АТТЕНЮАТОР СВЧ
SHF ATTENUATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к аттенюаторам СВЧ на полупроводниковых приборах с дискретным изменением затухания.
Такие электрические характеристики аттенюатора СВЧ, как рабочая полоса частот, величина коэффициента стоячей волны напряжения, величина изменения фазы сигнала СВЧ являются одними из основных характеристик аттенюатора СВЧ наряду с такими электрическими характеристиками, как величина прямых потерь и величина изменения затухания.
Известен аттенюатор СВЧ, состоящий, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит соединение трех резисторов, один из которых соединен последовательно, а два других - параллельно линиям передачи на входе и выходе аттенюатора и трех электронных ключей, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом последовательно соединенный резистор соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а параллельно соединенные резисторы выполнены с одинаковыми сопротивлениями и расположены по разные стороны от последовательно соединенного резистора и соответственно каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи на них управляющего напряжения.
В этот аттенюатор, с целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик, в каждый его разряд дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, превышающем волновое сопротивление линии передачи на входе или на выходе аттенюатора, при этом каждый из отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны, включен между соответствующим параллельно соединенным резистором и стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [1].
В данном аттенюаторе СВЧ управление электронными ключами - полевыми транзисторами с барьером Шотки осуществляется от одного источника постоянного управляющего напряжения, что позволяет несколько расширить рабочую полосу частот.
Однако, с другой стороны, 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 частотах, отстоящих от центральной частоты, проявляется резонансный характер этих отрезков линии передачи, что не позволяет существенно расширить ширину рабочей полосы частот.
Более того, данный аттенюатор СВЧ отличается сравнительно большой величиной коэффициента стоячей волны напряжения и большой величиной изменения фазы сигнала СВЧ.
Известен также аттенюатор СВЧ, состоящий, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит резисторы, один из которых соединен последовательно, а другой - параллельно линиям передачи на входе и выходе аттенюатора, полевой транзистор с барьером Шотки в качестве электронного ключа, при этом последовательно соединенный резистор включен между входной и выходной линиями передачи, затвор полевого транзистора с барьером Шотки соединен с источником постоянного управляющего напряжения, а его исток заземлен.
В нем, с целью дальнейшего упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик, а также уменьшения величин прямых потерь и коэффициента отражения, а также достижения заданной величины изменения затухания, каждый разряд аттенюатора содержит один полевой транзистор с барьером Шотки и один параллельно соединенный резистор, в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, при этом каждый из двух отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, расположен по разные стороны и симметрично относительно последовательно соединенного резистора и соединен с линией передачи на входе либо на выходе, а вторые концы отрезков линий передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, соединены между собой и соединены с одним из концов параллельно соединенного резистора и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а другой конец параллельно соединенного резистора заземлен [2 - прототип].
Уменьшение числа полевых транзисторов с барьером Шотки, по сравнению с аналогом, позволяет еще несколько расширить рабочую полосу частот.
Однако наличие в данном аттенюаторе СВЧ, как и в аналоге, двух резонансных отрезков линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы частот, не позволяет существенно расширить рабочую полосу частот.
Данный аттенюатор СВЧ, как и предыдущий, отличается сравнительно высокой величиной коэффициента стоячей волны напряжения и величиной изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения и уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при сохранении малых величин прямых потерь и достижении заданной величины затухания при изменении постоянного управляющего напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном аттенюаторе СВЧ, состоящем, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит резисторы, один из которых соединен последовательно, а другой - параллельно линиям передачи на входе и выходе аттенюатора, полевой транзистор с барьером Шотки, при этом последовательно соединенный резистор включен между входной и выходной линиями передачи, а параллельно соединенный резистор одним концом соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, затвор которого соединен с источником постоянного управляющего напряжения, а его исток заземлен, согласно изобретению в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены второй полевой транзистор с барьером Шотки и две индуктивности - первая и вторая, при этом вторая индуктивность обеспечивает инвертированное управление аттенюатора СВЧ, при этом другой конец параллельно соединенного резистора соединен с линией передачи на выходе, один конец первой индуктивности соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, другой ее конец - заземлен, один конец второй индуктивности соединен с линией передачи на входе, другой ее конец соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, сток которого соединен с линией передачи на выходе, а затворы обоих полевых транзисторов соединены между собой и соответственно - с источником постоянного управляющего напряжения.
Величина второй индуктивности L определяется исходя из математической формулы
L=Zзакр./ω,
Где Zзакр. - сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки в закрытом состоянии,
ω - круговая частота сигнала СВЧ.
Раскрытие сущности изобретения
Введение в каждый разряд аттенюатора дополнительно второго полевого транзистора с барьером Шотки и двух индуктивностей и предложенное соединение всех элементов аттенюатора СВЧ и, прежде всего, предложенное соединение второй индуктивности с истоком второго полевого транзистора обеспечивает иной физический принцип управления аттенюатора СВЧ - инвертированное управление, когда закрытый полевой транзистор с барьером Шотки открывает канал, а открытый полевой транзистор с барьером Шотки закрывает канал, в отличие от традиционных неинвертируемых аттенюаторов СВЧ, в которых открытый полевой транзистор с барьером Шотки открывает канал, а закрытый полевой транзистор с барьером Шотки закрывает канал.
И как следствие этого, и в совокупности с другими существенными признаками, и, прежде всего, когда:
- первая индуктивность соединена с первым полевым транзистором с барьером Шотки, и тем самым обеспечивается снижение емкостного сопротивления этого полевого транзистора с барьером Шотки в широкой рабочей полосе частот, а также снижение его зависимости от частоты, и тем самым обеспечивается возможность подключения параллельно соединенного резистора в первом канале аттенюатора СВЧ к «земле»;
- а вторая индуктивность соединена с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, и тем самым обеспечивается компенсация общего емкостного сопротивления этого полевого транзистора с барьером Шотки в широкой рабочей полосе частот, а также тем самым обеспечивается исключение частотной зависимости суммарного сопротивления второй индуктивности этого полевого транзистора с барьером Шотки.
