АТТЕНЮАТОР СВЧ С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ЗАТУХАНИЯ
MICROWAVE ATTENUATOR WITH DISCRETE VARIATION OF ATTENUATION

Изобретение относится к электронной технике, а именно к аттенюаторам СВЧ с дискретным изменением затухания на полупроводниковых приборах.
Аттенюаторы СВЧ с дискретным изменением затухания характеризуются:
- широкой рабочей полосой частот;
- малыми потерями СВЧ;
- максимальным числом дискретных уровней затухания;
- малыми коэффициентами стоячей волны напряжения (КСВН) на входе и выходе;
- малым изменением фазы сигнала СВЧ при изменении управляющих напряжений.
Аттенюаторы СВЧ с дискретным изменением затухания представляют собой соединение резисторов с заданными величинами сопротивлений. Подключение и отключение резисторов осуществляют электронными ключами, в качестве которых используют полупроводниковые диоды и транзисторы.
Известен 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 которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи напряжения от источников постоянного управляющего напряжения.
При этом с целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик путем сокращения числа источников постоянного управляющего напряжения в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, превышающим волновое сопротивление линии передачи на входе либо на 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 одним источником постоянного управляющего напряжения [1].
Известен аттенюатор СВЧ, состоящий, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит три резистора, один из которых расположен 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 первый резистор соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а два других выполнены с одинаковыми сопротивлениями и расположены по разные стороны от первого, и соответственно, каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи напряжения от источников постоянного управляющего напряжения.
При этом с целью достижения на средней частоте рабочей полосы частот нулевой величины изменения фазы сигнала при соответствующем изменении постоянного управляющего напряжения и снижения прямых потерь СВЧ в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи, которые расположены по разные стороны от первого резистора, при этом один конец каждого из отрезков линии передачи соединен с одним из концов соответствующего одного из двух резисторов и со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а другой их конец соединен с концами первого резистора, другой конец каждого из двух других резисторов соединен с истоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, при этом отрезки линии передачи выполнены длиной, равной либо меньшей четверти длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линий передачи на входе и выходе аттенюатора [2 - прототип].
Использование в данном аттенюаторе, как и в аналоге, трех полупроводниковых ключей - трех полевых транзистора с барьером Шотки, в силу:
во-первых, наличия разбаланса между тремя полевыми транзисторами с барьером Шотки,
во-вторых, наличия зависимости от частоты полных входных и выходных сопротивлений трех полевых транзисторов с барьером Шотки, не позволяет существенно:
- расширить рабочую полосу частот,
- снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе,
- уменьшить влияние изменения управляющих напряжений на фазу сигнала СВЧ.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, снижение прямых потерь СВЧ в широкой рабочей полосе частот, увеличение числа дискретных уровней затухания, снижение коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе, уменьшение влияния изменения управляющих напряжений на фазу сигнала СВЧ.
Технический результат достигается тем, что в известном аттенюаторе СВЧ с дискретным изменением затухания, содержащим две линии передачи с одинаковым волновым сопротивлением, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, три резистора, первый соединен последовательно, второй - параллельно линиям передачи на входе и выходе, электронные ключи, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, отрезок линии передачи, при этом исток одного из полевых транзисторов с барьером Шотки соединен с одним из концов первого резистора и с линией передачи на входе, а сток - с другим концом этого резистора, последний соединен с одним из концов отрезка линии передачи, а другой его конец соединен с одним из концов второго резистора, исток другого полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки подают постоянные управляющие напряжения.
