eng
Рассмотрены твердотельные СВЧ-фазовращатели. Приведена информация о параметрах и особенностях фазовращателей нескольких типов (векторных, программируемых, аттенюаторов/фазовращателей), выпускаемых различными производителями.
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.162.2.78.90
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.162.2.78.90
Теги: frequency band insertion loss phase shift phase shifter вносимые потери диапазон частот фазовращатель фазовый сдвиг
ВЕКТОРНЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ[1]
Фазовращатели этого типа реализуются на векторных модуляторах (рис.23), обеспечивающих в общем случае изменение амплитуды и фазы подаваемого на них сигнала. В состав векторного модулятора входят квадратурный гибридный мост (КГМ), два бифазных модулятора (БМ), столько же управляемых аттенюаторов – Атт 1 и Атт 2 и синфазный сумматор мощности (ССМ).
В такой структуре входной сигнал делится в квадратурном гибридном мосте на два равных по мощности сигнала, сдвинутых на 90°. Эти сигналы подаются на бифазные модуляторы, на выходе которых обеспечивается требуемый фазовый сдвиг с точностью до квадранта.
Фазоинвариантные управляемые аттенюаторы формируют амплитуды синфазной UI = U sin Φ и квадратурной UQ = U cos Φ составляющих входного сигнала uвх(t) = 2 U sin ω t, обеспечивая тем самым фазовый сдвиг Φ на выходе ССМ в пределах первого квадранта. Управление фазами ФI и ФQ бифазных модуляторов позволяет расширить пределы возможного изменения фазы Φ до значений 0–360° (табл.6).
Диаграмма в полярных координатах (рис.24) поясняет процесс сдвига фаз входного сигнала на Φ1 и Φ2 градусов при использовании векторного модулятора в режиме фазовращателя. Уровень сигнала на выходе векторного модулятора в таком режиме поддерживается постоянным. В качестве управляющих элементов в векторном модуляторе могут использоваться, например, pin-диоды или полевые транзисторы. Векторные фазовращатели могут быть как аналоговыми, так и цифровыми (табл.7).
Рассмотрим пример аналогового отражательного векторного фазовращателя на трех ответвителях Ланге и сумматоре Вилкинсона (рис.25) [14]. Устройство управляется GaAs HEMT-транзисторами, обеспечивающими изменение характеристик отражающих нагрузок. Чип фазовращателя размером 2,0 Ч 1,2 мм2 обеспечивает в диапазоне частот 27–32 ГГц 360°-ный фазовый сдвиг при малом вносимом ослаблении IL = 5,0 ± 0,8 дБ и очень низком уровне потребляемой мощности.
Фазовращатели векторного типа в интегральном исполнении реализуются и на более высоких частотах. Так, 5-разрядный фазовращатель этого типа входит в каждый из восьми передающих и восьми приемных каналов 16-элементной фазированной антенной решетки в чип-исполнении по технологии SiGe [15]. В диапазоне частот 85–90 ГГц эти фазовращатели обеспечивают 5°-ную среднеквадратичную ошибку. Характер изменения фазового сдвига для каждого из возможных значений кода управления в расширенном диапазоне частот 70–95 ГГц представлен на рис.26а [15].
На еще больших частотах (220–320 ГГц) реализован активный векторный фазовращатель, в котором аттенюаторы заменены усилителями с регулируемым коэффициентом усиления, выполненными по технологии 250 нм InP DHBT [16]. Среднеквадратичные амплитудные и фазовые ошибки при всех кодах управления не превышают 1,2 дБ и 10,2° соответственно. Результаты измеренных и расчетных зависимостей вносимого фазового сдвига во всем частотном диапазоне для каждого из 15 кодов управления представлены на рис.26б [16].
Использование 130 нм КМОП-технологий и оригинальных схемотехнических решений, базирующихся на применении специальных операционных усилителей, позволило реализовать в кристалле площадью 0,3 мм2 6-разрядный векторный фазовращатель, предназначенный для работы в диапазоне частот 4,9–5,9 ГГц. При этом среднеквадратичные значения фазовой и амплитудной ошибки, рассчитанные по результатам измерений, составили на центральной частоте 5,4 ГГц соответственно 1,25° и 0,5 дБ [17].
