ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО СВЧ
SHF PROTECTIVE DEVICE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к защитным устройствам СВЧ на полупроводниковых приборах.
Основными параметрами защитного устройства СВЧ являются:
- рабочая полоса частот,
- прямые потери СВЧ в открытом его состоянии,
- допустимая входная мощность или модуль коэффициента затухания сигнала СВЧ в закрытом состоянии.
Известно защитное устройство СВЧ, содержащее центральный проводник и полупроводниковый прибор - pin-диод, в котором pin-диод подключен непосредственно к центральному проводнику [1].
Недостатками этого защитного устройства СВЧ являются:
большие прямые потери, поскольку включенный непосредственно в линию передачи pin-диод имеет сравнительно большие потери мощности СВЧ,
узкая рабочая полоса частот, поскольку pin-диод имеет емкостное реактивное сопротивление,
и слабая защищенность pn-диода от прямого воздействия на него мощности СВЧ.
Известно защитное устройство СВЧ, содержащее центральный проводник, соединенный с ним отрезок линии передачи и pin-диод, расположенный на конце линии передачи.
В которое с целью увеличения допустимой входной мощности дополнительно введен резистор, а отрезок линии передачи выполнен в виде двух связанных линий, на конце одной линии расположен pin-диод, а на конце другой - резистор, включенный параллельно pin-диоду, при этом длина связанных линий равна
0
l=λ×(2k+1)/4,
где
0
λ - длина волны на центральной частоте,
k=0, 1, 2,… [2] - прототип.
Данное защитное устройство СВЧ благодаря включению pin-диода в центральный проводник через отрезок линии передачи позволило несколько снизить прямые потери и защитить pin-диод от прямого воздействия на него мощности СВЧ.
Однако использование отрезка связанных линий передачи определяет
во-первых, узкую рабочую полосу частот, и
во-вторых, большие прямые потери и особенно в диапазоне миллиметровых длин волн.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение допустимой входной мощности, расширение рабочей полосы частот и снижение прямых потерь СВЧ.
Технический результат достигается заявленным защитным устройством СВЧ, содержащим центральный проводник, один конец которого предназначен для входа сигнала СВЧ, другой - для выхода, соединенный с ним отрезок линии передачи, полупроводниковый прибор, соединенный с другим концом отрезка линии передачи, резистор.
В защитное устройство дополнительно введены второй отрезок линии передачи, второй полупроводниковый прибор, две одинаковые индуктивности, два одинаковых резистора,
при этом оба отрезка линии передачи выполнены в виде отрезков одиночной линии передачи, каждый длиной, равной одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы частот, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению центрального проводника,
в качестве полупроводниковых приборов используют полевые транзисторы с барьером Шотки,
при этом величина каждой индуктивности L (Гн) равна
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4</mn><mo>×</mo><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>×</mo><msub><mi>C</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где
T
C - выходная емкость полевого транзистора с барьером Шотки, Ф,
π - число, равное 3,1415,
0
f - центральная частота рабочей полосы частот, Гц,
первый резистор выполнен с сопротивлением R (Ом), равным
R=60×[exp(-0,2×Аз)-1],
где
Аз - модуль заданной величины затухания на центральной частоте рабочей полосы частот, дБ;
exp(x) - экспоненциальная функция от аргумента х,
одинаковые второй и третий резисторы выполнены с сопротивлением, на порядок большим волнового сопротивления центрального проводника,
при этом один конец первой индуктивности соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки и с другим концом первого отрезка линии передачи, другой ее конец соединен с его истоком и с одним концом второго отрезка линии передачи, другой его конец соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и с одними концами второй индуктивности и первого резистора, другие концы которых заземлены, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки соединен через одинаковые второй и третий резисторы соответственно с источником управляющего постоянного напряжения.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного защитного устройства СВЧ, а именно:
Введение в защитное устройство СВЧ второго полупроводникового прибора позволит перераспределить входную мощность между двумя полупроводниковыми приборами и тем самым увеличить допустимую входную мощность защитного устройства СВЧ.
А использование в качестве каждого полупроводникового прибора полевого транзистора с барьером Шотки, который по сравнению с pin-диодом
во-первых, является более широкополосным полупроводниковым прибором за счет наличия третьего электрода - затвора и связанного с этим распределением емкости между тремя электродами на составляющие, включенные внутри прибора по параллельно-последовательной схеме, что тем самым приводит в конечном счете к снижению величины суммарной внутренней емкости и, как следствие, расширению рабочей полосы частот защитного устройства СВЧ,
во-вторых, имеет значительно меньшие внутренние сопротивления и особенно в диапазоне миллиметровых длин волн за счет использования полупроводникового материала - арсенида галлия, имеющего более высокую подвижность по сравнению с кремнием, из которого выполнен pin-диод, и, как следствие, снижение величины прямых потерь защитного устройства СВЧ.
