Гузь В. І., Зайцев А. А., Ліпатов В. П., Лобко В. С., Малхозов М. Ф., Мартинов В. А. НДІ” Квант-Радіолокація “, вул. Димитрова 5, Київ-01350, Україна Тел. / Факс: 220-96-46; e-mail: kvant_rs@ic.com.ua

Анотація Представлені результати експериментальних досліджень характеристик дискретних напівпровідникових ФВ, що працюють в 3-х см діапазоні хвиль при підвищеному рівні вхідний НВЧ потужності. Запропоновано шляхи поліпшення параметрів ФВ.

I. Вступ

Одним з основних елементів фазованою антенної решітки (ФАР) є ФВ, характеристики якого визначають точність установки головного променя, і рівень бічних пелюсток діаграми спрямованості.

У даній роботі наведено результати експериментальних досліджень ФВ, а також пропонуються шляхи поліпшення окремих характеристик ФВ.

II. Основна частина

Детальні експериментальні дослідження проводились на ФВ, що представляє собою хвилевід перетином 28.5x5мм кв., У вузькій стінці якого розміщені фазозсувні діодні модулі [1]. Вимоги, що пред’являються КФВ:

3-х сантиметровий діапазон хвиль; робоча смуга частот 10%; фазовий дискрет 11.25 ° в межах від 0 до 360 °; точність установки фазового дискрет ± 6 °; втрати пропускання потужності 1.5 ± 0.5 дБ, час перемикання фазових дискретов не більше 2мкс;

рівень пропускається робочої вхідний імпульсної потужності не менше 1 кВт (при шпаруватості 15-20 і тривалості імпульсу <30 МКЕ). З існуючих схем побудови фазосдвігающіх діодних модулів [2] обрана схема діодного модуля з підключенням навантаження в відгалужень лінії, яка у частині пропускання високого рівня потужності поступається тільки схемою модуля з мостовим з’єднанням, але з точки зору габаритних і вагових характеристик є найбільш прийнятною при застосуванні таких ФВ в ФАР. Випробуваний ФВ побудований на підставі фазосдвігающіх діодних модулів трьох типів: 22.5 ° (20 шт.), 11.25 ° (2 шт.) І 5.625 ° (2 шт.).

Проведено дослідження характеристик 150 штук таких ФВ. На малюнках 1 і 2 представлені типові фазо-частотна та амплітудно-частотна характеристики такого ФВ для кожного з 32х фазових дискретов в робочому діапазоні частот (вимірювання проводилися на 8-и точках частотного діапазону). Область розкиду втрат пропускання склала величину 1дБ із середнім значенням втрат 1.5дБ при максимальних втрати не більше 2дБ (в 4х точках з 256 втрати склали величину 2.3дБ і 2.1 дБ, інші менш 2дБ).

Точність установки фази для 32 дискретов, в діапазоні робочих частот склала:

± 3 ° для 236-і фазових станів;

± 4 ° для 15-і фазових станів;

± 5 ° для 5-и фазових станів.

Для двох груп ФВ проводилися випробування на високому рівні СВЧ імпульсної потужності. У першій групі в ФВ використовувалися як комутуючого елемента серійно випускаються діоди 2А546Б-5 (НВО «Сапфір», м. Москва). У другій діод розробки НВК «Укрелпром», м. Київ з параметрами, аналогічними діоду 2А546Б-5, але з рівнем постійного зворотного напруги> 800В (замість 500В для діода 2А546Б-5).

ФВ першої групи витримали рівень імпульсної НВЧ-потужності 1-1.3кВт (тривалість імпульсу ЗОмкс, шпаруватість 15), ФВ другої групи 1.3-1.5 кВт.

Для подальшого підвищення вхідного допустимого рівня потужності можливе використання більш потужних діодів. Однак застосування більш потужних діодів призведе до погіршення швидкодії і збільшення втрат потужності в ФВ, тому що в потужних діодах такі параметри, як загальна ємність і пряме опір втрат збільшені. Крім цього, конструкція діодів, призначених для роботи на великих рівнях потужності, припускає відвід тепла за рахунок збільшення конструкції держателя діодним структури, що призводить до збільшення паразитної індуктивної та ємнісної провідності діода, які необхідно компенсувати за рахунок схеми включення діода в лінію, Це може привести до ускладнення конструкції ФВ, і утруднить їх використання в ФАР.

Важливим фактором є величина теплового опору переходу: структура діода контактна площадка діода метал корпусу ФВ, яке повинно бути якомога менше. Найбільш вдалим у цьому сенсі є конструкція ФВ [1], параметри якого представлені вище.

Одним із шляхів підвищення вхідного рівня потужності є правильний вибір робочої точки прикладеної негативного зсуву, що дозволить зменшити вплив позитивного викиду прикладеної високочастотного напруги, що потрапляє в область високого опору поблизу нульового зміщення. В ФВ використовують діоди з постійним зворотним напругою> 800 В, замість від’ємного зсуву -27 В, подавалося зміщення -60 В, що дозволило підняти вхідний рівень потужності на 10%.

Найбільш істотним методом підвищення рівня вхідної потужності є застосування в ФВ діодних модулів зі зниженим коефіцієнтом підключення навантаження в лінію. Для цього ФВ необхідно конструювати на основі діодних модулів, що мають фазовий дискрет не більше 11.25 °, що дозволить підвищити вхідний рівень потужності до 3 кВт. Така конструкція ФВ у зв’язку зі зменшеними величинами неоднорідності (використання діодних модулів, що мають фазовий дискрет не більше 11.25 °), дозволить зменшити розкид фазових помилок до ± 3 °, і звести нерівномірність втрат до ± 0.3 дБ. При цьому рівень середніх втрат ФВ підвищиться на 0.3 дБ (1,8 дБ).