АТТЕНЮАТОРЫ / ФАЗОВРАЩАТЕЛИ
Во многих существующих и перспективных изделиях требуется одновременно изменять амплитуды и фазы поступающих на них сигналов. Подобные устройства используются для формирования радиолучей, линеаризации мощных усилителей и в других схемах, где требуется амплитудно-фазовая коррекция. Для решения этой задачи могут быть использованы векторные модуляторы и последовательно включенные цифровые аттенюаторы и фазовращатели.
Структура векторных модуляторов позволяет использовать устройства не только в режиме фазовращателей, но и обеспечивать с их помощью дополнительно к изменению фазы регулировку амплитуды выходного сигнала, что иллюстрируется на рис.24 для сдвигов фазы Φ3 и Φ4. Основные производители векторных модуляторов – компании G. T. Microwave, Kratos и PMI (табл.8).
Управление в векторных модуляторах может быть как аналоговым, так и цифро-аналоговым, что иллюстрируется упрощенной структурной схемой на рис.27. Монотонный характер зависимости фазы и амплитуды выходного сигнала от управляющего напряжения позволяет обеспечивать цифровое управление посредством использования цифро-аналоговых преобразователей и линеаризирующих цепей. Ряд моделей (см. табл.8), производимых компаниями G. T. Microwave и Kratos, выпускаются в двух вариантах управления (аналоговое или цифровое).
В последние годы компания Analog Devices активно продвигает на рынок интегральные векторные модуляторы, в которых вместо пассивных управляемых аттенюаторов используются усилители с регулируемым усилением (табл.9). Активные векторные модуляторы чаще всего выполняются по КМОП-технологии, что обеспечивает их малые габариты и потенциально низкую стоимость.
Судя по научным публикациям, рабочий диапазон частот подобных устройств в ближайшие годы существенно расширится. Так, в одном из разработанных 360°-ных векторных модуляторов по 0,18 мкм КМОП-технологии [18] в диапазоне 15–20 ГГц удалось получить вносимое затухание 8 дБ, динамический диапазон 37 дБ и размеры чипа 0,95 Ч 0,76 мм. Напомним, что рабочий диапазон векторных фазовращателей уже достиг значений 220–320 ГГц [16].
Наряду с векторными модуляторами широко используются последовательно включенные управляемые цифровым кодом фазовращатели и аттенюаторы, входящие в состав приемо-передающих модулей АФАР (рис.28). Устройства обеспечивают требуемое фазовое и амплитудное распределения по всему раскрыву решетки. Мировые производители интегральных СВЧ-изделий для каждого диапазона частот выпускают широкую номенклатуру СВЧ-компонентов (цифровые аттенюаторы и фазовращатели, переключатели, малошумящие и мощные усилители). Только одна компания UMS предлагает потребителям семь чип-наборов (chipset) для L-, S-, C-, X-, Ku-, Ka- и 6–18 ГГц диапазонов частот.
В зависимости от задач, решаемых АФАР, количество приемо-передающих модулей в ней может меняться от единиц до сотен тысяч и миллионов. При большом количестве приемо-передающих модулей в АФАР первоочередное значение приобретают технологичность их изготовления, размеры, потребляемая мощность и стоимость. Это обстоятельство требует большей степени интеграции входящих в приемо-передающие модули компонентов. В примере на рис.28 часть приемо-передающего модуля реализована в интегральном исполнении в виде управляющего кристалла (core-chip). Поскольку процессы передачи и приема сигналов разнесены во времени, амплитудное и фазовое распределения по всему раскрыву решетки при передаче и приеме сигналов удается обеспечить с помощью одного цифрового фазовращателя и одного цифрового аттенюатора, а также нескольких усилителей и переключателей, входящих в управляющий кристалл. Прохождение сигнала от входа передатчика до его выхода и от входа приемника до его выхода на рис.28 показано красной и зеленой линиями соответственно. Характеристики некоторых управляющих кристаллов сведены в табл.10.
Характер изменения фазовых и амплитудных ошибок в зависимости от частоты для всех возможных значений кода управления по фазе (рис.29) в микросхеме CHC3014-99F позволяет оценить достигнутый на сегодняшний день научно-технический уровень. Зависимости усиления в приемном и передающем каналах микросхемы AMT2941031 от частоты (рис.30а, б) для трех значений температуры (–40, 25 и 85 °C) дают возможность сделать выводы о приемлемости их использования в практических приложениях.
