Полупроводниковые фазовращатели

Для полупроводниковых фазовращателей разработаны конструкции диодов, которые приспособлены к микрополосковым, коаксиальным и прямоугольным волноводам и называются p-i-n-диодами. p-i-n-диод имеет структуру, показанную на рис. 2.12. б) и является коммутативным диодом. На его электроды подаются одновременно два сигнала U_свч и U_упр. По отношению к управляющему напряжению p-i-n-диод является быстродействующим и за время порядка 10^-9 сек, i-область насыщается электронами и дырками, диод открывается.По отношению к СВЧ сигналу p-i-n-диод является инерционным. За время действия отрицательной полуволны сигнала СВЧ, электроны и дырки не успевают рассосаться из i-области (размеры i-области таковы, что за время действия отрицательной полуволны электроны и дырки не успевают пройти такое расстояние).

На рис. 2.12 показано включение диода в полосковый волновод (а), его эквивалентная схема (б) и обозначено: 1 – p-i-n-диод; 2 – разделительный конденсатор С_р; 3 – основание полоскового волновода.

Проходной фазовращатель на переключаемых отрезках линий.Фазовращатель выполняется на микрополосковых волноводах. Принципиальная схема показана на рис. 2.13. Диоды Д_{1, 2, 3, 4} включены непосредственно в линию передачи на расстоянии l/4 от тройников Тр. 1 и Тр. 2. Скачки фазы определяются разностью геометрических длин отрезков линий l₁ и l₂, диоды в которых попарно находятся либо в открытом, либо в закрытом состоянии.

Если диоды Д₁, Д₂ находятся в открытом состоянии, то низкое сопротивление диода шунтирует линию в этом сечении. За счет l/4 отрезка это сопротивление трансформируется в тройниковых соединениях в высокое входное сопротивление, в результате чего плечо l₁ отключается. Другая пара диодов Д₃, Д₄ находится в закрытом состоянии и мощность со входа попадает на выход через плечо l₂. Фаза волны определяется длиной отрезка l₂ (j₂ = –bl₂). Если изменить состояние диодов на противоположные, фаза волны будет определяться длиной отрезка l₁ (j₁ = –bl₁). Скачок фазы Dj = j₁–j₂ =b( l₂ – l₁). Последовательное соединение n звеньев дает 2ⁿ дискретов фазы.

Рис. 2.14. Отражательный Рис. 2.15. Фазовращатель на фазовращатель, управ- основе двухшлейфного моста ляемый полупроводни- ковым диодом

Фазовращатель отражательного типа.Данный фазовращатель выполняется на прямоугольных, коаксиальных и полосковых волноводах. Обобщенная схема фазовращателя приведена на рис. 2.14. Изменение фазы достигается путем включения и отключения короткозамкнутого отрезка волновода l. Фаза изменяется на пути к короткозамкнутому отрезку и обратно. Скачок фазы зависит от волновой длины короткозамкнутого отрезка. Если диод открыт, то низкое его сопротивление шунтирует линию в этом сечении, и значение фазы волны равно j₁. Если диод закрыт, то сопротивление диода велико, электромагнитная волна отражается не от диода, а от сечения короткого замыкания, а фаза j₂ = j₁ –2bl. Таким образом, фазовый сдвиг равен:

Dj = j₁ – j₂ = 2bl

Рассмотренные фазовращатели по указанной классификации относятся к первой группе.

Рис. 2.16. К пояснению принципа действия фазовращателя на основе двухшлейфного моста

Проходной фазовращатель на 3–дБ направленном ответвителе. Основными элементами фазовращателя являются 3–дБ направленный ответвитель (двухшлейфный мост) и фазовращатели отражательного типа (рис. 2.14).

Согласно свойствам моста электромагнитная волна, поступающая во входное плечо 1, делится на две волны одинаковой амплитуды, но сдвинутые по фазе на 90° (рис. 2.16). В плечах 3 и 4 волны отражаются от фазовращателей и проходят в плечи 1 и 2. В плече 1 эти волны складываются в противофазе, поэтому

, (2.2)

В выходном плече 2 волны складываются в фазе:

, (2.3)

В зависимости от состояния диодов электромагнитная волна в плече 2 приобретает один из возможных фазовых сдвигов: диоды находятся в закрытом состоянии (Dj = 0) или диоды открыты, то Dj =2bl.

Фазовращатель выполняется на микрополосковых волноводах. Последовательное соединение n звеньев фазовращателей дает 2ⁿ дискретов фазы.