Патент на изобретение №2311704

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

Аттенюаторы СВЧ характеризуют:

– величина прямых потерь Ап, значение которой должно быть как можно меньше;

– величина изменения затухания Аз, значение, которой задается;

– величина изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения;

– наличие числа источников постоянного управляющего напряжения, которое должно быть как можно меньше;

– величина постоянного управляющего напряжения.

Аттенюаторы СВЧ, выполненные на основе полупроводниковых приборов, широко используются в технике СВЧ, особенно многоразрядные аттенюаторы СВЧ с дискретным изменением затухания, которые 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 и 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 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, переключаемыми с помощью второго источника постоянного управляющего напряжения [1].

Недостатками данного аттенюатора являются:

во-первых, существенная величина изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения,

во-вторых, значительные прямые потери Ап,

в третьих, наличие 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 многоразрядный аттенюатор СВЧ, содержащий в каждом разряде также П-образное соединение трех резисторов, но в котором в качестве трех электронных ключей использованы полупроводниковые транзисторы – 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 которых заземлены, а затворы которых 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, как и первому аналогу, данному аттенюатору СВЧ присущи:

во-первых, существенная величина изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения,

во-вторых, значительные прямые потери Ап,

в-третьих, наличие двух источников постоянного управляющего напряжения.

Техническим результатом изобретения является достижение нулевой величины изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения, снижение прямых потерь Ап, упрощение конструкции, снижение массогабаритных характеристик аттенюатора СВЧ.

Технический результат достигается тем, что в известном аттенюаторе СВЧ, состоящем, по крайней мере, из одного разряда, каждый из которых содержит три резистора, один из которых расположен 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 первый резистор соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а два другие выполнены с одинаковыми сопротивлениями и расположены по разные стороны от первого и соответственно каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи напряжения от источников постоянного управляющего напряжения, резисторы разъединены между собой, в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи, которые расположены по разные стороны от первого резистора, при этом один конец каждого из отрезков линии передачи соединен с одним из концов соответствующего одного из двух резисторов и со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а другой их конец соединен с концами первого резистора, другой конец каждого из двух других резисторов соединен с истоком 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.

В аттенюаторе СВЧ расстояния, на котором расположены два других резистора от первого, задаются их конструкцией.

В аттенюаторе СВЧ отрезки линии передачи могут быть выполнены длиной, равной, либо меньшей четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линий передачи на входе и выходе аттенюатора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Предложенный аттенюатор СВЧ, в котором резисторы разъединены между собой, а в каждый разряд аттенюатора дополнительно ведены два отрезка линии передачи и предлагаемое их соединение с резисторами и полевыми транзисторами с барьером Шотки, а именно один конец каждого из отрезков линии передачи соединен с одним из концов соответствующего одного из двух резисторов и со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а другой их конец соединен с концами первого резистора, другой конец каждого из двух других резисторов соединен с истоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, позволяет:

во-первых, изменяя длину отрезков линии передачи, тем самым компенсировать реактивные элементы (емкости) полевых транзисторов с барьером Шотки, подключенных к соответствующим двум резисторам. А поскольку фаза сигнала определяется в основном реактивными элементами, тем самым достичь нулевой величины ее изменения при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения.

во-вторых, поскольку компенсация реактивных элементов снижает коэффициент отражения сигнала, снизить прямые потери Ап,

в-третьих, соединить между собой затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки и подавать на них постоянное управляющее напряжение от одного источника и тем самым упростить конструкцию и снизить массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ.

Расстояния, на котором расположены два резистора от первого, задаются их конструкцией.

Так, например, в случае исполнения аттенюатора СВЧ в виде монолитной интегральной схемы два резистора выполнены разной шириной и длиной, но с одинаковыми сопротивлениями, и, следовательно, расстояния, на котором расположены эти резисторы на концах отрезков линии передачи, будут не равными.

Выполнение отрезков линии передачи длиной, равной, либо меньшей четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линий передачи на входе и выходе аттенюатора, усиливает эффект компенсации реактивных элементов полевых транзисторов с барьером Шотки.

Изобретение поясняется чертежами.

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

– три резистора, один из которых расположен последовательно R1, а два других R2, R3 параллельно линиям передачи на входе и выходе,

– три электронных ключа, в качестве которых использованы три полевых транзистора с барьером Шотки – 4, 5, 6 соответственно,

– два отрезка линии передачи – 7 и 8 соответственно,

– линии передачи на входе и выходе – 9,

– источник постоянного управляющего напряжения – 10.

На фиг.2 изображена электрическая схема предлагаемого аттенюатора СВЧ.

На фиг.3 приведены зависимости от частоты фазы сигнала при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0 и -2,5 В – напряжение отсечки.

На фиг.4 приведены зависимости от частоты величины прямых потерь Ап и величины затухания Аз при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0 и -2,5 В – напряжение отсечки.

Пример

В качестве примера рассмотрен один разряд аттенюатора 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.

Три резистора R1, R2, R3 выполнены с сопротивлениями, равными 40, 50, 50 Ом, соответственно путем напыления, например, хрома толщиной 2 мкм.

Три электронных ключа, в качестве которых использованы три полевых транзистора с барьером Шотки 4, 5, 6, имеют напряжение отсечки Uотс, равное -2,5 В.

Два отрезка линии передачи 7 и 8 выполнены шириной и длиной проводников 0,01 и 3 мм соответственно и расположены по разные стороны от первого резистора R1.

Линии передачи на входе и выходе 9 выполнены шириной проводников, равной 0,08 мм.

При этом резистор R1 расположен последовательно, а резисторы R2 и R3 расположены по разные стороны от резистора R1 и соответственно каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки 5, 6 и параллельно линиям передачи на входе и выходе 9.

