АКТИВНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах. Настоящие устройства могут быть широко применены в радиолокационных системах разных частотных диапазонов активных фазированных антенных решеток.
Фазовращатели СВЧ, выполненные на основе полупроводниковых приборов, широко используются в технике СВЧ.
Известен широкополосный фазовращатель с управляемым углом фазы, содержащий широкополосный разностный квадратурный фильтр, два пропорциональных звена с регулируемым коэффициентом передачи и сумматор. При этом один из выходов квадратурного фильтра подключен к входу первого, а другой - к входу второго, обеспечивающих соответствующее изменение амплитуды квадратурных составляющих сигнала, пропорциональных звеньев, выходы которых соединены с входами сумматора (см. Патент РФ №2303326, опубл. 10.09.06).
Недостатком известного устройства является низкая надежность устройства, обусловленная возможностью искажения выходного сигнала.
Кроме того, из уровня технике известен фазовращатель СВЧ, который содержит две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями. Одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода. Также он имеет два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности одинаковой величины и емкости либо разной, либо одинаковой величины. Исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первой индуктивности, а сток - через первую емкость соединен с линией передачи на выходе и с одним из концов второй индуктивности. Сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другими концами обеих индуктивностей и с одним из концов второй емкости, а исток и другой конец второй емкости заземлены. Затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения (см. Патент РФ №2321106, опубл. 27.03.2008).
Недостатками известного устройства является наличие температурных нестабильностей полупроводниковых элементов и высокий уровень фазового шума.
Также из уровня техники известен фазовращатель СВЧ на полупроводниковых приборах, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, два двухполюсных реактивных элемента либо разной, либо одинаковой величины. При этом сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов одного из двухполюсных реактивных элементов, а другой его конец - с линией передачи на выходе, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на его затвор подают постоянное управляющее напряжение. В фазовращатель СВЧ дополнительно введены два отрезка линии передачи, первый длиной, равной половине длины волны и менее, а второй длиной, равной четверти длины волны, при этом указанная длина волны соответствует средней частоте рабочей полосы частот (см. Патент РФ №2367066, опубл. 10.09.2009).
Недостатками известного устройства также являются низкая надежность, наличие температурных нестабильностей полупроводниковых элементов и высокий уровень фазового шума.
Задачей настоящей группы полезных моделей является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении надежности устройства, обусловленном увеличением устойчивости контуров выходного сигнала, исключением наличия искажений, а также уменьшением влияния временных и температурных нестабильностей полупроводниковых элементов и управляющих сигналов на фазовые характеристики.
Технический результат обеспечивается тем, что активный фазовращатель по первому варианту выполнен на полупроводниковых приборах на основе SiGe и включает широкополосный квадратурный полифазный фильтр, выполненный с возможностью формирования двух ортогонально сдвинутых по фазе квадратурных сигналов, аналоговый дифференциальный сумматор, содержащий ячейки Гильберта, усилитель и сумматор, блок цифрового сигнала, выполненный с возможностью управления каждой ячейкой Гильберта, согласующее звено и блок преобразователя дифференциального сигнала в однополярный.
В соответствии с частными случаями выполнения устройство по первому варианту имеет следующие конструктивные особенности.
Квадратурный полифазный фильтр выполнен на RC пассивных цепях.
На выходе из квадратурного полифазного фильтра предусмотрены 4 эмиттерных повторителя.
Технический результат также обеспечивается тем, что активный фазовращатель по второму варианту выполнен на полупроводниковых приборах на основе GaN и включает широкополосный квадратурный полифазный фильтр, выполненный с возможностью формирования двух ортогонально сдвинутых по фазе квадратурных сигналов, аналоговый дифференциальный сумматор, содержащий ячейки Гильберта, усилитель и сумматор, блок цифрового сигнала, выполненный с возможностью управления каждой ячейкой Гильберта, согласующее звено и блок преобразователя дифференциального сигнала в однополярный.
В соответствии с частными случаями выполнения устройство по второму варианту имеет следующие конструктивные особенности.
