Епископ константин преславски

Такива структури имат честотна лента по-голяма от октава. Работните характеристики на реалните пръстеновидни делители се отличават от теоретичните поради допуските на дължината и ширината на проводника, параметрите  и h на подложката, нееднородностите в местата на разклонения, разсъгласуването на присъединените товари. В многоканалните делители и суматори на мощност и антенните решетки се използват бинарни делители на мощност, съдържащи няколко делители, всеки от които дели мощността на половина. Схема на четириканален бинарен делител, състоящ се от три пръстеновидни делители на мощност, съединени с с отрязъци от линии с дължина l₂ е показана на фиг. 4. Преходното затихване на такъв делител е равно на удвоеното преходно затихване на единичния пръстеновиден делител, а развръзката между входните рамена на различните пръстеновидни делители (С₂₄, С₂₅, С₃₄, С₃₅) е равна на сумата между изходните рамена на единичния делител и преходното затихване на съединението С₁₂.
2. Дефазатори на лентови линии

Дефазаторите в интегралните схеми на СВЧ се проектират на основата на полупроводниковите диоди и феритните материали. Полупроводниковите дефазатори са от проходен и отражателен тип. В дефазатора от проходен тип (фиг. 5, а) чрез превключващи диоди се променят входните реактивни проводимости на шлейфовете, включени към отрязък от предавателна линия, което осигурява дискретно изменение на фазовото изместване на преминаващия сигнал. Полупроводниковият дефазатор с две фазови състояния (фиг. 5, б) се състои от пръстеновиден мост и два диодни дефазатора от отражателен тип с накъсо затворени отрязъци от линии. Входният сигнал, постъпващ в рамо 4, отразявайки се от рамената 2 и 3 (или от плоскостта на включване на диодите, или от заземените плоскости в зависимост от състоянието на превключващите диоди: режим на запушване (непропускане) или пропускане), преминава в рамо 1. При изменение на състоянието на диодите фазовото изместване на изходния сигнал се изменя дискретно на величина, съответстваща на удвоената дължина l₂. Допълнителният отрязък _В/4 в рамо 2 осигурява синфазност на отразените сигнали в рамената 2 и 3 и тяхното сумиране в рамо 1. Преднапрежението към диодите се подвежда чрез полувълнови линии с голямо съпротивление (100 ) и четвъртвълнови линии с малко съпротивление, което осигурява малко съпротивление в областта на диода. Максималната работна мощност на полупроводниковия дефазатор се ограничава от топлинната якост на диода, възможността за топлоотвеждане на погълнатата СВЧ мощност.

Фиг. 5. Полупроводников дефазатор с две фазови състояния: а – проходен тип; б ­– отражателен тип.


Фиг. 6. Печатна схема на феритен дефазатор с меандрова линия.
Феритните дефазатори се характеризират се характеризират с голяма мощност на разсейване. Те могат да бъдат взаимни и невзаимни с конструкции, изградена на базата микролентова меандрова линия върху феритна подложка (фиг. 6). При взаимните дефазатори подмагнитването на подложката се извършва перпендикулярно на плоскостта на СВЧ магнитно поле. С изменение на величината и направлението на подмагнитването се изменя магнитната проницаемост и скоростта на разпространение на вълната в линията, следователно, и внесеното фазово изместване. Подмагнитването на подложката се извършва с проводници с ток, преминаващи през отворите 1-1 , 2-2 в подложката и напречно на рамото на меандъра. Дължината на рамото l се избира произволно, но различно от _В/4, а разстоянието между съседните рамена трябва да бъде такова, че електрическата връзка между тях да отсъства.

За осигуряване на необратимо фазово изместване трябва да се изпълнят две условия: във феритната подложка трябва да съществува област с кръгова поляризация; магнитният момент на ферита трябва да лежи в плоскост, ортогонална на плоскостта на кръговата поляризация. За създаване на област с кръгова поляризация дължината на едното рамо на меандъра l се избира равна на четвърт дължина на вълната в предавателната линия. Разстоянието между съседните рамена е равно или по-малко от дебелината на подложката, така че между тях съществува силна връзка.През отверстията 1-1 в подложката е пропуснат проводник във вид на примка, плоскостта на която е перпендикулярна на плоскостта на подложката така, че векторът на намагнитване в подложката да е перпендикулярен на СВЧ магнитно поле между рамената на меандъра. При промяна на посоката на тока в проводника феритната подложка се пренамагнитва, при това се извършва необратимо изменение на фазата на изходния сигнал.

