МИКРОФАЗОВРАЩАТЕЛИ

МИКРОФАЗОВРАЩАТЕЛИ
(Часть 1)
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 фазовращателей, удовлетворяющих данным требованиям. Например, в 1957
году были изготовлены электронные фазовращатели, 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, используемых для переключения
фаз. 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.
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 и тонкопленочные материалы, такие как
титанат стронция бария.
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
тонкопленочных фазовращателей, а также рассмотрено изготовление полимерных
фазовращателей методом микростереолитографии.
1
1. Разновидности фазовращателей и их ограничения
На рис. 1 показана схема, поясняющая принцип действия фазо-управляемой
решетчатой антенны, построенной на основе фазовращателей. Из схемы видно, что
направление сигнала регулируется изменением относительных фаз между отдельными
элементами антенны.
Рис. 1. Принцип действия фазоуправляемой решетчатой антенны,
построенной на основе фазовращателей
Существуют два типа фазовращателей:
– на основе ферритовых материалов. Здесь сдвиг фаз достигается за счет изменения
поля подмагничивания,
– на основе полупроводниковых компонентов.
1.1. 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.
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.
2
1.2. 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.
1.2.1. Фазовращатели на PIN диодах
PIN-диод состоит из р-n-перехода с минимально легированной внутренней зоной
между областями р- и n-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.
В фазовращателях PIN-диоды выполняют роль электронных ключей, для чего
используется переключение управляющего тока из области прямого смещения в область
обратного смещения. На рис. 2 показана схема и типичная вольтамперная характеристика
PIN диода. Внутренняя I-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 I0 и I0+l,
как показано на рис. 3. Величина фазового сдвига соответствует задержке, вызванной
увеличением длины пути βl, где β – постоянная распространения сигнала в среде.
Рис. 2. а – ВАХ PIN-диода; б – схема диода во включенном и выключенном состоянии
Рис. 3. Схема, поясняющая использование PIN-диода для переключения линий в
фазовращателе
3
1.2.3. 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 (≈ нс), низкой
потребляемой мощностью и совместимостью с монолитными ИС. 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°.
1.3. Ферроэлектрические тонкопленочные фазовращатели
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.
1.4. 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.
2. 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 схему фазовращателей для переключения между двумя сигнальными линиями
разной длины при формировании фазового сдвига, как показано на рис. 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
изготовления. Большим достоинством новых диэлектрических материалов является
возможность организации непрерывной регулировки фаз.
4
2.1. Переключаемые фазовращатели на основе линий задержки
По сравнению с полупроводниковыми ключами на основе PIN диодов и полевых
транзисторов, микропереключатели обладают значительно меньшими вносимыми потерями,
хорошим коэффициентом развязки на высоких частотах, очень низким потреблением мощности по постоянному току и малыми искажениями от взаимной модуляции сигналов и
поэтому могут использоваться во многих ВЧ устройствах, включая фазовращатели. Хотя
существуют две группы микропереключателей: резистивные последовательные ключи (металл-металл) и емкостные параллельные ключи (металл-диэлектрик-металл), в ВЧ
устройствах обычно используются емкостные параллельные ключи, поскольку им требуется
меньшее управляющее напряжение, и они обладают лучшей скоростью переключения по
сравнению с последовательными переключателями.
Рассматриваемые фазовращатели, как правило, состоят из каскадно включенных
фазовращателей, смещающих сигнал на 180 °, 90°, 45°, 22.5°, 11.25°. Переключатели служат
для выборочного подключения разных линий при формировании тракта прохождения ВЧ
сигналов. Разность длин линий определяет значение сдвига фаз. При помощи трехразрядного
фазовращателя удалось получить сдвиг фаз в диапазоне 0°...315° с шагом 45°, а
четырехразрядного – 0°...337.5° с шагом 22.5°. На рис. 4а показан четырехразрядный
фазовращатель, обладающий средними вносимыми потерями на уровне 2.25 дБ, а на рис. 46–
аналогичный трехразрядный фазовращатель с уровнем вносимых потерь, равным 1.7 дБ. Обе
конструкции реализованы на 6-мм кремниевой подложке с высоким удельным
сопротивлением. Переключение в обоих фазовращателях выполнялось при помощи
параллельных емкостных ключей.
Рис. 4. Фотографии: а – четырехразрядного и б – трехразрядного микрофазовращателей.
2.2. Распределенные микрофазовращатели
Емкостной параллельный ключ состоит из тонкой металлической мостовой
структуры, подвешенной над центром электрода копла-нарного волновода, которая под
воздействием постоянного напряжения смещения опускается вниз. На нижний электрод
5
наносится тонкий слой диэлектрического материала, например, нитрид кремния, для
уменьшения эффекта залипания и обеспечения изоляции между металлическим мостом и
нижним электродом.
На рис. 5 показана схема мостового ключа. Когда между нижним электродом и
металлическим мостом подается постоянное напряжение смещения, электростатические
силы притяжения заставляют металлическую мембрану опускаться вниз. При увеличении
напряжения смещения система становится нестабильной и. когда отклонение мембраны
достигает 1/3 от высоты зазора, мостовая структура резко падает на нижний электрод
(рис. 5б).
Напряжение, соответствующее точке нестабильности, называется напряжением
срабатывания, которое задается следующим выражением (1).
1/2
 8k

