eng
Выпуск #6/2023
В. Муравьев, А. Зарезин, А. Титенко, В. Бобова, М. Синогин, И. Кукушкин, C. Заостровных
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МОДУЛИ РАСШИРЕНИЯ 50–75 ГГЦ И 75–110 ГГЦ ДЛЯ ВЕКТОРНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МОДУЛИ РАСШИРЕНИЯ 50–75 ГГЦ И 75–110 ГГЦ ДЛЯ ВЕКТОРНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ
Просмотры: 666
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.227.6.110.114
Разработаны и изготовлены модули расширения частотного диапазона 50-75 ГГц и 75-110 ГГц для векторных анализаторов цепей. Модули расширения совместимы как с отечественными векторными анализаторами цепей ПЛАНАР, так и с зарубежными от Rohde&Schwartz и Keysight.
Ключевые слова: конверторные модули, выходная мощность, динамический диапазон, векторные анализаторы цепей
Разработаны и изготовлены модули расширения частотного диапазона 50-75 ГГц и 75-110 ГГц для векторных анализаторов цепей. Модули расширения совместимы как с отечественными векторными анализаторами цепей ПЛАНАР, так и с зарубежными от Rohde&Schwartz и Keysight.
Ключевые слова: конверторные модули, выходная мощность, динамический диапазон, векторные анализаторы цепей
Отечественные модули
расширения 50–75 ГГц и 75–110 ГГц
для векторных анализаторов цепей
В. Муравьев д. ф.‑м. н.1, А. Зарезин 1, А. Титенко 2, В. Бобова 2,
М. Синогин 3, И. Кукушкин д. ф.‑м. н., акад. РАН 1, C. Заостровных 3
Разработаны и изготовлены модули расширения частотного диапазона 50–75 ГГц и 75–110 ГГц для векторных анализаторов цепей. Исследование характеристик приборов показало, что модуль 50–75 ГГц имеет типичную выходную мощность 13 дБм и рабочий динамический диапазон 135 дБ. Конверторный модуль 75–110 ГГц демонстрирует типичную выходную мощность 10 дБм и динамический диапазон 135 дБ. Разработанные модули расширения совместимы как с отечественными векторными анализаторами цепей ПЛАНАР, так и с зарубежными от Rohde & Schwarz и Keysight.
Освоение отечественного производства электроники субтерагерцового частотного диапазона (0,1–1 ТГц) в настоящий момент является одной из важнейших государственных задач. Успешное решение этой сложной задачи приведет к прорыву во многих отраслях гражданской и оборонной промышленности. Именно поэтому последнее время повсеместно ведутся работы по разработке новых приборов и методик измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств [1–3]. При этом следует отметить, что в России с производством аппаратуры субтерагерцового/терагерцового частотного диапазона есть серьезные проблемы [4]. В настоящее время отечественные векторные анализаторы цепей (ВАЦ) (АО «НПФ «Микран» [5] и ООО «ПЛАНАР» [6]) покрывают частотный диапазон до 44 ГГц, а с модулями расширения частоты – до 54 ГГц. Частотный диапазон выше 54 ГГц в России в смысле метрологических средств остается слабо освоенным, а поставки зарубежной аппаратуры находятся под строжайшим запретом и контролем зарубежных правительств. Имеющееся западное оборудование в перспективе следующих 10 лет будет выходить из строя без возможности ремонта, поскольку сервисные центры международных компаний Rohde & Schwarz и Keysight (Agilent) расформированы.
Поэтому встает острая необходимость разработки отечественных субтерагерцовых метрических средств, а также узлов этих устройств для ремонта западной техники.
Схема конверторных модулей
При разработке макетов конверторных модулей была использована схема прибора, показанная на рис. 1. Сигнал низкой частоты с RF-порта модуля поступал на вход активного умножителя частоты. Для накачки модуля 50–75 ГГц использовался СВЧ-сигнал с частотой 12,5–18,75 ГГц. Соответствующий коэффициент умножения составлял ×4. Для накачки модуля 75–110 ГГц использовался СВЧ-сигнал с частотой 12,5–18,33 ГГц с коэффициентом умножения ×6.
