ВЫСОКОРАЗРЯДНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
HIGH-RESOLUTION MICROWAVE PHASE-SHIFTING UNIT

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах. Фазовращатели (ФВ) широко используются в аппаратуре связи, радиолокации и измерительной технике.
Фазовращатели бывают с непрерывным и дискретным изменением фазы, при этом последние представляют собой каскадное соединение нескольких, по крайней мере, от двух до 5-6 разрядов, содержащих калиброванные отрезки линий передачи, обеспечивающих заданный сдвиг фазы. Подключение и отключение отрезков линий передачи в каждом разряде осуществляется электронными ключами, в качестве которых используются полупроводниковые диоды или транзисторы.
Фазовращатели СВЧ характеризуются:
- максимальной и минимальной величиной изменения фазы СВЧ (шаг по фазе, дискрет по фазе);
- шириной рабочей полосы;
- величиной потерь СВЧ сигнала;
- монотонностью изменения фаз при их изменении;
- точностью установки заданного значения фазы;
- параметрами управляющих сигналов.
Обычно, например, у шестиразрядного фазовращателя значения разрядов имеют значения 180, 90, 45, 22,5, 11,25 и 5,623 градусов. Включением различных секций можно обеспечить изменение фазы в пределах от 360 до 0 градусов с минимальным шагом 5,625 градусов.
Однако, для практических задач, например, в измерительной аппаратуре или в радиолокационных системах высокого разрешения могут потребоваться изменения фазы с шагом порядка 0,1 градуса.
Известен представленный на фиг. 1 дискретный петлеобразный диодный СВЧ фазовращатель (патент РФ №2231175 С2; МПК: Н01Р 1/185; 20.06.2006), состоящий из микрополосковых секций, снабженных соединяющим концы петли диодом и связанным с ней коммутируемым согласующим элементом. Коммутируемый согласующий элемент в виде подключенного к середине петли через диод короктозамкнутого шлейфа выполнен в секциях с большим дискретом, а в секциях с малым дискретом - в виде линии на участке соединения через диод концов петли с волновым сопротивлением, превышающим в 1,5-2 раза волновое сопротивление основной линии и петли.
Известен представленный на фиг. 2 фазовращатель СВЧ (патент РФ №2316086 С1; МПК: Н01Р 1/185; 27.01.2008), содержащий 2 линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки и отрезок линии передачи с длиной, равной половине длины волны, в линии передачи. Исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, сток с линией передачи на выходе и с одним из концов отрезка линии передачи. Другой конец отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе. Сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с отрезком линии передачи на расстоянии, равном четверти длины волны, в линии передачи от любого его конца, исток его заземлен. Затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
Известен представленный на фиг. 3 фазовращатель СВЧ (патент РФ №2401489 С1; МПК: Н01Р 1/18; 10.10.2010), содержащий 2 линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности и емкости одинаковой величины, дополнительно введен отрезок линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны на средней частоте рабочей полосы частот, с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, при этом один конец упомянутого отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе и с одним концом первой емкости, другой конец упомянутого отрезка линии передачи соединен с линией передачи на выходе и с одним концом второй емкости, другой конец каждой емкости соединен соответственно со стоком каждого полевого транзистора с барьером Шотки и также с одним концом каждой индуктивности, величину которой определяют из математического выражения в зависимости от средней частоты рабочей полосы частот и выходной емкости транзисторов.
Известен представленный на фиг. 4 СВЧ-фазовращатель на основе полупроводниковой схемы (патент РФ №2379798 С1; МПК: Н01Р 1/18; 20.01.2010). СВЧ-фазовращатель на основе полупроводниковой схемы, содержит два параллельных канала, входы и выходы которых, соответственно, соединены с входной и выходной микрополосковыми линиями, при этом первый канал содержит последовательно соединенные первый полевой транзистор с затвором Шотки, первый фазосдвигающий элемент в виде микрополосковой линии и второй полевой транзистор с затвором Шотки, второй канал -последовательно соединенные третий полевой транзистор с затвором Шотки, второй фазосдвигающий элемент и четвертый полевой транзистор с затвором Шотки, а затворы всех транзисторов соединены резисторами для подачи управляющего напряжения, согласно изобретению второй фазосдвигающий элемент выполнен сменным и расположен вне пределов функциональной поверхности полупроводниковой схемы, а ширина затвора каждого полевого транзистора равна ширине микрополосковых линий.
