Фазовращатели на волноводах сложного сечения с планарными петлями связи и p-i-n-диодами

УДК 621.372.8

А.Л. Бондаренко, Б.К. Сивяков, Г.П. Самуйлов ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА ВОЛНОВОДАХ СЛОЖНОГО СЕЧЕНИЯ С ПЛАНАРНЫМИ ПЕТЛЯМИ СВЯЗИ И P-I-N-ДИОДАМИ

Рассматриваются вопросы проектирования проходных

фазовращателей с p-i-n- диодами и планарными петлями связи на волноводах П-образного сечения. Представлены эквивалентные схемы фазовращателей, проведено электродинамическое моделирование многодискретного фазовращателя на П-волноводе.

Проходной фазовращатель, волновод сложного сечения, p-i-n-диод, планарная петля связи, фазосдвигающая ячейка

A.L. Bondarenko, B.K. Sivyakov, G.P. Samuilov PHASE SHIFTER BASED ON COMPLICATED CROSS SECTION WAVEGUIDES WITH PLANAR COUPLING LOOPS AND P-I-N-DIODES

The method of technical designing of passed waveguide phase shifters using p-i-n diodes and planar coupling loops in ridge waveguide is considered in this article. The equivalent networks of phase shifters are presented. Electromagnetic simulation conducted on a ridge waveguide multi discrete phase shifter.

Passed phaseshifter ridge waveguide, complicated cross-section waveguide, p-i-n diode, planar loop connection, retarders cell

Введение

Волноводные фазовращатели на p-i-n-диодах применяются в фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных станциях, а также в качестве фазовых модуляторов в приемных и передающих трактах радиоэлектронной аппаратуры.

Одним из важных преимуществ решётки является возможность быстрого обзора пространства за счёт электрического сканирования. Они обеспечивают создание ряда дискретных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности.

В настоящее время ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения. Особенно актуальным является использование фазовращателей в качестве управляемых устройств ФАР. Анализ технических параметров фазовращателей, достигнутых на сегодняшний день, показывает, что основными тенденциями их развития являются: уменьшения

массогабаритных показателей; расширение полосы рабочих частот; точность установки фазы; повышение мощности входного высокочастотного сигнала; улучшения качества согласования; повышение быстродействия; увеличение динамического диапазона установки фазы.

На сегодняшний день стоит задача уменьшения поперечных размеров волноводных фазовращателей и увеличение количества дискретов сдвигов фаз, так как это способствует уменьшению полотна антенной решетки, а соответственно мобильности передвижных

103

радиолокационных станций. Все выше перечисленные задачи возможно наиболее полно решить конструктивными методами, а именно изменяя форму волновода. Применение волноводов П- и Н-образного сечения для таких целей видится наиболее приемлемым. Определение параметров такого волновода является актуальной задачей для перспективной радиолокации.

1. П- и Н- волноводы

Волноводы сложной формы занимают важное место среди СВЧ устройств, благодаря своим высоким экономическим и техническим характеристикам [1]. П- и Н- волноводы (рис. 1) имеют ряд преимуществ перед прямоугольным волноводом для построения фазовращателей. Их особенность состоит в том, что при тех же габаритных размерах а и Ь они имеют большую критическую длину волны основного типа, чем прямоугольные волноводы, в то время как критическая длина волны высших типов изменяется мало. Волноводные П- и Н-образные элементы СВЧ тракта обладают большей широкополосностью одномодового режима и меньшими габаритами по сравнению с прямоугольным волноводом. Благодаря меньшим размерам излучатели в ФАР можно ставить на более близком расстоянии друг от друга и тем самым увеличить сектор обзора пространства решетки [2].

Ь

Рис. 1. Сечения П-образного и Н-образного волноводов

В плоскости симметрии Н-волновода можно поставить магнитную стенку. Тогда Н-волновод можно представить двумя П-волноводами. По характеру дисперсионные характеристики Н-волновода не будут отличаться от П-волновода. Волновое сопротивление Н-волновода при одинаковых размерах в два раза больше П-образного волновода. При некоторых размерах Н-волновода волна Н10 не будет являться основной.

Рассмотрим возможность применения П- волновода, как более технологичного, для построения фазовращателей отражательного и проходного типов с планарными петлями связи и управляющими p-i-n диодами.

