ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ
TWO-CHANNEL SHF SWITCH

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к двухканальным переключателям СВЧ на полевых транзисторах с барьером Шотки.
Создание радиолокационных станций с активными фазированными антенными решетками предъявляет особые требования к двухканальным переключателям СВЧ на полевых транзисторах с барьером Шотки, предназначенным для переключения сигнала СВЧ с одного входа на два выхода (канала).
Двухканальные переключатели СВЧ (далее переключатель СВЧ) должны иметь малые прямые потери в открытых каналах и высокое ослабление сигнала СВЧ в закрытых каналах при малой величине коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) на его входе и двух выходах.
Известен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий три линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа сигнала СВЧ, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по меньшей мере, одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом сток каждого первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединен с соответствующей линией передачи на выходе, исток первого соединен с линией передачи на входе, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение.
В котором с целью увеличения величины ослабления сигнала СВЧ, снижения величины модуля коэффициента отражения, снижения массогабаритных характеристик, второй полевой транзистор с барьером Шотки расположен от линии передачи на входе на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, исток его заземлен, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [1].
Однако,
во-первых, отсутствие в данном переключателе СВЧ элементов согласования полевых транзисторов с барьером Шотки и линией передачи на входе не обеспечивает получение должной высокой величины ослабления сигнала СВЧ и малой величины коэффициента стоячей волны напряжения,
во-вторых, поскольку в данном переключателе СВЧ, в одном из его каналов, полевой транзистор с барьером Шотки включен непосредственно в этот канал, данный переключатель СВЧ имеет большую величину прямых потерь сигнала СВЧ.
Известен переключатель СВЧ, содержщий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа сигнала СВЧ, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по меньшей мере, одним электронным ключом, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение.
В котором с целью уменьшения величины прямых потерь сигнала СВЧ в одну из линий передачи на выходе введен, по меньшей мере, один отрезок линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в отрезке линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом один конец отрезка линии передачи соединен с этой линией передачи на выходе, а другой конец - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, сток другого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другой линией передачи на выходе, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, при этом расстояния от точки соединения трех линий передачи до точки соединения отрезка линии передачи с этой линией передачи на выходе и до стока другого полевого транзистора с барьером Шотки равны четверти длины волны в линиях передачи [2 - прототип].
Включение в одном из каналов переключателя СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки через отрезок линии с длиной, равной четверти длины волны в отрезке линии передачи и с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи исключает непосредственное его включение в этом канале и тем самым обеспечивает снижение величины прямых потерь сигнала СВЧ.
Однако,
во-первых, вследствие наличия в каждом канале переключателя СВЧ отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, включенного между входом переключателя СВЧ и выходом его канала, практически невозможно существенно уменьшить величины прямых потерь сигнала СВЧ в его открытых каналах, и
во-вторых, вследствие отсутствия в данном переключателе СВЧ элементов согласования полевых транзисторов с барьером Шотки и линий передачи на его входе и выходах увеличить ослабление сигнала СВЧ в его закрытых каналах.
Техническим результатом изобретения является уменьшение величины прямых потерь сигнала СВЧ в открытых каналах и увеличение ослабления сигнала СВЧ в закрытых каналах, уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения на входе и двух выходах переключателя СВЧ, преимущественно в двухсантиметровом диапазоне длин волн.
Технический результат достигается известным двухканальным переключателем СВЧ, содержащим соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по меньшей мере, одним электронным ключом - полевым транзистором с барьером Шотки, по меньшей мере, один отрезок линии передачи с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом сток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на первом выходе через упомянутый отрезок линии передачи, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на втором выходе, затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
В который дополнительно введены две одинаковые индуктивности, две одинаковые емкости и, по меньшей мере, два одинаковых резистора, при этом отрезок линии передачи выполнен с длиной, равной одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи, при этом один конец первой и второй индуктивности соединены с линией передачи на входе, другие их концы соединены с линией передачи на первом и втором выходе соответственно, один конец первой емкости соединен с линией передачи на первом выходе, один конец второй емкости соединен с линией передачи на входе, другие их концы заземлены, а затворы каждого полевого транзистора с барьером Шотки соединены с источником постоянного управляющего напряжения отдельно через соответствующий резистор.
