Результат интеллектуальной деятельности: АТТЕНЮАТОР СВЧ

Изобретение относится к электронной технике, а именно к аттенюаторам СВЧ на полупроводниковых приборах.

Аттенюаторы СВЧ, выполненные на полупроводниковых приборах, широко используются в технике СВЧ.

Особенно многоразрядные аттенюаторы СВЧ с дискретным изменением затухания, которые, как правило, представляют собой каскадное соединение нескольких, по меньшей мере, двух разрядов, каждый из которых представляет собой так называемое П- или Т-образное соединение резисторов относительно линий передачи на входе и выходе аттенюатора СВЧ. Подключение и отключение резисторов в каждом разряде осуществляют электронными ключами, в качестве которых используют полупроводниковые транзисторы. Это позволяет получить требуемые комбинации дискретного изменения затухания многоразрядного аттенюатора СВЧ.

Известен многоразрядный аттенюатор СВЧ, содержащий в каждом разряде П-образное соединение трех резисторов, в котором в качестве трех электронных ключей использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом последовательно соединенный резистор параллельно соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а затвор соединен с первым источником постоянного управляющего напряжения, два параллельно соединенные резисторы с одинаковыми сопротивлениями расположены по разные стороны от последовательно соединенного резистора и соединены с ним, а вторые их концы соединены со стоками двух других полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно, истоки которых «заземлены», а затворы соединены между собой и соединены со вторым источником постоянного управляющего напряжения [1].

Известен аттенюатор СВЧ, состоящий, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит соединение трех резисторов, один из которых соединен последовательно, а два других - параллельно линиям передачи на входе и выходе аттенюатора, и трех электронных ключей, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом последовательно соединенный резистор соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а параллельно соединенные резисторы выполнены с одинаковыми сопротивлениями и расположены по разные стороны от последовательно соединенного резистора и, соответственно, каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи на них управляющего напряжения.

С целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, превышающим волновое сопротивление линий передачи на входе либо на выходе аттенюатора, при этом каждый из отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны, включен между соответствующим параллельно соединенным резистором и стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [2] - прототип.

Недостатком аттенюаторов СВЧ - как прототипа, так и аналога - является:

во-первых, большие прямые потери СВЧ из-за каскадного соединения разрядов аттенюатора, при котором в открытых состояниях сопротивления последовательно включенных полевых транзисторов с барьером Шотки суммируются;

во-вторых, каждый разряд выполняет только одну функцию - реализует один уровень затухания.

Техническим результатом изобретения является снижение прямых потерь СВЧ и расширение функциональных возможностей аттенюатора СВЧ.

Технический результат достигается заявленным аттенюатором СВЧ, содержащим линии передачи на входе и выходе с одинаковым волновым сопротивлением, три резистора, первый из которых соединен последовательно, а второй и третий - параллельно линиям передачи на входе и выходе, три полевых транзистора с барьером Шотки, два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, превышающим волновое сопротивление линий передачи на входе либо на выходе, при этом один конец первого резистора соединен с линией передачи на входе и с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, второй его конец - с линией передачи на выходе и со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, второй и третий резисторы расположены по разные стороны от первого резистора, один конец второго резистора соединен с линией передачи на входе, другой - с одним концом первого отрезка линии передачи, один конец третьего резистора соединен с линией передачи на выходе, другой - с одним концом второго отрезка линии передачи, другие концы отрезков линий передачи соединены со стоками второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно, их истоки заземлены, затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и с источником постоянного управляющего напряжения.

В аттенюатор СВЧ дополнительно введены четвертый, пятый и шестой резисторы, четвертый полевой транзистор с барьером Шотки и второй источник постоянного управляющего напряжения,

при этом один из концов четвертого резистора соединен с истоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки и с линией передачи на входе, другой его конец - со стоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки и с линией передачи на выходе,

а затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с источником постоянного управляющего напряжения через пятый резистор,

затворы третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и со вторым источником постоянного управляющего напряжения через шестой резистор,

сопротивления пятого и шестого резисторов на порядок больше волнового сопротивления линии передачи на входе либо на выходе.

