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, предъявляют особые требования к надежности при переключении СВЧ-сигналов.

Переключатели СВЧ должны отличаться наряду с высоким быстродействием, надежностью и малыми потерями передачи СВЧ-сигнала, высоким ослаблением СВЧ-сигнала и низкой величиной модуля коэффициента отражения.

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.

При современном уровне развития техники СВЧ наиболее востребуемы многоканальные переключатели.

Примером многоканального переключателя СВЧ 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 (1).

Недостатками данного многоканального переключателя СВЧ являются малые величины ослабления и большие величины модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала, и большие массогабаритные характеристики из-за наличия в нем нескольких источников постоянного управляющего напряжения и фильтров питания.

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 их стоки соединены с линиями передачи на выходе, истоки - с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение (2).

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 данная конструкция из-за прямого включения полевых транзисторов с барьером Шотки имеет:

во-первых, низкое ослабление СВЧ-сигнала,

во-вторых, большую величину модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала в линиях передачи на выходе переключателя СВЧ,

в-третьих, из-за наличия двух источников постоянного управляющего напряжения высокие массогабаритные характеристики, что недопустимо при создании переключателей СВЧ в монолитном интегральном исполнении.

Техническим результатом изобретения является увеличение величины ослабления СВЧ-сигнала, снижение величины модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала и снижение массогабаритных характеристик.

Технический результат достигается тем, что в известном переключателе СВЧ, содержащем три линии 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 сток каждого первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединен с соответствующей линией передачи на выходе, исток первого соединен с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение, второй полевой транзистор с барьером Шотки расположен от линии передачи на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, исток его заземлен, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.

Сущность изобретения

Предложенные отличительные признаки, а именно второй полевой транзистор с барьером Шотки расположен от линии передачи на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, исток его заземлен, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, в совокупности с известными позволят непосредственно соединить полевые транзисторы с барьером Шотки с линиями передачи на выходе и тем самым обеспечить:

во-первых, большие их сопротивления в закрытом их состоянии и, следовательно, большую величину ослабления СВЧ-сигнала,

во-вторых, малые их сопротивления в открытом их состоянии и, следовательно, малую величину модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала.

Кроме того, 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.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана топология переключателя СВЧ, где

- три линии 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 первый и второй.

На фиг.2 дана принципиальная схема переключателя СВЧ.

На фиг.3 даны зависимости от частоты величины ослабления Ао СВЧ-сигнала в линиях передачи на выходе переключателя.

На фиг.4 даны зависимости от частоты величины модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала в линиях передачи на выходе переключателя.

Пример.

В качестве примера рассмотрен двухканальный переключатель СВЧ.

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.

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

При этом второй полевой транзистор с барьером Шотки 5 расположен от линии передачи на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, сток его соединен с соответствующей линией передачи 3 на выходе, а исток его заземлен.

При этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 соединен с линией передачи 1 на входе, а сток его соединен с соответствующей линией передачи 2 на выходе.

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

Работа переключателя СВЧ.

При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 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 оба полевых транзистора с барьером Шотки 4 и 5 имеют малое сопротивление Zоткр.

Это малое сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 шунтирует линию передачи 3 на выходе с волновым сопротивлением Z0, благодаря тому, что сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи 3 на выходе, а исток его заземлен, что равносильно параллельно включенным сопротивлениям.

А результирующее сопротивление ZA, рассчитанное по формуле

ZA=Z0×Zоткр./(Z0+Zоткр.),

где Z0 - волновое сопротивление линии передачи 3 на выходе,

Zоткр. - сопротивление второго полевого транзистора 5 с барьером Шотки в открытом состоянии меньше, чем сопротивление Zоткр.

А поскольку второй полевой транзистор с барьером Шотки 5 расположен от линии передачи 1 на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, то результирующее сопротивление ZA будет преобразовываться в сопротивление Z3, рассчитанное по формуле

Z3=Z0²/ZA,

где Z0 - волновое сопротивление линии передачи 3 на выходе,

ZA - результирующее сопротивление.

Поскольку результирующее сопротивление ZA меньше сопротивления Zоткр., и поэтому значительно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи 3 на выходе, то сопротивление Z3 существенно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи 1 на входе, то есть равносильно сопротивлению холостого хода.

Первый полевой транзистор с барьером Шотки 4 также имеет малое сопротивление Zоткр., которое значительно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи 2 на выходе.

А результирующее сопротивление Z2, рассчитанное по формуле

Z2=Zоткр.+Z0,

где Zоткр. - сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 в открытом состоянии,

Z0 - волновое сопротивление линии передачи 2 на выходе близко к волновому сопротивлению Z0 линии передачи 1 на входе.

