CC BY
37======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1
Yu. L. Gorobinsky, O. P. Igolkin, V. I. Kuznetcov, B. N. Makhov Joint-stock company "Svetlana"
Discrete diode faze shifter based on switched channels
Results of development of diode faze shifters based on switched channels for decimeter and centimeter wavelength diapasons is given.
Faze shifter, diode
Статья поступила в редакцию 17 января 2005 г.
УДК 621.317.3
И. Б. Вендик
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Электрически перестраиваемые и управляемые устройства СВЧ: предельные характеристики
Предложен универсальный критерий оценки качества перестраиваемых и управляющих устройств, максимальное значение которого ограничивается коммутационным качеством управляемого элемента. Приведены примеры реализации устройств (перестраиваемых резонаторов, фильтров, дискретных фазовращателей) с высоким значением параметра качества.
Управляемые устройства СВЧ, критерий качества, коммутационное качество
Устройства диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) с электрической перестройкой характеристик (резонансной частоты, фазы) находят широкое применение в радиотехнических системах. Среди них переключатели, фазовращатели (ФВ), генераторы с перестройкой частоты, перестраиваемые фильтры и др. Несмотря на то, что эти устройства давно разрабатываются и применяются, до сих пор не существует принятого подхода к оценке фундаментальных характеристик устройств и критерию качества. В настоящей статье обсуждается возможность введения таких параметров для устройств, использующих в качестве управляемого элемента электрически перестраиваемый конденсатор.
Теоретическая оценка качества перестраиваемых устройств. Перестраиваемый элемент характеризуется коммутационным качеством K, определяемым параметрами эквивалентной схемы элемента в виде последовательного соединения активного и реактивного сопротивлений в двух различных состояниях Zi 2 = Ri 2 + iXi 2 [ 1 ]—[3]:
K = (X2 - Xi)2/(R1R2).
Для перестраиваемого конденсатора K = (n -i)2/[n tg(Si) tg(62 )], где n = C2/Q -управляемость конденсатора, определяемая отношением его емкостей в двух состояниях; Si 2) - тангенс угла диэлектрических потерь материала диэлектрика конденсатора.
© И. Б. Вендик, 2005
45
Коммутационное качество зависит от частоты и уменьшается с ее увеличением. Сравнение различных элементов по этому параметру показало [4], что элементы на перестраиваемых конденсаторах, выполненных на полупроводниковых варикапах и на сегнетоэлектрических ва-ракторах, сопоставимы с р—-п-диодами, превосходят транзисторы, работающие в режиме ключа, и уступают только элементам на микроэлектромеханических структурах (МЭМС).
Два класса устройств могут быть успешно выполнены с применением перестраиваемых конденсаторов: перестраиваемые фильтры, состоящие из перестраиваемых резонаторов, и управляемые фазовращатели. Введем параметр качества для этих устройств.
Перестраиваемые резонаторы. Основным элементом перестраиваемого фильтра является перестраиваемый резонатор, характеристиками которого служат его собственная добротность Оо и коэффициент перестройки 7 = ^02/Ю01. Определим качество перестраиваемого резонатора ¥ количеством полос Дю (Дш = Юо/Оо - ширина полосы пропускания резонатора) на частотном интервале перестройки ®02 - ю01:
¥ = («02-®01)/А® = (У-1) О). (1)
Если перестраиваемый резонатор выполнен в виде резонансного ЬС-контура, в котором конденсатор с управляемостью п является перестраиваемым, а катушка индуктивности не имеет потерь, то выражение (1) преобразуется к виду [2], [5]:
¥ « 0.5л/К, (2)
т. е. качество перестраиваемого резонатора определяется коммутационным качеством конденсатора. Реально катушка индуктивности характеризуется конечным значением добротности, и качество перестраиваемого резонатора будет меньше рассчитываемого по формуле (2). Если перестраиваемый резонатор выполнен в виде отрезка линии передачи со встроенным конденсатором, то качество этого резонатора будет еще меньше и определится коэффициентом включения конденсатора к < 1.
Перестраиваемые фильтры. Для перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра (ППФ), кроме диапазона перестройки, важной характеристикой являются потери в полосе пропускания. В связи с этим определим качество перестраиваемого фильтра выражением [6]
¥ = -е»01 1 Г^ * 1 [дБ]-1, (3)
8ш ^ 4.34К *
где 5ю - полоса пропускания фильтра; Ьу, ¿2 - потери в полосе пропускания фильтра на нижней и верхней границах частотного диапазона перестройки соответственно [дБ]; О01, О02 - добротности фильтра на нижней и верхней частотах диапазона перестройки соответственно; N - порядок фильтра.
