Результат интеллектуальной деятельности: АКТИВНЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Группа изобретений относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах. Настоящие устройства могут быть широко применены в радиолокационных системах разных частотных диапазонов активных фазированных антенных решеток.

Фазовращатели СВЧ, выполненные на основе полупроводниковых приборов, широко используются в технике СВЧ.

Известен широкополосный фазовращатель с управляемым углом фазы, содержащий широкополосный разностный квадратурный фильтр, два пропорциональных звена с регулируемым коэффициентом передачи и сумматор. При этом один из выходов квадратурного фильтра подключен к входу первого, а другой - к входу второго, обеспечивающих соответствующее изменение амплитуды квадратурных составляющих сигнала, пропорциональных звеньев, выходы которых соединены с входами сумматора (см. Патент РФ №2303326, опубл. 10.09.06).

Недостатком известного устройства является низкая надежность устройства, обусловленная возможностью искажения выходного сигнала.

Кроме того, из уровня техники известен фазовращатель СВЧ, который содержит две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями. Одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода. Также он имеет два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности одинаковой величины и емкости либо разной, либо одинаковой величины. Исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первой индуктивности, а сток - через первую емкость соединен с линией передачи на выходе и с одним из концов второй индуктивности. Сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другими концами обеих индуктивностей и с одним из концов второй емкости, а исток и другой конец второй емкости заземлены. Затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения (см. Патент РФ №2321106, опубл. 27.03.2008).

Недостатками известного устройства является наличие температурных нестабильностей полупроводниковых элементов и высокий уровень фазового шума.

Также из уровня техники известен фазовращатель СВЧ на полупроводниковых приборах, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, два двухполюсных реактивных элемента либо разной, либо одинаковой величины. При этом сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов одного из двухполюсных реактивных элементов, а другой его конец - с линией передачи на выходе, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на его затвор подают постоянное управляющее напряжение. В фазовращатель СВЧ дополнительно введены два отрезка линии передачи, первый длиной, равной половине длины волны и менее, а второй длиной, равной четверти длины волны, при этом указанная длина волны соответствует средней частоте рабочей полосы частот (см. Патент РФ №2367066, опубл. 10.09.2009).

Недостатками известного устройства также являются низкая надежность, наличие температурных нестабильностей полупроводниковых элементов и высокий уровень фазового шума.

Задачей настоящей группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении надежности устройства, обусловленном увеличением устойчивости контуров выходного сигнала, исключением наличия искажений, а также уменьшением влияния временных и температурных нестабильностей полупроводниковых элементов и управляющих сигналов на фазовые характеристики.

Технический результат обеспечивается тем, что активный фазовращатель по первому варианту, выполненный на полупроводниковых приборах на основе SiGe, включает широкополосный квадратурный полифазный фильтр, состоит из последовательно соединенных секций, построенных на RC пассивных цепях и обеспечивающий возможность формирования двух ортогонально сдвинутых по фазе квадратурных сигналов, аналоговый дифференциальный сумматор, содержащий ячейки Гильберта, усилитель и сумматор, блок цифрового сигнала, выполненный с возможностью управления каждой ячейкой Гильберта, согласующее звено и блок преобразователя дифференциального сигнала в однополярный. Кроме того, на выходе из квадратурного полифазного фильтра предусмотрены 4 эмиттерных повторителя, обеспечивающих согласование со схемой аналогового дифференциального сумматора.

Технический результат также обеспечивается тем, что активный фазовращатель по второму варианту, выполненный на полупроводниковых приборах на основе GaN, включает широкополосный квадратурный полифазный фильтр, состоит из последовательно соединенных секций, построенных на RC пассивных цепях, обеспечивающий возможность формирования двух ортогонально сдвинутых по фазе квадратурных сигналов, аналоговый дифференциальный сумматор, содержащий ячейки Гильберта, усилитель и сумматор, блок цифрового сигнала, выполненный с возможностью управления каждой ячейкой Гильберта, согласующее звено и блок преобразователя дифференциального сигнала в однополярный. Кроме того, на выходе из квадратурного полифазного фильтра предусмотрены 4 эмиттерных повторителя, обеспечивающих согласование со схемой сумматора.