При этом резисторы разъединены между собой. Первый резистор R1 соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки 4 посредством проводников.

Один конец каждого из отрезков линии передачи 7 и 8 соединен с одним из концов соответствующего одного из двух резисторов R2 и R3 и со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки 5, 6, а другой их конец соединен с концами первого резистора, другой конец каждого из двух других резисторов R2 и R3 соединен с истоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки 5, 6, а затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки 4, 5, 6 соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения 10.

Истоки полевых транзисторов с барьером Шотки 5 и 6 заземлены посредством соединения с основанием, на котором расположена монолитная интегральная схема аттенюатора СВЧ, через металлизированные отверстия в ней, а стоки соединены с резисторами R2 и R3 соответственно посредством проводников.

Работу аттенюатора СВЧ рассмотрим на примере одного разряда.

При подаче на затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки 4, 5, 6 соответственно постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от одного источника постоянного управляющего напряжения 10 становятся открытыми все три полевых транзистора с барьером Шотки 4, 5, 6.

В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки 4, включенный параллельно первому резистору R1, имея малое сопротивление, зашунтирует этот резистор и общее последовательное сопротивление аттенюатора Z1, рассчитанное по формуле

Z1=R1×Zоткр./(R1+Zоткр.), где

Zоткр. – сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки,

будет меньше, чем сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки Zоткр.

Полевые транзисторы с барьером Шотки 5 и 6 также имеют малые сопротивления Zоткр., но поскольку каждый включен на одном конце каждого отрезка линии передачи 7 и 8 соответственно с длиной, равной четверти длины волны, в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, равным Z0, то на другом их конце малые сопротивления Zоткр. преобразуются в большие сопротивления Z2 и Z3, рассчитанные по формулам

Z2=Z²/Zоткр.,

Z3=Z²/Zоткр., где

Z² – квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 7 и 8.

При этом большие сопротивления Z2 и Z3 сравнимы по величине с сопротивлениями закрытых полевых транзисторов с барьером Шотки Zзакр. В этом случае аттенюатор будет иметь малое последовательное сопротивление Z1 и два больших параллельных сопротивления Z2 и Z3, включенных по обе стороны малого последовательного сопротивления Z1.

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

При подаче на затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки 4, 5, 6 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки Uотс, все транзисторы будут закрыты.

При этом полевой транзистор с барьером Шотки 4, включенный параллельно первому резистору R1, будет иметь сопротивление Zзакр., значительно большее, чем сопротивление первого резистора R1, и общее последовательное сопротивление Z1 аттенюатора, рассчитанное по формуле

Z1=R1×Zзакр./(R1+Zзакр.),

будет равно R1.

Полевые транзисторы с барьером Шотки 5 и 6 также имеют большие сопротивления Zзакр., значительно большие, чем сопротивления резисторов R2 и R3, поэтому сопротивления ZA и ZB, рассчитанные по формулам

ZA=R2×Zзакр./(R2+Zзакр.)

ZB=R3×Zзакр./(R3+Zзакр.), где

ZA и ZB сопротивления на концах отрезков линий передач,

будут равны сопротивлениям резисторов R2 и R3 соответственно, но поскольку каждый включен на одном конце каждого отрезка линии передачи 7 и 8 соответственно с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением Z, то на другом их конце сопротивления R2 и R3 преобразуются в сопротивления Z2 и Z3, рассчитанные по формуле

Z2=Z²/ZA,

Z3=Z²/ZB,

где Z² – квадрат волнового сопротивления отрезков линии передачи 7 и 8.

В этом случае аттенюатор будет иметь последовательное сопротивление R1 и два параллельных сопротивления Z2 и Z3, включенных по обе стороны последовательного сопротивления R1.

В этом случае в аттенюаторе реализуется:

во-первых, требуемая величина затухания Аз,

во-вторых, достижение нулевой величины изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения.

На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины затухания Аз, прямых потерь Ап и изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения.

Результаты изображены на фиг.3 и 4.

Как видно из фиг.3, изменение фазы сигнала при изменении постоянного управляющего напряжения, равного 0 и -2,5 В – напряжение отсечки, на частоте 10 ГГц составляет 0 градусов.

Как видно из фиг.4, величина прямых потерь Ап составляет -1,2 дБ, а величина затухания Аз составляет -5,2 дБ.

Таким образом, данный разряд аттенюатора реализует разность затухания, равную -4 дБ.

Таким образом, предлагаемый многоразрядный аттенюатор СВЧ по сравнению с прототипом позволит:

во-первых, приблизится к достижению нулевой величины изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения,

во-вторых, снизить прямые потери Ап,

в-третьих, упростить конструкцию, 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.

Формула изобретения

1. Аттенюатор СВЧ, состоящий, по крайней мере, из одного разряда, каждый из которых содержит три резистора, один из которых расположен 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 первый резистор соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а два других выполнены с одинаковыми сопротивлениями и расположены по разные стороны от первого и соответственно каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи напряжения от источников постоянного управляющего напряжения, отличающийся тем, что в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи, которые расположены по разные стороны от первого резистора, при этом один конец каждого из отрезков линии передачи соединен с одним из концов соответствующего одного из двух резисторов и со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а другой их конец соединен с концами первого резистора, другой конец каждого из двух других резисторов соединен с истоком 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, при этом отрезки линии передачи выполнены длиной, равной либо меньшей четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линий передачи на входе и выходе аттенюатора.

2. Аттенюатор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что расстояния, на которых расположены два других резистора от первого, кратны нечетному числу четвертьволнового отрезка линии передачи.

РИСУНКИ