Галдецька А. В., Корольов А. Н., Юсупова Н. І. ФГУП «НПП Исток» Вокзальна вул. д. 2а, Фрязіно-141190, Росія Тел.: +7 (095) 465-8620; e-mail: galdetskiy@mail.ru

Анотація – Показано істотний вплив розкиду параметрів пасивних і активних компонентів традиційних МІС цифрових фазовращателя і аттенюатора на вихід придатних. Запропоновано побудову модуля Афар, має низьке енергоспоживання та НВЧ втрати, з використанням схеми пам’яті, аналогових аттенюатора і фазовращателя і простих ЦАП.

I. Вступ

При побудові сучасних модулів АФАРСЬКА на базі МІС СВЧ як правило розглядаються модулі з цифровим управлінням фазою і коефіцієнтом передачі. При цьому 5-ти розрядний аттенюатор і 6 – ти розрядний фазовращатель будуються як набір послідовно включених розрядів, так що втрати в кожному з розрядів підсумовуються, приводячи до значних загальним втрат. Компенсація втрат за допомогою додаткових підсилювачів призводить до зростання енергоспоживання, що виявляється критичним з огляду на загальну кількість модулів.

Крім того, розкид параметрів пасивних компонентів, особливо в старших розрядах, підсумовуючись, призводить до істотного розкиду модуля і фази коефіцієнта передачі, значно зменшуючи вихід придатних.

Наявність великої кількості транзисторів в драйверах окремих розрядів також призводить до скорочення виходу придатних. У підсумку всі ці фактори призводять до практично тупикової ситуації.

II. Модуль АФАРСЬКА на основі аналогових аттенюатора і фазовращателя, ЦАП та схеми пам’яті

Для зменшення впливу разбросов елементів МІС ми пропонуємо збільшити на одиницю розрядність аттенюатора і фазовращателя і використовувати в складі модуля ІС пам’яті. При надходженні на вхід модуля (на шину адреси ІС пам’яті) 5 +6- розрядного двійкового коду, на шині даних з’являється 6 +7 розрядне слово, яке надходить ні СВЧ МІС і реалізує значення модуля і фази коефіцієнта передачі, найбільш близькі до необхідних саме для даного екземпляра модуля (Рис. 1). Надлишкові розряди дозволяють мати малий дискрет зміни модуля і фази і можливість вибору найбільш підходящих значень. Наявність пам’яті дозволяє також включити до складу модуля і датчик температури, що може мінімізувати температурні відходи комплексного коефіцієнта передачі (Мал. 1). Такий підхід дозволяє кардинально послабити вимоги до точності реалізації характеристик аттенюатора і фазовращателя, підвищити відсоток виходу і зменшити вартість ціною дуже невеликого збільшення енергоспоживання модуля. Більш того, користуючись можливістю зниження вимог до розкиду і виходів параметрів МІС модуля, можна запропонувати побудову аттенюатора і фазовращателя у вигляді комбінації простих аналогових вузлів і резистивних ЦАП. Приклад схеми аналогового аттенюатора показаний на Рис.2, а його крива управління і КСВ – на Рис.3-5.Как видно, аттенюатор не споживає енергії, має мале загасання (0.7 дБ), широку смугу і гарне узгодження з трактом.

Рис. 1. Схема побудови блоку управління коефіцієнтом передачі модуля АФАРСЬКА.

Fig. 1. Block of gain control of phased array module

Puc. 2. Схема аналогового аттенюатора.

Fig. 2. The circuit of analog attenuator

Як неважко бачити для управління аттенюатором потрібні два аналогових сигналу, що змінюються узгоджено. Можна було б ввести деякий аналоговий інвертор створює один із сигналів з іншого. Однак краще живити їх від окремих ЦАП з подвоєнням числа вхідних розрядів (до 12). Це призведе до подвоєння необхідної пам’яті, але зате істотно спростить і здешевить СВЧ схему. Схеми ЦАП і аналогового фазовращателя та їх характеристики будуть приведені в доповіді.