Наличие гребня сильно искажает структуру силовых линий по сравнению с прямоугольным волноводом. Металлический гребень как бы «выдавливает» поле к боковым стенкам. Для основной волны Н10 в П-образном волноводе имеет место замыкание силовых линий электрического поля на боковую стенку. С увеличением высоты гребня Ь^, который располагается в максимуме напряженности электрического поля волны Н10, увеличивается концентрация поля и энергия в месте погружения гребня. Поэтому свойства волны, в частности критическая длина, определяются в промежутке между гребнем и верхней стенкой. Пока отношение ширины гребня w не превышает 0,2 - 0,3 ширины волновода a, энергия электрического и магнитного полей вблизи боковых стенок сравнительно мала. Распространяющиеся в П-образном волноводе волна Щ0 близка по структуре к волне типа Т,

104

у которой ^кр равна бесконечности. Появление гребня приводит к повышению критической длины волны Н10. С увеличением высоты гребня Ь^ возрастает уровень потерь и снижается электрическая прочность по сравнению с прямоугольным волноводом за счет искривления силовых линий электрического поля на кромках гребня [1]. Увеличение ширины волновода a приводит к сужению рабочей полосы, за счет увеличения критической длины волны.

Емкостный зазор - это область с интенсивным электрическим полем, которое по своей структуре близко к полю прямоугольного волновода. В этой области целесообразно располагать продольные диэлектрические пластины с петлями связи и управляющими p-i-n диодами для отражательных фазовращателей на основе закороченного отрезка П-волновода. При малых толщинах диэлектрика, расположенного в центральной части емкостного зазора П-волновода, наибольшее влияние будет оказываться на критическую длину волны основного типа и минимальное на критическую длину волны первого высшего типа. Это приводит к увеличению широкополосности фазовращателя на П-волноводе.

В фазовращателях проходного типа диэлектрические пластины с петлями связи и управляющими p-i-n диодами следует располагать в плоскости поперечного сечения волновода между гребнем и боковой стенкой волновода.

2. Фазовращатели отражательного типа на П-волноводе

Конструкция многопозиционного отражательного фазовращателя с планарными петлями на П-волноводе показана на рис. 2.

А-А

А

Рис. 2. Многопозиционный отражательный фазовращатель с планарными петлями связи (1 - волновод; 2 - диэлектрическая пластина;

3 - петля связи; 4 - управляющий электрод; 5 - рч-п-диоды)

Фазовращатель представляет собой закороченный отрезок волновода, в котором вблизи от закоротки установлен ряд диэлектрических пластин параллельно узким стенкам волновода. На каждой диэлектрической пластине имеется выполненная методом печатного монтажа петля связи. К концам каждой петли связи подсоединены p-i-n-диоды. Таким образом, петля связи, p-i-n диоды и закоротка образуют замкнутый контур.

Управляющий электрод, предназначенный для подачи управляющего напряжения на p-i-n диоды, присоединяется к средней точке петли. В силу симметричности конструкции относительно Н-плоскости волновода, суммарная составляющая наведенных СВЧ токов на управляющем электроде равна нулю.

В исследуемом многопозиционном фазовращателе, изображенном на рис. 2, можно выделить ряд двухпозиционных фазовращателей. Следует отметить, что двухпозиционные фазовращатели являются базовыми элементами многопозиционного фазовращателя не только функционально, но и конструктивно, так как они выполнены в виде отдельных модулей, каждый из которых можно удалять из прибора или добавлять в него без нарушения целостности остальных модулей и без ограничения их функциональных свойств.

Проведем анализ процессов в таком фазовращателе, основываясь на результатах работы [3]. Планарная петля вместе с включенными диодами образуют контур, который пронизывают силовые линии магнитного поля, что позволяет рассматривать закороченный отрезок волновода и петлю как трансформатор, преобразующий волноводную волну в волну, распространяющуюся по боковым горизонтальным участкам петли к диодам. Причем эти участки можно рассматривать как отрезки планарной линии. Следовательно, в волноводе с петлей связи распространяются не одна, а две волны: волноводная волна, структура которой сходна с волной Ню , и Т-волна в планарной линии. Причем электромагнитная энергия на участке с петлей связи переносится Т-волной к р-ьп диодам и обратно.

