Широкополосный программируемый дискретный фазовращатель
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.
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.
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).
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.
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.
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.
- 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.