Представляет также интерес зависимость среднего времени наработки до отказа (Mean time to failure, MTTF) от температуры окружающей среды для микросхемы XZ1002-BD (рис.31), полученная расчетным путем (эта зависимость практически одинакова при использовании устройства в передающем и приемном режимах). Из графика видно, что надежность при температурах 10 и 60 °C отличается на три порядка.
Важная характеристика управляющих кристаллов – время их реагирования на поступающие команды. Входящие в управляющий кристалл фазовращатели и аттенюаторы переключаются за несколько наносекунд. Однако введение управляющих цифровых интерфейсов, как было установлено специалистами компании "Ленинградские микроволны", увеличивает время переключения до нескольких десятков наносекунд.
Отметим, что во многих управляющих кристаллах вместо перестраиваемых аттенюаторов используются усилители с регулируемым усилением.
Одна из наиболее известных компаний, специализирующихся в области core-chip кристаллов, – Anokiwave. Ей удалось создать линейку таких устройств, функционирующих в диапазоне частот от 8,0–11,0 до 27,5–30,0 ГГц.
Особенность этих изделий в том, что в рамках одной микросхемы в корпусе PQFN размером 6 Ч 6 мм или 7 Ч 7 мм размещены от четырех до восьми управляющих кристаллов, работающих на четыре или восемь антенных элементов (АЭ) (табл.11). Две из этих микросхем (AWS‑0101, AWS‑0103) обеспечивают формирование одного луча в передающем и двух лучей в приемном режиме. Три микросхемы (AWS‑0104, AWS‑0105, AWS‑0108) формируют один луч в режимах приемо-передачи. Еще две – обеспечивают формирование одного луча в приемном (AWS‑0112) и передающем (AWS‑0113) режимах. Все изделия выполнены по кремниевой технологии и питаются от напряжения 1,8 В. Потребляемая мощность передатчиков и приемников не превышает 1,8 Вт. Изделия предназначены для радиолокационных применений и спутниковых систем связи.
Схемы, обеспечивающие одновременную регулировку амплитуды и фазы, могут быть также использованы при линеаризации мощных усилителей. Так, для упрощения процесса настройки мощных усилителей Дохерти, которые применяются в передатчиках базовых станций, работающих по протоколам GSM, W-CDMA, UMTS и LTE, компания Freescale Semiconductor разработала три специализированные микросхемы (табл.12) с разными рабочими диапазонами частот. Все они построены по одной структурной схеме (рис.32), включающей в себя квадратурный гибридный мост и управляемые кодами фазовращатели и аттенюаторы в каждом из двух каналов. В процессе настройки схемы управляются по SPI-интерфейсу.
Еще три микросхемы, предназначенные для настройки мощных усилителей в передатчиках, работающих по LTE-протоколу, выпустила компания Peregrine Semiconductor (см. табл.12). Отличие микросхем PE46120, PE46130 и PE46140 от изделий Freescale Semiconductor заключается в том, что управляемый аттенюатор в одном из каналов каждой микросхемы заменен фиксированным. В состав микросхем входят квадратурный гибридный мост, два 5-разрядных фазовращателя с диапазоном изменения фазы 87,2° и шагом перестройки 2,8°, один фиксированный (ослабление 0 дБ) и один перестраиваемый 4-разрядный цифровой аттенюатор с динамическим диапазоном 7,5 дБ и шагом перестройки 0,5 дБ. Частотный диапазон микросхем составляет 1,8–2,2, 2,3–2,7 или 3,4–3,8 ГГц. В результате использования этих микросхем удается повысить линейность, КПД, межпортовую развязку, увеличить до 35 дБм максимально допустимую входную мощность, повысить до 500–1 000 В стойкость к электростатическим воздействиям, расширить до –40…105 °C рабочий диапазон температур и до 2,3–5,5 В диапазон питающих напряжений, существенно поднять надежность и повторяемость характеристик линеаризованных усилителей. Итоговые зависимости вносимого ослабления от входа до второго выхода, а также зависимости фазовых сдвигов от входа до первого и второго выходов для микросхемы PE46140 представлены на рис.33а, б, в.
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ
Программируемые фазовращатели (ПФВ) – это совместимые (обычно по USB-интерфейсу) с компьютерами устройства, которые являются, по сути, измерительными приборами. В сочетании с другими программируемыми USB-изделиями (переключателями, аттенюаторами, усилителями, генераторами сигналов, векторными модуляторами, удвоителями частоты, измерителями мощности), выпускаемыми компаниями Pasternack, Vaunix, PMI, Telemakus, "Радиокомп" и др., они позволяют создавать измерительные исследовательские или учебные стенды, предназначенные для изучения проблем, связанных с устройствами формирования лучей, MIMO-системами, фазированными антенными решетками и многими другими задачами.