С учетом вышеизложенного эквивалентная схема фазовращателя будет иметь вид, показанный на рис. 3.

б

Рис. 3. а) Эквивалентная схема отражательного фазовращателя и б) линейная модель р-ьп диода, Ь8 - индуктивность вывода р-ьп диода, - прямое сопротивление потерь, - сопротивление базы р-ьп диода,

С] - емкость базы р-ьп диода. Ср - емкость корпуса

На рис. 3а обозначены: PORT P=1 - П-волновод, TLIN ID=TL1 - П-волновод, частично заполненный диэлектриком, XFMR ID=XF1 - идеальный трансформатор с соотношением витков 1: n, TLIN ID=TL2, TLIN ID=TL3 - планарные линии передачи, IND ID=L1, IND ID=L2 - сосредоточенные индуктивности, PIN ID=D1, PIN ID=D1 - p-i-n-диоды.

Индуктивности L1 и L2 в схеме играют роль настроечных элементов, и в реальной конструкции это может быть индуктивность вывода p-i-n диода, или, если длины вывода недостаточно, вводится дополнительная индуктивность как элемент топологии. Так как фазовращатели обычно работают в линейном режиме, то для p-i-n диода выбрана линейная модель, представленная на рис. 3б.

Представленная эквивалентная схема позволяет составить качественное и количественное представление о влиянии различных элементов конструкции фазовращателя на его характеристики.

3. Фазовращатели проходного типа на П-волноводе

Конструктивно волноводный фазовращатель проходного типа представляет собой отрезок П-волновода, внутри которого установлен ряд реактивных элементов (РЭ) с p-i-n диодами. Два варианта конструкции РЭ проходного типа с планарной петлей связи показаны на рис. 4а, б, в.

Ь

А-А

У/ '/////////////////у. У//// У///////////Л

[ с = // 1

У 1 с =

V//////////////// // К////////////}

А

Рис. 4. РЭ проходного типа с а) симметричной, б) несимметричной и в) двойной симметричной планарными петлями связи

При несимметричной конструкции (рис. 4б) один конец петли нагружен р-ьп диодом, а другой остается разомкнутым. Электрическая длина ненагруженного конца петли связи (считая по средней линии от плоскости симметрии петли) примерно равна 90о. Несмотря на то, что конструкция реактивного элемента является несимметричной, излучение СВЧ мощности через управляющий электрод будет минимальным, так как он присоединен к точке с нулевым напряжением.

Существенным преимуществом несимметричной петли связи является то, что она позволяет использовать только один р-ьп диод, что дает снижение тока управления и повышение надежности. Указанный фактор является немаловажным в многопозиционных фазовращателях с большим количеством РЭ. Там, где нужен больший уровень допустимой СВЧ мощности, используется обычная симметричная петля связи с двумя р-ьп диодами (рис. 4а).

Базовым элементом проходного фазовращателя является элементарная фазосдвигающая ячейка. Такая ячейка фазовращателя представляет собой две реактивности, разделенные отрезком линии передачи. Каждая реактивность может принимать два значения в зависимости от полярности напряжения, приложенного к р-ьп- диодам.

Обычно элементарные фазосдвигающие ячейки используются для получения фазовых сдвигов до 45о. Для получения больших значений фазового сдвига, например, 90о или 180о, необходимы большие реактивности, при этом полоса частот резко сужается из-за увеличения коэффициента отражения и снижения точности установки фазы. Поэтому для

а

в

получения больших фазовых сдвигов используют метод каскадного соединения нескольких элементарных ячеек.

Для удвоения реактивной проводимости применяются симметричные двойные планарные петли связи [4]. Конструкция реактивного элемента с симметричной двойной планарной петлей связи представлена на рис. 4в.

Двойная планарная петля связи представляет собой две одинаковые петли связи, выполненные на противоположных сторонах диэлектрической подложки. Петли связи соединены на концах при помощи металлических перемычек. РЭ с двойной петлей связи обеспечивает фазовый сдвиг примерно вдвое больший, чем реактивный элемент с одной петлей. Указанный эффект объясняется тем, что двойная петля связи имеет две поверхности, пронизываемые магнитным потоком, и потокосцепление у такой петли должно быть два раза больше, чем у одиночной петли связи.

