ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО СВЧ Российский патент 2014 года по МПК H01P1/22 H02H3/00 

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

Основными параметрами защитного устройства СВЧ являются:

- рабочая полоса частот,

- прямые потери СВЧ в открытом его состоянии,

- допустимая входная мощность или модуль коэффициента затухания сигнала СВЧ в закрытом его состоянии.

Известно защитное устройство СВЧ, содержащее центральный проводник и полупроводниковый прибор - pin-диод, в котором pin-диод подключен непосредственно к центральному проводнику [1].

Недостатками этого защитного устройства СВЧ являются:

большие прямые потери, поскольку включенный непосредственно в линию передачи pin-диод имеет сравнительно большие потери мощности;

узкая рабочая полоса частот, поскольку pin-диод имеет емкостное реактивное сопротивление;

слабая защищенность pin-диода от прямого воздействия на него СВЧ-мощности.

Известно защитное устройство СВЧ, содержащее центральный проводник, соединенный с ним отрезок линии передачи и pin-диод, расположенный на конце линии передачи, в которое с целью увеличения допустимой входной мощности дополнительно введен резистор, а отрезок линии передачи выполнен в виде двух связанных линий, на конце одной линии расположен pin-диод, а на конце другой - резистор, включенный параллельно pin-диоду, при этом длина связанных линий

l=λ_o×(2k+1)/4, где

λ_о - длина волны на центральной частоте,

k=0, 1, 2,… [2] - прототип.

Более того, данное защитное устройство СВЧ благодаря включению pin-диода в линию передачи через отрезок линии передачи позволило несколько снизить прямые потери и защитить pin-диод от прямого воздействия на него мощности СВЧ.

Однако использование отрезка связанных линий передачи определяет:

во-первых, узкую рабочую полосу частот,

во-вторых, большие прямые потери, особенно в диапазоне миллиметровых длин волн

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение рабочей полосы частот и снижение прямых потерь СВЧ при сохранении допустимой входной мощности.

Технический результат достигается заявленным защитным устройством СВЧ, содержащим центральный проводник, один конец которого предназначен для входа сигнала СВЧ, другой - для выхода, соединенный с ним отрезок линии передачи, полупроводниковый прибор, соединенный с другим концом отрезка линии передачи, и резистор, включенный параллельно полупроводниковому прибору.

В защитное устройство дополнительно введены емкость и индуктивность.

Отрезок линии передачи выполнен в виде отрезка одиночной линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы частот, и волновым сопротивлением, равным удвоенному значению волнового сопротивления центрального проводника,

в качестве полупроводникового прибора используют полевой транзистор с барьером Шотки, при этом величины емкости С и индуктивности L равны соответственно

С=С_Т,

,

где С_Т - выходная емкость полевого транзистора с барьером Шотки, Ф,

π - число, равное 3,1415,

f₀ - центральная частота рабочей полосы частот, Гц;

резистор выполнен с сопротивлением равным

R=60×[ехр(-0,2×Аз)-1], где

Аз - заданная величина модуля коэффициента затухания на центральной частоте рабочей полосы частот, дБ;

ехр(х) - экспоненциальная функция от аргумента х,

при этом один конец емкости соединен с одним концом отрезка линии передачи, другой - заземлен, один конец индуктивности соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки и другим концом отрезка линии передачи, другой ее конец - заземлен, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, затвор соединен с источником управляющего постоянного напряжения.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков заявленного защитного устройства СВЧ позволит, а именно:

Введение в защитное устройство СВЧ емкости и индуктивности с указанными их величинами позволит в рабочей полосе частот:

во-первых, компенсировать входную емкость полевого транзистора с барьером Шотки,

во-вторых, согласовать его внутренние сопротивления с волновым сопротивлением центрального проводника и тем самым реализовать оптимальные величины параметров защитного устройства СВЧ. Следствие этого - расширение рабочей полосы частот и снижение величины прямых потерь СВЧ.

Использование в качестве полупроводникового прибора полевого транзистора с барьером Шотки, который по сравнению с pin-диодом

во-первых, является широкополосным полупроводниковым прибором за счет наличия третьего электрода - затвора и связанного с этим распределением емкости между тремя электродами на составляющие, включенные внутри прибора по параллельно-последовательной схеме, что тем самым приводит в конечном счете к снижению величины суммарной внутренней емкости. Следствие этого - расширение рабочей полосы частот защитного устройства СВЧ,

во-вторых, имеет значительно меньшие внутренние сопротивления, и особенно в диапазоне миллиметровых длин волн, за счет использования полупроводникового материала - арсенида галлия, имеющего более высокую подвижность по сравнению с кремнием, из которого выполнен pin-диод. Следствие этого - снижение величины прямых потерь защитного устройства СВЧ.

