ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ФИЛЬТР СВЧ
BANDPASS TUNABLE MICROWAVE FILTER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полосно-пропускающим перестраиваемым фильтрам СВЧ.
Известен полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ (далее фильтр СВЧ), содержащий резонансный контур с квазисосредоточенной индуктивностью и двумя Г-образными последовательно-параллельными цепочками из двух конденсаторов каждая, точка соединения конденсаторов одной из цепочек подключена к первому выводу квазисосредоточенной индуктивности. Фильтр СВЧ с целью управления электрических характеристик содержит варакторный диод и дополнительную квазисосредоточенную индуктивность, первый вывод которой подключен к точке соединения конденсаторов второй упомянутой цепочки конденсаторов, а варакторный диод включен последовательно между вторыми выводами квазисосредоточенных индуктивностей [1].
Однако включение варакторного диода каскадно относительно линий передачи на входе и на выходе приводит к существенному повышению коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) и снижению крутизны фронтов амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) в полосе пропускания частот фильтра СВЧ.
Кроме того, использование варакторных диодов для реализации широкого диапазона перестройки частоты требует подачи на них более высоких напряжений, изменяющихся до десятков вольт и соответственно высоковольтных источников напряжения.
Известен полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, по меньшей мере, одно резонансное звено фильтра СВЧ с полупроводниковым прибором, на который подают постоянное управляющее напряжение и в котором с целью расширения диапазона перестройки частоты и снижения потерь СВЧ в полосе пропускания частот каждое резонансное звено фильтра СВЧ содержит три отрезка линии передачи, первый - длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе, второй и третий - длиной каждый, равной четверти длины волны, и дополнительно второй полупроводниковый прибор. При этом в качестве полупроводниковых приборов использованы полевые транзисторы с барьером Шотки. При этом один из концов первого отрезка линии передачи соединен с концом линии передачи на входе и с одним из концов второго отрезка линии передачи, другой конец первого отрезка линии передачи соединен с концом линии передачи на выходе либо - каскадно с последующим резонансным звеном посредством отрезка линии передачи длиной, равной одной восьмой части длины волны и менее, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе и с одним из концов третьего отрезка линии передачи, другие концы второго и третьего отрезков линии передачи соединены каждый со стоком первого и второго полевого транзистора с барьером Шотки соответственно, затворы последних соединены между собой и соединены с источником постоянного управляющего напряжения, а их истоки заземлены [2 - прототип].
Использование в качестве управляющего полупроводникового прибора полевых транзисторов с барьером Шотки в силу того, что они в отличие от варакторных диодов, являясь трехэлектродными полупроводниковыми приборами, содержат внутреннюю развязку по току. Это позволяет исключить из фильтра СВЧ цепь смещения, представляющую собой соединение емкости и индуктивности, что, как указано выше, обеспечивает расширение диапазона перестройки частоты.
Кроме того, это одновременно несколько уменьшает коэффициент стоячей волны напряжения.
Однако наличие в фильтре СВЧ отрезков линий передачи с длиной, равной четверти длины волны, приводит к тому, что эти отрезки становятся резонансными, что, в свою очередь, приводит:
во-первых, к увеличению коэффициента стоячей волны на граничных частотах рабочей полосы,
во-вторых, к уменьшению крутизны фронтов амплитудно-частотных характеристик фильтра СВЧ.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения и увеличение крутизны фронтов амплитудно-частотных характеристик фильтра СВЧ при сохранении широкого диапазона перестройки частоты и низких потерь СВЧ в полосе пропускания частот.
Указанный технический результат достигается заявленным полосно-пропускающим перестраиваемым фильтром СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, по меньшей мере, одно звено фильтра СВЧ с двумя полевыми транзисторами с барьером Шотки, при этом затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с источником постоянного управляющего напряжения, исток одного из полевых транзисторов с барьером Шотки заземлен.
При этом в каждое звено фильтра СВЧ дополнительно введены две индуктивности, две емкости и два одинаковых резистора с величиной сопротивления каждый, равной десятикратной величине волнового сопротивления на входе или на выходе фильтра СВЧ, при этом:
- один конец первой емкости соединен с линией передачи на входе, другой - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки и - с одним концом первой индуктивности, другой конец которой заземлен,
- сток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним концом второй индуктивности, другой ее конец - с одним концом второй емкости, другой конец второй емкости соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, при этом:
- заземлен исток второго полевого транзистора с барьером Шотки,
- а соединен с источником постоянного управляющего напряжения отдельно затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки через соответствующий резистор.
