Имитационное трехмерное электромагнитное моделирование плавного фазовращателя

№ 6’2014
PDF версия
Фазовращатели (ФВ) являются элементами многих современных многоканальных приемопередающих трактов коммуникационных систем. Использование в таких системах быстродействующих устройств изменения фазы позволяет управлять положением диаграммы направленности в пространстве и обрабатывать принятый сигнал по заданному алгоритму. Следует отметить, что для обеспечения фазирования необходимо задать не абсолютное значение фазового сдвига в каждом канале, а разность фазовых сдвигов соседних элементов антенны [1].

Введение

Принцип работы ФВ заключается в том, что под воздействием внешних электрических или магнитных полей, а также тока или напряжения происходит изменение параметров элементов, входящих в состав управляющего устройства, а именно комплексного сопротивления полупроводникового элемента. В варакторах и варикапах при изменении управляющего напряжения на обратно смещенном p‑n‑переходе меняется в основном реактивная составляющая комплексного сопротивления, имеющая в области рабочих частот емкостный характер. Изменение емкости происходит плавно, что и обуславливает применение этих управляющих элементов для плавных ФВ. Применение же pin-диодов для плавных ФВ ограничено тем, что под воздействием управляющего напряжения скачкообразно меняется активная составляющая сопротивления.

Плавные ФВ можно разделить на ФВ проходного и отражательного типов. Основными элементами отражательных плавных ФВ являются включенные различными способами короткозамкнутые отрезки линий с варакторами. Короткозамкнутые отрезки (отражающие звенья) могут соединяться с общим трактом линии передачи либо непосредственно, либо через четырехполюсники. В ФВ проходного типа варакторы подключены непосредственно в тракт линии передачи. Управляющие элементы регулируют фазу сигнала на пути к короткозамыкателю и обратно.

Функциональная характеристика СВЧ-фазовращателя оценивается величиной фазового сдвига и величиной вносимых потерь [2]. Качество фазовращателя (F) определяется как отношение фазового сдвига Dj (°) к вносимым потерям (дБ):

F = Δφ/L.

Количественная характеристика ФВ непосредственно связана с фактором коммутационного качества (ФКК) K активного элемента, на основе которого реализован ФВ. Максимально достижимое значение качества фазовращателя определяется выражением:

F = (6…9)K.

Упрощенная эквивалентная схема варактора представляет собой последовательно соединенные сопротивление и емкость соответственно для нулевого и ненулевого постоянного напряжения смещения: r1, C1 и r2, C2.

При изменении управляющего напряжения сопротивление варактора практически не меняется, и ФКК определяется как

Формула

Используя соотношения (1), можно выбрать варактор, комбинируя величины Сmax, Cmin и R, с тем чтобы получить максимальную величину К.

Основным достоинством варактора как перестраиваемой емкости является большой параметр управляемости: Сmax/Cmin = 10 и более, что позволяет получить более широкий диапазон перестройки. Кроме того, он имеет высокую добротность, а управляющее напряжение составляет единицы вольт при силе тока в десятки микроампер. Последнее означает, что устройства с варакторным управлением могут перестраиваться с высокой скоростью и малым энергопотреблением.

Одним из перспективных путей сокращения трудоемкости и повышения эффективности проектирования СВЧ-устройств является использование пакетов автоматизированного проектирования [3–5]. Существующие программы позволяют моделировать одно- и многослойные пассивные компоненты, такие как линии передачи, катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы, переходные отверстия, воздушные мосты, трансформаторы и т. д. Они дают возможность вычислить электромагнитные поля в любой структуре, а также учесть эффекты излучения, поверхностных волн и взаимодействия с соседними элементами схемы.

В таблице приведен обзор некоторых САПР СВЧ, используемых для анализа СВЧ-устройств в научно-образовательном центре компьютерного моделирования и электронных САПР антенн и устройств СВЧ Южного федерального университета [6, 7, 8, 9].

Таблица. Обзор некоторых САПР СВЧ, используемых для анализа СВЧ-устройств

Компания

Название программного обеспечения

Тип анализируемой структуры

Метод анализа

Анализируемая область

ANSYS

HFSS

3D произвольная

FEM

Частотная

EM Software & Systems-S.A.

FEKO

MoM

FEM

Zeland Software

IE3-D

MoM

CST

CST Studio

MoM

FIT

 

САПР для анализа полосковых СВЧ-устройств

Пакеты САПР СВЧ для электромагнитного моделирования базируются на различных способах решения (таблица): на методе моментов (МoМ) для планарных структур, методе конечных элементов (FEM) и методе конечного интегрирования (FIT) для произвольных структур. С их помощью можно выполнить анализ структур в частотной области. Кроме того, существует несколько методов анализа во временной области: метод линий передач (Transmission Line Method, ТLМ) и метод конечных разностей во временной области (Finite Different Time Domain, FDTD), а для перехода в частотную область используется быстрое преобразование Фурье.

Пакеты машинного проектирования позволяют оценить влияние технологических допусков и разбросов электрических параметров входящих в устройство элементов на его характеристики, а также исследовать чувствительность по отношению к параметрам паразитных элементов.