Использование отрезка одиночной линии передачи вместо отрезка связанных линий передачи позволит исключить безвозвратные потери мощности, обусловленные связанными линиями передачи, область связи в которых является открытой для излучения электромагнитных волн в пространство. Следствие этого - снижение прямых потерь СВЧ защитного устройства СВЧ.

Отрезок линии передачи выполненный

во-первых, длиной, равной одной восьмой длины волны на средней частоте рабочей полосы частот, позволит удалить резонансные частоты от средней частоты рабочей полосы частот. Следствие этого - снижение величины прямых потерь СВЧ и расширение рабочей полосы частот защитного устройства СВЧ,

во-вторых, величиной волнового сопротивления, равной удвоенной величине волнового сопротивления центрального проводника, позволит отчасти исключить неоднородности, возникающие в местах соединения отрезка линии передачи и центрального проводника. Следствие этого - снижение величины прямых потерь СВЧ.

Резистор, выполненный с указанной величиной сопротивления, позволит реализовать оптимальные величины параметров защитного устройства СВЧ и, как следствие - снижение величины прямых потерь СВЧ, расширение рабочей полосы частот защитного устройства СВЧ и сохранение допустимой входной мощности.

Предложенное соединение элементов защитного устройства СВЧ обеспечит также расширение рабочей полосы частот и снижение величины прямых потерь СВЧ защитного устройства СВЧ.

Итак, как видно из вышесказанного, предложенная совокупность существенных признаков защитного устройства СВЧ в полной мере обеспечить указанный выше технический результат, а именно расширение рабочей полосы частот и снижение прямых потерь СВЧ.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана топология заявленного защитного устройства СВЧ, где

- центральный проводник - 1, один конец которого предназначен для входа сигнала СВЧ - 2, другой для выхода - 3,

- отрезок линии передачи - 4,

- полупроводниковый прибор - полевой транзистор с барьером Шотки - 5,

- резистор - 6,

- емкость - 7

- индуктивность - 8,

- источник управляющего постоянного напряжения - 9.

На фиг.2 дана его принципиальная схема.

На фиг.3 даны зависимости от частоты прямых потерь СВЧ.

На фиг.4 даны зависимости от частоты модуля коэффициента затухания.

Пример конкретного выполнения заявленного защитного устройства СВЧ

Все элементы защитного устройства СВЧ выполнены в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.

Центральный проводник 1 выполнен одинаковой шириной, равной 0,08 мм (50 Ом).

Отрезок линии передачи 4 выполнен длиной 0,5 мм и шириной 0,02 мм, что соответствует длин,е равной одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы частот, и волновому сопротивлению, равному удвоенному значению волнового сопротивления центрального проводника (100 Ом).

Полупроводниковый прибор 5 выполнен в виде полевого транзистора с барьером Шотки.

Резистор 6 выполнен с сопротивлением R, равным 280 Ом (согласно выражению R=60×[ехр(-0,2×Аз)-1] при Аз, равном 10 дБ).

Емкость 7 выполнена величиной С, равной 0,1 пФ, и что равно С_Т - выходной емкости полевого транзистора с барьером Шотки,

Индуктивность 8 выполнена величиной L, равной 0,22 нГн (согласно выражению для центральной частоты рабочей полосы частот - 30 ГГц).

При этом

один конец центрального проводника предназначен для входа 2 сигнала СВЧ, другой - для выхода 3 и соединен с одним концом отрезка линии передачи 4, другой его конец соединен с полупроводниковым прибором - полевым транзистором с барьером Шотки 5, резистор 6 включен параллельно последнему;

один конец емкости 7 соединен с одним концом отрезка линии передачи 4, другой заземлен, один конец индуктивности 8 соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 5 и другим концом отрезка линии передачи 4, другой ее конец заземлен, исток полевого транзистора с барьером Шотки 5 заземлен, затвор соединен с источником управляющего постоянного напряжения 9.

Защитное устройство СВЧ работает следующим образом.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 5 от источника управляющего постоянного напряжения 9 напряжения, равного 0 В, полевой транзистор с барьером Шотки откроется, через него потечет постоянный ток.

При этом полное сопротивление Z_T между стоком и истоком полевого транзистора с барьером Шотки будет носить резистивный характер и его величина будет существенно (на два порядка) меньше сопротивления R резистора 6, так что сопротивление резистора, включенного параллельно малому сопротивлению Z_T, не будет влиять на работу защитного устройства СВЧ.