3. Лентови устройства за управление на амплитудата на сигнала

Устройствата, управляващи амплитудата на сигнала са превключвателите, изключвателите, модулаторите, ограничителите, атенюаторите. В интегралните схеми за управление се използват СВЧ диод, включен в лентова линия последователно или паралелно. В многоканалния превключвател (фиг. 7) входната СВЧ мощност се комутира между няколко изхода чрез подаване на диодите положително или отрицателно преднапрежение. При положително преднапрежение диодът се отпушва, неговото съпротивление става много по-малко от вълновото съпротивление на основната линия, като резултат линията в това сечение се шунтира от диода, което води до отразяване на подвежданата мощност. При подаване на диода отрицателно преднапрежение той се запушва и неговото голямо съпротивление не шунтира линията, СВЧ мощност преминава на изхода без съществено отслабване.

Фиг. 7. Схема на многоканален превключвател.
Ако комутираната мощност е неголяма (1 W), могат да се използват варакторни или тунелни диоди, а при големи мощности – p-i-n диоди. В бързодействащите схеми се използват диоди с бариера на Шотки.

Топологичната схема на ограничителя е приведена на фиг. 8, а. В схемата се използват варакторни, параметрични или p-i-n диоди. На фиг. 8, б се показва използване на ограничителите в схемата на антенния превключвател. Схема на антенен превключвател с два три-децибелни насочени отклонители на свързани линии (фиг. 8, б) осигурява работа на приемника и предавателя с обща приемо-предавателна антена. Между двете хибридни съединения са включени полупроводникови ограничители, които отразяват мощността на предавателя, като я насочват към антената и пропуска към приемника слабите сигнали, приети от същата антена (щриховани стрелки)

а) б)

Фиг. 8 Ограничител: а – топологическа схема; б – приложение в антенния превключвател

4. Смесители на лентови линии

Еднотактният (небалансен) смесител се състои от детектор и допълнителен елемент за връзка с хетеродина. Лентовите смесители се проектират на базата на насочени отклонители със свързани линии със слаба връзка, което позволява да се минимизират загубите на сигнала в тракта на хетеродина. Балансният (двутактен) смесител в интегрално изпълнение съдържа два диода (безкорпусни конструкции) и възел за връзка с източниците на сигнала P_c и хетеродина P_х, ролята на който се изпълнява от лентово хибридно съединение, осигуряващо деление на мощността на входния сигнал и хетеродина поравно между двата диода със зададени фазови съотношения, а също и развръзка между сигналния на хетродинния вход. Като хибридно съединение в интегралните схеми се използват три-децибелни шлейфови, пръстеновидни отклонители и отклонители на свързани линии. Отклонителите на свързани линии и техните съединения се използват в широколентови схеми на балансните смесители. Получаването на висока развръзка в широка честотна лента е сложна задача, която се решава с използването на хибридни съединения на различни типове печатни линии, например чрез съчетаване на микролентова и процепна линия.

Схема на балансен смесител на двушлейфово хибридно съединение е показана на фиг. 9. При идеален шлейфов мост, идентични диоди и разнополярно включване на диодите, техните входни напрежения са равни по амплитуда, но противоположни по фаза. При паралелно разно-полярно включване на диодите към общия товар, отделящата се в него мощност на сигнала по междинна честота е равна на сумата от мощностите от двата диода, а шумовете на хетеродина се компенсират. Това е схема с еднотактен изход. В схемата с еднаква полярност на диодите (схема с двутактен изход) съотношението на фазите на изходните напрежение противоположно на схемата с еднотактен изход. В тази схема е необходим трансформатор, към двете първични намотки на който са включени изходите на диодите, а двете вторични намотки, навити в противоположно направление, са присъединени към двутактния вход на усилвателя на междинна честота. В интегралните схеми такъв смесител се използва рядко, тъй като изисква балансен трансформатор с добра симетрия на рамената (за потискане на шумовете на хетеродина), което усложнява схемата и нейната настройка.

а)



б)

Фиг. 9. Балансен смесител на двушлейфов отклонител: а – топология на смесителя; б – принципна схема.

На фиг. 9, а е показана топология на печатна схема на балансен смесител с еднотактен изход на основата на двушлейфово хибридно съединение. Четвърт-вълновата секция, включена пред един от диодите, осигурява синфазност на сигналите, постъпващи на диодите и повишено развързване между сигналния и хетеродинния вход. Преобразуваните сигнали преминават през филтър на ниска честота към общия изход. Постоянната компонента на тока на диода се отвежда към маса през верига, състояща се от два високоомни четвърт-вълнови отрязъка, съединени по между си с четвърт-вълнов паралелен нискоомен шлейф. Размерите на такъв смесител, работещ в трисантиметровия диапазон, са 2.52.51.5 cm.