Эквивалентные схемы РЭ с несимметричной, симметричной односторонней и двухсторонней планарными петлями связи представлены на рис. 5.

На рис. 5а, 5б, 5в волновые сопротивления входного и выходного портов Р=1, Р=2, а также отрезков линии передачи ТЫ и ТЬ2 равны волновому сопротивлению П-волновода. Также как и в эквивалентной схеме отражательного фазовращателя, имеются следующие элементы: трансформаторы ХБ1 и ХБ2, отрезки планарной линии передачи ТЬ3 - ТЬб, сосредоточенные индуктивности Ь1, Ь4 и р-ьп-диоды Б1, Б2. Кроме указанных элементов, в схеме с несимметричной петлей связи имеется разомкнутый отрезок планарной линии передачи ТЬ3, который является эквивалентом ненагруженного плеча планарной петли связи. Длина отрезка ТЬ3 приближается к четверти длины волны, а его волновое сопротивление, в общем случае, может отличаться от волнового сопротивления отрезка ТЬ4.

Фазовращатели, обеспечивающие малые фазовые сдвиги: 5,6о, 11,25о, 22,5о и 45о,

строят по схеме элементарной фазосдвигающей ячейки. Фазовращатели с фазовыми сдвигами 90о и 180о образуют каскадным соединением 45о-х элементарных ячеек и представляют собой фазовращатели типа нагруженной линии.

Элементарная ячейка фазовращателя проходного типа состоит из отрезка линии передачи с волновым сопротивлением 20 и электрической длиной 0, на концах которого включены две переменные полные проводимости У. Каждая из переменных полных проводимостей состоит из цепи, содержащей р-ьп диод. В соответствии с тем или иным смещением диодов переменная проводимость принимает два значения У1 и У2, обусловливающие дифференциальный сдвиг фазы передаваемой волны.

При расчете фазового сдвига в первом приближении можно пренебречь активными потерями и считать полные проводимости У чисто реактивными проводимостями, У]=]В] и

У2 = ]В2 .

Для обеспечения согласования в двух состояниях фазы должны выполняться условия [5]:

jBi=0;

e = p_Dj. 2 2 ;

.1 Dj

jB2 = j—tg —,

Z

2

где Лр - фазовый сдвиг, 20 - волновое сопротивление линии передачи.

PORT TLIN

P=1 ID=TL1

TLIN

ID=TL2

PORT

P=2

TLOC

ID=TL3

-E“l

IND

ID=L1

XFMR

ID=XF1

°-----Kb

TLIN

ID=TL4

0

1 : П1

4

а

PORT

P=1

TLIN

ID=TL1

TLIN PORT

ID=TL2 P=2

TLIN

ID=TL3

IND

ID=L1

PIN

ID=D1

4 I ID=TL4

XFMR

ID=XF1

=%

™L2 iPD=,d2

1 : n 1

TLIN PORT

ID=TL2 P=2

ЗГ

ЗГ

TLIN

ID=TL3

IND

ID=L1

TLIN

ID=TL4

ID=TL5

fH ь^ЛЛТ1

M

TLIN

ID=TL6

б

в

Рис. 5. Эквивалентные схемы РЭ с а) несимметричной, б) симметричной односторонней и в) двухсторонней планарными петлями связи

В фазовращателях типа нагруженной линии имеются два вида проводимостей: Y и 2Y. Они реализуются соответственно двумя видами РЭ: с односторонней (рис.5,б) и с двухсторонней симметричной петлей связи (рис.5,в).

Параметры элементов эквивалентных схем фазовращателей на П-волноводе могут быть определены аналогично параметрам схем на прямоугольном волноводе [3].

4. Электродинамическое моделирование фазовращателей

Более точные результаты могут быть получены в результате электродинамического моделирования фазовращателей. В связи с большой трудоемкостью и обилием конструктивных параметров электродинамического моделирования целесообразно, чтобы ему предшествовало схемотехническое рассмотрение на основе эквивалентных схем, которое позволяет определить основные параметры и обладает большей физической наглядностью в плане влияния различных элементов на характеристики фазовращателей.