Далее высокочастотный сигнал проходил через аттенюатор и фарадеевский изолятор, после чего поступал на вход двунаправленного ответвителя. При прямом прохождении высокочастотного сигнала –23 дБ мощности ответвлялось в референсный канал R (reference). Электромагнитная волна, отраженная от выходного порта ответвителя, делилась с тем же коэффициентом –23 дБ в измерительный канал M (measure). В каждом из каналов R и M стоял фарадеевский изолятор, после которого подключался двойной балансный смеситель. Гетеродинный вход смесителя накачивался низкочастотным сигналом с выхода LO векторного анализатора цепей через активный умножительный модуль, коэффициент умножения которого составлял ×4 для модуля 50–75 ГГц и ×6 для модуля 75–110 ГГц. Выходной сигнал промежуточной частоты (ПЧ) с каждого из балансных смесителей усиливался малошумящим усилителем (коэффициент шума 0,9 дБ) и поступал на вход векторного анализатора цепей.
Функциональные особенности узлов устройства
При создании макетов приборов был «с нуля» отработан целый ряд уникальных технологий, которые позволили добиться высоких технических характеристик измерительной схемы. Во-первых, в измерительных каналах R и M была использована пара балансных смесителей. Применение балансных смесителей позволило добиться значительной однородности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Однородность АЧХ на выходах R и M прибора составляла в пределах 3,5 дБ для модуля 50–75 ГГц и 5 дБ для модуля 75–110 ГГц. В большинстве иностранных модулей расширения используются гармонические смесители, которые работают на 8 и выше гармонике. Это приводит к типичной неоднородности АЧХ в 15 дБ, а в некоторых случаях и до 30 дБ.
Для лучших характеристик согласования измерительного тракта, а также для уменьшения влияния узлов модуля расширения друг на друга, смесители и умножитель сигнала RF подключены к направленному ответвителю через фарадеевские изоляторы. Такое решение значительно повышает качество модуля расширения радиочастотного диапазона как измерительной системы: режим работы выходных каскадов умножителя перестает быть зависимым от согласования с испытуемым устройством. Кроме этого, изоляторы на входе смесителей препятствуют просачиванию сигналов гетеродина в измерительный тракт.
Команда проекта отработала изготовление фарадеевских изоляторов с использованием ферритов производства НИИ «Феррит-Домен» и сапфировых игл. Использование именно монокристаллических сапфировых игл позволило существенно снизить потери. Так в частотном диапазоне 50–75 ГГц на лучших образцах изоляторов удавалось получить потери –0,7 дБ, а в диапазоне 75–110 ГГц – потери –1,0 дБ. При этом развязка составляла не менее 30 дБ.
Отдельно стоит упомянуть, что в разработанных приборах перестройка мощности осуществляется посредством широкополосных электрически управляемых аттенюаторов на базе кремниевых p-i-n-диодов. В качестве активного элемента аттенюатора использовался полупроводниковый диод с n-i-p-i-n-структурой, что позволило создать аттенюатор с относительной полосой частот до 40%. За счет поглощения в диоде СВЧ-мощности в режиме инжекции аттенюаторы имеют малый коэффициент отражения. КСВН аттенюаторов в диапазоне ослаблений до 40 дБ не превышает 4. Управление и питание модуля расширения частотного диапазона осуществляется через кабель, подключенный к панели анализатора цепей, что позволяет управлять ослаблением аттенюатора через программу управления ВАЦ.
При производстве активных умножительных модулей использовались монолитные интегральные схемы (МИС) производства Китайской Народной Республики и отечественные – от АО «Микроволновые системы». Чипы собирались в волноводные корпуса. Волноводно-микрополосковые переходы изготавливались на материале FSD с толщиной 127 мкм и диэлектрической проницаемостью 2,2. Волноводные корпуса производились на станке с числовым программным управлением (ЧПУ). Проектные нормы при производстве корпусов составляли 10 мкм.
Характеристики конверторных модулей
На рис. 3 представлена зависимость выходной мощности модуля от частоты для макета расширительного модуля 75–110 ГГц. Измерения проводились с использованием болометрического измерителя мощности VDI Erickson PM5. Аналогичные измерения на макете расширительного модуля 50–75 ГГц показали типичную выходную мощность 13 дБм.
На рис. 4 показана зависимость выходной мощности на выходах ПЧ расширительного модуля 75–110 ГГц. Измерения проводились на векторном анализаторе цепей ПЛАНАР серии Кобальт C4220. Частота ПЧ для данного прибора составляла 15,45 МГц. Красной кривой на рис. 4 показана частотная зависимость мощности выходного сигнала с выхода R (reference) при подсоединении на выход расширительного модуля согласованной нагрузки. Синей кривой на рис. 4 изображена частотная зависимость мощности выходного сигнала с выхода M (measure) при подсоединении на выход короткозамкнутой нагрузки. Особенностью разработанных конверторных модулей является то, что в рабочей полосе частот АЧХ каналов R и M – подобны. При этом неоднородность АЧХ составляет не более 5 дБ.
