СРАВНЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СВЧ-ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЯ КАЧЕСТВА

March 31, 2012 by admin Комментировать »

Холодняк Д. В., Зубко С. П., Плескачев В. В., Никольский М. А., Ситникова М. Ф., Вендик И. Б. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина) Санкт-Петербург – 197376, Россия Тел.: +7 (812) 346-08-67; e-mail: MWLab@eltech.ru Кузнецов В. И. ЗАО "Светлана-Электронприбор" Санкт-Петербург – 194358, Россия e-mail: electron@svetlana.fi.ru

Аннотация – Представлен сравнительный анализ по критерию качества около 80 электрически управляемых интегральных СВЧ-фазовращателей (ФВ), на основе данных, опубликованных в ведущих научно-технических изданиях за последнее время. По результатам анализа сделан вывод

об эффективности использования различных управляющих устройств для создания СВЧ ФВ с высоким качеством.

I.  Введение

Фазовращатели (ФВ) СВЧ-диапазона находят широкое применение в системах радиолокации, связи и навигации. Развитие твердотельных ФВ, выполненных в виде интегральных схем (ИС) СВЧ, вызвано необходимостью повышения интеграции СВЧ-устройств и снижению их массогабаритных показателей с одновременным увеличением функциональной сложности.

В качестве управляющих элементов в таких ФВ могут использоваться: 1) p-i-n диоды; 2) полупроводниковые диоды с переменной емкостью (варикапы); 3) полевые транзисторы со структурой ПТШ, полевые транзисторы с двумерным электронным газом (НЕМТ и РНЕМТ), или биполярные транзисторы с гетеропереходом (НВТ)\ 4) микроэлектромеханические структуры (МЭМС); 5) сегнетоэлектрическе (СЭ) конденсаторы и бездисперсионные СЭ линии задержки;

6)  сверхпроводниковые ключи; 7) управляющие элементы на основе намагниченного феррита.

Frequency, (GHz)

Рис. 1. Зависимость коммутационного качества от частоты для различных управляющих элементов.

В данной работе представлен сравнительный анализ современных интегральных ФВ с управляющими элементами различных типов (за исключением сверхпроводниковых и ферритовых ФВ). Анализ выполнен на основе отечественных и зарубежных на- учно-технических публикаций и материалов международных конференций последних лет (1990-2003). Для сравнения характеристик ФВ используется универсальный критерий, называемый качеством ФВ.

II.    Коммутационное качество управляющих элементов

Fig. 1. Commutation quality factor versus frequency for different controlling devices

Электрически управляемые элементы, представляющие собой конденсаторы с управляемой емкостью, подразделяются на переключаемые и перестраиваемые. Переключаемые элементы характеризуются двумя состояниями, которые соответствуют двум дискретным значениям ёмкости, в то время как ёмкость перестраиваемых элементов изменяется плавно в некотором диапазоне. К переключаемым устройствам относятся полупроводниковые p-i-n диоды, транзисторы в режиме ключа и МЭМС-конденса- торы. Полупроводниковые диоды с управляемым р-п- переходом (варикапы) и СЭ-конденсаторы являются перестраиваемыми устройствами.

Сравнение электрически перестраиваемых емкостных компонентов, используемых в СВЧ ФВ, может быть выполнено при помощи интегрального критерия

–    коммутационного качества, которое определяется эффективностью перестройки емкости и величиной потерь в управляющем устройстве и не зависит от его физической природы [1], [2].

Коммутационное качество описывается следующим выражением:

К = {х 1 – Х2 У /(Ri R2) + R1/R2+R2/R1, (1) где Z^=R^+jX-1 и Z2=R2+jX2 – величины полных сопротивлений компонента в двух состояниях, соответствующих разным значениям напряжения смещения. Коммутационное качество для различных компонентов определяется параметрами соответствующей эквивалентной схемы в двух состояниях.

На Рис. 1 представлена расчетная зависимость коммутационного качества электрически управляемых компонентов от частоты в диапазоне 1 —30 ГГц. Для расчёта использовались эквивалентные параметры, полученные усреднением по большому числу опубликованных данных. Как видно из Рис. 1, наивысшее коммутационное качество во всем рассматриваемом диапазоне частот имеют МЭМС-конденсаторы. Широко используемые в настоящее время транзисторные ключи обладают наименьшим значением коммутационного качества на частотах, превышающих 10 ГГц. В миллиметровом диапазоне длин волн могут успешно применяться СЭ-конденсаторы.

