ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФИЛЬТР СВЧ Российский патент 2015 года по МПК H01P1/203 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полосно-пропускающим перестраиваемым фильтрам СВЧ.

Известен полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ (далее фильтр СВЧ), содержащий резонансный контур с квазисосредоточенной индуктивностью и двумя Г-образными последовательно-параллельными цепочками из двух конденсаторов каждая, точка соединения конденсаторов одной из цепочек подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности.

Фильтр СВЧ с целью управления электрических характеристик содержит варакторный диод и дополнительную квазисосредоточенную индуктивность, первый вывод которой подключен к точке соединения конденсаторов второй упомянутой цепочки конденсаторов, а варакторный диод включен последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей [1].

Включение варакторного диода каскадно относительно линий передачи на входе и на выходе приводит к существенному повышению коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) как в полосе пропускания частот, так и диапазоне перестройки частоты фильтра СВЧ.

Кроме того, использование варакторных диодов для реализации широкого диапазона перестройки частоты требует подачи на них более высоких напряжений, изменяющихся до десятков вольт и соответственно высоковольтных источников напряжения.

Известен полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, по меньшей мере, одно резонансное звено с полупроводниковым прибором, на который подают постоянное управляющее напряжение.

В котором с целью расширения диапазона перестройки частоты и снижения потерь СВЧ в полосе пропускания частот, каждое резонансное звено содержит три отрезка линии передачи: первый - длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, второй и третий - длиной каждый, равной четверти длины волны, и дополнительно второй полупроводниковый прибор. В качестве полупроводниковых приборов использованы полевые транзисторы с барьером Шотки.

При этом один из концов первого отрезка линии передачи соединен с концом линии передачи на входе и с одним из концов второго отрезка линии передачи, другой конец первого отрезка линии передачи соединен с концом линии передачи на выходе, либо - каскадно с последующим резонансным звеном посредством отрезка линии передачи длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, и с одним из концов третьего отрезка линии передачи, другие концы второго и третьего отрезков линии передачи соединены каждый со стоком первого и второго полевого транзистора с барьером Шотки соответственно, затворы последних соединены между собой и с источником постоянного управляющего напряжения, а их истоки заземлены [2 - прототип].

Использование в качестве управляющего полупроводникового прибора полевых транзисторов с барьером Шотки в силу того, что они, являясь трехэлектродными полупроводниковыми приборами, содержат внутреннюю развязку по току в отличие от варакторных диодов. Это позволило исключить из фильтра СВЧ цепь смещения, представляющую собой соединение емкости и индуктивности и, как указано выше, обеспечивает расширение диапазона перестройки частоты.

Кроме того, это несколько уменьшает коэффициент стоячей волны напряжения.

Однако наличие в фильтре СВЧ отрезков линий передачи с длиной, равной четверти длины волны, приводит к тому, что эти отрезки становятся резонансными, что в свою очередь приводит:

во-первых, к сужению полосы пропускания частот, а также диапазона перестройки частоты,

во-вторых, к увеличению коэффициента стоячей волны на граничных частотах рабочей полосы.

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение полосы пропускания частот и снижение коэффициента стоячей волны напряжения при сохранении низких потерь СВЧ в полосе пропускания частот полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ.

Указанный технический результат достигается заявленным полосно-пропускающим перестраиваемым фильтром СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, по меньшей мере, одно резонансное звено с полевым транзистором с барьером Шотки, отрезок линии передачи, при этом затвор полевого транзистора с барьером Шотки соединен с источником постоянного управляющего напряжения.

В котором

каждое резонансное звено содержит один полевой транзистор с барьером Шотки,

в каждое резонансное звено дополнительно введены два элемента, каждый на двух связанных линиях передачи, и индуктивность,

при этом

первый конец первой связанной линии передачи первого элемента соединен с линией передачи на входе,

первый конец второй связанной линии передачи этого элемента, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с одним концом отрезка линии передачи,

второй - с истоком полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом индуктивности, другой конец которой заземлен,

первый конец первой связанной линии передачи второго элемента соединен с другим концом отрезка линии передачи,

второй - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки,

первый конец второй связанной линии передачи этого элемента, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с линией передачи на выходе.

Раскрытие сущности изобретения

Совокупность существенных признаков заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ,

а именно:

введение в каждое резонансное звено фильтра СВЧ дополнительно двух элементов каждый из двух связанных линий передачи позволило.

