ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ (ФВ), РАБОТАЮЩИХ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ УРОВНЯХ ВХОДНОЙ СВЧ МОЩНОСТИ

July 20, 2012 by admin Комментировать »

Гузь В. И., Зайцев А. А., Липатов В. П., Лобко В. С., Малхозов М. Ф., Мартынов В. А. НИИ ’’Квант-Радиолокация”, ул. Димитрова 5, Киев-01350, Украина Тел./факс: 220-96-46; e-mail: kvant_rs@i-c.com.ua

Аннотация Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик дискретных полупроводниковых ФВ, работающих в 3-х см диапазоне волн при повышенном уровне входной СВЧ мощности. Предложены пути улучшения параметров ФВ.

I.  Введение

Одним из основных элементов фазированной антенной решётки (ФАР) является ФВ, характеристики которого определяют точность установки главного луча, и уровень боковых лепестков диаграммы направленности.

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований ФВ, а также предлагаются пути улучшения отдельных характеристик ФВ.

II.  Основная часть

Подробные экспериментальные исследования проводились на ФВ, представляющем собой волновод сечением 28.5x5мм кв., в узкой стенке которого размещены фазосдвигающие диодные модули [1]. Требования, предъявляемые кФВ :

3-х сантиметровый диапазон волн; рабочая полоса частот 10%; фазовый дискрет 11.25° в пределах от 0 до 360°; точность установки фазового дискрета ±6°; потери пропускания мощности 1.5± 0.5 дБ; время переключения фазовых дискретов не более 2мкс;

уровень пропускаемой рабочей входной импульсной мощности не менее 1 кВт (при скважности 15-20 и длительности импульса < 30 мке). Из существующих схем построения фазосдвигающих диодных модулей [2] выбрана схема диодного модуля с подключением нагрузки в ответвлённой линии, которая в части пропускания высокого уровня мощности уступает только схеме модуля с мостовым соединением, но с точки зрения габаритных и весовых характеристик является наиболее приемлемой при применении таких ФВ в ФАР. Испытуемый ФВ построен на основании фазосдвигающих диодных модулей трёх типов: 22.5° (20 шт.), 11.25° (2 шт.) и 5.625°(2 шт.).

Проведены исследования характеристик 150 штук таких ФВ. На рисунках 1 и 2 представлены типовые фазо-частотная и амплитудно-частотная характеристики такого ФВ для каждого из 32х фазовых дискретов в рабочем диапазоне частот (измерения проводились на 8-и точках частотного диапазона). Область разброса потерь пропускания составила величину 1дБ со средним значением потерь 1.5дБ при максимальных потерях не более 2дБ ( в 4х точках из 256 потери составили величину 2.3дБ и 2.1 дБ, остальные менее 2дБ).

Точность установки фазы для 32 дискретов, в диапазоне рабочих частот составила:

±3° для 236-и фазовых состояний;

±4° для 15-и фазовых состояний;

±5° для 5-и фазовых состояний.

Для двух групп ФВ проводились испытания на высоком уровне СВЧ импульсной мощности. В первой группе в ФВ использовались в качестве коммутирующего элемента серийно выпускаемые диоды 2А546Б-5 (НПО «Сапфир», г. Москва). Во второй диод разработки НПК «Укрэлпром», г. Киев с параметрами, аналогичными диоду 2А546Б-5, но с уровнем постоянного обратного напряжения > 800В (вместо 500В для диода 2А546Б-5).

ФВ первой группы выдержали уровень импульсной СВЧ-мощности 1-1.3кВт (длительность импульса ЗОмкс, скважность 15), ФВ второй группы 1.3-1.5 кВт.

Для дальнейшего повышения входного допустимого уровня мощности возможно использование более мощных диодов. Однако применение более мощных диодов приведёт к ухудшению быстродействия и увеличению потерь мощности в ФВ, т.к. в мощных диодах такие параметры, как общая ёмкость и прямое сопротивление потерь увеличены. Кроме этого, конструкция диодов, предназначенных для работы на больших уровнях мощности, предполагает отвод тепла за счёт увеличения конструкции держателя диодной структуры, что приводит к увеличению паразитной индуктивной и емкостной проводимости диода, которые необходимо компенсировать за счёт схемы включения диода в линию, Это может привести к усложнению конструкции ФВ, и затруднит их использование в ФАР.

Немаловажным фактором является величина теплового сопротивления перехода: структура диода контактная площадка диода металл корпуса ФВ, которое должно быть как можно меньше. Наиболее удачным в этом смысле является конструкция ФВ [1], параметры которого представлены выше.

Одним из путей повышения входного уровня мощности является правильный выбор рабочей точки приложенного отрицательного смещения, что позволит уменьшить влияние положительного выброса приложенного высокочастотного напряжения, попадающего в область высокого сопротивления вблизи нулевого смещения. В ФВ использующие диоды с постоянным обратным напряжением > 800 В, вместо отрицательного смещения -27 В, подавалось смещение -60 В, что позволило поднять входной уровень мощности на 10 %.

Наиболее существенным методом повышения уровня входной мощности является применение в ФВ диодных модулей с пониженным коэффициентом подключения нагрузки в линию. Для этого ФВ необходимо конструировать на основе диодных модулей, имеющих фазовый дискрет не более 11.25°, что позволит повысить входной уровень мощности до 3 кВт. Такая конструкция ФВ в связи с уменьшенными величинами неоднородности (использование диодных модулей, имеющих фазовый дискрет не более 11.25°), позволит уменьшить разброс фазовых ошибок до ±3°, и свести неравномерность потерь до ±0.3 дБ. При этом уровень средних потерь ФВ повысится на 0.3 дБ (1,8 дБ).