Программируемые фазовращатели (табл.13) могут быть реализованы с использованием цифровых и аналоговых фазовращателей. Например, ПФВ компании Pasternack (рис.34а) реализован по схеме на рис.15а с использованием цифрового 5-разрядного фазовращателя и аналогового фазовращателя отражательного типа. Это изделие обеспечивает фазовый сдвиг 360° с разрешением по фазе около 1,4° в диапазоне частот 32–37 ГГц. Время переключения фазовращателя не превышает 500 нс.
Семейство программируемых фазовращателей под торговой маркой Lab Brick (рис.34б), производимых компанией Vaunix, включает в себя четыре изделия, работающих в диапазонах частот 1–2, 2–4, 4–8 и 8–12 ГГц. Все фазовращатели обеспечивают максимальный фазовый сдвиг 360°, точность установки фазы составляет 1°.
Программируемые фазовращатели выпускает также компания Telemakus (рис.34в). Изделия этой фирмы доступны для диапазонов частот 1–2, 2–4, 4–8, 8–12 и 12–18 ГГц. Максимальный фазовый сдвиг в этих фазовращателях 380–460°. Точность поддержания фазы при 12-разрядном коде управления составляет 0,25°. Устройства реализуются на цифро-аналоговых фазовращателях, включающих в себя аналоговые фазовращатели отражающего типа, 12-разрядные цифро-аналоговые преобразователи и схемы линеаризации. Секции отражательных фазовращателей включаются последовательно. Поскольку в каждой из используемых секций максимальный фазовый набег составляет примерно 100–120°, для достижения максимального фазового сдвига нужны четыре секции. Зависимость фазового сдвига Φ от управляющего напряжения Uупр. в таком 4-секционном фазовращателе оказывается недостаточно линейной (рис.35а). С помощью индивидуального программного обеспечения (ПО), прилагаемого к каждому изделию, удается добиться строго линейного характера этой зависимости (рис.35б). Объем флеш-памяти составляет 0,5 Мб, что позволяет хранить не только программы линеаризации зависимости Φ(Uупр.), но и ПО Windows.
Отметим также, что одновременное изменение фазы и амплитуды входного сигнала может быть реализовано путем последовательного включения программируемых по USB фазовращателя и аттенюатора (рис.36).
Большой спрос на программируемые USB фазовращатели связан с их низкой стоимостью и высоким уровнем технических характеристик, предопределенных постоянным совершенствованием используемых в них интегральных микросхем.
Таким образом, сегодня на рынке представлен широкий спектр твердотельных СВЧ-фазовращателей разных типов. При этом сохраняется интерес как к модульным конструкциям твердотельных фазовращателей, разработанным в предыдущие годы, так и к интегральным изделиям, характеристики которых стремительно прогрессируют. С учетом приведенной в статье информации можно подобрать фазовращатели, оптимальные для решения различных задач.
ЛИТЕРАТУРА
14. Mengyi C., Yang L., Jiaxing W., et al. Ka-Band full‑360° analog phase shifter with low insertion loss // Journal of Semiconductors. 2014. Vol. 35. № 10. PP. 105005–1–105005–5.
15. Ku B.-H., Inac O., Chang M., et al. A High-Linearity 76–85 GHz 16-Element 8-Transmit/8-Receive Phase Array Chip with High Isolation and Flip-Chip Packaging. – IEEE Trans. MTT. 2014. Vol. 62. № 10. PP. 2337–2356.
16. Kim Y., Kim S., Lee I., et al. A 220–320 GHz Vector-Sum Phase Shifter Using Single Gilbert-Cell Structure with Lossy Output Matching. – IEEE Trans. MTT. 2015. Vol. 63. № 1. PP. 256–265.
17. Mohsenpour M.-M., Saavedra C. E. Variable 360° Vector-Sum Phase Shifter with Coarse and Fine Vector Scaling. – IEEE Trans. MTT. 2016. Vol. 64. № 7. PP. 2113–2120.