во-первых, заменить в каждом резонансном звене фильтра СВЧ отрезки линии передачи с точки зрения их функциональности на эти элементы из двух связанных линий передачи,

во-вторых, в совокупности с заявленным соединением элементов, когда

первый конец первой связанной линии передачи первого элемента соединен с линией передачи на входе,

первый конец второй связанной линии передачи этого элемента, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с одним концом отрезка линии передачи,

второй - с истоком полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом индуктивности, другой конец которой заземлен,

первый конец первой связанной линии передачи второго элемента соединен с другим концом отрезка линии передачи,

второй - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки,

первый конец второй связанной линии передачи этого элемента, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с линией передачи на выходе.

Это обеспечит реализацию каждого резонансного звена полосно-пропускающего фильтра СВЧ в виде каскадного соединения двух емкостных реактивностей - двух элементов из двух связанных линий передачи и одной индуктивной реактивности - отрезка линии передачи, и как следствие, расширение полосы пропускания частот и снижение величин коэффициента стоячей волны напряжения.

Использование в конструкции фильтра СВЧ только одного полевого транзистора с барьером Шотки вместо двух, как в прототипе, позволит исключить взаимное влияние полевых транзисторов с барьером Шотки друг на друга, которое возникает при подаче на затворы управляющего постоянного напряжения и тем самым снизить

во-первых, их рассогласование в полосе пропускания частот,

во-вторых, отражение сигналов СВЧ на входе и выходе фильтра.

И, как следствие, того и другого - расширение полосы пропускания частот и снижение коэффициента стоячей волны напряжения.

Наличие в конструкции фильтра СВЧ индуктивности в совокупности с предложенным ее соединением, а именно с истоком полевого транзистора с барьером Шотки и с концом второй связанной линии передачи первого элемента, а также в совокупности с предложенным соединением стока полевого транзистора с барьером Шотки с другим концом первой связанной линии передачи второго элемента обеспечат компенсацию емкостного сопротивления полевого транзистора с барьером Шотки индуктивными сопротивлениями и, как следствие, расширение полосы пропускания частот и снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения.

Кроме того, наличие индуктивности обеспечит заземление истока полевого транзистора с барьером Шотки по постоянному току и тем самым его работу.

Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ, а именно расширение полосы пропускания частот и снижение коэффициента стоячей волны напряжения при сохранении низких потерь СВЧ в полосе пропускания частот.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дана топология заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ, содержащего одно резонансное звено, где

- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,

- одно резонансное звено - 3,

- полевой транзистор с барьером Шотки - 4,

- отрезок линии передачи - 5,

- два элемента из двух связанных линий передачи, первый - 6 и второй - 7,

- индуктивность - 8,

- источник постоянного управляющего напряжения - 9.

На фиг.2 дана электрическая схема заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ.

На фиг.3 даны зависимости от частоты коэффициентов стоячей волны напряжения.

При этом кривые 1 указанных зависимостей измерены при подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения, равного 0 В, а кривые 2 - равного напряжению отсечки U_отс.

Пример конкретного выполнения заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ.

Пример рассмотрен для случая, когда заявленный полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ содержит одно резонансное звено.

Полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ выполнен в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.

Две линии передачи, предназначенные для входа 1 и для выхода 2 сигнала СВЧ, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.

Полевой транзистор с барьером Шотки 4 выполнен с длиной затвора, равной 0,4 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеет напряжение отсечки U_отс, равное -2,0 В.

Отрезок линии передачи выполнен в виде плоского золотого проводника шириной, равной 80 мкм, и длиной, равной 1,5 мм.

Индуктивность выполнена в виде плоского золотого проводника шириной, равной 10 мкм, и длиной, равной 2,5 мм.

Диапазон перестройки частоты изменяется от 5 ГГц до 25 ГГц.

При этом

первый конец первой связанной линии передачи первого элемента 6 соединен с линией передачи на входе 1,

первый конец второй связанной линии передачи этого элемента 6, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с одним концом отрезка линии передачи 5,

второй - с истоком полевого транзистора с барьером Шотки 4 и с одним концом индуктивности 8, другой конец которой заземлен,

первый конец первой связанной линии передачи второго элемента 7 соединен с другим концом отрезка линии передачи 5,

второй - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 4,

первый конец второй связанной линии передачи этого элемента 6, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с линией передачи на выходе 2.