Кроме того, второй фазосдвигающий элемент может быть выполнен в виде микрополосковой линии.
Кроме того, второй фазосдвигающий элемент может быть выполнен в виде LC-цепей на сосредоточенных элементах.
Выполнение второго сменного фазосдвигающего элемента в виде микрополосковой линии или LC-цепей на сосредоточенных элементах позволяет реализовать любой фазовый дискрет многоразрядного фазовращателя выбранного частотного диапазона.
Известен представленный на фиг. 5 проходной дискретный полупроводниковый СВЧ-фазовращатель (патент РФ №2639992 С1; МПК: Н01Р 1/185; 25.12.2017), согласованный с волновым сопротивлением основной линии передачи, выполненный на основе соединения отрезков линий передачи и управляющих элементов, преимущественно диодов. Вход и выход фазосдвигающей цепи фазовращателя соединены через управляющий элемент. Фазосдвигающая цепь фазовращателя содержит фильтр нижних частот в виде последовательного соединения трех (в случае дискрета, большего 90 градусов) или двух (в случае дискрета, меньшего или равного 90 градусов) отрезков линии передачи, к местам (точкам) соединения которых подключены шлейфы (шлейф), причем их свободные концы (концы центральных проводников) соединены по СВЧ с корпусом (экраном) через управляющие элементы, геометрические параметры упомянутых отрезков и шлейфов выбраны из условия обеспечения четвертьволновой электрической длины каждой линии передачи от входа (выхода) фазосдвигающей цепи до ближайшей точки соединения с корпусом, а волновые сопротивления этих отрезков превышают волновое сопротивление.
Известен представленный на фиг. 6 широкополосный многоразрядный дискретный СВЧ-фазовращатель (патент РФ №172993 U1; МПК: Н01Р 1/185; 03.08.2017). Устройство, состоящее из N последовательно соединенных разрядов, в состав которых входят фазосдвигающий элемент (ФСЭ) и опорный элемент (ОЭ), содержащий первый и второй pin-диоды ОЭ, первый и второй конденсаторы ОЭ, индуктивность ОЭ, в ОЭ дополнительно введены вторая и третья индуктивности ОЭ, а в ФСЭ, содержащий первый и второй pin-диоды ФСЭ, первый и второй конденсаторы ФСЭ и индуктивность ФСЭ, дополнительно введены вторая индуктивность ФСЭ и третий конденсатор ФСЭ с соответствующими связями.
Как видно, известные многоразрядные проходные фазовращатели СВЧ имеют две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, между которыми располагаются фазосдвигающие секции (в виде LC-цепи, полупроводниковых диодов или просто отрезков линий передач) в необходимом числе с дискретом от 180 до 5,625 градуса. Уменьшение дискретов в такой конструкции практически невозможно из-за малости фазосдвигающего отрезка в 2,812 градуса и т.д. градусов, соизмеримых с влиянием других элементов схемы.
Актуальной проблемой является создание фазосдвигающего устройства с дискретами приращения фазы от единиц до 0,1 градуса.
Наиболее близким к сущности заявленного изобретения является представленное на фиг. 7 техническое решение полупроводниковой интегральной схемы многоразрядного фазовращателя (Елесин В.В., Назарова Г.Н., Усачев Н.А., Чуков Г.В., Сотсков Д.И. «Построение монолитных ИС многоразрядных фазовращателей СВЧ диапазона с улучшенными точностными характертстиками», журнал «Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА», №5, Зеленоград, МИЭТ, 2012 г., стр. 31-38) для активной антенной решетки СВЧ диапазона. Оригинальным в данной работе является реализация СВЧ-фазовращателя по технологии SiGe-БиКМОП на одном кристалле с использованием регулировки амплитуд ортогональных составляющих формируемого сигнала. Идея регулировки амплитуды одной из составляющих сигнала использована в предлагаемой заявке при реализации фазовращателя по микрополосковой технологии, что позволяет считать это прототипом предлагаемого изобретения. Предложен вариант многоразрядного ФВ в монолитном исполнении с амплитудно-управляемыми усилителями с использованием принципа сложения ортогональных векторов (фиг. 7а). На фиг. 7б представлена структурная схема векторного ФВ. Такая схема позволяет повернуть фазу выходного сигнала только в пределах 90 градусов. Для поворота фазы в пределах 360 градусов необходимо включать последовательно 4 схемы представленные на фиг. 7б, что усложняет устройство и является недостатком этого технического решения.
