Холодняк Д. В., Зубко С. П., Плескач В. В., Микільський М. А., Ситникова М. Ф., Вендік І. Б. Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет “ЛЕТІ” ім. В. І. Ульянова (Леніна) Санкт-Петербург – 197376, Росія Тел.: +7 (812) 346-08-67; e-mail: MWLab@eltech.ru Кузнецов В. І. ЗАТ “Світлана-Електронприлад” Санкт-Петербург – 194358, Росія e -mail: electron@svetlana.fi.ru

Анотація – Представлений порівняльний аналіз за критерієм якості близько 80 електрично керованих інтегральних СВЧ-фазовращателей (ФВ), на основі даних, опублікованих у провідних науково-технічних виданнях за останній час. За результатами аналізу зроблено висновок

про ефективність використання різних керуючих пристроїв для створення НВЧ ФВ з високою якістю.

I. Вступ

фазообертачі (ФВ) СВЧ-діапазону знаходять широке застосування в системах радіолокації, зв’язку та навігації. Розвиток твердотільних ФВ, виконаних у вигляді інтегральних схем (ІС) СВЧ, викликано необхідністю підвищення інтеграції СВЧ-пристроїв і зниження їх масогабаритних показників з одночасним збільшенням функціональної складності.

В якості керуючих елементів в таких ФВ можуть використовуватися: 1) pin діоди, 2) напівпровідникові діоди зі змінною ємністю (варикапів), 3) польові транзистори зі структурою ПТШ, польові транзистори з двовимірним електронним газом (НЕМТ і РНЕМТ), або біполярні транзистори з гетеропереходів (НВТ) \ 4) мікроелектромеханічні структури (МЕМС), 5) сегнетоелектрічеськие (СЕ) конденсатори й бездісперсіонние СЕ лінії затримки;

6) Надпровідникові ключі; 7) керуючі елементи на основі намагніченого фериту.

Frequency, (GHz)

Рис. 1. Залежність комутаційного якості від частоти для різних керуючих елементів.

У даній роботі представлений порівняльний аналіз сучасних інтегральних ФВ з керуючими елементами різних типів (за винятком надпровідникових і феритових ФВ). Аналіз виконаний на основі вітчизняних і зарубіжних на-учно-технічних публікацій та матеріалів міжнародних конференцій останніх років (1990-2003). Для порівняння характеристик ФВ використовується універсальний критерій, званий якістю ФВ.

II. Комутаційне якість керуючих елементів

Fig. 1. Commutation quality factor versus frequency for different controlling devices

Електрично керовані елементи, які становлять конденсатори з керованою ємністю, поділяються на перемикані і перебудовувані. Перемикані елементи характеризуються двома станами, які відповідають двом дискретним значенням ємності, в той час як ємність перебудовуються елементів змінюється плавно в деякому діапазоні. До перемикається пристроїв відносяться напівпровідникові pin діоди, транзистори в режимі ключа і МЕМС-конденсатор-тори. Напівпровідникові діоди з керованим р-п-переходом (варикапів) і СЕ-конденсатори є перебудовуваним пристроями.

Порівняння електрично перебудовуються ємнісних компонентів, що використовуються в СВЧ ФВ, може бути виконано за допомогою інтегрального критерію

– комутаційного якості, яка визначається ефективністю перебудови ємності і величиною втрат в керуючому пристрої і не залежить від його фізичної природи [1], [2].

Комутаційне якість описується наступним виразом:

К = {х 1 – Х2 У / (Ri R2) + R1/R2+R2/R1, (1) де Z ^ = R ^ + jX-1 і Z2=R2+jX2 – Величини повних опорів компонента в двох станах, відповідних різним значенням напруги зсуву. Комутаційне якість для різних компонентів визначається параметрами відповідної еквівалентної схеми в двох станах.

На Рис. 1 представлена ​​розрахункова залежність комутаційного якості електрично керованих компонентів від частоти в діапазоні 1 -30 ГГц. Для розрахунку використовувалися еквівалентні параметри, отримані розподілених на великій кількості опублікованих даних. Як видно з Рис. 1, найвище комутаційне якість у всьому розглянутому діапазоні частот мають МЕМС-конденсатори. Широко використовуються в даний час транзисторні ключі мають найменшим значенням комутаційного якості на частотах, що перевищують 10 ГГц. У міліметровому діапазоні довжин хвиль можуть успішно застосовуватися СЕ-конденсатори.

