Одновременное управление фазой и амплитудой с помощью 3-шлейфовой топологии и ее реализация с помощью радиочастотной мемс технологии

ОДНОВРЕМЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ФАЗОЙ И АМПЛИТУДОЙ С ПОМОЩЬЮ 3-ШЛЕЙФОВОЙ ТОПОЛОГИИ И Е РЕАЛИЗАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ РАДИОЧАСТОТНОЙ МЕМС ТЕХНОЛОГИИ Изобретение относится к способам управления амплитудой и вносимой фазой входного сигнала в радиочастотных (РЧ) приложениях. В частности, данное изобретение относится к фазовращателям,векторным модуляторам и аттенюаторам, использующим как полупроводниковые технологии, так и технологии РЧ микроэлектромеханических систем (МЕМС). Одновременное управление фазой, амплитудой и импедансом с помощью 3-шлейфовой топологии и ее реализация с помощью радиочастотной МЕМС технологии. Область изобретения Изобретение относится к методам управления фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом в радиочастотные (РЧ) приложения. В частности, данное изобретение относится к фазовращателям, векторным модуляторам, аттенюаторам и к приспособлениям для настройки импеданса, использующим как полупроводниковые технологии, так и технологии РЧ микроэлектромеханических систем(МЕМС). Предшествующий уровень техники (прототип) Компоненты управления вносимой фазой и амплитудой крайне важны для электронных систем, работающих в микроволновом и миллиметровом волновых диапазонах. Фазовращатели и векторные модуляторы - наиболее широко используемые компоненты для этой цели. Эти компоненты используются во многих приложениях, которые включают фазированные решетки, системы связи, высокоточные инструментальные системы и радарные приложения. Фазовращатели в основном разработаны двух типов: с аналоговым и цифровым управлением. Аналоговые фазовращатели, как указывает их название, используются для того, чтобы управлять входной фазой в пределах 0-360 посредством варакторов. Цифровые фазовращатели используются для того, чтобы произвести дискретные задержки фазы, которые выбираются посредством переключателей. Следующий список включает публикации и патенты, который представляют основные примеры предшествующего уровня техники, связанного с этим изобретением: Существуют четыре основных типа фазовращателей, которые являются механическими фазовращателями: ферритовые фазовращатели, полупроводниковые фазовращатели (основаны на PIN или полевых транзисторах FET) и микроэлектромеханические (МЕМС) фазовращатели. Механические фазовращатели являются громоздкими и медлительными. Ферритовые фазовращатели обладают низкими потерями на входе, высокой точностью фазы и могут работать с большой входной мощностью. Однако они имеют большие габариты, требуют большого количества мощности по постоянному току, и они более медленные по сравнению со своими конкурентами [см. выше: 1]. Фазовращатели, основанные на полевых тран-2 021857 зисторах (FET) [2], на PIN диодах [3], и на варакторах [4], являются альтернативой полупроводниковым фазовращателям. Они обладают меньшей стоимостью, меньшим весом и планарными решениями для фазированных систем. Фазовращатели на PIN диодах обеспечивают более низкие потери по сравнению с полевыми транзисторами (FET); однако они потребляют больше мощности по постоянному току. Фазовращатели реализуются с помощью нескольких различных типов топологии. Топологии бывают отражательного типа, типа переключенной линии, типа нагруженной линии [5], варактор/переключаемый конденсатор, и топология переключаемой сети. Во всех этих цифровых топологиях(кроме топологии, основанной на варакторе), переключающими компонентами являются PIN диоды или полевые транзисторы. Так как вносимые потери этих компонентов не являются очень малыми, то общие вносимые потери фазовращателей также высоки. Вносимые потери, о которых сообщают, составляют приблизительно 4-6 дБ для 12-18 ГГц и 7-10 дБ для 30-100 ГГц [6]. РЧ МЕМС фазовращатели стали серьезной альтернативой для полупроводниковых фазовращателей, при условии, что прикладная область ограничена относительно слабыми сканирующими решетками. Известно большое количество фазовращателей, которые используют вышеупомянутую топологию [7],[8]. Средние вносимые потери, о которых сообщают для этих конструкций, варьируются между -1 и -2.2 децибела, что намного ниже, чем для конструкций на основе полупроводников. Распределенные фазовращатели, которые используют РЧ МЕМС варакторы, были также представлены [9] для широкополосных приложений для частот до 110 ГГц. Известны примеры фазовращателей,использующих как аналоговую [9], так и цифровую [10] топологию, а вносимые потери, о которых сообщают, как правило, не более чем -2,5 дБ на частотах до 60 ГГц [6]. Некоторые из вышеупомянутых фазовращателей были запатентованы недавно. Примеры фазовращателей с нагруженной