Введение в защитное устройство СВЧ второго отрезка линии передачи и включение его последовательно первому и второму полевым транзисторам с барьером Шотки обеспечит реализацию последовательного соединения полевых транзисторов с барьером Шотки, необходимого для перераспределения входной мощности между двумя полевыми транзисторами с барьером Шотки и, как следствие, увеличение допустимой входной мощности защитного устройства СВЧ.
Выполнение отрезков линии передачи
во-первых, в виде отрезков одиночной линии передачи вместо отрезка связанных линий передачи обеспечит исключение безвозвратных потерь мощности, обусловленных связанными линиями передачи, область связи в которых является открытой для излучения электромагнитных волн в пространство и, как следствие, снижение прямых потерь СВЧ защитного устройства СВЧ,
во-вторых, длиной, равной одной восьмой длины волны на средней частоте рабочей полосы частот, обеспечит разнесение резонансных частот от средней частоты рабочей полосы частот и, как следствие, снижение величины прямых потерь СВЧ и расширение рабочей полосы частот защитного устройства СВЧ, и
в-третьих, величиной волнового сопротивления, равной величине волнового сопротивления центрального проводника, обеспечит лучшее согласование между линиями передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, а также исключение влияния неоднородностей, возникающих в местах соединения первого отрезка линии передачи и центрального проводника и, как следствие, снижение величины прямых потерь СВЧ.
Введение в защитное устройство СВЧ двух индуктивностей с указанными их величинами, каждая из которых включена параллельно соответствующему полевому транзистору с барьером Шотки, обеспечит в рабочей полосе частот
во-первых, компенсацию выходной емкости полевого транзистора с барьером Шотки и
во-вторых, согласование его внутреннего сопротивления с волновым сопротивлением центрального проводника и тем самым - реализацию оптимальных величин параметров защитного устройства СВЧ и, как следствие, расширение рабочей полосы частот и снижение величины прямых потерь СВЧ.
Первый резистор, выполненный с указанной величиной сопротивления, позволит реализовать оптимальные величины параметров защитного устройства СВЧ и, как следствие, увеличение допустимой входной мощности, расширение рабочей полосы частот и снижение величины прямых потерь СВЧ.
Введение дополнительно двух одинаковых резисторов второго и третьего, включенных в соответствующие цепи затворов двух полевых транзисторов с барьером Шотки, обеспечит существенное снижение величины токов утечки через затворы полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, снижение величины прямых потерь СВЧ.
Итак, как видно из вышесказанного предложенная совокупность существенных признаков защитного устройства СВЧ в полной мере обеспечит указанный выше технический результат, а именно увеличение допустимой входной мощности, расширение рабочей полосы частот и снижение прямых потерь СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного защитного устройства СВЧ,
где
- центральный проводник - 1, один конец которого предназначен для входа сигнала СВЧ - 2, другой - для выхода - 3,
- отрезок линии передачи - 4,
- полупроводниковый прибор - полевой транзистор с барьером Шотки - 5,
- первый резистор - 6,
- второй отрезок линии передачи - 7,
- второй полупроводниковый прибор - полевой транзистор с барьером Шотки - 8,
- две одинаковые индуктивности - 9, 10 соответственно,
- одинаковые второй и третий резисторы - 11, 12 соответственно,
- источник управляющего постоянного напряжения -13.
На фиг.2 дана его принципиальная схема.
На фиг.3 даны зависимости от частоты прямых потерь СВЧ.
На фиг.4 даны зависимости от частоты модуля коэффициента затухания.
Пример конкретного выполнения заявленного защитного устройства СВЧ.
Все элементы защитного устройства СВЧ выполнены в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
Центральный проводник 1 выполнен одинаковой шириной, равной 0,08 мм (50 Ом).
Отрезки линии передачи 4, 7 выполнены каждый длиной 0,35 мм и шириной 0,08 мм, что соответствует длине, равной одной восьмой длины волны в отрезке линии передачи на центральной частоте рабочей полосы частот, и волновому сопротивлению, равному удвоенному значению волнового сопротивления центрального проводника (50 Ом).
Полупроводниковые приборы 5, 8 выполнены в виде полевого транзистора с барьером Шотки.
