Косьмін Д. М., Козирєв А. Б., Осадчий В. Н., Павлов А. С. С.-Петербурзький Гесударственний Електротехнічний університет (ЛЕТІ) 197376, вул. Проф. Попова буд.5, Санкт-Петербург, Росія Тел / факс: (812) 2344809; e-mail: mlp@eltech.ru

Анотація В роботі розглядається конструкція 3каскадного фазовращателя S діапазону на основі сегнетоелектричних варактора, що використовує цифроаналоговий режим управління. Представлено теоретичне обгрунтування переваг конструкції в порівнянні з цифровими і аналоговими фазовращателямі. Наведено експериментальні характеристики частотних залежностей параметрів S21, S11 і фазового зсуву.

I. Вступ

В даний час активно розробляються дешеві фазовані антенні грати (ФАР) для масових інформаційних систем. Серед них практично реалізовано кілька варіантів ФАР на різні частотні діапазони [1, 2]. Одним з ключових компонентів таких ФАР є фазообертачі, які задають розподіл фази в випромінювальних каналах. Фазовращатель повинен забезпечувати в випромінювальної каналі необхідний фазовий зсув з допустимою помилкою і не вносити великих втрат. Дослідження нелінійних властивостей сегнетоелектричних матеріалів показало можливість створення на їх основі СВЧ пристроїв з характеристиками придатними для сучасних телекомунікаційних систем. Фазообертачі на основі сегнетоелектриків мають невеликими втратами, високою швидкістю управління, високою радіаційною стійкістю і низькою вартістю.

Дана робота присвячена 3-х каскадному фазовращатель на сегнетоелектричних варактора, в якому два каскади управляються цифровим способом і один каскад аналоговим. Такий дизайн конструкції дозволяє досягти кращого параметра якості та мінімізувати фазову помилку

II. Конструкція фазовращателя

Каскадний принцип побудови фазовращателя використовується в основному в цифрових фазовращателя. Кожен каскад в такій конструкції проектується на певний фазовий зсув і управляється окремо цифровим способом. Це дозволяє оптимізувати конструкцію кожного каскаду і домогтися кращого параметра якості та мінімізувати фазову помилку в робочій смузі частот фазовращателя. Однак чим менше необхідний дискрет фазового зсуву, тим більше потрібно каскадів і тим більше що вносяться втрати і геометричні розміри пристрою.

У конструкції аналогового фазовращателя каскадний принцип побудови не застосовується, так як один каскад може забезпечити всі стани по фазовому зрушенню. Проте в цьому випадку оптимізація конструкції відбувається з урахуванням усіх станів фазового зсуву і максимальне значення втрат і фазової помилки буде так само визначено всіма станами

У даній роботі пропонується принцип об’єднання в конструкції фазовращателя цифрових і аналогових каскадів. Цифрові каскади при цьому забезпечують високі значення по фазовому зрушенню, а аналоговий каскад низькі. Такий спосіб побудови дозволяє використовувати оптимізацію кожного каскаду і при цьому за допомогою аналогового каскаду отримувати всі значення по фазовому зрушенню.

Рис. 1. Структурна схема цифро-аналогового 360 ° сегнетоелектричних фазовращателя

Fig. 1. Block diagram of digital-analogue 360° ferroelectric phase shifter with continuous tuning.

Конструкція акредитуючої фазовращателя складається з трьох каскадів (рис.1). Перший і другий каскади виконані цифровими і забезпечують фазовий зсув 0J180 ° і 0J90 °, третій каскад аналоговий забезпечує плавну зміну фазового зсуву 0-90 °.

Рис. 2. Фотографія фазовращателя в корпусі а) і без корпусу Ь). Розміри 36x36x3 мм3

Fig. 2. Photo of the phase shifter with a) and without b) cover. Dimensions 36x36x3 mm3

Кожен каскад фазовращателя включає в себе спрямований відгалужувач на основі тришарової структури, навантажений двома ідентичними відбивними закінченнями (кожне закінчення являє собою послідовний коливальний контур, що складається з нелінійної сегнетоелектричної ємності й індуктивності). Конструкція фазовращателя призначена для радіосистем, що використовують поверхневий монтаж елементів.

Фотографія фазовращателя представлена ​​на рис.2.

III. Експериментальні характеристики

Експериментальні характеристики фазовращателя наведені на рис. 3.

Рис. 3. Експериментальні характеристики фазовращателя

Fig. 3. Experimental characteristics of the phase shifter

Фазовращатель демонструє малу величину фазової нерівномірності (+2 °) у всіх фазових станах від 0 ° до 360 °. Параметр якості фазовращателя становить 120 ° / дБ, що є кращим результатом для сегнетоелектричних аналогів. Робочий діапазон температур фазовращателя -70 ° С н +50 ° С досягається за рахунок температурної корекції керуючих напруг.

У даній роботі використовувалися сегнетоелектрічеськие варактори фірми Paratek Microwave Inc., USA.

IV. Список літератури

[1] Козирєв А.Б., Осадчий В.М., Косьмін Д.М., Sengupta L. та ін Дослідження ФАР з фазовращателямі на сегнетоелектричних варактора. В кн. “12-я Міжнародна Кримська конференція СВЧ техніка і телекомунікаційні технології “. Севастополь: Вебер, 2002, стр.332-333.

[2] Kozyrev А.В., Osadchy VN, Pavlov А.С., et. al. 30 GHz Steerable Beam Antenna Based on Ferroelectric PhaseShifters. PIERS 2000. Progress in Electromagnetics Research Symposium. July 5-14 ,2000, Cambridge, Massachusetts, USA.

DIGITAL-ANALOGUE PHASE SHIFTER ON THE BASE OF FERROELECTRIC VARACTORS

Kosmin D. М., Kozyrev A. B., Osadchy V. N., Pavlov A. S.

St. Petersburg State Electrotechnical University (LETI) 197376, Prof. Popov St., 5 Saint Petersburg, Russia

Phone/fax: (812) 2344809; e-mail: mlp@eltech.ru

Abstract Results of theoretical investigation and experimental testing of 3-cascade S-band phase-shifter based on ferroelectric varactors with digital-analogue controlling are observed. The design advantages are discussed.

I.  Introduction

Phased array antennas have been intensively developed recently for telecommunication systems. Some constructions for different frequencies were practically realized [1, 2]. Phase shifter as a key component of such systems must provide desired phase shift with allowable quantization error and have low insertion losses.

Present paper is devoted to 3-cascade phase shifter based on ferroelectric varactors where two cascades are digital and one is an analogue. Such design allows to increase the figure of merit of phase shifter and to minimize quantization error.

II.  Construction of phase shifter

The phase shifter presented consists of 3 cascades (fig. 1). The two first cascades are digital (0°J180° and 0°J90°) and last (third) cascade is an analog (0-^90)° Each cascade consists of coupler loaded by identical reflective terminations containing inductances and tunable ferroelectric varactors. Photo of digital-analog 360° SMD phase-shifter based on three cascades with and without cover is shown in fig.2.

III.  Experimental characteristics

Experimental characteristics of phase shifter are presented in fig.3. Phase-error is not more than Афег=±20 for all phase states in frequency bandwidth. The merit parameter of the device is F=120deg/dB. It is the best result for ferroelectric analogs. Operating range of temperatures -70°C 4+50°C is provided by temperature correction of control voltages.

In this work ferroelectric varactors from “Paratek Microwave Inc., USA” were used.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.