Фазовращатели и коммутаторы на управляемых p-i-n-диодах.

С момента появления фазовращателей на p-i-n диодах и по настоящее время постоянно идет процесс совершенствования приборов, стимулом к которому выступают все возрастающие требования со стороны разработчиков радиотехнических систем, а также постоянная конкуренция с ферритовыми фазовращателями. Существенное значение придается расширению полосы рабочих частот, повышению точности установки фазы, снижению энергопотребления, повышению технологичности конструкции. Последнее особенно важно ввиду высокой стоимости современных p-i-n диодных фазовращателей. Большой вклад в развитие дискретно коммутируемых фазовращателей внесли Сестрорецкий Б.В., Гарвер Р., Уотсон Д., Лебедев И.В., Жуссемэ С., Хижа Г.С. и другие.

Дискретные фазовращатели на коммутационных диодах могут строиться по отражательной либо проходной схемам. В обоих случаях применяются выключатели на полупроводниковых диодах (p-i-n-диодахили p-n-диодах).

Отражательные фазовращатели. В качестве прототипа двухпозиционного отражательного фазовращателя обычно используют схему, показанную на рисунке 4.3, в которой параметры реактивного трансформирующего четырехполюсника выбираются из следующих условий:

1) разность фаз входных коэффициентов отражения в двух состояниях диода должна быть равна заданному дискрету фазы: ;

2) модули коэффициентов отражения в двух состояниях диодов должны быть равны между собой и как можно меньше отличаться от единицы ‑ это так называемая оптимизация фазовращателя по потерям.

Омические потери в отражательном фазовращателе принято оценивать вносимым ослаблением, L=1/ρ². При коэффициенте отражения ρ=1 потери отсутствуют и L=1 (0 дБ). Анализ показывает, что при равенстве модулей коэффициентов отражения вносимое ослабление оказывается равным

, (4.4)

т.е. не зависит от параметров реактивного трансформирующего четырехполюсника и определяется только заданным дискретом фазы и параметром качества диода. Заметим, что канонический коммутационный элемент с парой сопротивлений (r, Kr) можно рассматривать как отражательный фазовращатель с дискретом фазы . Многопозиционные отражательные фазовращатели часто выполняют в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений каноническими коммутационными элементами. Один из коммутационных элементов с низким сопротивлением «закорачивает» линию передачи, а остальные коммутационные элементы имеют высокие сопротивления и не оказывают влияния на фазу коэффициента отражения. При переключении коммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и фазы коэффициента отражения.

Существуют и другие схемы многопозиционных отражательных фазовращателей. Однако следует отметить, что на сегодняшний день традиционные конструкции волноводных фазовращателей на p-i-n диодах исчерпали свои возможности по улучшению электрических параметров и не удовлетворяют современным требованиям. Одним из возможных направлений их совершенствования является использование планарных петель связи, позволяющих расширить полосу рабочих частот, уменьшить ток управления, сократить габариты, повысить технологичность.

Схема конструкции многопозиционного волноводного фазовращателя отражательного типа (рисунок 4.4), состоящая из закороченного на конце прямоугольного волновода, в котором установлен ряд диэлектрических пластин с планарными петлями связи. К концам каждой петли связи присоединены p-i-n диоды, электрически соединенные с закороткой. Управляющие электроды, предназначенные для подачи управляющего напряжения на p-i-n диоды, подсоединяются к средней точке каждой петли связи. При поочередном включении p-i-n диодов обеспечивается режим переменной реактивной нагрузки на конце волновода, тем самым изменяется фаза отраженного сигнала.

Рисунок 4.4 – Многопозиционный ФВ отражательного типа

с планарными петлями связи

Проходные фазовращатели должны обеспечивать заданную разность фаз коэффициентов передачи в двух состояниях при условии согласования входов и при минимальном вносимом ослаблении мощности.