Сущность изобретения.
Совокупность существенных отличительных признаков заявленного двухканального переключателя СВЧ обеспечивает, а именно:
Наличие в двухканальном переключателе СВЧ двух одинаковых индуктивностей и двух одинаковых емкостей в совокупности с предложенным их соединением, когда одни концы первой и второй индуктивности соединены с линией передачи на входе, другие их концы - с линией передачи на первом и втором выходе соответственно и когда один конец первой емкости соединен с линией передачи на первом выходе, один конец второй емкости - с линией передачи на входе обеспечивает согласование полевых транзисторов с барьером Шотки и линий передачи на входе и выходах переключателя СВЧ и как следствие -
во-первых, уменьшение величины прямых потерь сигнала СВЧ в открытых каналах и увеличение ослабления сигнала СВЧ в закрытых каналах и
во-вторых, уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения на входе и двух выходах переключателя СВЧ.
Наличие в двухканальном переключателе СВЧ, по меньшей мере, двух одинаковых резисторов обеспечивает снижение токов утечки через затворы полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие - дополнительно к выше указанному уменьшение величины прямых потерь сигнала СВЧ в открытых каналах.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология переключателя СВЧ, где
- три линии передачи, одна - 1 из которых предназначена для входа сигнал СВЧ, а две другие - 2, 3 - для выхода,
- два полевых транзистора с барьером Шотки - 4 и 5 соответственно первый и второй,
- отрезок линии передачи - 6,
- две индуктивности - 7 и 8 соответственно первая и вторая,
- две емкости - 9 и 10 соответственно первая и вторая,
- два резистора - 11 и 12 соответственно первый и второй,
- источник постоянного управляющего напряжения - 13.
На фиг.2 дана принципиальная схема переключателя СВЧ.
п
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины прямых потерь А и ослабления Ао сигнала СВЧ в линиях передачи на выходе переключателя, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на выходе 2, а кривая 2 - в линии передачи на выходе 3.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины коэффициента стоячей волны напряжения на входе двухканального переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствуют указанной зависимости в линии передачи при постоянном управляющем напряжении, равном 0, а кривая 2, равном напряжению отсечки.
Пример конкретного выполнения заявленного двухканального переключателя СВЧ.
В качестве примера рассмотрен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий в каждом канале один электронный ключ - полевой транзистор с барьером Шотки.
Все элементы двухканального переключателя СВЧ выполнены в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Три линии передачи - на входе 1 и на выходе 2, 3 выполнены с одинаковым волновым сопротивлением, которое задается шириной проводников, в данном случае равной 0,08 мм.
Каждая из линий передачи на выходе 2, 3 снабжена полевым транзистором с барьером Шотки 4 и 5 (первый и второй соответственно), имеющие напряжение отсечки Uотс, равное - 2,5 В.
Отрезок линии передачи 6 выполнен с длиной и шириной, равной 0,95 и 0,08 мм соответственно (что соответствует одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи и волновому сопротивлению, равному волновому сопротивлению линии передачи).
Каждая из двух индуктивностей 7 и 8 выполнена шириной 0,02 мм и длиной 0,5 мм.
Каждая из двух емкостей 9 и 10 выполнена в виде плоскопараллельного конденсатора с диэлектрическим слоем из окиси кремния толщиной 4 мкм.
Каждый из двух резисторов выполнен в виде пленки из хрома шириной и длиной, равной 0,08 мм и 2 мм соответственно.
При этом один конец первой 7 и второй 8 индуктивности соединены с линией передачи на входе 1, другие их концы соединены с линией передачи на первом 2 и втором 3 выходе соответственно, один конец первой емкости 9 соединен с линией передачи на первом выходе 2, один конец второй емкости 10 соединен с линией передачи на входе 1, другие их концы заземлены, а затворы каждого полевого транзистора с барьером Шотки 4 и 5 соединены с источником постоянного управляющего напряжения 13 отдельно через соответствующий резистор 11 и 12.
Работа заявленного двухканального переключателя СВЧ.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от одного источника постоянного управляющего напряжения 13 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.
При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки 4 и 5 имеют малое сопротивление Zоткр.
Это малое сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 шунтирует линию передачи на выходе 3 с волновым сопротивлением Z0, благодаря тому, что сток этого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе 3, а исток его заземлен, что равносильно параллельно включенным сопротивлениям.
Поскольку сопртивления Zоткр. значительно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 3, то есть равносильно сопротивлению короткого замыкания.
Второй конец второй индуктивности 8 будет соединен с землей и на входе второго канала будет большое индуктивное сопротивление, от которого сигнал СВЧ отразится.
В этом случае в линию передачи на выходе 3 будет поступать сигнал СВЧ существенно ослабленным, то есть будет иметь место большая величина ослабления Ао.
Первый полевой транзистор с барьером Шотки 4 также имеет малое сопротивления Zоткр., которое значительно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2.
Поскольку между линией передачи на входе 1 и линией передачи на выходе 2 включены согласующие элементы из первой индуктивности 7 и первой емкости 9, то сигнал СВЧ беспрепятственно пройдет в этот канал.
В этом случае сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 в широкой рабочей полосе частот передается в линию передачи на выходе 2 с малой величиной прямых потерь Ап и с малой величиной коэффициента стоячей волны напряжения К, а в линию передачи на выходе 3-е большой величиной ослабления Ао.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки Uотс. полевого транзистора с барьером Шотки, оба транзистора будут закрыты.
При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки 4 и 5 имеют большое сопротивление Zзакр.
Это большое сопротивление Zзакр. второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 равносильно холостому ходу.
А поскольку второй полевой транзистор с барьером Шотки 5 расположен между согласующими элементами из второй индуктивности 8 и второй емкости 10, то реализуется компенсация этих элементов в широкой рабочей полосе частот и таким образом сигнал СВЧ беспрепятственно пройдет с линии передачи на входе 1 в линию передачи на выходе 3.
Первый полевой транзистор с барьером Шотки 4 также имеет большое сопротивления Zзакр., которое значительно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2, то есть равносильно сопротивлению холостого хода.
В этом случае сигнал СВЧ в широкой рабочей полосе частот с линии передачи на входе 1 передается в линию передачи на выходе 3 с малой величиной прямых потерь Ап и малой величиной коэффициента стоячей волны К, а в линию передачи на выходе 2 -с большой величиной ослабления Ао.
В обоих случаях роль обоих резисторов 11 и 12 с одинаковым сопротивлением сводится к снижению тока утечки через полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5 соответственно, что положительно сказывается на снижении прямых потерь сигнала СВЧ и снижении коэффициента стоячей волны напряжения, особенно в случае открытых полевых транзисторов с барьером Шотки.
На изготовленных образцах двухканального переключателя СВЧ были измерены величины коэффициента стоячей волны напряжения К, прямых потерь Ап и ослабления Ао сигнала СВЧ в рабочей полосе частот соответственно в линиях передачи на выходе 2, 3 переключателя СВЧ.
Результаты изображены на фиг.3 и 4.
Как видно из фиг.3 в рабочей полосе частот от 15 ГГц до 17 ГГц величина прямых потерь Ап не превосходит 0,8 дБ, а величина ослабления Ао - 20 дБ, что соответственно на 0,2 дБ меньше и на 5 дБ больше, чем у прототипа.
Как видно из фиг.4 в рабочей полосе частот от 15 ГГц до 17 ГГц величины коэффициента стоячей волны напряжения К не превосходят 1,2, что примерно на 0,3 меньше, чем у прототипа.
Таким образом, заявленный двухканальный переключатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит:
- уменьшение величины прямых потерь сигнала СВЧ в открытых каналах примерно на 0,2 дБ и
- увеличение ослабления сигнала СВЧ в закрытых каналах примерно на 5 дБ,
- уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения на его входе и двух его выходах примерно на 0,3, преимущественно в двухсантиметровом диапазоне длин волн.
Источники информации
1. Патент РФ №2313866, МПК Н01Р 1/15, приоритет 27.04.2006 г., опубл. 27.12.2007, бюлл. №36.
2. Патент РФ №2306641, МПК Н01Р 1/15, приоритет 29.03.2006 г., опубл. 20.09.2007, бюлл. №26 - прототип.