СВЧ-ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СХЕМЫ
MICROWAVE PHASE SHIFTER BASED ON SEMICONDUCTOR CIRCUIT

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям
СВЧ-диапазона на полупроводниковых приборах, и направлено на упрощение схемы многоразрядного фазовращателя и может быть использовано в системах спутниковой связи и радиолокации СВЧ-диапазона с активными фазированными антенными решетками.
Известны многоразрядные фазовращатели СВЧ-диапазона с дискретным изменением фазы на основе полупроводниковых pin-диодов в качестве переключающих элементов [1].
Основным недостатком данных фазовращателей является необходимость двухполярного управляющего напряжения, токовое управление диодами и невысокая скорость переключения фазовых состояний.
Известна арсенид-галлиевая интегральная схема СВЧ-фазовращателя на переключаемых отрезках линии, где в качестве переключающих элементов используются полевые транзисторы с затвором Шотки с параллельным включением в тракт [2].
Недостатком данной полупроводниковой схемы является необходимость заземления элементов схемы и включение многосекционных транзисторов через четвертьволновые отрезки линии, что приводит к увеличению размеров кристалла и снижению выхода годных кристаллов за счет усложнения технологии изготовления схемы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является СВЧ-фазовращатель на основе полупроводниковой схемы, содержащий два параллельных канала, входы и выходы которых, соответственно, соединены с входной и выходной микрополосковыми линиями, при этом первый канал содержит последовательно соединенные первый полевой транзистор с затвором Шотки, первый фазосдвигающий элемент в виде микрополосковой линии и второй полевой транзистор с затвором Шотки, второй канал - последовательно соединенные третий полевой транзистор с затвором Шотки, второй фазосдвигающий элемент и четвертый полевой транзистор с затвором Шотки, а затворы всех транзисторов соединены резисторами для подачи управляющего напряжения [3]. При этом в известном фазовращателе резистивные управляющие цепи расположены вне функциональной поверхности полупроводниковой схемы.
Недостатком данной схемы является невозможность получить на основе данного кристалла различные фазовые дискреты для реализации многоразрядного фазовращателя.
Техническим результатом предлагаемого СВЧ-фазовращателя является возможность получения на основе одной полупроводниковой схемы различных фазовых дискретов при реализации многоразрядных фазовращателей.
Отсутствие на кристалле полупроводниковой схемы частотно-зависимых цепей обеспечивает широкую рабочую полосу фазовращателя, а выполнение ширины микрополосковых линий равной ширине затвора односекционного транзистора с затвором Шотки снижает прямые потери фазовращателя за счет улучшения согласования.
Сущность изобретения заключается в том, что в СВЧ-фазовращателе на основе полупроводниковой схемы, содержащем два параллельных канала, входы и выходы которых, соответственно, соединены с входной и выходной микрополосковыми линиями, при этом первый канал содержит последовательно соединенные первый полевой транзистор с затвором Шотки, первый фазосдвигающий элемент в виде микрополосковой линии и второй полевой транзистор с затвором Шотки, второй канал - последовательно соединенные третий полевой транзистор с затвором Шотки, второй фазосдвигающий элемент и четвертый полевой транзистор с затвором Шотки, а затворы всех транзисторов соединены резисторами для подачи управляющего напряжения, согласно изобретению второй фазосдвигающий элемент выполнен сменным и расположен вне пределов функциональной поверхности полупроводниковой схемы, а ширина затвора каждого полевого транзистора равна ширине микрополосковых линий.
Кроме того, второй фазосдвигающий элемент может быть выполнен в виде микрополосковой линии.
Кроме того, второй фазосдвигающий элемент может быть выполнен в виде LC-цепей на сосредоточенных элементах.
Выполнение второго сменного фазосдвигающего элемента в виде микрополосковой линии или LC-цепей на сосредоточенных элементах позволяет реализовать любой фазовый дискрет многоразрядного фазовращателя выбранного частотного диапазона.
Техническая сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими чертежами.