линии и фазовращателей с нагруженным шлейфом представлены в патентах [16][20], которые используют различные типы переключателей, главным образом диоды. Фазовращатели,которые используют технологию MEMS, также представлены во многих патентах. Примеры цифровых и аналоговых фазовращателей могут быть найдены в патентах [21]-[27] и [28]-[30] соответственно. Векторные модуляторы используются в фазированных решетках для управления амплитудой и вносимой фазой каждого элемента антенны. Кроме того, векторные модуляторы используются в цифровых системах связи для прямой модуляции несущего сигнала. Использование этих компонентов, ЕСЛИ стадия удалена из гетеродинного приемопередатчика, приводит к упрощению и снижению стоимости системы. В общем случае, векторные модуляторы разрабатываются двух типов: каскадный (или -) модулятор и модулятор I-Q. Модулятор - состоит из каскадной связи аттенюатора и фазовращателя. Модулятор I-Q делит входную мощность на два ортогональных вектора так, чтобы любой вектор мог быть получен, применяя управление фазой и амплитудой над этими векторами и, наконец, комбинируя их. Векторные модуляторы - были сначала представлены Норрисом и др. [11], а Девлин и др. [12] представили первый векторный модулятор типа I-Q. Модуляторы I-Q обычно выполняются с использованием двух видов топологии. Первая топология использует квадратурный разделитель мощности с уравновешенными отраженными прерываниями в качестве переменных сопротивлений (Ashtiani и др. [13]). Вторая топология использует миксеры, в которых местный осциллятор (МО) разделен на два ортогональных компонента. Эти компоненты модулированы посредством двух миксеров и объединены посредством объединителей, усилителей, разветвителей. и т.д. (Pyndiah и др. [14], Telliez и др. [15]). За прошлые два десятилетия были также запатентованы вышеупомянутые векторные модуляторы,основные примеры которых могут быть найдены в [31]-[39]. Примеры обеих топологий представлены несколькими полупроводниковыми технологиями, которые включают НВТ, CMOS, и рНЕМТ. Однако в настоящее время пассивные векторные модуляторы не представлены. Краткое описание изобретения Данное изобретение относится к новому способу использования известной 3-шлейфовой топологии. В частности, изобретение представляет собой цепь 3 - шлейфовой топологии, которая позволяет управлять входной фазой, амплитудой и входным импедансом одновременно. Цепь состоит из трех шлейфов,которые разграничены двумя линиями соединения. Любые пассивные или активные реактивные заряды могут быть использованы для шлейфов, и шлейфы должны иметь регулируемые электрические длины. Линии соединения должны также иметь регулируемые электрические длины и могут быть реализованы с помощью активных или пассивных заряженных передающих линий. Согласно одному аспекту изобретения это способ реализации одновременного и регулируемого сдвига фазы, управления амплитудой и настройки импеданса с помощью 3-шлейфовой топологии. Это достигается путм изменения электрической длины трх шлейфов и двух линий соединения с помощью компонентов (6) системы радиочастотной системы МЕМС. Переключатели радиочастотной системы МЕМС используется для контроля электрических длин ни дискретных уровнях, в результате чего получаются регулируемые компоненты с цифровымуправлением. Варакторы радиочастотной системы МЕМС также используются для непрерывного контроля электрических длин, в результате чего получается непрерывное управление. Благодаря этому способу фаза входного сигнала в диапазоне 0-360 и амплитуда в диапазоне от 0 до -6 дБ выполняются совместно и обеспечивают управление входным импедансом. В дополнение к этому, электрические длины трх шлейфов и двух линий соединения управляются распределительными линиями передач (РЛПМ) (9), (10) системы МЕМС. В этом случае (РЛМП) используются или для аналогового управления (9) или для цифрового управления (10). В последнем случае возможно также квазинепрерывное управление как для фазы входного сигнала, так и для амплитуды при условии, что каждая секция (РЛПМ) управляется цифровым методом и независимо. Для такого случая возможна разрешающая способность по 1 фазе с погрешностью 1 фазы и возможна разрешающая способность амплитуды при менее чем 0,2 дБ с погрешностью амплитуды 0,1 дБ. Согласно предпочтительному варианту изобретения, преимуществами, которое дает настоящее изобретение, являются: возможность получать непрерывное управление фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом при низкой стоимости, очень низких вносимых потерь, высокая линейности, линейном изменении фазы против частоты, и широкополосную работу с на месте переключаемой полосой пропускания. Хотя предпочтительный вариант осуществлен с использованием РЧ МЕМС технологии, данное изобретение может быть