III.   Критерий качества фазовращателя

Для сравнения характеристик различных ФВ вводится фактор качества ФВ, который определяется как отношение фазового сдвига [град.], обеспечиваемого ФВ, и средних потерь [дБ] в рабочей полосе частот [3, 4]:

Puc. 2. Критерий качества фазовращателей с управляющими элементами различных типов. Fig. 2. Properties of merit of phase shifters with different controlling devices

где В (т) – коэффициент, зависящий от числа разрядов дискретного ФВ (см. Таблицу). Формулы (3) и (4) определяют предельно достижимые значения параметра качества ФВ.

На Рис. 2 приведены значения фактора качества для ФВ, выполненных с использованием управляющих элементов различных типов, что позволяет произвести их сравнение. Расчет параметра качества выполнен по экспериментальным характеристикам ФВ, опубликованным в ведущих мировых изданиях в период 1990-2003 гг.

Безусловным фаворитом по критерию качества являются ФВ на основе МЭМС-конденсаторов (рис. 2с), сочетающие в себе рекордно малые вносимые потери (менее 1 дБ) практически во всем частотном диапазоне СВЧ (до 100 ГГц) при пренебрежимо малом потреблении мощности по цепям управления (единицы мкВт) и возможность использования монолитной технологии. Существенным моментом является возможность реализации МЭМС ФВ в миллиметровом диапазоне с практически таким же значением параметра качества, что и на более низких частотах.

К сожалению, эти приборы не лишены недостатков, основной из которых – ограниченное число механических переключений, т.е. ограниченный срок службы, существенно меньший, чем у полупроводниковых ключей. Другим недостатком является сравнительно низкое быстродействие: наилучшим является время срабатывания порядка 10 мкс.

Таблица

т 1

2

3

4

» 1

В (/77) 10.36

9.11

8.68

8.5

8.36

ФВ на полупроводниковых управляющих элементах: p-i-n диодах (рис. 2а); полевых транзисторах со структурой ПТШ (рис. 2Ь) и с двумерным электронным газом (рис. 2е); варакторных диодах (рис. 2d) являются основным классом практически реализованных устройств, главным образом, благодаря возможности использования монолитной технологии ИС СВЧ на основе GaAs или Si.

ФВ на p-i-n диодах и варакторных диодах демонстрируют высокое качество (более 100 град/дБ) в диапазоне частот 1-10 ГГц. Попытки использования p-i-n диодов для разработки ФВ в монолитно-интегральном исполнении являются обнадеживающими, а оценка коммутационного качества p-i-n диода (К & 10000 на частоте 10 ГГц) позволяет прогнозировать их успешное применение в монолитно-интегральных схемах вплоть до 40-50 ГГц.

ФВ на транзисторах получили широкое распространение благодаря хорошо отработанной технологии монолитных ИС на основе GaAs. Однако, как следует из Рис. 2Ь и 2е, по параметру качества такие ФВ занимают низшую позицию. Для повышения качества их выполняют совместно с усилителями, что делает устройство в целом невзаимным. ФВ на транзисторных ключах в монолитно-интегральном исполнении имеют малые массогабаритные показатели и малое потребление мощности по цепям управления (10- 100 мкВт) при высоком быстродействии.

Следует обратить внимание на СЭ ФВ. Как видно из Рис. 2f, по критерию качества такие ФВ превосходят транзисторные ФВ (до частот 20-90 ГГц) и сопоставимы с ФВ на p-i-n диодах. К преимуществам СЭ ФВ относятся: малое время переключения (десятки наносекунд); малая потребляемая мощность по цепям управления (1-10 мкВт); меньшая, по сравнению с полупроводниковыми аналогами, себестоимость; а также возможность интегрального исполнения на основе тонкой (порядка 1 мкм) пленки СЭ. Помимо перечисленных преимуществ СЭ материалов, существует и ряд проблем, сдерживающих широкое применение СЭ в технике СВЧ: сравнительно большая величина тангенса угла диэлектрических потерь пленочных образцов СЭ; долговременное изменение свойств СЭ, так называемое "старение" материала, находящегося под большим напряжением; температурная зависимость параметров СЭ материала; отсутствие промышленной технологии производства ИС СВЧ, содержащих слои СЭ.

IV.  Заключение

Характеристики электрически управляемых СВЧ ФВ в значительной мере зависят от управляющих устройств. Универсальным параметром ФВ является фактор качества, который характеризует фазовый сдвиг в рабочей полосе частот, приведенный к 1 дБ средних потерь. Расчет параметра качества на основе экспериментальных данных, приведенных в литературе для большого числа интегральных СВЧ ФВ с различными управляющими устройствами, позволил выполнить их сравнительный анализ.

