ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ НА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВАРАКТОРАХ

June 29, 2012 by admin Комментировать »

Косьмин Д. М., Козырев А. Б., Осадчий В. Н., Павлов А. С. С.-Петербургский Гэсударственный Электротехнический университет (ЛЭТИ) 197376, ул. Проф. Попова д.5, Санкт-Петербург, Россия Тел/факс: (812) 2344809; e-mail: mlp@eltech.ru

Аннотация В работе рассматривается конструкция 3каскадного фазовращателя S диапазона на основе сегнетоэлектрических варакторов, использующего цифроаналоговый режим управления. Представлено теоретическое обоснование преимуществ конструкции по сравнению с цифровыми и аналоговыми фазовращателями. Приведены экспериментальные характеристики частотных зависимостей параметров S21, S11 и фазового сдвига.

I.  Введение

В настоящее время активно разрабатываются дешевые фазированные антенные решетки (ФАР) для массовых информационных систем. Среди них практически реализовано несколько вариантов ФАР на различные частотные диапазоны [1, 2]. Одним из ключевых компонентов таких ФАР является фазовращатели, которые задают распределение фазы в излучательных каналах. Фазовращатель должен обеспечивать в излучательном канале необходимый фазовый сдвиг с допустимой ошибкой и не вносить больших потерь. Исследование нелинейных свойств сегнетоэлектрических материалов показало возможность создания на их основе СВЧ устройств с характеристиками подходящими для современных телекоммуникационных систем. Фазовращатели на основе сегнетоэлектриков обладают небольшими потерями, высокой скоростью управления, высокой радиационной стойкостью и низкой стоимостью.

Данная работа посвящена 3-х каскадному фазовращателю на сегнетоэлектрических варакторах, в котором два каскада управляются цифровым способом и один каскад аналоговым. Такой дизайн конструкции позволяет достичь лучшего параметра качества и минимизировать фазовую ошибку

II.  Конструкция фазовращателя

Каскадный принцип построения фазовращателя используется в основном в цифровых фазовращателях. Каждый каскад в такой конструкции проектируется на определенный фазовый сдвиг и управляется отдельно цифровым способом. Это позволяет оптимизировать конструкцию каждого каскада и добиться лучшего параметра качества и минимизировать фазовую ошибку в рабочей полосе частот фазовращателя. Однако чем меньше необходимый дискрет фазового сдвига, тем больше требуется каскадов и тем больше вносимые потери и геометрические размеры устройства.

В конструкции аналогового фазовращателя каскадный принцип построения не применяется, так как один каскад может обеспечить все состояния по фазовому сдвигу. Однако в этом случае оптимизация конструкции происходит с учетом всех состояний фазового сдвига и максимальное значение потерь и фазовой ошибки будет так же определено всеми состояниями

В данной работе предлагается принцип объединения в конструкции фазовращателя цифровых и аналоговых каскадов. Цифровые каскады при этом обеспечивают высокие значения по фазовому сдвигу, а аналоговый каскад низкие. Такой способ построения позволяет использовать оптимизацию каждого каскада и при этом с помощью аналогового каскада получать все значения по фазовому сдвигу.

Рис. 1. Структурная схема цифро-аналогового 360° сегнетоэлектрического фазовращателя

Fig. 1. Block diagram of digital-analogue 360° ferroelectric phase shifter with continuous tuning.

Конструкция представляемого фазовращателя состоит из трех каскадов (рис.1). Первый и второй каскады выполнены цифровыми и обеспечивают фазовый сдвиг 0J180° и 0J90°, третий каскад аналоговый обеспечивает плавное изменение фазового сдвига 0-90°.

Рис. 2. Фотография фазовращателя в корпусе а) и без корпуса Ь). Размеры 36x36x3 мм3

Fig. 2. Photo of the phase shifter with a) and without b) cover. Dimensions 36x36x3 mm3

Каждый каскад фазовращателя включает в себя направленный ответвитель на основе трехслойной структуры, нагруженный двумя идентичными отражательными окончаниями (каждое окончание представляет собой последовательный колебательный контур, состоящий из нелинейной сегнетоэлектрической емкости и индуктивности). Конструкция фазовращателя предназначена для радиосистем, использующих поверхностный монтаж элементов.

Фотография фазовращателя представлена на рис.2.

III.   Экспериментальные характеристики

Экспериментальные характеристики фазовращателя приведены на рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальные характеристики фазовращателя

Fig. 3. Experimental characteristics of the phase shifter

Фазовращатель демонстрирует малую величину фазовой неравномерности (+2°) во всех фазовых состояниях от 0° до 360°. Параметр качества фазовращателя составляет 120 °/дБ, что является лучшим результатом для сегнетоэлектрических аналогов. Рабочий диапазон температур фазовращателя -70°С н+50°С достигается за счет температурной коррекции управляющих напряжений.

В данной работе использовались сегнетоэлектрические варакторы фирмы Paratek Microwave Inc., USA.

IV. Список литературы

[1]    Козырев А.Б., Осадчий В.Н., Косьмин Д.М., Sengupta L. и др. Исследование ФАР с фазовращателями на сегнетоэлектрических варакторах. В кн. “12-я Международная Крымская конференция СВЧ техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь: Вебер, 2002, стр.332-333.

[2]    Kozyrev А.В., Osadchy V.N., Pavlov А.С., et. al. 30 GHz Steerable Beam Antenna Based on Ferroelectric PhaseShifters. PIERS 2000. Progress in Electromagnetics Research Symposium. July 5-14 ,2000, Cambridge, Massachusetts, USA.

DIGITAL-ANALOGUE PHASE SHIFTER ON THE BASE OF FERROELECTRIC VARACTORS

Kosmin D. М., Kozyrev A. B., Osadchy V. N., Pavlov A. S.

St. Petersburg State Electrotechnical University (LETI) 197376, Prof. Popov St., 5 Saint Petersburg, Russia

Phone/fax: (812) 2344809; e-mail: mlp@eltech.ru

Abstract Results of theoretical investigation and experimental testing of 3-cascade S-band phase-shifter based on ferroelectric varactors with digital-analogue controlling are observed. The design advantages are discussed.

I.  Introduction

Phased array antennas have been intensively developed recently for telecommunication systems. Some constructions for different frequencies were practically realized [1, 2]. Phase shifter as a key component of such systems must provide desired phase shift with allowable quantization error and have low insertion losses.

Present paper is devoted to 3-cascade phase shifter based on ferroelectric varactors where two cascades are digital and one is an analogue. Such design allows to increase the figure of merit of phase shifter and to minimize quantization error.

II.  Construction of phase shifter

The phase shifter presented consists of 3 cascades (fig. 1). The two first cascades are digital (0°J180° and 0°J90°) and last (third) cascade is an analog (0-^90)° Each cascade consists of coupler loaded by identical reflective terminations containing inductances and tunable ferroelectric varactors. Photo of digital-analog 360° SMD phase-shifter based on three cascades with and without cover is shown in fig.2.

III.  Experimental characteristics

Experimental characteristics of phase shifter are presented in fig.3. Phase-error is not more than Афег=±20 for all phase states in frequency bandwidth. The merit parameter of the device is F=120deg/dB. It is the best result for ferroelectric analogs. Operating range of temperatures -70°C 4+50°C is provided by temperature correction of control voltages.

In this work ferroelectric varactors from “Paratek Microwave Inc., USA” were used.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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