легко интегрировано с существующими современным полупроводниковыми технологиям. Описание чертежей Данное изобретение будет лучше восприниматься и может быть более полно оценено с помощью следующего подробного описания рисунков. Перечень чертежей и пояснений следующий. На фиг. 1 показана общая схема 3-шлейфовой топологии согласно данному изобретению. На фиг. 2 показана общая схема 3-шлейфовой топологии как схема управления фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом, на которой шлейфы и соединительные линии выполнены с линиями передачи. На фиг. 3 показан предпочтительный вариант схемы 3-шлейфовой топологии как схемы управления регулируемой фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом, на которой регулирование достигается с помощью использования серии радиочастотных МЕМС переключателей. На фиг. 4 показан предпочтительный вариант схемы 3-шлейфовой топологии как схемы управления регулируемой фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом, на которой регулирование достигается с помощью использования шунтированных радиочастотных МЕМС переключателей. На фиг. 5 показан предпочтительный вариант схемы 3-шлейфовой топологии как схемы управления регулируемой фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом, на которой регулирование достигается с помощью использования радиочастотных МЕМС варакторов. На фиг. 6 показан предпочтительный вариант схемы 3-шлейфовой топологии как схемы управления регулируемой фазой входного согнала, амплитудой и входным импедансом, на которой регулирование достигается с помощью распределительных линий передач МЕМС (РЛПМ). Подробное описание изобретения Далее, упомянутые выше рисунки будут использоваться для более четкого понимания предпочтительного варианта изобретения, но не для его ограничения. На фиг. 1 показана общая схема 3-шлейфовой топологии, которая ранее была известна в качестве сети с настраиваемым импедансом. Топология состоит из трех шлейфов, которые разделены двумя линиями передачи одинаковой длины, которые являются линиями соединения. На фиг. 2 показана общая схема 3-шлейфной топологии, которая используется для теоретических расчтов. Топология также используется в качестве сети с настраиваемым импедансом, с помощью которой соответствующая нагрузка преобразуется в любой реальный импеданс, то есть, Z0-B-kZ0, где k - действительной число и 0k. Однако так как два шлейфа и одна линия соединения достаточны для этого преобразования, добавление третьего шлейфа в результате дает бесконечное множество решений. Среди этих решений, всегда существуют решения для любого требуемого значения вносимой фазы между 0-360, что означает, что вносимой фазой 3-шлейфовой топологии можно управлять. В этом решении значения реактивных проводимостей трех шлейфов, 21, 22 и 23, найдены для любого значения вносимой фазы между 0-360 для фиксированной длины линий соединения, 24 и 25. Это верно для любого значения электрической длины линии соединения между 0 ц 360 в центре расчетной частоты при условии, что все линии передачи не дают потерь. Решение, которое было пояснено выше, является как результат того, что длина линии соединения получается переменной и управление амплитудой достигается с помощью использования этого свойства. Когда длина линии соединения выбирается таким образом, чтобы сумма длин 21, 22 и 24 или 22, 23 и 25 составляла около /2 на центральной частоте конструкции, характеристики вносимых потерь имеют пики вокруг центральной частоты конструкции. С помощью настройки длины линии соединения, вносимые потери 3-шлейфовой топологии находятся под контролем, а значение вносимой фазы и входного импеданса могут постоянно регулироваться. Представленная схема может быть легко использована для изменения вносимой фазы между 0-360 и вносимых потерь в диапазоне от -0,8 до -20 дБ на 15 ГГц, регулируя входной импеданс. Возможны также и более высокие уровни вносимых потерь до -30 дБ, однако входные возвратные потери векторного модулятора начинают отклоняться от соответствующего состояния. Для более высоких частот значение -20 дБ может быть дальше отодвинуто на более высокие значения вносимых потерь, однако минимальное значение вносимых потерь увеличивается. Следует отметить, что представленная схема использует только линии передачи с малыми потерями, а также указанные выше значения вносимых потерь могут быть получены для любой ненулевой константы затухания в линии передачи. Представленная схема имеет также линейную фазу в зависимости от частоты примерно в 20%-ной зоне вокруг центральной частоты конструкции. Характеристика вносимых потерь схемы плоская в пределах одной полосы пропускания для низких уровней вносимых потерь. Тем не менее, вносимые потери начинают ограничивать пропускную способность, как только требуемое значение вносимых потерь увеличивается. Например, пропускная способность векторного модулятора составляет 1,5% на 15 ГГц при требуемом уровне вносимых потерь -9 дБ. Предлагаемые способы применения изобретения могут быть использованы в сверхширокой полосе,начиная с радиочастот и до суб-ТГц частот. В соответствии с предпочтительным вариантом, любые 3D или плоские линии передач или волноводные структуры, такие как коаксиальные линии, прямоугольные волноводы, микрополосковые линии, компланарные волноводы, полосковые линии и т.