ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2007 года по МПК H01P1/15 

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 надежности при переключении СВЧ-сигналов.

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

Широко известно использование в переключательных цепях СВЧ полупроводниковых диодов и особенно p-i-n диодов вследствие их способности отражать достаточно высокий уровень мощности без выхода из строя и с небольшими потерями передачи СВЧ-сигнала, что не свойственно другим полупроводниковым диодам.

В зависимости от требуемой реализуемости параметров переключатель СВЧ может быть выполнен одноканальным либо многоканальным.

Примером первого является известный 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 переключаемым из фазового состояние 180° в фазовое состояние 0°. При этом оба фазовращателя выполнены с возможностью одновременного отпирания всех p-i-n диодов в каждом фазовращателе для быстрого переключения. А цепи управления p-i-n диодами фазовращателей выполнены с возможностью обеспечения запирания всех p-i-n диодов обоих фазовращателей в паузе (1).

Недостатками данного переключателя СВЧ являются большие массогабаритные характеристики из-за наличия в нем двух постоянных управляющих напряжений, а также сравнительно высокие прямые потери СВЧ-сигнала из-за наличия в нем фазовращателей.

Примером второго может быть известный переключатель каналов для коммутации проходящей СВЧ мощности в линиях передачи, который содержит, по крайней мере, три p-i-n диода, общая точка соединения которых является выходом переключателя каналов, а к их внешним выводам подключены три входных канала, параллельно которым подключены входами фильтры питания, содержащие соответственно дроссели и конденсаторы. При этом выходы вторых фильтров питания подключены к общей шине через дополнительно введенные ключи, а выходы первых фильтров питания являются входами для подключения источников постоянного управляющего напряжения (2).

Недостатками данного переключателя СВЧ являются также большие массогабаритные характеристики из-за наличия в нем нескольких источников постоянного управляющего напряжения и фильтров питания, и сравнительно высокие прямые потери СВЧ-сигнала.

Известен переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по крайней мере, одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянные управляющие напряжения (3).

Использование в качестве ключей полевых транзисторов с барьером Шотки вместо p-i-n диодов позволило исключить фильтры питания и тем самым несколько уменьшить массогабаритные характеристики, а также повысить быстродействие переключателя СВЧ.

Однако наличие двух источников постоянного управляющего напряжения не позволяет существенно снизить массогабаритные характеристики, что особенно важно при создании переключателей СВЧ в монолитном интегральном исполнении, а также существенно уменьшить прямые потери СВЧ-сигнала.

Техническим результатом изобретения является снижение массогабаритных характеристик и уменьшение прямых потерь СВЧ-сигнала.

Технический результат достигается тем, что в известном переключателе СВЧ, содержащем соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по крайней мере, одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение, в одну из линий передачи на выходе введен, по крайней мере, один отрезок линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом один конец отрезка линии передачи соединен с этой линией передачи на выходе, а другой конец - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, сток другого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другой линией передачи на выходе, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, при этом расстояния от точки соединения трех линий передачи до точки соединения отрезка линии передачи с этой линией передачи на выходе и до стока другого полевого транзистора с барьером Шотки равны четверти длины волны в линиях передачи.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Введение в одну из линий передачи на выходе переключателя СВЧ, по крайней мере, одного отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, в совокупности с предложенным соединением элементов переключателя, а именно один конец отрезка линии передачи соединен с этой линией передачи на выходе, а другой конец - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, сток другого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другой линией передачи на выходе, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, при этом расстояния от точки соединения трех линий передачи до точки соединения отрезка линии передачи с этой линией передачи на выходе и до стока другого полевого транзистора с барьером Шотки равны четверти длины волны в линиях передачи и в совокупности с известными признаками изобретения позволит:

- во-первых, соединить затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки, используемых в качестве электронных ключей, с одним источником постоянного управляющего напряжения и тем самым снизить массогабаритные характеристики переключателя СВЧ,

- во-вторых, наличие отрезка линии передачи частично компенсирует емкость полевого транзистора с барьером Шотки и тем самым снижает прямые потери СВЧ-сигнала в переключателе.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана топология переключателя СВЧ, где

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

- два электронных ключа, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки 4, 5 соответственно,

- отрезок линии передачи 6.

На фиг.2 дана принципиальная схема переключателя СВЧ.

На фиг.3 даны зависимости от частоты величин прямых потерь Ап в каналах переключателя СВЧ.

На фиг.4 даны зависимости от частоты величин ослабления Ао в каналах переключателя СВЧ.

Пример

В качестве примера рассмотрен двухканальный переключатель СВЧ, в котором в одну их двух линий передачи на выходе введен один отрезок линии передачи.

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.

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

Каждая из линий передачи 2, 3 на выходе снабжена одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5, имеющие напряжение отсечки Uотс, равное -2,5 В.