При этом в аттенюатор СВЧ дополнительно введены индуктивность, четвертый резистор и второй источник постоянных управляющих напряжений, отрезок линии передачи выполнен длиной, равной одной восьмой длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе либо на выходе, третий и четвертый резисторы выполнены с одинаковым сопротивлением, превышающим на порядок волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе, при этом другой конец отрезка линии передачи и один из концов второго резистора соединены с линией передачи на выходе, а другой его конец соединен с одним из концов индуктивности и со стоком другого полевого транзистора с барьером Шотки, другой конец индуктивности заземлен, затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с источниками постоянных управляющих напряжений через третий и четвертый резисторы соответственно, при этом величину индуктивности определяют из выражения:
0
-2
-1
L=(2×π×f)×Ст, где
π равно 3,1415,
0
f - средняя частота рабочей полосы частот,
Ст - выходная емкость второго полевого транзистора с барьером Шотки.
Раскрытие сущности предлагаемого изобретения.
Совокупность всех существенных признаков заявленного аттенюатора СВЧ обеспечивает следующее, а именно:
наличие в аттенюаторе СВЧ только одного отрезка линии передачи и выполненного длиной, равной одной восьмой длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе либо на выходе, и предложенное его соединение с первым и вторым резисторами и первым полевым транзистором с барьером Шотки, а именно - сток одного из полевых транзисторов с барьером Шотки соединен с одним концом отрезка линии передачи, другой его конец - с линией передачи на выходе, позволяет скомпенсировать зависимость активных и реактивных сопротивлений полевого транзистора с барьером Шотки от частоты и, как следствие, -
- существенно расширить рабочую полосу частот,
- снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе,
- уменьшить влияние изменения управляющих напряжений на фазу сигнала СВЧ.
Введение в аттенюатор СВЧ дополнительно индуктивности величиной, определяемой из указанного выражения, и предложенное ее соединение с другим полевым транзистором с барьером Шотки, а именно - один конец индуктивности соединен со стоком другого полевого транзистора с барьером Шотки, а другой конец индуктивности заземлен и позволяет скомпенсировать выходную емкость этого полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие, -
- снизить прямые потери СВЧ в широкой рабочей полосе частот,
- снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе,
- уменьшить влияние изменения управляющих напряжений на величину фазы сигнала СВЧ.
Введение в аттенюатор СВЧ дополнительно четвертого резистора и предложенное соединение затворов полевых транзисторов с барьером Шотки с двумя источниками постоянных управляющих напряжений через третий и четвертый резисторы соответственно, при этом они выполнены с одинаковым сопротивлением, превышающим на порядок волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе, позволяет существенно уменьшить величины токов через затворы полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, -
- снизить прямые потери СВЧ в широкой рабочей полосе частот,
- возможность реализации удвоенного числа дискретных уровней затухания при снижении числа полевых транзисторов с барьером Шотки с трех до двух по сравнению с прототипом.
Итак, предложенная совокупность существенных признаков заявленного аттенюатора СВЧ позволит одновременно оптимизировать несколько его параметров, указанных в техническом результате, а именно - расширить рабочую полосу частот, снизить прямые потери СВЧ в широкой рабочей полосе частот, увеличить число дискретных уровней затухания, снизить коэффициенты стоячей волны напряжения на входе и выходе, уменьшить влияние изменения управляющих напряжений на фазу сигнала СВЧ.
Кроме того, снижение числа полевых транзисторов с барьером Шотки позволит упростить конструкцию и снизить массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ с дискретным изменением затухания.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного аттенюатора СВЧ с дискретным изменением затухания, где
- две линии передачи: на входе - 1 и выходе - 2,
- три резистора - 3, 4, 5, при этом первый соединен последовательно, а второй параллельно линиям передачи на входе и выходе соответственно,
- электронные ключи, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки - 6 и 7,
- отрезок линии передачи - 8,
- индуктивность - 9,
- четвертый резистор - 10,
- источники постоянных управляющих напряжений 11 и 12.
На фиг.2 дана его электрическая схема.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины прямых потерь СВЧ и уровней затухания при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В от источников постоянных управляющих напряжений.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величин коэффициентов стоячей волны напряжения на входе либо на выходе при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В от источников постоянных управляющих напряжений.