д., могут быть использованы для реализации шлейфов и линий соединения по настоящему изобретению. Электрической длиной шлейфа и линий соединения 3-шлейфовой топологии можно управлять с помощью переключателей, варакторов, или любыми другими настраиваемыми активными/пассивными компонентами. В соответствии с предпочтительным вариантом, в качестве элементов управления используются компоненты радиочастотных микроэлектромеханических систем (РЧ МЕМС). РЧ МЕМС переключатели обеспечивают низкие вносимые потери, высокую изоляцию и высокую линейность, что очень важно для предпочтительного варианта изобретения. Это потому, что в этом варианте большое количество переключателей соединяются в каскад. РЧ МЕМС переключатели обеспечивают вносимые потери на уровне менее 0,2 дБ на 50 ГГц и выше, что делает возможным их использование в изобретении. Выключатели, варакторы или любые другие настраиваемые активные/пассивные компоненты управления также могут быть использованы в изобретении при условии, что они имеют низкие вносимые потери, высокую изоляцию, высокую линейность. В противном случае осуществление изобретения попрежнему возможно, но с пониженной производительностью. Существует несколько способов для реализации схемы управления регулируемой фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом с использованием 3-шлейфовой топологии, которая представлена в этом изобретении. Первый способ использует переключатели РЧ МЕМС для цифрового управления вносимой фазой и амплитудой. В этом способе, используются серии или шунт РЧ МЕМС переключателей, как показано на фиг. 3 и 4 соответственно. Здесь переключатели используются для управления электрическими длинами шлейфов за счет привода в действие ближайшего переключателя требуемой электрической длины. Электрические длины линий соединения необходимо изменить для нормальной работы вышеупомянутых регулируемых сетей. Так как пользоваться переключателями РЧ МЕМС неудобно, то используют РЧ МЕМС варакторы или цифровые конденсаторы для управления электрической длиной линий соединения. Для такой реализации изобретения необходимо иметь столько РЧ МЕМС переключателей на каждый шлейф, сколько существует состояний конструкции. Например,если требуется регулируемый 3-битный фазовращатель, то следует использовать 8 переключателей для каждого шлейфа, которые используются для каждого фазового состояния конструкции и управляются независимо друг от друга. Число требуемых различных электрических длин линий соединений всегда меньше, чем число фазовых состояний. В результате, необходимо иметь 8 РЧ МЕМС переключателей на каждый шлейф, которые составляют в общей сложности 24 переключателя и не более 3 РЧ МЕМС цифровых конденсаторов, необходимых для каждой линии соединения. В каждом фазовом состоянии один выключатель на каждый шлейф и одна комбинация цифровых конденсаторов на обеих линиях соединений должны вместе приводиться в действие, что означает, что контроль в каждом фазовом состоянии достаточен для работы. Таким образом, число элементов управления равно числу состояний фазы для переключателя на шлейфе плюс общее количество элементов управления для РЧ МЕМС конденсаторов на линиях соединений, а это 8 + 3 для приведенного выше примера. Это число может быть уменьшено только с использованием мультиплексора. Во втором способе 3-шлейфовая топология используется в качестве аналоговой схемы управления регулируемой фазы входного сигнала, амплитудой и входным импедансом. Схема применения изобретения представлена на фиг. 5. В этом случае 3 РЧ МЕМС варактора размещают на концах каждого шлейфа и 2 РЧ МЕМС варактора размещают на линиях соединений. Варакторы на линиях соединений должны управляться совместно, а общее количество элементов управления в этом случае будет равно 4. Поскольку емкостью РЧ МЕМС варакторов управляют аналоговым образом, управление электрической длиной шлейфа и линий соединения также осуществляется аналоговым образом, что в результате приводит к аналоговому управлению вносимой фазой и амплитудой. Недостатком здесь является ограниченный диапазон настройки РЧ МЕМС варакторов. Диапазоны вносимой фазы и амплитуды зависят от диа-5 021857 пазонов, предоставляемых варакторами, однако эти пределы могут быть расширены путем подключения