18. Wu P.-S., Chang H.-Y., Tsai M.-D., et al. New Miniature 15–20 GHz Continuous–Phase/Amplitude Control MMICs Using 0.18-µm CMOS Technology. – IEEE Trans. MTT. 2006. Vol. 54. № 1. PP. 10–1
Фазовращатели этого типа реализуются на векторных модуляторах (рис.23), обеспечивающих в общем случае изменение амплитуды и фазы подаваемого на них сигнала. В состав векторного модулятора входят квадратурный гибридный мост (КГМ), два бифазных модулятора (БМ), столько же управляемых аттенюаторов – Атт 1 и Атт 2 и синфазный сумматор мощности (ССМ).
В такой структуре входной сигнал делится в квадратурном гибридном мосте на два равных по мощности сигнала, сдвинутых на 90°. Эти сигналы подаются на бифазные модуляторы, на выходе которых обеспечивается требуемый фазовый сдвиг с точностью до квадранта.
Фазоинвариантные управляемые аттенюаторы формируют амплитуды синфазной UI = U sin Φ и квадратурной UQ = U cos Φ составляющих входного сигнала uвх(t) = 2 U sin ω t, обеспечивая тем самым фазовый сдвиг Φ на выходе ССМ в пределах первого квадранта. Управление фазами ФI и ФQ бифазных модуляторов позволяет расширить пределы возможного изменения фазы Φ до значений 0–360° (табл.6).
Диаграмма в полярных координатах (рис.24) поясняет процесс сдвига фаз входного сигнала на Φ1 и Φ2 градусов при использовании векторного модулятора в режиме фазовращателя. Уровень сигнала на выходе векторного модулятора в таком режиме поддерживается постоянным. В качестве управляющих элементов в векторном модуляторе могут использоваться, например, pin-диоды или полевые транзисторы. Векторные фазовращатели могут быть как аналоговыми, так и цифровыми (табл.7).
Рассмотрим пример аналогового отражательного векторного фазовращателя на трех ответвителях Ланге и сумматоре Вилкинсона (рис.25) [14]. Устройство управляется GaAs HEMT-транзисторами, обеспечивающими изменение характеристик отражающих нагрузок. Чип фазовращателя размером 2,0 Ч 1,2 мм2 обеспечивает в диапазоне частот 27–32 ГГц 360°-ный фазовый сдвиг при малом вносимом ослаблении IL = 5,0 ± 0,8 дБ и очень низком уровне потребляемой мощности.
Фазовращатели векторного типа в интегральном исполнении реализуются и на более высоких частотах. Так, 5-разрядный фазовращатель этого типа входит в каждый из восьми передающих и восьми приемных каналов 16-элементной фазированной антенной решетки в чип-исполнении по технологии SiGe [15]. В диапазоне частот 85–90 ГГц эти фазовращатели обеспечивают 5°-ную среднеквадратичную ошибку. Характер изменения фазового сдвига для каждого из возможных значений кода управления в расширенном диапазоне частот 70–95 ГГц представлен на рис.26а [15].
На еще больших частотах (220–320 ГГц) реализован активный векторный фазовращатель, в котором аттенюаторы заменены усилителями с регулируемым коэффициентом усиления, выполненными по технологии 250 нм InP DHBT [16]. Среднеквадратичные амплитудные и фазовые ошибки при всех кодах управления не превышают 1,2 дБ и 10,2° соответственно. Результаты измеренных и расчетных зависимостей вносимого фазового сдвига во всем частотном диапазоне для каждого из 15 кодов управления представлены на рис.26б [16].
Использование 130 нм КМОП-технологий и оригинальных схемотехнических решений, базирующихся на применении специальных операционных усилителей, позволило реализовать в кристалле площадью 0,3 мм2 6-разрядный векторный фазовращатель, предназначенный для работы в диапазоне частот 4,9–5,9 ГГц. При этом среднеквадратичные значения фазовой и амплитудной ошибки, рассчитанные по результатам измерений, составили на центральной частоте 5,4 ГГц соответственно 1,25° и 0,5 дБ [17].
АТТЕНЮАТОРЫ / ФАЗОВРАЩАТЕЛИ
Во многих существующих и перспективных изделиях требуется одновременно изменять амплитуды и фазы поступающих на них сигналов. Подобные устройства используются для формирования радиолучей, линеаризации мощных усилителей и в других схемах, где требуется амплитудно-фазовая коррекция. Для решения этой задачи могут быть использованы векторные модуляторы и последовательно включенные цифровые аттенюаторы и фазовращатели.
