Методика проектирования микрополоскового диодного аттенюатора Ка-диапазона

УДК 621.376.2:621.3.091

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПОЛОСКОВОГО ДИОДНОГО АТТЕНЮАТОРА КА-ДИАПАЗОНА

Г.В. Крупин, С.Г. Смирнов, Е.В. Манаенков

Приведён метод проектирования микрополоскового аттенюатора в Ка диапазоне с применением программы электромагнитного моделирования HFSS. Приведены результаты разработки электронноуправляемых аттенюаторов в микрополосковом исполнении. Особенностями аттенюатора являются полностью микрополосковое исполнение, минимально возможные габаритные размеры, высокое быстродействие.

Ключевые слова: pin-диод, аттенюатор, Ка-диапазон, HFSS, микрополосковая

линия.

Часто в радиотехнических устройствах требуется иметь возможность управления уровнем сигнала. В различных областях применения это преследует свои цели:

- в радиоприёмных устройствах - для расширения динамического диапазона принимаемого сигнала;

- в измерительной и усилительной аппаратуре - для обеспечения необходимого уровня сигнала на выходе устройства;

- в управляющих устройства - для создания модулированных СВЧ сигналов.

Все эти различные по требованиям параметры можно получить с помощью управляемого аттенюатора на pin-диодах [2 - 4].

В Ка-диапазоне управляемые аттенюаторы выполняются, в основном, в виде волноводного устройства. Аттенюатор, выполненный в виде волноводного устройства, обладает низкой технологичностью, низкими массогабаритными характеристиками, что приводит к увеличению его стоимости [1].

Устранить эти недостатки предлагается с помощью построения аттенюатора на микрополосковых линиях. До настоящего времени аттенюаторы Ка-диапазона в микрополосковом исполнении не создавались, поэтому для обеспечения возможности построения подобного аттенюатора авторами предложена методика проектирования.

К управляемым аттенюаторам обычно в зависимости от назначения предъявляются следующие требования:

- затухание: в режиме пропускания < 0,5...2,5 дБ, в режиме запирания (заграждения) > 20 дБ;

- КСВН в режиме пропускания - < 1,1.1,5;

- время переключения - не более 15 нс;

- максимальный уровень СВЧ-мощности (обычно не более десятков милливатт).

При проектировании устройства можно выделить следующие проблемы: выбор конструкции устройства, согласование схемы для обеспечения заданных электрических параметров, выбор адекватной модели реального pin-диода, построение схемы подачи питания на управляющий элемент.

Данные вопросы будут последовательно решаться на схемотехническом и электродинамическом уровнях.

Аттенюаторы в полосковом исполнении строятся по схемам последовательного или параллельного включения pin-диода в линию. В сантиметровом и миллиметровом диапазонах обычно используется параллельная схема (рис. 1), обеспечивающая лучшие параметры.

Включение pin-диода VD1 в микрополосковую линию производится с помощью четвертьволнового шлейфа WL1, а подключение его второго вывода по высокой частоте к «земле» осуществляется четвертьволновым замкнутым шлейфом WL2 (рис. 1). Через токоограничивающий резистор R1 и фильтр нижних частот подаётся управляющее напряжение ТТЛ уровня.

Для нормальной работы схемы все её элементы должны быть согласованы. В Ка-диапазоне относительно велик уровень паразитных реактив-ностей, что затрудняет проведение согласования расчётным методом. В этих условиях целесообразно провести согласование с использованием программы электромагнитного моделирования HFSS. Все этапы моделирования проводятся в заданном диапазоне частот.

Методика согласования и настройки конструкции включает следующие этапы.

1. Моделирование характеристик Т-образного разветвления микро-полосковой линии c шлейфом WL1 и устанавливается физическая длина WL1, соответствующая фазовому сдвигу п/2. Производится согласование Т-образного разветвления (КСВН<1,05).

2. Моделирование конструкция каскада аттенюатора с pin-диодом и заземляющим шлейфом WL2 в заданном диапазоне частот. собой управляемый элемент схемы, параметры которого изменяются в зависимости от приложенного к его выводам управляющего напряжения. Для возможности проведения моделирования целесообразно воспользоваться эквивалентными схемами pin-диода [4] в режимах пропускании и запирания (значения параметров схем замещения приводятся в описаниях на pin-диод).

В программе электродинамического моделирования HFSS имеется функция Lumped RLC, с помощью которой можно задать какому-либо исследуемому объёму значения активного сопротивления, индуктивности и ёмкости и характеристики pin-диода заменяются параметрами его эквивалентной схемы в открытом и закрытом состояниях [5]. Применяя эту воз-

можность, моделируются схемы с диодом в режиме пропускания (затухание < 0,8 дБ, КСВН <1,1) и в режиме запирания (максимальное затухание по диапазону 17,5 дБ).

