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.