ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2010 года по МПК H01P1/15 

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

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 от двух источников постоянного управляющего напряжения [1].

Гальваническое соединение стоков полевых транзисторов с барьером Шотки с линиями передачи двух выходов переключателя соответственно, а также поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки, используемые для переключения, являются миниатюрными, а следовательно, и маломощными, не позволяет использовать данный переключатель для переключения мощных сигналов СВЧ.

Кроме того, данный переключатель СВЧ из-за наличия двух источников постоянного управляющего напряжения имеет высокие массогабаритные характеристики, что усложняет их исполнение в монолитно интегральном исполнении.

Известен переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, две другие - для выхода, в одной из линий передачи на выходе - один отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны в отрезке линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а их затворы соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [2] - прототип.

Использование одного источника постоянного управляющего напряжения существенно снижает массогабаритные характеристики переключателя СВЧ.

Однако и данный переключатель СВЧ, как и предыдущий не обеспечивает возможность его использования для переключения мощных сигналов СВЧ и по тем же самым причинам, а именно:

а) вследствие гальванического соединения стоков полевых транзисторов с барьером Шотки с линиями передачи двух выходов переключателя соответственно

б) и миниатюрности используемых для переключения полевых транзисторов с барьером Шотки, а следовательно, их маломощности.

Техническим результатом изобретения является увеличение переключаемой мощности СВЧ, снижение потерь СВЧ и увеличение ослабления СВЧ сигнала.

Технический результат достигается заявленным переключателем СВЧ, содержащим соединение трех линий передачи, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, две другие - для выхода, при этом линии передачи на выходе расположены симметрично относительно линии передачи на входе, отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, два электронных ключа, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а их затворы соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения в который дополнительно введены два одинаковых отрезка линии передачи длиной, равной одной восьмой части длины волны, шириной, равной ширине линии передачи на входе, при этом каждый из них связан электромагнитно с одной из двух линий передачи на выходе с расстоянием между ними, равным одной четвертой части их ширины.

При этом концы дополнительных отрезков связанных линий передачи, которые расположены в непосредственной близости соединения трех линий передачи, соединены каждый со стоком одного из полевых транзисторов с барьером Шотки, при этом сток одного из транзисторов соединен с упомянутым концом дополнительного отрезка связанной линии передачи непосредственно, а сток другого - через отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, вторые концы этих отрезков - заземлены.

Сущность изобретения

Совокупность всех существенных признаков заявленного переключателя СВЧ, а именно:

- введение в переключатель СВЧ дополнительно двух одинаковых отрезков линии передачи,

- предложенное их выполнение указанной длины и ширины,

- предложенная связь каждого из них с одной из двух линий передачи на выходе,

- а также предложенное соединение всех элементов переключателя СВЧ - обеспечит возможность включения в линии передачи на выходе электронных ключей - полевых транзисторов с барьером Шотки не непосредственно, а через дополнительные отрезки связанных линий передачи соответственно и тем самым позволит:

во-первых, разорвать непосредственную гальваническую связь между стоками полевых транзисторов с барьером Шотки с линиями передачи на выходе переключателя СВЧ и тем самым обеспечить развязку линий передачи на выходе и электронных ключей и, как следствие, существенно увеличить переключаемую мощность СВЧ,

во-вторых, обеспечить возможность включения активных сопротивлений и емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки через эти дополнительные отрезки связанных линий передачи, которые в отличие от одиночных линий передачи (прототип), являясь многофункциональными элементами, трансформируют величину активных сопротивлений и емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки в оптимальные и тем самым позволят снизить потери СВЧ открытого канала переключателя между входом и одним из выходов переключателя и увеличить ослабление сигнала СВЧ закрытого канала.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана топология переключателя СВЧ, где

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

- отрезок линии передачи 4 длиной, равной четверти длины волны,

- два электронных ключа - два полевых транзистора с барьером Шотки 5, 6 соответственно,

- два дополнительных отрезка линии передачи 7, 8 соответственно,

- источник постоянного управляющего напряжения 9.

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 при мощности подаваемого сигнала СВЧ 1 Вт, 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 от частоты величины потерь СВЧ в линиях передачи на выходе переключателя при мощности подаваемого сигнала СВЧ 1 Вт, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на выходе 2, а кривая 2 - в линии передачи на выходе 3.

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 - на входе 1, на выходе 2, 3 выполнены каждая шириной проводника, равной 0,08 мм.

При этом линии передачи на входе 1 и выходе 2, 3 соединены между собой, при этом линии передачи на выходе 2, 3 расположены симметрично относительно линии передачи на входе 1.

Отрезок линии передачи 4 выполнен длиной, равной 3,5 мм, что соответствует четверти длины волны в отрезке линии передачи, и шириной, равной 0,08 мм.

Два электронных ключа, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки 5, 6, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения 9.

При этом концы дополнительных отрезков связанных линий передачи 7, 8, которые расположены в непосредственной близости соединения трех линий передачи, соединены каждый со стоком одного из полевых транзисторов с барьером Шотки 5, 6 соответственно, при этом сток транзистора с барьером Шотки 5 соединен с упомянутым концом дополнительного отрезка связанной линии передачи 7 непосредственно, а сток другого 6 - через отрезок линии передачи 4 длиной, равной четверти длины волны, вторые концы этих отрезков 7, 8 заземлены.