При много високи изисквания към развръзката в широка честотна лента, потискането на всички хармонични и комбинационни честоти в изходния спектър, загубите при преобразуване, се използват двойни балансни смесители. Планарната конструкция на псевдодвоен балансен смесител е показана на фиг. 10, а.


Фиг. 10. Двойни балансни смесители: а – псевдодвойна схема; б – схема с потискане на огледалния канал.
Този смесител се състои от два класически балансни смесителя, поместени между две две квадратни хибридни съединения. Освен развръзката, реализирана във всеки балансен смесител, се осигурява допълнителна изолация на сигналния и хетеродинния входове, включени към развързаните рамена на цялото съединени. Доброто съгласуване на входа на устройството се обуславя от това,че идентичните сигнали, отразени от двата балансни смесителя, постъпват в рамо 2, където е включен съгласувания товар.

Един от факторите, влияещ на коефициента на шума на смесителя е огледалното преобразуване на честотата . Сигналът с огледална честота е вреден, тъй като част от полезната мощност на сигнала, преобразувана на тази честота, безполезно се изразходва в товара. На фиг. 10, б е представена схема на двоен балансен смесител с потискане на огледалния сигнал, постъпващ на входа на смесителя. Полезният сигнал се подава с изместване по фаза на 90⁰, а хетеродинният сигнал постъпва през делител на мощност синфазно. При това на изходите на смесителя се реализират такива фазови съотношения между сигналите на междинна честота, че при сумирането във второто 90⁰ –но хибридно съединение, на едно от неговите изходни рамена се получава сигнал с честота, получена чрез преобразуването на сигнала с носеща честота, а на второто рамо се получава сигнал с честота, получена чрез преобразуването на сигнала с огледална честота.

Смесител с потискане на огледалния канал с използване на честотно-избирателни вериги е показан на фиг. 11. Еднотактен смесител с печатно изпълнение съдържа насочен филтър, диод, изходна филтрираща верига и режекторен филтър на честотата на огледалния канал. Режекторният филтър се състои от полувълнова отворена линия, свързана посредством четвъртвълнова секция с основната предавателна линия.


Фиг. 11. Смесител с потискане на огледалния канал с използване на честотно-избирателни вериги.
В зависимост от разстоянието между диода и режекторния филтър, режекторният филтър може да представлява накъсо затворен или отворен товар. В схемата се потискат огледалните сигнали, както постъпващи на входа на смесителя, така и образуващи се в самия смесител.
5. Циркулатори и вентили на лентови линии

Y-циркулаторите на лентови линии се отличават с проста конструкция, технологичност и добри електрически характеристики. Топологичната схема на Y-циркулатора (фиг. 12) се състои от три печатни проводника, изходящи под ъгъл 120⁰ от металния диск на съединението. В рамената на Y-циркулатора са включени елементи за съгласуване (шлейфове, трансформатори и др.)



а) б)

Фиг. 12. Топология на Y-циркулатора: а – с четвъртвълнови съгласуващи трансформатори; б – със забавяща структура.

Лентата на пропускане на тези циркулатори е от 10- 20%. Диаметърът на Y-циркулатора с увеличаване на дължината на вълната се увеличава. В дециметровия диапазон при ограничена геометрия на микросхемата за намаляване на диаметъра на диска се използват забавящи структури, капацитивни елементи и др.

На фиг. 12, б е показан един от вариантите на забавяща структура, разположена в централната област на Y-циркулатора. Тази структура се състои от комбинация от планарно разпределени индуктивни и капацитивни елементи. Конструкцията на Y-циркулатора се състои от магнитна система (постоянни магнити във вид на дискове, призми и др.) и феритна или феритно-диелектрична подложка с нанесена върху нейната повърхност печатна схема. Плътни феритни подложки се използват в микросхемите от сантиметровия и късовълновата чест на дециметровия диапазон. В дециметровия диапазон се използват ферито-диелектрични подложки.Те се изработват чрез вграждане на феритни дискове в диелектричните подложки, нанасяне върху подложката на дебела феритна лента или чрез горещо пресоване на феритно-диелктрични композиции. На основата на Y-циркулатора може да се изгради компактен вентил. В едно от рамената на Y-циркулатора се включва съгласуван товар в печатно изпълнение.

