ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ
MICROWAVE SWITCH

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к переключателям СВЧ на полупроводниковых приборах и может найти применение для коммутации сигнала СВЧ между каналами при создании современных многоканальных устройств различного назначения.
Известен широкополосный микрополосковый переключатель СВЧ на pin-диодах, последовательно соединенные в микрополосковой линии.
В котором с целью увеличения развязки при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик, он содержит шесть pin-диодов и семь участков токонесущего проводника микрополосковой линии, причем первый участок представляет собой отрезок микрополосковой линии, один конец которого является входом переключателя, а к другому концу присоединены катод первого диода и катод второго диода, второй, третий, четвертый и пятый участки представляют собой отрезки микрополосковой линии, разомкнутые на одном конце, а на другом конце заканчивающиеся контактными площадками для выводов диодов, при этом ко второму участку присоединены катод третьего диода и анод четвертого диода, к третьему участку - катод четвертого диода и анод первого диода, к четвертому участку - анод второго диода и катод пятого диода, к пятому участку - анод пятого диода и катод шестого диода, шестой и седьмой участки представляют собой отрезки микрополосковой линии, причем первый конец шестого участка является первым выходом переключателя, а ко второму концу шестого участка присоединен анод третьего диода, первый конец седьмого участка является вторым выходом переключателя, а ко второму концу седьмого участка присоединен анод шестого диода [Патент 2339126 РФ. Широкополосный микрополосковый переключатель СВЧ / Кузнецов Ю.В. и др. // Бюл. - 2008 - №32/].
Известен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий три линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ сигнала, две другие -для выхода, отрезок линии передачи, два полевых транзистора с барьером Шотки, при этом сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним концом отрезка линии передачи, истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение от одного источника.
В котором с целью снижения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) на входе и в открытых каналах переключателя СВЧ и снижения потерь СВЧ, в переключатель СВЧ дополнительно введены направленный ответвитель в виде моста Ланге, отрезок линии передачи и резистор, при этом оба отрезка линии передачи выполнены длиной, равной одной восьмой части длины волны, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе переключателя, величина сопротивления резистора на порядок превышает волновое сопротивление линии передачи на входе переключателя, при этом первый конец направленного ответвителя в виде моста Ланге на его входе соединен с линией передачи на входе переключателя, второй конец на его выходе - с другим концом отрезка линии передачи и одновременно с линией передачи на втором выходе переключателя, третий конец на его выходе - с одним концом дополнительного отрезка линии передачи, другой конец которого соединен с линией передачи на первом выходе переключателя и одновременно со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, четвертый конец на его выходе - с одним концом резистора, другой конец которого заземлен [Патент 2479079 РФ. Двухканальный переключатель СВЧ /Балыко А.К. и др. //Бюл. - 2013 - №10].
Переключатель СВЧ на полевых транзисторах с барьером Шоттки имеет ряд преимуществ по сравнению с переключателем СВЧ на p-i-n диодах:
- меньший ток управления,
- большая развязка по СВЧ.
Однако, и тот и другой переключатели СВЧ не обеспечивают должного согласования по СВЧ в закрытом канале.
Известен коммутатор СВЧ (переключатель СВЧ) с высокой развязкой, содержащий, по меньшей мере, две входные линии передачи соединенные с общей выходной линией передачи в общей точке соединения, причем каждая входная линия имеет входную цепь согласования и смещения, а выход входной цепи согласования и смещения подсоединен к входу соответствующего усилительного средства, снабженного одно затворным полевым транзистором, при этом полевой транзистор выполнен с возможностью подачи на него смещения "открывания" для обеспечения высокого коэффициента усиления или "запирания" для обеспечения развязки, выход полевого транзистора подключен к входу выходной цепи согласования, а выход выходной цепи согласования подсоединен к общей точке соединения.
В котором с целью уменьшения потери сигнала СВЧ в закрытой входной линии передачи и обеспечения высокой развязки посредством исключения линии передачи между выходной цепью согласования и точкой соединения входа и выхода, на полевой транзистор подается смещение "запирания" путем смещения полевого транзистора в состояние отсечки, а выход каждой выходной цепи согласования соединен с общей точкой соединения через отрезок линии передачи, равный нулевому или кратному числу полудлин волн передаваемого сигнала СВЧ [Патент 2181928 РФ Коммутатор с высокой развязкой /ФЛИНН Стивен Джон GB) // Бюл. - 2002 - №12/].
