ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ
TWO-CHANNEL SHF SWITCH

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к двухканальным переключателям СВЧ на полупроводниковых приборах.
Двухканальный переключатель СВЧ содержит один вход и два выхода для сигнала СВЧ-каналы.
Двухканальный переключатель СВЧ управляется от источника постоянного напряжения. При одной величине постоянного напряжения один канал открывается, а второй - закрывается. Открытый канал характеризуется амплитудно-частотной характеристикой - потерями СВЧ в рабочей полосе частот, закрытый канал характеризуется амплитудно-частотной характеристикой - ослаблением сигнала СВЧ в рабочей полосе частот.
При этом потери СВЧ должны быть как можно меньше, а ослабление сигнала СВЧ должно быть как можно больше.
Известен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передач с одинаковым волновым сопротивлением, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ сигнала, две другие - для выхода, электронный ключ, в качестве которого использован полевой транзистор с барьером Шотки, при этом исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение.
При этом в переключатель дополнительно введены отрезки линий передач длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом одни концы дополнительных отрезков линий передач соединены с линиями передач на выходе каждый на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач, а другие соединены между собой и соединены со стоком полевого транзистора с барьером Шотки [1].
Известен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий 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 содержит, по меньшей мере, один электронный ключ, 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.
При этом в одну из линий передачи на выходе СВЧ сигнала 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 [2].
Наличие в указанных двухканальных переключателях трех отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы частот, приводит к тому, что на частоте, вдвое превышающей центральную частоту, эти отрезки становятся резонансными, что существенно ограничивает ширину рабочей полосы частот, а амплитудно-частотные характеристики переключателя на частотах, близких к этой частоте, резко ухудшаются, что говорит о увеличении потерь СВЧ и уменьшении величины ослабления сигнала СВЧ.
Все это исключает возможность использования данных переключателей в широкополосных устройствах СВЧ.
Известен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий три линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ сигнала, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе содержит, по меньшей мере, один электронный ключ, 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, 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 [3 - прототип].
Наличие в двухканальном переключателе СВЧ по сравнению с двумя первыми аналогами только одного четвертьволнового отрезка линии передачи существенно снижает влияние резонансов на амплитудно-частотные характеристики переключателя, и как следствие, - незначительное расширение рабочей полосы частот, снижение потерь СВЧ и увеличение ослабления сигнала СВЧ.
В данном переключателе каждая из линий передачи на выходе может быть снабжена несколькими электронными ключами - полевыми транзисторами с барьером Шотки. Однако поскольку они включены непосредственно друг с другом, это не обеспечивает возможность снижения потерь СВЧ и увеличения ослабления сигнала СВЧ только за счет увеличения их числа.
Более того, поскольку и данный двухканальный переключатель СВЧ, как и предыдущие, имеет четвертьволновый отрезок линии передачи, что, как указано выше, ограничивает возможность его использования для переключения сигналов СВЧ в широкой рабочей полосе частот и получения значительного снижения потерь СВЧ и увеличения ослабления сигнала СВЧ.
Техническим результатом изобретения является значительное расширение рабочей полосы частот, снижение потерь СВЧ и увеличение ослабления сигнала СВЧ.
Технический результат достигается заявленным двухканальным переключателем СВЧ, содержащим три линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ сигнала, две другие, первая и вторая - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе содержит, по меньшей мере, один электронный ключ, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, его сток соединен с линией передачи на первом выходе, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен через отрезок линии передачи с линией передачи на входе, а его исток заземлен, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
В котором каждая из двух линий передачи на выходе содержит,
- по меньшей мере, два электронных ключа - два полевых транзистора с барьером Шотки,
- а сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе через отрезок линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе,
- в переключатель введены дополнительно два отрезка линии передачи длинами, равными одной восьмой длины волны в линии передачи, и волновыми сопротивлениями, равными волновому сопротивлению линии передачи на входе переключателя,
- при этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов первого дополнительного отрезка линии передачи, а другой его конец - с линией передачи на первом выходе,
- сток четвертого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на втором выходе и через второй дополнительный отрезок линии передачи со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки,
- при этом истоки третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены.