При выполнении фильтра на резонансных ЬС-контурах с катушками индуктивности без потерь формула (3) преобразуется к виду
¥ = ^/Z/(8.68N) [ дБ]-1. (4)
Выражение (4) определяет максимально достижимое значение параметра качества перестраиваемого фильтра. Теоретический анализ показывает, что параметр качества име-
46
ет максимум, который достигается оптимальным выбором коэффициента включения управляемого конденсатора в резонатор [6].
Управляемые фазовращатели. Управляемые фазовращатели обеспечивают непрерывное или дискретное изменение фазы коэффициента отражения или передачи под действием управляющего сигнала, поданного на перестраиваемый конденсатор. Определим качество ФВ как отношение фазового сдвига [град.] к средним потерям [дБ] [7]:
F = Дф/y¡LlL1 [град./дБ]. (5)
Для ФВ на сосредоточенных элементах без потерь, содержащего перестраиваемый конденсатор с коммутационным качеством К, выражение (5) приводится к виду:
F = m [sin (Дф/2 )/(Дф/2)] -l 41 [град./дБ], (6)
где m - коэффициент, зависящий от величины фазового сдвига, обеспечиваемого ФВ, в частности, для Дф = 180° m = 6.6. Как и в двух предыдущих случаях, максимально достижимое качество устройства определяется величиной VK .
Поскольку определен верхний предел достижимого параметра качества перестраиваемого устройства, в процедуре оптимизации может быть использована целевая функция, содержащая параметр F в виде (2), (4) или (6) в зависимости от вида устройства.
Примеры реализации перестраиваемых устройств. Перестраиваемые планарные резонаторы выполняются на микрополосковых или копланарных линиях с использованием сег-нетоэлектрических (СЭ) конденсаторов, полупроводниковых варикапов, пьезоэлектрических элементов и МЭМС-конденсаторов. При управляемости n = l.5...4 и добротности Qo = 50... 200 коммутационное качество СЭ-элементов и полупроводниковых варикапов составляет около 400...3000 в частотном диапазоне 2...30 ГГц. Соответственно максимально достижимое качество перестраиваемых резонаторов F = 10...35 . При использовании линий передачи на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) добротность повышается, и параметр качества перестраиваемых резонаторов увеличивается примерно в 1.5 раза [8]. Для повышения качества используют диэлектрические перестраиваемые резонаторы со слоистой структурой, содержащей слой высококачественного сегнетоэлектрика [9]. Качество такого резонатора на частоте 9.3 ГГц F = 10. Гораздо более эффективно использование пьезоэлектрических элементов, обеспечивающих электромеханическое управление [l0], [ll]. Так, перестраиваемый сапфировый резонатор (Q0 = 5 -106) с пьезоэлектрическим актюатором при
температуре T = 77 K сапфировый резонатор на частоте 23 ГГц имеет F = l04 [ll]. Следует иметь в виду, что резонаторы, перестраиваемые с помощью пьезоэлектрических элементов, чувствительны к механическим нагрузкам, в частности, к вибрации.
В соответствии с формулой (3) качество перестраиваемых фильтров определяется добротностью, коэффициентом перестройки и порядком фильтров. Перестраиваемый мик-рополосковый фильтр второго порядка [12] был выполнен на резонаторах из меди, нанесенной на пленку титаната стронция. Измерения проводились при T = 77 K . Качество планар-
ных СЭ-конденсаторов K « 400 на частоте 5 ГГц, что дает Fmax «l дБ-1 (эксперименталь-
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1======================================
но получено значение F3 = 0.35 дБ-1). Использование высококачественных СЭ-конденсато-ров с более высоким значением параметра К позволяет значительно улучшить качество перестраиваемых фильтров и продвинуться в верхнюю часть СВЧ-диапазона. Плоскопараллельный конденсатор на сегнетоэлектрической пленке BaxSri_хТЮз, полученный на оксидированной кремниевой подложке с электродами из платины и золота характеризуется коммутационным качеством K = 1600 на частоте 20 ГГц и K = 265 на 40 ГГц [13]. Качество копланарного фильтра третьего порядка с такими конденсаторами оценивается величиной Fmax = 0.17 дБ-1 на частоте 40 ГГц. Экспериментально получено значение
F3 = 0.15 дБ-1 на частоте 39 ГГц, близкое к теоретическому пределу [14].
ФВ, использующие перестраиваемые конденсаторы (K = 100... 1000), выполненные по планарной технологии, характеризуются максимально достижимым параметром качества F = 60...180 град./ дБ [3], [15], [16]. В работах [14], [15] описаны ФВ, выполненные по схеме перестраиваемого фильтра. Для такого ФВ на частоте 20 ГГц получен параметр качества 60 град./дБ, что близко к теоретическому пределу.