III. Критерій якості фазовращателя

Для порівняння характеристик різних ФВ вводиться фактор якості ФВ, який визначається як відношення фазового зсуву [град.], забезпечуваного ФВ, і середніх втрат [дБ] в робочій смузі частот [3, 4]:

Puc. 2. Критерій якості фазовращателей з керуючими елементами різних типів. Fig. 2. Properties of merit of phase shifters with different controlling devices

де В (т) – коефіцієнт, що залежить від числа розрядів дискретного ФВ (див. Таблицю). Формули (3) і (4) визначають гранично досяжні значення параметра якості ФВ.

На Рис. 2 наведені значення фактора якості для ФВ, виконаних з використанням керуючих елементів різних типів, що дозволяє провести їх порівняння. Розрахунок параметра якості виконаний по експериментальним характеристикам ФВ, опублікованими в провідних світових виданнях в період 1990-2003 рр..

Безумовним фаворитом за критерієм якості є ФВ на основі МЕМС-конденсаторів (рис. 2с), що поєднують в собі рекордно малі вносяться втрати (менше 1 дБ) практично у всьому частотному діапазоні СВЧ (До 100 ГГц) при пренебрежимо малому споживанні потужності по ланцюгах управління (одиниці мкВт) і можливість використання монолітної технології. Суттєвим моментом є можливість реалізації МЕМС ФВ в міліметровому діапазоні з практично таким же значенням параметра якості, що і на більш низьких частотах.

На жаль, ці прилади не позбавлені недоліків, основний з яких – обмежене число механічних перемикань, тобто обмежений термін служби, істотно менший, ніж у напівпровідникових ключів. Іншим недоліком є ​​порівняно низька швидкодія: найкращим є час спрацьовування близько 10 мкс.

Таблиця

т 1

2

3

4

» 1

В (/ 77) 10.36

9.11

8.68

8.5

8.36

ФВ на напівпровідникових керуючих елементах: pin діодах (рис. 2а); польових транзисторах із структурою ПТШ (рис. 2Ь) і з двовимірним електронним газом (рис. 2е); варакторних діодах (рис. 2d) є основним класом практично реалізованих пристроїв, головним чином, завдяки можливості використання монолітної технології ІС СВЧ на основі GaAs або Si.

ФВ на pin діодах і варакторних діодах демонструють високу якість (більше 100 град / дБ) в діапазоні частот 1-10 ГГц. Спроби використання pin діодів для розробки ФВ в монолітно-інтегральному виконанні є обнадійливими, а оцінка комутаційного якості pin діода (К & 10000 на частоті 10 ГГц) дозволяє прогнозувати їх успішне застосування в монолітно-інтегральних схемах аж до 40-50 ГГц.

ФВ на транзисторах отримали широке розповсюдження завдяки добре відпрацьованої технології монолітних ІС на основі GaAs. Проте, як випливає з Рис. 2Ь і 2е, по параметру якості такі ФВ займають нижчу позицію. Для підвищення якості їх виконують спільно з підсилювачами, що робить пристрій в цілому невзаємні. ФВ на транзисторних ключах в монолітно-інтегральному виконанні мають малі масогабаритні показники і мале споживання потужності по ланцюгах управління (10 – 100 мкВт) при високій швидкодії.

Слід звернути увагу на СЕ ФВ. Як видно з Рис. 2f, за критерієм якості такі ФВ перевершують транзисторні ФВ (до частот 20-90 ГГц) і порівняти з ФВ на pin діодах. До переваг СЕ ФВ відносяться: малий час перемикання (десятки наносекунд); мала споживана потужність по ланцюгах управління (1-10 мкВт); менша, в порівнянні з напівпровідниковими аналогами, собівартість, а також можливість інтегрального виконання на основі тонкої (порядку 1 мкм) плівки СЕ. Крім перерахованих переваг СЕ матеріалів, існує і ряд проблем, що стримують широке застосування СЕ в техніці НВЧ: порівняно велика величина тангенса кута діелектричних втрат плівкових зразків СЕ; довгострокове зміна властивостей СЕ, так зване “старіння” матеріалу, що знаходиться під великою напругою; температурна залежність параметрів СЕ матеріалу; відсутність промислової технології виробництва ІС СВЧ, містять шари СЕ.

IV. Висновок

Характеристики електрично керованих СВЧ ФВ в значній мірі залежать від керуючих пристроїв. Універсальним параметром ФВ є фактор якості, який характеризує фазовий зсув у робочій смузі частот, приведений до 1 дБ середніх втрат. Розрахунок параметра якості на основі експериментальних даних, наведених в літературі для великого числа інтегральних СВЧ ФВ з різними керуючими пристроями, дозволив виконати їх порівняльний аналіз.