На фиг.5 даны зависимости от частоты фаз сигнала СВЧ при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В от источников постоянных управляющих напряжений.
Пример конкретного выполнения заявленного аттенюатора СВЧ с дискретным изменением затухания.
Все элементы аттенюатора СВЧ выполнены в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
Линии передачи на входе 1 и выходе 2 выполнены шириной 0,08 мм, что соответствует их волновому сопротивлению, равному 50 Ом.
Резисторы первый 3 и второй 4 выполнены с сопротивлениями, равными 15 Ом и 70 Ом соответственно путем напыления, например, хрома толщиной 2 мкм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 6 и 7 имеют длину затвора 0,35 мкм, ширину затвора 300 мкм, напряжение отсечки Uoтc., равное 2 В.
Отрезок линии передачи 8 выполнен шириной и длиной проводников 0,08 и 2 мм соответственно, что соответствует одной восьмой длины волны в линии передачи и сопротивлению, равному волновому сопротивлению линии передачи на входе - 50 Ом.
Индуктивность 9 величиной, равной 2 нГн, выполнена в виде меандра с шириной проводника 0,02 мм и длиной 2 мм.
Резисторы третий 5 и четвертый 10 выполнены каждый с одинаковым сопротивлением, равным 500 Ом, путем напыления, например, хрома толщиной 2 мкм, при этом их сопротивление превышает на порядок волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе - 50 Ом.
При этом
- первый резистор 3 соединен последовательно, а второй резистор 4 параллельно линиям передачи на входе 1 и выходе 2 соответственно,
- исток одного из полевых транзисторов с барьером Шотки 6 соединен с одним из концов первого резистора 3 и с линией передачи на входе 1, а его сток - с другим концом этого резистора, последний соединен с одним из концов отрезка линии передачи, а другой его конец соединен с одним из концов второго резистора 4, исток другого полевого транзистора с барьером Шотки 7 заземлен, на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 подают постоянные управляющие напряжения.
При этом
- другой конец отрезка линии передачи и один из концов второго резистора 4 соединены с линией передачи на выходе 2, а другой конец второго резистора 4 соединен с одним из концов индуктивности 9 и со стоком другого полевого транзистора с барьером Шотки 7, другой конец индуктивности заземлен, затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 соединены с источниками постоянных управляющих напряжений 11 и 12 через третий 5 и четвертый 10 резисторы соответственно.
Работа аттенюатора СВЧ с дискретным изменением затухания.
При подаче на затвор одного из полевых транзисторов с барьером Шотки 6 постоянного управляющего напряжения величиной, равной 0 В, от соответствующего источника постоянного управляющего напряжения 11 он становится открытым и будет иметь малое сопротивление Zoткр., что соответствует режиму короткого замыкания.
При подаче на затвор другого полевого транзистора с барьером Шотки 7 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -5В, от соответствующего источника постоянного управляющего напряжения 12 он становится закрытым и будет иметь сопротивление Zзакр. Поскольку это сопротивление включено параллельно индуктивности 9 заявленной величины, то полное сопротивление будет большим, что соответствует режиму холостого хода.
В этом случае в аттенюаторе СВЧ реализуется величина первого уровня затухания - величина прямых потерь СВЧ - A1.
При подаче на затвор одного из полевых транзисторов с барьером Шотки 6 постоянного управляющего напряжения величиной, равной -5В, от источника постоянного управляющего напряжения 11 он становится закрытым и будет иметь большое сопротивление Zзакр., превышающее на порядок величину сопротивления первого резистора 3.
При подаче на затвор другого полевого транзистора с барьером Шотки 7 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -5В, от источника постоянного управляющего напряжения 12 он становится закрытым и будет иметь сопротивление Zзакр. Поскольку это сопротивление включено параллельно индуктивности 9 заявленной величины, то полное сопротивление будет большим, что соответствует режиму холостого хода.
В этом случае в аттенюаторе СВЧ реализуется величина второго уровня затухания - А2.
