ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АТТЕНЮАТОР СВЧ
BROADBAND SHF ATTENUATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к аттенюаторам СВЧ на полупроводниковых приборах, и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения.
Широкополосные аттенюаторы СВЧ характеризуются:
- рабочей полосой частот, которая должна быть как можно шире;
- коэффициентом стоячей волны напряжения, который должен быть как можно ближе к единице;
- величиной изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения - разностью фаз, которая должна быть как можно меньше;
- величиной прямых потерь СВЧ, которые должны быть как можно меньше;
- величиной изменения затухания - дискрет ослабления, которая задается.
Известен аттенюатор СВЧ, состоящий, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит соединение трех резисторов, один из которых соединен последовательно, а два других - параллельно линиям передачи на входе и выходе аттенюатора, и трех электронных ключей, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки.
При этом последовательно соединенный резистор соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а параллельно соединенные резисторы выполнены с одинаковыми сопротивлениями и расположены по разные стороны от последовательно соединенного резистора и соответственно каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки, истоки которых заземлены, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки служат для подачи на них управляющего напряжения [1].
В который с целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик путем сокращения числа источников постоянного управляющего напряжения при сохранении параметров аттенюатора СВЧ, прямых потерь Ап и изменения затухания Аз в каждый разряд аттенюатора введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, превышающим волновое сопротивление линий передачи на входе и выходе аттенюатора.
При этом каждый из отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны, включен между соответствующим параллельно соединенным резистором и стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с источником постоянного управляющего напряжения.
Данный аттенюатор СВЧ позволяет уменьшить величину коэффициента стоячей волны напряжения, поскольку резисторы схемно взаимно разделены, один - последовательно соединенный и два - параллельно, включение или отключение которых осуществляется полевыми транзисторами с барьером Шотки от одного источника постоянного напряжения, при этом используется параллельное включение резисторов и полевых транзисторов с барьером Шотки, что приводит к уменьшению отраженного сигнала.
Однако наличие в аттенюаторе СВЧ двух отрезков линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы частот, приводит к тому, что на граничных частотах рабочей полосы частот, отстоящих от центральной частоты, проявляется резонансный характер этих отрезков, что существенно ограничивает:
во-первых, увеличение ширины рабочей полосы частот,
во-вторых, уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения,
в-третьих, уменьшение изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Известен аттенюатор СВЧ, состоящий, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит резисторы, один из которых соединен последовательно, а другой - параллельно линиям передачи на входе и выходе аттенюатора, полевой транзистор с барьером Шотки в качестве электронного ключа, при этом последовательно соединенный резистор включен между входной и выходной линиями передачи, затвор полевого транзистора с барьером Шотки соединен с источником постоянного управляющего напряжения, его исток заземлен.
В который, с целью упрощения конструкции, снижения массогабаритных характеристик, уменьшения величины прямых потерь Ап и величины коэффициента отражения Ао, достижения заданной величины изменения затухания Аз и, прежде всего при работе на частотах, близких к верхней границе диапазона СВЧ (18-26 ГГц), в каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи.
При этом каждый из двух отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, расположен по разные стороны и симметрично относительно последовательно соединенного резистора и соединен с линией передачи на входе либо на выходе, а вторые концы отрезков линий передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, соединены между собой и соединены с одним из концов параллельно соединенного резистора и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а другой конец параллельно соединенного резистора заземлен [2] - прототип.
Уменьшение числа полевых транзисторов с барьером Шотки, по сравнению с аналогом, позволяет несколько увеличить ширину рабочей полосы частот, уменьшить величину изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Однако наличие в данном аттенюаторе, как и в аналоге, двух резонансных отрезков линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы частот, не позволяет существенно увеличить относительную ширину рабочей полосы частот, уменьшить коэффициент стоячей волны напряжения и уменьшить величину изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Техническим результатом изобретения является увеличение ширины рабочей полосы частот, уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения и уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения при сохранении малой величины прямых потерь СВЧ.
