АТТЕНЮАТОР СВЧ С НЕПРЕРЫВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H01P1/22 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к аттенюаторам СВЧ с непрерывным управлением на полевых транзисторах с барьером Шотки.

В технике СВЧ широко используются аттенюаторы СВЧ с непрерывным управлением ослабления сигнала СВЧ в зависимости от приложенного к нему постоянного управляющего напряжения.

Основными параметрами такого аттенюатора СВЧ, определяющими его применение в радиоэлектронной аппаратуре, являются:

- полоса частот сигнала СВЧ, которая должна быть как можно более широкой, обеспечивающая возможность использования одного унифицированного аттенюатора СВЧ в различных диапазонах СВЧ;

- закон изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от приложенного к аттенюатору СВЧ постоянного управляющего напряжения, который должен быть близким к линейному закону;

- начальные потери СВЧ, которые должны быть минимальными;

- коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе аттенюатора СВЧ, которые должны быть близкими к единице.

В последние годы в аттенюаторах СВЧ в качестве полупроводниковых приборов, предназначенных для получения плавного изменения ослабления СВЧ-сигнала в зависимости от приложенного к нему изменяющегося постоянного управляющего напряжения, используются полевые транзисторы с барьером Шотки, поскольку они являются трехэлектродными приборами, и, следовательно, обладают внутренней развязкой по СВЧ и постоянному управляющему напряжению, что исключает необходимость использования в аттенюаторах СВЧ-фильтров питания [1].

Известен аттенюатор СВЧ с непрерывным управлением ослабления сигнала 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 постоянного управляющего напряжения [2].

Такое соединение полевого транзистора с барьером Шотки с другими элементами аттенюатора СВЧ обуславливает существенную зависимость указанных выше основных параметров аттенюатора СВЧ от величин входного и выходного сопротивлений полевого транзистора с барьером Шотки, а именно

во-первых, ограничивает ширину рабочей полосы частот;

во-вторых, не позволяет достичь линейного изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения;

в-третьих, не позволяет получить малые значения начальных потерь СВЧ.

Известен аттенюатор СВЧ также с непрерывным управлением ослабления сигнала 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].

В прототип с целью достижения линейного изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения дополнительно 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 симметрично или не симметрично от первого полевого транзистора с барьером Шотки, при этом один конец первого резистора соединен с линией передачи на входе и один конец второго резистора соединен с линией передачи на выходе, а другой конец соответствующего резистора через отрезок линии передачи соединен 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.

Однако наличие в аттенюаторе СВЧ двух отрезков линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы частот, приводит к тому, что на частоте, вдвое превышающей центральную частоту, эти отрезки становятся резонансными, что существенно ограничивает ширину рабочей полосы частот.

Кроме того, такое же, как и в аналоге, соединение первого полевого транзистора с барьером Шотки с другими элементами аттенюатора СВЧ не позволяет существенно увеличить линейность зависимости ослабления сигнала СВЧ от управляющего напряжения и уменьшить начальные потери СВЧ.

Все это ограничивает использование этих аттенюаторов СВЧ в радиоэлектронной аппаратуре.

Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, уменьшение начальных потерь СВЧ, увеличение линейного изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения.

Технический результат достигается тем, что в известном аттенюаторе СВЧ, содержащем две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, три полевых транзистора с барьером Шотки, при этом исток одного полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а его затвор соединен с источником постоянного управляющего напряжения.

При этом затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, его исток - с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки, их стоки соединены между собой и с линией передачи на выходе, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого и заземлен.

Сущность изобретения.

Совокупность всех существенных признаков заявленного аттенюатора СВЧ - предложенное соединение полевых транзисторов с барьером Шотки между собой и с другими элементами аттенюатора СВЧ - с линиями передачи на входе и выходе, с источником постоянного управляющего напряжения позволит, а именно:

во-первых, исключить из конструкции аттенюатора СВЧ четвертьволновые отрезки линии передачи, и тем самым исключить резонансный характер поведения его частотных характеристик и, как следствие, расширение рабочей полосы частот, линейное изменение ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения и уменьшение начальных потерь СВЧ;

во-вторых, благодаря заявленному соединению первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки - уменьшить общую их емкость и, как следствие, согласно теореме Фано - расширение рабочей полосы частот;

в-третьих, исключить соединение истока одного и того же полевого транзистора с барьером Шотки непосредственно с линией передачи на входе, а его стока - с линией передачи на выходе и, как следствие, обеспечить увеличение линейного изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения и уменьшение начальных потерь СВЧ;

в-четвертых, благодаря подаче постоянного управляющего напряжения на затвор только одного полевого транзистора с барьером Шотки, а не на затворы всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки, как в прототипе, позволит избежать разбаланса в управлении полевыми транзисторами с барьером Шотки, возникающего вследствие даже небольшой неидентичности полевых транзисторов с барьером Шотки, и, как следствие, обеспечить линейное изменение ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения и уменьшение начальных потерь СВЧ.

Итак, заявленный аттенюатор СВЧ с непрерывным управлением в полной мере обеспечивает технический результат - расширение рабочей полосы частот, уменьшение начальных потерь СВЧ, увеличение линейного изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения.

Изобретение поясняется чертежами.

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

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

- первый, второй и третий полевые транзисторы с барьером Шотки - 3, 4, 5 соответственно,

- источник постоянного управляющего напряжения - 6.

На фиг.2 дана электрическая схема аттенюатора СВЧ.