За результатами аналізу встановлено, що моно-літний-інтегральні ФВ, що використовують транзисторні ключі, мають найменшим якістю. Видається за доцільне застосування як керуючих елементів напівпровідникових pin і варакторних діодів. В міліметром діапазоні як конкурентоспроможної альтернативи також можуть розглядатися ФВ на основі СЕ-матеріалів. Найвищий фактор якості демонструють ФВ на МЕМС-конденсаторах.

V. Список літератури

[1] Vendik /., Vendik О., Kollberg Е. Criterion for a switching device as a basis of microwave switchable and tunable components / / Proc. of 29th European Microwave Conf. – 1999, V. 3, pp. 187-190.

[2]    Vendik I., Vendik O., Kollberg E. Commutation quality factor of two-state switching devices// IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 2000, V. 48, № 5, pp. 802-808.

[3]   Digital reflection type phase shifter based on a ferroelectric planar capacitor / Sherman V., Astafiev K., Setter N., Ta- gantsev A. // IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett. – 2001, V. 11, № 10, pp. 407-409.

[4]    Vendik O., Vendik I., Sherman V. Commutation quality factor as a working tool for optimization of microwave ferroelectric devices// Integrated Ferroelectrics-2002, V. 43, pp. 81-89.

COMPARISON OF MICROWAVE INTEGRATED PHASE SHIFTERS BY MEANS OF MERIT FIGURE

Kholodnyak D., Zubko S., Pleskachev V.,

Nikol’ski M.Sitnikova М., Vendik I.

St.-Petersburg Electrotechnical University "LETI" St.-Petersburg – 197376, Russia Tel.: +7 (812) 346-08-67; e-mail: MWLab@eltech.ru Kuznetsov V.

ZAO "Svetlana-Electronpribor" St.-Petersburg – 194358, Russia e-mail: electron@svetlana. fi. ru

Abstract – Comparative analysis performed by means of merit figure of about 80 electronically controllable microwave integrated phase shifters, which had been recently reported in the literature, is presented. Results of the analysis allowed making conclusion about efficiency of using different controlling devices to design phase shifters with higher figure of merit.

I.  Introduction

Microwave phase shifters are widely used in communication, navigation, and radar systems. Controlling devices of an integrated phase shifter might be p-i-n diodes, FET’s, HEMT’s, varactor diodes, ferroelectric (FE) capacitors, MEM-capacitors, superconductor or ferromagnetic elements. This paper presents a comparative analysis of modern integrated phase shifters with different controlling devices excepting superconductor and ferromagnetic ones. The analysis was performed using the data reported in the literature within the period of 1990-2003.

II.  Commutation quality factor of controlling devices

The commutation quality factor (CQF) [1, 2] is defined by equation (1) and can be found by using parameters of equivalent circuit of the controlling device in two states.

Calculated dependence of the CQF for different controlling devices on frequency (1-30 GHz) is shown in Fig. 1. As one can see, MEMS are characterized by the highest values of the CQF. At millimeter-wave frequencies FE-capacitors could be successfully used as controlling devices. The lowest CQF at f >10GHz is associated with transistor-based switches.

III.   Figure of merit of a phase shifter

Figure of merit is introduced as a universal characteristic of phase shifters [3, 4], which makes it possible to compare them by means of phase shift (in deg.) and average loss (in dB) in operating frequency band (2). The figure of merit relates directly to the CQF [3, 4]. The relationship is defined by equations (3) and (4) and for analog and digital phase shifters, respectively.

Fig. 2 presents the figure of merit derived from experimental performance of a large number of integrated phase shifters reported recently. As one can see MEMS-based phase shifters can be considered as leaders from the point of view of maximum figure of merit. Nevertheless, MEMS-based phase shifters could be hardly recommended for wide practical applications due to a limited number of switching cycles and rather long switching time (more than 10 (js). Phase shifters using p-i-n diodes or varactor diodes exhibit value of the figure of merit high enough (more than 100 deg./dB) in the frequency range 1-10 GHz. One can predict good performance of millimeter-wave p-i-n diode phase shifters. Similar encouraging results can be also expected from ferroelectric phase shifters. Transistor-based phase shifters have the lowest figure of merit at all.

IV.  Conclusion

Characteristics of electronically controllable phase shifters depend mainly on employed controlling devices.

Microwave integrated phase shifters have been compared using the figure of merit. The comparison exhibited the highest figure of merit of MEMS-based phase shifters and the lowest value of this parameter for the transistor phase shifters. Implementation of p-i-n diode and varactor diode switches was found reasonable. The ferroelectric phase shifters are also capable to be used in millimeter-wave range.

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