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 f₀ выбирается 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 Z_вх2 = ∞ (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 Z_вх = ∞ (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.

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 γ_i, ch γ_iℓ, sh γ_iℓ соответственно; γ_i = α_i + β_i – 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= A^t₂₂, A₁₂= A^t₁₂, A₂₁= A^t₂₁, (t – знак транспонирования) и к тому же они повторяют структуру матрицы К. 
Для перехода к четырехполюснику 1-ого канала, накладывая соответствующие граничные условия U₄ = U₃, I₄ = 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, А₂ и А₃, соединенных каскадно, соответственно имеют вид:

Общая матрица передачи 2-го канала: B = А₁· А₂· А₃, где А₃ = А₁. 
Для перехода к четырехполюснику накладываются соответствующие граничные условия : I₈ = – I₇, U₈ = 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:

I΄₁ = Е₂₂/Е₁₂ · U΄₁ – 1/Е₁₂ · U΄₂ I΄₂ = 1/Е₁₂ · U΄₁ – Е₁₁/Е₁₂ · U΄₂

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

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

элементы матрицы проводимостей инвертора приобретут вид:

Y₁₁ = Е₂₂/Е₁₂ + D₂₂/D₁₂ Y₁₂ = – ( 1/Е₁₂ + 1/D₁₂ )

Y₂₁ = 1/Е₁₂ + 1/D₁₂ Y₂₂ = – (Е₁₁/Е₁₂ + D₁₁/D₁₂ ) .

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

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 f₀ = 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: R_d1 = 0.1 Ом во включенном и, соответственно, С_d = 1.2 нФ, R_d2 = 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.

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»