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

Коэффициент отражения Г2 СВЧ-сигнала в линии передачи 2 на выходе, в которую передается СВЧ-сигнал, рассчитывается по формуле

Г2=Zоткр./(2×Z0+Zоткр.),

где Zоткр. - сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 в открытом состоянии,

Z0 - волновое сопротивление линии передачи 2 на выходе.

И поскольку сопротивление Zоткр. первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 значительно меньше волнового сопротивления Z0 линии передачи 2 на выходе, то исходя из этой формулы модуль коэффициента отражения Г2 СВЧ-сигнала в линии передачи 2 на выходе будет значительно меньше единицы.

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

При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки 4 и 5 имеют большое сопротивление Zзакр.

Это большое сопротивление Zзакр. второго полевого транзистора с барьером Шотки 5, благодаря тому, что сток полевого транзистора с барьером Шотки 5 соединен с линией передачи 3 на выходе с волновым сопротивлением Z0, а исток его заземлен, равносильно параллельно включенным сопротивлениям.

Результирующее сопротивление ZB, рассчитанное по формуле

ZB=Z0×Zзакр./(Z0+Zзакр.),

где Z0 - сопротивление линии передачи 3 на выходе,

Zзакр. - сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 в закрытом состоянии близко к волновому сопротивлению Z0 линии передачи 3 на выходе.

А поскольку второй полевой транзистор с барьером Шотки 5 расположен от линии передачи 1 на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, то результирующее сопротивление ZB будет преобразовываться в сопротивление Z3, равное ZB.

Первый полевой транзистор с барьером Шотки 4 также имеет большое сопротивления Zзакр., которое значительно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи 2 на выходе, и поэтому его результирующее сопротивление Z2, рассчитанное по формуле

Z2=Zзакр.+Z0,

где Zзакр. - сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 в закрытом состоянии,

Z0 - волновое сопротивление линии передачи 2 на выходе значительно больше волнового сопротивления Z0 линии передачи 1 на входе, то есть равносильно сопротивлению холостого хода.

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

Коэффициент отражения Г3 в линии передачи 3 на выходе, в которую передается СВЧ-сигнал, рассчитывается по формуле

Г3=Z0/(2×Zзакр.+Z0),

где Z0 - волновое сопротивление линии передачи 3 на выходе,

Zзакр. - сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 в закрытом состоянии.

И поскольку сопротивление Zзакр. второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 значительно больше волнового сопротивления Z0 линии передачи 3 на выходе, то исходя из этой формулы модуль коэффициента отражения Г3 СВЧ-сигнала в линии передачи 3 на выходе будет значительно меньше единицы.

На изготовленных образцах переключателя СВЧ были измерены величины ослабления Ao и величины модуля коэффициента отражения Г2 и ГЗ соответственно в линиях передачи 2 и 3 переключателя СВЧ.

Результаты изображены на фиг.3 и 4.

Как было указано выше, на фиг.3 даны зависимости от частоты величины ослабления Ao в линиях передачи 2 и 3 на выходе переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи 2, а кривая 2 - в линии передачи 3.

Как видно из фиг.3, величины ослабления Ao на частоте 10 ГГц в линиях передачи переключателя СВЧ равны - 15 дБ, что примерно в полтора раза больше, чем у прототипа.

А на фиг.4 даны зависимости от частоты величины модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала в линиях передачи 2 и 3 на выходе переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи 3, а кривая 2 - в линии передачи 2.

Как видно, величины модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала в линиях передачи на выходе переключателя СВЧ на частоте 10 ГГц равны 0,1, что примерно в два раза меньше, чем у прототипа.

Таким образом, предлагаемый переключатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит увеличить величину ослабления СВЧ-сигнала в полтора раза, снизить величину модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала примерно в два раза.

Кроме того, снизить массогабаритные характеристики.

Последнее особенно важно при изготовлении переключателя СВЧ 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, с.40-47.

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к переключателям СВЧ на полупроводниковых приборах. Технический результат изобретения - увеличение величины ослабления СВЧ-сигнала, снижение величины модуля коэффициента отражения СВЧ-сигнала и снижение массогабаритных характеристик. Переключатель СВЧ содержит три линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода. Каждая линия передачи на выходе снабжена, по крайней мере, одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки. Сток каждого первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединен с соответствующей линией передачи на выходе, исток первого соединен с линией передачи на входе. Второй полевой транзистор с барьером Шотки расположен от линии передачи на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, исток его заземлен. Затворы всех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения. 4 ил.

Переключатель СВЧ, содержащий три линии 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 сток каждого первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединен с соответствующей линией передачи на выходе, исток первого соединен с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение, отличающийся тем, что второй полевой транзистор с барьером Шотки расположен от линии передачи на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, исток его заземлен, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.