На фиг.1 дана электрическая схема предлагаемого СВЧ фазовращателя на основе полупроводниковой схемы.
На фиг.2 дана схема второго фазосдвигающего элемента, выполненного в виде микрополосковой линии.
На фиг.3 дана схема второго фазосдвигающего элемента в виде LC-цепей на сосредоточенных элементах в виде П-образной цепи.
На фиг.4 дана схема второго фазосдвигающего элемента в виде LC-цепей на сосредоточенных элементах в виде Т-образной цепи.
СВЧ-фазовращатель на основе полупроводниковой схемы 1 содержит два параллельных канала, входы и выходы которых, соответственно, соединены с входной 2 и выходной 3 микрополосковыми линиями, при этом первый канал содержит последовательно соединенные первый полевой транзистор с затвором Шотки 4, первый фазосдвигающий элемент в виде микрополосковой линии 5 и второй полевой транзистор с затвором Шотки 6, второй канал - последовательно соединенные третий полевой транзистор с затвором Шотки 7, второй фазосдвигающий элемент 8 и четвертый полевой транзистор с затвором Шотки 9, а затворы всех транзисторов соединены с резисторами 10 для подачи управляющего напряжения, второй фазосдвигающий элемент 8 выполнен сменным и расположен вне пределов функциональной поверхности полупроводниковой схемы 1, а ширина затвора каждого полевого транзистора равна ширине микрополосковых линий.
Предлагаемый СВЧ-фазовращатель работает следующим образом.
Сигнал подается на входную микрополосковую линию 2 и через открытые транзисторы 4, 6 и первый фазосдвигающий элемент в виде микрополосковой линии 5 длиной  первого канала поступает на выходную микрополосковую линию 3. Транзисторы второго канала 7, 9 закрыты при подаче на затворы управляющего напряжения, по величине превышающего напряжение перекрытия канала.
При подключении фазосдвигающего элемента 8 в виде микрополосковой линии длиной  (см. Фиг.2) и переключении каналов путем подачи запирающего управляющего напряжения на затворы транзисторов первого канала достигается фазовый сдвиг:
где Δφ - фазовый сдвиг;
- геометрическая длина первой микрополосковой линии;
- геометрическая длина второй микрополосковой линии;
λ - длина волны в материале подложки полупроводниковой схемы.
При реализации фазосдвигающего элемента 8 в виде LC-цепей на сосредоточенных элементах в виде П-образной цепи (см. Фиг.3) или Т-образной цепи (см. Фиг.4) фазовый сдвиг при переключении каналов будет определяться соотношением:
где Δφ - фазовый сдвиг;
1
φ - фазовая длина первого канала;
2
φ - фазовая длина второго канала.
Предлагаемое изобретение может быть реализовано, например, в виде арсенид-галлиевой интегральной схемы СВЧ-фазовращателя С-диапазона, где на кристалле реализованы четыре односекционных полевых транзистора с затвором Шотки с шириной затвора 300 мкм, что соответствует ширине микрополосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом для подложки арсенида галлия толщиной 400 мкм. Для подачи управляющего напряжения в цепь затвора каждого транзистора включены полупроводниковые резисторы номиналом 2,5…3,0 кОм. Прямые потери включенного канала реализованного фазовращателя составили менее 1,0 дБ, а при запирании канала потери превышают 20 дБ. На основе кристалла был изготовлен четырехдискретный фазовращатель на 16 фазовых состояний с младшим разрядом 22,5 градуса.
Испытания многоразрядного фазовращателя на основе полупроводникой интегральной схемы показали высокую точность установки фазового сдвига и минимальный перепад потерь при смене фазовых состояний.
Источники информации
1. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ-фазовращатели и переключатели. М., Радио и связь, 1984, 184 с.
2. Ayasli Y. Microwave switching with. GaAs FETs. Microwave J., vol.25, №11, 1982, p.61-74.
3. Патент №6275121 B1, США, опубликовано 14 августа 2001 г., МПК H01P 1/18, НКИ 333/164.