Проектирование СВЧ-микрополосковых устройств включает этапы системотехнического проектирования (выбор принципов работы и структурных схем устройств), схемотехнического и/или электродинамического проектирования (выбор и расчет принципиальной схемы устройства, моделирование), конструкторского проектирования (разработка топологии фазовращателя), технологического проектирования (разработка технологического процесса изготовления устройства).

Исходные данные для моделирования — базовая топология ФВ с указанием электрофизических параметров применяемых материалов и параметры эквивалентной схемы варакторов, используемых в качестве переменной емкости. Характеристики устройства, полученные в результате анализа, сравниваются с заданными техническими требованиями. Если полученные результаты не соответствуют заданным требованиям, то параметры устройства могут изменяться либо самим разработчиком по определенному алгоритму, либо оптимизироваться с помощью встроенных программ. Метод оптимизации выбирается из условия достижения минимума целевой функции и в процессе проектирования может меняться, при этом достигнутые значения параметров будут являться исходными при использовании следующего метода оптимизации. При оптимизации устройства в качестве оптимизируемых функций выступают элементы S‑матрицы устройства, то есть коэффициент передачи, коэффициент стоячей волны (КСВН) или же другие характеристики. Если модель ФВ была выбрана правильно, то получается достаточно высокое совпадение характеристик рассчитанного и изготовленного устройства.

Конструкция одного звена электрически управляемого плавного СВЧ ФВ приведена на рис. 1. Устройство состоит из диэлектрической подложки, нижняя поверхность которой полностью металлизирована и заземлена; на верхней стороне подложки выполнена полосковая структура, представляющая собой неоднородную микрополосковую линию, в разрывы которой включены варакторы. К участкам микрополосковой линии, примыкающим к местам включения варакторов, подключены микрополосковые шлейфы. Схемотехнически ФВ является шестизвенным ФВ на основе Т‑мостов, степень связи между которыми определяется емкостью варакторов и длиной шлейфов. В многозвенной конструкции при изменении емкости варакторов происходит смещение фазы сигнала на входе очередного Т‑моста, что приводит к соответствующему сдвигу фазы на выходе, и в рабочей полосе частот Т‑мостов устройство может работать как управляемый плавный ФВ.

Одиночный каскад ФВ с варакторами, подключенными в проходном режиме

Рис. 1. Одиночный каскад ФВ с варакторами, подключенными в проходном режиме

В конструкцию ФВ не включены вспомогательные элементы, мало влияющие на режим работы устройства на СВЧ: цепи подачи постоянного напряжения смещения на варакторы, разделительные конденсаторы цепей смещения варакторов от внешних линий, а также разделительные входной и выходной конденсаторы, емкости которых определяются из условия оптимального согласования.

ФВ исполняется на основе микрополоской линии (МПЛ). При моделировании использовались следующие конструктивные параметры устройства:

  • подложка длиной 45,8, шириной 22,7 и толщиной 1 мм;
  • относительная диэлектрическая проницаемость материала RF4 ε = 4,6;
  • тангенс угла диэлектрических потерь tgδ= 0,001;
  • ширина участков МПЛ: 0,9 мм;
  • длина входного и выходного участков: 3,2 мм;
  • длина соединительных участков: 4,1 мм;
  • длина участков, входящих в состав Т‑мостов: 1,5 мм;
  • длина шлейфа: 16,8 мм;
  • ширина шлейфа: 0,961 мм.

Характеристики рассчитаны для пяти значений управляющего напряжения, реализующего емкости варакторов: 0,5; 1,8; 3; 5,1; 7,5 пФ.

Предварительный инженерный расчет ФВ по Т‑схеме дает фазовый сдвиг для одной секции [10, 11]:

Формула

Рабочая частота фазовращателя должна быть выше частоты Брегга:

Формула

Если рабочая частота ФВ соответствует условию ω >> ωВ, то фазовый сдвиг становится очень небольшим и может быть найден по приближенной формуле:

Формула

а входное сопротивление определяется как:

Формула

Обеспечивая минимум отражения в линии передачи Zo = 50 Ом, емкость варактора должна соответствовать требованию:

Формула

В результате фазовый сдвиг для одной секции:

Формула

а для нескольких секций соответственно:

Δφ = Δβ×n.

Исследуемый модуль ФВ представляет собой включенные последовательно шесть каскадов, построенных по Т‑схеме (рис. 2).

Шестизвенный модуль ФВ, построенного по Т схеме

Рис. 2. Шестизвенный модуль ФВ, построенного по Т схеме

Исследование и оптимизация одного каскада (Т‑схемы) является базовой задачей моделирования, решение которой позволяет затем перейти к моделированию многозвенного модуля ФВ, состоящего из нескольких каскадов.