Интегральная схема аналогового ФВ с использованием СЭ-конденсаторов выполнялась по типу периодически нагруженной линии [16]. На частоте 60 ГГц конденсаторы имели K = 20, а качество ФВ, полученное экспериментально, F3 = 20 град./дБ при теоретической оценке 25 град./дБ. Следует иметь в виду, что для ФВ важной характеристикой является его рабочая полоса, в пределах которой фазовый сдвиг остается стабильным с заданным отклонением. Поэтому для полной оценки качества ФВ возможно применение более сложного критерия.
Приведенные примеры свидетельствуют о значительных успехах в разработке перестраиваемых и управляющих устройств с применением сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических конденсаторов. Обсуждаемые в работе критерии качества являются предельно достижимыми характеристиками устройств, которые могут использоваться в оптимизационных процедурах в составе целевой функции.
Библиографический список
1. Vendik I. B., Vendik O. G., Kollberg E. L. Commutation quality factor of two-state switching devices // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. 2000. Vol. MTT-48, № 5. P. 802-808.
2. Vendik I. B., Vendik O. G., Kollberg E. L. Criterion for a switching device as a basis of microwave switch-able and tunable components // 29-th European Microwave Conference, 5-7 Oct. 1999, Munich, Germany. Proc. Vol. 3. P. 187-190.
3. Design and investigation of ferroelectric digital phase shifter / V. Sherman, K. Astafiev, A. Tagantsev et al. // 31-th European Microwave Conference, September 2001, London. Proc. Vol. 3. P. 185-188.
4. Плескачев В. В., Вендик И. Б. Коммутационное качество электрически управляемых СВЧ компонентов // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 24. C. 15-21.
5. Vendik O. G, Vendik I. B., Pleskachev V. V. Figure of Merit of Tunable Planar Filters and Tunable Devices // Integrated Ferroelectics. 2003. Vol. 55. P. 973-981.
6. Плескачев В. В., Вендик И. Б. Оценка качества перестраиваемых фильтров на сегнетоэлектрических конденсаторах // ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 12. C. 66-70.
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1
7. Digital reflection-type phase shifter based on a ferroelectric planar capacitor / V. Sherman, K. Astafiev, N. Setter et al. // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2001. Vol. 11, № 10. P. 407-409.
8. Vendik I., Pleskachev V., Yudin P. Limiting Characteristics of Tunable Devices Based on Ferroelectric Components // IMS 2004 Workshop, Forth Worth, TX, June 6-11, 2004. CDROM № *1559worksho z4522d.
9. Petrov P. K., Alford N. McN. Tunable dielectric resonator with ferroelectric element / Electronics Letters. 2001. Vol. 38. P. 1066-1067.
10. Piezoelectrically tuned dielectric resonators / N. McN. Alford, P. K. Petrov, J. Breeze, K. S. Sarma // Electronics Letters. 2002. Vol. 38. № 16. P. 855-857.
11. Design and characterization of an all-cryogenic low phase-noise sapphire K-band oscillator for satellite communication / S. A. Vitusevich, K. Schieber, I. S. Ghosh et al. // Transactions on Microwave Theory and Tech. 2003. Vol. MTT-51. № 1. Pt. I. P. 163-169.
12. Pleskachev V., Vendik I. Tunable microwave filters based on ferroelectric capacitors // 15-th Int. Conf. on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIK0N'2004, 17-19 May, 2004, Poland, Warszaw. Proc. Vol. 3. P. 1039-1043.
13. Silicon substrate integrated high-Q-factor parallel-plate ferroelectric varactors for microwave/millimeterwa-ve applications/A. Vorobiev, P. Rundquist, K. Khamchane, S. Gevorgian // Appl. Phys. Letters. 2003. Vol. 83, № 15. P. 3144-3146.
14. Tunable Delay Lines and Filters / S. Gevorgian , D. Kuylenstierna, S. Abadei et al. // Workshop WMC: New Technologies for Frequency- or Phase- Agile Microwave Circuits and Systems, IMS 2004 Workshop, Forth Worth, TX, June 6-11, 2004. CDROM № *1559worksho z4522d.
15. Deleniv' A., Abadei S., Gevorgian S. Tunable Ferroelectric Filter-Phase Shifter // Int. Microwave Symp. 2003. // IEEE MTTS Digest. 2003. P. 1267-1270.
16. 60 ГГц фазовращатель на основе сегнетоэлектрической пленки / А. Б. Козырев, А. В. Иванов, О. И. Солдатенков и др. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. Вып. 24. С. 16-21.
I. B. Vendik
Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Electrically tunable and controlled UHF-devises: limiting characteristics
An unified figure of merit of tunable and controlled devices is suggested. The maximum available value of the figure of merit is limited by the commutation quality factor of a tunable component. Examples of devices with a high value of the figure of merit (tunable resonators and filters, digital phase shifters) are described.
Controlled and tunable microwave devices, figure of merit, commutation quality factor
Статья поступила в редакцию 17 января 2005 г.