В сравнении с техническим решением представленным на фиг. 7 предлагаемое техническое решение обладает преимуществом использования по широко распространенной микрополосковой технологии и относительной ее дешевизны, что позволяет разработчику реализовывать вариант исполнения, подходящий для его конкретной задачи.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность обеспечения реализации минимальных дискретов фазовых сдвигов меньше чем 5,625 до 0,088 градуса (2,812; 1,406; 0,703; 0,352; 0,176 и 0,088) градуса.
Технический результат достигается тем, что входной сигнал 1 (фиг. 8) подается на двухканальный делитель 2 где делится на 2 потока: основной сигнал Аос 3 и вспомогательный Авс 4 со сдвигом фаз между ними 90 градусов. При этом основной сигнал Аос 3 выбирается больше сигнала Авс 4 на 13.1 дБ, чтобы при нулевом значении затухания цифрового аттенюатора 5 обеспечить сдвиг фазы выходного сигнала 2,812 градуса. Сигнал 4 через Цифровой Аттенюатор 5, выходной сигнал которого 6, подается на один вход сумматора 7, а на второй вход которого подается основной сигнал 3. В результате векторного сложения сигналов на выходе сумматора 7 получается сигнал Асум 8, сдвинутый по фазе относительно основного сигнала 3 на величину, зависящую от уровня вспомогательного сигнала Авс 6. Управляя цифровым аттенюатором 5 по входу 9 можно получать требуемые малые сдвиги (фиг. 9). Выбирая разрядность ЦАт и шаг изменения затухания можно выбрать требуемый диапазон и минимальный дискрет изменения фазы как это осуществляется в техническом решении, представленном на фиг. 7.
Данный эффект управления фазой сигнала объясняется тем, что как известно из математики, линейная комбинация нескольких синусоидальных величин с одной и той же частотой есть синусоидальная величина с той же частотой. В нашем случае имеем после делителя 2 два синусоидальных сигнала с одной и той же частотой, но сдвинутых по фазе на 90° друг относительно друга. После сумматора 7 образуется линейная комбинация двух синусоидальных величин:
1
2
Для нашего случая ϕ=0; ϕ=90°; ϕ - сдвиг фазы после суммирования сигналов. Тогда формула (1) принимает вид:
Из формулы (2) следует, что:
вс
ос
tg(β)=А/А;
Таким образом, для получения фазового сдвига в 5,625 градуса соотношение амплитуд суммируемых сигналов должно быть 0.09849. А для получения фазового сдвига в 2,812 градуса соотношение амплитуд суммируемых сигналов должно быть 0.04912.
Предлагаемый вариант фазовращателя 10 для обеспечения малых изменений уровня выходного сигнала 8 при перестройки фазы предпочтительно пригоден для реализаии малых сдвигов фазы, примерно, в диапазоне от 10-15 градусов и до сотых долей.
Предлагаемый СВЧ фазовращатель может обеспечить необходимое значение сдвига фазы в требуемых пределах от 2,83 до 0,088 градусов с числом значений фаз от 6 до 16 в зависимости от шага изменения затухания ЦАт (3 или 1 дБ).