На рис. 5 приведена частотная зависимость шума измерительной схемы с выхода R (reference) сигнала ПЧ расширительного модуля 75–110 ГГц. Измерения проводились на векторном анализаторе цепей ПЛАНАР серии Кобальт C4220 с шириной входной полосы BW = 1 кГц. Если пересчитать уровень шумов на полосу BW = 10 Гц и учесть, что, согласно рис. 4, максимальная мощность на выходе R составляет от –2 до –8 дБм, то получаем типичный динамический диапазон работы прибора от 138 до 132 дБ. Аналогичные измерения на макете модуля расширения 50–75 ГГц продемонстрировали динамический диапазон от 135 до 140 дБ. Следует заметить, что предел линейности входного каскада векторного анализатора цепей Кобальт C4220 составляет около 0 дБм. Таким образом, путем оптимизации выходного усилительного каскада ПЧ можно надеяться на увеличение динамического диапазона еще на 5 дБ.
* * *
В результате конструкторско-исследовательских работ были созданы макеты модулей расширения частотного диапазона 50–75 ГГц и 75–110 ГГц для векторных анализаторов цепей. Исследование характеристик приборов показало, что параметры конверторных модулей не уступают зарубежным аналогам. Дальнейшие планы команды проекта включают регистрацию приборов в Госреестре средств измерений, а также запуск мелкосерийного производства приборов. Параллельно начаты разработки конверторного модуля на более высокий частотный диапазон 110–170 ГГц.
Литература
Патент № 2687980 C1 Российская Федерация, МПК G01R 27 / 28. Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты: № 2018123068: заявл. 25.06.2018: опубл. 17.05.2019 / К. С. Коротков, А. А. Бабенко, Д. Р. Фролов [и др.]; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный университет» (ФГБОУ ВО «КубГУ»).
Патент № 2731020 C1 Российская Федерация, МПК G01R 27 / 06. Способ измерения коэффициента отражения СВЧ-нагрузки: № 2019119430: заявл. 21.06.2019: опубл. 28.08.2020 / И. Ю. Данилов, А. Г. Романов, Ю. Е. Седельников, Е. В. Кривов; заявитель Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос», Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева».
Серков Д. АКИП‑4205 / 3 – новый анализатор спектра и векторный анализатор цепей до 1,5 ГГц // Компоненты и технологии. 2019. № 7(216). С. 118–119.
Быканов В., Подъяпольский Б., Булгаков В. Научно-технические проблемы метрологического обеспечения разработки ЭКБ нового поколения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 3(184). С. 112–119. DOI: 10.22184/1992‑4178.2019.184.3.112.118.
Официальный сайт АО «НПФ «Микран» [Электронный ресурс]. URL: https://www.micran.ru/
Официальный сайт ООО «ПЛАНАР» [Электронный ресурс]. URL: https://planarchel.ru/
расширения 50–75 ГГц и 75–110 ГГц
для векторных анализаторов цепей
В. Муравьев д. ф.‑м. н.1, А. Зарезин 1, А. Титенко 2, В. Бобова 2,
М. Синогин 3, И. Кукушкин д. ф.‑м. н., акад. РАН 1, C. Заостровных 3
Разработаны и изготовлены модули расширения частотного диапазона 50–75 ГГц и 75–110 ГГц для векторных анализаторов цепей. Исследование характеристик приборов показало, что модуль 50–75 ГГц имеет типичную выходную мощность 13 дБм и рабочий динамический диапазон 135 дБ. Конверторный модуль 75–110 ГГц демонстрирует типичную выходную мощность 10 дБм и динамический диапазон 135 дБ. Разработанные модули расширения совместимы как с отечественными векторными анализаторами цепей ПЛАНАР, так и с зарубежными от Rohde & Schwarz и Keysight.
Освоение отечественного производства электроники субтерагерцового частотного диапазона (0,1–1 ТГц) в настоящий момент является одной из важнейших государственных задач. Успешное решение этой сложной задачи приведет к прорыву во многих отраслях гражданской и оборонной промышленности. Именно поэтому последнее время повсеместно ведутся работы по разработке новых приборов и методик измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств [1–3]. При этом следует отметить, что в России с производством аппаратуры субтерагерцового/терагерцового частотного диапазона есть серьезные проблемы [4]. В настоящее время отечественные векторные анализаторы цепей (ВАЦ) (АО «НПФ «Микран» [5] и ООО «ПЛАНАР» [6]) покрывают частотный диапазон до 44 ГГц, а с модулями расширения частоты – до 54 ГГц. Частотный диапазон выше 54 ГГц в России в смысле метрологических средств остается слабо освоенным, а поставки зарубежной аппаратуры находятся под строжайшим запретом и контролем зарубежных правительств. Имеющееся западное оборудование в перспективе следующих 10 лет будет выходить из строя без возможности ремонта, поскольку сервисные центры международных компаний Rohde & Schwarz и Keysight (Agilent) расформированы.
