ДИСКРЕТНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АТТЕНЮАТОР СВЧ
DISCRETE BROADBAND MICROWAVE ATTENUATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к аттенюаторам СВЧ на полупроводниковых приборах, и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения.
Аттенюаторы СВЧ предназначены для управления амплитудой сигнала СВЧ. В технике СВЧ широкое применение находят аттенюаторы с дискретным изменением амплитуды сигнала СВЧ, осуществляемым с помощью полевых транзисторов с барьером Шотки.
Важнейшими параметрами аттенюаторов СВЧ, позволяющими широко использовать их в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения, являются:
- относительная ширина рабочей полосы частот, равная отношению абсолютной ширины рабочей полосы частот к средней частоте рабочей полосы частот,
- величина прямых потерь СВЧ в рабочей полосе частот,
- величина изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Известен дискретный 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 транзисторов заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи на них управляющего напряжения [1].
В который с целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик, в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной равной четверти длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, превышающем волновое сопротивление линий передачи на входе и 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 источником постоянного управляющего напряжения.
Более того, к указанному выше, данный аттенюатор СВЧ позволяет увеличить ширину рабочей полосы частот и уменьшить величину прямых потерь СВЧ, поскольку в нем используются три резистора, один - последовательно соединенный и два - параллельно, последние - с равными сопротивлениями, включение или отключение которых осуществляется тремя полевыми транзисторами с барьером Шотки от одного источника постоянного напряжения.
Однако 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, что существенно ограничивает:
во-первых, увеличение относительной ширины рабочей полосы частот,
во-вторых, уменьшение изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Известен также дискретный 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, его исток заземлен.
При этом с целью упрощения конструкции, снижения массогабаритных характеристик, уменьшения величины прямых потерь СВЧ и величины коэффициента отражения, достижения заданной величины изменения затухания при работе на частотах, близких к верхней границе диапазона СВЧ (18-26) ГГц, каждый разряд содержит один полевой транзистор 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 параллельного соединенного резистора и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а другой конец параллельно соединенного резистора заземлен [2] - прототип.
Уменьшение втрое числа полевых транзисторов с барьером Шотки, по сравнению с аналогом, позволяет несколько увеличить относительную ширину рабочей полосы частот, уменьшить величину прямых потерь СВЧ и уменьшить изменение фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Однако наличие в данном аттенюаторе, как и в аналоге, двух резонансных отрезков линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы частот, не позволяет существенно увеличить относительную ширину рабочей полосы частот, уменьшить величину прямых потерь СВЧ и уменьшить величину изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Техническим результатом изобретения является увеличение относительной ширины рабочей полосы частот, уменьшение величины прямых потерь СВЧ и уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Технический результат достигается заявленным дискретным широкополосным аттенюатором СВЧ состоящим, 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, его исток заземлен.
В котором
в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены резистор, индуктивность и емкость,
при этом другой конец параллельно соединенного резистора соединен с линией передачи на выходе, один конец дополнительного резистора соединен с линией передачи на входе, другой его конец соединен с одним концом индуктивности и с одним концом емкости, другой конец емкости соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, другой конец индуктивности заземлен.
Раскрытие сущности
Введение в каждый разряд аттенюатора дополнительно резистора, индуктивности и емкости и в совокупности с предложенным соединением всех элементов аттенюатора СВЧ позволит, а именно:
во-первых, благодаря введению дополнительных реактивных элементов - индуктивности и емкости, обеспечить компенсацию реактивной части выходного сопротивления полевого транзистора с барьером Шотки;
во-вторых, благодаря предложенному соединению индуктивности, емкости и полевого транзистора с барьером Шотки обеспечить трансформацию комплексного входного сопротивления полевого транзистора с барьером Шотки в активное сопротивление в широкой полосе частот и тем самым снизить зависимость от частоты комплексного входного сопротивления полевого транзистора с барьером Шотки от рабочей частоты;
в-третьих, благодаря введению дополнительного резистора и предложенного его соединения с индуктивностью и емкостью обеспечить симметричное соединение всех резисторов и тем самым исключить частотную зависимость полного сопротивления широкополосного аттенюатора СВЧ.
И как следствие совокупности этого - увеличение относительной ширины рабочей полосы частот, уменьшение величины прямых потерь СВЧ и уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Более того, исключение из конструкции аттенюатора СВЧ двух отрезков линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, которые являлись резонансными и существенно ограничивали рабочую полосу частот и зависимость от частоты величины фазы сигнала СВЧ, позволило дополнительно увеличить относительную ширину рабочей полосы частот и уменьшить величину изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена топология одного разряда заявленного аттенюатора СВЧ, где
- последовательно и параллельно соединенные резисторы - 1 и 2 соответственно,
- линии передачи на входе и выходе - 3 и 4 соответственно,
- полевой транзистор с барьером Шотки - 5 в качестве электронного ключа,
- дополнительный резистор - 6,
- индуктивность - 7,
- емкость - 8,
- источник постоянного управляющего напряжения - 9.
