Результат интеллектуальной деятельности: АТТЕНЮАТОР СВЧ

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

Одной из основных характеристик аттенюатора СВЧ является величина изменения затухания - ослабления СВЧ-сигнала.

Аттенюаторы делятся на аттенюаторы с дискретным и непрерывным изменением ослабления СВЧ-сигнала.

В первом случае аттенюатор содержат два и более разрядов, причем чем меньше минимальное значение дискрета ослабления в каждом разряде, тем требуется большее число разрядов для достижения заданного изменения ослабления СВЧ-сигнала.

При этом каждый разряд управляется, по крайней мере, двумя источниками управляющего напряжения.

Во втором случае аттенюатор содержит один разряд, ослабление СВЧ-сигнала которого изменяется в зависимости от приложенного к нему непрерывно изменяющегося управляющего напряжения.

Идеальный вариант аттенюатора СВЧ - это достижение линейного изменения ослабления СВЧ-сигнала в зависимости от управляющего напряжения непрерывно изменяющегося в широком интервале, и малая величина модуля коэффициента отражения также при указанной зависимости.

А это, как правило, трудно достижимо.

Задача настоящего изобретения состоит в комплексном подходе к конструированию аттенюаторов СВЧ, заключающемся:

- с одной стороны, в существенном снижении модуля коэффициента отражения аттенюатора в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале,

- с другой стороны, в достижении близкой к линейной зависимости ослабления СВЧ-сигнала от указанного управляющего напряжения,

- при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик, что особенно необходимо при монолитно интегральном исполнении аттенюатора СВЧ.

Многоразрядный аттенюатор СВЧ с дискретным изменением затухания, как было указано выше, состоит из каскадного соединения, по крайней мере, двух и более 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 и полупроводниковые диоды, и транзисторы.

Это позволяет получать требуемые комбинации дискретного изменения затухания СВЧ-сигнала аттенюатора.

Вариантом первого являются широко известные многоразрядные аттенюаторы СВЧ, в которых в качестве электронных ключей использованы pin-диоды, переключаемые с помощью постоянного управляющего напряжения [1].

Недостатком данного аттенюатора СВЧ являются его массогабаритные характеристики:

во-первых, из-за наличия в каждом разряде двух источников управляющего напряжения,

во-вторых, поскольку pin-диоды являются двухполюсными приборами, то для развязки их по СВЧ и управляющему напряжению необходимо использовать фильтры питания, что также увеличивает массогабаритные характеристики.

Это затрудняет его использование в монолитно-интегральном исполнении.

Вариантом второго является многоразрядный аттенюатор СВЧ, в котором в качестве электронных ключей использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, переключаемые также с помощью управляющего напряжения [2].

Поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки являются трехэлектродными приборами и, следовательно, обладают внутренней развязкой по СВЧ и управляющему напряжению, исключена необходимость использования фильтров питания, что позволило несколько уменьшить массогабаритные характеристики.

Известен аттенюатор СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, и полевой транзистор с барьером Шотки, при этом исток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, а затвор соединен с источником управляющего напряжения [3] - прототип.

Недостатком данного аттенюатора является зависимость модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала от величины сопротивления полевого транзистора с барьером Шотки, которая изменяется от приложенного управляющего напряжения, что не позволяет:

во-первых, получить малые значения модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала,

во-вторых, достичь линейного изменения ослабления СВЧ-сигнала.

Кроме того, наличие и в данном аттенюаторе СВЧ двух источников управляющего напряжения увеличивает его массогабаритные характеристики и затрудняет использование его в монолитно-интегральных схемах СВЧ.

Техническим результатом изобретения является снижение модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала, достижение линейного изменения ослабления СВЧ-сигнала в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале, и уменьшение массогабаритных характеристик аттенюатора СВЧ.

Технический результат достигается тем, что в известном аттенюаторе СВЧ, содержащем две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, и полевой транзистор с барьером Шотки, при этом исток соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, а затвор соединен с источником управляющего напряжения, в аттенюатор введены два полевых транзистора с барьером Шотки, два отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, два резистора с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом каждый из двух полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно вместе с отрезком линии передачи и резистором расположены по разные стороны и/или симметрично, и/или несимметрично от первого полевого транзистора с барьером Шотки, при этом один конец каждого резистора соединен с соответствующей линией передачи либо на входе, либо на выходе, другой - через отрезок линии передачи - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником управляющего напряжения.

