твердотельный управляемый фазовращатель 0-45 град. для ДИАПАЗОНА 3-4,5 ГГц

January 18, 2013 by admin Комментировать »

Толстолуцкий с. и., Попов М. А., Толстолуцкая А. В., Ли А. И., Казачков В. В. Ростовский НИИ радиосвязи ул. Нансена, 130, г. Ростов-на-Дону, 344038, Россия тел.: (863)-2340133

Аннотация – Представлены результаты разработки твердотельного СВЧ фазовращателя, изготовленного в виде монолитной интегральной схемы на арсениде галлия размером 3,2×1,7×0,125 мм^. Исследованы характеристики в широком диапазоне частот. В диапазоне частот 3-4,5 ГГц получены вносимые потери менее 3,0 дБ при изменении фазы на 45° (на частоте 4,5 ГГц) и КСВН не более 2,4.

I.                                       Введение

При разработке фазовращателей на переклю- чаемых отрезках фазосдвигающих цепей по технологии гибридных интегральных схем за счет технологических допусков и разброса параметров навесных элементов возникают трудности с реализацией малых фазовых дискретов. Кроме того, потери в коммутационных элементах приводят к ухудшению коэффициента передачи на 2-3 дБ на каждой фазосдвигающей ячейке, что делает актуальной задачу разработки плавного твердотельного фазовращателя, изготовленного по технологии монолитных интегральных схем, обеспечивающей высокую стабильность и воспроизводимость параметров.

Целью работы является разработка и экспериментальное исследование характеристик плавного электрически управляемого фазовращателя, работающего в диапазоне частот 3-4,5 ГГц и обеспечивающего изменение фазы ДО 45° (на частоте 4,5 ГГц).

II.        Проектирование и изготовление

Для решения поставленной задачи выбрана схема на основе квадратурного трехдецибельного направленного ответвителя (КНО), два плеча которого нагружены через высокоомные отрезки линии передачи на варикапы в виде диодов Шоттки с электрически управляемой емкостью перехода (см. [1] и [2]). Принципиальная схема представлена на рис.1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема.

Fig. 1. Electrical circuit

Для расширения динамического диапазона варикапы выполнены в виде встречно включенных диодов. В качестве КНО выбран ответвитель Ланге.

Для изготовления выбрана эпитаксиальная структура арсенида галлия с концентрацией носителей в п-слое З Ю^^см’^. Размер кристалла – 3,2×1,7χ

0,         125 мм^. Контактные площадки входа, выхода и заземления ориентированы на проведение измерений

S-параметров непосредственно на пластине. Ответвитель Ланге имеет ширину полосок 10 мкм и зазоры

–   15 мкм. Аноды ДИОДОВ Шоттки формировались вакуумным напылением золота толщиной 0,3 мкм с подслоем титана методом взрывной литографии. Ширина анодов – 2,0 мкм. Катодные омические контакты формировались вакуумным напылением композиции AuGe/Ni/Au.

Рис. 2. Микрофотография фазовращателя.

Fig. 2. Photomicrograph of MMIC

3,5 Для подачи управляющего напряжения на аноды ДИОДОВ Шоттки на кристалле предусмотрены полупроводниковые резисторы сопротивлением 2,5кОм. Резисторы сформированы в виде меза- структур из эпитаксиального слоя арсенида галлия. Поверхность диодов Шоттки защищена слоем двуокиси кремния ТОЛЩИНОЙ 0,4 мкм. Этот же слой используется и в качестве межуровневой изоляции разводки на кристалле при изготовлении перемычек в КНО. Металлизация разводки формировалась вакуумным напылением золота толщиной 0,6 мкм. Все резисторы изготавливались в едином технологическом цикле с диодами Шоттки и защищены пленкой двуокиси кремния. После выполнения всех операций с лицевой стороны производилось химикодинамическое утонение подложки до 125 мкм с последующим разделением на кристаллы. По описанной технологии была изготовлена опытная партия МИС СВЧ фазовращателей. Микрофотография кристалла фазовращателя представлена на рис.2.

Рис. 3. Микрофотография фрагмента фазовращателя с диодом Шоттки.

Fig. 3. Photomicrograph of Shottky diode

Для снижения последовательного сопротивления ДИОДЫ Шоттки выполнены в виде мультианодных структур. Общая площадь анодного контакта каждого диода выбиралась из условия обеспечения необходимой емкости (0,6 пФ при напряжении О В). Микро

фотография фрагмента МИС фазовращателя с диодом Шоттки приведена на рис.З.

Рис. 6. Зависимость КСВН МИС от частоты при управляющих напряжениях от О до -5 В. Fig. 6. VSWR vs phase shift

Fig. 5. Insertion loss

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики МИС при управляющих напряжениях от О до -5 В.

Рис. 4. Частотные характеристики сдвига фазы МИС при управляющих напряжениях от О до -5 В.

Fig. 4. Phase characteristics

Использование структур арсенида галлия с тонким активным слоем на полуизоляторе не является оптимальным с точки зрения обеспечения минимальных потерь, однако позволяет получить высокий коэффициент перекрытия по емкости и в перспективе интегрировать коммутируемые фазосдвигающие ячейки с использованием в качестве ключевых элементов полевые транзисторы с барьером Шоттки.

Измерение S-параметров изготовленных МИС СВЧ фазовращателей проводилось на зондовой станции РМ-5 (Suss Microtec) с помощью векторного анализатора цепей Anritsu MS4623B в расширенном диапазоне частот 3-6 ГГц. Результаты измерений представлены на рис.4-6.

Анализ результатов показывает, что при изменении управляющего напряжения от О до -5 В может быть достигнуто изменение фазы сигнала до 90° на частоте 6 ГГц. При этом вносимые потери составляют не более 8 дБ, а КСВН – не более 2,7. В полосе частот ОТ Здо 4,5 ГГц фазовый сдвиг не превышает 50°, но зато при этом могут быть получены потери не более 3 дБ при КСВН – не более 2,4.

IV.                                       Выводы

4,5  Разработан и изготовлен плавный твердотельный СВЧ фазовращатель для диапазона частот 3ГГц, обеспечивающий при изменении управляющего напряжения от О до -5 В фазовый сдвиг от 0° до 45° (на частоте 4,5 ГГц), коэффициент передачи не менее -3 дБ и КСВН не более 2,4.

Теоретический анализ МИС СВЧ фазовращателя показывает, что вносимые потери могут быть значительно снижены, а частотный диапазон расширен за счет использования эпитаксиальных структур арсенида галлия с оптимизированным профилем легирования.

V.                           Список литературы

[1]   Dawson D. Е., Conti А. L, Lee S. Н. et. al. An analog X-band phase shifter. — IEEE Microwave and Millimeter-wave Monolithic Circuits Symp., New York, 1984, pp. 6-10.

[2]   RFICand MMIC design and technology. Edited by

I.     D. Robertson and S. Lucyszyn. — The Institution of Electrical Engineers, 2001.

3.0-4.5 GHz GaAs MMIC VARIABLE PHASE SHIFTER 0-45°

Tolstolutsky S. I., Popov M. A., Tolstolutskaja A. V., Lee A. I., Kazatchkov V. V.

Research Institute of Radiocommunications 130, Nansen str, Rostov-on-Don, 344038, Russia

Abstract – 3.0 to 4.5 GHz microwave monolithic variable shifter with dimensions 3,2×1,7×0,125 mm^ has been developed. VSWR better than 2.4, insertion loss 3.0 dB, phase shift 0-45° have been obtained.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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