Сущность изобретения.
Совокупность всех существенных признаков заявленного двухканального переключателя СВЧ, в том числе с предложенным соединением всех элементов двухканального переключателя СВЧ позволит следующее.
Наличие в каждом канале переключателя, по меньшей мере, двух полевых транзисторов с барьером Шотки обеспечивает возможность включения активных сопротивлений и емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки через дополнительные отрезки линий передачи, которые трансформируют величину активных сопротивлений и емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки в оптимальные и тем самым позволяют снизить потери СВЧ открытого канала и увеличить ослабление сигнала СВЧ закрытого канала и, как следствие, - снижение потерь СВЧ и увеличение ослабления сигнала СВЧ двухканального переключателя СВЧ в целом.
Соединение стока второго полевого транзистора с барьером Шотки с линией передачи на входе через отрезок линии передачи длиной, равной одной восьмой длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе и тем самым - исключение четвертьволнового отрезка линии передачи из переключателя, а вместе с ним и резонансного характера поведения амплитудно-частотных характеристик двухканального переключателя СВЧ и, как следствие, - расширение рабочей полосы частот, снижение потерь СВЧ и увеличение ослабления сигнала СВЧ.
Выполнение всех трех отрезков линии передачи:
во-первых, одинаковой длины, равной одной восьмой длины волны в линии передачи, и
во-вторых, одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными волновому сопротивлению линии передачи на входе двухканального переключателя СВЧ, позволяет исключить возникновение неоднородностей в местах их соединения и тем самым исключает возможность переотражения сигнала СВЧ, и тем самым - ухудшение амплитудно-частотных характеристик и, как следствие, - расширение рабочей полосы частот, снижение потерь СВЧ и увеличение ослабления сигнала СВЧ двухканального переключателя СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология двухканального переключателя СВЧ, где
- соединение трех линий передачи, одна из которых предназначена для входа 1 сигнала СВЧ, а две другие 2 и 3 - для выхода сигнала СВЧ,
- два электронных ключа - два полевых транзистора с барьером Шотки 4 и 5 соответственно,
- отрезок линии передачи 6,
- источник постоянного управляющего напряжения 7,
- два электронных ключа - два полевых транзистора с барьером Шотки 8 и 9 соответственно,
- два дополнительных отрезка линии передачи 10 и 11 соответственно.
На фиг.2 дана принципиальная схема двухканального переключателя СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины ослабления Ao сигнала СВЧ в линиях передачи на выходе двухканального переключателя СВЧ, 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 потерь СВЧ в линиях передачи на выходе двухканального переключателя СВЧ, где
кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на выходе 2, а
кривая 2 - в линии передачи на выходе 3.
Пример.
В качестве примера рассмотрен двухканальный переключатель СВЧ.
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.
При этом:
Три линии передачи - на входе 1, на выходе 2 и 3 выполнены каждая шириной проводника, равной 0,08 мм.
Линии передачи на входе 1 и выходе 2 и 3 соединены между собой.
Отрезок линии передачи 6 и дополнительные отрезки линии передачи 10 и 11 выполнены одинаковыми:
- длиной, равной 1,5 мм, что соответствует одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи, и шириной, равной 0,08 мм, и
- волновыми сопротивлениями, равными волновому сопротивлению линии передачи на входе двухканального переключателя.
Четыре электронных ключа - четыре полевых транзистора с барьером Шотки 4, 5, 8, 9, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки 5, 8, 9 заземлены, а затворы всех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения 7.
При этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 соединен с линией передачи на входе 1, его сток соединен с линией передачи на первом выходе 2, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 соединен через отрезок линии передачи 6 с линией передачи на входе 1. Сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки 8 соединен с одним из концов первого дополнительного отрезка линии передачи 10, а другой его конец - с линией передачи на первом выходе 2, сток четвертого полевого транзистора с барьером Шотки 9 соединен с линией передачи на втором выходе 3 и через второй дополнительный отрезок линии передачи 11 - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 6.
