ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ СВЧ
SHF PHASE SHIFTER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах.
В технике СВЧ широко используют фазовращатели, выполненные на полупроводниковых приборах, особенно в радиотехнике и радиолокации, например в фазированных антенных решетках, состоящих из множества элементов, на каждый из которых подается сигнал с определенной фазой, которые реализуют с помощью фазовращателей СВЧ.
Данную задачу можно решить с помощью моста, нагруженного либо механически перестраиваемыми емкостями, либо варакторными диодами, представляющими в нулевом приближении переменные емкости.
Фазовращатели СВЧ по принципу действия разделяют с дискретным и непрерывным изменением фазы сигнала СВЧ.
Как известно фазовращатели СВЧ с непрерывным изменением фазы сигнала СВЧ позволяют реализовать фазу любой величины.
Фазовращатели СВЧ с непрерывным изменением фазы сигнала СВЧ характеризуются:
- линейным законом изменения фазы сигнала СВЧ от управляющего напряжения,
- малой величиной коэффициента отражения на входе и выходе.
Известен фазовращатель СВЧ, содержащий отрезки связанных микрополосковых линий, в котором в качестве полупроводниковых приборов использованы варакторные диоды, при этом один из концов первого отрезка микрополосковой линии соединен с первым варакторным диодом, а другой - с линией передачи на входе, один из концов второго отрезка микрополосковой линии соединен со вторым варакторным диодом, а другой - с линией передачи на выходе, при этом на варакторные диоды подают управляющие напряжения [1].
Недостатком данного фазовращателя СВЧ является отличный от линейного закон изменения фазы сигнала СВЧ из-за:
во-первых, существенно нелинейной зависимости емкости варакторных диодов от управляющих напряжений и,
во-вторых, большой величины коэффициентов отражения на входе и выходе вследствие малых сопротивлений потерь варакторных диодов и в силу этого невозможности согласования их сопротивлений с входной и выходной линиями передачи.
Кроме того, в таком фазовращателе СВЧ необходимы фильтры питания варакторных диодов, а также емкости для развязки схемы по СВЧ и постоянному току, что увеличивает массогабаритные характеристики.
Более того, в таком фазовращателе СВЧ невозможно исключить пересечение проводников от источников постоянных управляющих напряжений, подаваемых на варакторные диоды, что исключает возможность его выполнения в составе монолитных интегральных схем СВЧ.
Известен фазовращатель СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, затворы которых соединены между собой проводником и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, и отрезок микрополосковой линии, при этом сток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов отрезка микрополосковой линии, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки заземлен [2 - прототип].
По сравнению с аналогом в данном фазовращателе СВЧ 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.
Кроме того, затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
И то и другое позволило уменьшить массогабаритные характеристики фазовращателя СВЧ, что особенно важно при исполнении его в составе монолитных интегральных схем СВЧ.
По сравнению с аналогом в данном фазовращателе СВЧ снижена величина коэффициента отражения на входе и выходе, поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки обладают меньшими емкостями и большими сопротивлениями потерь.
Однако в данном фазовращателе СВЧ из-за отсутствия электромагнитной связи по СВЧ между полевыми транзисторами с барьером Шотки невозможно осуществить:
во-первых, непрерывное изменение фазы сигнала СВЧ при изменении управляющего напряжения,
во-вторых, линейное изменение фазы сигнала СВЧ,
в-третьих, существенно снизить величину коэффициента отражения на входе и выходе фазовращателя СВЧ.
Техническим результатом изобретения является достижение линейного изменения фазы сигнала СВЧ при изменении управляющего напряжения и снижение коэффициента отражения на входе и выходе фазовращателя СВЧ при сохранении его массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается предложенным фазовращателем СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, затворы которых соединены между собой проводником и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, и отрезок микрополосковой линии, при этом сток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов отрезка микрополосковой линии, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки заземлен.
При этом в фазовращатель СВЧ дополнительно введен второй отрезок микрополосковой линии, оба отрезка микрополосковых линий выполнены одинаковой длины и ширины и расположены параллельно друг другу с зазором шириной, равной более чем в пять раз ширины проводника, соединяющего затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, и менее ширины отрезка микрополосковой линии, а упомянутый проводник расположен внутри зазора, при этом отрезки микрополосковых линий связаны электромагнитным полем, другой конец первого отрезка микрополосковой линии соединен с линией передачи на входе, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов второго отрезка микрополосковой линии, а другой его конец соединен с линией передачи на выходе, исток первого полевого транзистора с барьером Шотки также заземлен.
Проводник, соединяющий затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, может быть расположен внутри зазора симметрично либо несимметрично, при этом затворы полевых транзисторов с барьером Шотки выполнены одинаковой либо разной длины соответственно.
Введение в фазовращатель СВЧ дополнительно к первому второго отрезка микрополосковой линии одинаковой длины, расположение их параллельно друг другу с указанным зазором, расположение проводника, соединяющего затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, внутри зазора и в совокупности с предложенным соединением элементов позволяет благодаря,
во-первых, этим двум связанным микрополосковым линиям и
во-вторых, проводнику, соединяющему затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, расположенному внутри зазора, осуществить электромагнитную связь по СВЧ между полевыми транзисторами с барьером Шотки и тем самым обеспечить реализацию не только непрерывного, но и линейного изменения фазы сигнала СВЧ при изменении управляющего напряжения.