Поэтому встает острая необходимость разработки отечественных субтерагерцовых метрических средств, а также узлов этих устройств для ремонта западной техники.
Схема конверторных модулей
При разработке макетов конверторных модулей была использована схема прибора, показанная на рис. 1. Сигнал низкой частоты с RF-порта модуля поступал на вход активного умножителя частоты. Для накачки модуля 50–75 ГГц использовался СВЧ-сигнал с частотой 12,5–18,75 ГГц. Соответствующий коэффициент умножения составлял ×4. Для накачки модуля 75–110 ГГц использовался СВЧ-сигнал с частотой 12,5–18,33 ГГц с коэффициентом умножения ×6.
Далее высокочастотный сигнал проходил через аттенюатор и фарадеевский изолятор, после чего поступал на вход двунаправленного ответвителя. При прямом прохождении высокочастотного сигнала –23 дБ мощности ответвлялось в референсный канал R (reference). Электромагнитная волна, отраженная от выходного порта ответвителя, делилась с тем же коэффициентом –23 дБ в измерительный канал M (measure). В каждом из каналов R и M стоял фарадеевский изолятор, после которого подключался двойной балансный смеситель. Гетеродинный вход смесителя накачивался низкочастотным сигналом с выхода LO векторного анализатора цепей через активный умножительный модуль, коэффициент умножения которого составлял ×4 для модуля 50–75 ГГц и ×6 для модуля 75–110 ГГц. Выходной сигнал промежуточной частоты (ПЧ) с каждого из балансных смесителей усиливался малошумящим усилителем (коэффициент шума 0,9 дБ) и поступал на вход векторного анализатора цепей.
Функциональные особенности узлов устройства
При создании макетов приборов был «с нуля» отработан целый ряд уникальных технологий, которые позволили добиться высоких технических характеристик измерительной схемы. Во-первых, в измерительных каналах R и M была использована пара балансных смесителей. Применение балансных смесителей позволило добиться значительной однородности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Однородность АЧХ на выходах R и M прибора составляла в пределах 3,5 дБ для модуля 50–75 ГГц и 5 дБ для модуля 75–110 ГГц. В большинстве иностранных модулей расширения используются гармонические смесители, которые работают на 8 и выше гармонике. Это приводит к типичной неоднородности АЧХ в 15 дБ, а в некоторых случаях и до 30 дБ.
Для лучших характеристик согласования измерительного тракта, а также для уменьшения влияния узлов модуля расширения друг на друга, смесители и умножитель сигнала RF подключены к направленному ответвителю через фарадеевские изоляторы. Такое решение значительно повышает качество модуля расширения радиочастотного диапазона как измерительной системы: режим работы выходных каскадов умножителя перестает быть зависимым от согласования с испытуемым устройством. Кроме этого, изоляторы на входе смесителей препятствуют просачиванию сигналов гетеродина в измерительный тракт.
Команда проекта отработала изготовление фарадеевских изоляторов с использованием ферритов производства НИИ «Феррит-Домен» и сапфировых игл. Использование именно монокристаллических сапфировых игл позволило существенно снизить потери. Так в частотном диапазоне 50–75 ГГц на лучших образцах изоляторов удавалось получить потери –0,7 дБ, а в диапазоне 75–110 ГГц – потери –1,0 дБ. При этом развязка составляла не менее 30 дБ.
Отдельно стоит упомянуть, что в разработанных приборах перестройка мощности осуществляется посредством широкополосных электрически управляемых аттенюаторов на базе кремниевых p-i-n-диодов. В качестве активного элемента аттенюатора использовался полупроводниковый диод с n-i-p-i-n-структурой, что позволило создать аттенюатор с относительной полосой частот до 40%. За счет поглощения в диоде СВЧ-мощности в режиме инжекции аттенюаторы имеют малый коэффициент отражения. КСВН аттенюаторов в диапазоне ослаблений до 40 дБ не превышает 4. Управление и питание модуля расширения частотного диапазона осуществляется через кабель, подключенный к панели анализатора цепей, что позволяет управлять ослаблением аттенюатора через программу управления ВАЦ.
