RU158944U1

RU158944U1 - Microwave p-i-n DIODE 4-DISCHARGE PHASOR

Info

Publication number: RU158944U1
Application number: RU2015114514/08U
Authority: RU
Inventors: Виктор Петрович Клапов; Владимир Дмитриевич Кожиченков; Виктор Дмитриевич Корольков; Евгений Васильевич Манаенков; Георгий Владимирович Медовников; Николай Павлович Милевский; Александр Викторович Хомяков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Феррит-Домен"
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-01-20

Abstract

СВЧ p-i-n диодный 4-разрядный фазовращатель среднего уровня мощности, содержащий симметричную полосковую линию на основе СВЧ печатной платы, p-i-n диоды, 3дБ направленные ответвители, фазосдвигающие отрезки линий, фазокорректирующие шлейфы и ФНЧ по цепям управления, отличающийся тем, что симметричная полосковая линия выполнена на четырехслойной печатной плате на основе фольгированного высокодобротного в СВЧ диапазоне материала, причем 3дБ направленные ответвители выполнены за счет электромагнитной связи полосков, симметрично расположенных по обе стороны центрального диэлектрического разделителя печатной платы с толщиной центрального диэлектрического разделителя не более 10% от толщины нижнего или верхнего диэлектрических разделителей, одинаковых по толщине и фольгированных только с внешних сторон.Microwave pin diode 4-bit phase shifter of the average power level, containing a symmetrical strip line based on a microwave printed circuit board, pin diodes, 3dB directional couplers, phase-shifting line segments, phase-correcting loops and low-pass filters on control circuits, characterized in that the symmetrical strip line is made on a four-layer printed circuit board based on foil high-quality in the microwave range of the material, and 3dB directional couplers made by electromagnetic coupling of the strips, symmetrically located x on both sides of the central dielectric separator circuit board with the thickness of the central dielectric separator is not more than 10% of the thickness of the lower or upper dielectric spacers of equal thickness and foil only on the outer sides.

Description

Заявляемая полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам и приборам техники СВЧ и может найти применение в ФАР РЛС и в радиотехнических схемах СВЧ диапазона.The inventive utility model relates to antenna-feeder devices and devices of microwave technology and can find application in the phased array radar and in radio circuits in the microwave range.

Известны СВЧ p-i-n диодные фазовращатели (ФВ), в которых осуществляется дискретное управление фазой СВЧ сигнала. Такие приборы перспективны при создании быстродействующих приемо-передающих ФАР РЛС и измерительной техники СВЧ диапазона, см., например,:Microwave p-i-n diode phase shifters (PV) are known in which discrete control of the microwave signal phase is carried out. Such devices are promising when creating high-speed transceiver phased array radar and microwave measuring equipment, see, for example:

1. Кузнецов В.И., Савин A.M. Патент №1822612. Дискретный фазовращатель1. Kuznetsov V.I., Savin A.M. Patent No. 1822612. Discrete phase shifter

2. Чижов А.И, Орлов О.С. Авторское свидетельство №1515222. Микрополосковый фазовращатель.2. Chizhov A.I., Orlov O.S. Copyright certificate No. 1515222. Microstrip phase shifter.

3. Кузнецов В.И. Патент №2030820, (авторское свидетельство СССР №1443711) Дискретный фазовращатель.3. Kuznetsov V.I. Patent No. 2030820, (USSR copyright certificate No. 1443711) Discrete phase shifter.

4. Соловьев И.Е., Карлин Э.В. Патент №2247447. Диодный фазовращатель.4. Soloviev I.E., Karlin E.V. Patent No. 2247447. Diode phase shifter.

5. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. - М.: Радио и связь, 1984.5. Khizha G.S., Vendik I.B., Serebryakova E.A. Microwave phase shifters and switches: Features of creation on p-i-n diodes in integrated design. - M.: Radio and Communications, 1984.

Известен СВЧ p-i-n диодный ФВ, описанный в книге: СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. - М.: Радио и связь, 1984, стр. 158-167, авторы Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А.Known microwave p-i-n diode PV, described in the book: microwave phase shifters and switches: features of the creation of p-i-n diodes in integrated design. - M .: Radio and communications, 1984, p. 158-167, authors Khizh G.S., Vendik I.B., Serebryakova E.A.

Прибор, описанный в указанной книге, наиболее близок к предлагаемой полезной модели и выбран в качестве прототипа. Прибор - прототип имеет в своем составе бескорпусные p-i-n диоды, герметичный керамический (22ХС) корпус, и микрополосковую плату с металлизированными отверстиями, изготовленную из керамической (поликор ЩеО.781.000 ТУ) пластины, на поверхности которой методами тонкопленочной технологии воспроизводится топология, включающая следующие элементы конструкции: 3-хдецебельные квадратурные направленные ответвители (НО) встречно-штыревого типа - мосты Ланге, фазосдвигающие отрезки линий, фазокорректирующие шлейфы и ФНЧ по цепям управления. Монтаж элементов осуществляется с помощью нескольких типов микросварки (термокомпрессионной и ультразвуковой).The device described in this book is closest to the proposed utility model and is selected as a prototype. The prototype device incorporates unpackaged pin diodes, a sealed ceramic (22XC) case, and a microstrip board with metallized holes made of a ceramic (policor ShcheO.781.000 TU) plate, on the surface of which a topology is reproduced using thin-film technology, including the following structural elements : 3-directional quadrature directional couplers (HO) of the interdigital type - Lange bridges, phase-shifting line segments, phase-correcting loops and low-pass filters along control circuits. Installation of elements is carried out using several types of microwelding (thermocompression and ultrasonic).

