ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
SHF PHASE CHANGER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах.
Фазовращатели СВЧ, выполненные на основе полупроводниковых приборов, широко используются в технике СВЧ.
Особенно многоразрядные фазовращатели СВЧ с дискретным изменением фазы, представляющие собой каскадное соединение нескольких, по крайней мере двух разрядов. Каскадное соединение разрядов в многоразрядном фазовращателе СВЧ предъявляет к каждому разряду фазовращателя СВЧ требования
- малых прямых потерь СВЧ и
- малых коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ.
Известен многоразрядный фазовращатель СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности и емкости, при этом одни из электродов истока и стока обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с линиями передачи на входе и на выходе, а на затворы подают постоянные управляющие напряжения от двух источников [1].
Достоинством данного фазовращателя СВЧ является использование в качестве электронных ключей полевых транзисторов с барьером Шотки, которые являются трехполюсными приборами и поэтому обладают внутренней развязкой по постоянному току и сигналу СВЧ, и, как следствие,  исключена необходимость использования фильтров питания.
Однако данный фазовращатель СВЧ не позволяет осуществлять оптимальный выбор параметров элементов фазовращателя СВЧ и тем самым обеспечить высокие его характеристики, например низкие прямые потери СВЧ и низкие коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ.
Более того, наличие в данном фазовращателе СВЧ двух источников постоянного управляющего напряжения приводит к разбалансу работы полевых транзисторов с барьером Шотки, что в свою очередь приводит к увеличению прямых потерь СВЧ.
Известен многоразрядный фазовращатель СВЧ, в котором в качестве электронных ключей также использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки и отрезок линии передачи с длиной, равной половине длины волны в линии передачи. При этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе и с одним из концов отрезка линии передачи, другой конец отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с отрезком линии передачи на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи от любого его конца, исток его заземлен. Затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [2].
В отличие от предыдущего в данном фазовращателе СВЧ используется один источник управляющего напряжения, что позволяет частично исключить разбаланс работы полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым уменьшить величину прямых потерь СВЧ.
Однако наличие в фазовращателе СВЧ отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, соответствующей средней частоте рабочей полосы частот, приводит к лому, что на частоте, вдвое превышающей среднюю частоту, этот отрезок линии передачи становится резонансным, что существенно ограничивает ширину рабочей полосы частот, а характеристики фазовращателя СВЧ на частотах, близких к этой частоте, резко ухудшаются - возрастают прямые потери СВЧ и коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ.
Все это не позволяет использовать такие фазовращатели СВЧ в широкополосных устройствах СВЧ.
Известен многоразрядный фазовращатель СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности одинаковой величины и емкости либо разной, либо одинаковой величины. При этом одни из электродов истока и стока обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с линиями передачи либо на входе, либо на выходе, а на затворы подают постоянные управляющие напряжения, исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первой индуктивности, а сток через первую емкость соединен с линией передачи на выходе и с одним из концов второй индуктивности, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другими концами обеих индуктивностей и с одним из концов второй емкости, а исток и другой конец второй емкости заземлены. Затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [3 - прототип].
В данном фазовращателе СВЧ отсутствует отрезок линии передачи четвертьволновой длины, что обеспечивает расширение рабочей полосы частот.
Однако наличие полевого транзистора с барьером Шотки и емкости, соединенных последовательно с линиями передачи на входе и выходе, увеличивает прямые потери СВЧ и коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе данного фазовращателя СВЧ.
Кроме того, соединение элементов в данном фазовращателе СВЧ, при котором реализуются фильтры нижних и верхних частот в зависимости от постоянного управляющего напряжения, не позволяет при заданной величине средней частоты рабочей полосы частот существенно увеличить ширину рабочей полосы частот.
Техническим результатом изобретения является снижение прямых потерь СВЧ, снижение коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ и расширение рабочей полосы частот.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном фазовращателе СВЧ, содержащем две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности и емкости одинаковой величины соответственно, при этом величины емкостей выбирают исходя из требуемого значения сдвига фаз сигнала СВЧ, при этом один конец одной емкости соединен со стоком одного полевого транзистора с барьером Шотки, исток его заземлен, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
При этом в фазовращатель СВЧ дополнительно введен отрезок линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны на средней частоте рабочей полосы частот, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, при этом один конец упомянутого отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе и с одним концом первой емкости, другой конец упомянутого отрезка линии передачи соединен с линией передачи на выходе и с одним концом второй емкости, другой конец каждой емкости соединен соответственно со стоком каждого полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом каждой индуктивности, другой конец каждой индуктивности, а также исток другого полевого транзистора с барьером Шотки заземлены, а величину индуктивности определяют из выражения:
0
-2
-1
L=(2×π×f)×Cт,
где π равно 3,1415,
0
f - средняя частота рабочей полосы частот,
Ст - выходная емкость полевого транзистора с барьером Шотки, а полевые транзисторы с барьером Шотки выполнены одинаковыми.
Предложенная совокупность существенных признаков, а именно
наличие в фазовращателе СВЧ дополнительно введенного отрезка линии передачи позволяет пространственно разнести емкости и, как следствие, реализовать требуемое значение сдвига фаз сигнала СВЧ.
А предложенные его параметры, а именно:
во-первых, длиной, равной одной восьмой длины волны на средней частоте рабочей полосы частот, позволит отдалить резонансные частоты от средней частоты рабочей полосы частот и, как следствие, снизить прямые потери СВЧ и расширить рабочую полосу частот,
во-вторых, волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линий передачи на входе и выходе, позволит исключить неоднородности, возникающие в местах соединения отрезка линии передачи с линиями передачи на входе и выходе, и, как следствие, снизить прямые потери СВЧ и снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ.
Иное по сравнению с прототипом соединение элементов фазовращателя СВЧ позволит исключить включение полевого транзистора с барьером Шотки и емкости последовательно входу и выходу фазовращателя СВЧ и, как следствие, снизить прямые потери СВЧ и снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ.
0
-2
-1,
Предложенный выбор величины индуктивности, равной L=(2×π×f)×Ст позволит реализовать резонансные величины параметров фазовращателя СВЧ и, как следствие, снизить прямые потери СВЧ, снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ и расширить рабочую полосу частот.
Использование емкостей и индуктивностей одинаковыми по величине соответственно и в совокупности с соединением затворов обоих одинаковых полевых транзисторов с барьером Шотки с одним источником постоянного управляющего напряжения позволит полностью исключить разбаланс работы полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, значительно снизить прямые потери СВЧ.
Как видно из вышесказанного, заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает указанный выше технический результат, а именно снижение прямых потерь СВЧ и коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ и расширение рабочей полосы частот.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного фазовращателя СВЧ, где
- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,
- два полевых транзистора с барьером Шотки - 3 и 4 соответственно,
- индуктивности - 5 и 6 соответственно,
- емкости - 7 и 8 соответственно,
- отрезок линии передачи - 9,
- источник постоянного управляющего напряжения - 10.
На фиг.2 дана электрическая схема фазовращателя СВЧ.
На фиг.3 дана зависимость изменения фазы сигнала от частоты сигнала СВЧ.
На фиг.4 дана зависимость прямых потерь СВЧ от частоты сигнала СВЧ.
На фиг.5 даны зависимости коэффициента стоячей волны напряжения на входе и выходе соответственно фазовращателя СВЧ от частоты сигнала СВЧ.
При этом кривые 1 указанных зависимостей измерены при подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения, равного нулю, а кривые 2 - равного напряжению отсечки Uотc.
Пример конкретного выполнения
Фазовращатель 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, и отрезок линии передачи 9 выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников, равной 0,08 мм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 3 и 4 соответственно имеют напряжение отсечки Uoтc., равное -2,5 В.
Индуктивности 5 и 6 выполнены одинаковыми в виде прямоугольных меандров из металлического проводника, выполненного напылением золота толщиной, равной 4 мкм, и шириной, равной 20 мкм.
Емкости 7 и 8 выполнены одинаковыми в виде плоскопараллельных конденсаторов с диэлектрическим слоем из оксида кремния толщиной, равной 5 мкм.
При требуемой средней частоте рабочей полосы частот, равной 10 ГГц, и требуемом сдвиге фаз, равном 45 градусов, величины индуктивностей 5 и 6 равны 1,25 нГн, величины емкостей 7 и 8 равны 0,25 пФ, а длина отрезка линии передачи равна 1,5 мм.
При этом один конец отрезка линии передачи 9 соединен с линией передачи на входе 1 и с одним концом первой емкости 7, другой конец отрезка линии передачи 9 соединен с линией передачи на выходе 2 и с одним концом второй емкости 8, другой конец каждой емкости 7 и 8 соединен соответственно со стоком каждого полевого транзистора с барьером Шотки 3 и 4 и также с одним концом каждой индуктивности 5 и 6, другой конец каждой индуктивности 5 и 6 и исток каждого полевого транзистора с барьером Шотки 3 и 4 заземлены.
Работа устройства
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 постоянного управляющего напряжения величиной, равной 0 В, от одного источника постоянного управляющего напряжения 10 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.
В результате этого оба полевых транзистора с барьером Шотки 3 и 4 имеют малое активное сопротивление Zoткp., которое шунтирует индуктивности 5 и 6 соответственно, и тем самым реализуется режим короткого замыкания на концах каждой емкости 7 и 8.
В результате фазовращатель СВЧ представляется в виде П-образного соединения первой емкости 7, отрезка линии передачи 9 и второй емкости 8.
Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф1.
0
0
-1
Выбор величины каждой емкости 7 и 8, равной (2pi fZ), длины отрезка линии передачи 9, равной одной восьмой длины волны, и волнового сопротивления, равного волновому сопротивлению линии передачи на входе, позволяет реализовать в широкой рабочей полосе частот малую величину прямых потерь СВЧ и малые величины коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 отрицательного управляющего напряжения, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки Uотс., оба полевых транзистора с барьером Шотки будут закрыты.
При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки 3 и 4 имеют реактивное сопротивление Zзакр., которое имеет емкостный характер. Это сопротивление, включенное параллельно реактивному сопротивлению индуктивности 7 и 8 соответственно, компенсирует последнее в широкой рабочей полосе частот и тем самым реализуется режим холостого хода на конце каждой емкости 5 и 6.
Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф2.
А поскольку величина волнового сопротивления отрезка линии передачи 9 выбрана равной волновому сопротивлению линии передачи на входе 1 и выходе 2, то в фазовращателе СВЧ реализуются малые величины прямых потерь СВЧ и малые величины коэффициента стоячей волны напряжения на входе и выходе в широкой рабочей полосе частот.
Таким образом, в предложенном фазовращателе СВЧ реализуется заданная величина изменения фазы сигнала СВЧ, равная разности Ф2 и Ф1 при подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки отрицательного и нулевого постоянного управляющего напряжения соответственно от одного источника постоянного управляющего напряжения 10.
На образцах фазовращателя СВЧ были измерены величины изменения фазы сигнала, величины прямых потерь и величины коэффициента стоячей волны напряжения на входе и выходе от частоты сигнала СВЧ.
Результаты изображены на фиг.3, 4, 5.
Где видно следующее.
На фиг.3 - фаза сигнала в фазовращателе СВЧ в рабочей полосе частот от 7 ГГц до 13 ГГц изменяется по линейному закону от -50 градусов до -70 градусов при постоянном управляющем напряжении -2,5 В и от -95 до -115 градусов при постоянном управляющем напряжении, равном 0 В, так что величина изменения фазы сигнала СВЧ составляет 45 градусов.
При этом ширина рабочей полосы частот составляет 6 ГГц, что примерно в полтора раза больше, чем у прототипа.
На фиг.4 - прямые потери в фазовращателе СВЧ в сопоставимой рабочей полосе частот не превышают -0,8 дБ при постоянном управляющем напряжении, равном 0 и -2,5 В, что на 0,2…0,4 дБ ниже, чем у прототипа,
На фиг.5 - безразмерные величины коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ в сопоставимой рабочей полосе частот не превышают 1,1 при постоянном управляющем напряжении равном, 0 и -2,5 В, что на 0,1 меньше, чем у прототипа.
Таким образом, заявленный фазовращатель СВЧ позволит по сравнению с прототипом
- снизить прямые потери СВЧ на 0,2…0,4 дБ,
- снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на 0,1,
- увеличить ширину рабочей полосы частот в 1,5 раза.
Указанные преимущества фазовращателя СВЧ особенно актуальны при создании миниатюрных радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения и, особенно, в монолитном интегральном исполнении.
Источники информации
1. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот. - Ленинград, Судостроение, 1990 г., стр.256.
2. Патент РФ №2316026, МКИ Н01P 1/185, приоритет от 06.06.2006, опубл. 27.01.08.
3. Патент РФ №2321106, МКИ Н01Р 1/185, приоритет от 21.08.2006, опубл. 27.03.08 - прототип.