Получаемые значения фазовых сдвигов при шаге затухания в ЦАт в 1 дБ равны:
Согласно другому варианту заявленного изобретения, технический результат достигается тем, что в предлагаемом фазовращателе используются два многоразрядных фазовращателя, причем второй фазовращатель подключается последовательно с первым. При этом первый фазовращатель 11 (фиг. 10) обеспечивает управление фазами в диапазоне от 180 до 5,625 градусов с дискретами 5,625 градусов, а второй фазовращатель 13 обеспечивает переключаемые фиксированные значения фазы в диапазоне от 2,82 до 0,087 градусов.
Для обеспечения монотонности характеристики перестройки фазы с малыми дискретами, необходимо чтобы ошибки в установках фаз предыдущих дискретов не превышали половины последующих младших разрядов. Практически это требование для числа разрядов более 6 невыполнимо без применения мер цифровой корректировки ошибок управления.
Для этого в состав ВЫСОКОРАЗРЯДНОГО ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ СВЧ необходимо включить цифровой драйвер 15, обеспечивающий перекодировку требуемых значений фазового сдвига в коды, учитывающие неидеальность реальных дискретов фазовращателей 11 и 13. В качестве такого драйвера может использоваться ПЗУ 15 (фиг. 10), в который заносятся перекодировки сигналов требуемого фазового сдвига 16 в коды сигналов 17, учитывающие фазовые ошибки дискретов. Необходимые коды должны формироваться в процессе изготовления и калибровки высокоразрядного фазовращателя индивидуально для каждого образца.
Предлагаемые ФВ могут изготавливаться как в микрополосковом, так и в монолитном исполнении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 схематично представлен дискретный петлеобразный диодный СВЧ фазовращатель. 1-петля; 2-участки линии передачи; 3, 7, 10-диод; 4 и 5 - входной и выходной участки линии передачи; 11-короткозамкнутый шлейф.
На фиг. 2 представлен фазовращатель СВЧ. 1, 2 - линии входа/выхода СВЧ-сигнала; 3, 4 - полевые транзисторы с барьером Шотки; 5 - отрезок линии передачи; 6 - источник напряжения управляющего.
На фиг. 3 схематично представлен фазовращатель СВЧ. L1, L2 - индуктивности; С1, С2 - емкости; Т1, Т2 - транзисторы; Z0 - волновое сопротивление.
На фиг. 4 схематично представлен СВЧ-фазовращатель на основе полупроводниковой схемы. 2, 3 - входная и выходная микрополосковая линия; 4, 6, 7, 9 - полевые транзисторы с затвором Шотки; 5, 8 - фазосдвигающие элементы; 10 - резисторы.
1
2
На фиг. 5 представлен проходной дискретный полупроводниковый СВЧ-фазовращатель. 1 - основная линия передачи; 2, 2' - отрезки линии передачи; 3 - шлейф; D и D - управляющие элементы (диоды).
На фиг. 6 представлен широкополосный многоразрядный дискретный СВЧ-фазовращатель. 1 - фазосдвигающий элемент (ФСЭ); 2 - опорный элемент (ОЭ); 3, 4, 14 - первый, второй и третий конденсаторы ФСЭ; 5, 13 - первая и вторая индуктивности ФСЭ; 6, 7 - первый и второй pin-диоды ФСЭ; 8, 9 - первый и второй pin-диоды ОЭ; 10, 11 - первый и второй конденсаторы ОЭ; 12, 15, 16 - первая, вторая и третья индуктивности ОЭ.
Фиг. 7 поясняет принцип сложения ортогональных векторов (а) и структурную схему векторного ФВ (б).
На фиг. 8 показана схема СВЧ-фазовращателя.
На фиг. 9 показаны сдвиги фазы.
На фиг. 10 представлена схема СВЧ-фазовращателя.
Таким образом, предлагаемый высокоразрядный СВЧ-фазовращатель отличается от предшествующих вариантов исполнения тем, что в целях обеспечения изменения фазы 360 градусов с малым дискретом, в нем используется секция фазовращателя с малыми дискретами в пределах от единиц до сотых долей градуса путем изменения уровня ортогональной составляющей и секций фазовращателя с дискретами от 180 до 5,623 градуса с фазосдвигающими элементами. Это позволяет обеспечить весь диапазон изменения фазы в пределах 360-0,1 градуса.