Данный переключатель СВЧ обеспечивает высокую развязку и согласование по СВЧ в открытом канале.
Однако, отличается отсутствием согласования по СВЧ в закрытом канале, достаточно сложной конструкцией из-за наличия усилителя мощности СВЧ и соответственно достаточно высокими массогабаритными характеристиками.
Техническим результатом заявленного переключателя СВЧ является обеспечение согласования по СВЧ во всех состояниях - режимах работы, расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик при сохранении высоких электрических характеристик.
Указанный технический результат достигается заявленным переключателем СВЧ, содержащим, по меньшей мере, три линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, предназначенные для входа и выхода сигнала СВЧ, при этом одна линия передачи является общей, две другие - коммутируемые линии передачи, каждая коммутируемая линия передачи имеет цепь согласования по СВЧ, при этом линии передачи соединены в общей точке соединения.
В котором
три линии передачи использованы в двух функциональных вариантах: в первом - общая линия передачи - как выход, коммутируемые линии передачи - как входы, во втором - общая линия передачи - как вход, коммутируемые линии передачи - как выходы,
в переключатель СВЧ дополнительно введены, по меньшей мере, четыре полевых транзистора с барьером Шотки - первый, второй, третий, четвертый соответственно, четыре резистора - первый, второй, третий, четвертый соответственно, каждый с сопротивлением не менее 1 кОм,
при этом
первый, второй, третий, четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки являются ключами СВЧ,
третий и четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки выполнены каждый с шириной электрода затвора, обеспечивающей коэффициент стоячей волны по напряжению на входе отключенной коммутируемой линии передачи не более 2,0 и которые одновременно являются цепями согласования по СВЧ отключенной коммутируемой линии передачи,
при этом электроды стока первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с общей точкой соединения, их электроды истока - с электродами стока третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно,
электроды стока третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с каждой коммутируемой линией передачи соответственно, их электроды истока заземлены,
на затворы первого, второго, третьего, четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки через соответствующие резисторы и от соответствующих источников постоянного управляющего напряжения посредством контактных площадок подают соответствующее постоянное управляющее напряжение, обеспечивающее открытие первого и четвертого и - закрытие второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки, либо обеспечивающее закрытие первого и четвертого и -открытие второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки.
Ширина электрода затвора третьего и четвертого, равно как и величина соответствующего подаваемого постоянного управляющего напряжения на первый, второй, третий, четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки определяются конструкционными и электрическими параметрами каждого полевого транзистора с барьером Шотки.
Раскрытие сущности.
Совокупность существенных признаков и каждый в отдельности заявленного переключателя СВЧ обеспечивают, а именно.
Использование трех линий передачи в двух функциональных вариантах: в первом - общая линия передачи - как выход, коммутируемые линии передачи - как входы, во втором - общая линия передачи - как вход, коммутируемые линии передачи - как выходы, обеспечивает расширение функциональных возможностей.
Введение в переключатель СВЧ дополнительно, по меньшей мере, четырех полевых транзисторов с барьером Шотки - первого, второго, третьего, четвертого соответственно и четырех резисторов - первого, второго, третьего, четвертого соответственно, каждый с сопротивлением не менее 1 кОм, при этом когда:
первый, второй, третий, четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки являются ключами СВЧ,
третий и четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки выполнены каждый с шириной электрода затвора, обеспечивающей коэффициент стоячей волны по напряжению на входе отключенной коммутируемой линии передачи не более 2,0, и которые одновременно являются цепями согласования по СВЧ отключенной коммутируемой линии передачи.
И предложенное соединение элементов переключателя СВЧ, когда:
электроды стока первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с общей точкой соединения, их электроды истока - с электродами стока третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно,
электроды стока третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с каждой коммутируемой линией передачи соответственно, их электроды истока заземлены.