Каждый разряд прибора-прототипа, выполненного по бинарному принципу, организован по одной схеме и работает следующим образом: На вход подается сигнал a1, выход нагружен на согласованную нагрузку, между входом и выходом на микрополосковой линии реализованы мосты Ланге, в развязанные плечи которых включены одноступенчатые отражательные фазовращатели (ООФ), основным элементом которых является бескорпусной p-i-n диод. Двум состояниям p-i-n диода будут соответствовать два значения фазы коэффициента отражения Г_1,2 ООФ и соответственно два значения коэффициента передачи (прохождения) одного разряда ФВ, т.е.Each bit of the prototype device, made according to the binary principle, is organized according to one scheme and works as follows: The signal a1 is applied to the input, the output is loaded to the agreed load, Lange bridges are implemented between the input and output on the microstrip line, the single-stage reflective bridges of which are connected phase shifters (OOF), the main element of which is an open-type pin diode. Two states of the pin diode will correspond to two values of the phase of the reflection coefficient Г _1.2 ООФ and, accordingly, two values of the transmission coefficient (transmission) of one discharge of the PV, i.e.

b2_1,2=Г_1,2·a1,b2 _1,2 = G _1,2 · a1,

где b2 выходной сигнал одного разряда ФВ.where b2 is the output signal of one discharge of the PV.

Разность фаз сигналов b2₁ и b2₂ является фазовым сдвигом одного проходного разряда ФВ.The phase difference of the signals b2 ₁ and b2 ₂ is the phase shift of one pass-through discharge of the PV.

Постоянно действующим требованием к СВЧ фазовращателям является уменьшение:A permanent requirement for microwave phase shifters is to reduce:

- вносимых потерь α≤1,0 дБ;- insertion loss α≤1.0 dB;

- отклонения фазовых сдвигов от номиналов (фазовых ошибок) δφ≤8°.- deviations of phase shifts from the nominal values (phase errors) δφ≤8 °.

Прибор - прототип на сегодняшний день не обеспечивает перечисленные требования к фазовращателям ФАР.The device - a prototype today does not provide the listed requirements for phase shifters of the PAR.

Целью заявленной полезной модели является значительное (в 2 и более раз) уменьшение средних по фазовым состояниям вносимых потерь и фазовых ошибок pin-диодного ФВ.The purpose of the claimed utility model is a significant (2 or more times) decrease in the average phase-in introduced losses and phase errors of the pin-diode PV.

Указанный положительный эффект полезной модели достигается за счет того, что в качестве волноведущей линии передачи СВЧ мощности использована симметричная микрополосковая линия на четырехслойной печатной плате на основе фольгированного высокодобротного в СВЧ диапазоне материала, причем НО выполнены за счет электромагнитной связи входного и выходного полосков, симметрично расположенных по обе стороны центрального диэлектрического разделителя печатной платы с толщиной диэлектрического разделителя не более 10% от толщины нижнего или верхнего диэлектрических разделителей, одинаковых по толщине и фольгтрованных только с внешних сторон.The indicated beneficial effect of the utility model is achieved due to the fact that a symmetrical microstrip line on a four-layer printed circuit board based on a foil high-quality high-quality material in the microwave range is used as a waveguide transmission line for microwave power, and BUTs are made due to electromagnetic coupling of input and output strips symmetrically located along both sides of the central dielectric separator of the printed circuit board with a dielectric separator thickness of not more than 10% of the thickness of the lower or upper dielectric dividers, identical in thickness and foiled only from the outside.

На фиг. 1 изображен направленный ответвитель на симметричной полосковой линии, состоящей из четырехслойной печатной платы на основе фольгированного высокодобротного в СВЧ диапазоне пластичного материала.In FIG. 1 shows a directional coupler on a symmetrical strip line consisting of a four-layer printed circuit board based on a foil high-quality in the microwave range plastic material.

На фиг. 2 изображена электрическая схема одного бинарного разряда СВЧ p-i-n диодного ФВ.In FIG. 2 shows an electric circuit of one binary discharge of a microwave p-i-n diode PV.