Работа переключателя СВЧ

При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 5 и 6 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от одного источника постоянного управляющего напряжения 9 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.

При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки имеют малое сопротивление Z_откр.

Малое сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 5 включено на одном конце дополнительного отрезка связанной линии передачи 7, который расположен в непосредственной близости соединения трех линий передачи, при этом другой его конец заземлен.

То есть сопротивление близко к нулю на обоих концах этого дополнительного отрезка связанной линии, что равносильно короткому замыканию и отсутствию сигнала СВЧ в этом дополнительном отрезке связанной линии передачи.

Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться по линии передачи первого выхода 2.

Малое сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 6 в силу того, что его сток соединен с концом второго дополнительного отрезка связанной линии передачи 8, который расположен в непосредственной близости соединения трех линий передачи, через отрезок линии передачи 4 длиной, равной четверти длины, трансформируется в большое сопротивление на конце этого дополнительного отрезка связанной линии передачи, при этом другой его конец заземлен.

То есть сопротивления существенно разнятся по величине на обоих концах этого дополнительного отрезка связанной линии передачи, что приводит к сильной связи между этим дополнительным отрезком связанной линии передачи и линией передачи на втором выходе 3 и, как следствие, к большому сопротивлению линии передачи на выходе 3.

Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться в линии передачи на втором выходе 3 сильно ослабленным.

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

При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 5 и 6 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки U_отс. полевого транзистора с барьером Шотки, оба транзистора будут закрыты.

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

Большое сопротивление Zзакр. полевого транзистора с барьером Шотки 6 в силу того, что его сток соединен с концом второго дополнительного отрезка связанной линии передачи 8, который расположен в непосредственной близости соединения трех линий передачи, через отрезок линии передачи 4 длиной, равной четверти длины волны, трансформируется в малое сопротивление на конце этого дополнительного отрезка связанной линии передачи, при этом другой его конец заземлен.

То есть сопротивление близко к нулю на обоих концах этого дополнительного отрезка связанной линии, что равносильно короткому замыканию и отсутствию сигнала СВЧ в этом дополнительном отрезке связанной линии передачи.

Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться по линии передачи второго выхода 3.

Большое сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 5 включено на конце дополнительного отрезка связанной линии передачи 7, который расположен в непосредственной близости соединения трех линий передачи, при этом другой его конец заземлен.

То есть сопротивления существенно разнятся по величине на обоих концах этого дополнительного отрезка связанной линии, что приводит к сильной связи между этим отрезком связанной линии передачи и линией передачи на первом выходе 2 и, как следствие, к большому сопротивлению этой линии передачи на выходе.

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

На изготовленных образцах переключателя СВЧ были измерены величины потерь СВЧ Ап и ослабления Ао соответственно в линиях передачи на выходе 2 и 3 при подаче в линию передачи на входе 1 мощности подаваемого сигнала СВЧ величиной 1 Вт, что в 5 раз превосходит величину мощности подаваемого сигнала СВЧ в прототипе.

Результаты изображены на фиг.3 и 4.

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

Как видно из фиг.4, величины потерь СВЧ в линиях передачи на выходе переключателя СВЧ на частоте 10 ГГц равны 0,7 дБ, что примерно в полтора раза меньше, чем у прототипа.

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

- увеличить величину переключаемой мощности СВЧ примерно в 5 раз,

- увеличить величину ослабления СВЧ сигнала примерно в 1,5 раза,

- снизить величину потерь СВЧ примерно в 1,5 раза.

Источники информации

1. 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.

2. Патент РФ №2306641 МПК Н01Р 1/15, приоритет от 29.03.2006, опубл. 20.09.07.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к технике СВЧ. Техническим результатом изобретения является увеличение переключаемой мощности СВЧ, снижение потерь СВЧ и увеличение ослабления СВЧ сигнала. Устройство содержит соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ сигнала, две другие - для выхода, отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, два электронных ключа в виде полевых транзисторов с барьером Шотки и два дополнительных одинаковых отрезка линии передачи, каждый длиной, равной одной восьмой части длины волны, а шириной, равной ширине линии передачи на входе, и расстоянием между двумя отрезками связанных линий передачи, равном одной четвертой части их ширины. Истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение от одного источника. Концы дополнительных отрезков связанных линий передачи, которые расположены в непосредственной близости соединения трех линий передачи, соединены каждый со стоком одного из полевых транзисторов с барьером Шотки, при этом сток одного из транзисторов соединен с упомянутым концом дополнительного отрезка связанной линии передачи непосредственно, а сток другого - через отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, вторые концы этих отрезков связанных линий передачи - заземлены. 4 ил.

Переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, при этом линии передачи на выходе расположены симметрично относительно линии передачи на входе, отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, два электронных ключа, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, затворы соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, отличающийся тем, что в переключатель СВЧ дополнительно введены два одинаковых отрезка линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны, шириной, равной ширине линии передачи на входе, при этом каждый из них связан электромагнитно с одной из двух линий передачи на выходе с расстоянием между ними, равным одной четвертой их ширины, при этом концы дополнительных отрезков связанных линий передачи, которые расположены в непосредственной близости соединения трех линий передачи, соединены каждый со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, при этом сток одного из транзисторов соединен с упомянутым концом дополнительного отрезка связанной линии передачи непосредственно, а сток другого - через отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, вторые концы этих отрезков связанных линий передачи заземлены.