Заявленный полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ работает следующим образом.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 4 постоянного управляющего напряжения величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 9 становится открытым полевой транзистор с барьером Шотки 4.

В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки имеет малое сопротивление Z_откр.

Малое сопротивление Z_откр полевого транзистора с барьером Шотки 4 реализует замыкание второго конца второй связанной линии передачи первого элемента 6 и второго конца второй связанной линии передачи второго элемента 7.

Тем самым обеспечивается реализация резонансного звена полосно-пропускающего фильтра СВЧ в виде каскадного соединения фильтра высоких частот и фильтра низких частот. Такое резонансное звено имеет малую величину коэффициента стоячей волны напряжения и низкие потери СВЧ в нижней полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 4 отрицательного управляющего напряжения, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки U_отс, полевой транзистор с барьером Шотки будет закрытым.

При этом полевой транзистор с барьером Шотки имеет сопротивление Z_закр, которое имеет емкостной характер.

Емкостное сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 4 компенсируется индуктивностью 8 в верхней полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ.

Тем самым звено фильтра СВЧ будет иметь малую величину коэффициента стоячей волны напряжения и низкие потери СВЧ в верхней полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра.

Таким образом, в предложенном полосно-пропускающем перестраиваемом фильтре СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения от 0 до U_отс от источника напряжения реализуется малая величина коэффициента стоячей волны напряжения и низкие потери СВЧ в каждой полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ.

На образцах заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ были измерены величины изменения их амплитудно-частотных характеристик при изменении управляющего напряжения от 0 В до -2,0 В.

Результаты даны на фиг.3.

Как видно,

- величина коэффициента стоячей волны напряжения в каждой полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ не превосходит 1,3, что на 0,4 меньше, чем в фильтре СВЧ прототипа,

- диапазон перестройки частоты изменяется от 5 ГГц до 25 ГГц, при этом каждая полоса пропускания превышает в 1,25 раза полосу пропускания фильтра СВЧ прототипа соответственно.

При этом потери СВЧ в каждой полосе пропускания не превышают 1 дБ, что соответствует величине фильтра СВЧ - прототипа.

Таким образом, заявленный полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ позволит по сравнению с прототипом:

- расширить каждую полосу пропускания частот в 1,25 раза.

- уменьшить коэффициент стоячей волны напряжения на 0,4.

Источники информации

1. Патент РФ №2065232, МПК H01P 1/203, приоритет 22.02.1991, опубл. 10.08.1996.

2. Патент РФ №2372695, МПК H01P 1/203, приоритет от 20.10.2008, опубл. 10.11.2009 - прототип.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полосно-пропускающим перестраиваемым фильтрам СВЧ. Технический результат заключается в расширении полосы пропускания частот и снижении коэффициента стоячей волны напряжения при сохранении низких потерь СВЧ в полосе пропускания частот полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра. Технический результат достигается за счет полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ, который содержит две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, по меньшей мере одно резонансное звено с полевым транзистором с барьером Шотки, отрезок линии передачи, при этом затвор полевого транзистора с барьером Шотки соединен с источником постоянного управляющего напряжения, при этом в каждое резонансное звено дополнительно введены два элемента, каждый на двух связанных линиях передачи, и индуктивность. 3 ил.

Полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, по меньшей мере одно резонансное звено с полевым транзистором с барьером Шотки, отрезок линии передачи, при этом затвор полевого транзистора с барьером Шотки соединен с источником постоянного управляющего напряжения, отличающийся тем, что каждое резонансное звено содержит один полевой транзистор с барьером Шотки, в каждое резонансное звено дополнительно введены два элемента - первый и второй, при этом каждый выполнен из двух связанных линий передачи - первой и второй, и индуктивность, при этом первый конец первой связанной линии передачи первого элемента соединен с линией передачи на входе, первый конец второй связанной линии передачи этого элемента, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с одним концом отрезка линии передачи, второй - с истоком полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом индуктивности, другой конец которой заземлен, первый конец первой связанной линии передачи второго элемента соединен с другим концом отрезка линии передачи, второй - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, первый конец второй связанной линии передачи этого элемента, симметричный первому концу его первой связанной линии передачи, соединен с линией передачи на выходе.