Раскрытие сущности заявленного изобретения.

Совокупность существенных признаков заявленного аттенюатора СВЧ, а именно

введение в аттенюатор СВЧ дополнительно четвертого, пятого и шестого резисторов, четвертого полевого транзистора с барьером Шотки и второго источника постоянного управляющего напряжения, при этом когда

один из концов четвертого резистора соединен с истоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки и с линией передачи на входе, другой его конец - со стоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки и с линией передачи на выходе,

а затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с источником постоянного управляющего напряжения через пятый резистор,

затворы третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и со вторым источником постоянного управляющего напряжения через шестой резистор,

сопротивления пятого и шестого резисторов на порядок больше волнового сопротивления линии передачи на входе либо на выходе.

Это обеспечит:

во-первых, параллельное соединение между собой первого и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки в открытом состоянии и тем самым - снижение в два раза величины их полного сопротивления и, как следствие, существенное снижение величины прямых потерь СВЧ,

во-вторых, включение по меньшей мере, трех различных комбинаций параллельных и последовательных резисторов, и тем самым обеспечение вместо одной, как в прототипе, трех различных комбинаций включения упомянутых резисторов и тем самым трех различных значений затухания сигнала СВЧ и, как следствие, расширение функциональных возможностей аттенюатора СВЧ,

в-третьих, снижение токов утечки в затворах полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, снижение прямых потерь СВЧ.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена топология заявленного аттенюатора СВЧ, где

- линии передачи на входе и выходе - 1, 2 соответственно,

- три резистора - 3, 4, 5 соответственно,

- три полевых транзистора с барьером Шотки - 6, 7, 8 соответственно,

- два отрезка линии передачи - 9, 10 соответственно,

- источник постоянного управляющего напряжения - 11,

- четвертый, пятый, шестой резисторы - 12, 13, 14 соответственно,

- четвертый полевой транзистор с барьером Шотки - 15,

- второй источник постоянного управляющего напряжения - 16.

На фиг.2 изображена электрическая схема предлагаемого аттенюатора СВЧ.

На фиг.3 приведены зависимости от частоты величины прямых потерь Ап и величины ослабления Аз при различных комбинациях двух постоянных управляющих напряжений, равных 0 и -2 В - напряжение отсечки.

Пример конкретного исполнения заявленного аттенюатора СВЧ.

Все элементы аттенюатора СВЧ выполнены в монолитно-интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.

Шесть резисторов 3, 4, 5, 12, 13, 14 выполнены с сопротивлениями резисторов, равными 40 Ом, 100 Ом, 50 Ом, 40 Ом, 500 Ом, 500 Ом соответственно путем напыления, например, хрома толщиной 2 мкм.

Четыре полевых транзистора с барьером Шотки 6, 7, 8, 13 имеют напряжение отсечки Uотс, равное -2 В.

Два отрезка линии передачи 9, 10 выполнены шириной и длиной проводников 0,01 и 3,0 мм соответственно.

Линии передачи на входе 1 и выходе 2 выполнены шириной проводников 0,08 мм.

При этом первый резистор 3 соединен последовательно, а второй и третий резисторы 4, 5 расположены по разные стороны от первого резистора 3 и соединены параллельно линиям передачи на входе 1 и выходе 2. Последовательно соединенный первый резистор 3 соединен с истоком и стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 6 посредством проводников.

Исток четвертого полевого транзистора с барьером Шотки 15 соединен с одним из концов четвертого резистора 12 и с линией передачи на входе 1, его сток - с другим концом четвертого резистора 12 и с линией передачи на выходе 2.

Один конец второго резистора 4 соединен с линией передачи на входе 1, другой - с одним концом первого отрезка линии передачи 9, один конец третьего резистора 5 соединен с линией передачи на выходе 2, другой - с одним концом второго отрезка линии передачи 10, другие концы отрезков линий передачи 9, 10 соединены со стоками второго 7 и третьего 8 полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно.

Затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 соединены между собой и соединены с первым источником постоянного управляющего напряжения 11 через пятый резистор 13.

Затворы третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки 8 и 15 соединены между собой и соединены со вторым источником постоянного управляющего напряжения 16 через шестой резистор 14.

Истоки второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки 7 и 8 заземлены посредством соединения с основанием, на котором расположена монолитная интегральная схема аттенюатора СВЧ.

Работу аттенюатора СВЧ рассмотрим для четырех комбинаций напряжений двух источников постоянного управляющего напряжения.

Первая.

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 постоянного управляющего напряжения U1 величиной, равной 0 В, от первого источника постоянного управляющего напряжения 11 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки (6 и 7).

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 8 и 15 постоянного управляющего напряжения U2 величиной, равной 0 В, от второго источника постоянного управляющего напряжения 16 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки (8 и 15).

Полевой транзистор с барьером Шотки 6, включенный параллельно первому резистору 3 с сопротивлением R1, имея малое сопротивление, зашунтирует первый резистор 3 и общее сопротивление Z1, рассчитанное по формуле

Z1=R1×Zоткр./(R1+Zоткр.), будет меньше, чем сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки Zоткр.

Полевой транзистор с барьером Шотки 15, включенный параллельно четвертому резистору 12 с сопротивлением R4, имея малое сопротивление, зашунтирует четвертый резистор 12 и общее сопротивление Z4, рассчитанное по формуле

Z4=R4×Zоткр./(R4+Zоткр.), будет меньше, чем сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки Zоткр.

Поскольку эти сопротивления включены параллельно друг другу, то полное сопротивление Z14, рассчитанное по формуле

Z14=Z1×Z4/(Z1+Z4), будет меньше каждого из них и вдвое меньше Zоткр.

Полевые транзисторы с барьером Шотки 7 и 8 имеют малые сопротивления Zоткр., а поскольку каждый из них включен на одном конце отрезка линии передачи 9 и 10 соответственно, с длиной равной, четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, превышающим Z0, то на другом их конце малые сопротивления Zоткр. преобразуются в большие сопротивления ZA, рассчитанные по формуле

ZA=Z²/Zоткр., где

Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 9, 10.

При этом каждое большое сопротивление ZA превышает соответствующее сопротивление первого и четвертого резисторов 3 и 4, включенное с ним последовательно.

Кроме того, сопротивление ZA превышает волновое сопротивление линий передачи Z0 на входе 1 и выходе 2.

В этом случае аттенюатор будет иметь малое последовательное сопротивление Z14 и два больших параллельных сопротивления ZA, включенных по обе стороны малого последовательного сопротивления Z14.

В этом случае в аттенюаторе реализуется малая величина прямых потерь Ап.

Вторая.

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 постоянного управляющего напряжения U1 величиной, равной -2 В, от первого источника постоянного управляющего напряжения 11 становятся закрытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки (6, 7).

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 8 и 15 постоянного управляющего напряжения U2 величиной, равной 0 В, от второго источника постоянного управляющего напряжения 16 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки (8, 15).

В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки 6, включенный параллельно первому резистору 3 с сопротивлением R1, имея большое сопротивление Zзакр., не будет влиять на этот резистор и общее последовательное сопротивление Z1, рассчитанное по формуле

Z1=R1×Zзакр./(R1+Zзакр.), где

Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки, - будет близко к сопротивлению R1.

Полевой транзистор с барьером Шотки 15, включенный параллельно четвертому резистору 12 с сопротивлением R4, имея малое сопротивление Zзакр., зашунтирует резистор 12 и общее сопротивление Z4, рассчитанное по формуле

Z4=R4×Zоткр./(R4+Zоткр.), будет меньше, чем сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки Zоткр.

