаемостью ε = 9.8 . 
(С целью исключения операции сверления отверстий в поликоровой подложке для установки параллельного диода, он подключен последовательно с разомкнутым четверть волновым шлейфом). 
Ниже приведена схема замещения диодов в двух состояниях:

В другом состоянии инвертора значения сопротивлений диодов меняются местами. 
Погонные параметры микрополосковых линий рассчитаны комбинированным методом: конформных преобразований с последующим применением сеточного метода [3, с. 108]. Для достижения необходимой электромагнитной связи между проводниками требуется довольно малый зазор. Увеличить связь можно добавлением третьего проводника в области зазора [1, с. 34] или переходом к компланарной линии, показанной на рисунке 3 б), погонные параметры которой находятся комбинированным методом [3, с. 108]. 
КСВн, фазочастотные характеристики, Δφ, затухание определены по известным формулам [4]. 
Макет с коммутационными pin-диодами 2А503А в 12% полосе частот с центральной частотой f= 3 ГГц показал следующие значения: Δφ = 180±3°, КСВн не более 1.2 и затухание L ≤ 0.8 дб. Параметры коммутационных pin-диодов 2А503А в расчетах принимались равными: Rd1 = 0.1 Ом во включенном и, соответственно, Сd = 1.2 нФ, Rd2 = 2 кОм в выключенном состояниях. 
На рисунке 4 даны расчетные и экспериментальные характеристики инвертора. 


Рисунок 4. Δφ – фазовый сдвиг, L – потери дб.

Сплошные линии – расчет, пунктирные – эксперимент.


Библиографический список
  1. Вершинин И.М. Расчет и проектирование механического фазовращателя на связанных линиях. // ВИМИ, “Военная техника и экономика” , 1978. 4.
  2. Вершинин И.М. Фазовращатель на коммутируемых каналах.  // Радиоэлектроника. 1990.  № 1. с. 76-77.
  3. Вершинин И.М. Расчет емкостной матрицы планарных линий // Ползуновский альманах.  Виртуальные и интеллектуальные системы. 2011. № 2.  с. 108-110.
  4. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ.  М.:  Связь, 1971.


Все статьи автора «Вершинин Иван Михайлович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: