ГЛАВА 6

МИКРОФАЗОВРАЩАТЕЛИ

6.1. Введение

Фазовращатель - это четырехполюсная схема, разность фаз между входом и выходом которой задается сигналом управления, обычно постоянным напряжением смещения. Поскольку фазовращатели обладают малыми вносимыми потерями, низкой мощностью управляющего сигнала, возможностью непрерывной регулировки и небольшой стоимостью изготовления, они используются для построения легких фазоуправляемых решетчатых антенн. Современные СВЧ и ВЧ фазоуправляемые решетчатые антенны пользуются широким спросом из-за их способности управлять волновым сигналом в пространстве без физического перемещения элементов антенны, что необходимо для быстрого перенаправления сигнала или его формирования. Это достигается при помощи электронного управления фазой сигнала в системе антенны. Таким образом можно сформировать любую форму сигнала антенны и направить его в нужную сторону, не приводя в движение ни один элемент антенны. Типовая современная решетчатая антенна состоит их нескольких тысяч элементов, каждый из которых управляется фазовращателем, что позволяет получать практически любое результирующее направление сигнала. Поэтому для таких антенн просто необходимы легкие фазовращатели, обладающий малыми потерями и низкой стоимостью.

Фазовращатели, как правило, относятся к классу цифровых устройств, поскольку они могут обеспечивать только дискретный ряд значений, например, 90°, 45°, 22.5°, 11.25° и т.д., но также может быть разработан аналоговый фазовращатель, позволяющий непрерывную регулировку фазы.

В фазоуправляемых решетчатых антеннах фазовращатели меняют эффективную длину пути линии передач, настраивая сдвиг фаз для каждого элемента. Для корректной работы в составе антенны от фазовращателя требуется хорошее согласование по импедансу, возможность оперировать с сигналами требуемой мощности, низкая мощность сигналов управления и быстрая скорость реакции. К настоящему моменту времени уже разработано много вариантов фазо-

вращателей, удовлетворяющих данным требованиям. Например, в 1957 году были изготовлены электронные фазовращатели (Reggia, Spencer, 1957), что было по тем временам огромным достижением, поскольку они позволили реализовать практически безинерционное управление фазой, невозможное при использовании механических фазовращателей. В дополнение к ферритовым фазовращателям в середине шестидесятых годов двадцатого века был разработан другой важный класс фазовращателей, названный полупроводниковыми фазовращателями, реализованными на основе PIN диодов (см. раздел 3.4.2), используемых для переключения фаз (White, 1965). После чего произошел качественный скачок в развитии электронных фазовращателей. Например, на основе полупроводниковых технологий был построен новый тип активных полупроводниковых фазовращателей, использующих GaAs полевые транзисторы, что дало возможность изготавливать монолитные устройства (Coget et al, 1989, Kato et al, 1992).

Как правило, ферритовые фазовращатели обладают низкими вносимыми потерями и могут работать с довольно мощными сигналами, однако они являются сложными по своей природе и имеют высокую стоимость изготовления. В то время как полупроводниковые фазовращатели, построенные на основе PIN диодов или полевых транзисторов, являются более дешевыми и меньшими по размеру по сравнению с ферритовыми, однако их применение ограничено большими вносимыми потерями. Для преодоления этих ограничений недавно были разработаны новые виды фазовращателей, использующих мостовые электромеханические микросистемы (Barker, Rebeiz, 1998, De Flaviis, Alexopoulos, 1997, Liu et al, 2000, Pillans et al, 2000) и тонкопленочные материалы, такие как титанат стронция бария (BST, Jose et al, 2001, Varadan et al, 1991, 1995).

В настоящее время уделяется повышенное внимание разработке фазоуправляемых решетчатых антенн на основе микрофазовращателей. В этой главе описаны несколько вариантов фазовращателей, в том числе микрофазовращателей и ферроэлектрических тонкопле-ночныхфазовращателей, а также рассмотрено изготовление полимерных фазовращателей методом микростереолитографии.

6.2. Разновидности фазовращателей и их ограничения

На рис. 6.1 показана схема, поясняющая принцип действия фазо-управляемой решетчатой антенны, построенной на основе фазовра-

щателей. Из схемы видно, что направление сигнала регулируется изменением относительных фаз между отдельными элементами антенны. Существуют два типа фазовращателей:

(1) на основе ферритовых материалов. Здесь сдвиг фаз достигается за счет изменения поля подмагничивания,

(2) на основе полупроводниковых компонентов.

направление луча

излучатели

фазовращатели

Схема

распределения мощности

Рис. 6.1. Принцип действия фадоуправляемой решетчатой антенны, построенной на основе фазовращателей. Репродукция из книги Varadan et al, 1995

6.2.1. Ферритовые фазовращатели

Принцип действия таких фазовращателей основан, на взаимодействии электромагнитных волн с движением электронов в намагниченных ферритах. Приложенное магнитное поле изменяет магнитную проницаемость ферритов, что сказывается на движении электронов. Поэтому, управляя приложенным магнитным полем, можно регулировать постоянную распространения электромагнитных волн, и, соответственно менять их фазу. Ферритовые фазовращатели могут найти свое применение в различных устройствах, таких как волноводы, коаксиальные линии, полосковые и микрополосковые

линии, работающие либо в цифровом, либо в аналоговом режимах (Koul, Bhat, 1991).

Благодаря тому, что ферритовые фазовращатели имеют малый вес и размеры, они широко используются в фазоуправляемых решетчатых антеннах. Однако из-за сравнительно высокой стоимости, сложности и ограничений по частоте они не годятся для применения во многих военных комплексах и спутниковых системах мобильной связи.

6.2.2. Полупроводниковые фазовращатели

В зависимости от типа электронного ключа, используемого для управления полупроводниковыми фазовращателями, они делятся на две группы: фазовращатели на PIN диодах и фазовращатели на полевых транзисторах.

6.2.2.1. Фазовращатели на PIN диодах PIN диод состоит из р-п перехода с минимально легированной внутренней зоной между областями р- и п-типа. Введение дополнительной внутренней зоны позволяет изменять характеристики диода, например, при прямом смещении можно регулировать проводимость устройства, а при обратном смещении - его емкость. PIN-диоды широко применяются в СВЧ схемах для модуляции амплитуды, ослабления сигналов и в составе ВЧ ключей, фазовращателей и ограничителей.

выключенное состояние

РйсГ 6.2. а - Вольтамперная характеристика PIN-диода, б - схема диода во включенном и выключенном состоянии (см. рис. 3.6)

В фазовращателях PIN диоды выполняют роль электронных ключей, для чего используется переключение управляющего тока из области прямого смещения в область обратного смещения. На рис. 6.2 показана схема и типичная вольтамперная характеристика PIN диода. Внутренняя 1-зона влияет на переключательные характеристики диода следующим образом: при прямом смещении она уменьшает

импеданс диода, а при обратном смещении - значительно увеличивает его. В фазовращателях, использующих PIN диоды, сдвиг фаз формируется за счет переключения сигнала между линиями разной длины /о и /о-ьь как показано на рис. 6.3. Величина фазового сдвига соответствует задержке, вызванной увеличением длины пути где Р - постоянная распространения сигнала в среде.

lo+l

/о

Рис. 6.3. Схема, поясняющая использование PIN диода для переключения линий в фазовращателе

6.2.2.2. Фазовращатели на полевых транзисторах Полевые транзисторы, используемые как двухполюсные ключи, управляются напряжением смещения на затворе. По сравнению с PIN диодами они обладают несколькими преимуществами: значительно большей скоростью переключения (~ не), низкой потребляемой мощностью и совместимостью с монолитными ИС (Koul, Bhat, 1991). В то время как фазовращатели на PIN диодах являются цифровыми по своей природе, фазовращатели на полевых транзисторах могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

Однако полупроводниковые фазовращатели на PIN диодах и полевых транзисторах являются довольно дорогими устройствами, обладающими значительными потерями в СВЧ диапазоне, в то время как для применения в решетчатых антеннах необходимы недорогие рентабельные компоненты. С этой точки зрения для построения микрофазовращателей перспективными являются две новые технологии, использующие тонкопленочные нелинейные диэлектрики и микропереключатели. Было показано, что микрофазовращатели, реализованные по этим технологиям, обладают значительно меньшими вносимыми потерями (< 2 дБ) и возможностью сдвига фаз в СВЧ диапазоне вплоть до 360°.

6.3. Микрофазовращатели

Микропереключатели и другие микроустройства обладают исключительными рабочими характеристиками в ВЧ и СВЧ диапазонах, такими как высоким коэффициентом развязки и низкой мощностью цепей управления. Микропереключатели могут быть включены в cxeMj фазовращателей для переключения между двумя сигнальными линиями разной длины при формировании фазового сдвига, как показано на рис. 6.3, или использоваться в качестве распределенных емкостных ключей, в которых переключатель меняет эффективную емкость линии передач. Объединение технологий производства микросистем и новых диэлектрических материалов с регулируемыми характеристиками позволит реализовать в ближайшем будущем легкие и недорогие решетчатые антенны с большим диапазоном настройки фаз при значительном снижении стоимости их изгото-

6.2.3. Ферроэлектрические тонкопленочные фаз овращат ели

Применение тонких пленок из титаната стронция бария (BST) для изготовления перестраиваемых ВЧ и СВЧ компонентов, таких как фильтры и фазовращатели, является очень перспективным. При этом используется следующее свойство BST - изменение диэлектрической проницаемости при изменении приложенного электрического поля. В разделе 6.4 будет дано подробное описание фазовращателей на основе тонких пленок из BST.

6.2.4. Ограничения фазовращателей

Несмотря на то, что ферритовые фазовращатели обладают низкими вносимыми потерями и могут работать с сигналами большой мощности, их сложность и стоимость являются большими проблемами, мешающими их распространению. Полупроводниковые фазовращатели на PIN диодах и полевых транзисторах - более дешевые и меньше по размерам по сравнению с ферритовыми устройствами, но из-за больших вносимых потерь на высоких частотах и невозможности работы с мощными сигналами их применение также ограничено. Невозможность организации непрерывной регулировки фазы является проблемой существующих фазовращателей, в то время как в современных адаптивных антеннах и фазоуправляемых радарах требуется именно непрерывный режим настройки сдвига фаз.