Сегнетоэлектрический фазовращатель на основе линии с отрицательной дисперсией Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1

УДК 621.319.1: 621.385.6

О. Г. Вендик, И. Б. Вендик, С. П. Зубко

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Сегнетоэлектрический фазовращатель на основе линии с отрицательной дисперсией

Предложена конструкция электрически управляемого СВЧ-фазовращателя реализованного на основе комбинации линий передачи с положительной фазовой скоростью и линий передачи с отрицательной фазовой скоростью. Включение в конструкцию фазовращателя сегнетоэлектрических элементов обеспечивает возможность работы устройства в широком диапазоне частот.

Линия передачи с отрицательной дисперсией, сегнетоэлектрик, фазовращатель

В последнее время широкое развитие получило направление электродинамики, связанное с моделированием свойств сред с отрицательными диэлектрической (в) и магнитной (ц) проницаемостями. В работе В. Г. Веселаго [1] такие среды были названы "левыми" (Left-Handed Medium - LHM), поскольку одновременная смена знака в и ц переводит правую тройку векторов, составленную из волнового вектора, вектора напряженности электрического поля и вектора напряженности магнитного поля, в левую. В средах, характеризующихся одновременно отрицательными значениями в и ц, фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления. О таких средах говорят, что они имеют отрицательную фазовую скорость.

Реализовать компактную структуру с отрицательной фазовой скоростью можно на линиях передачи с инвертированными реактивностями [2]. Будем называть обычные линии с положительной фазовой скоростью правосторонними линиями передачи (ПСЛП), а линии с инверсным типом реактивности, имеющие отрицательную фазовую скорость, левосторонними (левыми) линиями передачи (ЛСЛП). На рис. 1 изображены эквивалентные схемы отрезков ПСЛП (рис. 1, а) и ЛСЛП (рис. 1, б) малой длины Az без учета потерь. Уравнения, описывающие разность потенциалов, ток на отрезке ПСЛП длиной Az и волновое число, имеют вид AU = -mLiIAz; AI =-iroQUAz ; k = rn^/L\(\ , где ю - частота; ¿1, Q - погонные индуктивность и емкость линии соответственно.

Для ЛСЛП AU = - (ia)-1 C-1IAz ; AI = - (ia)-1 L-1UAz ; k = ю-1^L, С, 1 . На рис. 2 представлены Т-схемы ПСЛП (рис. 2, а) и ЛСЛП (рис.2, б). ПСЛП представляет собой фильтр нижних частот с частотой среза юс п = ^2/(LnCn) , а ЛСЛП - фильтр

верхних частот с частотой отсечки ac л = ^ 1/(2LnCn ) . Таким образом, линия передачи, составленная из секций ПСЛП и ЛСЛП, представляет из себя полосно-пропускающий фильтр или фазовращатель с широкой рабочей полосой частот юс л < ю < юс п.

© О. Г. Вендик, И. Б. Вендик, С. П. Зубко, 2005

37

h

/YYY

А

q

hl

Ci

Ci

Ci

Az

C01

L

01ц ^^ | |C0

|C01

С11

С1|

С1|

hl'

LV

Ll<

Ll

Az

Рис. 1 Рис. 2

Для электрической перестройки фазовращателя в качестве управляющего элемента использованы сосредоточенные сегнетоэлектрические конденсаторы (рис. 2, Сп и Сл). Фазовый сдвиг, обеспечиваемый каскадным соединением секций рис. 2 4 ПСЛП - 4 ЛСЛП - 4 ПСЛП - 4 ЛСЛП, составляет 360° в широкой полосе частот при изменении емкостей управляющих конденсаторов приблизительно в два раза, что проиллюстрировано рис. 3. На рис. 4 и 5 приведены частотные зависимости коэффициента отражения и коэффициента передачи фазовращателя, соответственно, для различных значений этих емкостей (1 - 0.85 пФ, 2 - 0.7 пФ, 3 - 0.42 пФ).