3. Поскольку требуемые параметры по затуханию в закрытом состоянии не выполняются, необходимо увеличение количества применяемых диодов. Конструкция 2-го каскада с рт-диод ом аналогична конструкции 1-го каскада. Расстояние между каскадами должно быть приблизительно равно четверти длины волны. Моделируется конструкция с двумя рт-диодами (КСВН не более 1,4, затухание в режиме пропускания не более 2,5 дБ, в режиме запирания не менее 30 дБ).

4. Моделируется полная схема аттенюатора со схемой подачи питания с фильтром нижних частот (рис. 2). Развязка по СВЧ-сигналу в заданном диапазоне частот не менее 55 дБ.

Вход

а

ФНЧ

L I 4 1

WL1

V01

WL2

Выход

Рис. 1. Электрическая схема каскада микрополоскового аттенюатора

4

П

1 1

Рис. 2. Полная конструкция двухкаскадного диодного аттенюатора с цепями управления

На рис. 3 приведены характеристики разработанного диодного аттенюатора, выполненного с использованием характеристик диода. В качестве подложки использован материал Rogers R04003 (tm) толщиной 0,203

КСВН модели аттенюатора - не более 2,5 (рис. 3, а), затухание в закрытом режиме - не более 2,5 дБ (рис. 3, б), в открытом режиме - не менее 20 дБ (рис. 3, в). При этом развязка по питанию имеет уровень не менее 40 дБ.

Полученные результаты моделирования были подтверждены при непосредственном измерении характеристик аттенюатора с помощью векторного анализатора цепей. Можно видеть (рис. 4, а - в), что результаты моделирования и результаты измерений расходятся не более, чем на 30 процентов. Это хороший результат для моделирования СВЧ-устройств, содержащие активные элементы.

а

б

в

Рис. 3. Характеристики диодного аттенюатора: а - КСВН в открытом состоянии; б - затухание в режиме пропускания и запирания

--—--------^ЯЯ&Ыяу.

______I да?

¡Йг

--ЧЗ»УЯ|0{Л1)

- - У4>у1№х|21

а

б

Н?£><МЖ1

- «ПЗДВДМ«»

в

Рис. 4. Измеренные характеристики диодного аттенюатора: а - КСВН в открытом состоянии; б - затухание в режиме пропускания и запирания

Предложенная методика проектирования аттенюатора, основанная на задании объёму рт-диода значений активного сопротивления, индуктивности и ёмкости его эквивалентной схемы в открытом и закрытом состояниях, позволила с достаточной точностью произвести проектирова-

199

ние управляемых СВЧ-устройств и добиться результатов, очень близких к реальным параметрам аттенюатора. Использование предложенного метода позволяет существенно сократить время от начала разработки до внедрения устройства в производство.

Список литературы

1. Бушминский И.П. Изготовление элементов конструкции СВЧ. Волноводы и волноводные устройства. М.: Высшая школа, 1974. 304 с.

2. Дзехцер Г.Б., Орлов О. С. P-I-N-диоды в широкополосных устройствах СВЧ. М.: Сов. радио, 1970. 200 с.

3. Микроэлектронные устройства СВЧ: учеб. пособие для радио-техн. спец. вузов/ Г.И. Веселов [и др.]; под ред. Г.И. Веселова. М.: Высшая школа, 1988. 280 с.

4. Гусятинер М.С., Горбачёв А.И. Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды. М.: Радио и связь, 1983. 224 с.

5. Банков С.Е., Курушин А. А. Проектирование СВЧ-устройств и антенн с AnsoftHFSS. М., 2009. 736 с.

Крупин Георгий Викторович, инженер, ivts. tsu. tula. ruaramhler. ru, Россия, Тула, ОА «ЦКБА»,

Смирнов Семён Геннадьевич, нач. сектора, ivts. tsu. tula. rua ramhler. ru, Россия, Тула, ОА «ЦКБА»,

Манаенков Евгений Васильевич, нач. отдела, ivts. tsu. tula.rua ramhler.ru, Россия, Тула, ОА «ЦКБА»

THE DESIGN METHOD OF MICROSTRIP DIODE ATTENUATOR KA BAND

The article gives a method of designing a microstrip attenuator in the Ka hand using electromagnetic simulation software HFSS. Pref-Dena rezultaty developing electronically controlled attenuators in microstrip PTO performance. The features are fully microstrip attenuator performance minimalno possihle dimensions, high performance.

Key words: pin-diode attenuator, the Ka hand, the HFSS, microstrip line.

Krupin George Viktorovich, engineer, ivts. tsu. tula. ruaramhler. ru, Russia, Tula, Joint-Stock Company "Central Design of Apparatus Engineering",

Smirnov Simon Gennadievich, head of sector, ivts. tsu. tula. ruaramhler. ru, Russia, Tula, "Joint-Stock Company "Central Design of Apparatus Engineering",

Manaenkov Eugene Vasilevich, head of department, ivts. tsu. tula. ruaramhler. ru, Russia, Tula, Joint-Stock Company "Central Design of Apparatus Engineering"