Расчет волноводной структуры был произведен в программе Ansoft HFSS. На входе и выходе волновода стоят волноводные порты (Wave Port). На конце каждой петли связи располагается поверхность с заданными параметрами индуктивности или емкости (Lumped RLC). Такая поверхность будет отражать основные характеристики p-i-n-диода 2А517А, в зависимости от того, в каком состоянии находится диод. Соответственно, когда p-i-n-диод закрыт, у него преобладает емкость (C = 0,15 пФ), когда открыт - индуктивность выводов (L = 1,9 нГн). Для петель задана поверхность с конечной проводимостью (Finite Conductivity).

Рис.6. Структурная модель элементарной ячейки проходного фазовращателя

в программе ИРБв

Каждая элементарная ячейка может быть либо включена, либо выключена. Управление состоянием ячейки осуществляется р-ьп-диодами. Диоды в одной ячейке одновременно либо закрыты, либо открыты.

Планарная петля связи представляет собой несимметричную конструкцию, у которой один конец нагружен р-ьп-диодом, а другой остается разомкнутым. Для определения фазового сдвига необходимо знать фазы коэффициентов передачи Б12 = 821 в двух состояниях элементарной ячейки. Тогда фаза прошедшей волны определяется как разность фаз Б12 выключенного и включенного состояний.

Рис. 7. ФЧХ элементарной ячейки фазовращателя: а) односторонняя, б) двусторонняя петля; и в) проходного фазовращателя на 16 положений фазы

Проведенное моделирование ячейки, с двухсторонней и односторонней петлей связи показало, что добавление второй петли связи на обратную сторону пластины вызывает увеличение фазового сдвига (рис 7а и 7б). Расчет проведен при индуктивности выводов р-і-п-диодов, соответственно при 1,9 нГн и 25,9 нГн.

Был проведен расчет многодискретного фазовращателя на 16 положений фаз. Конструкция состоит из ряда последовательно включенных элементарных ячеек. На стыке двух ячеек, из теории четырехполюсников известно, что реактивность имеет удвоенное значение. Поэтому на стыке диэлектрическая пластина должна иметь двухстороннюю несимметричную петлю связи. ФЧХ такого фазовращателя представлена на рис. 7в, а уровни отраженной мощности - на рис. 8.

-55,00

-45,00

щ -35,00 ч ~

-25,00

15,00

-5,00

9 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10

Частота, ГГц

Рис. 8. Уровни отраженной мощности от входа фазовращателя на 16 положений фаз

Таким образом, показана возможность создания многопозиционных фазовращателей с планарными петлями связи и р-і-п диодами на основе П-волновода. Разработаны методики проектирования фазовращателей отражательного и проходного типов методом эквивалентных схем и электродинамическим методом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заргано Г.Ф., Ляпин В.П., Михалевский В.С. и др. Волноводы сложных сечений. М.: Радио и связь. 1986. 124 с.

2. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием. Под ред. Л.Д. Бахраха. М.: Советское Радио, 2001. 250 с.

3. Пазухина Т. Г., Сивяков Б.К. Проектирование волноводных фазовращателей с p-i-n-диодами и планарными петлями связи // Вестник СГТУ. 2008. №1. Выпуск 2. С. 246-255.

4. Пазухина Т.Г., Зилов В.Т., Киселева О.Т. .А.с. № 331719 доп. к а.с. № 230421. МКИ Н01Р1/18. Дискретный отражательный фазовращатель.

5. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1973.

608 с.

6. Davis M.E., Williams E.W., Celestini A.C. Finite-Boundary Corrections in the Coplanar Waveguide Analysis // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1973. v. MTT-21. No.9. Р. 594-596.

Бондаренко Антон Леонидович -

аспирант кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета

Bondarenko Anton Leonidovich -

Post-graduate Student of the Department “Electrical Engineering and Electronics”, Saratov State Technical University

Сивяков Борис Константинович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета

Sivyakov Boris Konstantinovich -

Professor, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department “Electrical Engineering and Electronics”, Saratov State Technical University

Самуйлов Г енрих Павлович -

кандидат технических наук, начальник системного отдела ОАО КБ «Кунцево», г. Москва.

Samuilov Henry Pavlovich -

Candidate of Technical Sciences, Chief of the System Department of OJSC KB “Kuncevo”, Moscow

Статья поступила в редакцию 10.03.2011, принята к опубликованию 20.08.2011