Индуктивное сопротивление X_L, обусловленное дополнительно введенной индуктивностью 8 с заявленной ее величиной в рабочей полосе частот, компенсируется:

- во-первых, отрезком линии передачи 4 с заявленными его длиной и волновым сопротивлением,

- во-вторых, дополнительно введенной емкостью 7 с заявленной ее величиной.

При этом заявленные величины длины и волнового сопротивления отрезка линии передачи 4, индуктивности 8 и емкости 7 обеспечивают их выбор оптимальными, так что полное сопротивление, трансформированное к центральному проводнику параллельно входу 2 и выходу 3 защитного устройства СВЧ, будет максимально большим и, тем самым, величина прямых потерь СВЧ - минимальной.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 5 от источника управляющего постоянного напряжения 9 напряжения, равного напряжению отсечки - минус 2,5 В, полевой транзистор с барьером Шотки закроется, через него постоянный ток течь не будет.

При этом сопротивление Z_T между стоком и истоком полевого транзистора с барьером Шотки будет носить емкостной характер. Это сопротивление в рабочей полосе частот компенсируется индуктивным сопротивлением индуктивности 8 с заявленной величиной.

При этом в рабочей полосе частот емкость 7 с заявленной величиной обладает большим сопротивлением и не влияет на работу защитного устройства СВЧ.

Сопротивление резистора 6 на другом конце отрезка линии передачи 4 трансформируется через этот отрезок линии передачи к центральному проводнику 1 в величину, позволяющую получить заданное значение модуля коэффициента затухания на центральной частоте рабочей полосы частот.

На изготовленных образцах защитного устройства СВЧ были измерены:

зависимости от частоты прямых потерь СВЧ (фиг.3) и

зависимости от частоты модуля коэффициента затухания (фиг.4).

Как видно из фиг.3 и 4, заявленное защитное устройство СВЧ обеспечивает:

- расширение рабочей полосы частот до 10 ГГц,

- снижение прямых потерь СВЧ до 0,3 дБ,

- сохранение величины модуля коэффициента затухания (допустимой входной мощности).

Таким образом, заявленное защитное устройство СВЧ позволит по сравнению с прототипом расширить рабочую полосу частот примерно в 1,5 раза, снизить прямые потери СВЧ примерно в 2 раза при сохранении допустимой входной мощности.

Источники информации

1. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М: Радио и связь. - 1987. - С.45.

2. Патент РФ №2189670. Приоритет 09.08.2001. Опубл. 20.09.2002. Бюл. №26 - прототип.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. Достигаемый технический результат - расширение рабочей полосы частот и снижение прямых потерь СВЧ при сохранении допустимой входной мощности. Защитное устройство СВЧ содержит центральный проводник, один конец которого предназначен для входа сигнала СВЧ, другой - для выхода, соединенный с ним отрезок линии передачи, полупроводниковый прибор, выполненный в виде полевого транзистора с барьером Шотки, соединенный с другим концом отрезка линии передачи, резистор, включенный параллельно полупроводниковому прибору, емкость и индуктивность, отрезок линии передачи выполнен в виде отрезка одиночной линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы частот, и волновым сопротивлением, равным удвоенному значению волнового сопротивления центрального проводника, при этом величины емкости С и индуктивности L и сопротивление резистора выбраны в соответствии с заданными соотношениями. 4 ил.

Защитное устройство СВЧ, содержащее центральный проводник, один конец которого предназначен для входа сигнала СВЧ, другой - для выхода, соединенный с ним отрезок линии передачи, полупроводниковый прибор, соединенный с другим концом отрезка линии передачи, и резистор, включенный параллельно полупроводниковому прибору, отличающиеся тем, что в защитное устройство дополнительно введены емкость и индуктивность, отрезок линии передачи выполнен в виде отрезка одиночной линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы частот, и волновым сопротивлением, равным удвоенному значению волнового сопротивления центрального проводника, в качестве полупроводникового прибора используют полевой транзистор с барьером Шотки, при этом величины емкости С и индуктивности L равны соответственно
С=С_Т,
,
где С_Т - выходная емкость полевого транзистора с барьером Шотки, Ф;
π - число, равное 3,1415;
f₀ - центральная частота рабочей полосы частот, Гц;
резистор выполнен с сопротивлением, равным
R=60×[ехр(-0,2×Аз)-1],
где Аз - модуль заданной величины затухания на центральной частоте рабочей полосы частот, дБ;
ехр(х) - экспоненциальная функция от аргумента х,
при этом один конец емкости соединен с одним концом отрезка линии передачи, другой - заземлен, один конец индуктивности соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки и другим концом отрезка линии передачи, другой ее конец - заземлен, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, затвор соединен с источником управляющего постоянного напряжения.