CC BY
15
М. Т. БОВА
КОМУТАТОРИ ФАЗИ НА СЕГНЕТОЕЛЕМЕНТАХ
Кероваш електрично комутатори фази коливань надвисоко! частоти почали дослдакувати та розробляти в останш роки у зв'я-зку з потребою фазовоТ комутанЛ в багатьох техшчних пристроях.
Комутащя фази застосовуеться в багатоелементних антенах,
мапстральних радютелеграф-них лш1ях, радюлокацшних станщях [1—3] та ш. До таких комутатор1в ставляться техшчт умови, головш з яких: сталкть фазового зсу-ву в робочш смуз1 частот та температур, велика швид-юсть перемикання, надШ-шсть, мала вага та невелика потужшсть джерела керую-чо1 напруги. Цим вимогам найкраще вщповщають при-лади, що керуються за допо-могою електричного поля: варактори, р -1 я-дюди та сег-нетоелектрики. Використання сегнетоелектриюв для комутацп фази ще недостатньо вивчено.
Схема найпрост1шо1 конструкцп, придатно'1 як для фазовоТ модуляцп, так 1 для фазовоТ комутацп, наведена на рис. 1.
Сегнетоелектрик у вигляд1 пластинки розмщений всередиш хвилеводу чи стр1чково\' л ¡ни або як шайба в коакаальнш лши. Для створення керуючого електричного поля м1ж двома половинами сегнетоелектричноТ пластинки в хвилевод1 вмщуеться еле-ктрод, до якого прикладаеться керуюча напруга. Другим елек-тродом е металева поверхня хвилеводу. Дослщження сегнетоеле-ктритв типу Ва (Т1, 2т, Эп) 03 довели, що вш збер1гае здатшсть змшювати величину д!електричноТ проникноси пщ впливом керуючого поля 1 на надвисоких частотах [4]. При змш напруже-
Рис. 1. Хвилеводний фазокеруючий пристрш:
1 — сегнетоелемент; 2 — електрод для ке-руючоТ напруги; 3 — узгоДжуюч! Д1елек-__тричш пластинки.
носи керуючого електричного поля вщ Ег до £2 змшюеться в1д-носна д1електрична проникшсть вщповщно вщ е[ до е'2, що приводить до змши довжини хвил1 в хвилевод1 В1Д ^ до та змши фази на величину
де / — довжина сегнетоелектрика. Формула (1) не враховуе змши фази внаслщок змши коефодента вщбиття при р!зних напруже-ностях керуючого електричного поля.
Фазокероваш пристро!" тако1 конструкцп мають два ¡стотних недолги: по-перше, разом ¡з змшою фази дещо змшюеться амп-л1туда електромагштного поля надвисоко1 частота, тобто вщбувае-ться паразитна ампл1тудна модуляцдя; по-друге, внаслщок вели-ко1 величини е' потр1бш узгоджуюч1 пристроТ у вигляд1, наприклад, д1електричних чвертьхвильових пластин, що звужуе частотну смугу пристрою. Кр1м того, послабления енергп надвисоких частот нав1ть при довжиш пластинки в юлька мшметр1в становить шлька децибел.
3 метою зменшення послабления внасл1док вщбиття вщ сегнетоелектрика дощльно використовувати м1шатюрш сегнетоеле-менти, у яких величина реактивноТ провщноеп ]В — /соС близька до величини характеристичжн провщносп У0 хвилеводу або ¡н-шо1 л!н11. При паралельному вмиканш сегнетоелемента у лшш можна знайти, нехтуючи втратами в сегнетоелемешч, фазовий кут для хвиль що пройшла, з р1вняння [5]
, В соС
= = (2)
Змшюючи е' за допомогою керуючого поля, змшюемо вщ-повщно емшсть С, внаслщок чого вщбуваеться змша фази. При невели кш провщносп сегнетоелемента
соС
Таким чином можна одержати лшшну фазову модулящю в межах приблизно ±20°. Але 1 в цьому випадку одночасно з фазового вщбуваеться ампл1тудна модулящя, тому що модуль кое-фщ1ента передач! т е також функщею провщносп сегнетоелемента
Для компенсацп ампл1тудно1 модуляцп можна застосувати компенсукш сегнетоелемента, а для розширення меж змши фазо-
вого кута — використати послщовне з'еднання двох або б1льше фазокерованих пристрспв, як показано на рис. 2.
Зважаючи на температурну несталкть параметр ¡в сегнето-електриюв, дощльшше використовувати ix у фазових комутато-рах, де вони вживаються як перемикакш пристроТ. Комутатор фази, схема якого наведена на рис. 3, використовуе розгалуження eHepri'i коливань надвисоко1 частоти м1ж двома лшями за допо-могою тридецибельного спрямованого в1дгалужувача. Завдяки
Рис. 2. Схема фазокеруючого пристрою:
I — керован! сегнетоелементи; 2 — ком-пенсуюч! сегнетоелементи.