На фиг.3 даны зависимости ослабления A сигнала СВЧ от постоянного управляющего напряжения U на частоте сигнала СВЧ f, соответствующей середине рабочей полосы частот.

На фиг.4 даны зависимости ослабления A сигнала СВЧ от частоты f при различных значениях постоянного управляющего напряжения U, изменяющихся от нуля до напряжения отсечки полевого транзистора с барьером Шотки.

Пример.

Все элементы аттенюатора СВЧ выполнены в монолитном 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 с шириной проводников 0,08 мм, что соответствует волновому сопротивлению, равному 50 Ом.

Полевые транзисторы с барьером Шотки 3, 4, 5 выполнены на полуизолирующей подложке арсенида галлия с активным слоем n-типа проводимости, концентрацией легирующей примеси 2×10¹⁷ см^-3, с идентичными конструктивными параметрами - длиной и шириной затвора 0,35 мм и 0,3 мм соответственно.

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

При этом затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 соединен с линией передачи на входе, его исток - с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки 4, их стоки соединены друг с другом и с линией передачи на выходе, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 4 соединен со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки 5, исток которого заземлен, а затвор соединен с источником постоянного управляющего напряжения 6.

Работа аттенюатора СВЧ.

При подаче на затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки 5 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 6 третий полевой транзистор с барьером Шотки 5 становится открытым.

В результате этого третий полевой транзистор с барьером Шотки 5 имеет малое сопротивление Zоткр., что соответствует режиму короткого замыкания.

При этом исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 4 оказывается соединенным с «землей» через это малое сопротивление, и поэтому через него будет протекать большой ток.

Таким образом, сигнал СВЧ, поступающий на вход аттенюатора СВЧ, будет шунтироваться малым сопротивлением Zоткр. и поступать на выход аттенюатора СВЧ сильно ослабленным по амплитуде.

В этом случае в аттенюаторе СВЧ реализуется увеличение линейного изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения.

При подаче на затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки 5 управляющего напряжения U величиной, равной напряжению отсечки - 2 В, от источника постоянного управляющего напряжения 6 третий полевой транзистор с барьером Шотки 5 становится закрытым.

В результате этого третий полевой транзистор с барьером Шотки 5 имеет большое сопротивление Zзакр., что соответствует режиму холостого хода.

При этом исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 4 оказывается не соединенным с «землей», и через него ток протекать не будет.

Таким образом, сигнал СВЧ, поступающий на вход аттенюатора СВЧ, проходит на выход аттенюатора СВЧ практически без изменения своей амплитуды.

В этом случае в аттенюаторе СВЧ реализуется малая величина начальных потерь СВЧ.

При подаче на затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки 5 постоянного управляющего напряжения U, изменяющегося в интервале от нуля до напряжения отсечки Uотс., его сопротивление будет изменяться от Zоткр. до Zзакр.

При этом достигается изменение ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения, изменяющегося в указанном интервале, от максимальной величины ослабления СВЧ до величины начальных потерь СВЧ.

Таким образом, в широкой рабочей полосе частот достигается линейное изменение ослабления сигнала СВЧ и малая величина начальных потерь СВЧ.

На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины ослабления сигнала СВЧ в зависимости от постоянного управляющего напряжения, изменяющегося в указанном интервале от нуля до Uотс, и от частоты в рабочей полосе частот, результаты чего изображены на фиг.3 и 4.

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

Как видно из фиг.4 ослабление сигнала СВЧ в аттенюаторе мало изменяется в рабочей полосе частот от 8 ГГц до 26 ГГц.

Итак, в заявленном аттенюаторе СВЧ, реализуются:

- рабочая полоса частот, равная 18 ГГц, что в 3 раза превышает рабочую полосу частот прототипа;

- увеличение линейного изменения ослабления СВЧ сигнала,

- величина начальных потерь СВЧ, равная - 1 дБ, что в 1,3 раза меньше, чем у прототипа.

Таким образом, заявленный аттенюатор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит значительное расширение рабочей полосы частот, увеличение линейного изменения ослабления СВЧ-сигнала в зависимости от постоянного управляющего напряжения, малые начальные потери СВЧ.

Кроме того, обеспечивает возможность получения коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе аттенюатора СВЧ менее 1,2.

Более того, заявленный аттенюатор СВЧ обеспечивает возможность дальнейшей миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры, что чрезвычайно важно при переходе от монолитных интегральных схем СВЧ к полупроводниковым интегральным схемам, что является одной из основных тенденций развития современной радиоэлектронной аппаратуры.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот, достижение линейного изменения ослабления СВЧ-сигнала в зависимости от постоянного управляющего напряжения, уменьшение начальных потерь СВЧ. Технический результат достигается за счет того, что в известном аттенюаторе СВЧ с непрерывным управлением, содержащем две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода и три полевых транзистора с барьером Шотки, исток одного полевого транзистора с барьером Т Шотки заземлен, а его затвор соединен с источником постоянного управляющего напряжения, затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, а его исток - с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки. Их стоки соединены между собой и с линией передачи на выходе, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого и заземлен. 4 ил.

Аттенюатор СВЧ с непрерывным управлением, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, три полевых транзистора с барьером Шотки, при этом исток одного полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а его затвор соединен с источником постоянного управляющего напряжения, отличающийся тем, что в аттенюаторе СВЧ затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, его исток - с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки, их стоки соединены между собой и с линией передачи на выходе, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого заземлен.