Работа переключателя СВЧ.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 4, 5, 8 и 9 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от одного источника постоянного управляющего напряжения 7 становятся открытыми все четыре полевых транзистора с барьером Шотки.
При этом полевые транзисторы с барьером Шотки имеют малое сопротивление Zоткр.
Малое сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 4 включено последовательно с линией передачи на первом выходе 2 и практически не оказывает влияния на сигнал СВЧ.
Малое сопротивление третьего дополнительного полевого транзистора с барьером Шотки 8, включенное через первый дополнительный отрезок линии передачи 10, будет существенно больше, чем волновое сопротивление линии передачи на выходе 2.
Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться по линии передачи первого выхода 2 с малыми потерями.
Малые сопротивления полевого транзистора с барьером Шотки 5 и второго дополнительного полевого транзистора с барьером Шотки 9 соединены с «землей» и представляют собой практически короткие замыкания для сигнала СВЧ.
Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться в линии передачи на втором выходе 3 сильно ослабленным.
В этом случае сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 передается в линию передачи на выходе 2 с малой величиной потерь СВЧ Ап, а в линию передачи на выходе 3 - с большой величиной ослабления сигнала СВЧ Ao.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 4, 5, 8 и 9 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки Uoтc., все полевые транзисторы с барьером Шотки будут закрыты.
При этом полевые транзисторы с барьером Шотки имеют большое сопротивление Zзакр.
Большое сопротивление Zзакр. полевого транзистора с барьером Шотки 4, включенного последовательно в линию передачи 2, увеличит потери СВЧ. Большое сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 8, включенное через первый дополнительный отрезок линии передачи 10, трансформируется в малое сопротивление на конце этого дополнительного отрезка линии передачи и будет представлять собой практически короткое замыкание для сигнала СВЧ.
Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться по линии передачи первого выхода 2 сильно ослабленным.
Большие сопротивления второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 и четвертого полевого транзистора с барьером Шотки 9, включенные параллельно линии передачи на втором выходе 3, будут оказывать незначительное влияние на распространение сигнала СВЧ.
В этом случае сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 передается в линию передачи на выходе 2 с большой величиной ослабления Ao, а в линию передачи на выходе 3 - с малой величиной потерь СВЧ Ап.
На изготовленных образцах двухканального переключателя СВЧ были измерены величины потерь СВЧ Ап и ослабления сигнала СВЧ Ao соответственно в линиях передачи на выходе 2 и 3 при подаче в линию передачи на входе 1 сигнала СВЧ.
Результаты изображены на фиг.3 и 4.
Как видно из фиг.3 и фиг.4, рабочая полоса частот составляет 15 ГГц, что в два раза больше, чем у прототипа.
Как видно из фиг.3, величины ослабления сигнала СВЧ Ao в обоих каналах переключателя СВЧ в рабочей полосе частот превышают - 40 дБ, что примерно в 1,8 раза больше, чем у прототипа.
Как видно из фиг.4, величины потерь СВЧ в обоих каналах переключателя СВЧ в рабочей полосе частот не превышают 1 дБ, что примерно в 1,2 раза меньше, чем у прототипа.
Таким образом, заявленный двухканальный переключатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит:
- увеличить ширину рабочей полосы частот примерно в 2 раза.
- увеличить величину ослабления СВЧ сигнала примерно в 1,8 раза.
- снизить величину потерь СВЧ примерно в 1,2 раза.
Источники информации
1. Патент РФ №2335832 МПК Н01Р 1/15, приоритет от 23.03.2007 г., опубл. 10.10.08.
2. Патент РФ №2306641 МПК Н01Р 1/15, приоритет от 29.03.2006 г., опубл. 20.09.07
3. Патент РФ №2313866 МПК Н01Р 1/15, приоритет от 27.04.2006 г. опубл. 27.12.07 - прототип.