Сущность настоящей группы изобретений поясняется следующими иллюстрациями:

фиг.1 - отображает в схематическом виде настоящее устройство;

фиг.2 - схема фазовращателя;

фиг.3 - схема полифазного фильтра;

фиг.4 - схема смесителя сигналов;

фиг.5 - схема выходного каскада фазовращателя.

Устройство включает следующие конструктивные элементы: широкополосный квадратурный полифазный фильтр 1; аналоговый дифференциальный сумматор 2; ячейки Гильберта 3; усилитель с регулируемым усилением 4; сумматор 5; блок цифрового сигнала для цифрового управления 6; согласующее звено 7; блок преобразователя дифференциального сигнала в однополярный.

Настоящее устройство функционирует следующим образом.

Дифференциальный входной сигнал расщепляется на I и Q квадратурные сигналы с помощью широкополосного квадратурного фильтра 1. Выполнение квадратурного фильтра 1 может быть основано на различных пассивных цепях: RC, RLC. В настоящем устройстве полифазный фильтр 1 выполнен с использование RC цепей (фиг.3). Использование нескольких последовательно соединенных RC секций расширяет полосу сигнала, в которой его фаза остается неизменной в каждом из 4-х 90° квадранте, формируемых фильтром 1. На выходе фильтра 1 предусмотрены 4 эмиттерных повторителя для согласования со схемой аналогового дифференциального сумматора 2. На выходах повторителей формируются сигналы ±1 и ±Q, сдвинутые на 90°.

Дифференциальные I и Q сигналы подаются на аналоговый дифференциальный сумматор 2, содержащий усилитель 4 с регулируемым усилением, ячейки Гильберта 3 и сумматор 5. Блок цифрового сигнала управляет усилением каждой ячейки Гильберта 3. На выходе суммируют преобразованные (с весом) I и Q сигналы (по амплитуде), образуя синтезируемую фазу и амплитуду сигнала. Различные веса по амплитуде формируют изменением усиления с использованием блока цифрового сигнала 6.

Фазовращатель работает по принципу сложения векторов тока, сдвинутых под 90 градусов. Регулирование сдвига фазы в одном квадранте осуществляется за счет изменения величины токов в каждом из ортогональных векторов. Чтобы выходная амплитуда была неизменна, складываются ток, изменяемый по закону синуса, и ток, изменяемый по закону косинуса. Квадранты переключаются за счет подключения соответствующих комбинаций сигнала с полифазного фильтра 1.

Аналоговый дифференциальный сумматор 2 позволяет, выбирая направления векторов и амплитуду двух токовых сигналов, обеспечить получение результирующего вектора в нужном квадранте. Первые каскады, на которые поступают сигналы после полифазного фильтра 1, преобразуют напряжение в ток, позволяя «линеаризовать» входные сигналы и расширить таким образом динамический диапазон устройства. Эти каскады управляют двумя смесителями (схема смесителя на фиг.4), которые реализованы (как и весь сумматор 2) на биполярных транзисторах, изготовленных на основе GaN или SiGe. Изменяя с помощью блока цифрового сигнала 6 токи в 4-х дифференциальных парах транзисторов смесителей, создается сигнал с необходимой фазой результирующего вектора. С выхода смесителей сигнал подается на 3-каскадный дифференциальный усилитель, выполняющий функции аттенюатора, коэффициент передачи которого определяется токами смещения дифференциальных пар. Величины токов смещения задаются с помощью блока цифрового сигнала 6. Выходной дифференциальный сигнал аттенюатора формируется двумя эмиттерными повторителями.

Выходной каскад фазовращателя преобразует дифференциальный сигнал в однополярный (фиг.5). Сигнал на выходе формируется в однополярный на резисторе под воздействием двух сигналов с эмиттера и коллектора выходных транзисторов. При этом подбором величины резистора в согласующем звене 7 осуществляется согласование с нагрузкой.

Такой принцип выполнения фазовращателя приводит к минимизации спектральной плотности фазового шума (СПФШ) за счет понижения СПФШ структурных элементов, а также обеспечивает минимум нелинейных искажений выходного усилительного каскада.

Использование полупроводниковых материалов, таких как SiGe, GaN, позволяет решать комплекс задач по совершенствованию эксплуатационных характеристик СВЧ устройств: снижение фазового шума, расширение рабочего диапазона температур, увеличение допустимой СВЧ мощности, расширение частотного диапазона и т.п.