Отрезок линии передачи 6 выполнен с длиной, равной четверти длины волны отрезка линии передачи, например, шириной и длиной проводника 0,01 и 3 мм соответственно и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению любой из линий передачи 1, 2, 3, и расположен, например, в линии передачи 2 на выходе и соединен с ней.

При этом расстояния от точки соединения трех линий передачи 1, 2, 3 до точки соединения отрезка линии передачи 6 с этой линией передачи 2 на выходе и до стока другого полевого транзистора с барьером Шотки 5 равны четверти длины волны в линиях передачи 1, 2, 3.

При этом один конец отрезка линии передачи 6 соединен с этой линией передачи 2 на выходе, а другой конец - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки 4.

Сток другого полевого транзистора с барьером Шотки 5 соединен с другой линией передачи 3 на выходе.

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

При этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки 4, 5 заземлены.

Работу переключателя СВЧ рассмотрим, например, в качестве двухканального переключателя.

При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 соответственно постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В от одного источника постоянного управляющего напряжения становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки 4 и 5.

При этом полевой транзистор с барьером Шотки 4, сток которого соединен с одним концом отрезка линии передачи 6, имеет малое сопротивление Zоткр, а на другом конце отрезка линии передачи 6 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, сопротивление Z, рассчитанное по формуле:

Z=Z0²/Zоткр,

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

Z0 - волновое сопротивление отрезка линии передачи.

Сопротивление Z будет существенно больше, чем волновое сопротивление линии передачи 2 на выходе Z0.

Полевой транзистор с барьером Шотки 5 также имеет малое сопротивления Zоткр, которое зашунтирует волновое сопротивление линии передачи 3 на выходе Z0.

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

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

При этом полевой транзистор с барьером Шотки 4, сток которого соединен с одним концом отрезка линии передачи 6 имеет большое сопротивление Zзакр, а на другом конце отрезка линии передачи 6 с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, сопротивление Z, рассчитанное по формуле:

Z=Z0²/Zзакр,

где Zзакр - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в закрытом состоянии,

Z0 - волновое сопротивление отрезка линии передачи.

Сопротивление Z зашунтирует волновое сопротивление линии передачи 2 на выходе Z0.

Полевой транзистор с барьером Шотки 5 также имеет большое сопротивление Zзакр, существенно большее, чем волновое сопротивление линии передачи 3 на выходе Z0.

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

На изготовленных образцах переключателя СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап и ослабления Ао в каналах переключателя СВЧ.

Результаты изображены на фиг.3 и 4.

Как было указано выше, на фиг.3 даны зависимости от частоты величин прямых потерь Ап в каналах переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи 2 на выходе, а кривая 2 - в линии передачи 3 на выходе.

Как видно, величины прямых потерь Ап на частоте 10 ГГц равны -0,5 дБ, что примерно в два раза меньше, чем у прототипа.

А на фиг.4 даны зависимости от частоты величин ослабления Ао в каналах переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи 2 на выходе, а кривая 2 - в линии передачи 3 на выходе.

Как видно, величины ослабления Ао на частоте 10 ГГц равны -15 дБ, что примерно соответствует прототипу.

Таким образом, предлагаемый переключатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит снизить массогабаритные характеристики и уменьшить прямые потери СВЧ-сигнала примерно в два раза.

Первое особенно важно при изготовлении переключателя в составе монолитных интегральных схем СВЧ различного назначения.

Источники информации

1. Патент РФ №2081480 приоритет 10.06.1997 г., МПК Н01Р 1/15.

2. Патент РФ №2072593 приоритет 27.01.1997 г., МПК Н01Р 1/15.

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

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к переключателям СВЧ на полевых транзисторах с барьером Шотки. Техническим результатом изобретения является снижение массогабаритных характеристик и уменьшение прямых потерь СВЧ-сигнала. Это достигается введением в одну из линий передачи на выходе, по крайней мере, одного отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи. Один конец отрезка линии передачи соединен с этой линией передачи на выходе, а другой конец соединен со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки. Сток другого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другой линией передачи на выходе, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения. Расстояния от точки соединения трех линий передачи до точки соединения отрезка линии передачи с этой линией передачи на выходе и до стока другого полевого транзистора с барьером Шотки равны четверти длины волны в линиях передачи. 4 ил.

Переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по крайней мере, одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение, отличающийся тем, что в одну из линий передачи на выходе СВЧ-сигнала введен, по крайней мере, один отрезок линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в отрезке линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом один конец отрезка линии передачи соединен с этой линией передачи на выходе, а другой конец - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, сток другого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другой линией передачи на выходе, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, при этом расстояния от точки соединения трех линий передачи до точки соединения отрезка линии передачи с этой линией передачи на выходе и до стока другого полевого транзистора с барьером Шотки равны четверти длины волны в линиях передачи.