Поскольку эти сопротивления включены параллельно друг другу, то полное сопротивление Z14, рассчитанное по формуле

Z14=R1×Z4/(R1+Z4), будет меньше каждого из них и меньше Zоткр.

Полевой транзистор с барьером Шотки 8 имеет малое сопротивление Zоткр., а поскольку он включен на одном конце второго отрезка линии передачи 10 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, превышающим Z0, то на другом его конце малое сопротивления Zоткр. преобразуется в большое сопротивление ZA, рассчитанное по формуле ZA=Z²/Zоткр., где

Z² - квадрат волнового сопротивления второго отрезка линии передачи 10.

При этом большое сопротивления ZA превышает сопротивление R3 резистора 5, включенное с ним последовательно.

Кроме того, большое сопротивление ZA превышает волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2.

Полевой транзистор с барьером Шотки 7 имеет большое сопротивление Zзакр., а поскольку он включен на одном конце первого отрезка линии передачи 9 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, превышающим Z0, то на другом его конце большое сопротивление Zзакр. преобразуется в малое сопротивление ZB, рассчитанное по формуле

ZB=Z²/Zзакр., где

Z² - квадрат волнового сопротивления первого отрезка линии передачи 9.

При этом малое сопротивление ZB шунтирует на землю один конец сопротивления R4 резистора 12, другой конец которого соединен с линией передачи на входе 1.

В этом случае аттенюатор будет иметь малое последовательное сопротивление Z14, большое параллельное сопротивление ZA, включенное на выходе, и заданное параллельное сопротивление R2, включенное на входе аттенюатора.

В этом случае в аттенюаторе реализуется требуемая первая величина затухания Аз1, соответствующая параллельному сопротивлению R2.

Третья.

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 постоянного управляющего напряжения U1 величиной, равной 0 В, от первого источника постоянного управляющего напряжения 11 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки (6, 7).

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 8 и 15 постоянного управляющего напряжения U2 величиной, равной -2 В, от второго источника постоянного управляющего напряжения 16 становятся закрытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки (8, 15).

Полевой транзистор с барьером Шотки 6, включенный параллельно первому резистору 3 с сопротивлением R1, имея малое сопротивление Zоткр., зашунтирует резистор 3 и общее сопротивление Z1, рассчитанное по формуле

Z1=R1×Zоткр./(R1+Zоткр.), будет меньше, чем сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки Zоткр.

Полевой транзистор с барьером Шотки 15, включенный параллельно четвертому резистору 12 с сопротивлением R4, имея большое сопротивление Zзакр., не будет влиять на четвертый резистор 12 и общее последовательное сопротивление Z4, рассчитанное по формуле

Z4=R4×Zзакр./(R4+Zзакр.), где

Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки, будет близко к сопротивлению R4.

Поскольку эти сопротивления включены параллельно друг другу, то полное сопротивление Z14, рассчитанное по формуле

Z14=Z1×R4/(Z1+R4), будет меньше каждого из них и меньше Zоткр.

Полевой транзистор с барьером Шотки 7 имеет малое сопротивление Zоткр., а поскольку он включен на одном конце первого отрезка линии передачи 9 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, превышающим Z0, то на другом его конце малое сопротивления Zоткр. преобразуется в большое сопротивление ZA, рассчитанное по формуле ZA=Z²/Zоткр., где

Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 9.

При этом большое сопротивления ZA превышает сопротивление R2 второго резистора 4, включенного с ним последовательно.

Кроме того, большое сопротивление ZA превышает волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2.

Полевой транзистор с барьером Шотки 8 имеет большое сопротивление Zзакр., а поскольку он включен на одном конце второго отрезка линии передачи 10 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, превышающим Z0, то на другом его конце большое сопротивление Zзакр. преобразуется в малое сопротивление ZB, рассчитанное по формуле

ZB=Z²/Zзакр., где

Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 10.

При этом малое сопротивление ZB шунтирует на землю один конец сопротивления R3 резистора 5, другой конец которого соединен с линией передачи на выходе 2.