Структура векторных модуляторов позволяет использовать устройства не только в режиме фазовращателей, но и обеспечивать с их помощью дополнительно к изменению фазы регулировку амплитуды выходного сигнала, что иллюстрируется на рис.24 для сдвигов фазы Φ3 и Φ4. Основные производители векторных модуляторов – компании G. T. Microwave, Kratos и PMI (табл.8).
Управление в векторных модуляторах может быть как аналоговым, так и цифро-аналоговым, что иллюстрируется упрощенной структурной схемой на рис.27. Монотонный характер зависимости фазы и амплитуды выходного сигнала от управляющего напряжения позволяет обеспечивать цифровое управление посредством использования цифро-аналоговых преобразователей и линеаризирующих цепей. Ряд моделей (см. табл.8), производимых компаниями G. T. Microwave и Kratos, выпускаются в двух вариантах управления (аналоговое или цифровое).
В последние годы компания Analog Devices активно продвигает на рынок интегральные векторные модуляторы, в которых вместо пассивных управляемых аттенюаторов используются усилители с регулируемым усилением (табл.9). Активные векторные модуляторы чаще всего выполняются по КМОП-технологии, что обеспечивает их малые габариты и потенциально низкую стоимость.
Судя по научным публикациям, рабочий диапазон частот подобных устройств в ближайшие годы существенно расширится. Так, в одном из разработанных 360°-ных векторных модуляторов по 0,18 мкм КМОП-технологии [18] в диапазоне 15–20 ГГц удалось получить вносимое затухание 8 дБ, динамический диапазон 37 дБ и размеры чипа 0,95 Ч 0,76 мм. Напомним, что рабочий диапазон векторных фазовращателей уже достиг значений 220–320 ГГц [16].
Наряду с векторными модуляторами широко используются последовательно включенные управляемые цифровым кодом фазовращатели и аттенюаторы, входящие в состав приемо-передающих модулей АФАР (рис.28). Устройства обеспечивают требуемое фазовое и амплитудное распределения по всему раскрыву решетки. Мировые производители интегральных СВЧ-изделий для каждого диапазона частот выпускают широкую номенклатуру СВЧ-компонентов (цифровые аттенюаторы и фазовращатели, переключатели, малошумящие и мощные усилители). Только одна компания UMS предлагает потребителям семь чип-наборов (chipset) для L-, S-, C-, X-, Ku-, Ka- и 6–18 ГГц диапазонов частот.
В зависимости от задач, решаемых АФАР, количество приемо-передающих модулей в ней может меняться от единиц до сотен тысяч и миллионов. При большом количестве приемо-передающих модулей в АФАР первоочередное значение приобретают технологичность их изготовления, размеры, потребляемая мощность и стоимость. Это обстоятельство требует большей степени интеграции входящих в приемо-передающие модули компонентов. В примере на рис.28 часть приемо-передающего модуля реализована в интегральном исполнении в виде управляющего кристалла (core-chip). Поскольку процессы передачи и приема сигналов разнесены во времени, амплитудное и фазовое распределения по всему раскрыву решетки при передаче и приеме сигналов удается обеспечить с помощью одного цифрового фазовращателя и одного цифрового аттенюатора, а также нескольких усилителей и переключателей, входящих в управляющий кристалл. Прохождение сигнала от входа передатчика до его выхода и от входа приемника до его выхода на рис.28 показано красной и зеленой линиями соответственно. Характеристики некоторых управляющих кристаллов сведены в табл.10.
Характер изменения фазовых и амплитудных ошибок в зависимости от частоты для всех возможных значений кода управления по фазе (рис.29) в микросхеме CHC3014-99F позволяет оценить достигнутый на сегодняшний день научно-технический уровень. Зависимости усиления в приемном и передающем каналах микросхемы AMT2941031 от частоты (рис.30а, б) для трех значений температуры (–40, 25 и 85 °C) дают возможность сделать выводы о приемлемости их использования в практических приложениях.
Представляет также интерес зависимость среднего времени наработки до отказа (Mean time to failure, MTTF) от температуры окружающей среды для микросхемы XZ1002-BD (рис.31), полученная расчетным путем (эта зависимость практически одинакова при использовании устройства в передающем и приемном режимах). Из графика видно, что надежность при температурах 10 и 60 °C отличается на три порядка.