По результатам анализа установлено, что моно- литно-интегральные ФВ, использующие транзисторные ключи, обладают наименьшим качеством. Представляется целесообразным применение в качестве управляющих элементов полупроводниковых p-i-n и варакторных диодов. В миллиметром диапазоне в качестве конкурентоспособной альтернативы также могут рассматриваться ФВ на основе СЭ-материалов. Наивысший фактор качества демонстрируют ФВ на МЭМС-конденсаторах.

V.  Список литературы

[1 ] Vendik /., Vendik О., Kollberg Е. Criterion for a switching device as a basis of microwave switchable and tunable components// Proc. of 29th European Microwave Conf. – 1999, V. 3, pp. 187-190.

[2]    Vendik I., Vendik O., Kollberg E. Commutation quality factor of two-state switching devices// IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 2000, V. 48, № 5, pp. 802-808.

[3]   Digital reflection type phase shifter based on a ferroelectric planar capacitor / Sherman V., Astafiev K., Setter N., Ta- gantsev A. // IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett. – 2001, V. 11, № 10, pp. 407-409.

[4]    Vendik O., Vendik I., Sherman V. Commutation quality factor as a working tool for optimization of microwave ferroelectric devices// Integrated Ferroelectrics-2002, V. 43, pp. 81-89.

COMPARISON OF MICROWAVE INTEGRATED PHASE SHIFTERS BY MEANS OF MERIT FIGURE

Kholodnyak D., Zubko S., Pleskachev V.,

Nikol’ski M.Sitnikova М., Vendik I.

St.-Petersburg Electrotechnical University "LETI" St.-Petersburg – 197376, Russia Tel.: +7 (812) 346-08-67; e-mail: MWLab@eltech.ru Kuznetsov V.

ZAO "Svetlana-Electronpribor" St.-Petersburg – 194358, Russia e-mail: electron@svetlana. fi. ru

Abstract – Comparative analysis performed by means of merit figure of about 80 electronically controllable microwave integrated phase shifters, which had been recently reported in the literature, is presented. Results of the analysis allowed making conclusion about efficiency of using different controlling devices to design phase shifters with higher figure of merit.

I.  Introduction

Microwave phase shifters are widely used in communication, navigation, and radar systems. Controlling devices of an integrated phase shifter might be p-i-n diodes, FET’s, HEMT’s, varactor diodes, ferroelectric (FE) capacitors, MEM-capacitors, superconductor or ferromagnetic elements. This paper presents a comparative analysis of modern integrated phase shifters with different controlling devices excepting superconductor and ferromagnetic ones. The analysis was performed using the data reported in the literature within the period of 1990-2003.

II.  Commutation quality factor of controlling devices

The commutation quality factor (CQF) [1, 2] is defined by equation (1) and can be found by using parameters of equivalent circuit of the controlling device in two states.

Calculated dependence of the CQF for different controlling devices on frequency (1-30 GHz) is shown in Fig. 1. As one can see, MEMS are characterized by the highest values of the CQF. At millimeter-wave frequencies FE-capacitors could be successfully used as controlling devices. The lowest CQF at f >10GHz is associated with transistor-based switches.

III.   Figure of merit of a phase shifter

Figure of merit is introduced as a universal characteristic of phase shifters [3, 4], which makes it possible to compare them by means of phase shift (in deg.) and average loss (in dB) in operating frequency band (2). The figure of merit relates directly to the CQF [3, 4]. The relationship is defined by equations (3) and (4) and for analog and digital phase shifters, respectively.

Fig. 2 presents the figure of merit derived from experimental performance of a large number of integrated phase shifters reported recently. As one can see MEMS-based phase shifters can be considered as leaders from the point of view of maximum figure of merit. Nevertheless, MEMS-based phase shifters could be hardly recommended for wide practical applications due to a limited number of switching cycles and rather long switching time (more than 10 (js). Phase shifters using p-i-n diodes or varactor diodes exhibit value of the figure of merit high enough (more than 100 deg./dB) in the frequency range 1-10 GHz. One can predict good performance of millimeter-wave p-i-n diode phase shifters. Similar encouraging results can be also expected from ferroelectric phase shifters. Transistor-based phase shifters have the lowest figure of merit at all.

IV.  Conclusion

Characteristics of electronically controllable phase shifters depend mainly on employed controlling devices.

Microwave integrated phase shifters have been compared using the figure of merit. The comparison exhibited the highest figure of merit of MEMS-based phase shifters and the lowest value of this parameter for the transistor phase shifters. Implementation of p-i-n diode and varactor diode switches was found reasonable. The ferroelectric phase shifters are also capable to be used in millimeter-wave range.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты