ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АТТЕНЮАТОР СВЧ С НЕПРЕРЫВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
BROADBAND MICROWAVE ATTENUATOR WITH CONTINUOUS CONTROL

Изобретение относится к электронной технике, а именно к аттенюаторам СВЧ на полупроводниковых приборах, а именно к аттенюаторам СВЧ с непрерывным управлением ослабления сигнала СВЧ.
Важными электрическими характеристиками аттенюатора СВЧ являются ширина рабочей полосы частот, величина начальных потерь сигнала СВЧ.
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 (ПТШ).
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 [1].
Данный аттенюатор СВЧ является классическим вариантом электрически управляемого аттенюатора СВЧ, в котором в качестве электронного ключа использован полевой транзистор с барьером Шотки.
Данный аттенюатор СВЧ обеспечивает изменение ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале.
Однако данный аттенюатор СВЧ не может обеспечить малую величину начальных потерь СВЧ и широкую рабочую полосу частот, поскольку полевой транзистор с барьером Шотки имеет внутренние емкости, которые изменяются в широких интервалах при изменении управляющего напряжения.
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 три 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 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, 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 [2 - прототип].
Наличие в данном аттенюаторе СВЧ двух полевых транзисторов с барьером Шотки, при этом каждого соответственно вместе с упомянутыми отрезками линии передачи и резистором и в совокупности с указанным их соединением позволили несколько снизить величину начальных потерь СВЧ.
Однако данный аттенюатор СВЧ из-за наличия в нем отрезков линии передачи четвертьволновой длины не может обеспечить существенное расширение рабочей полосы частот.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение рабочей полосы частот и снижение начальных потерь СВЧ.
Технический результат достигается заявленным широкополосным аттенюатором СВЧ с непрерывным управлением, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, полевые транзисторы с барьером Шотки, два резистора, один из концов первого резистора соединен с линией передачи на входе, один из концов второго - с линией передачи на выходе, затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с источником управляющего напряжения.
При этом аттенюатор СВЧ содержит два полевых транзистора с барьером Шотки, в аттенюатор СВЧ дополнительно введены три резистора - третий, четвертый, пятый и индуктивность, при этом четвертый и пятый резисторы выполнены с равными сопротивлениями, концы третьего резистора соединены с линиями передачи на входе и выходе соответственно, стоки обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и - с другим концом второго резистора, исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другим концом первого резистора и одновременно - с одним концом индуктивности, другой конец которой - заземлен, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с источником управляющего напряжения через четвертый и пятый резисторы соответственно, а величина сопротивления каждого резистора на порядок превышает волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе аттенюатора СВЧ.
Раскрытие сущности.
Существенные признаки заявленного широкополосного аттенюатора СВЧ с непрерывным управлением (далее аттенюатор СВЧ), как их совокупность, так и каждый в отдельности и в совокупности с заявленным иным соединением всех элементов обеспечивают следующее.
Наличие в аттенюаторе СВЧ только двух полевых транзисторов с барьером Шотки обеспечивает:
во-первых, уменьшение числа емкостей, входящих в состав полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие, - расширение рабочей полосы частот,
во-вторых, уменьшение числа сопротивлений, входящих в состав полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие, - снижение начальных потерь СВЧ.
Предложенное включение первого полевого транзистора с барьером Шотки, так что его исток соединен с одним из концов первого резистора, а его сток - с одним из концов второго резистора обеспечивает:
во-первых, одновременное включение и отключение этих резисторов,
во-вторых, исключение влияния сопротивлений этих резисторов на величину ослабления сигнала СВЧ,
и как следствие того и другого - снижение начальных потерь СВЧ,
в-третьих, возможность осуществления иного заземления концов этих резисторов и тем самым исключение зависимости электрического сопротивления первого, второго и третьего резисторов от частоты и, как следствие, - расширение рабочей полосы частот.
Наличие в аттенюаторе СВЧ индуктивности обеспечивает:
во-первых, при предложенном соединении одного из ее концов с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки компенсацию емкостных сопротивлений обоих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, - расширение рабочей полосы частот.
во-вторых, заземление истока полевого транзистора с барьером Шотки по постоянному току через эту индуктивность и, как следствие, - обеспечение возможности работы первого полевого транзистора с барьером Шотки.
Наличие в аттенюаторе СВЧ четвертого и пятого резисторов, включенных указанным образом, снижает токи утечки через затворы полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, - снижение начальных потерь СВЧ.
Заявленное соединение всех элементов аттенюатора СВЧ обеспечивает включение двух полевых транзисторов с барьером Шотки последовательно друг за другом и тем самым - снижение их общей емкости и, как следствие, - расширение рабочей полосы частот.
Соединение затворов первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки с источником управляющего напряжения через четвертый и пятый резисторы соответственно и в совокупности, когда величина сопротивления каждого резистора на порядок превышает волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе аттенюатора СВЧ, обеспечивает уменьшение токов утечки через затворы и, как следствие, - снижение начальных потерь СВЧ.
Кроме того, исключение из аттенюатора СВЧ отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны, исключает паразитные резонансы и, как следствие, - дополнительное расширение рабочей полосы частот.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного широкополосного аттенюатора СВЧ с непрерывным управлением, где:
- две линии передачи сигнала СВЧ, одна - на входе - 1, другая - на выходе - 2,
- первый и второй полевые транзисторы с барьером Шотки - 3 и 4 соответственно,
- резисторы - 5, 6, 7, 8, 9 соответственно,
- индуктивность - 10,
- источник управляющего напряжения - 11.
На фиг.2 дана его электрическая схема.
На фиг.3 приведены зависимости величины ослабления сигнала СВЧ от управляющего напряжения U, непрерывно изменяющегося от нуля до напряжения отсечки полевых транзисторов с барьером Шотки.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины ослабления сигнала СВЧ при напряжении U, равном напряжению отсечки -2 В - начальные потери сигнала СВЧ, и напряжении U, равном -1,5 В, -1 В и 0 В.
Пример конкретного выполнения заявленного широкополосного аттенюатора СВЧ с непрерывным управлением.
Аттенюатор СВЧ выполнен в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Две линии передачи, предназначенные для входа сигнала СВЧ 1 и для выхода 2 выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
Два полевых транзистора с барьером Шотки 3 и 4 выполнены каждый с длиной затвора, равной 0,4 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс., равное -2 В.
Каждый резистор 5, 6, 7, 8, 9 выполнен в виде пленки из тантала толщиной 4 мкм и удельным сопротивлением 50 Ом/квадрат.
При этом величина сопротивления четвертого и пятого резистора превышает волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе аттенюатора СВЧ на порядок.
Индуктивность выполнена в виде пленки из золота толщиной 3 мкм, шириной 20 мкм и длиной 2 мм.
Рабочая полоса частот изменяется от 6 ГГц до 18 ГГц.
При этом
- один из концов первого резистора 5 соединен с линией передачи на входе 1, один из концов второго резистора 6 - с линией передачи на выходе 2.
- концы третьего резистора 7 соединены с линиями передачи на входе 1 и выходе 2 соответственно,
- стоки обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4 соединены между собой и - с другим концом второго резистора 6,
- исток первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 соединен с другим концом первого резистора 5 и одновременно - с одним концом индуктивности 10, другой конец которой - заземлен,
- исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 4 заземлен,
- а затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4 соединены с источником управляющего напряжения 11 через четвертый 8 и пятый 9 резисторы соответственно.
Заявленный широкополосный аттенюатор СВЧ с непрерывным управлением ослабления сигнала СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4 управляющего напряжения U величиной, равной напряжению отсечки Uотс., от источника управляющего напряжения 11 становятся закрытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.
В результате этого оба полевых транзистора с барьером Шотки каждый имеет большое сопротивление Zзакр.
При этом концы резисторов 5 и 6 будут разомкнуты, на конце резистора 6 будет реализован режим холостого хода, а на конце резистора 5 будет реализовано большое реактивное сопротивление от индуктивности 10, так что резисторы 5 и 6 не будут оказывать влияния на величину ослабления сигнала СВЧ.
В этом случае в широкой рабочей полосе частот реализуется величина начальных потерь СВЧ, которая будет существенно меньше, чем в прототипе.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 3, 4 управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника управляющего напряжения 11 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.
В результате этого оба полевых транзистора с барьером Шотки каждый имеет малое сопротивление Zоткр.
При этом концы резисторов 5 и 6 будут соединены между собой и - с «землей».
В этом случае в широкой рабочей полосе частот реализуется максимальная величина ослабления.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 отрицательного управляющего напряжения U, непрерывно изменяющегося в интервале от Uотс. до нуля, сопротивление каждого из полевых транзисторов с барьером Шотки будет изменяться от Zоткр. до Zзакр.
При этом будет изменяться величина ослабления сигнала СВЧ от величины начальных потерь до максимальной величины ослабления.
На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины ослабления СВЧ сигналов в зависимости от частоты и изменяющегося управляющего напряжения, результаты чего даны на фиг.3 и 4.
Как видно:
Из фиг.3 ослабление в аттенюаторе СВЧ изменяется от значения -0,5 дБ до значения -10 дБ практически линейно.
Из фиг.4 начальные потери в рабочей полосе частот от 6 ГГц до 18 ГГц равны 0, 7 дБ, что в 1,5 раза меньше, чем в прототипе.
Таким образом, заявленный широкополосный аттенюатор СВЧ с непрерывным управлением обеспечит по сравнению с прототипом:
- увеличение ширины рабочей полосы частот примерно в 2 раза,
- снижение величины начальных потерь сигнала СВЧ примерно в 1,5 раза.
Указанные преимущества широкополосного аттенюатора СВЧ с непрерывным управлением особенно актуальны при создании миниатюрных, как отдельных приборов СВЧ и, особенно в монолитном интегральном исполнении, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения, в том числе миниатюрных фазированных антенных решетках.
Источники информации
1. Балыко А.К., Ольчев Б.М., Тощов А.А. Схемотехническое проектирование электрически управляемого широкополосного транзисторного аттенюатора / Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. 1997. Вып.1., с.15-19.
2. Патент РФ №2324265 МПК Н01Р 1/22, приоритет 22.05.2006, опубл. 10.05.2008, бюлл. №13 - прототип.