И как результат всего этого обеспечивается:
- во-первых, расширение рабочей полосы частот,
- во-вторых, уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения,
- в-третьих, уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология одного разряда заявленного аттенюатора СВЧ, где:
- последовательно соединенный резистор - 1,
- параллельно соединенный резистор - 2,
- линии передачи на входе и выходе - 3 и 4 соответственно,
- полевые транзисторы с барьером Шотки - 5 и 6 соответственно,
- две индуктивности - 7 и 8 соответственно,
- источник постоянного управляющего напряжения - 9.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного аттенюатора СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины прямых потерь Ап и величины затухания Аз при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0, и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины коэффициента стоячей волны напряжения К при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0, и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.
На фиг.5 даны зависимости от частоты величины фазы сигнала СВЧ при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0, и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.
Пример конкретного выполнения.
В качестве примера рассмотрен одноразрядный аттенюатор СВЧ.
Все элементы аттенюатора СВЧ выполнены в монолитно-интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Оба резистора R1 и R2 выполнены сопротивлениями, равными 20 Ом и 25 Ом соответственно, путем напыления, например, тантала толщиной 4 мкм.
Линии передачи на входе 3 и выходе 4 выполнены шириной проводников 0,08 мм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 5 и 6 имеют напряжение отсечки Uотс., равное 2,5 В.
Две индуктивности 7 и 8 выполнены шириной проводников 0,01 мм и длинами 1,5 мм и 2,6 мм соответственно.
При этом:
- резистор R1 соединен последовательно, а резистор R2 параллельно линиям передачи на входе 3 и выходе 4;
- другой конец параллельно соединенного резистора R2 соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 5;
- затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 5 и 6 соединены между собой и соединены с источником постоянного управляющего напряжения 9;
- исток первого полевого транзистора с барьером Шотки 5 заземлен через металлизированные отверстия в основании, на котором расположена монолитная интегральная схема аттенюатора СВЧ.
Работу аттенюатора СВЧ рассмотрим также на примере одноразрядного аттенюатор СВЧ.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 5 и 6 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 9 они становятся открытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки 5 и 6 имеют малое сопротивление Zоткр.
Сопротивление первой индуктивности 7, соединенной со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 5 с малым сопротивлением Zоткр., не будет влиять на работу аттенюатора СВЧ.
Таким образом, второй конец параллельно соединенного резистора R2 становится закороченным на «землю».
Сопротивление второй индуктивности 8, соединенной с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки с малым сопротивлением Zоткр., будет большим, и сигнал по второму каналу распространяться не будет.
Таким образом, аттенюатор СВЧ будет представлять собой Г-образное соединение последовательно соединенного резистора R1 и параллельно соединенного резистора R2, величины которых 20 Ом выбраны с таким расчетом, чтобы реализовать заданную величину ослабления сигнала СВЧ Аз и малую величину коэффициента стоячей волны напряжения К в широкой рабочей полосе частот, что подтверждено также фиг.3.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 5 и 6 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки транзистора Uотс., полевые транзисторы с барьером Шотки 5 и 6 будут закрыты.
При этом полевые транзисторы с барьером Шотки 5 и 6 будут иметь большое емкостное сопротивление Zзакр.
Величина второй индуктивности 8, определенная согласно приведенной математической формулы, обеспечивает компенсацию этого емкостного сопротивления Zзакр. в рабочей полосе частот, в результате чего второй канал аттенюатора СВЧ становится открытым для распространения сигнала СВЧ.
Первая индуктивность 7, соединенная со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 5 с емкостным сопротивлением Zзакр., увеличивает общее сопротивление, и параллельно соединенный резистор 2 становится оторванным от «земли».
В этом случае реализуется малая величина прямых потерь Ап и малая величина коэффициента стоячей волны напряжения К в широкой рабочей полосе частот.
На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап, величины затухания Аз, величины коэффициента стоячей волны напряжения К, величина изменения фазы сигнала СВЧ при открытых и закрытых полевых транзисторах с барьером Шотки.
Результаты изображены на фиг.3, фиг.4 и фиг.5.
Как видно:
Из фиг.3:
Величина прямых потерь в аттенюаторе СВЧ в рабочей полосе частот от 7 ГГц до 14 ГГц составляет 1 дБ, а величина затухания 5 дБ, так что изменение величины затухания аттенюатора СВЧ составляет 4 дБ.
Из фиг.4:
Величины коэффициентов стоячей волны напряжения при открытых и закрытых полевых транзисторах с барьером Шотки в рабочей полосе частот от 7 ГГц до 14 ГГц не превышает 1,2, что на 0,3 меньше, чем у прототипа.
Из фиг.5:
Величина изменения фазы сигнала СВЧ при открытых и закрытых полевых транзисторах с барьером Шотки в рабочей полосе частот от 7 ГГц до 14 ГГц не превышает 5 градусов, что примерно в 2 раза меньше, чем у прототипа.
Заявленный аттенюатор СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
- октавную полосу частот, что в 1,5 раз больше, чем у прототипа,
- уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения примерно на 0,3,
- уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при открытых и закрытых полевых транзисторах с барьером Шотки примерно в 2 раза.
Источники информации
1. Патент РФ №2314603, МПК H01P 1/22, приоритет от 10.02.2006 опубл. 10.01.2008.
2. Патент РФ №2340048, МПК H01P 1/22, приоритет от 26.04.2007. опубл. 27.11.2008.