ШИРОКОПОЛОСНЫЙ монолитный ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ ДЛЯ АФАР Х-ДИАПАЗОНА

February 18, 2013 by admin Комментировать »

Радченко В. В., Радченко А. В.

ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А. И. Берга» ул. Новая Басманная, 20, г. Москва, 105066, Россия тел.: +7(495) 263-95-22, e-mail: optimizer@mail.ru Бутерин А. В.

ЗАО НПЦ «Алмаз-Фазотрон»

1,                                        ул. Панфилова, г. Саратов, 410033, Россия тел.: +7(8452) 479-933, e-mail: ruletka88@mail.ru

Аннотация — Представлены результаты проектирования и изготовления монолитной схемы широкополосного четырехразрядного фазовращателя, предназначенного для применения в активных фазированных антенных решетках (АФАР) Х-диапазона.

I.                                       Введение

Дискретный фазовращатель (ФВ) является важным элементом многофункциональных модулей АФАР. Применяемые в АФАР ФВ должны обеспечивать выполнение ряда требований: минимальные габаритные размеры, минимальные управляющие токи и напряжения, высокое быстродействие, широкая полоса рабочих частот.

Рис. 1. Топология 3 дБ СНО.

Fig. 1. 3dB compact directional coupler (CDC) topology

В большинстве конструкций ФВ, выполненных на подложке из арсенида галлия используются переключаемые фильтры верхних и нижних частот, недостатком которых является сложность реализации разрядов 180 и 90 град. Реже используются конструкции на основе направленных ответвителей (НО) и мостов Ланге, основными проблемами при использовании которых является – изготовление самих мостов с необходимыми топологическими размерами и обеспечение в них минимального уровня вносимых потерь. Применение подложки из арсенида галлия толщиной 200 мкм позволяет уменьшить потери в мостах Ланге до приемлемых величин, но на таких пластинах плохо формируются сквозные отверстия.

В нашей конструкции была использована топология свернутого направленного ответвителя (СНО) на подложке из арсенида галлия толщиной 100 мкм, который имеет меньшие продольные размеры и потери, чем НО на основе моста Ланге.

Проектирование ФВ было выполнено с использованием параметрической оптимизации в электростатической системе компьютерного моделирования (СКМ) MIC Optimizer 0. На заключительном этапе проектирования полученная топология уточнялась с использованием программ электродинамического моделирования.

II.                               Основная часть

Предельные габаритные размеры разработанного СНО на подложке из GaAs толщиной 100 мкм составляют 0,7×0,9 мм (см. рис. 1). Ширина полоска 50 мкм, зазор между полосками 10 мкм. Расчетные потери в полосе 6 … 12 ГГц не более 0,4 дБ, КСВН входа/выхода не более 1,5. Измеренные потери в СНО не превышали 1 дБ.

В разряде ФВ на 180° используется свойство 3-х децибельного НО сдвигать фазу на 180° при изменении нагрузок в выходных плечах с холостого хода (XX) на короткое замыкание (КЗ). В схеме (см. рис. 2) КЗ моделируется последовательным LC-контуром, настроенным на частоту 10 ГГц, а XX — параллельным LC-контуром, настроенным на ту же частоту [2]. Для управления использовались 600 мкм полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ). При моделировании полагалось, что ПТШ в закрытом состоянии имеют ёмкость порядка 0,12 — 0,13 пФ, а в открытом

–  сопротивление около 5 Ом. Когда все ПТШ закрыты, потери в каскаде минимальны и равны потерям в СНО (около 0,5 дБ). При открытых ПТШ потери в каскаде возрастают до 3 дБ. Для выравнивания потерь используется шунтирование индуктивностей сопротивлениями по 750 Ом.

Puc. 2. Электрическая схема каскада 180 градусов.