И подача постоянного управляющего напряжения на затворы первого, второго, третьего, четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки:
а) через соответствующие резисторы, первый, второй, третий, четвертый,
б) от соответствующих источников постоянного управляющего напряжения посредством контактных площадок и соответствующей величиной постоянного управляющего напряжения определяемой конструкционными и электрическими параметрами полевого транзистора с барьером Шотки, обеспечивающие открытие первого и четвертого и -закрытие второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки, либо - закрытие первого и четвертого и - открытие второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки.
И, как следствие этого:
во-первых, обеспечение согласования по СВЧ во всех состояниях переключателя СВЧ (коэффициент стоячей волны по напряжению на входе отключенной коммутируемой линии передачи обеспечен и равен не более 2,0),
во-вторых, упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик, блангодаря исключения из конструкции усилителя мощности СВЧ.
При сохранении высоких электрических характеристик, прежде всего потерь СВЧ и развязки по СВЧ.
Выполнение каждого резистора с сопротивлением менее 1 кОм не желательно, так как приводит к росту потерь СВЧ.
Выполнение каждого третьего и четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки с шириной электрода затвора, обеспечивающей коэффициент стоячей волны по напряжению на входе отключенной коммутируемой линии передачи более 2,0 не допустимо, из-за не допустимого ухудшения согласования по СВЧ на входе отключенной коммутируемой линии передачи.
Итак, заявленный переключатель СВЧ в полной мере обеспечивает заявленный технический результат - обеспечение согласования по СВЧ во всех состояниях - режимах работы, расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик при сохранении высоких электрических характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дана топология заявленного переключателя СВЧ, где
- три линии передачи, при этом одна линия передачи является общей - 1, две другие - коммутируемые линии передачи - 2, 3 соответственно.
- цепи согласования по СВЧ - 4, 5 соответственно,
- общая точка соединения - 6,
- четыре полевых транзистора с барьером Шотки - 7, 8, 9, 10 соответственно,
- четыре резистора - 11, 12, 13, 14 соответственно,
- контактные площадки 15, 16 для подключения к соответствующим источникам постоянного управляющего напряжения.
На фиг. 2 дана принципиальная электрическая схема переключателя СВЧ.
На фиг. 3, 4, 5, 6 даны зависимости от частоты сигнала СВЧ для двух функциональных вариантов использования: в первом - общая линия передачи - как выход, коммутируемые линии передачи - как входы (фиг. 3, 4), во втором - общая линия передачи - как вход, коммутируемые линии передачи - как выходы (фиг. 5, 6), а именно
потерь СВЧ (фиг. 3, 5 кривая 1 соответственно),
развязки по СВЧ (фиг. 3, 5 кривая 2 соответственно),
обратных потерь СВЧ на общей 1 и коммутируемых линиях передачи 2, 3 (фиг. 4, 6, кривые 1, 2, 3 соответственно).
Работа переключателя СВЧ как в случае использования первого функционального варианта, когда общую линию передачи 1 использует как выход, коммутируемые линии передачи 2, 3 - как входы, так и в случае использования второго функционального варианта, когда общую линию передачи 1 - как вход, коммутируемые линии передачи 2, 3 - как выходы.
На затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 7, 8, 9, 10 через соответствующие резисторы 11, 12, 13, 14 от соответствующих источников постоянного управляющего напряжения (GWInstek PST-3201) посредством соответствующих контактных площадок 15, 16 подают постоянное управляющее напряжение 0 В и -5 В, обеспечивающее открытие первого 7 и четвертого 10 и - закрытие второго 8 и третьего 9 полевых транзисторов с барьером Шотки, что обеспечивает прохождение сигнала СВЧ от общей линии передачи 1 к коммутируемой линией передачи 2, развязку по СВЧ между общей линией передачи 1 и коммутируемой линией передачи 3 и обеспечивает согласование по СВЧ коммутируемой линии передачи 3, либо подают постоянное управляющее напряжение -5 В и 0 В, обеспечивающее закрытие первого 7 и четвертого 10 и - открытие второго 8 и третьего 9 полевых транзисторов с барьером Шотки, что обеспечивает прохождение сигнала СВЧ от общей линии передачи 1 к коммутируемой линией передачи 3, развязку по СВЧ между общей линией передачи 1 и коммутируемой линией передачи 2 и обеспечивает согласование по СВЧ коммутируемой линии передачи 2.