нескольких варакторов параллельно. В третьем способе 3-шлейфовая топология используется в качестве квазианалоговой схемы управления регулируемой фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом с цифровым управлением. Схема применения изобретения представлена на фиг. 6, где шлейфы и линии соединений 3 шлейфовой топологии реализованы с использованием распределенных МЕМС линий передач, а именно РЛПМ. РЛПМ, как правило, используются или аналоговым образом, настраивая емкости МЕМС переключателей с помощью аналогового управления напряжением, или цифровым способом, используя МЕМС переключатели в качестве, элементов переключения между двумя конденсаторами. В соответствии с предпочтительным вариантом применения изобретения РЛПМ используются в качестве шлейфов,где каждая модульная секция РЛПМ управляется независимо и используется в качестве цифрового конденсатора с двумя положениями (состояниями). Поскольку для работы 3-шлейфовой топологии важно только входное значение реактивного сопротивления, то, в данном случае, целью является получение большого количества значений реактивного сопротивления, которые получают из комбинации перемещения модульных секций РЛПМ вверх-вниз и охвата широкого спектра значений реактивного сопротивления. Если n РЧ МЕМС переключателей используются в шлейфе, то шлейф может обеспечить 2n значений реактивного сопротивления. Согласно тому же варианту линии соединений также реализованы в виде РЛПМ. Эти РЛПМ используют похожие РЛПМ, которые использовались для цифровых фазовращателей, где они приводятся в действие группами, и каждая группа производит разное количество разностей фаз. Требуемое количество элементов управления для РЛПМ линий соединений не так велико, как число шлейфов. Например, если используется 9 модульных секций РЛПМ в каждом шлейфе и 8 модульных секций РЛПМ в каждой линии соединения, то возможно реализовать схему, которая имеет 1 разрешение по фазе с фазовой ошибкой +1 и с разрешением амплитуды менее 0,2 дБ с ошибкой 50,1 дБ на 15 ГГц. Для такой схемы диапазон вносимой фазы будет 0-360, а диапазон амплитуд - от -2 до -8 дБ. Схема имеет в общей сложности 39=27 элементов управления шлейфом плюс, в общей сложности, 5 элементов управления для линий соединений, что дает всего 32 элемента управления схемой. В четвертом способе 3-шлейфовая топология используется как аналоговая схема управления регулируемой фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом, которая также представлена на фиг. 6. Это ничто иное, как та же реализация третьего способа, однако, модульные секции РЛПМ шлейфов и линий соединения управляются в группах, и с аналоговым напряжением. В этом случае электрические длины шлейфов и линий соединения управляются постоянно, в результате чего получают аналоговую схему управления регулируемой фазой входного сигнала, амплитудой и входным импедансом. Необходимо отметить, что хотя описанный уровень техники представлен публикациями (1)-(40),однако, насколько точно известно авторам, не была найдена ни одна из публикаций, которая могла бы обеспечить одновременно и независимо сдвиг фазы, управление амплитудой и настройку импеданса. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Схема для одновременного непрерывного регулирования сдвига фазы, управления амплитудой и настройки входного импеданса, составленная с использованием 3-шлейфовой топологии, включающая три или более нагруженных шлейфов, две или более линии передачи/волноводов, соединяющие нагруженные шлейфы, при этом нагруженные шлейфы и линии передачи/волноводов выполнены с возможностью регулирования их электрических параметров. 2. Схема по п.1, в которой линии передачи/волноводы составлены с использованием плоских структур, таких как копланарные волноводы, микрополосковые линии или 3D структуры, такие как коаксиальные линии, прямоугольные волноводы, круглые волноводы, полосковые линии, и выполнены с возможностью регулирования электрических параметров шлейфов и линий соединений посредством нескольких пассивных компонентов, таких как компоненты МЕМС, из числа переключателей, варакторов,цифровых конденсаторов или нескольких активных компонентов, таких как PIN диоды, FET транзисторы, биполярные транзисторы. 3. Способ изготовления схемы для одновременного непрерывного регулирования сдвига фазы,управления амплитудой и настройки входного импеданса по п.2, по которому компоненты МЕМС изготавливают монолитно с линиями передачи/волноводами или изготавливают независимо и затем размещают на линиях передачи/волноводах и соединяют с помощью проволоки, ленты, пайки или сварки. 4. Способ по п.3, по которому всю схему выполняют одним процессом монолитного изготовления. 5. Способ по п.3, по которому схему выполняют в виде аналоговой, цифровой или квазианалоговой схемы.