ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ
SHF SWITCH

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к переключателям СВЧ на полевых транзисторах с барьером Шотки.
Развитие электронной техники СВЧ и особенно радиолокационных станций с фазированными антенными решетками, в состав которых входит множество идентичных компонентов, предъявляет особые требования к переключателям СВЧ, предназначенным для переключения сигнала СВЧ с одного входа на два выхода (канала).
При современном уровне развития техники СВЧ наиболее востребованы двухканальные переключатели СВЧ.
Переключатели СВЧ должны отличаться наряду с малыми прямыми потерями и высоким ослаблением сигнала СВЧ, широкой рабочей полосой частот и малой величиной коэффициента стоячей волны напряжения на его входе.
Известен переключатель СВЧ, который может быть примером двухканального переключателя для коммутации проходящей мощности СВЧ в линиях передачи, который содержит 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 прямых потерь СВЧ и снижения массогабаритных характеристик в одну из линий передачи на выходе сигнала СВЧ введен, по меньшей мере, один отрезок линии передачи 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 [1].
Недостатками данного переключателя СВЧ являются сравнительно узкая рабочая полоса частот из-за наличия в нем, по меньшей мере, трех отрезков линий передачи с длиной, равной четверти длины волны, и сравнительно большие величины коэффициента стоячей волны напряжения из-за отсутствия в нем элементов согласования полевых транзисторов с барьером Шотки и линий передачи на входе и выходах переключателя СВЧ.
Известен 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 ослабления сигнала СВЧ, снижения величины модуля коэффициента отражения сигнала СВЧ и 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 [2 - прототип].
Уменьшение числа отрезков линий передачи длиной, равной четверти длины волны, по сравнению с аналогом с трех до одного позволило несколько расширить рабочую полосу частот.
Однако данная конструкция, как и предыдущая, имеет те же недостатки и тем же обусловленные, а именно:
- достаточно узкую рабочую полосу частот из-за наличия в ней отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, и
- сравнительно большие величины коэффициента стоячей волны напряжения из-за отсутствия в ней элементов согласования полевых транзисторов с барьером Шотки и линий передачи на входе и выходах переключателя СВЧ.
Техническим результатом изобретения является увеличение ширины рабочей полосы частот и снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения переключателя СВЧ при сохранении малой величины прямых потерь СВЧ и больших величин ослабления сигнала СВЧ.
Технический результат достигается известным переключателем СВЧ, содержащим три линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа сигнала СВЧ, две другие - для выхода, соответственно на первом и на втором, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по меньшей мере, одним электронным ключом - полевым транзистором с барьером Шотки, соответственно первым и вторым, при этом исток каждого первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, исток каждого второго полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
В переключатель СВЧ дополнительно введены две индуктивности, соответственно первая и вторая, две емкости, соответственно первая и вторая, и резистор, при этом резистор имеет сопротивление, превышающее на порядок волновое сопротивление линии передачи.
При этом:
- один конец первой индуктивности соединен с линией передачи на первом выходе, другой ее конец соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом первой емкости, другой конец этой емкости заземлен,
- один конец второй индуктивности соединен с линией передачи на входе, другой ее конец соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом второй емкости, другой конец этой емкости соединен с линией передачи на втором выходе,
- а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с источником постоянного управляющего напряжения через резистор.
Раскрытие сущности изобретения
Наличие в переключателе СВЧ второй индуктивности и предложенное ее соединение со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и со входом переключателя СВЧ позволило функционально заменить и тем самым исключить из переключателя СВЧ резонансный отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, и тем самым и в совокупности со второй емкостью, когда она соединена в одной точке с одним концом этой индуктивности и со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, а другой конец этой емкости соединен с линией передачи на втором выходе переключателя СВЧ, обеспечивает компенсацию зависящего от частоты реактивного сопротивления этого полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие:
во-первых, расширение рабочей полосы частот,
и, во-вторых, снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения на входе переключателя СВЧ.