Каждый из двух полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно вместе с отрезком линии передачи и резистором могут быть расположены по разные стороны от первого полевого транзистора с барьером Шотки и/или симметрично и/или несимметрично в случае идентичного и неидентичного выполнения их конструктивных параметров.

Введение в аттенюатор двух полевых транзисторов с барьером Шотки, при этом каждого соответственно вместе с отрезком линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и резистором с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи в совокупности с предложенным их расположением и соединением, а именно по разные стороны от первого полевого транзистора с барьером Шотки и/или симметрично, и/или несимметрично, при этом один конец каждого резистора соединен с соответствующей линией передачи либо на входе, либо на выходе, другой - через отрезок линии передачи - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником управляющего напряжения, позволит:

во-первых, при непрерывном изменении управляющего напряжения от нуля до напряжения отсечки полевых транзисторов с барьером Шотки непрерывно изменять их сопротивление таким образом, что сопротивление аттенюатора СВЧ будет мало изменяться относительно волнового сопротивления линий передачи и тем самым снизить модуль коэффициента отражения СВЧ-сигнала;

во-вторых, изменяя ширину отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, компенсировать емкости полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым достичь линейного изменения СВЧ-сигнала в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале;

в-третьих, соединить между собой затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки и подавать управляющее напряжение от одного его источника и тем самым уменьшить массогабаритные характеристики.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена топология предлагаемого аттенюатора СВЧ, где:

- две линии передачи одна - на входе, другая - на выходе - 1 и 2,

- первый полевой транзистор с барьером Шотки - 3,

- два полевых транзистора с барьером Шотки - 4 и 5 соответственно,

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

- два резистора с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи - 8 и 9 соответственно,

- источник управляющего напряжения - 10.

На фиг.2 изображена электрическая схема аттенюатора СВЧ.

На фиг.3 приведены зависимости величины ослабления А СВЧ-сигнала от управляющего напряжения U непрерывно изменяющегося.

На фиг.4 приведены зависимости модуля коэффициента отражения Г СВЧ-сигнала от указанного выше управляющего напряжения U.

Пример 1.

Рассмотрен частный случай аттенюатора СВЧ, в котором полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5 каждый соответственно вместе с отрезком линии передачи и резистором расположены от первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 по разные стороны и симметрично.

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

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

Полевые транзисторы с барьером Шотки 4, 5 выполнены с идентичными конструктивными параметрами.

Полевые транзисторы с барьером Шотки 3, 4, 5 имеют напряжение отсечки Uотс., равное -2,5 В.

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

Два резистора 8 и 9 выполнены напылением хрома толщиной 2 мкм с сопротивлением, равным 50 Ом, что равно волновому сопротивлению линий передачи.

При этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 соединен с линией передачи на входе 1, сток - с линией передачи на выходе 2. Каждый из двух полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 соответственно вместе с отрезком линии передачи 6 либо 7 и резистором 8 либо 9 расположены по разные стороны и симметрично от первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, при этом один конец каждого резистора 8, 9 соединен с соответствующей линией передачи либо на входе 1, либо на выходе 2, другой - через отрезок линии передачи 6 либо 7 - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки. Истоки двух полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 заземлены.

Затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4, 5 соединены между собой и соединены с одним источником управляющего напряжения 10.

Пример 2.

Частный случай аттенюатора СВЧ, в котором полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5 выполнены с неидентичными конструктивными параметрами.

При этом каждый соответственно вместе с отрезком линии передачи и резистором расположены от первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 по разные стороны и несимметрично.

При этом резистор, например 8, расположен на расстоянии, равном одному миллиметру, а резистор 9 - на расстоянии, равном двум миллиметрам от первого полевого транзистора с барьером Шотки 3.

Работа аттенюатора СВЧ.

При подаче на затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4, 5 управляющего напряжения U величиной, равной 0 В от одного источника управляющего напряжения 10, становятся открытыми все три полевых транзистора с барьером Шотки.

В результате этого все три полевые транзисторы с барьером Шотки каждый имеют малое сопротивление Zоткр.

Как указано выше, полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5 имеют каждый малое сопротивление Zоткр., но поскольку каждый из них на одном конце соединен с отрезком линии передачи 6 либо 7 и резистором 8 либо 9 с сопротивлениями, равными волновому сопротивлению линии передачи Z, то на другом их конце малое сопротивление Zоткр. каждого транзистора преобразуется в большое сопротивление ZA, рассчитанное по формуле:

ZA=Z²/Zоткр.,

где Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 6 и 7.