При диэлектрических потерях в сегнетоэлек-

Дф,

f = 3.5 ГГц

250

0 -

-250

0.4

2 3

Рис. 3 5 6

0 -10

-20

-30

S11, дБ

R,

8 f, ГГц 4.5

трике 8 = 0.01, добротности индуктивно-стей Q = 100 и кратности перестройки емкостей около двух потери в фазовращателе не превышают 2 дБ в полосе частот 4...6 ГГц (рис. 5). Для оценки качества фазовращателя удобно использовать как фактор качества, представляющий отношение фазового сдвига, обеспечиваемого фазовращателем, к средним потерям в рабочей полосе частот. Фактор качества разработанного фазовращателя может быть оценен как ^ = 180 град./дБ.

23

-1 -2

-3

-4

-5

S21' ДБ

8 f, ГГц

5.5

Рис. 4

Рис. 5

a

a

о

4

7

5

7

Одним из основных свойств сегнетоэлектриков является сильная зависимость их диэлектрических свойств от температуры, что приводит к температурной зависимости характеристик устройства на его основе. Вследствие этого при разработке сегнетоэлектрических управляющих устройств острой становится проблема обеспечения устойчивой работы устройства в широком температурном интервале. Так, к фазовращателям, используемым в радарных и анти-столкновительных системах, устанавливаемых на движущемся транспорте, предъявляется требование устойчивого управления фазой сигнала в температурном диапазоне -60°С.. ,+60°С.

Возможны несколько подходов к обеспечению работы сегнетоэлектрических устройств в широком диапазоне температур [3]. Наиболее простым является термостатирова-ние устройства путем размещения его в корпусе, в котором поддерживается постоянная температура, не зависящая от температуры окружающей среды. Для термостатирования также возможно использование в конструкции перестраиваемого устройства позисторов -терморезисторов, имеющих на температурной зависимости сопротивления участок с положительным температурным коэффициентом. Возможно также использование пленок сегнетоэлектрика, состоящих из нескольких слоев, характеризующихся разными температурами сегнетоэлектрического фазового перехода. Температурная зависимость суммарной, эффективной, проницаемости такой слоистой пленки будет иметь практически плоский максимум в достаточно широком температурном интервале. Однако наиболее приемлемым, на наш взгляд, представляется способ электрической термокомпенсации - компенсации температурной зависимости диэлектрической проницаемости приложением к сегнетоэлектрику зависящего от температуры управляющего напряжения [3].

Таким образом, на комбинации секций ПСЛП и ЛСЛП, включающих сосредоточенные сегнетоэлектрические конденсаторы, можно сконструировать компактный электрически перестраиваемый дискретный фазовращатель, обеспечивающий требуемый фазовый сдвиг в широкой полосе частот. Однако при использовании сегнетоэлектриков необходимо решать проблему обеспечения устойчивой работы устройства в широком температурном диапазоне.

Библиографический список

1. Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с одновременно отрицательными значениями s и ц // Успехи физических наук. 1967. Т. 92. С. 517-526.

2. Lai A., Caloz C., Itoh T. Composite right/left-handed transmission line metamaterials // IEEE Microwave Magazine. 2004. Vol. 5, № 3. P. 34-50.

3. Зубко С. П., Курбанов А. Х. Обеспечение устойчивой работы сверхвысокочастотных сегнетоэлектри-ческих устройств в широком температурном диапазоне // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 17. С. 55-61.

O. G. Vendik, I. B. Vendik, S. P. Zubko

Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Ferroelectric Phase Shifter Based on Transmission Line with Negative Dispersion

The conventional transmission line with the positive phase velocity can be referred to as the right-handed transmission line (RHTL). At the same time, the transmission line with inverse type of reactance has negative phase velocity and is referred to as the left-handed transmission line (LHTL). The combination of RHTL and LHTL is used for designing original microwave devices with enhanced ability to control the microwave signal. Inclusion of ferroelectric components into RHTL/LHTL structure makes possible to realize promising tunable devices, for example a microwave phase shifter with very large operational frequency band.

Transmission line with negative dispersion, ferroelectrics, phase shifter

Статья поступила в редакцию 20 января 2005 г.