Рис. 3. Комутатор фази на сегнето-елементах:
I — спрямований в!дгалужувач; 2 — в1др!з-ки л>нп; 3 — сегнетоелементи.
останньому м!ж коливаннями в обох лш1ях виникае зсув фаз •ф, що його можна обчислити за формулою (3), користуючись кое-фщентами матриц! розсшвання [6J,
cos ф = cos (ф2 — ф3) = —!?ц!,?14| cos (ф1 - ф4). (3)
I ¿12 I I ¿IS I
15 I
Якщо спрямовашсть вщгалужувача D— 20 lg 018 перевили!
щуе 25 дб, то зпдно з (3) вихилення кута зсуву фаз вщ 90° не пе-ревищуе 0,1 У комутаторах фази використовують також для зсуву фази вщр1зки лшп pi3Ho'i довжини або л¡Hii' однаковоТ дов-жини з р1зними д1електриками, проте запропонований спрямований вщгалужувач забезпечуе сталкть фазового зсуву в усьому .д1апазош частот, де спрямовашсть залишаеться високою.
Як показано на рис. 3, для «вмикання» або «вимикання> Tie'i або iHuio'i лшп застосовують сегнетоелементи, приеднаш до лшш через в1др1зки л!н11. Останш разом з сегнетоелементами створюють загороджувальний фтьтр, резонансна частота якого змшюеться вщповщно до керуючоТ напруги UK.
Загасання внаслщок вмикання паралельно л1н11 фмьтра роз-раховуемо за формулою
¿^lOlg—Lp. (4)
Нехтуючи втратами в сегнетоелемен-п, обчислюемо
уТ+^Г- <5>
Враховуючи чвертьхвильовий трансформатор з характеристичным опором Zt, знаходимо нормовану провщшсть Вя входу ф1льт-ра на резонансшй 4acTOTi
= A = (6)
1 . .....
де Z0 = -г?--характеристичный ошр лшп;
* о
Zc — повний onip сегнетоелемента.
ГИдставлючи р1вняння (5) та (6) в (4), одержуемо формулу для розрахунку затухания на резонансшй частот!
4+ Zc
Ь.
¿дб = ю 1§-х 4 . (7)
Вим1рювання затухания на лабораторному макет1 довели, що один сегнетоелемент з чвертьхвильовим трансформатором може змшювати величину Ь вщ одного до 12—15 дб, при змш керую-чо! напруги вщ 600 в до нуля. Для зб1льшення затухания при «вимиканнЬ використовують два резонансш фьльтри, як показано на рис. 3. У цьому випадку затухания зростае до 25-=-30 дб.
Використовуючи юлька спрямованих в1дгалужувач1в, можна розширити меж1 комутованого фазового кута.
Л1ТЕРАТУРА
1. Зимин Д. Б., Долженков А. А. Коммутационные фазовращатели.— Сборник статей МАИ «Сканирующие антенны сверхвысоких частот». Машиностроение, 1964.
2. Петровичи. Т. Каналы связи с фазовой манипуляцией. Всесоюзный заочный электротехнический институт связи, 1962.
3. Т i р р е 11 J. Т. Millimicrosecond pulse instrumentation for microwave. — IRE Transactions on Instrumentation, v. I — 9, N 1, 1960.
4. П о п л а в к о Ю. M. Сегнетоэлектрик с управляемой диэлектрической проницаемостью в волноводе.— «Радиотехника», 1963, № 10.
5. Б о в а И. Т. Оптимальная величина реактивного сопротивления параметрического элемента на СВЧ.— Известия вузов СССР — Радиотехника, т. VIII, 1965, № 5.
6. Б о в a H. T., JI а й х т м а н И. Б. Фазовые соотношения в направленном ответвителе.— Известия вузов СССР — Радиотехника, т. IV, 1961, № 3.
Н. Т. БОВА
КОММУТАТОРЫ ФАЗЫ НА СЕГНЕТОЭЛЕМЕНТАХ i Краткое содерхавие
Показана возможность создания коммутатора фазы на сверхвысоких частотах путем помещения сегнетоэлектрической пластины внутри линии или с помощью нескольких миниатюрных сегнетоэлементов, расположенных вдоль линии. Основным недостатком таких типов коммутаторов фазы являются большие вносимые потери. Используя направленный ответвитель как фазосдвигающее устройство, можно построить коммутатор фазы в пределах 0—90° с малыми потерями на сверхвысоких частотах.
N. Т. В О V А PHASE SWITCHES USING FERROELECTRIC ELEMENTS Summary
It has been shown that phase switch at UHF can make use of a ferroelectric slab inside a transmission line or place several small ferroeletric elements along a transmission line. The main disadvantage of such types is considerable losses in ferroelectric.
Using a directional coupler as a phase-shifting component it is possible to create a phase switch with 90° incremental phase shift and small losses at UHF.