Для оптимизации и моделирования устройства использовалась программа электромагнитного моделирования FEKO компании EM Software. В результате оптимизации фазовый сдвиг одного каскада (Т‑схемы) составил порядка 60° в полосе 1,4–1,6 ГГц. Изменение фазы имеет линейный характер как в диапазоне частот 1,2–2,5 ГГц, так и при изменении управляющего напряжения на варакторе. Максимальный коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) в полосе частот 1,4–1,6 ГГц не превышает 2. Коэффициент отражения (S11) ФВ по входу не превышает –12 дБ. Увеличение емкости варактора приводит к расширению полосы частот, в пределах которой КСВН не превышает 2. Однако с ростом емкости уменьшается скорость изменения фазы. Максимальные потери (S21) в диапазоне рабочих частот 1,4–1,6 ГГц равны 0,3 дБ и имеют малую неравномерность. С ростом частоты уровень потерь возрастает тем больше, чем меньше емкость варактора, и составляет –1 дБ для 7,5 пФ и –2 дБ для 1,8 пФ. Увеличение количества каскадов приводит к практически пропорциональному увеличению уровня потерь в ФВ. Ухудшение характеристик может быть связано с необходимостью дополнительного согласования между каскадами.

Для обеспечения большего фазового сдвига рассмотрен ФВ в виде каскадного соединения шести Т‑мостов. На вход и выход ФВ добавлены разделительные емкости, осуществляющие развязку по питанию от других устройств СВЧ-тракта. Каждая ячейка имеет пару блокировочных емкостей и индуктивностей для блокировки СВЧ-сигнала на устройство управления. Питание каскадов осуществляется параллельно; в цепи питания последовательно включены токоограничивающие сопротивления для защиты варакторов.

На рис. 3 приведена топология исследуемого ФВ.

Топология ФВ с цепями управления и без них

Рис. 3. Топология ФВ с цепями управления и без них

Как видно на рис. 4а, происходит сдвиг фаз колебаний при изменении значения емкостей. Разность фаз при значениях емкостей 1,8 и 7,5 пФ уже составляет больше 360°. Изменение фазы носит практически линейный характер как в диапазоне напряжений, так и в частотном диапазоне. КСВН ФВ в полосе частот 1,4–1,6 ГГц не превышает 3 (рис. 4б) при емкости варактора до 5,1 пФ. Коэффициент отражения (S11) ФВ по входу (рис. 5а) имеет максимальное значение –6 дБ. Максимальные потери составили 3 дБ (рис. 5б). Можно заметить, что при небольших значениях емкостей наблюдается нелинейность в фазовой характеристике обратных потерь и КСВН, а с увеличением емкости варактора более 7,5 пФ происходит замедление изменения фазы ФВ и рост коэффициента отражения в диапазоне 1,4–1,6 ГГц.

Зависимость от емкости варактора

Рис. 4. Зависимость от емкости варактора:
а) фазового сдвига;
б) КСВН

Частотная зависимость от емкости варактора

Рис. 5. Частотная зависимость от емкости варактора:
а) обратных потерь (S11) ФВ;
б) вносимых потерь (S21) ФВ

Таким образом, наиболее интересным диапазоном изменения емкостей является 1,8–7,5 пФ. Перекрытие по емкости составляет 4. Изменение фазы ФВ — более 360°.

На рис. 6 приведены результаты численного моделирования характеристик ФВ и экспериментально полученные данные для вносимых и обратных потерь. Экспериментальные характеристики хорошо согласованы с результатами численного исследования. Отличия объясняются неточностями между реальной топологией и расчетными параметрами, несоответствием сопротивлений и емкостей варакторов, а также возможным разбросом электрофизических параметров подложки.

Сравнение результатов численного и экспериментального моделирования при емкости варактора 3 пФ

Рис. 6. Сравнение результатов численного и экспериментального моделирования при емкости варактора 3 пФ:
а) вносимых потерь;
б) обратных потерь

 

Заключение

Таким образом, показана возможность моделирования СВЧ-модуля плавного ФВ при каскадном соединении четырехполюсников. Представлены результаты численного моделирования плавных многокаскадных ФВ на основе элементов с управляемой емкостью. Приведенные экспериментальные частотные характеристики ФВ, изготовленного по результатам численного моделирования, полностью согласуются с расчетными данными.

Литература
  1. Хижа Г. С., Вендик И. Б., Серебрякова Е. А. СВЧ фазовращатели и переключатели. М.: Радио и связь, 1984.
  2. Vendik L. B., Vendik O. G., Kollberg E. L. Commutation.quality factor of two-state switching devices // IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech. 2000. 48. No 5.
  3. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987.
  4. Никольский В. В., Орлов В. П., Феоктистов B. Г. и др. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ. М.: Радио и связь, 1982.
  5. Фуско В. СВЧ-цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.
  6. http://www.appwave.com/products/si
  7. ansys.com
  8. cst.com
  9. Кисель Н. Н. Моделирование прикладных задач электродинамики и антенн на супервычислительной системе в пакете FEKO: Уч. пос. Таганрог: изд-во ЮФУ, 2013.
  10. Кисель Н. Н., Грищенко С. Г., Богаченко Д. А. Моделирование электрически управляемого фазовращателя со структурой полосно-заграждающего фильтра // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 5.
  11. Kim H., Kozyrev A. B., Karbassi A. Van Der Weide Linear tunable shifter using a left-handed transmission line // IEEE Microwave and Wireless components letters. 2005. Vol. 15. No 5.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *