Активные КВЧ-модули W-диапазона частот
Введение
С начала нынешнего столетия научное сообщество стало уделять особое внимание развитию сетей 5‑го поколения, дистанционному зондированию и радиоволновой визуализации объектов, радиолокации, измерительной технике и другим направлениям в КВЧ-диапазоне [1, 2]. Большинство из этих направлений исследований находятся на стадии лабораторных проектов и макетов, а разработка электронной компонентной базы, необходимой для решения существующих задач, представляется значимой для развивающейся отрасли [2, 3].
В статье описаны результаты АО «НИИПП» по разработке активных КВЧ-модулей W‑диапазона, а именно генератора, малошумящего усилителя (МШУ) и активного умножителя частоты на 8.
Технология изготовления
АО «НИИПП» принадлежит к числу немногих предприятий радиоэлектронной промышленности России, обладающих знаниями и опытом в создании изделий миллиметровой техники. На предприятии разрабатываются и производятся приемные и передающие устройства, пассивные и активные смесители и умножители частоты, генераторы сигналов, детекторы, радиометры и другие изделия с рабочими частотами до 240 ГГц и выше.
Достижения в области разработки КВЧ-устройств обусловлены высоким уровнем технологии производства полупроводниковых приборов, монолитных и гибридных интегральных схем (МИС и ГИС), а также волноводных конструкций. При этом предельные частоты активных элементов превышают 1 ТГц, что предоставляет возможность получить изделия с заданными характеристиками в широком диапазоне частот.
Полученные результаты
При разработке КВЧ-модулей волноводной конструкции возникает необходимость реализации перехода с МИС на волновод. К такому переходу предъявляются определенные требования — минимальные вносимые потери и КСВН в рабочем диапазоне частот, приемлемые габаритные размеры.
Для реализации модулей был разработан волноводно-микрополосковый переход на основе кварца. Использование такого диэлектрика позволяет получать оптимальные электрические и массогабаритные характеристики переходов [4]. На рис. 1 показана 3D-модель конструкции, содержащей два соединенных между собой волноводно-микрополосковых перехода. Также на рис. 1 приведены расчетные и измеренные характеристики данной конструкции. На рисунке видно, что вносимые потери пары переходов (включая характеристики проволочного соединения) не превышают 1,6 дБ, при этом КСВН конструкции составляет не более 1,9 во всем рабочем диапазоне частот и не более 1,4 в диапазоне частот 80–105 ГГц.
МШУ W‑диапазона
Разработанный МШУ (рис. 2) выполнен в виде негерметичного модуля с волноводными входом и выходом со стандартным сечением 2,4×1,2 мм. Габаритные размеры модуля составляют 20×24×24 мм, масса модуля не более 75 г.
Характеристики МШУ представлены на рис. 3. Коэффициент усиления МШУ составляет не менее 15 дБ во всей рабочей полосе частот, а максимальная выходная мощность достигает 6 дБм. Коэффициент шума не превышает 7 дБ. Измерения были проведены при напряжении питания затвора и стока –0,3 и 1,4 В соответственно. Ток питания стока составил 75 мА.
Умножитель частоты W‑диапазона
Умножитель частоты на 8 (рис. 4) выполнен в виде негерметичного модуля с коаксиальным входом (SMA) и волноводным выходом со стандартным сечением 2,4×1,2 мм. Габаритные размеры модуля составляют 35×20×20 мм, масса модуля не более 70 г.
На рис. 5 показаны характеристики разработанного умножителя частоты.
Коэффициент преобразования умножителя не менее 7 дБ в диапазоне 85–110 ГГц, выходная мощность умножителя 8–10 дБм. Измерения были проведены при напряжении питания затвора и стока –0,9 и 3,3 В соответственно. Ток питания стока составил 160 мА.
Генератор Ганна W‑диапазона
Созданный генератор рис. 6 выполнен в виде негерметичного модуля с волноводным выходом со стандартным сечением 2,4×1,2 мм. Активным элементом, позволяющим получить устойчивую генерацию в W‑диапазоне, является диод Ганна. Устройство управляется напряжением положительной полярности 0–15 В, напряжение питания генератора 3,5 В, ток питания 0,5 А. Габаритные размеры модуля составляют 10×18×18 мм, масса модуля не более 50 г.
Типовые характеристики генераторов показаны на рис. 7.
Выходная мощность таких генераторов нелинейно зависит от управляющего напряжения, при этом при настройке модулей можно добиться неравномерности не более 2 дБ в полосе перестройки до 10% (от центральной частоты) и выходной мощности 5 мВт и более. Значение центральной частоты генератора может быть установлено любое из W‑диапазона.
Для измерения характеристик разработанных модулей были использованы векторный анализатор цепей PNA-X N5244B с комплектом для расширения диапазона частот до 110 ГГц N5293AX03, анализатор сигналов PXA N9030A с функцией внешнего смесителя, генератор сигналов E8257D, измеритель мощности N1913A с измерительной головкой W8486A и гармонические смесители СМ‑03‑Г собственного производства. Измерения характеристик представленных изделий выполнены при нормальных климатических условиях.
Выводы
На основе базовых технологий АО «НИИПП» были разработаны активные КВЧ-модули W‑диапазона, а именно МШУ, умножитель частоты на 8 и генератор, управляемый напряжением. Проведено измерение основных параметров модулей, в том числе с использованием приборов и аксессуаров, спроектированных на предприятии. В настоящее время все разработанные изделия доступны для заказа.
- Rappaport T. S., et al.]Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth-Generation (5G) Wireless Networkswith a focus on Propagation Models//IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Special Issue on 5G. 2017. Vol. 65. 12.
- Rappaport T. S. Spectrum Frontiers: The New World of MillimeterWave Mobile Communication. Invited keynote presentation. The Federal Communications Commission (FCC). Headquarters, 2016.
- Al-Hourani A., Chandrasekharan S., Kandeepan S. Path loss study for millimeter wave device-to-device communications in urban environment. IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC). Sydney, Australia. 10–14 June 2014.
- Davidovitz M. Wide-band waveguide-to-microstrip transition and power divider//IEEE Microwave and Guided Wave Letters. Vol. 6. Iss. 1.