При производстве активных умножительных модулей использовались монолитные интегральные схемы (МИС) производства Китайской Народной Республики и отечественные – от АО «Микроволновые системы». Чипы собирались в волноводные корпуса. Волноводно-микрополосковые переходы изготавливались на материале FSD с толщиной 127 мкм и диэлектрической проницаемостью 2,2. Волноводные корпуса производились на станке с числовым программным управлением (ЧПУ). Проектные нормы при производстве корпусов составляли 10 мкм.
Характеристики конверторных модулей
На рис. 3 представлена зависимость выходной мощности модуля от частоты для макета расширительного модуля 75–110 ГГц. Измерения проводились с использованием болометрического измерителя мощности VDI Erickson PM5. Аналогичные измерения на макете расширительного модуля 50–75 ГГц показали типичную выходную мощность 13 дБм.
На рис. 4 показана зависимость выходной мощности на выходах ПЧ расширительного модуля 75–110 ГГц. Измерения проводились на векторном анализаторе цепей ПЛАНАР серии Кобальт C4220. Частота ПЧ для данного прибора составляла 15,45 МГц. Красной кривой на рис. 4 показана частотная зависимость мощности выходного сигнала с выхода R (reference) при подсоединении на выход расширительного модуля согласованной нагрузки. Синей кривой на рис. 4 изображена частотная зависимость мощности выходного сигнала с выхода M (measure) при подсоединении на выход короткозамкнутой нагрузки. Особенностью разработанных конверторных модулей является то, что в рабочей полосе частот АЧХ каналов R и M – подобны. При этом неоднородность АЧХ составляет не более 5 дБ.
На рис. 5 приведена частотная зависимость шума измерительной схемы с выхода R (reference) сигнала ПЧ расширительного модуля 75–110 ГГц. Измерения проводились на векторном анализаторе цепей ПЛАНАР серии Кобальт C4220 с шириной входной полосы BW = 1 кГц. Если пересчитать уровень шумов на полосу BW = 10 Гц и учесть, что, согласно рис. 4, максимальная мощность на выходе R составляет от –2 до –8 дБм, то получаем типичный динамический диапазон работы прибора от 138 до 132 дБ. Аналогичные измерения на макете модуля расширения 50–75 ГГц продемонстрировали динамический диапазон от 135 до 140 дБ. Следует заметить, что предел линейности входного каскада векторного анализатора цепей Кобальт C4220 составляет около 0 дБм. Таким образом, путем оптимизации выходного усилительного каскада ПЧ можно надеяться на увеличение динамического диапазона еще на 5 дБ.
* * *
В результате конструкторско-исследовательских работ были созданы макеты модулей расширения частотного диапазона 50–75 ГГц и 75–110 ГГц для векторных анализаторов цепей. Исследование характеристик приборов показало, что параметры конверторных модулей не уступают зарубежным аналогам. Дальнейшие планы команды проекта включают регистрацию приборов в Госреестре средств измерений, а также запуск мелкосерийного производства приборов. Параллельно начаты разработки конверторного модуля на более высокий частотный диапазон 110–170 ГГц.
Литература
Патент № 2687980 C1 Российская Федерация, МПК G01R 27 / 28. Устройство для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты: № 2018123068: заявл. 25.06.2018: опубл. 17.05.2019 / К. С. Коротков, А. А. Бабенко, Д. Р. Фролов [и др.]; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный университет» (ФГБОУ ВО «КубГУ»).
Патент № 2731020 C1 Российская Федерация, МПК G01R 27 / 06. Способ измерения коэффициента отражения СВЧ-нагрузки: № 2019119430: заявл. 21.06.2019: опубл. 28.08.2020 / И. Ю. Данилов, А. Г. Романов, Ю. Е. Седельников, Е. В. Кривов; заявитель Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос», Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева».
Серков Д. АКИП‑4205 / 3 – новый анализатор спектра и векторный анализатор цепей до 1,5 ГГц // Компоненты и технологии. 2019. № 7(216). С. 118–119.
Быканов В., Подъяпольский Б., Булгаков В. Научно-технические проблемы метрологического обеспечения разработки ЭКБ нового поколения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 3(184). С. 112–119. DOI: 10.22184/1992‑4178.2019.184.3.112.118.
Официальный сайт АО «НПФ «Микран» [Электронный ресурс]. URL: https://www.micran.ru/
Официальный сайт ООО «ПЛАНАР» [Электронный ресурс]. URL: https://planarchel.ru/
Отзывы читателей