На фиг.2 дана его электрическая схема.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины прямых потерь СВЧ Ап и величины затухания на СВЧ Аз при величине постоянного управляющего напряжения равной 0 и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины фазы сигнала СВЧ при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0, и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.
Пример конкретного выполнения заявленного аттенюатора СВЧ.
В качестве примера рассмотрен одноразрядный аттенюатор СВЧ. Все элементы дискретного широкополосного аттенюатора СВЧ выполнены в монолитно-интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Резисторы R1-1, R2-2, R3-6 выполнены сопротивлениями, равными 5 Ом, 15 Ом и 65 Ом соответственно, путем напыления, например, тантала толщиной 4 мкм.
Линии передачи на входе 3 и выходе 4 шириной проводников 0,08 мм.
Полевой транзистор с барьером Шотки 5 имеет напряжение отсечки Uотс, равное 2 В.
Индуктивность 7 выполнена шириной проводника 0,01 мм и длиной 2,5 мм.
Емкость 8 выполнена в виде плоско параллельного конденсатора с диэлектрической пленкой из окиси кремния толщиной 3 мкм.
При этом:
- Резистор R1-1 соединен последовательно, резистор R2-2 параллельно линиям передачи на входе 3 и выходе 4 соответственно,
- последовательно соединенный резистор R1-1 включен между входной 3 и выходной 4 линиями передачи,
- параллельно соединенный резистор R2-2 одним концом соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 5,
- затвор, которого соединен с источником постоянного управляющего напряжения 9,
- его исток заземлен.
- другой конец параллельно соединенного резистора R2-2 соединен с линией передачи на выходе 4,
- один конец дополнительного резистора R3-6 соединен с линией передачи на входе 3,
- другой его конец соединен с одним концом индуктивности 7 и с одним концом емкости 8,
- другой конец емкости 8 соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 5,
- другой конец индуктивности 7 заземлен.
Работу аттенюатора СВЧ рассмотрим на примере одного разряда.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 5 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 9 он становится открытыми.
В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки 5 имеет малое сопротивление Zоткр.
Таким образом, вторые концы параллельно соединенного резистора R1-1 и емкости 8 становятся закороченными на землю.
Индуктивность 7 будет включена параллельно емкости 8, и их полное сопротивление будет большим.
При таком включении в аттенюаторе будут работать резисторы R1-1 и R3-6, затухание на выходе будет определяться сопротивлениями этих резисторов. Для рассматриваемого примера затухание будет равно 3 дБ.
Фаза сигнала СВЧ в аттенюаторе с сопротивлениями R1-1 и R3-6 будет близка к 0 градусов.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 5 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки транзистора Uотс, он будет закрыт.
При этом полевой транзистор с барьером Шотки будет иметь большое емкостное сопротивление Zзакр.
Величина индуктивности 7 компенсирует емкостное сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки и сопротивление емкости 8 в рабочей полосе частот, поэтому вторые концы параллельных резисторов R2-2 и R3-6 становятся «оторванными» от земли. При таком включении в аттенюаторе будет работать только малое сопротивление резистора R1-1.
В этом случае реализуется малая величина прямых потерь СВЧ Ап в широкой рабочей полосе частот.
Фаза сигнала СВЧ в аттенюаторе с сопротивлением R1 и R3-6 будет также близка к 0 градусов.
На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап, величины затухания Аз, величина изменения фазы сигнала СВЧ в широкой полосе частот.
Результаты изображены на фиг.3, фиг.4.
Как видно из фиг.3:
- величина прямых потерь в аттенюаторе СВЧ в рабочей полосе частот от 5 ГГц до 25 ГГц составляет менее 0,7 дБ, что на 0,3 дБ меньше, чем у прототипа,
- а величина затухания равна 2,7 дБ, так что изменение величины затухания аттенюатора СВЧ составляет 2 дБ.
Как видно из фиг.4:
- величина изменения фазы сигнала СВЧ при открытых и закрытых полевых транзисторах с барьером Шотки в рабочей полосе частот от 5 ГГц до 25 ГГц не превышает одного градуса, что на порядок меньше, чем у прототипа,
- относительная ширина рабочей полосы частот составляет (25 ГГц - 5 ГГц)/15 ГГц = 1,33 = 133%, что в 3 раза больше, чем у прототипа.
Таким образом, заявленный аттенюатор СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
- полудекадную рабочую полосу частот, что в 3 раза больше,
- уменьшение прямых потерь СВЧ на 0,3 дБ,
- уменьшение в 10 раз величины изменения фазы сигнала СВЧ при открытом и закрытом полевом транзисторе с барьером Шотки.
Данный дискретный широкополосный аттенюатор СВЧ может быть особенно востребован в импульсных - широтных радиолокационных системах.
Источники информации
1. Патент РФ №2314603, МПК Н01Р 1/22, приоритет 10.02.2006, опубл. 10.01.2008, бюл. №1.
2. Патент РФ №2340048, МПК Н01Р 1/22, приоритет 26.04.2007, опубл. 27.11.2008, бюл. №33 - прототип.