Вентилите могат да бъдат от резонансен тип или основани на ефекта на изместването на полето. Във вентилите от резонансен тип се осигурява област с кръгова поляризация. В микролентовите и симетричните лентови линии тази област се реализира с паралелни шлейфове (фиг.13), с използване на забавящи структури (фиг. 14). Във вентила на фиг. 13 към проводника на печатната линия се присъединява шлейф с дължина l₁=_В/8, при това токът в шлейфа и токът в основната линия са равни и дефазирани на 90⁰, а в мястото на разклонението се намира област с кръгова поляризация на СВЧ магнитно поле, в която се поставя феритния елемент. За компенсация на реактивността на този шлейф се използва още един шлейф с дължина l₂=3_В/8. Диаметърът на ферита d се избира равен на (2-3)W. Лентов резонансен вентил с гребеновидна структура (фиг. 14) се състои от две правоъгълни феритни пластини, които се закрепват към заземените части на симетрични лентови линии, и централен проводник с гребеновидни отворени на края шлейфове. За осигуряване на широколентно съгласуване (20-40%) шлейфовете са с плавно изменяща се дължина: от нула до l = 0.1_В. Кръговата поляризация се реализира в плоскост, отстояща от разклонението на разстояние = 0.02 _В, с която се съвместява оста на феритната пластина.

Лентов вентил с ефект на изместване на полето (фиг. 15) се състои от отрязък от лентова линия с увеличена ширина на проводника в сравнение с широчината на входната и изходната линии, в областта на която се разполага феритната пластина. При преминаване на пряката вълна максимумът на електрическото поле се измества към единия (левия край на лентата, а при преминаване в обратно направление – към другия (десния) край на лентата, при който се разполага поглътител. Лентовите вентил с ефект на изместване на полето се отличават с малки размери и широколентност.

6. Усилвателни и генераторни схеми на лентови линии

Интегралните схеми на СВЧ, включващи активни твърдотелни елементи, в зависимост от технологията на тяхното изработване се разделят на два класа: монолитни и хибридни. Мощните СВЧ транзисторни усилватели се отнасят към класа на хибридните устройства. В СВЧ усилвател от хибриден тип транзисторът е самостоятелен конструктивен елемент; пасивната част на схемата, входната и изходната съгласуващи електрически вериги и веригата на захранване, се реализират на основата на тънки или дебели ленти, нанесени върху диелектрична подложка с относителна проницаемост . В резултат на използването на подложка с проницаемост  всички геометрични размери на СВЧ вериги с разпределени параметри се намаляват в първо приближение с пъти, което позволява цялото устройство да се приведе към достатъчно миниатюрен вид. Различните типове хибридни СВЧ усилватели условно могат да се разделят на две основни групи. В усилвателите от първата група отделните части на електрическите вериги могат да се разглеждат като елементи от съсредоточен тип, но те имат плоска структура и съществено малки размери. Така например индуктивната бобина се изпълнява във формата на квадратно-спирална линия; кондензаторът с променлив капацитет – във вид на определен брой контактни площадки. Топологията и електрическата схема на един от тези СВЧ усилватели в диапазона от 1.8-2.5 GHz е представена на фиг. 16. В усилвателите от втората група се използват електрически вериги от разпределен тип на основата на несиметрични лентови (микролентови) линии. Примерна топология и електрическа схема на такъв СВЧ усилвател са приведени на фиг. 17.

а)



б)

Фиг. 16. Топологията (а) и електрическа (б) схема на СВЧ усилвател.

Съществува взаимно еднозначно съответствие между означенията на елементите върху технологичната топологична схема и електрическата схема на усилвателя на СВЧ транзистор, изграден по схема обща база (фиг. 16, а, б).

Фиг. 17. Топологията (а) и електрическа (б) схема на СВЧ усилвател с вериги с разпределени параметри.