III. Висновок

Рис. 1. Фазо-частотна характеристика ФВ Fig. 1. Phase-frequency response of phase shifter

Пропоновані методи поліпшення параметрів швидкодіючих ФВ, що працюють при підвищених рівнях вхідний НВЧ потужності були підтверджені експериментальними дослідженнями. В даний час з урахуванням вищевказаних шляхів побудови ФВ створюється ФВ на рівень вхідної потужності до 4 кВт із збереженням всіх інших характеристик.

IV. Список літератури

[1] Балашов В. П., Г \ / зь В. І., Зайцев А. А., Зайцев А. Н., Ліпатов В. П., Мартинов В. А. Дискретний діодний СВЧфазовращатель. В кн.: 12-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології »: Матеріали конф. [Севастополь, 9-13 сент.2002 р.]. Севастополь: Вебер, 2002, стор 334-337.

[2] Довідник по радіолокації, т. 2.Ред. М. Сколнік.

М., «Радянське радіо», 1976.

IMPROVED PARAMETERS OF FAST PHASE SHIFTERS OPERATING AT INCREASED LEVELS OF INPUT MICROWAVE POWER

Guz V. I., Zaytsev A. A., Lipatov V. P., Lobko V. S., Malhozov M. F., Martynov V. A.

‘Quantum-Radiolocation’ Research Institute

5      Dimitrova Str., Kyiv, Ukraine, 01350 phone/fax: +380 (44) 2209646 e-mail: kvant_rs@i-c.com.ua

Abstract Results of experimentally investigating the performance of 3cm-band discrete semiconductor phase shifters at increased levels of input microwave power are presented. Ways of improving parameters of phase shifters are suggested.

In the present paper the experimental investigation of phase shifters is described; the ways of improving certain areas of their performance are suggested.

IX.           Main part

The detailed experimental researches were carried out on phase shifters in the shape of a 28.5x5mm2 waveguide whose narrow wall contained the phase-shifting diode modules.

The following requirements were put to the phase shifters:

•      3cm operating band;

•      10% bandwidth;

•      phase discrete value of 11.25° over a 0-360° range;

•      set-on accuracy of the discrete value at ±6°;

•      power transmission losses at 1,5±0.5dB;

•       switching times of phase discrete values not exceeding 2|.is;

Puc.2. Амплітуда-частотна характеристика ФВ Fig. 2. Amplitude-frequency response of phase shifter

•       levels of transmitted operating input pulse power not less than 1kW (at an off-duty factor of 15-20 and the pulse duration <30(.is).

The tested phase shifter was constructed on the basis of phase-shifting diode modules of the three following types: 22.5° (20), 11.25° (2) and 5.625°(2).

150 samples of these phase shifters were investigated. Figs. 1 and 2 show a typical phase-frequency and amplitude-frequency performance of phase shifters for each of 32 phase discrete values across the operating frequency range (measurements were made at 8 points of the range). The scatter of transmission losses was 1dB with an average value of 1,5dB and maximum losses not exceeding 2dB (at 4 points out of 256 the losses reached 2.3dB and 2.1 dB, while the other were below 2 dB).

The phase-setting accuracy for 32 discrete values across the operating bandwidth was as follows:

•      ±3° for 236 phase states;

•      ±4° for 15 phase states;

•      ±5° for 5 phase states.

For two batches of phase shifters the tests at high levels of microwave pulsed power were carried out. The first batch used for switching elements the commercially produced 2А546Б-5 diodes (Sapphire company, Moscow), while the second batch diodes developed by the Ukrelprom company, Kiev, with parameters similar to the 2А546Б-5 diode, but with a level of a fixed back voltage> 800V (instead of 500V for the 2А546Б-5 diode).

The first batch sustained the levels of pulsed microwave power of 1 -1,3 kW (pulse duration of ЗОце, off-duty factor of 15), while the second batch1.3-1, 5kW.

To further increase the permissible levels of input power more powerful diodes should be used. However, their utilization is likely to compromise the operating speed and to increase the loss of power in phase shifters, since powerful diodes have greater values of total capacity and series resistance of losses.

An important consideration is the magnitude of the thermal junction resistance (diode structure diode pad metal of the phase shifter body) which should be minimized. From this standpoint, the most successful design of phase shifters is the one described above.

The phase shifters utilized operating diodes with a fixed back voltage of >800V, while instead of a negative bias of -27V a -60V bias was used which allowed the input power to be boosted by 10%.

The best way to increase levels of input power is to implement in phase shifters the diode modules with a reduced factor of connected load in a link. For this purpose, phase shifters should be designed around diode modules having a phase discrete value not exceeding 11.25°, which would allow input power levels to be boosted up to 3kW. This design in view of diminished dissimilarities (the use of diode modules having phase discrete values below 11.25°) would allow a spread in phase errors to be decreased down to ±3° and the losses nonuniformity to be brought down to ±0.3dB. Here the level of average losses for the phase shifters will increase by 0.3dB (1,8dB).

X.  Conclusion

The suggested ways of improving parameters of fast phase shifters operating at larger levels of input microwave power have been validated by experimental researches. With these recommendations in mind, a new phase shifter is being developed at the moment for a 4kW input power retaining all the operational characteristics.

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