ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
MICROWAVE PHASE CHANGER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах.
В технике СВЧ широко используются различные типы фазовращателей СВЧ: фазовые манипуляторы с изменением фазы на 180°, с управляемым углом фазы, многоразрядные с дискретным изменением фазы, которые представляют собой каскадное соединение нескольких, по крайней мере, двух разрядов, а переключение элементов в каждом разряде осуществляют электронными ключами, в качестве которых используют полупроводниковые приборы.
Одной из основных характеристик фазовращателя СВЧ наряду с величиной изменения фазы сигнала СВЧ является ширина рабочей полосы частот.
Известен широкополосный фазовращатель на 180° А.А.Михопаркина, основанный на трехконтурном параметрическом преобразователе на диодах с низкочастотной накачкой [1].
Один из недостатков данного фазовращателя - ограничение по величине изменения фазы, которая составляет только 180°.
Известен широкополосный фазовращатель с управляемым углом фазы, содержащий широкополосный разностный квадратурный фильтр, два пропорциональных звена с регулируемым коэффициентом передачи и сумматор. При этом один из выходов квадратурного фильтра подключен к входу первого, а другой - к входу второго, обеспечивающих соответствующее изменение амплитуды квадратурных составляющих сигнала, пропорциональных звеньев, выходы которых соединены с входами сумматора [2].
Один из недостатков данного фазовращателя - сложность конструкции из-за наличия в нем, прежде всего, двух квадратурных мостов на PiN диодах.
Известен полосковый фазовращатель, содержащий полосковый проводник, выполненный в форме меандра и заключенный между двумя диэлектрическими платами, на внешних сторонах которых расположены широкие полоски, гальванически соединенные между собой перемычками, первую пару переключающих диодов, включенных на входном и выходном концах между меандром и одной из широких полосок, вторую пару диодов, включенных на входном и выходном концах одной из широких полосок и экраном, последовательно соединенные пятый диод и поглощающий резистор, включенные между меандром и одной из широких полосок на расстоянии четверти длины волны самого коротковолнового паразитного резонанса от одного из концов меандра, при этом номинальное сопротивление поглощающего резистора равно половине волнового сопротивления подводящих линий [3].
Данный фазовращатель по сравнению с предыдущими позволяет получить произвольное значение разности фаз сигнала и несколько расширить рабочую полосу частот благодаря использования полосковых проводников.
Один из недостатков данного фазовращателя - высокие прямые потери из-за наличия в нем поглощающих резисторов.
Более того, данный фазовращатель СВЧ, как и предыдущие, имеет существенные ограничения по широкополосности из-за наличия в них нескольких диодов и нескольких проводников, которые с емкостями диодов создают резонансные контуры, а также из-за сравнительно низкого коэффициента перекрытия по емкости диодов.
Кроме того, поскольку диоды являются двухполюсными полупроводниковыми приборами, то для развязки их по СВЧ и постоянному управляющему напряжению необходимо использовать фильтры питания, что усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.
Известен фазовращатель СВЧ, в котором, в частности, с целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик использованы трехполюсные полупроводниковые приборы. Данный фазовращатель СВЧ содержит 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 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, затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [4 - прототип].
Наличие в данном фазовращателе СВЧ двухполюсных реактивных элементов в виде емкостей и индуктивностей одинаковой либо разной величины, соединенных либо по схеме нерезонансного фильтра нижних частот, либо по схеме нерезонансного фильтра высоких частот в зависимости от переключения полевых транзисторов с барьером Шотки, обеспечило возможность несколько расширить рабочую полосу частот и снизить величину прямых потерь.
Кроме того, исключена необходимость использования фильтров питания, поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки являются трехполюсными полупроводниковыми приборами и, следовательно, обладают внутренней развязкой по СВЧ и постоянному управляющему напряжению, и тем самым упрощена конструкция, и снижены массогабаритные характеристики фазовращателя СВЧ.