Раскрытие сущности изобретения.
Заявленный полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ, совокупность его существенных признаков обеспечивает:
введение в каждое звено фильтра СВЧ дополнительно двух индуктивностей и двух емкостей и тем самым замена в каждом звене фильтра СВЧ-резонансных четвертьволновых отрезков линии передачи с точки зрения их функциональности на эти индуктивности и емкости и в совокупности с заявленным их соединением, когда один конец первой емкости соединен с линией передачи на входе, другой - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки и - с одним концом первой индуктивности, другой конец которой заземлен, обеспечивает реализацию каждого звена полосно-пропускающего фильтра СВЧ в виде каскадного соединения фильтра высоких частот и фильтра низких частот и, как следствие, - реализация малых величин коэффициента стоячей волны напряжения и больших величин крутизны фронтов амплитудно-частотных характеристик, при этом в широком диапазоне перестройки частоты;
введение в каждое звено фильтра СВЧ двух одинаковых резисторов с указанной величиной их сопротивления, равной десятикратной величине волнового сопротивления на входе или на выходе фильтра СВЧ и в совокупности, когда отдельно затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с источником постоянного управляющего напряжения через этот соответствующий резистор и обеспечивает снижение токов утечки через затворы этих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, - уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения при сохранении широкого диапазона перестройки частоты и низких потерь СВЧ в полосе пропускания частот.
Соединение стока первого полевого транзистора с барьером Шотки с одним концом второй индуктивности - последовательное, обеспечивает компенсацию емкостного сопротивления этого полевого транзистора с барьером Шотки индуктивным сопротивлением и, как следствие, - уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения при сохранении широкого диапазона перестройки частоты и низких потерь СВЧ в полосе пропускания частот.
Более того, внутренняя емкость этого (первого) полевого транзистора с барьером Шотки в силу указанного выше соединения обеспечивает компенсацию второй индуктивности и тем самым обеспечивает согласование с линиями передачи на входе и выходе фильтра СВЧ и, как следствие, - уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения.
Соединение другого конца второй емкости со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки - последовательное, обеспечивает уменьшение внутренней емкости второго полевого транзистора с барьером Шотки и тем самым обеспечивает уменьшение общей емкости на выходе каждого звена фильтра СВЧ и, как следствие, - сохранение широкого диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ и низких потерь СВЧ в рабочей полосе частот.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения и увеличение крутизны фронтов амплитудно-частотных характеристик при сохранении широкого диапазона перестройки частоты и низких потерь СВЧ в полосе пропускания частот.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг 1. дана топология заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ, содержащего одно звено фильтра СВЧ, где
- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,
- одно зверю фильтра СВЧ - 3,
- два полевых транзистора с барьером Шотки - 4 и 5 соответственно,
- две индуктивности - 6 и 7 соответственно,
- две емкости - 8 и 9 соответственно,
- два одинаковых резистора - 10 и 11 соответственно,
- источник постоянного управляющего напряжения - 12.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости его амплитудно-частотных характеристик от постоянного управляющего напряжения.
На фиг.4 даны зависимости от частоты коэффициентов стоячей волны напряжения.
При этом кривые 1 указанных зависимостей измерены при подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения, равного 0 В, а кривые 2 - равного напряжению отсечки Uoтc.
Пример конкретного выполнения заявленного полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ.
Пример рассмотрен для случая, когда заявленный полосно-пропускающий перестраиваем фильтр СВЧ содержит одно звено фильтра СВЧ.
Полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр 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.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 4 и 5 выполнены каждый с длиной затвора, равной 0,4 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uoтc., равное - 2,0 В.
Две индуктивности 6 и 7 выполнены в виде плоского золотого проводника шириной, равной 20 мкм, и длинами, равными 1,8 мм и 0,6 мм, что соответствует величинам индуктивности 1,5 нГн и 0,5 нГн соответственно.
2
2
Две емкости 8 и 9 выполнены в виде плоскопараллельного конденсатора с диэлектрическим слоем из нитрида кремния толщиной, равной 3 мкм, и площадями пластин 1 мм и 0,2 мм, что соответствует величинам емкостей 0,75 пФ и 0,15 пФ.
Два одинаковых резистора 10 и 11 выполнены в виде пленки из хрома шириной и длиной, равной 0,08 мм 0,8 мм соответственно. Величина сопротивления каждого резистора равна 500 Ом.