А наличие в переключателе СВЧ первой емкости и первой индуктивности и предложенное их соединение, а именно: когда первая емкость и первая индуктивность соединены со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, обеспечивает согласование этого полевого транзистора с барьером Шотки с линией передачи на входе и с линией передачи на первом выходе, и тем самым обеспечивается компенсация зависящего от частоты реактивного сопротивления полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие, - дальнейшее
во-первых, расширение рабочей полосы частот,
и, во-вторых, снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения на входе переключателя СВЧ.
Наличие в переключателе СВЧ резистора с сопротивлением, превышающим на порядок волновое сопротивление линии передачи, и предложенное соединение затворов полевых транзисторов с барьером Шотки с источником постоянного управляющего напряжения через этот резистор обеспечивает существенное снижение токов утечки через затворы полевых транзисторов с барьером Шотки и - как следствие - дальнейшее снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения на входе переключателя СВЧ.
Кроме того, предложенное включение полевых транзисторов с барьером Шотки в каналах переключателя СВЧ обеспечивает сохранение малых величин прямых потерь и высоких величин ослабления сигнала СВЧ в каналах переключателя СВЧ.
Выполнение резистора сопротивлением, меньшим предложенного, не обеспечивает должного снижения токов утечки через затворы полевых транзисторов с барьером Шотки.
Итак, заявленная конструкция переключателя СВЧ в полной мере обеспечивает технический результат, а именно увеличение ширины рабочей полосы частот и снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения переключателя СВЧ при сохранении малой величины прямых потерь СВЧ и больших величин ослабления сигнала СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология переключателя СВЧ, где:
- три линии передачи, одна из которых предназначена для входа 1 сигнала СВЧ, а две другие - для выхода 2 и 3, соответственно на первом и на втором,
- два полевых транзистора с барьером Шотки 4 и 5, соответственно первый и второй,
- две индуктивности 6 и 7, соответственно первая и вторая,
- две емкости 8 и 9, соответственно первая и вторая,
- резистор 10,
- источник постоянного управляющего напряжения 11.
На фиг.2 дана электрическая схема переключателя СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины коэффициента стоячей волны напряжения К в линиях передачи на первом выходе 2 и в линиях передачи на втором выходе 3 переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на первом выходе 2, а кривая 2 - в линии передачи на втором выходе 3.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины прямых потерь СВЧ Ап и ослабления Ао сигнала СВЧ в линии передачи на первом выходе 2 и в линии передачи на втором выходе 3 переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на первом выходе 2, а кривая 2 - в линии передачи на втором выходе 3.
Пример конкретного выполнения.
В качестве примера рассмотрен переключатель СВЧ, когда каждая из двух линий передачи (канал) на выходе снабжена одним электронным ключом - полевым транзистором с барьером Шотки.
Все элементы 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, равным 50 Ом, которое задается шириной проводников, в данном случае равной 0,08 мм.
Каждая из линий передачи на выходе 2, 3, соответственно на первом и втором, снабжена полевым транзистором с барьером Шотки 4 и 5, соответственно первым и вторым, имеющим, каждый, напряжение отсечки Uотc, равное -2,5 В.
Каждая из индуктивностей 6 и 7, соответственно первая и вторая, выполнена шириной 0,02 мм и длиной 1,2 мм и 2,3 мм соответственно.
Каждая из емкостей 8 и 9, соответственно первая и вторая, выполнена в виде плоскопараллельного конденсатора с диэлектрическим слоем из окиси кремния толщиной 4 мкм.
Резистор 10 выполнен сопротивлением, равным 500 Ом, из слоя хрома толщиной 5 мкм.
При этом один конец первой индуктивности 6 соединен с линией передачи на первом выходе 2, другой ее конец соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 и с одним концом первой емкости 8, другой конец этой емкости заземлен.
При этом один конец второй индуктивности 7 соединен с линией передачи на входе 1, другой ее конец соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 и с одним концом второй емкости 9, другой конец этой емкости соединен с линией передачи на втором выходе 3.
Затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 соединены с источником постоянного управляющего напряжения 11 через резистор 10.
Работа переключателя СВЧ.
Работа переключателя СВЧ рассмотрена также на примере, когда каждая из двух линии передачи (канал) на выходе снабжена одним электронным ключом - полевым транзистором с барьером Шотки 4 и 5, соответственно первым и вторым.
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 11 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 втором выходе 3 с волновым сопротивлением Z0 благодаря тому, что сток этого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на втором выходе 3, а его исток заземлен, что равносильно параллельно включенным сопротивлениям.
Поскольку сопротивление Zоткр значительно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на втором выходе 3, что равносильно сопротивлению короткого замыкания.
При этом второй конец второй индуктивности 7 оказывается как бы заземленным, и в результате этого на входе этого - второго канала переключателя СВЧ будет большое индуктивное сопротивление, от которого сигнал СВЧ отразится.
В этом случае в линию передачи на втором 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 сопротивление Zоткр, которое значительно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на первом выходе 2.
Поскольку между линией передачи на входе 1 и линией передачи на первом выходе 2 включены согласующие элементы из первой индуктивности 6 и первой емкости 8, то сигнал СВЧ беспрепятственно пройдет в этот - первый канал переключателя СВЧ.
В этом случае сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 в широкой рабочей полосе частот передается в линию передачи на первом выходе 2 с малой величиной прямых потерь СВЧ Ап и с малой величиной коэффициента стоячей волны напряжения К, а в линию передачи на втором выходе 3 - с большой величиной ослабления сигнала СВЧ 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 полевых транзистора с барьером Шотки будут закрыты.
При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки 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 7 и второй емкости 9, 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 втором выходе 3.
Первый полевой транзистор с барьером Шотки 4 также имеет большое сопротивления Zзакр, которое значительно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на первом 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 втором выходе 3 с малой величиной прямых потерь Ап и малой величиной коэффициента стоячей волны К, а в линию передачи на первом выходе 2 - с большой величиной ослабления сигнала СВЧ Ао.
В обоих случаях роль резистора 10 с сопротивлением, превышающим на порядок волновое сопротивление линии передачи, обеспечивает снижение тока утечки через полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5 соответственно и тем самым обеспечивает снижение прямых потерь СВЧ и снижение коэффициента стоячей волны напряжения, что особенно актуально в случае открытых полевых транзисторов с барьером Шотки.
На изготовленных образцах переключателя СВЧ были измерены величины коэффициента стоячей волны напряжения К, прямых потерь СВЧ и ослабления сигнала СВЧ Ао в широкой рабочей полосе частот соответственно в линиях передачи на первом выходе 2 и на втором выходе 3 переключателя СВЧ.
Результаты изображены на фиг.3 и 4.
Из фиг.3 видно, что:
во-первых, рабочая полоса частот расширена примерно до октавы, от 7 ГГц до 14 ГГц,
во-вторых, величины коэффициента стоячей волны напряжения К не превосходят 1,3, что примерно на 0,2 меньше, чем у прототипа.
Из фиг.4 видно, что величина Ап не превосходит 1 дБ, а величина Ао - 15 дБ, что соответствует величинам прототипа.
Таким образом, заявленный переключатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит:
- увеличить ширину рабочей полосы частот в 2 раза,
- снизить величину коэффициента стоячей волны напряжения на 0,2.
При сохранении малой величины прямых потерь СВЧ и больших величин ослабления сигнала СВЧ.
Это особенно актуально при создании монолитной интегральной элементной базы электронной техники СВЧ и устройств на их основе и, как указано выше, особенно радиолокационных станций с фазированными антенными решетками, в состав которых входит множество идентичных упомянутых изделий.
Источники информации
1. Патент РФ №2306641, МПК Н01Р 1/15, приоритет 29.03.2006 г., опубл. 20.09.2007.
2. Патент РФ №2313866, МПК Н01Р 1/15, приоритет 27.04.2006 г., опубл. 27.12.2007 - прототип.