Результат интеллектуальной деятельности: ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ

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

Развитие техники СВЧ и особенно радиолокационных станций с активными фазированными решетками, в состав которых входит множество идентичных компонентов, предъявляет особые требования к коммутирующим устройствам СВЧ.

Переключатели СВЧ должны отличаться надежностью, высоким быстродействием и малыми потерями передачи СВЧ-сигнала.

Указанным требованиям максимально отвечают переключатели СВЧ, выполненные на основе различных полупроводниковых приборов в отличие от переключателей на основе ферритовых.

Среди первых наибольшее применение нашли переключатели СВЧ, в которых в качестве электронного ключа используют p-i-n диоды и полевые транзисторы с барьером Шотки.

В зависимости от предъявляемых требований, с точки зрения реализации его параметров переключатели СВЧ на основе p-i-n диодов могут быть выполнены по схеме либо с параллельным, либо последовательным, либо смешанным их включением в переключательные цепи СВЧ.

Известен, например, переключатель СВЧ, обеспечивающий быструю коммутацию сигнала СВЧ с одного выхода на другой и обратно, содержащий входной и выходной квадратурные мосты, каждый из которых имеет первый и второй входы и первый и второй выходы, между первыми выходом и входом соответственно входного и выходного квадратурных мостов и между вторыми выходом и входом соответственно входного и выходного квадратурных мостов включены соответственно первый и второй, переключаемые p-i-n диодами фазовращатели, первый из которых выполнен с возможностью переключения из фазового состояния 180° в фазовое состояние 0° [1].

Недостатками данного переключателя СВЧ являются невысокая надежность из-за наличия в нем большего числа диодов, сравнительно высокие прямые потери СВЧ-сигнала и сравнительно низкий коэффициент затухания из-за наличия в нем фазовращателей.

Известен переключатель СВЧ, в котором в качестве электронного ключа использованы полевые транзисторы с барьером Шотки. Переключатель СВЧ представляет собой соединение трех линий передач с одинаковым волновым сопротивлением, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода. Каждая из двух линий передач на выходе снабжена, по крайней мере, одним электронным ключом - полевым транзистором с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение - прототип [2].

Использование в качестве электронных ключей полевых транзисторов с барьером Шотки вместо p-i-n диодов позволило несколько повысить надежность переключателя СВЧ.

Исключение фазовращателей позволило несколько уменьшить прямые потери и увеличить коэффициент затухания.

Однако существенно улучшить указанные выше основные параметры переключателя СВЧ не удается, в том числе из-за наличия нескольких полевых транзисторов с барьером Шотки.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности, уменьшение прямых потерь, увеличение коэффициента затухания и снижение коэффициента отражения сигнала СВЧ.

Технический результат достигается тем, что в известном переключателе СВЧ, содержащем соединение трех линий передач с одинаковым волновым сопротивлением, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, линии передачи на выходе снабжены электронным ключом, в качестве которого использован полевой транзистор с барьером Шотки, при этом исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение.

При этом:

- переключатель содержит один полевой транзистор с барьером Шотки,

- в переключатель дополнительно введены отрезки линий передач длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи,

- при этом одни концы дополнительных отрезков линий передач соединены с линиями передач на выходе каждый на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач, а другие соединены между собой и соединены со стоком полевого транзистора с барьером Шотки.

Использование для обеих линий передач на выходе только одного общего ключа - одного полевого транзистора с барьером Шотки позволит повысить надежность за счет исключения второго полевого транзистора с барьером Шотки с присущими ему недостатками, приводящими к ухудшению параметров переключателя СВЧ.

Введение в переключатель СВЧ дополнительно отрезков линий передачи с длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны в линии передачи, и указанным волновым сопротивлением в совокупности с вышеуказанным признаком и другими признаками предложенного изобретения позволит:

Во-первых, значительно уменьшить прямые потери:

а) за счет исключения второго полевого транзистора с барьером Шотки,

б) за счет включения полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «открыто» в одну линию передачи через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и включение его в состоянии «закрыто» в другую линию передачи на выходе через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной половине длины волны в линии передачи.

Во-вторых, увеличить коэффициент затухания, за счет включения полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «закрыто» в одну линию передачи через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и включение его в состоянии «открыто» в другую линию передачи на выходе через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной половине длины волны в линии передачи.

В-третьих, снизить коэффициент отражения, за счет соединения отрезков линий передач на выходе длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач.

Изобретение пояснялся чертежами.

На фиг.1 дана топология переключателя СВЧ, где

- соединение трех линий передачи, одна из которых предназначена для входа 1, а две другие 2, 3 - для выхода СВЧ-сигнала,

- электронный ключ, в качестве которого использован полевой транзистор с барьером Шотки - 4,

- дополнительные отрезки линий передач - 5 и 6 длиной, равной четверти и половине длины волны соответственно.

На фиг.2 дана принципиальная схема переключателя СВЧ.

На фиг.3 даны зависимости величины прямых потерь Ап от частоты в каналах переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на выходе 2, а кривая 2 - в линии передачи на выходе 3.

На фиг.4 даны зависимости величины коэффициента затухания Аз от частоты в каналах переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи 2 на выходе, а кривая 2 - в линии передачи на выходе 3.

На фиг.5 даны зависимости величины коэффициента отражения Ао от частоты в каналах переключателя СВЧ.

Пример конкретного выполнения.