Диапазон перестройки частоты изменяется от 5 ГГц до 25 ГГц.
При этом один конец первой емкости 8 соединен с линией передачи на входе 1, другой - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 и - с одним концом первой индуктивности 6, другой конец этой индуктивности заземлен,
- сток первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 соединен с одним концом второй индуктивности 7, другой ее конец соединен с одним концом второй емкости 9, другой конец этой емкости соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 5,
- исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 заземлен,
- затвор отдельно каждого полевого транзистора с барьером Шотки 4 и 5 через соответствующий резистор 10 и 11 соединен с источником постоянного управляющего напряжения 12.
Заявленный полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 постоянного управляющего напряжения величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 12 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.
В результате этого оба полевых транзистора с барьером Шотки имеют малое сопротивление Zоткр.
Малое сопротивление Zoткp. первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 реализует замыкание второго конца первой емкости 8 и первого конца второй индуктивности 7.
Малое сопротивление Zoткp. второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 реализует заземление второго конца второй емкости 8.
Тем самым обеспечивается реализация звена полосно-пропускающего фильтра СВЧ в виде каскадного соединения фильтра высоких частот и фильтра низких частот. Такое звено имеет малую величину коэффициента стоячей волны напряжения и низкие потери СВЧ в нижней полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ и большую величину крутизны фронтов амплитудно-частотной характеристики за пределами этой полосы.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 4 и 5 отрицательного управляющего напряжения, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки Uoтc., оба полевых транзистора с барьером Шотки будут закрыты.
При этом оба полевых транзистора с барьером Шотки имеют сопротивление Zзакр., которое имеет емкостной характер.
Емкостное сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 4 компенсируется второй индуктивностью 7 в верхней полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ.
Емкостное сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 5 соединено последовательно со второй емкостью 9, что приводит к увеличению емкостного сопротивления в верхней полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ.
Тем самым звено фильтра СВЧ будет иметь малую величину коэффициента стоячей волны напряжения и низкие потери СВЧ в верхней полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ и большую крутизну фронтов амплитудно-частотной характеристики за пределами этой полосы.
Таким образом, в предложенном фильтре СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения от 0 до Uoтc. от источника напряжения реализуется малая величина коэффициента стоячей волны напряжения и большая величина крутизны фронтов амплитудно-частотных характеристик, и низкие потери СВЧ в каждой полосе пропускания диапазона перестройки частоты фильтра СВЧ.
На образцах заявленного фильтра СВЧ были измерены величины изменения их амплитудно-частотных характеристик при изменении управляющего напряжения от 0 В до - 2,0 В.
Результаты даны на фиг.3 и фиг.4.
Как видно:
Амплитудно-частотные характеристика заявленного фильтра СВЧ (фиг.3) имеет форму, близкую к прямоугольной, при этом имеют резкие как передние, так и задние фронты амплитудно-частотных характеристик, что говорит о высокой их крутизне, при этом их коэффициент прямоугольности равен 1,1, что на 0,2 меньше, чем у прототипа.
Величина коэффициента стоячей волны напряжения (фиг.4) не превосходит 1,2, что на 0,5 меньше, чем в фильтре СВЧ прототипа.
При этом:
- потери СВЧ не превышают 1 дБ,
- диапазон перестройки частоты изменяется от 5 ГГц до 25 ГГц, что соответствует результатам фильтра СВЧ прототипа.
При этом последний, несколько даже превышает (в 1,3 раза) диапазон перестройки частоты фильтра СВЧ прототипа.
Таким образом, заявленный полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ позволит по сравнению с прототипом:
- уменьшить коэффициент стоячей волны напряжения на 0,5,
- увеличить крутизну фронтов амплитудно-частотных характеристик на 0,2,
- при сохранении широкого диапазона перестройки частоты (от 5 ГГц до 25 ГГц) и низких потерь СВЧ (не более 1 дБ) в полосе пропускания частот.
Указанные преимущества полосно-пропускающего перестраиваемого фильтра СВЧ особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных приборов СВЧ, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения и, особенно, в монолитно интегральном исполнении.
Источники информации
1. Патент РФ №2065232 МПК H01P 1/203, приоритет 1991.02.22, опубл. 1996.08.10.
2. Патент РФ №2372695 МПК Н01Р 1/203, приоритет от 20.10.2008, опубл. 10.11.09 - прототип.