Запропонований спосіб побудови модуля АФАРСЬКА і схема аттенюатора дозволяють за рахунок застосування цифрової ІС кардинально послабити вимоги до розкиду параметрів НВЧ схем модуля (причому не тільки аттенюатора і фазовращателя) і підвищити вихід придатних. При цьому, завдяки реалізації «ідеального» по амплітуді і фазі модуля, зменшується навантаження на центральний процесор станції. Крім того, розглянутий аттенюатор має мале загасання, гарне узгодження і нульове енергоспоживання.

ON ENHANCEMENT OF PHASED ARRAY MODULES BASED ON MMICS BY USING DIGITAL CIRCUITS

Galdetskiy A. V., Korolev A. N., Yusupova N. I.

SRPC Istok 2a,Vokzalnaia st, Fryazino -141190, Russia phone: +7(095) 465-8620, e-mail: galdetskiy@mail.ru

Рис. 3. Коефіцієнт передачі аттенюатора як функція керуючої напруги.

Fig. 3. Gain as a function of control voltage

Abstract – Described in this paper is the essential influence of parameters dispersion of passive and active components of conventional MMICs of digital phase shifter and attenuator on the yield. The design of phased array module insensitive to components dispersion, having low power consumption and losses is offered. Design uses flash-memory IC, analog attenuator, phase shifter and simple DAC.

I.  Introduction

Modern phased array modules based on MMICs usually use digital control of amplitude and phase. For example 5-digit attenuator and 6-digit phase shifter are composed of a set of series connected stages. Thus, losses in each stage are summed up, resulting in significant total losses. Additional amplifiers result in growth of power consumption, which appears critical, taking into account total number of modules in array.

Dispersion of passive components, especially in higher bits, leads to essential dispersion of a phase and gain of the module, considerably reducing the yield.

The large number of transistors in a driver of each bit also leads to yield reduction.

Рис. 4. КСВ на частоті 9 ГГц як функція керуючої напруги.

Fig. 4. VSWR at 9 GHz as a function of a control voltage

II.     Phased array module based on analog attenuator, phase shifter, DAC and memory IC

In order to reduce the influence of dispersion of MIC’s components, we suggest to increase the number of bits (word length) controlling attenuator and phase shifter and to use IC of flash-memory as the module part. If a binary word (5+6 digits) comes to the input of the module (on address bus of memory IC), 6+7-digit word appears on data bus coming to MMICs and realizing phase and gain values of the module, most close to those ones required for the given specimen of the module (Fig. 1). Additional bits allow having small quantization step of the gain and phase and the opportunity to choose the most suitable values. Memory also allows including the temperature probe into structure of the module which can minimize temperature drift of complex gain (Fig. 1). This approach makes possible significantly to relax limits for accuracy of components of attenuator and phase shifter, to increase product yield and to reduce cost at the expense of small increase of power consumption of the module.

Рис. 5. КСВ як функція частоти для різних керуючих напруг.

Fig. 5. VSWR vs. frequency for various control voltages

Moreover, due to opportunity of reduction in restrictions to dispersion and drift of MMICs’ parameters, it is possible to use the designs of attenuator and the phase shifter as a combination of simple analog unit and resistive DAC. The example of analog attenuator circuit is shown in Fig. 2, and its control function and VSWR – in fig. 3-5. Evidently, attenuator does not consume energy, has small attenuation (0.7 dB) and good return losses. Apparently, two analog voltages (varying simultaneously) are required to control the attenuator. It is more preferable to feed both analog inputs from separate DACs by doubling the number of input bits (up to 12). It results in doubling of required memory, but essentially simplifies and reduces the cost of MMIC. The circuit of the analog phase shifter and its characteristic will be shown in the report.

III.   The conclusion

The suggested design of the module and the attenuator circuit allow cardinally relax restrictions for dispersion and drift of parameters of MMICs of the module (and not only attenuator and the phase shifter) and to increase yield due to using of flash-memory IC. Due to realization of "ideal" amplitude and phase control of the module the load of the central processor of the array decreases. Considered attenuator has small attenuation, good matching and zero power consumption.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»