Квадратурный полифазный фильтр выполнен на RC пассивных цепях.
На выходе из квадратурного полифазного фильтра предусмотрены 4 эмиттерных повторителя.
Сущность настоящей группы полезных моделей поясняется иллюстрацией, на которой в схематическом виде отображено настоящее устройство.
Устройство включает следующие конструктивные элементы: широкополосный квадратурный полифазный фильтр; аналоговый дифференциальный сумматор; ячейки Гильберта; усилитель с регулируемым усилением; сумматор; блок цифрового сигнала для цифрового управления; согласующее звено; блок преобразователя дифференциального сигнала в однополярный.
Настоящее устройство функционирует следующим образом.
Дифференциальный входной сигнал расщепляется на I и Q квадратурные сигналы с помощью широкополосного квадратурного фильтра. Выполнение квадратурного фильтра может быть основано на различных пассивных цепях: RC, RLC. В настоящей полезной модели полифазный фильтр выполнен с использование RC цепей. Использование нескольких последовательно соединенных RC секций расширяет полосу сигнала, в которой его фаза остается неизменной в каждом из 4-х 90° квадранте, формируемых фильтром. На выходе фильтра предусмотрены 4 эмиттерных повторителя для согласования со схемой сумматора. На выходах повторителей формируются сигналы ±I и ±Q сдвинутые на 90°.
Дифференциальные I и Q сигналы подаются на аналоговый дифференциальный сумматор, содержащий усилитель с регулируемым усилением, ячейки Гильберта и сумматор. Блок цифрового сигнала управляет усилением каждой ячейки Гильберта. На выходе суммируют преобразованные (с весом) I и Q сигналы (по амплитуде), образуя синтезируемую фазу и амплитуду сигнала. Различные веса по амплитуде формируют изменением усиления с использованием блока цифрового сигнала.
Фазовращатель работает по принципу сложения векторов тока, сдвинутых под 90 градусов. Регулирование сдвига фазы в одном квадранте осуществляется за счет изменения величины токов в каждом из ортогональных векторов. Чтобы выходная амплитуда была неизменна, складываются ток, изменяемый по закону синуса и ток, изменяемый по закону косинуса. Квадранты переключаются за счет подключения соответствующих комбинаций сигнала с полифазного фильтра.
Аналоговый дифференциальный сумматор позволяет, выбирая направления векторов и амплитуду двух токовых сигналов, обеспечить получение результирующего вектора в нужном квадранте. Первые каскады, на которые поступают сигналы после полифазного фильтра, преобразуют напряжение в ток, позволяя «линеаризовать» входные сигналы и расширить таким образом динамический диапазон устройства. Эти каскады управляют двумя смесителями, которые реализованы (как и весь сумматор) на биполярных транзисторах изготовленных на основе GaN или SiGe. Изменяя с помощью блока цифрового сигнала токи в 4-х дифференциальных парах транзисторов смесителей, создается сигнал с необходимой фазой результирующего вектора. С выхода смесителей сигнал подается на 3-х каскадный дифференциальный усилитель, выполняющий функции аттенюатора, коэффициент передачи которого определяется токами смещения дифференциальных пар. Величины токов смещения задаются с помощью блока цифрового сигнала. Выходной дифференциальный сигнал аттенюатора формируется двумя эмиттерными повторителями.
Сигнал на выходе формируется в однополярный на резисторе под воздействием двух сигналов с эмиттера и коллектора выходных транзисторов. При этом подбором величины резистора в согласующем звене осуществляется согласование с нагрузкой.
Такой принцип выполнения фазовращателя приводит к минимизации спектральной плотности фазового шума (СПФШ) за счет понижения СПФШ структурных элементов, а также обеспечивает минимум нелинейных искажений выходного усилительного каскада.
Использование полупроводниковых материалов, таких как SiGe, GaN, позволяет решать комплекс задач по совершенствованию эксплуатационных характеристик СВЧ устройств: снижение фазового шума, расширение рабочего диапазона температур, увеличение допустимой СВЧ мощности расширение частотного диапазона и т.п.