Fig. 2. 180° phase bit topology

В разрядах 22,5, 45 и 90 градусов использованы коммутируемые ёмкостные делители С1 и С2, СЗ и С4 (см. рис. 3). Микрополосковые линии W2 и W3 служат для выравнивания фазы в плечах. Резисторы R1 и R2 обеспечивают выравнивание ослаблений в разных фазовых состояниях.

Рис. 3. Электрическая схема каскадов ФВ 22,5, 45 и

90 градусов.

Fig. 3. 90°, 45° and 22.5° phase bit topology

Частота, ГГц

Рис. 5. Характеристики ФВ в диапазоне 4- 14 ГГц.

Достоинством использованной схемы управления является однополярное питание.

Общий вид разработанной конструкции ФВ приведен на рис. 4. Экспериментальные образцы арсенидгаллиевой монолитной схемы ФВ размером 4x2x0,125 мм^ изготовлены в опытном производстве ЗАО НПЦ «Алмаз-Фазотрон». Исследования экспериментальных образцов показали, что ФВ обеспечивает управление фазой СВЧ сигнала в диапазоне

6-        12 ГГц при уровне вносимых потерь не более 10И1 дБ.

Рис. 4. Общий вид топологии 4-х разрядного ФВ. Fig. 4. General view of 4-bit phase shifter MMIC topology

Ha рис. 5 приведены расчетные и экспериментальные характеристики вносимого фазового сдвига (1 – 22,5°, 2 – 45°, 3 – 90°, 4 – 180°, 5 – 337,5°, точки экспериментальные значения, сплошная линия – расчет). Среднеквадратичная ошибка установки фазового сдвига разрядов составила не более 10 град, в полосе функционирования 6-12 ГГц. Относительно высокие потери ФВ можно объяснить несовершенством используемых ключевых ПТШ. Например, при снижении сопротивления открытого канала ПТШ до 3 0м расчетные вносимые потери уменьшались на 3 дБ.

Fig. 5. Measured and calculated phase shifter performance at 4^14 GHz

III.                                   Заключение

Представлены результаты разработки и изготовления широкополосного четырехразрядного фазовращателя, предназначенного для применения в АФАР X- диапазона. ФВ изготовлен в виде арсенидгаллиевой монолитной схемы размером 4x2x0,125 мм^. В качестве ключевых элементов использованы ПТШ с шириной затвора 600 мкм. ФВ обеспечивает управление фазой СВЧ сигнала в диапазоне 6-12 ГГц при уровне вносимых потерь не более 10 дБ.

IV.                               Список литературы

[1]  Радченко В. В. Анализ и оптимизация характеристик активных и пассивных микрополосковых СВЧ-устройств на персональных ЭВМ // Электронная техника. Сер. 1 Электроника СВЧ. — 1995. — Вып. 2. — С. 45 — 53.

[2]  Miyaguchi К. and all. An Ultra-Broad-Band Reflection-Type Phase-Shifter MMIC With Series and Parallel LC Circuits//

IEEE trans. on MTT, Vol. 49, No. 12, 2001. – Pp. 2446 – 2451.

BROADBAND MONOLITHIC PHASE SHIFTER FOR X-BAND PHASED ARRAY

V.                         Radchenko, A. Radchenko

FSUE CNIRTI 20, Novaya Basmannaya St., Moscow, 105066, Russia Ph.: +7(495)-263-95-22, e-mail: optimizer@mail.ru

A.                                            Buterin

CJSC Research and Manufacturing Center «ALMAZ-FAZATRON»

1,                PanfilovSt, Saratov, 410033, Russia Ph.: +7(8452)-479-933, e-mail: ruletka88@mail.ru

Abstract — Presented in this paper are design and performance of an integrated circuit for broadband 4-bit monolithic microwave (MMIC) digital attenuators. Extensive electromagnetic simulation and compact circuit design techniques have been applied in order to yield MMIC with 4x2x0,125 mm^ dimensions. MESFET have been used as key elements. Peri^ormance of the digital attenuator measured at 6-12 GHz demonstrates 10 dB insertion loss and 10 rms phase error.

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