Широкополосный программируемый дискретный фазовращатель

№ 1’2017
PDF версия
В статье рассматривается конструкция модуля широкополосного дискретного фазовращателя С‑диапазона с перекрытием по частоте 2:1, обеспечивающего возможность управления фазой сигнала 0–354° с шагом 6° и минимальной паразитной амплитудной модуляцией. Показана структурная схема и конструкция модуля, рассмотрен принцип работы и калибровки фазовых состояний.

Современные активные фазированные антенные решетки (АФАР) состоят из сотен, а иногда и тысяч приемо-передающих каналов, в состав которых входят выходные усилители мощности, малошумящие усилители, устройства защиты, аттенюаторы и фазовращатели. Фазовращатель является одним из ключевых элементов построения АФАР. В ряде применений к нему предъявляются, в числе важнейших, требования широкой полосы рабочих частот и высокой точности установки фазовых состояний.

 

Конструкция разработанного модуля

На рис. 1 показана структурная схема разработанного модуля. Фазовращатель построен по принципу векторного суммирования парциальных квадратурных сигналов с помощью цифровых аттенюаторов и двух балансных фазовых модуляторов.

Структурная схема широкополосного дискретного фазовращателя

Рис. 1. Структурная схема широкополосного дискретного фазовращателя

В состав модуля входят:

  •  узел контроля уровня входного сигнала и квадратурный делитель (ДКД) для исходного разделения сигнала на две парциальные составляющие со сдвигом 90°;
  •  два балансных фазовых модулятора (БФМ), позволяющих осуществлять фазовый сдвиг сигнала 0/180°;
  •  два фазостабильных шестиразрядных цифровых аттенюатора (АТ1 и АТ2) с минимальным дискретом 0,5 дБ и максимальным ослаблением 31 дБ, позволяющие вносить требуемое ослабление каждой парциальной составляющей сигнала;
  •  синфазный сумматор мощности (СС), который осуществляет суммирование парциальных составляющих сигнала;
  •  выходной цифровой аттенюатор (АТ3), позволяющий пользователю задавать через команды управления модулем значение общего ослабления от 0 до 16 дБ;
  •  выходной усилитель (ВУ), необходимый для компенсации потерь в фазовращателе;
  •  выходной синфазный делитель мощности (СД) с высокой развязкой (более 20 дБ) между выходными плечами и неидентичностью каналов не хуже 0,5 дБ;
  •  узел питания и управления (ВИП-МК), который служит для формирования напряжений питания модуля и их стабилизации. Также в узле установлен микроконтроллер, принимающий от компьютера по четырехпроводному дуплексному каналу связи RS‑485 команды управления и микросхемы памяти с возможностью хранения откалиброванных фазовых состояний.

На рис. 2 показана фотография части СВЧ-отсека модуля, отвечающей за формирование фазовых состояний. Габаритные размеры модуля составляют 180×104×23 мм. Модуль имеет герметичное исполнение в корпусе из алюминиевого сплава, а узлы выполнены по гибридноинтегральной технологии.

Фотография части СВЧ-отсека макета широкополосного дискретного фазовращателя, отвечающей за формирование заданного сдвига фазы

Рис. 2. Фотография части СВЧ-отсека макета широкополосного дискретного фазовращателя, отвечающей за формирование заданного сдвига фазы

 

Принцип работы фазовращателя и методы калибровки

 Фазовращатель работает по принципу векторного сложения парциальных составляющих сигнала. Исходный сигнал делится на две равные составляющие с фазовым сдвигом в 90° при помощи квадратурного моста. Угол наклона θ в диапазоне 0–90° определяется ослаблением, вносимым аттенюаторами АТ1 и АТ2, а сектор определяется текущим положением балансных фазовых модуляторов [1], осуществляющих сдвиг фазы разделенных сигналов в каждом канале либо на 0, либо на 180° (рис. 3).

Схема векторного сложения парциальных составляющих сигнала

Рис. 3. Схема векторного сложения парциальных составляющих сигнала

Для калибровки фазовых состояний использовался векторный анализатор цепей Agilent E5071C и специализированное программное обеспечение (ПО), разработанное в АО «Микроволновые системы». Для связи с модулем использовался канал связи RS‑485 и специальные команды управления, отправляемые с компьютера. Рабочий диапазон прибора разбивался на десять частотных поддиапазонов. Калибровка производилась в диапазоне 0–354° с шагом 6°. За нулевое состояние выбиралось значение 0° в узлах БФМ и ослабления 2–4 дБ в каждом из аттенюаторов (АТ1 и АТ2). Затем в каждом поддиапазоне производился подбор значений ослаблений аттенюаторов, при которых полученное значение сдвига фазы наиболее точно совпадает с заданным. При этом производился поиск решения с минимальным амплитудным изменением (не более 0,8 дБ) относительно принятого нулевого состояния.

Алгоритм калибровки был написан таким образом, что начальные решения рассчитывались математически и проверялись в первую очередь: если решение оказывалось неверным, то использовался метод перебора, а также заимствование найденных решений из предыдущих шагов. Найденные откалиброванные состояния сохранялись в ПЗУ модуля. Полностью цикл калибровки всех состояний занимал не более 30 мин., а проверки сохраненных в памяти модуля — не более 1 мин. При этом разработанное ПО позволяет сделать калибровку с различными начальными значениями ослаблений аттенюаторов и выбрать лучший результат.

Типовая максимальная ошибка установленного значения фазы

Рис. 4. Типовая максимальная ошибка установленного значения фазы модулем относительно заданного значения

В итоге были получены хорошие результаты по фазовым ошибкам (рис. 4), которые составили не более ±2,7°, и значению отклонения амплитуды сигнала относительно нулевого состояния (рис. 5), которое составило не более 0,8 дБ во всех поддиапазонах.

Типовое максимальное отклонение амплитуды сигнала при изменении его фазы относительно начального состояния модуля

Рис. 5. Типовое максимальное отклонение амплитуды сигнала при изменении его фазы относительно начального состояния модуля

 

Заключение

В статье показана конструкция разработанного широкополосного дискретного векторного фазовращателя СВЧ-сигнала, предназначенного для управления фазой и амплитудой сигнала в С‑диапазоне с перекрытием по частоте 2:1, обеспечивающего возможность установки фазы сигнала в диапазоне 0–354° с шагом 6°. Фазовращатель имеет высокие показатели по точности установки фазы (максимальная ошибка не более ±2,7°) и амплитудной модуляции (не более ±0,8 дБ) относительно нулевого состояния в октавной полосе частот. Модуль имеет выходную линейную мощность не менее 10 мВт, коэффициент усиления 5–7 дБ с неравномерностью не более 1 дБ.

Литература
  1. A. E. Ashtiani, T. Gokdemir, G. Passiopoulos, A. A. Rezazadeh, S. Nam, and I. D. Robertson. Miniaturized Low Cost 30 GHz Monolithic Balanced BPSK and Vector Modulators: Part I//Microwave J. 1999. Vol. 42. № 3. С-диапазона.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.