Важная характеристика управляющих кристаллов – время их реагирования на поступающие команды. Входящие в управляющий кристалл фазовращатели и аттенюаторы переключаются за несколько наносекунд. Однако введение управляющих цифровых интерфейсов, как было установлено специалистами компании "Ленинградские микроволны", увеличивает время переключения до нескольких десятков наносекунд.
Отметим, что во многих управляющих кристаллах вместо перестраиваемых аттенюаторов используются усилители с регулируемым усилением.
Одна из наиболее известных компаний, специализирующихся в области core-chip кристаллов, – Anokiwave. Ей удалось создать линейку таких устройств, функционирующих в диапазоне частот от 8,0–11,0 до 27,5–30,0 ГГц.
Особенность этих изделий в том, что в рамках одной микросхемы в корпусе PQFN размером 6 Ч 6 мм или 7 Ч 7 мм размещены от четырех до восьми управляющих кристаллов, работающих на четыре или восемь антенных элементов (АЭ) (табл.11). Две из этих микросхем (AWS‑0101, AWS‑0103) обеспечивают формирование одного луча в передающем и двух лучей в приемном режиме. Три микросхемы (AWS‑0104, AWS‑0105, AWS‑0108) формируют один луч в режимах приемо-передачи. Еще две – обеспечивают формирование одного луча в приемном (AWS‑0112) и передающем (AWS‑0113) режимах. Все изделия выполнены по кремниевой технологии и питаются от напряжения 1,8 В. Потребляемая мощность передатчиков и приемников не превышает 1,8 Вт. Изделия предназначены для радиолокационных применений и спутниковых систем связи.
Схемы, обеспечивающие одновременную регулировку амплитуды и фазы, могут быть также использованы при линеаризации мощных усилителей. Так, для упрощения процесса настройки мощных усилителей Дохерти, которые применяются в передатчиках базовых станций, работающих по протоколам GSM, W-CDMA, UMTS и LTE, компания Freescale Semiconductor разработала три специализированные микросхемы (табл.12) с разными рабочими диапазонами частот. Все они построены по одной структурной схеме (рис.32), включающей в себя квадратурный гибридный мост и управляемые кодами фазовращатели и аттенюаторы в каждом из двух каналов. В процессе настройки схемы управляются по SPI-интерфейсу.
Еще три микросхемы, предназначенные для настройки мощных усилителей в передатчиках, работающих по LTE-протоколу, выпустила компания Peregrine Semiconductor (см. табл.12). Отличие микросхем PE46120, PE46130 и PE46140 от изделий Freescale Semiconductor заключается в том, что управляемый аттенюатор в одном из каналов каждой микросхемы заменен фиксированным. В состав микросхем входят квадратурный гибридный мост, два 5-разрядных фазовращателя с диапазоном изменения фазы 87,2° и шагом перестройки 2,8°, один фиксированный (ослабление 0 дБ) и один перестраиваемый 4-разрядный цифровой аттенюатор с динамическим диапазоном 7,5 дБ и шагом перестройки 0,5 дБ. Частотный диапазон микросхем составляет 1,8–2,2, 2,3–2,7 или 3,4–3,8 ГГц. В результате использования этих микросхем удается повысить линейность, КПД, межпортовую развязку, увеличить до 35 дБм максимально допустимую входную мощность, повысить до 500–1 000 В стойкость к электростатическим воздействиям, расширить до –40…105 °C рабочий диапазон температур и до 2,3–5,5 В диапазон питающих напряжений, существенно поднять надежность и повторяемость характеристик линеаризованных усилителей. Итоговые зависимости вносимого ослабления от входа до второго выхода, а также зависимости фазовых сдвигов от входа до первого и второго выходов для микросхемы PE46140 представлены на рис.33а, б, в.
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛИ
Программируемые фазовращатели (ПФВ) – это совместимые (обычно по USB-интерфейсу) с компьютерами устройства, которые являются, по сути, измерительными приборами. В сочетании с другими программируемыми USB-изделиями (переключателями, аттенюаторами, усилителями, генераторами сигналов, векторными модуляторами, удвоителями частоты, измерителями мощности), выпускаемыми компаниями Pasternack, Vaunix, PMI, Telemakus, "Радиокомп" и др., они позволяют создавать измерительные исследовательские или учебные стенды, предназначенные для изучения проблем, связанных с устройствами формирования лучей, MIMO-системами, фазированными антенными решетками и многими другими задачами.