Фиг. 18. Микролентов генератор на лавинно-дрейфов диод: 1 - сапфирова подложка; 2 – ЛДД; 3 – съединителна лентичка; 4 - настройващи капацитивни елементи за изменение на честотата; 5 – междина за капацитивната връзка; 6 - настройващи капацитивни елементи за регулирана на връзката с товара; 7 – линия за връзка с товара; 8 – извод за захранване; 9 – резистор; 10 – филтър; 11 – меден радиатор.
На фиг. 18 е показана топология на микролентов генератор на лавинно-дрейфов диод (ЛДД), който се монтира непосредствено на меден топлоотвод и се съединява с пасивната частна схемата със съединителни лентички. Индуктивността на съединителната лентичка и капацитетът на ЛДД определят резонансната честота на генератора. Четвъртвълновият отрязък на лентовата линия изпълнява функция на трансформатор между нискоомното изходно съпротивление на ЛДД и по-високоомното изходното съпротивление на товара. С капацитивните елементи, присъединени към четвъртвълновия отрязък, се осъществява настройка на честотата на генератора. Предаването на енергията в товара се осъществява с лентова линия, имаща специални капацитивни елементи. Захранването към ЛДД се подава през стабилизиращо съпротивление и лентов филтър. В диапазона от честоти от 5-10 GHz мощността, отдадена в товара от този генератор, достига 0.5 W в непрекъснат режим при КПД, равно на 10-18 %, Размерите на генератора са 20244 mm.
7. Лентови антенни устройства

Разполагането на радиотехническа апаратура на космически и други летятелни апарати изисква миниатюризация на антенните устройства. Използването на печатни антенни устройства позволява да се подобрят аеродинамичните качества на апарата, да се повиши надеждността, да се намали размерът и масата и т.н. Широко известни са печатните резонаторно-процепни антени. В микролентовата процепна антена процеп с дължина _В/2 и широчина 0.1 _В се прорязва в заземената основа, перпендикулярно на оста на проводника. Микролентовата линия, захранваща процепа, е отворена на края, намиращ се на определено разстояние от процепа, което осигурява добро съгласуване. Диаграмата на насоченост в равнината Н има еднолистов характер, в равнината Е – многолистов характер, което е свързано с взаимодействието на падащата и отразена вълна в областта на процепа.

В друг тип печатна антена се използва микролентов излъчващ елемент със специална форма, образуван чрез разширение на лентовия проводник. Излъчващият проводник е във вид на квадрат, правоъгълник или диск. Диаграмата на насоченост на такава антена има максимално излъчване в направление на нормалата към плоскостта на екрана. В зависимост от начина на захранване може да се осигури линейна или кръгова поляризация едно-честотен или двучестотен режим на работа. Например, при захранване на правоъгълния излъчвател едновременно от широката и тясната страна може да се реализира двучестотен режим на работа. За реализация на режима на кръгова поляризация по-малката страна на правоъгълника се избира така, че да осигури индуктивен характер на реактивността, а другата, по-голямата страна да осигури капацитивен характер на реактивността. Възбуждането на антената се осъществява чрез присъединяване на фидера към ъгъла на правоъгълния елемент.

В дисковия излъчвател (фиг. 19) централната точка на диска с нулево съпротивление се съединява с екран, а захранването се подвежда към изместена от центъра точка, съпротивлението на която е близко до 50 .

В компланарната антена (фиг. 20) силовите линии на електрическото поле са съсредоточени в двата процепа и се разделят в значително по-малка степен в сравнение с мокролентовите антени, което снижава връзката между съседните елементи и ниво на крос поляризацията. Диаграмата на насоченост на компланарния излъчвател се състои от еди лист, перпендикулярен на горния екран. Оптималната форма на компланарния излъчвател е правоъгълник, периметърът на който е равен на дължината на вълната. Захранването към излъчвателя се подвежда през коаксиален куплунг, закрепен на долната страна на платката, централният проводник на който преминава през диелектричната подложка и се съединява с централния проводник на компланарната линия.

На основата на диполните печатни излъчватели се проектират сложни фазирани антенни решетки, които осигуряват бързо затихване на тесния лъч в пространството. Микролентовата антенна решетка с долф-чебишевска диаграма на насоченост има много ниски нива на страничните листа при малка ширина на основния лъч. Излъчвателите на такава решетка се възбуждат синфазно с отклонители или делители на мощност. Фазираните антенни решетки включват няколко стотици еднотипни модула, всеки от които може да се състои от излъчватели дефазатори, превключватели, отклонители, съгласуващи елементи, филтри, твърдотелни генератори, усилватели, СВЧ приемници. В резултат на използването на СВЧ интегралните схеми фазираните антенни решетки придобиват принципно нови свойства: пространствена и времева многофункционалност, висока надеждност, повишена ефективност и шумозащитеност (в резултат на използване на специални методи за обработка на сигналите), висок енергетичен потенциал (в резултат на сумиране на мощностите на генераторите), високи експлоатационни параметри.