Как известно каждый из полевых транзисторов с барьером Шотки обладает тремя емкостями, соединенными в виде треугольника. При изменении управляющего напряжения на затворах полевых транзисторов с барьером Шотки емкости, относящиеся к затворам полевых транзисторов с барьером Шотки, изменяются обратно пропорционально управляющему напряжению. Поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки включены на двух противоположных концах первого и второго отрезков микрополосковых линий, то изменение емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки эквивалентно удлинению этих отрезков микрополосковых линий, что и обеспечивает линейное изменение фазы сигнала СВЧ при изменении управляющего напряжения.
Расположение проводника, соединяющего затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, внутри зазора исключает возможность пересечений упомянутого проводника и других проводников фазовращателя СВЧ и тем самым позволит реализовать его исполнение в составе монолитных интегральных схем СВЧ.
Из формулы изобретения, очевидно, что ширина проводника, соединяющего затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, ограничена сверху шириной отрезка микрополосковой линии, уменьшенной в пять раз.
Выполнение зазора шириной, равной менее чем в пять раз ширины проводника, соединяющего затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, приводит к усилению электромагнитной связи по СВЧ отрезков микрополосковой линии с упомянутым проводником и приводит к снижению линейности изменения фазы сигнала СВЧ от управляющего напряжения, а более ширины отрезка микрополосковой линии - ослаблению электромагнитной связи по СВЧ отрезков, связанных микрополосковых линий, и, следовательно, к увеличению коэффициента отражения на входе и выходе.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1. дана топология предложенного фазовращателя СВЧ, где
- две линии передачи, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала - 1, другая - для выхода - 2,
- два полевых транзистора с барьером Шотки - 3 и 4 соответственно,
- проводник - 5, соединяющий их затворы,
- отрезки микрополосковых линий - 6 и 7 соответственно,
- зазор между отрезками микрополосковых линий - 8,
- источник постоянного управляющего напряжения - 9.
На фиг.2 дана эквивалентная схема фазовращателя СВЧ.
На фиг.3 приведены зависимости величины фазы сигнала СВЧ от управляющего напряжения, где кривая 1 соответствует реализации фазовращателя СВЧ при ширине зазора указанной в формуле изобретения, кривая 2 - при ширине зазора менее чем в пять раз ширины проводника, соединяющего затворы полевых транзисторов с барьером Шотки, кривая 3 - при ширине зазора более ширины отрезка микрополосковой линии.
На фиг.4 приведены зависимости величины коэффициента отражения на входе и выходе от управляющего напряжения, где кривые 1, 2, 3 соответствуют реализации фазовращателя СВЧ при аналогичных, указанных выше, конструктивных параметрах - ширине зазора.
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, предназначенные для входа СВЧ-сигнала 1 и для выхода 2, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 3 и 4 соответственно имеют напряжение отсечки Uотс., равное -2,5 В.
Отрезки микрополосковых линий 6 и 7 выполнены шириной, равной 0,05 мм и длиной 3 мм, что соответствует четверти длины волны в линии передачи, и расположены параллельно друг другу с зазором 8 величиной, равной 0,01 мм, в котором симметрично относительно отрезков микрополосковых линий расположен проводник 5 шириной, равной 0,0005 мм, соединяющий затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4, и которые соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения 9.
При этом один из концов первого отрезка микрополосковой линии 6 соединен с линией передачи на входе 1, а другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 3. Один из концов второго отрезка микрополосковой линии 7 соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 4, а другой - с линией передачи на выходе 2. Истоки обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 заземлены.
Примеры 2-3.
Аналогично примеру 1 изготовлены образцы предложенного фазовращателя СВЧ, но при других значениях ширины зазора, выходящих за пределы, указанные в формуле изобретения.
Работа устройства.
При подаче на затворы обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 4 от одного источника постоянного управляющего напряжения 9, управляющего напряжения U величиной, изменяющейся от 0 до напряжения отсечки Uотс., одновременно изменяются емкости обоих полевых транзисторов с барьером Шотки.
Поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки включены на соответствующих концах первого и второго отрезков связанных микрополосковых линий, то величина фазы сигнала СВЧ, распространяющегося от входа к выходу фазовращателя, изменяется в соответствии с изменением емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки.
Как было указано выше закон изменения емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки от управляющего напряжения таков, что в совокупности со связанными микрополосковыми линиями величина фазы сигнала СВЧ изменяется линейно с изменением управляющего напряжения.
На образцах фазовращателя СВЧ были измерены величины фазы сигнала СВЧ от управляющего напряжения и коэффициента отражения на входе и выходе.
Результаты изображены, как было указано выше, на фиг.3 и 4.
Из фиг.3 видно, что на частоте 10 ГГц величина фазы сигнала СВЧ составляет 170 градусов при управляющем напряжении U, равном 0 В, и 50 градусов при управляющем напряжении U, равном Uотс., равном -2,5 В, так что изменение фазы сигнала СВЧ составляет 120 градусов, а закон изменения фазы сигнала СВЧ - близкий к линейному.
Из фиг.4 видно, что на частоте 10 ГГц коэффициент отражения на входе и выходе изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения, при этом максимальная его величина не превышает 0,1, что говорит о том, что величина отраженной электромагнитной волны более чем в 10 раз меньше падающей.
Таким образом, предложенный фазовращатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит обеспечить реализацию:
во-первых, линейного изменения фазы сигнала СВЧ от управляющего напряжения,
во-вторых, малой величины коэффициента отражения на входе и выходе, менее 0,1, при сохранении малых массогабаритных характеристик.
Источники информации
1. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. - М., Радио и связь, 1998 г., с.147.
2. Патент РФ №2316086, заявка №2006119900 МПК Н01Р 1/185, приоритет 06.06.2006.