Поскольку каждое большое сопротивление ZA включено последовательно резистору с сопротивлениями Z0, то сопротивления Z4 и Z5 аттенюатора, рассчитанные по формулам:

Z4=Z0+ZA

Z5=Z0+ZA,

где Z0 - сопротивление резисторов 8 и 9,

будут превышать сопротивления Z0 резисторов 8 и 9.

В этом случае аттенюатор будет иметь малое последовательное сопротивление Zоткр. и два больших параллельных сопротивления Z4 и Z5, включенных по обе стороны малого последовательного сопротивления Zоткр.

В этом случае в аттенюаторе СВЧ реализуется малая величина модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала и малая величина ослабления СВЧ-сигнала.

При подаче на затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4, 5 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки Uотс. полевого транзистора с барьером Шотки, все транзисторы будут закрыты.

При этом все три полевые транзисторы с барьером Шотки будут иметь каждый большое сопротивление Zзакр.

Как указано выше, полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5 имеют каждый большое сопротивление Zзакр., но поскольку каждый из них на одном конце соединен с отрезком линии передачи 6 либо 7 и резистором 8 либо 9 с сопротивлением равным волновому сопротивлению линии передачи Z, то на другом их конце большое сопротивление Zзакр. преобразуется в малое сопротивление ZB, рассчитанное по формуле:

ZB=Z²/Zзакр.,

где Z² - квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 6 и 7.

Поскольку каждое малое сопротивление ZB включено последовательно резистору с сопротивлением Z0, то сопротивления Z4 и Z5 аттенюатора, рассчитанные по формулам:

Z4=Z0+ZB

Z5=Z0+ZB,

где Z0 - сопротивления резисторов 8 и 9

будут равны Z0.

В этом случае аттенюатор будет иметь большое последовательное сопротивление Zзакр. и два параллельных сопротивления Z0 и Z0, включенные по обе стороны большого последовательного сопротивления Zзакр.

Как видим и в этом случае в аттенюаторе реализуется малая величина модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала, но при этом большая величина ослабления СВЧ-сигнала.

При подаче на затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4, 5 отрицательного управляющего напряжения U, непрерывно изменяющегося в интервале от нуля до Uотс., сопротивление каждого из трех полевых транзисторов с барьером Шотки будет изменяться от Zоткр. до Zзакр.

При этом в аттенюаторе реализуются малая величина модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала и непрерывно изменяющаяся величина ослабления СВЧ-сигнала.

При этом линейное изменение СВЧ-сигнала в зависимости от управляющего напряжения непрерывно изменяющегося в указанном интервале достигается посредством выбора оптимального значения волнового сопротивления Z отрезков линии передачи 6 и 7.

На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины модуля коэффициента отражения и ослабления СВЧ-сигналов в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в указанном интервале от нуля до Uотс., результаты чего изображены на фиг.3 и 4.

Как видно из фиг.3, ослабление в аттенюаторе изменяется линейно от значения -1 дБ до значения -15 дБ.

Как видно из фиг.4, модуль коэффициента отражения не превышает значения 0,15.

Это говорит о том, что в предложенном аттенюаторе СВЧ реализуются как малая величина модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала, так и линейное изменение ослабления СВЧ-сигнала.

Таким образом, предложенный аттенюатор СВЧ позволит, с одной стороны, достичь максимального достижения линейного изменения ослабления сигнала СВЧ и, с другой стороны, обеспечить малые величины модуля коэффициента отражения в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале;

кроме того, уменьшить массогабаритные характеристики и тем самым обеспечить возможность использования предложенного аттенюатора СВЧ в монолитно-интегральных схемах СВЧ, что является одной из основных тенденций развития современных полупроводниковых приборов СВЧ.

Источники информации

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

2.Абакумова Н.В., Богданов Ю.М. и др. Проектирование многоразрядных монолитных аттенюаторов. /Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2005 г. Вып.2, с.15-10.

3. Балыко А.К., Ольчев Б.М., Тощов А.А. Схемотехническое проектирование электрически управляемого широкополосного транзисторного аттенюатора. /Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. 1997 г. Вып.1. c.15-19.