Однако наличие и в данном фазовращателе СВЧ внешних реактивных элементов в виде индуктивности, которые вместе с внутренними реактивными элементами в виде емкости двух полевых транзисторов с барьером Шотки образуют резонансные контуры, что не позволяет существенно увеличить ширину рабочей полосы частот.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, снижение величины прямых потерь, упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик фазовращателя СВЧ.
Указанный технический результат достигается предложенным фазовращателем СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, два двухполюсных реактивных элемента либо разной, либо одинаковой величины, при этом сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов одного из двухполюсных реактивных элементов, а другой его конец - с линией передачи на выходе, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на его затвор подают постоянное управляющее напряжение, в который дополнительно введены два отрезка линии передачи, первый длиной, равной половине длины волны и менее, а второй длиной, равной четверти длины волны, при этом один конец первого отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первого двухполюсного реактивного элемента, а второй его конец - с одним из концов второго двухполюсного реактивного элемента и с линией передачи на выходе, один конец второго отрезка линии передачи соединен с другим концом первого двухполюсного реактивного элемента, а второй его конец - с другим концом второго двухполюсного реактивного элемента, при этом сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен либо с одним, либо с другим концом второго отрезка линии передачи, при этом указанная длина волны соответствует средней частоте рабочей полосы частот.
В фазовращателе СВЧ первый и второй реактивные элементы выполнены в виде емкости либо индуктивности.
В фазовращателе СВЧ величины реактивных элементов в виде емкости либо индуктивности выбирают исходя из требуемого значения сдвига фаз сигнала СВЧ в соответствии с формулами:
C1=(1+sin Ф)/(Z0 π f0 cos Ф),
C2=cos Ф/[(1+sin Ф) Z0 π f0],
L1=(1+sin Ф)Z0/(4 π f0 cos Ф),
L2=Z0 cos Ф/[4 π f0 (1+sin Ф)], где
C1 и С2 - емкости соответственно первого и второго реактивных элементов в виде емкости,
L1 и L2 - индуктивности соответственно первого и второго реактивных элементов в виде индуктивности,
Z0 - волновое сопротивление линии передачи на входе,
f0 - центральная полоса рабочего диапазона частот,
Ф - требуемое значение сдвига фаз.
Совокупность признаков предложенного фазовращателя СВЧ, а именно:
введение дополнительно первого отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны, и предложенное его соединение обеспечивают включение либо одного первого, либо одного второго двухполюсного реактивного элемента, и тем самым обеспечивается реализация требуемой разности фаз сигнала, то есть реализация физической сущности фазовращателя СВЧ.
Введение дополнительно второго отрезка линии передачи длиной, равной половине длины волны и менее, и предложенное его соединение обеспечивают включение только одного двухполюсного реактивного элемента на входе или выходе фазовращателя СВЧ с этим отрезком линии передачи и тем самым исключают возможность возникновения узкополосных резонансных контуров и, следовательно, обеспечивают существенное расширение рабочей полосы частот.
Соединение полевого транзистора с барьером Шотки со вторым двухполюсным реактивным элементом непосредственно позволит реализовать фазовращатель СВЧ без резонансных контуров и тем самым увеличить рабочую полосу частот и снизить величину прямых потерь СВЧ.
Наличие в фазовращателе СВЧ только одного полевого транзистора с барьером Шотки позволит упростить его конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики, что особенно актуально при исполнении фазовращателя в составе монолитно-интегральных схем СВЧ.
Более того, предложенное соединение элементов фазовращателя СВЧ позволит вдвое уменьшить число двухполюсных реактивных элементов типа емкости и индуктивности и тем самым дополнительно к вышесказанному упростить конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики фазоврашателя СВЧ.
Итак, совокупность существенных признаков предложенного фазовращателя СВЧ позволит по сравнению и с прототипом и тем более с другими аналогами обеспечить расширение рабочей полосы частот, снижение величины прямых потерь, упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология предложенного фазовращателя СВЧ, где
- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,
- полевой транзистор с барьером Шотки - 3,
- два двухполюсных реактивных элемента, первый - 4, второй - 5,
- два отрезка линии передачи, первый - 6, второй - 7,
- источник постоянного управляющего напряжения - 8.