Направленный ответвитель состоит из 4-х слоев в виде фольгированного металла (1, 2, 3, 4 фиг. 1), нанесенного на диэлектрические подложки, выполняющие разделительные функции в многослойной печатной плате. Слои 1,4 сплошные и выполняют функции заземляющего экрана симметричной полосковой линии. Слои 2, 3 - это внутренние «дорожки» полосковой линии, выполненные в топологии принятой для направленных ответвителей с лицевыми связями. В качестве фольгированного высокодобротного в СВЧ диапазоне материала выбран материал марки RO 3010. Авторами было обнаружено, что для таких НО минимальные потери с одновременным снижением фазовых ошибок достигается при t2/t1=0,1, где t2 толщина центрального диэлектрического разделителя слоев и t1 толщины нижнего или верхнего диэлектрических разделителей слоев (см. фиг. 1). Предлагаемый 4-х разрядный фазовращатель состоит из четырех разрядов, образующих последовательную схему 22.5°; 45°; 90° и 180° разрядов, представляющих собой бинарный разряд СВЧ p-i-n диодного ФВ (фиг. 2), или одноступенчатый отражательный фазовращатель (ООФ). В соответствии с фиг. 2 ООФ содержит 3 дБ; 90° НО на лицевых связях 1, корпусные диодные сборки с общим катодом 2, 3, фазосдвигающие 4, 5 и фазокорректирующие 6, 7 отрезки линий и фильтры нижних частот 8, 9.The directional coupler consists of 4 layers in the form of foil metal (1, 2, 3, 4 of Fig. 1) deposited on dielectric substrates that perform separation functions in a multilayer printed circuit board. Layers 1.4 are continuous and serve as the grounding screen of a symmetrical strip line. Layers 2, 3 are the internal “paths” of the strip line, made in the topology adopted for directional couplers with front connections. A material of the brand RO 3010 was chosen as a foil-coated high-quality material in the microwave range. The authors found that for such BUTs, minimal losses with a simultaneous decrease in phase errors are achieved at t2 / t1 = 0.1, where t2 is the thickness of the central dielectric layer separator and t1 is the thickness of the lower or upper dielectric layer separators (see Fig. 1). The proposed 4-bit phase shifter consists of four bits forming a series circuit of 22.5 °; 45 °; 90 ° and 180 ° discharges, representing a binary discharge of a microwave p-i-n diode PV (Fig. 2), or a single-stage reflective phase shifter (OOF). In accordance with FIG. 2 OOF contains 3 dB; 90 ° BUT on the front connections 1, housing diode assemblies with a common cathode 2, 3, phase-shifting 4, 5 and phase-correcting 6, 7 line segments and low-pass filters 8, 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал a1, поступает на вход 4-хразрядного ФВ, содержащего соответственно 4 ООФ, включенных в последовательном порядке. При указанной последовательности выходной сигнал будет определяться произведением коэффициентов отражения

, (i=1, 2, 3, 4):The proposed device operates as follows. The microwave signal a1 is fed to the input of a 4-bit PV containing 4 OOFs, respectively, connected in sequential order. With this sequence, the output signal will be determined by the product of reflection coefficients

, (i = 1, 2, 3, 4):

,

количество фазовых состояний при всех комбинациях коэффициентов отражения - 16.the number of phase states for all combinations of reflection coefficients is 16.

Новым в предлагаемом приборе являются:New in the proposed device are:

выполнение симметричной полосковой линии на четырехслойной печатной плате на основе фольгированного высокодобротного в СВЧ диапазоне материала, что позволяет реализовать 3 дБ направленные ответвители в виде полосков, симметрично расположенных по обе стороны центрального диэлектрического разделителя печатной платы с толщиной диэлектрического разделителя не более 10% от толщины нижнего или верхнего диэлектрических разделителей, одинаковых по толщине и фольгированных только с внешних сторон (слои 1 и 4).the implementation of a symmetrical strip line on a four-layer printed circuit board based on a foil material with high quality in the microwave range, which allows 3 dB directional couplers in the form of strips symmetrically located on both sides of the central dielectric separator of the printed circuit board with a dielectric separator thickness of not more than 10% of the thickness of the lower or upper dielectric separators, the same thickness and foil only on the outside (layers 1 and 4).

Техническая реализуемость полезной модели была подтверждена фактом изготовления опытных образцов прибора. Основные электрические параметры образцов прибора в сравнении с параметрами прибора-прототипа следующие:The technical feasibility of the utility model was confirmed by the fact of manufacturing prototypes of the device. The main electrical parameters of the device samples in comparison with the parameters of the prototype device are as follows:

Claims

Microwave pin diode 4-bit phase shifter of the average power level, containing a symmetrical strip line based on a microwave printed circuit board, pin diodes, 3dB directional couplers, phase-shifting line segments, phase-correcting loops and low-pass filters on control circuits, characterized in that the symmetrical strip line is made on a four-layer printed circuit board based on foil high-quality in the microwave range of material, and 3dB directional couplers made by electromagnetic coupling of strips symmetrically located on both sides of the central dielectric separator of the printed circuit board with a thickness of the central dielectric separator of not more than 10% of the thickness of the lower or upper dielectric separators, the same thickness and foil only on the outside.