Одним из простейших является проходной диодный фазовращатель на переключаемых отрезках линии передачи, приведенный на рисунке 4.5,а. Изменение фазы коэффициента передачи на происходит в результате изменения пути прохождения колебаний — по отрезку или по отрезку ,- осуществляемого диодными выключателями. Анализ показывает, что вносимое ослабление в таком фазовращателе при использовании диодов с параметром качества К>100мало зависит от величины , примерно одинаково в каждом фазовом состоянии и определяется выражением

, (4.5)

т.е. соответствует максимальному значению ослабления. В связи с этим проходные фазовращатели на переключаемых отрезках линии передачи невыгодны при малых фазовых сдвигах.

Наиболее распространенными в трактах СВЧ являются проходные фазовращатели мостового типа. Они образуются включением двух идентичных отражательныхфазовращателей на коммутационных диодах во взаимно развязанные выходы моста СВЧ.

Проходной фазовращатель в виде нагруженной линии передачипоказан на рисунке 4.5,б. Основными параметрами этой компактной схемы являются шунтирующие проводимости отражательных фазовращателей (ОФВ) в двух состояниях , а также электрическая длина и волновое сопротивление отрезка линии передачи между ними. Подбор этих параметров производится по условиям согласования входа фазовращателя в двух состояниях при обеспечении требуемого скачка фазы коэффициента передачи . Практически интересен «симметричный» случай , когда обеспечиваются почти одинаковые полосы пропускания в двух состояниях и наилучшая широкополосность. Номиналы элементов схемы определяются по формулам

, , . (4.6)

Вносимое из-за конечного качества коммутационных диодов ослабление, определяемое выражением

, (4.7)

имеет более резкую зависимость от фазового сдвига (в формуле вместо синуса присутствует тангенс). В связи с этим проходные фазовращатели в виде нагруженной линий передачи невыгодно применять при больших фазовых сдвигах ( ).

Многоступенчатые проходные фазовращатели. Существуют различные способыих выполнения. В фазовращателях мостового типа число фазовых состояний можно увеличить, применяя многопозиционные отражательные фазовращатели. Фазовращатель на переключаемых отрезках линии передачи может содержать не два, а большее число переключаемых отрезков.

Многопозиционный проходной фазовращатель чаще всего выполняют в виде каскадной цепочки двухпозиционных фазовращателей. Если каскады одинаковы и их число равно числу требуемых состояний фазы, то схема не оптимальна по суммарному вносимому ослаблению, но ее достоинство в том, что мощность потерь распределяется поровну между диодами и фазовращатель пропускает увеличенную мощность.

Более экономный по числу диодов многопозиционный фазовращатель выполняется по бинарному принципу в виде каскадного соединения p проходных секций, первая из которых дает дискрет фазы p, вторая /2, третья /4 и т. д. Общее число фазовых состояний получается равным 2^Р, что обеспечивает перекрытие фазы 0-2 с дискретом, определяемым секцией, дающей наименьший фазовый сдвиг. Бинарный проходной фазовращатель при оптимизации дает минимальное вносимое ослабление, но диоды в нем работают в неравных условиях, что снижает допустимую пропускаемую мощность. Бинарный фазовращатель может состоять из разнотипных двухпозиционных секций. Секция с фазовым сдвигом или /2 обычно выполняется по мостовой схеме (для уменьшения вносимого ослабления), а секции с малыми фазовыми сдвигами – на основе более простых фазовращателей в виде нагруженной линии передачи. Данная конструкция является примером гибридной интегральной микросхемы СВЧ, характерной особенностью которой является наличие навесных элементов ‑ диодов, блокировочных емкостей и др. Проходной трехразрядный бинарный фазовращатель обеспечивает точность установки фазовых сдвигов 5—8° в полосе частот 5—10% при вносимом ослаблении 1,0—1,5 дБ и входном КСВ не выше 1,3.

Еще одним примером реализации дискретного фазовращателя является плавный фазовращатель на варикапах, разработанный в Ростовском НИИ радиосвязи. В конструкции фазовращателя, показанной на рисунке 4.6, пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) интегрированы в объем многослойной подложки по технологии низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC).

Расчеты параметров образцов ФВ показали, что при изменении управляющего напряжения варикапов от 0,5 до 15 В изменение фазы может достигать 300 градусов. Габариты фазовращателя – 20 х10 х 1 мм.

1 23

Дата добавления: 2015-11-06; просмотров: 5165;