На фиг.2 дана эквивалентная схема фазовращателя СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости величины фазы сигнала Ф от частоты сигнала СВЧ.
На фиг.4 дана зависимость величины прямых потерь Ап от частоты сигнала СВЧ.
При этом кривые 1 указанных зависимостей измерены при подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения, равного нулю, а кривые 2 - равного напряжению отсечки Uотс.
Пример конкретного выполнения предложенного фазовращателя СВЧ.
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, одна предназначена для входа сигнала СВЧ 1, другая - для выхода 2, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
Полевой транзистор с барьером Шотки 3 выполнен с длиной и шириной затвора, равной 0,4 мкм и 300 мкм соответственно, одинаковыми длинами стока и истока, равными каждый 20 мкм, имеет напряжение отсечки Uотс., равное -2,5 В.
Оба двухполюсных реактивных элемента первый 4 и второй 5 выполнены каждый в виде емкости одинаковой величины, равной 1 пФ, например, в виде плоскопараллельных конденсаторов с размерами пластин 100×100 мкм с диэлектрическим слоем из оксида кремния толщиной 5 мкм.
Это соответствует требуемому сдвигу фаз сигнала, равному 45 градусов.
Второй отрезок микрополосковой линии передачи 7 выполнен шириной 0,08 мкм и длиной 1,5 мм.
При этом один конец первого отрезка линии передачи 6 соединен с линией передачи на входе 1 и с одним из концов первого двухполюсного реактивного элемента 4, а второй его конец - с одним из концов второго двухполюсного реактивного элемента 5 и с линией передачи на выходе 2. Один конец второго отрезка линии передачи 7 соединен с другим концом первого двухполюсного реактивного элемента 4, а второй его конец - с другим концом второго двухполюсного реактивного элемента 5 и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 3, исток которого заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение.
Пример 2.
Фазовращатель СВЧ выполнен аналогично примеру 1, но оба двухполюсных реактивных элемента 4 и 5 выполнены каждый в виде индуктивности одинаковой величины, равной 2,5 нГн.
Это соответствует требуемому сдвигу фаз, равному 45 градусов.
Предложенный фазовращатель СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 3 управляющего напряжения величиной, равной 0 В от источника постоянного управляющего напряжения 8, полевой транзистор с барьером Шотки становится открытым.
В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки имеет малое сопротивление Zоткр. Поскольку его исток заземлен, а сток соединен с концом второго двухполюсного реактивного элемента 5, то этот реактивный элемент соединен с землей через малое сопротивление Zоткр.
Поскольку сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с концом первого двухполюсного реактивного элемента 4 через второй отрезок линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны, то на его конце сопротивление ZA будет равно
2
ZA=Z2/Zoткр., где
ZA - сопротивление на конце второго отрезка линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны,
2
Z2 - квадрат волнового сопротивления второго отрезка линии передачи,
Zоткр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в открытом состоянии.
Сопротивление ZA будет существенно больше, чем Z2.
В результате получается соединение первого отрезка линии передачи 6 и второго двухполюсного реактивного элемента 5, который расположен за этим отрезком.
Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф1.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 3 управляющего напряжения величиной, равной -2,5 В от источника постоянного управляющего напряжения, полевой транзистор с барьером Шотки становится закрытым.
В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки имеет малое сопротивление Zзакр. Поскольку его исток заземлен, а сток соединен с концом второго двухполюсного реактивного элемента 5, то этот реактивный элемент будет соединен с землей через большое сопротивление Zзакр.
Поскольку сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с концом первого двухполюсного реактивного элемента 4 через второй отрезок линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны, то на его конце сопротивление ZB будет равно
2
ZB=Z2/Zзакр., где
ZB - сопротивление на конце второго отрезка линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны,
2
Z2 - квадрат волнового сопротивления второго отрезка линии передачи,
Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в закрытом состоянии.
Сопротивление ZB будет существенно меньше, чем Z2.
В результате получается соединение первого отрезка линии передачи 6 и первого реактивного элемента 4, который расположен перед этим отрезком.
Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф2.