Пример конкретного выполнения заявленного переключателя СВЧ.
Все элементы переключателя СВЧ выполнены в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной равной 100 мкм с использованием тонкопленочной технологии.
Четыре полевых транзистора с барьером Шотки - первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10 выполнены с шириной электрода затвора 102, 102, 40, 40 мкм соответственно, четыре резистора - первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14, каждый с сопротивлением 8 кОм,
при этом
первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10 полевые транзисторы с барьером Шотки являются ключами СВЧ,
третий 9 и четвертый 10 полевые транзисторы с барьером Шотки выполнены каждый с шириной электрода затвора 40 мкм, обеспечивающей коэффициент стоячей волны по напряжению на входе коммутируемых линий передач 2, 3 в отключенном режиме равном 2,0 и, которые одновременно являются цепями согласования по СВЧ 4, 5.
При этом
электроды стока первого 7 и второго 8 полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с общей точкой соединения 6, их электроды истока - с электродами стока третьего 9 и четвертого 10 полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно,
электроды стока третьего 9 и четвертого 10 полевых транзисторов с барьером Шотки соединены с каждой коммутируемой линией передачи 2, 3 соответственно, их электроды истока заземлены.
На затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 7, 8, 9, 10 через соответствующие резисторы 11, 12, 13, 14 от соответствующих источников постоянного управляющего напряжения (GWInstek PST-3201) посредством соответствующих контактных площадок 15, 16 подают постоянное управляющее напряжение 0 В и -5 В, обеспечивающее открытие первого 7 и четвертого 10 и - закрытие второго 8 и третьего 9 полевых транзисторов с барьером Шотки, либо подают постоянное управляющее напряжение -5 В и 0 В, обеспечивающее закрытие первого 7 и четвертого 10 и - открытие второго 8 и третьего 9 полевых транзисторов с барьером Шотки, что обеспечивает прохождение сигнала СВЧ от общей линии передачи 1 к коммутируемой линией передачи 3, развязку по СВЧ между общей линией передачи 1 и коммутируемой линией передачи 2 и обеспечивает согласование по СВЧ коммутируемой линии передачи 2.
Изготовленный образец переключателя СВЧ использован как в первом функциональном варианте, когда общая линия передачи 1 - как выход, коммутируемые линии передачи 2, 3 - как входы, так и во втором, когда общая линия передачи 1 - как вход, коммутируемые линии передачи 2, 3 - как выходы.
На изготовленном образце переключателя СВЧ для каждого функционального варианта использования были измерены величины потерь СВЧ, развязка по СВЧ, обратные потери СВЧ на общей 1 и коммутируемых линиях передачи 2, 3 при подаче сигнала СВЧ в диапазоне частот 0,05-4 ГГц.
Результаты изображены.
Для первого функционального варианта использования на фиг. 3, 4, где даны: зависимости потерь СВЧ (фиг. 3 кривая 1), развязки по СВЧ (фиг. 3 кривая 2), обратных потерь СВЧ на общей и коммутируемых линиях передачи (фиг. 4 кривая 1, 2, 3 соответственно).
Для второго функционального варианта использования на фиг. 5, 6, где даны: зависимости потерь СВЧ (фиг. 5 кривая 1), развязки по СВЧ (фиг. 5 кривая 2), обратных потерь СВЧ на общей и коммутируемых линиях передачи (фиг. 6 кривая 1, 2, 3 соответственно).
Как видно из фиг. 3, 4, 5, 6 образец переключателя СВЧ в диапазоне частот 0,05-4 ГГц как в первом, так и втором функциональных вариантах использования имеет:
развязку по СВЧ не менее 40,0 дБ,
потери СВЧ не более 1,0 дБ,
обратные потери по СВЧ закрытой коммутируемой линии не менее 10,0 дБ, это соответствует коэффициенту стоячей волны по напряжению не более 2,0 (определенному математическим методом).
Таким образом, заявленный переключатель СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
- согласование по СВЧ во всех состояниях (режимах работы),
- упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик,
- расширение функциональных возможностей.
При сохранении высоких электрических характеристик - развязки по СВЧ порядка 40,0 дБ, потерь СВЧ не более 1,0 дБ.