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

Отрезки линий передач на выходе 2 и 3 выполнены длиной, равной четверти длины волны в линии передачи.

Три линии передачи на входе 1 и 2, 3 - на выходе СВЧ-сигнала выполнены с одинаковым волновым сопротивлением, которое задается шириной проводников, в данном случае равной 0,08 мм, и соединены между собой.

В переключатель СВЧ дополнительно введены отрезки линий передач 5 и 6 длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны отрезка линии передачи, а именно шириной и длиной проводников оба 0,08 мм и 3 мм и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению любой из линий передач 1, 2, 3.

Одни концы упомянутых отрезков линий передач 6 и 5 соединены с линиями передач на выходе 2 и 3 соответственно и каждый на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач, а другие соединены между собой и соединены со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 4, имеющего напряжение отсечки U_ОТС., равное - 2,5 В.

Исток полевого транзистора с барьером Шотки 4 заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение от источника постоянного управляющего напряжения.

Работа переключателя СВЧ.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 4 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения последний становится «открытым».

При этом полевой транзистор с барьером Шотки 4, сток которого соединен с другими концами дополнительных отрезков линий передач 5 и 6, имеет малое сопротивление Zоткр.

На конце дополнительного отрезка линии передачи 5 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3, будет сопротивление Z₃, рассчитанное по формуле [3]:

Z₃=Z0²/Zоткр., где

Z0 - волновое сопротивление дополнительного отрезка линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3,

Zоткр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в открытом состоянии.

И это сопротивление Z₃ будет существенно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 3.

На другом конце дополнительного отрезка линии передачи 6 длиной, равной половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 2, будет сопротивление Z₂, при этом

Z₂=Zоткр., где

Zоткр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в открытом состоянии,

И это сопротивление Z₂ будет существенно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2.

Тогда сопротивление Z₂₀, рассчитанное по формуле [3]:

Z₂₀=Z0²/Z₂, где

Z0 - волновое сопротивление отрезка линии передачи на выходе 2,

Z₂ - сопротивление на конце дополнительного отрезка линии передачи 6 длиной, равной половине длины волны в линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 2.

И это сопротивление Z₂₀ будет значительно больше, чем Z0.

В этом случае сигнал СВЧ с входной линии передачи 1 передается в линию передачи на выходе 3 с величиной прямых потерь Ап, а в линию передачи на выходе 2 - с величиной затухания Аз.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 4 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки Uотс., полевой транзистор с барьером Шотки 4 будет «закрыт».

При этом полевой транзистор с барьером Шотки 4, сток которого соединен с другими концами дополнительных отрезков линий передач 5 и 6, имеет большое сопротивление Zзакр.

На конце дополнительного отрезка линии передачи 5 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3 будет сопротивление Z₃, рассчитанное по формуле [3]:

Z₃=Z0²/Zзакр., где

Z0 - волновое сопротивление дополнительного отрезка линии передачи на выходе 3,

Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «закрыто».

И это сопротивление Z₃ будет существенно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 3.

Тогда сопротивление Z₃₀, рассчитанное по формуле [3]:

Z₃₀=Z0²/Z₃, где

Z0 - волновое сопротивление дополнительного отрезка линии передачи на выходе 3,

Z₃ - сопротивление на конце дополнительного отрезка линии передачи 5 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3.

И это сопротивление Z₃₀ будет равно Zзакр., которое значительно больше, чем Z0.

На другом конце дополнительного отрезка линии передачи 6 с длиной, равной половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, будет сопротивление Z₂, при этом

Z₂=Zзакр., где

Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «открыто»,

И это сопротивление Z₂ будет существенно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2.

В этом случае сигнал СВЧ с входной линии передачи 1 передается в линию передачи на выходе 2 с величиной прямых потерь Ап, а в линию передачи на выходе 3 - с величиной затухания Аз.

На изготовленных образцах переключателя СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап, коэффициентов затухания Аз и отражения Ао в зависимости от частоты в каналах переключателя СВЧ.

Как указано выше, результаты представлены на фиг.3, 4, 5.

Как видно:

из фиг.3 величины прямых потерь Ап на частоте 10 ГГц меньше - 0,5 дБ, что примерно в два раза меньше, чем у прототипа,

из фиг.4 величина коэффициента затухания Аз на частоте 10 ГГц равна - 15 дБ в закрытых каналах, что на 5 дБ меньше, чем у прототипа,

из фиг.5 величина коэффициента отражения Ао на частоте 10 ГГц равна 0,1 в обоих каналах, что в полтора раза меньше, чем у прототипа.

Таким образом, предложенный переключатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит:

- повысить надежность,

- уменьшить прямые потери СВЧ, порядка двух раз,

- увеличить коэффициент затухания, порядка 30 процентов,

- и снизить коэффициент отражения сигнала СВЧ в полтора раза.

Кроме того, предложенный переключатель СВЧ позволит снизить массогабаритные характеристики.

Последнее особенно необходимо при изготовлении переключателя в составе монолитных интегральных схем СВЧ различного назначения.

Источники информации

1. Патент РФ № 2081480, приоритет 10.06.1997 г., МПК Н01P 1/15.

2. Балыко А.К., Богданов Ю.М., Васильев В.И., Климова А.В., Лапин В.Г., Темнов A.M., Юсупова Н.И. Проектирование монолитного двухканального переключателя СВЧ // Изв. ВУЗов. Радиотехника, 2004 г. № 2. стр.40-47.

3. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М., Связь, 1971.