Итак, в предложенном фазовращателе СВЧ реализуется требуемая величина изменения фазы сигнала СВЧ, равная разности Ф2 и Ф1, при подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки отрицательного и нулевого постоянного управляющего напряжения соответственно от одного источника постоянного управляющего напряжения.
Итак, фазовый сдвиг сигнала фазовращателя СВЧ равен
Ф=Ф2-Ф1.
Рассмотрим случай, когда оба двухполюсных реактивных элемента 4 и 5 выполнены каждый в виде емкости. Если длины первого 6 и второго 7 отрезков линии передачи равны между собой и равны четверти длины волны, то фазы сигналов СВЧ при открытом и закрытом полевом транзисторе с барьером Шотки определяются из выражений [5, стр.50-51]
2
2
2
tg(Ф1)=-(Z1+Z0)/(2 π f0 C1 Z0 Z1),
2
2
2
tg(Ф2)=-(Z1+Z0)/(2 π f0 C2 Z0 Z1), где
Ф1 - фаза сигнала СВЧ при закрытом полевом транзисторе с барьером Шотки,
Ф2 - фаза сигнала СВЧ при открытом полевом транзисторе с барьером Шотки,
2
Z1 - квадрат волнового сопротивления первого отрезка линии передачи.
Поскольку
Ф=Ф2-Ф1,
то из тригонометрической формулы для тангенса разности углов получаем выражение
2
2
2
2
2
2
tg(Ф)=2 π f0 (C2-C1) Z0 (Z1+Z0)Z1/[(Z1+Z0)+
2
2
+(2 π f0 Z0 Z1)C1 C2],
из которого, в частности, следует, что наибольшая величина разности фаз сигнала достигается при следующих равенствах:
Z1=Z0,
C1=(1+sin Ф)/(Z0 π f0 cos Ф),
C2=cos Ф/[(1+sin Ф) Z0 π f0].
Поскольку емкости и индуктивности величины взаимно дуальны, то, проводя аналогичные выкладки, получаем выражения для индуктивности соответственно
L1=(1+sin Ф)Z0/(4 π f0 cos Ф),
L2=Z0 cos Ф/[4 π f0 (1+sin Ф)].
На образцах предложенного фазовращателя СВЧ были измерены величины изменения фазы сигнала и величины прямых потерь от частоты сигнала СВЧ.
Результаты представлены на фиг.3 и 4.
Из фиг.3 видно, что фаза сигнала в фазовращателе СВЧ в рабочей полосе частот изменяется от -25 градусов до -35 градусов при постоянном управляющем напряжении, равном 0 В, и изменяется от -70 градусов до -80 градусов при постоянном управляющем напряжении, равном -2,5 В.
При этом величина изменения фазы сигнала СВЧ составляет 45 градусов в рабочей полосе частот от 7 ГГц до 15 ГГц, что в абсолютных единицах в 2 раза превышает ширину рабочей полосы частот прототипа.
Превышение ширины рабочей полосы в относительных единицах составляет 1,8 раза.
Из фиг.4 видно, что прямые потери в фазовращателе СВЧ на частоте 10 ГГц составляют -0,7 дБ при постоянном управляющем напряжении, равном 0 В, и составляет -1 дБ при постоянном управляющем напряжении, равном -2,5 В, что на 0,2 дБ ниже, чем у прототипа.
Таким образом, предложенный фазовращатель СВЧ позволит по сравнению с прототипом:
во-первых, увеличить рабочую полосу частот примерно вдвое,
во-вторых, снизить величины прямых потерь на 0,2 дБ,
в-третьих, упростить конструкцию и снизить массогабаритные характеристики.
Источники информации
1. Патент РФ №2031493, МПК Н01Р 1/18, приоритет 06.11.74, опубл. 20.03.95.
2. Патент РФ №2303326, МПК Н03Н 11/16, приоритет 28.03.05, опубл. 10.09.06.
3. Патент РФ №2141151, МПК Н01Р 1/185, приоритет 21.10.98, опубл. 10.11.99.
4. Патент РФ №2321106, МПК Н01Р 1/185, приоритет 21.08.06, опубл. 27.03.08.
5. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь. 1971.