Первый резистор 6 выполнен с сопротивлением R, равным 180 Ом (согласно выражению R=60×[exp(-0,2×Аз)-1] при Аз, равном -8 дБ).
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4</mn><mo>×</mo><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mo>×</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>×</mo><msub><mi>C</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Обе одинаковые индуктивности 9, 10 выполнены величиной L, равной 0,5 нГн (согласно выражению
для центральной частоты рабочей полосы частот - 36 ГГц).
При этом
один конец первой индуктивности 9 соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 5 и с другим концом первого отрезка линии передачи 4, другой ее конец соединен с его истоком и с одним концом второго отрезка линии передачи 7, другой его конец соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 8 и с одними концами второй индуктивности 10 и первого резистора 6, другие концы которых заземлены, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки 5, 8 соединен через соответствующие одинаковые второй 11 и третий 12 резисторы с источником управляющего постоянного напряжения 13.
Защитное устройство СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки 5 и 8 от источника управляющего постоянного напряжения 13 напряжения, равного 0 В, каждый полевой транзистор с барьером Шотки откроется, через него потечет постоянный ток.
T
T
При этом полное сопротивление Z между стоком и истоком каждого полевого транзистора с барьером Шотки будет носить резистивный характер и его величина будет существенно (на два порядка) меньше сопротивления R первого резистора 6, так что сопротивление этого резистора, включенного параллельно малому сопротивлению Z второго полевого транзистора с барьером Шотки 8, не будет влиять на работу защитного устройства СВЧ.
Индуктивные сопротивления, обусловленные дополнительно введенными одинаковыми индуктивностями 9 и 10 с заявленными их величинами в рабочей полосе частот, компенсируются отрезками линии передачи 4 и 7 с заявленными их длинами и волновыми сопротивлениями.
Малое сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 5 закоротит второй конец отрезка линии передачи 4 и первый конец второго отрезка линии передачи 7. При этом общая длина отрезков линии передачи будет равна сумме их длин, то есть при заявленных величинах длин отрезков линии передачи - четверти длины волны в линии передачи.
При этом общее сопротивление первого резистора 6 и параллельно включенного ему малое сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 8, трансформированное к центральному проводнику 1 параллельно входу 2 и выходу 3 защитного устройства СВЧ, будет максимально большим и тем самым величина прямых потерь СВЧ - минимальной.
При подаче на затвор каждого полевого транзистора с барьером Шотки 5 и 8 от источника управляющего постоянного напряжения 13 напряжения, равного напряжению отсечки - минус 2,5 В, полевые транзисторы с барьером Шотки закроются, через них постоянный ток течь не будет.
T
При этом сопротивление Z между стоком и истоком каждого полевого транзистора с барьером Шотки будет носить емкостной характер. Эти сопротивления в рабочей полосе частот компенсируются:
во-первых, индуктивным сопротивлениям соответствующей индуктивности 9 и 10 с заявленной величиной,
во-вторых, соответствующим отрезком линии передачи 4 и 7 с заявленной их длиной и волновым сопротивлением.
При этом сопротивление первого резистора 6 на другом конце второго отрезка линии передачи 7 трансформируется через этот отрезок линии передачи и первый отрезок линии передачи 4 к центральному проводнику 1 параллельно входу 2 и выходу 3 защитного устройства СВЧ в величину, обеспечивающую заданное значение модуля коэффициента затухания на центральной частоте рабочей полосы частот.
На изготовленных образцах защитного устройства СВЧ были измерены:
зависимости от частоты прямых потерь СВЧ (фиг.3) и зависимости от частоты модуля коэффициента затухания (фиг.4).
Как видно из фиг.3 и 4 заявленное защитное устройство СВЧ обеспечит:
- возможность работы в восьми миллиметровом диапазоне длин волн (31-41 ГГц),
- расширение рабочей полосы частот до 10 ГГц,
- снижение прямых потерь СВЧ до 0,6 дБ,
- увеличение допустимой входной мощности примерно в 2 раза (увеличение модуля коэффициента затухания примерно в 1,4 раза).
Таким образом, заявленное защитное устройство СВЧ позволит по сравнению с прототипом расширить рабочую полосу частот примерно в 1,5 раза, снизить прямые потери СВЧ примерно в 1,3 раза, увеличить допустимую входную мощность примерно в 2 раза.
Источники информации
1. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. // М: Радио и связь. - 1987. - С.45.
2. Патент РФ №2189670. Приоритет 09.08.2001 г. Опубл. 20.09.2002 г. Бюл. №26 - прототип.