VP  
g 03  (1)
 27 0Ww 
где ε0 – диэлектрическая проницаемость свободного пространства, W – ширина нижнего
электрода, w – ширина микропереключателя, g0 – высота ключа, а k – эффективный
коэффициент упругости ключа, который можно оценить по формуле:
32 Et 3 w 8 1  v  tw
k

(2)
L3
L
где Е – модуль Юнга для материала моста, t – толщина моста, L – длина ключа, σ –
напряжение остаточного растяжения в конструкции ключа, a υ – коэффициент Пуассона для
материала ключа.
Рис. 5. Схема параллельного моста: а – в разомкнутом состоянии, б – в замкнутом состоянии
Приложенное напряжение смещения между мостовой структурой и нижним
электродом изменяет высоту моста, что в свою очередь приводит к изменению
распределенной емкости микроструктуры. Это вызывает изменение импеданса нагруженной
линии передач и фазовой скорости, в результате чего появляется сдвиг фаз. На рис. 6
показано, что микроструктура, состоящая из нескольких мостов, работает как
фазовращатель, если напряжение смещения не достигает напряжения срабатывания.
Основные недостатки параллельных ключей – низкая скорость переключения
(несколько микросекунд) и высокое управляющее напряжение (20 ... 100 В). В то время как
ключи на PIN диодах имеют скорость переключения порядка 1 мкс при управляющем
напряжении 5 В. Несмотря на низкую скорость переключения, параллельные ключи могут
применяться в фазоуправляемых решетчатых антеннах, однако они не подходят для
использования в устройствах передачи и приема сигналов. Уменьшая высоту зазора между
мостом и нижним электродом, можно снизить управляющее напряжение. Однако при этом
увеличится паразитная емкость моста в разомкнутом состоянии, что приведет к изменению
6
импеданса линии. Существует еще один способ снижения управляющего напряжения —
использование материалов с низким модулем Юнга.
Рис. 6. Схема фазовращателя на основе распределенной линии передач. Ширина и длина
мостовых конструкций составляет 60 мкм и 580 мкм с расстоянием между ними 30 мкм, что
приводит к полной длине структуры, равной 5,2 мм
В работе описан микрофазовращатель на основе распределенной линии передач,
использующий микропереключатели (рис. 6). Это широкополосное устройство дает возможность получить сдвиг фаз, равный 118° при уровне потерь 2 дБ на частоте 60 ГГц. В работе
приведена схема одноразрядного фазовращателя для К/Ка диапазона (рис. 7), реализованного
на основе емкостных микропереключателей, которая выдает сдвиг фаз, равный 270° на
частоте 35 ГГц. Также появилась информация о разработке многоразрядных
микрофазовращателей. Например, в работе дано описание двухразрядного фазовращателя на
основе распределенного копланарного волновода, работающего в Х-диапазоне. Такой
микрофазовращатель состоит из последовательного соединения мостов и МДМконденсаторов. На одной секции можно получить сдвиг фаз 90°, на восьми каскадно
соединенных секциях – 180°, на шестнадцати секциях – 0/90/180/270°. В зависимости от
поданного напряжения на линию передач, меняется емкость всего устройства: от емкости
одного моста (Сb) до полной сосредоточенной емкости устройства (Cs), что является
преимуществом такого микрофазовращателя.
Рис. 7. а – схема фазовращателя, б – его фотография.
Полная длина фазовращателя равна 8,58 мм
На рис. 8 приведена другая конструкция двухразрядного и четырехразрядного
фазовращателей, состоящая из каскадного соединения секций на 180° и 90°.
На рис. 9 показана фотография трехразрядного микрофазовращателя для К-диапазона,
состоящего из трех одноразрядных фазовращателей на 180°, 90° и 45°. Каждый
одноразрядный фазовращатель состоит из копланарного волновода, нагруженного
несколькими параллельными микроконденсаторами
Распределенные микрофазовращатели состоят из линий с высоким импедансом (> 50
7
Ом), имеющих емкостную нагрузку, образуемую за счет подключения повторяющихся
мостовых структур. Для таких конструкций существует верхний предел по частоте, называемый частотой Брэгга, выше которой значительно увеличиваются потери на отражение
сигналов. Для распределенных линий передач и мостовых структур существует несколько
важных параметров, которые необходимо учитывать при разработке микрофазовращателей.
Эти параметры выводятся, исходя из технологии изготовления микроустройства и рабочих
характеристик схемы.
Рис. 8. а – двухразрядные фазовращатели: на 1800 (верзний) и 900 (нижний), б – одна секция
Рис. 9. а – фотография распределенного микровращателя, б – увеличенный вид ключа
8
2.2.1. Разработка распределенных микрофазовращателей
На рис. 10 показана схема распределенного микрофазовращателя, состоящего из
высокоимпедансной линии передач (ZQ), периодически нагружаемой переменными
микроконденсаторами. Нененагруженная линия должна иметь высокий импеданс для того,
чтобы нагруженная линия вместе с мостовыми структурами могла быть согласована с 50-ти
омными устройствами. Емкость Ct и индуктивность Lt ненагруженной линии передач можно
записать в виде:
Ct 
 reff
(3)
cZ 0
Lt  Ct Z 02
(4)
где εreff – эффективная диэлектрическая проницаемость ненагруженной линии передач, с –
скорость распространения в свободном пространстве.
Для копланарной волноводной линии Z0 и εreff зависит от ее физических свойств, что
будет показано далее.
Рис. 10. Схема фазовращателя с распределенной линией передач
Принимая во внимание симметричность копланарной линии передач, аналитические
выражения для электрических параметров в квазипоперечном электромагнитном поле можно
значительно упростить. Для этого в четных волнах распространения сигналов центр
симметрии заменяют на магнитную стенку. Для определения значений характеристик
распространения сигнала применяют метод конформных отображений.
Выражение для полной емкости копланарного волновода можно представить в виде
суммы двух параллельных емкостей: С1 и С2, что связано с наличием в системе воздуха и
диэлектрической подложки:
K  k1' 
12
C1  4 0
 4 0
(5)
35
K  k1 
где
1/2
1
a   b 2  a 2  
k1   1  2  1  2  
b   c 
c  

