АТТЕНЮАТОР СВЧ
MICROWAVE FREQUENCY ATTENUATOR

Изобретение относится к электронной технике, к аттенюаторам СВЧ на полупроводниковых приборах, а именно к аттенюаторам СВЧ с управлением ослабления сигнала СВЧ.
Одной из основных электрических характеристик аттенюатора СВЧ является величина изменения затухания - величина ослабления сигнала СВЧ (далее величина ослабления сигнала СВЧ).
Задачей данного изобретения является возможность управления не только величиной ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения, но и ее крутизной.
Известен аттенюатор СВЧ с управлением величины ослабления сигнала СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода и полевой транзистор с барьером Шоттки.
При этом исток полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, а затвор соединен с источником управляющего напряжения [1].
Данный аттенюатор СВЧ является классическим вариантом электрически управляемого широкополосного транзисторного аттенюатора СВЧ, в котором в качестве электронных ключей использованы полевые транзисторы с барьером Шоттки.
Данный аттенюатор СВЧ обеспечивает управление величины ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале.
Однако данный аттенюатор СВЧ, в принципе, не может обеспечить возможность управления крутизной ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале.
Известен аттенюатор СВЧ так же с управлением величины ослабления сигнала СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала, другая - для выхода и три полевых транзистора с барьером Шоттки, два отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, два резистора с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи.
При этом каждый из двух полевых транзисторов с барьером Шоттки соответственно вместе с отрезком линии передачи и резистором расположены по разные стороны симметрично или не симметрично от первого полевого транзистора с барьером Шоттки.
При этом исток полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, а затвор соединен с источником управляющего напряжения, один конец первого резистора соединен с линией передачи на входе и один конец второго резистора соединен с линией передачи на выходе, а другой конец соответствующего резистора через отрезок линии передачи соединен со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шоттки, истоки которых заземлены.
А затворы трех полевых транзисторов с барьером Шоттки соединены между собой и соединены с одним источником управляющего напряжения [2 - прототип].
Наличие в данном аттенюаторе СВЧ двух полевых транзисторов с барьером Шоттки, при этом каждого соответственно вместе с упомянутым отрезком линии передачи и резистором и в совокупности с указанным их соединением позволили обеспечить снижение модуля коэффициента отражения сигнала СВЧ, значительное достижение линейного изменения ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале.
Данный аттенюатор СВЧ в отличие от предыдущего обеспечивает максимальную величину ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале.
Однако, и данный аттенюатор СВЧ, как и предыдущий, в принципе не может обеспечить возможность управления крутизной ослабления сигнала СВЧ в зависимости от управляющего напряжения, непрерывно изменяющегося в широком интервале.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, а именно возможность управления величиной ослабления сигнала СВЧ и крутизной ослабления сигнала СВЧ, снижение начальных потерь сигнала СВЧ.
Указанный технический результат достигается заявленным аттенюатором СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода и полевые транзисторы с барьером Шоттки, два резистора, отрезок линии передачи, при этом затворы полевых транзисторов с барьером Шоттки соединены с источником управляющего напряжения, который содержит два полевых транзистора с барьером Шоттки, в аттенюатор СВЧ дополнительно введены второй источник управляющего напряжения и две индуктивности, при этом стоки полевых транзисторов с барьером Шоттки соединены с одними концами резисторов соответственно, другие концы резисторов соединены между собой и соединены со вторым источником управляющего напряжения, один конец отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе и - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шоттки и - с одним концом первой индуктивности, другой конец отрезка линии передачи соединен с линией передачи на выходе и - с истоком второго полевого транзистора с барьером Шоттки и - с одним концом второй индуктивности, другие концы индуктивностей заземлены, а волновое сопротивление отрезка линии передачи равно волновому сопротивлению линии передачи на входе или на выходе, а сопротивление каждого из резисторов равно одной пятой части волнового сопротивления отрезка линии передачи.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного аттенюатора СВЧ как предложенное наличие элементов в аттенюаторе СВЧ, равно как и предложенное их соединение, а именно:
Наличие в аттенюаторе двух источников постоянных управляющих напряжений и в совокупности с двумя полевыми транзисторами с барьером Шоттки и в совокупности с двумя резисторами и предложенное их соединение.
При закрытых полевых транзисторах с барьером Шоттки, когда напряжение на затворах полевых транзисторов с барьером Шоттки равно напряжению отсечки и соответственно - реализация больших величин сопротивлений полевых транзисторов с барьером Шоттки обеспечивается исключение влияния сопротивлений резисторов на величину ослабления сигнала СВЧ и, как следствие, - снижение начальных потерь сигнала СВЧ.
