ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
MICROWAVE PHASE CHANGER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах, и может быть использовано при создании миниатюрных радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения.
Известен фазовращатель СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки и отрезок линии передачи с длиной, равной половине длины волны в линии передачи. При этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе и с одним из концов отрезка линии передачи, а на затворы подают постоянные управляющие напряжения.
С целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик другой конец отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с отрезком линии передачи на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи от любого его конца, исток его заземлен, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [1].
Данный фазовращатель СВЧ позволяет использовать один источник постоянного управляющего напряжения и тем самым обеспечивает указанный выше технический результат.
Более того, это одновременно позволяет исключить в процессе работы фазовращателя СВЧ разбаланс полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым несколько увеличить рабочую полосу частот и уменьшить величину коэффициента стоячей волны напряжения.
Однако наличие в фазовращателе СВЧ отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, который в процессе работы фазовращателя СВЧ становится резонансным и тем самым отрицательно сказывается на электрических характеристиках фазовращателя СВЧ, а именно:
во-первых, не позволяет существенно увеличить рабочую полосу частот,
во-вторых, на частотах, близких к этой частоте, резко возрастает величина коэффициента стоячей волны напряжения.
Все это не позволяет использовать данный фазовращатель СВЧ в широкополосных устройствах СВЧ.
Известен фазовращатель СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности одинаковой величины и емкости либо разной, либо одинаковой величины. При этом одни из электродов истока и стока обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с линиями передачи либо на входе, либо на выходе, а на затворы подают постоянные управляющие напряжения,
С целью снижения неравномерности изменения фазы в рабочей полосе частот, снижения величины модуля коэффициента отражения и величины прямых потерь СВЧ исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первой индуктивности, а сток через первую емкость соединен с линией передачи на выходе и с одним из концов второй индуктивности, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другими концами обеих индуктивностей и с одним из концов второй емкости, а исток и другой конец второй емкости заземлены, а затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и непосредственно соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [2 - прототип].
Преимущество данного фазовращателя СВЧ по сравнению с предыдущим, заключается в некотором улучшении указанных выше электрических характеристик.
Однако наличие в фазовращателе СВЧ соединений элементов, а именно двух индуктивностей и при этом двух емкостей, реализует в процессе работы фазовращателя СВЧ фильтры нижних и верхних частот в зависимости от постоянного управляющего напряжения, что не позволяет увеличить рабочую полосу частот.
Более того, наличие в фазовращателе СВЧ последовательного непосредственного соединения полевого транзистора с барьером Шотки и емкости (исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, а сток через первую емкость - с линией передачи на выходе) приводит к увеличению прямых потерь СВЧ и коэффициента стоячей волны напряжения.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, снижение величины прямых потерь СВЧ и снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Указанный технический результат достигается фазовращателем СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, две индуктивности и емкость, при этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, один из концов первой индуктивности соединен с одним из концов емкости, один из концов второй индуктивности соединен с линией передачи на выходе, другой ее конец - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
При этом
- фазовращатель СВЧ содержит одну емкость, в него дополнительно введен резистор с сопротивлением, равным десятикратной величине волнового сопротивления линии передачи на входе или на выходе,
- при этом сток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен одновременно с одним из концов первой индуктивности и с одним из концов емкости, другой конец емкости соединен с линией передачи на входе, другой конец первой индуктивности заземлен,
- а затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения через упомянутый резистор.
Раскрытие сущности изобретения.
Наличие в фазовращателе СВЧ только одной емкости и в совокупности с иным включением первого полевого транзистора с барьером Шотки, а именно - исток соединен с линией передачи на входе, а сток с линией передачи на выходе. Это обеспечивает снижение величины прямых потерь СВЧ и величины коэффициента стоячей волны напряжения.
А наличие в фазовращателе СВЧ только одной емкости и в совокупности с иным включением второго полевого транзистора с барьером Шотки, а именно - исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен одновременно с одним из концов первой индуктивности и с одним из концов емкости, другой конец емкости соединен с линией передачи на входе, другой конец первой индуктивности заземлен. Это обеспечивает компенсацию емкостного сопротивления этого полевого транзистора с барьером Шотки индуктивным сопротивлением и, как следствие, расширение рабочей полосы частот, снижение величины прямых потерь СВЧ и дополнительно к вышесказанному снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Введение в фазовращатель СВЧ дополнительно резистора с указанной величиной его сопротивления, а именно равной десятикратной величине волнового сопротивления линии передачи на входе или на выходе и в совокупности с тем, что затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения через этот резистор, обеспечивает снижение токов утечки через затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, - уменьшение прямых потерь СВЧ и уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения.
Итак, предложенная совокупность существенных признаков заявленного фазовращателя СВЧ обеспечивает указанный технический результат, а именно, расширение рабочей полосы частот, снижение величины прямых потерь СВЧ и величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного фазовращателя СВЧ, где
- две линии передачи, одна предназначена для входа - 1, другая для выхода - 2 сигнала СВЧ,
- два полевых транзистора с барьером Шотки - 3 и 4 соответственно,
- две индуктивности - 5 и 6 соответственно,
- емкость - 7,
- резистор - 8,
- источник постоянного управляющего напряжения - 9.
На фиг.2 дана электрическая схема фазовращателя СВЧ.
На фиг.3 дана зависимость величины изменения фазы сигнала от частоты сигнала СВЧ.
На фиг.4 дана зависимость величины прямых потерь СВЧ от частоты сигнала СВЧ.
На фиг.5 дана зависимость величины коэффициента стоячей волны напряжения от частоты сигнала СВЧ.