k1'  1  ki2 
1/2
i  1, 2,...
(6)
(7)
и K(k) – полный эллиптический интеграл первого рода.
Выражение для емкости С2 можно записать как:
K  k2' 
12
C2  2 0   r  1  2 0   r  1
(8)
35
K  k2 
где
9
a 
sinh 

 2h 
k2 
b 
sinh 

 2h 
b 
1  sinh 2 

 2h 
a 
1  sinh 2 

 2h 
c 
sinh 2 

 2h 
c 
sinh 2 

 2h 
(9)
Теперь можно записать выражения для емкости на единицу длины и эффективной
диэлектрической проницаемости копланарного волновода:
K  k1'   1

C  C1  C2  4 0
1    r  1  q1
(10)

K k   2

1
C  r 
1
 1    r  1 q1 (11)
C 1
2
где коэффициент заполнения q1 определяется как:
K  k2'  K  k1 
q1 
(12)
K  k2  K  k1' 
 eff 
Характеристический импеданс волноводной линии определяется выражением:
'
30 K  k1 
Z0 
(13)
 eff K  k1 
Для копланарных волноводов разной конфигурации вышеописанный метод
конформных отображений может быть расширен граничными условиями, учитывающими
верхний экран и защитное покрытие проводников.
Копланарную
волноводную
линию,
периодически
нагружаемую
микроконденсаторами, можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из
сосредоточенных индуктивности Lt и емкости Ct, параллельно с которой включен
заземленный переменный конденсатор (рис. 11). Характеристический импеданс Z1 и фазовая
скорость такой мостовой структуры, нагруженной волноводной линией передач, а также ее
частота Брэгга могут быть записаны в виде:
C 

Z1  Lt  Ct  b 
s 

1
(14)
1/2
 
C 
v1   Lt  Ct  b   (15)
s 
 
v
f Bragg  1
(16)
s
где Сb/s – распределенная емкость нагруженной линии.
Рис. 11. Эквивалентная схема нагруженной распределенной линии передач
Сдвиг фаз на единицу длины, связанный с изменением характеристического
импеданса распределенной линии передач, вызванного изменением емкости мостовой
структуры в ответ на приложенное напряжение смещения, определяется следующим
выражением:
 Z 0  reff  1
1 
 


 рад / м (17)
c
 Z lu Z ld 
где Zlu и Zld – характеристические импедансы распределенной линии передач мостовой
10
структуры в двух состояниях: когда ее емкость минимальна и когда максимальна.
Максимальный сдвиг фаз соответствует моменту, когда приложенное напряжение сравнивается с напряжением срабатывания, определяемого выражением (1).
11
Контрольные вопросы
1. Фазовращатели. Определение. Области применения.
2. Принцип действия фазо-управляемой решетчатой антенны, построенной на основе
фазовращателей.
3. Ферритовые фазовращатели.
4. Фазовращатели на PIN-диодах.
5. Фазовращатели на полевых транзисторах.
6. Переключаемые фазовращатели на основе линий задержки.
7. Схема параллельного моста. Принцип действия.
8. Схема фазовращателя на основе распределенной линии передач. Принцип действия.
9. Фазовращатели с распределенной линией передач. Структура. Принцип действия.
12