Результат интеллектуальной деятельности: АТТЕНЮАТОР СВЧ

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

Аттенюатор СВЧ прежде всего характеризуется:

- величиной изменения затухания Аз, значение которой задается;

кроме того:

- величиной прямых потерь Ап,

- величиной коэффициента отражения Ао,

значения которых должно быть как можно меньше,

- массогабаритными характеристиками, определяемыми в основном числом электронных ключей.

В технике СВЧ широко используются аттенюаторы, выполненные на основе полупроводниковых приборов.

Аттенюаторы СВЧ представляют собой каскадное соединение нескольких, по крайней мере, двух разрядов, каждый из которых представляет собой так называемое П- или Т-образное соединение резисторов относительно линий передачи на входе и выходе аттенюатора, при этом они выполнены с заданными величинами сопротивлений.

Подключение и отключение резисторов в каждом разряде осуществляют электронными ключами, в качестве которых используют полупроводниковые диоды либо транзисторы.

Известен аттенюатор СВЧ, содержащий в каждом разряде П-образное соединение трех резисторов, в котором в качестве электронных ключей использованы полупроводниковые диоды, при этом последовательно соединенный резистор параллельно соединен с pin-диодом, переключаемым с помощью источника постоянного управляющего напряжения, два параллельно соединенных резистора последовательно соединены с двумя другими pin-диодами соответственно, переключаемые с помощью второго источника постоянного управляющего напряжения [1].

Недостатками данного аттенюатора СВЧ являются наличие в каждом разряде двух электронных ключей и двух источников постоянного управляющего напряжения, что усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ.

Кроме того, поскольку pin-диоды являются двухполюсными приборами, то для развязки их по СВЧ и постоянному управляющему напряжению необходимо использовать фильтры питания, что также усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ.

Известен аттенюатор СВЧ, содержащий в каждом разряде также П-образное соединение трех резисторов, но в котором в качестве 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 соединенных резистора 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 полевых транзисторов с барьером Шотки «заземлены», а затворы соединены между собой и соединены со вторым источником постоянного управляющего напряжения [2] - прототип.

По сравнению с аналогом в данном аттенюаторе СВЧ исключена необходимость использования фильтров питания, поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки являются трехполюсными приборами, и, следовательно, обладают внутренней развязкой по СВЧ и постоянному управляющему напряжению.

Однако наличие в данном аттенюаторе двух и более электронных ключей усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, снижение массогабаритных характеристик аттенюатора СВЧ, уменьшение величины прямых потерь - Ап и величины коэффициента отражения - Ао, достижение заданной величины изменения затухания - Аз и, прежде всего при работе на частотах, близких к верхней границе диапазона СВЧ (18-26 ГГц).

Технический результат достигается тем, что в известном аттенюаторе СВЧ, состоящим, по крайней мере, из одного разряда, каждый из которых содержит резисторы, один из которых соединен последовательно, а другой - параллельно линиям передачи на входе и выходе аттенюатора, полевой транзистор с барьером Шотки в качестве электронного ключа, при этом последовательно соединенный резистор включен между входной и выходной линиями передачи, затвор полевого транзистора с барьером Шотки соединен с источником постоянного управляющего напряжения, а его исток заземлен.

При этом каждый разряд аттенюатора содержит только один полевой транзистор с барьером Шотки и только один параллельно соединенный резистор, в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, при этом каждый из двух отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, расположен по разные стороны и симметрично относительно последовательно соединенного резистора и соединен с линией передачи на входе либо на выходе, а вторые концы отрезков линий передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, соединены между собой и соединены с одним из концов параллельного соединенного резистора и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а другой конец параллельно соединенного резистора заземлен.

Введение в каждый разряд аттенюатора двух отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и предложенное их расположение относительно последовательно соединенного резистора, входной и выходной линий передачи и предложенное соединение всех элементов аттенюатора СВЧ позволит:

во-первых, обеспечивать иную возможность регулирования распространения сигнала СВЧ в обоих каналах, что позволит использовать только один электронный ключ - полевой транзистор с барьером Шотки и соответственно подавать на него постоянное управляющее напряжение от одного источника постоянного управляющего напряжения и тем самым упростить конструкцию и снизить массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ,

во-вторых, благодаря предложенному соединению параллельно соединенного резистора и полевого транзистора с барьером Шотки стало возможным исключить влияние данного резистора на величину прямых потерь Ап и, следовательно, уменьшить их величину,

в-третьих, благодаря введения двух одинаковых отрезков линий передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и расположения их симметрично относительно последовательно соединенного резистора обеспечить возможность включения пересчитанного через указанные отрезки линий передачи параллельно соединенного резистора симметрично последовательно соединенному резистору и тем самым реализовать малую величину коэффициента отражения Ао.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена топология одного разряда предлагаемого аттенюатора СВЧ, где

- последовательно соединенный резистор - 1,

- параллельно соединенный резистор - 2,

- линии передачи на входе и выходе - 3 и 4 соответственно,

- полевой транзистор с барьером Шотки - 5 в качестве электронного ключа,

- два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи - 6 и 7 соответственно,

- источник постоянного управляющего напряжения - 8.