В этом случае аттенюатор будет иметь малое последовательное сопротивление Z14, большое параллельное сопротивление ZA, включенное на входе, и заданное параллельное сопротивление R3, включенное на выходе аттенюатора.

В этом случае в аттенюаторе реализуется требуемая вторая величина затухания Аз2, соответствующая параллельному сопротивлению R3.

Четвертая.

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 постоянного управляющего напряжения U1 величиной, равной -2 В, от первого источника постоянного управляющего напряжения 11 становятся закрытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.

При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 8 и 15 постоянного управляющего напряжения U2 величиной, равной -2 В, от второго источника постоянного управляющего напряжения 16 становятся закрытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.

Полевой транзистор с барьером Шотки 6, включенный параллельно последовательно соединенному резистору 3 с сопротивлением R1, имея большое сопротивление, не будет влиять на этот резистор и общее последовательное сопротивление Z1, рассчитанное по формуле

Z1=R1×Zзакр./(R1+Zзакр.), где

Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки, будет близко к сопротивлению R1.

Полевой транзистор с барьером Шотки 15, включенный параллельно последовательно соединенному резистору 12 с сопротивлением R4, имея большое сопротивление, не будет влиять на этот резистор и общее последовательное сопротивление Z4, рассчитанное по формуле

Z4=R4×Zзакр./(R4+Zзакр.), где

Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки, будет близко к сопротивлению R4.

Поскольку сопротивления R1 и R4 включены параллельно друг другу, то полное сопротивление Z14 рассчитывается по формуле Z14=R1×R4/(R1+R4).

Полевой транзистор с барьером Шотки 8 имеет большое сопротивление Zзакр., а поскольку он включен на одном конце второго отрезка линии передачи 10 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, превышающим Z0, то на другом его конце большое сопротивление Zзакр. преобразуется в малое сопротивление ZB, рассчитанное по формуле ZB=Z²/Zзакр., где

Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 10.

При этом малое сопротивление ZB шунтирует на землю один конец сопротивления R3 пятого резистора 5, другой конец которого соединен с линией передачи на выходе 2.

Полевой транзистор с барьером Шотки 7 имеет большое сопротивление Zзакр., а поскольку он включен на одном конце первого отрезка линии передачи 9 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, превышающим Z0, то на другом его конце большое сопротивление Zзакр. преобразуется в малое сопротивление ZB, рассчитанное по формуле

ZB=Z²/Zзакр., где

Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 10.

При этом малое сопротивление ZB шунтирует на землю один конец сопротивления R2 второго резистора 4, другой конец которого соединен с линией передачи на входе 1.

В этом случае аттенюатор будет иметь заданные сопротивления: последовательное Z14, параллельные R2 и R3, включенные на входе и выходе соответственно.

В этом случае в аттенюаторе реализуется третья требуемая величина затухания Аз3.

На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап и затухания Аз1, Аз2, Аз3, результаты чего изображены на фиг.3.

Как видно из фиг.3, прямые потери в аттенюаторе СВЧ на частоте 10 ГГц составляют -0,5 дБ, а затухание -2,5 дБ, -4,5 дБ, -8,5 дБ, так что изменение затухания аттенюатора СВЧ составляет -2 дБ, -4 дБ и -8 дБ соответственно.

Это говорит о том, что реализуются три значения затухания сигнала СВЧ.

Таким образом, заявленный аттенюатор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит

снижение прямых потерь примерно в 2 раза,

расширение функциональных возможностей благодаря возможности реализации трех значений - уровней затухания сигнала СВЧ.

Источники информации

1. Проектирование многоразрядных монолитных аттенюаторов Абакумова Н.В., Богданов Ю.М. и др. Электронная техника. Сер.1, СВЧ-техника. 2005 г., вып.2, с.6-19.

2. Патент РФ №2314603 МПК H01P 1/22, приоритет 10.02.2006 г., опубл. 10.01.2008 г. - прототип.