При открытых полевых транзисторах с барьером Шоттки, когда напряжение на затворах полевых транзисторов с барьером Шоттки равно нулю и соответственно - реализация малых величин сопротивлений полевых транзисторов с барьером Шоттки и тем самым обеспечивается подключение резисторов, изменение напряжения на этих резисторах в зависимости от управляющего напряжения на стоках полевых транзисторов с барьером Шоттки, подаваемого от второго источника постоянного управляющего напряжения, и тем самым обеспечивается изменение максимальной величины ослабления сигнала СВЧ и, как следствие, - управление величиной ослабления сигнала СВЧ и крутизной ослабления сигнала СВЧ.
Итак, наличие второго источника постоянного управляющего напряжения обеспечивает возможность непрерывного изменения управляющего напряжения на затворах полевых транзисторов с барьером Шоттки от нуля до напряжения отсечки и, как следствие, - управление величиной ослабления сигнала СВЧ и крутизной ослабления сигнала СВЧ.
Наличие в аттенюаторе СВЧ двух индуктивностей:
во-первых, в совокупности с предложенным их соединением, а именно когда одни их концы соединены с соответствующим истоком полевого транзистора с барьером Шоттки, а другие их концы заземлены, обеспечивает тем самым опосредственное заземление истоков полевых транзисторов с барьером Шоттки, предусмотренное обеспечением работы полевых транзисторов с барьером Шоттки,
во-вторых, в совокупности с отрезком линии передачи обеспечивает компенсацию реактивных индуктивных сопротивлений в рабочей полосе частот и, как следствие, -
- снижение начальных потерь сигнала СВЧ,
- реализация управления величиной ослабления сигнала СВЧ в рабочей полосе частот.
Выполнение волнового сопротивления отрезка линии передачи равным волновому сопротивлению линии передачи на входе или на выходе обеспечивает снижение начальных потерь СВЧ.
Выполнение сопротивления каждого из резисторов равным одной пятой части волнового сопротивления отрезка линии передачи обеспечивает управление крутизной ослабления сигнала СВЧ.
Итак, заявленный аттенюатор СВЧ с непрерывным управлением в полной мере обеспечивает технический результат - расширение функциональных возможностей, а именно управление величиной ослабления сигнала СВЧ и крутизной ослабления сигнала СВЧ, снижение начальных потерь сигнала СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного аттенюатора СВЧ, где:
- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,
- первый и второй полевые транзисторы с барьером Шоттки - 3 и 4 соответственно,
- два резистора - 5 и 6 соответственно,
- отрезок линии передачи - 7,
- две индуктивности - 8 и 9 соответственно,
- первый и второй источники управляющего напряжения - 10 и 11 соответственно.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного аттенюатора СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости величины ослабления А сигнала СВЧ от управляющего напряжения U1, непрерывно изменяющегося от нуля до напряжения отсечки полевых транзисторов с барьером Шоттки, и управляющего напряжения U2, равного нулю и утроенному напряжению перегиба вольтамперных характеристик полевых транзисторов с барьером Шоттки.
На фиг.4 даны зависимости от частоты начальных потерь сигнала СВЧ при напряжении U1, равном напряжению отсечки, и напряжении U2, равном нулю и утроенному напряжению перегиба вольтамперных характеристик.
При этом кривые 1 соответствуют напряжению U2, равному нулю, а кривые 2 соответствуют напряжению U2, равному утроенному напряжению перегиба вольтамперных характеристик.
Пример конкретного выполнения
Аттенюатор СВЧ выполнен в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Две линии передачи, предназначенные для входа сигнала СВЧ 1 и для выхода 2, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
отс
Два полевых транзистора с барьером Шоттки 3 и 4 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 U, равное - 2,5 В.
Отрезок линии передачи 7 выполнен в виде пленки из золота толщиной 3 мкм, шириной 0,08 мм и длиной 0,5 мм, нанесенной на поверхность упомянутой полупроводниковой подложки.
Индуктивности выполнены в виде пленки из золота, нанесенной на поверхность упомянутой полупроводниковой подложки, каждая толщиной 3 мкм.
Резисторы каждый выполнен в виде пленки из хрома, нанесенной на поверхность упомянутой полупроводниковой подложки, с сопротивлением 10 Ом.
Рабочая полоса частот изменяется от 9 ГГц до 11 ГГц.
При этом стоки полевых транзисторов с барьером Шоттки 3 и 4 соединены с одними концами резисторов 5 и 6 соответственно, другие концы резисторов соединены между собой и со вторым источником управляющего напряжения 11.
При этом один конец отрезка линии передачи 7 соединен с линией передачи на входе 1 и - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шоттки 3 и - с одним концом первой индуктивности 8, другой конец отрезка линии передачи 7 соединен с линией передачи на выходе 2 и - с истоком второго полевого транзистора с барьером Шоттки 4 и - с одним концом второй индуктивности 9, вторые концы индуктивностей 8 и 9 заземлены.
При этом волновое сопротивление отрезка линии передачи 7 равно волновому сопротивлению линии передачи на входе или на выходе, а сопротивление каждого из резисторов 5 и 6 равно одной пятой части волнового сопротивления отрезка линии передачи.
Работа аттенюатора СВЧ
отс
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шоттки 3 и 4 управляющего напряжения U1 величиной, равной напряжению отсечки U от первого источника управляющего напряжения 10, становятся закрытыми оба полевых транзистора с барьером Шоттки.
закр
В результате этого оба полевых транзистора с барьером Шоттки каждый имеет большое сопротивление Z.
При этом резисторы 5 и 6 не будут оказывать влияния на величину ослабления сигнала СВЧ.
Индуктивности 8 и 9 и отрезок линии передачи совместно компенсируют в рабочей полосе частот реактивные составляющие коэффициента передачи сигнала СВЧ от входа к выходу, а поскольку величина волнового сопротивления отрезка линии передачи заявлена равной величине волновых сопротивлений на входе или на выходе аттенюатора СВЧ, то начальные потери сигнала СВЧ будут малыми.
В этом случае независимо от величины управляющего напряжения U2 второго источника управляющего напряжения 11 начальные потери сигнала СВЧ будут малыми.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шоттки 3 и 4 управляющего напряжения U1 величиной, равной 0 В от первого источника управляющего напряжения 10, становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шоттки.
откр
В результате этого оба полевых транзистора с барьером Шоттки каждый имеет малое сопротивление Z.
При этом резисторы 5 и 6 будут оказывать существенное влияние на величину ослабления сигнала СВЧ.
В зависимости от величины управляющего напряжения U2 второго источника управляющего напряжения 11 изменяются токи, протекающие через резисторы, и напряжения на этих резисторах.
Это приводит к изменению величины ослабления сигнала СВЧ при открытых полевых транзисторах с барьером Шоттки.
отс
откр
закр
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки 3 и 4 отрицательного управляющего напряжения U1, непрерывно изменяющегося в интервале от U до нуля, сопротивление каждого из полевых транзисторов с барьером Шоттки будет изменяться от Z до Z.
При этом будет изменяться величина ослабления сигнала СВЧ от величины начальных потерь до максимальной величины ослабления.
Поскольку последняя зависит от величины управляющего напряжения второго источника U2, то будет изменяться крутизна ослабления сигнала СВЧ.
На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины ослабления сигналов СВЧ в зависимости от управляющих напряжений.
Результаты даны на фиг.3 и 4.
Как видно из фиг.3, ослабление сигнала СВЧ в аттенюаторе изменяется:
- от значения - 0,5 дБ до значения - 18 дБ от величины управляющего напряжения второго источника U2, равной 0 В (кривая 1),
- от значения - 0,5 дБ до значения - 6 дБ от величины управляющего напряжения второго источника U2, равной 3,5 В (кривая 2).
В прототипе ослабление изменялось только от одного управляющего напряжения.
Как видно из фиг.4, начальные потери сигнала СВЧ в рабочей полосе частот равны 0,5 дБ, что в два раза меньше, чем в прототипе (1,0 дБ).
Таким образом, заявленный аттенюатор СВЧ по сравнению с прототипом позволит:
- расширить функциональные возможности, а именно реализовать управление величиной ослабления сигнала СВЧ и крутизной ослабления сигнала СВЧ,
- снизить начальные потери сигнала СВЧ в рабочей полосе частот примерно в два раза.
Указанные преимущества аттенюатора СВЧ и особенно первые, актуальны при создании миниатюрных как отдельных приборов СВЧ и, особенно в монолитном интегральном исполнении, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения.
Источники информации
1. Балыко А.К., Ольчев Б.М., Тощов А.А. Схемотехническое проектирование электрически управляемого широкополосного транзисторного аттенюатора / Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. 1997 г. Вып.1, с.15-19.
2. Патент РФ №2324265, МПК H01P 1/22, приоритет 22.05.2006, опубл. бюлл. №13, 10.05.2008 - приоритет.