Глава 2
ФАЗОВРАЩАТЕЛИ С ОТРАЖАЮЩИМИ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА p-i-n-ДИОДАХ
Одним из широко используемых в настоящее время типов фазовращателей является фазовращатель на p-i-n-диодах [65, 66]. Большой интерес к данному типу фазовращателей вызван тем, что фазовращатели на p-i-n-диодах легко интегрируются в MMIC, а технологический процесс их изготовления может быть совмещен с процессом изготовления всей интегральной микросхемы в целом. Однако, существенным недостатком данного типа фазовращателей является высокий уровень вносимых потерь, а также наличие существенной фазовой ошибки при использовании данного типа фазовращателя в широкополосных устройствах. Уменьшение уровня потерь и величины фазового сдвига в фазовращателях данного класса позволит расширить диапазон применения фазовращателей на p-i-n-диодах. В данной главе будут рассмотрены методы уменьшения уровня потерь и величины фазовой ошибки в широком диапазоне частот в проходном фазовращателе известной конструкции с отражающими фазовращательными элементами на p-i-n-диодах [67].
Для построения проходных фазовращателей на основе элементов отражательного типа обычно используются конструкции на основе направленных ответвителей [68]. Известны методики расчета данного типа фазовращателей [68 -70]. Однако, большинство методик направлены на обеспечение требуемого фазового сдвига, при этом вносимые потери, обусловленные как диэлектрическими потерями в подложках, так и омическими потерями в металлизации и активных элементах, остаются вне поля зрения при проектировании. В данной главе рассматривается модель проходного фазовращателя на основе направленного ответвителя с фазовращательным элементом отражательного типа, которая учитывает потери в отражающей цепи.
Для анализа данного типа фазовращателей использован подход волновых СВЧ-матриц. Волна на входе каждого из полюсов n - полюсника может быть представлена как сумма падающей и отраженной волн
,
где - вектор напряжений на входах многополюсника, - вектор падающих волн напряжения на входах многополюсника, - вектор отраженных волн напряжения на входах многополюсника [71]. Тогда, для n - полюсника матрица рассеяния будет иметь вид:
,
где - элементы матрицы рассеяния.
Большинство существующих расчетных моделей фазовращателя с направленным ответвителем не учитывают потери в отражающей цепи, обусловленные диэлектрическими потерями в подложке, омическими потерями металлизации, а также потерями диодов. Между тем, величина потерь может быть значительной, и это может привести к значительным расхождениям между результатами моделирования и характеристиками реального прибора. Потери в микрополосковой линии, включая как диэлектрические потери в подложке, так и омические потери металлизации, могут быть учтены введением мнимой компоненты эффективной комплексной диэлектрической проницаемости линии. Потери диодов могут быть учтены в параметрах четырехполюсников, представляющих их модели, включенные в отрезки линии. Представленная модель фазовращателя позволяет выбрать его конструктивные параметры таким образом, чтобы получить минимальные потери и минимальную фазовую ошибку.
2.1. Моделирование фазовращателя как СВЧ-многополюсника
В рассматриваемом фазовращателе для разделения падающей и отраженной волны используется трехдецибельный направленный ответвитель (рис. 2.1.). Сигнал поступает на вход 1 направленного ответвителя и снимается с выхода 2. Выходы 3 и 4 нагружены на отражающие фазовращатели с управляющими -диодами. Сигнал, поступающий на вход 1, делится трехдецибельным направленным ответвителем поровну между его выходами 3 и 4. Проходя через отражающие фазовращатели, отраженный сигнал складывается на выходе 2. Таким образом, все устройство в целом образует схему проходного фазовращателя, в котором фазовый сдвиг определяется, в основном, фазовыми сдвигами двух отражательных цепей на -диодах [68].
Рис. 2.1. Отражательный фазовращатель с направленным ответвителем.
Описанный фазовращатель может быть рассмотрен как восьмиполюсник, два порта которого нагружены на отражающие звенья. Для анализа такого восьмиполюсника можно воспользоваться методом четных и нечетных мод. В этом методе волна, распространяющаяся вдоль микрополосковой линии передачи, выражается в терминах двух режимов работы: четной и нечетной симметрии относительно плоскости симметрии, которая может быть заменена электрической или магнитной стенкой [72]. Матрица рассеяния восьмиполюсника может быть рассчитана на основе матрицы для четных и нечетных мод [73]:
;
;
;
,
где, - компоненты -матрицы для четной и нечетной моды соответственно.
;
;
;
;
;
;
, ,
где l - геометрическое расстояние между отражающими звеньями фазовращателя, - длина волны в отрезке микрополосковой линии на центральной частоте, - длина волны в отрезке микрополосковой линии на рассматриваемой (текущей) частоте.
Зная коэффициент отражения от отражающей цепи , можно найти коэффициент передачи и коэффициент отражения всего фазовращателя с направленным ответвителем [73]:
;
,
где - коэффициент прохождения фазовращателя, - коэффициент отражения фазовращателя, - коэффициент отражения от отражающей цепи, - -тый компонент матрицы рассеяния восьмиполюсника.
2.2. Моделирование отражающей цепи
Отражающий участок фазовращателя показан на рис. 2.2. Разностный фазовый сдвиг на выходе фазовращателя, в основном, определяется электрической длиной полоска ?1.. Его длина может быть точно определена численными методами [73]. Полосок ?2 является подстроечным элементом и выбирается исходя из конкретной задачи. Например, выбирая этот полосок определенным образом, можно минимизировать вносимые потери или фазовую ошибку. Для увеличения конструктивной гибкости фазовращателя, также можно варьировать характеристические сопротивления отражающей цепи фазовращателя и . В данной главе основное внимание уделено выбору длины полоска с целью минимизации фазовой ошибки и вносимых потерь.
Рис. 2.2. Отра