Программируемые фазовращатели (табл.13) могут быть реализованы с использованием цифровых и аналоговых фазовращателей. Например, ПФВ компании Pasternack (рис.34а) реализован по схеме на рис.15а с использованием цифрового 5-разрядного фазовращателя и аналогового фазовращателя отражательного типа. Это изделие обеспечивает фазовый сдвиг 360° с разрешением по фазе около 1,4° в диапазоне частот 32–37 ГГц. Время переключения фазовращателя не превышает 500 нс.
Семейство программируемых фазовращателей под торговой маркой Lab Brick (рис.34б), производимых компанией Vaunix, включает в себя четыре изделия, работающих в диапазонах частот 1–2, 2–4, 4–8 и 8–12 ГГц. Все фазовращатели обеспечивают максимальный фазовый сдвиг 360°, точность установки фазы составляет 1°.
Программируемые фазовращатели выпускает также компания Telemakus (рис.34в). Изделия этой фирмы доступны для диапазонов частот 1–2, 2–4, 4–8, 8–12 и 12–18 ГГц. Максимальный фазовый сдвиг в этих фазовращателях 380–460°. Точность поддержания фазы при 12-разрядном коде управления составляет 0,25°. Устройства реализуются на цифро-аналоговых фазовращателях, включающих в себя аналоговые фазовращатели отражающего типа, 12-разрядные цифро-аналоговые преобразователи и схемы линеаризации. Секции отражательных фазовращателей включаются последовательно. Поскольку в каждой из используемых секций максимальный фазовый набег составляет примерно 100–120°, для достижения максимального фазового сдвига нужны четыре секции. Зависимость фазового сдвига Φ от управляющего напряжения Uупр. в таком 4-секционном фазовращателе оказывается недостаточно линейной (рис.35а). С помощью индивидуального программного обеспечения (ПО), прилагаемого к каждому изделию, удается добиться строго линейного характера этой зависимости (рис.35б). Объем флеш-памяти составляет 0,5 Мб, что позволяет хранить не только программы линеаризации зависимости Φ(Uупр.), но и ПО Windows.
Отметим также, что одновременное изменение фазы и амплитуды входного сигнала может быть реализовано путем последовательного включения программируемых по USB фазовращателя и аттенюатора (рис.36).
Большой спрос на программируемые USB фазовращатели связан с их низкой стоимостью и высоким уровнем технических характеристик, предопределенных постоянным совершенствованием используемых в них интегральных микросхем.
Таким образом, сегодня на рынке представлен широкий спектр твердотельных СВЧ-фазовращателей разных типов. При этом сохраняется интерес как к модульным конструкциям твердотельных фазовращателей, разработанным в предыдущие годы, так и к интегральным изделиям, характеристики которых стремительно прогрессируют. С учетом приведенной в статье информации можно подобрать фазовращатели, оптимальные для решения различных задач.
ЛИТЕРАТУРА
14. Mengyi C., Yang L., Jiaxing W., et al. Ka-Band full‑360° analog phase shifter with low insertion loss // Journal of Semiconductors. 2014. Vol. 35. № 10. PP. 105005–1–105005–5.
15. Ku B.-H., Inac O., Chang M., et al. A High-Linearity 76–85 GHz 16-Element 8-Transmit/8-Receive Phase Array Chip with High Isolation and Flip-Chip Packaging. – IEEE Trans. MTT. 2014. Vol. 62. № 10. PP. 2337–2356.
16. Kim Y., Kim S., Lee I., et al. A 220–320 GHz Vector-Sum Phase Shifter Using Single Gilbert-Cell Structure with Lossy Output Matching. – IEEE Trans. MTT. 2015. Vol. 63. № 1. PP. 256–265.
17. Mohsenpour M.-M., Saavedra C. E. Variable 360° Vector-Sum Phase Shifter with Coarse and Fine Vector Scaling. – IEEE Trans. MTT. 2016. Vol. 64. № 7. PP. 2113–2120.
18. Wu P.-S., Chang H.-Y., Tsai M.-D., et al. New Miniature 15–20 GHz Continuous–Phase/Amplitude Control MMICs Using 0.18-µm CMOS Technology. – IEEE Trans. MTT. 2006. Vol. 54. № 1. PP. 10–1
Отзывы читателей