III.   Заключение

Рис. 1. Фазо-частотная характеристика ФВ Fig. 1. Phase-frequency response of phase shifter

Предлагаемые методы улучшения параметров быстродействующих ФВ, работающих при повышенных уровнях входной СВЧ мощности были подтверждены экспериментальными исследованиями. В настоящее время с учётом вышеуказанных путей построения ФВ создаётся ФВ на уровень входной мощности до 4 кВт с сохранением всех остальных характеристик.

IV.  Список литературы

[1 ] Балашов В. П., Г\/зь В. И., Зайцев А. А., Зайцев А. Н., Липатов В. П., Мартынов В. А. Дискретный диодный СВЧфазовращатель. В кн.: 12-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»: Материалы конф. [Севастополь, 9-13 сент.2002 г.]. Севастополь: Вебер, 2002, стр. 334-337.

[2]  Справочник по радиолокации, т. 2.Ред. М. Сколник.

М., «Советское радио», 1976.

IMPROVED PARAMETERS OF FAST PHASE SHIFTERS OPERATING AT INCREASED LEVELS OF INPUT MICROWAVE POWER

Guz V. I., Zaytsev A. A., Lipatov V. P., Lobko V. S., Malhozov M. F., Martynov V. A.

‘Quantum-Radiolocation’ Research Institute

5      Dimitrova Str., Kyiv, Ukraine, 01350 phone/fax: +380 (44) 2209646 e-mail: kvant_rs@i-c.com.ua

Abstract Results of experimentally investigating the performance of 3cm-band discrete semiconductor phase shifters at increased levels of input microwave power are presented. Ways of improving parameters of phase shifters are suggested.

In the present paper the experimental investigation of phase shifters is described; the ways of improving certain areas of their performance are suggested.

IX.           Main part

The detailed experimental researches were carried out on phase shifters in the shape of a 28.5x5mm2 waveguide whose narrow wall contained the phase-shifting diode modules.

The following requirements were put to the phase shifters:

•      3cm operating band;

•      10% bandwidth;

•      phase discrete value of 11.25° over a 0-360° range;

•      set-on accuracy of the discrete value at ±6°;

•      power transmission losses at 1,5±0.5dB;

•       switching times of phase discrete values not exceeding 2|.is;

Puc.2. Амплитудо-частотная характеристика ФВ Fig. 2. Amplitude-frequency response of phase shifter

•       levels of transmitted operating input pulse power not less than 1kW (at an off-duty factor of 15-20 and the pulse duration <30(.is).

The tested phase shifter was constructed on the basis of phase-shifting diode modules of the three following types: 22.5° (20), 11.25° (2) and 5.625°(2).

150 samples of these phase shifters were investigated. Figs. 1 and 2 show a typical phase-frequency and amplitude-frequency performance of phase shifters for each of 32 phase discrete values across the operating frequency range (measurements were made at 8 points of the range). The scatter of transmission losses was 1dB with an average value of 1,5dB and maximum losses not exceeding 2dB (at 4 points out of 256 the losses reached 2.3dB and 2.1 dB, while the other were below 2 dB).

The phase-setting accuracy for 32 discrete values across the operating bandwidth was as follows:

•      ±3° for 236 phase states;

•      ±4° for 15 phase states;

•      ±5° for 5 phase states.

For two batches of phase shifters the tests at high levels of microwave pulsed power were carried out. The first batch used for switching elements the commercially produced 2А546Б-5 diodes (Sapphire company, Moscow), while the second batch diodes developed by the Ukrelprom company, Kiev, with parameters similar to the 2А546Б-5 diode, but with a level of a fixed back voltage >800V (instead of 500V for the 2А546Б-5 diode).

The first batch sustained the levels of pulsed microwave power of 1 -1,3kW (pulse duration of ЗОцэ, off-duty factor of 15), while the second batch1.3-1,5kW.

To further increase the permissible levels of input power more powerful diodes should be used. However, their utilization is likely to compromise the operating speed and to increase the loss of power in phase shifters, since powerful diodes have greater values of total capacity and series resistance of losses.

An important consideration is the magnitude of the thermal junction resistance (diode structure diode pad metal of the phase shifter body) which should be minimized. From this standpoint, the most successful design of phase shifters is the one described above.

The phase shifters utilized operating diodes with a fixed back voltage of >800V, while instead of a negative bias of -27V a -60V bias was used which allowed the input power to be boosted by 10%.

The best way to increase levels of input power is to implement in phase shifters the diode modules with a reduced factor of connected load in a link. For this purpose, phase shifters should be designed around diode modules having a phase discrete value not exceeding 11.25°, which would allow input power levels to be boosted up to 3kW. This design in view of diminished dissimilarities (the use of diode modules having phase discrete values below 11.25°) would allow a spread in phase errors to be decreased down to ±3° and the losses nonuniformity to be brought down to ±0.3dB. Here the level of average losses for the phase shifters will increase by 0.3dB (1,8dB).

X.  Conclusion

The suggested ways of improving parameters of fast phase shifters operating at larger levels of input microwave power have been validated by experimental researches. With these recommendations in mind, a new phase shifter is being developed at the moment for a 4kW input power retaining all the operational characteristics.

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