При подаче на затвор одного из полевых транзисторов с барьером Шотки 6 постоянного управляющего напряжения величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 11 он становится открытым и будет иметь малое сопротивление Zoткp., что соответствует режиму короткого замыкания.
При подаче на затвор другого полевого транзистора с барьером Шотки 7 постоянного управляющего напряжения величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 12 он становится открытым и будет иметь малое сопротивление Zoткp. Поскольку это сопротивление включено параллельно индуктивности 9 заявленной величины, то полное сопротивление будет малым, что соответствует режиму короткого замыкания.
В этом случае в аттенюаторе реализуется величина третьего уровня затухания - A3.
При подаче на затвор одного из полевых транзисторов с барьером Шотки 6 постоянного управляющего напряжения величиной, равной -5В, от источника постоянного управляющего напряжения 11 он становится закрытым и будет иметь большое сопротивление Zзакр., превышающее на порядок величину сопротивления первого резистора 3.
При подаче на затвор другого полевого транзистора с барьером Шотки 7 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной -5В, от источника постоянного управляющего напряжения 12 он становится закрытым и будет иметь сопротивление Zзакр. Поскольку это сопротивление включено параллельно индуктивности 9 заявленной величины, то полное сопротивление будет большим, что соответствует режиму холостого хода.
В этом случае в аттенюаторе реализуется величина четвертого уровня затухания - А4.
На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены:
- величины прямых потерь СВЧ и уровней затухания в зависимости от частоты при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В, результаты чего изображены на фиг.3,
- величины коэффициентов стоячей волны напряжения и фаз сигнала СВЧ в зависимости от частоты при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В, результаты чего изображены на фиг.4 и фиг.5 соответственно.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины прямых потерь СВЧ и величин затухания при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В, от источников постоянных управляющих напряжений.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величин коэффициентов стоячей волны напряжения на входе либо на выходе при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В, от источников постоянных управляющих напряжений.
На фиг.5 даны зависимости от частоты фаз сигнала СВЧ при различных комбинациях величин напряжений, равных 0 и -5В, от источников постоянных управляющих напряжений.
Как видно из фиг.3 и фиг.5, рабочая полоса частот изменяется от 6 ГГц до 18 ГГц, что составляет более октавы и превышает рабочую полосу частот прототипа в 3 раза.
Как видно из фиг.3:
- прямые потери СВЧ в рабочей полосе частот составляют -0,8 дБ, что в 1,5 раз меньше, чем у прототипа,
- уровни затухания А равны -2 дБ, -3 дБ, -4 дБ, так что число уровней затухания в 3 раза больше, чем у прототипа.
Как видно из фиг.4, величины коэффициентов стоячей волны напряжения в рабочей полосе частот не превышают 1,3.
Как видно из фиг.5, изменения фаз сигнала СВЧ Ф в рабочей полосе частот не превышает 2,5 градуса, что в 2 раза меньше, чем у прототипа.
Таким образом, в заявленном аттенюаторе СВЧ с дискретным изменением затухания, по сравнению с прототипом,
- рабочая полоса частот расширена более чем в 3 раза,
- число уровней затухания увеличено более чем в 3 раза,
- величина коэффициента стоячей волны напряжения на входе составляет 1,3,
- изменение фазы сигнала СВЧ уменьшено более, чем в 2 раза.
Кроме того, снижение числа полевых транзисторов с барьером Шотки позволит упростить конструкцию и снизить массогабаритные характеристики аттенюатора СВЧ с дискретным изменением затухания, что не мало важно при исполнении его в монолитном интегральном исполнении.
Источники информации
1. Патент РФ №2314603, МПК Н01Р 1/22, приоритет 10.02.2006 г., опубл. 10.01.2008 г.
2. Патент РФ №2311704, МПК Н01Р 1/22, приоритет 13.03.2006 г., опубл. 27.11.2007 г. - прототип.