отс
При этом кривые 1 указанных зависимостей измерены при подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения, равного нулю, а кривые 2 - равному напряжению отсечки U.
Пример конкретного выполнения.
Фазовращатель СВЧ выполнен в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
Две линии передачи, предназначенные для входа 1 и для выхода 2 сигнала СВЧ выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
отс
Полевые транзисторы с барьером Шотки 3 и 4 соответственно имеют напряжение отсечки U, равное -2,5 В.
Две индуктивности 5 и 6 выполнены в виде прямоугольных меандров из металлического проводника, выполненного напылением золота толщиной 4 мкм и шириной 20 мкм.
Емкость 7 выполнена в виде плоскопараллельного конденсатора с диэлектрическим слоем из оксида кремния толщиной 5 мкм.
Резистор 8 выполнен из пленки хрома толщиной 4 мкм, длиной 0,5 мм и шириной 0,2 мм, что соответствует величине сопротивления резистора - 500 Ом и что равно десятикратной величине волнового сопротивления линии передачи на входе или на выходе.
При этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 соединен с линией передачи на входе 1, один из концов первой индуктивности 5 соединен с одним из концов емкости 7, один из концов второй индуктивности 6 соединен с линией передачи на выходе 2, другой ее конец - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 4.
При этом сток первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 соединен с линией передачи на выходе 2, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 4 соединен одновременно с одним из концов первой индуктивности 5 и с одним из концов емкости 7, другой конец емкости 7 соединен с линией передачи на входе 1, другой конец первой индуктивности 5 заземлен,
При этом затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения 9 через резистор 8, а именно один из концов резистора соединен с затворами обоих полевых транзисторов с барьером Шотки, а другой его конец - с источником постоянного управляющего напряжения.
Фазовращатель СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 постоянного управляющего напряжения величиной, равной 0 В, от одного источника постоянного управляющего напряжения 9 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.
откр
В результате этого оба полевых транзистора с барьером Шотки имеют малое активное сопротивление Z, которое открывает первый канал фазовращателя СВЧ. Второй канал представляет собой LC - цепочку, имеющую большое сопротивление, включенное последовательно малому сопротивлению в первом канале фазовращателя СВЧ, а потому влияние этой цепочки незначительно.
Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф1, близкую к 0, малые прямые потери СВЧ и малую величину коэффициента стоячей волны напряжения.
отс
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 отрицательного управляющего напряжения, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки U, оба полевых транзистора с барьером Шотки будут закрыты.
закр
При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки имеют большое реактивное сопротивление Z, которое имеет емкостной характер. Большое емкостное сопротивление разрывает первый канал фазовращателя СВЧ. Во втором канале большое емкостное сопротивление включено последовательно реактивному сопротивлению второй индуктивности 6, которое компенсирует последнее в широкой рабочей полосе частот. При этом второй канал представляет собой звено фильтра высоких частот с малыми потерями СВЧ в рабочей полосе частот и малой величиной коэффициента стоячей волны напряжения.
Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф2 с малыми потерями СВЧ и малой величиной коэффициента стоячей волны напряжения.
Таким образом, в заявленном фазовращателе СВЧ в широкой рабочей полосе частот реализуется заданная величина изменения фазы сигнала СВЧ, равная разности Ф2 и Ф1, малые прямые потери СВЧ и малые величины коэффициента стоячей волны напряжения при подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки отрицательного и нулевого постоянного управляющего напряжения от одного источника постоянного управляющего напряжения.
На экспериментальных образцах фазовращателя СВЧ были измерены величины изменения фазы сигнала, величины прямых потерь СВЧ и величины коэффициента стоячей волны напряжения от частоты сигнала СВЧ.
Результаты измерений изображены на фиг.3, 4, 5.
Из фиг.3 видно, что фаза сигнала в фазовращателе СВЧ в рабочей полосе частот от 7 ГГц до 15 ГГц слабо изменяется с частотой и равна 50 градусов при постоянном управляющем напряжении, равном -2,5 В и 5 градусов при постоянном управляющем напряжении, равном 0 В, так что величина изменения фазы сигнала СВЧ составляет 45 градусов. При этом ширина рабочей полосы частот составляет 8 ГГц, а относительная ширина равна 75 процентов, что примерно в два раза больше, чем у прототипа.
Из фиг.4 видно, что прямые потери СВЧ в фазовращателе СВЧ в сопоставимой рабочей полосе частот не превышают -1 дБ при постоянном управляющем напряжении, равном 0 и -2,5 В, что на 0,3 дБ ниже, чем у прототипа.
Из фиг 5 видно, что безразмерные величины коэффициента стоячей волны напряжения на входе и выходе фазовращателя СВЧ в сопоставимой рабочей полосе частот не превышают 1,3 при постоянном управляющем напряжении, равном 0 и -2,5 В, что на 0,2 меньше, чем у прототипа.
Таким образом, заявленный фазовращатель СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
- расширение относительной ширины рабочей полосы частот примерно в 2 раза,
- снижение величины прямых потерь на 0,3 дБ,
- снижение величины коэффициента стоячей волны напряжения на 0,2.
Указанные преимущества фазовращателя СВЧ особенно актуальны при создании миниатюрных радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения.
Источники информации
1. Патент РФ №2316086 МПК H01P 1/185, приоритет от 06.06.2006 г., опубл. 27.01.2008., Бюлл. №3.
2. Патент РФ №2321106 МПК H01P 1/185, приоритет от 21.08.2006 г., опубл. 27.03.2008., Бюлл. №9 - прототип.