На фиг.2 изображена электрическая схема предлагаемого аттенюатора СВЧ.

На фиг.3а, б, в приведены зависимости от частоты величины прямых потерь Ап, величины затухания Аз и величины коэффициента отражения Ао при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0, и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.

Пример.

В качестве примера рассмотрен одноразрядный аттенюатор СВЧ.

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

Оба резистора R₁ и R₂ выполнены сопротивлениями, равными 5 и 150 Ом соответственно путем напыления, например, тантала толщиной 4 мкм.

Линии передачи на входе и выходе 3 и 4 выполнены шириной проводников 0,08 мм.

Полевой транзистор с барьером Шотки 5 имеет напряжение отсечки Uотс., равное 2 В.

Два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи 6 и 7, выполнены шириной и длиной проводников 0,01 и 1,3 мм соответственно.

При этом:

- резистор R₁ соединен последовательно, а резистор R₂ параллельно линиям передачи на входе и выходе 3 и 4,

- последовательно соединенный резистор R₁ включен между входной и выходной линиями передачи,

- каждый из двух отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи 6 и 7, расположен по разные стороны и симметрично от последовательно соединенного резистора R₁ и соединен с соответствующей линией передачи на входе 3, либо на выходе 4, а вторые концы отрезков линий передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи 6 и 7, соединены между собой и соединены с одним из концов параллельно соединенного резистора R₂,

- другой конец параллельно соединенного резистора R₂ соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 5 и заземлен,

- затвор полевого транзистора с барьером Шотки 5 соединен с источником постоянного управляющею напряжения 8,

- исток полевого транзистора с барьером Шотки 5 заземлен через металлизированные отверстия в основании, на котором расположена монолитная интегральная схема аттенюатора СВЧ.

Работу аттенюатора СВЧ рассмотрим также на примере одного разряда.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 5 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 8 он становится открытым.

В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки, включенный параллельно линиям передачи на входе 3 и выходе 4, имеет малое сопротивление Zоткр.

Общее сопротивление аттенюатора ZA, рассчитанное по формуле:

ZA=R₂×Zоткр/(R₂+Zоткр.), где

Zоткр - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки будет меньше Zоткр.

При этом на концах отрезков линий передач длиной, равной четверти длины волны в линии передачи 6 и 7, сопротивления аттенюатора Z1, рассчитанные по формуле:

Z1=Z²/ZA, где

Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи 6 и 7, будут иметь величину значительно большую, чем сопротивление линий передачи на входе и выходе аттенюатора СВЧ и, следовательно, не будут влиять на сигнал СВЧ, проходящий по этим линиям передачи.

При этом в аттенюаторе СВЧ реализуется малая величина прямых потерь Ап и малая величина коэффициента отражения Ао.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки транзистора Uотс, он будет закрыт.

При этом полевой транзистор с барьером Шотки будет иметь сопротивление Zзакр. значительно большее, чем сопротивление резистора R₂, и, следовательно, не будет влиять на его величину.

На концах отрезков линий передачи 4 и 5 сопротивления Z2 аттенюатора СВЧ, рассчитанные по формуле

Z2=Z²/R₂, где

Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 4 и 5 будут такими, при которых реализуется заданная величина изменения затухания Аз и малая величина коэффициента отражения Ао.

На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап, величины затухания Аз, величины коэффициента отражения Ао.

Результаты изображены на фиг.3 а, б, в.

Как видно из фиг.3:

- величина прямых потерь в аттенюаторе СВЧ на частоте 22 ГГц составляет 1 дБ, а величина затухания - 3 дБ, так что изменение величины затухания аттенюатора СВЧ составляет - 2 дБ;

- величины коэффициентов отражения при открытом и закрытом полевом транзисторе с барьером Шотки на частоте 22 ГГц составляют 0,1 и 0,15 соответственно.

Предложенный аттенюатор СВЧ обеспечивает уменьшение величины прямых потерь Ап и величины коэффициента отражения Ао вдвое по сравнению с прототипом.

Таким образом, в предлагаемом аттенюаторе СВЧ по сравнению с прототипом требуемая величина затухания Аз реализуется в каждом разряде с помощью одного электронного ключа - полевого транзистора с барьером Шотки и соответственно при подаче на него управляющего напряжения от одного источника постоянного управляющего напряжения, что позволит упростить конструкцию и снизить массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ.

Источники информации

1. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М: Радио и связь. - 1987 г., стр.45.

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