Технический результат достигается заявленным широкополосным аттенюатором СВЧ, состоящим, по меньшей мере, из одного разряда,
каждый из которых содержит линии передачи на входе и выходе с одинаковыми волновыми сопротивлениями, полевой транзистор с барьером Шотки, два резистора,
при этом первый резистор расположен параллельно, второй - последовательно входу и выходу аттенюатора, концы первого резистора соединены с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки соответственно, его исток и соответственно первый резистор заземлены, концы второго резистора соединены с линиями передачи на входе и выходе соответственно.
В каждый разряд аттенюатора дополнительно введены второй полевой транзистор с барьером Шотки, три индуктивности и два одинаковых резистора - третий и четвертый,
1
2
при этом исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе, его сток - с линией передачи на выходе, концы первой и второй индуктивностей соединены с концами первого и второго резисторов соответственно, один конец третьей индуктивности соединен с линией передачи на входе, другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, затворы каждого полевого транзистора с барьером Шотки соединены с источником постоянного управляющего напряжения через третий и четвертый резисторы соответственно, сопротивления первого R и второго R резисторов определяются из выражений
1
0
-Δ/20
R=Z×[2×10/(k+1)-1],
2
0
-Δ/20
-1
R=Z×[k-0,5·(k+1)×10],
0
где Z - величина волнового сопротивления линии передачи на входе и выходе аттенюатора, Ом;
k - величина коэффициента стоячей волны напряжения;
Δ - величина дискрета ослабления, дБ,
сопротивления третьего и четвертого резисторов на порядок превышают волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе аттенюатора.
Раскрытие сущности изобретения.
Введение в аттенюатор второго полевого транзистора с барьером Шотки и предложенное включение обоих полевых транзисторов с барьером Шотки, так что их истоки и стоки соединены с концами первого и второго резисторов соответственно, обеспечивает:
- во-первых, одновременное включение и отключение этих резисторов,
- во-вторых, исключение влияния сопротивлений этих резисторов на величину ослабления сигнала СВЧ при открытых полевых транзисторах с барьером Шотки.
И, как следствие того и другого, - расширение рабочей полосы частот, уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения и уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Введение в аттенюатор первой и второй индуктивностей и предложенное соединение их концов с истоками и стоками первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно обеспечивает компенсацию емкостных сопротивлений каждого полевого транзистора с барьером Шотки при закрытых полевых транзисторах с барьером Шотки и, как следствие, - расширение рабочей полосы частот и уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Введение в аттенюатор третьей индуктивности и предложенное ее соединение так, что один конец третьей индуктивности соединен с линией передачи на входе, другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, обеспечивает:
- во-первых, компенсацию реактивных составляющих полного сопротивления аттенюатора при закрытых полевых транзисторах с барьером Шотки,
- во-вторых, схемное взаимное разделение двух полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым снижение их взаимного влияния.
И, как следствие того и другого, - расширение рабочей полосы частот, уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения и уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Соединение затворов первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки с источником управляющего напряжения через третий и четвертый резисторы соответственно и в совокупности, когда величина сопротивления каждого резистора на порядок превышает волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе аттенюатора СВЧ, обеспечивает уменьшение токов утечки через затворы и, как следствие, -
во-первых, снижение амплитуды отраженного сигнала СВЧ и
во-вторых, уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Более того, отсутствие в аттенюаторе отрезков линии передачи длиной, равной четверти длины волны, исключает наличие паразитных резонансов, существенно ограничивающие рабочую полосу частот и приводящую к зависимости от частоты величины фазы сигнала СВЧ и, как следствие, - дополнительное расширение рабочей полосы частот, уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения и уменьшение величины изменения фазы сигнала СВЧ при изменении постоянного управляющего напряжения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена топология одного разряда заявленного широкополосного аттенюатора СВЧ, где
- линии передачи на входе и выходе - 1 и 2 соответственно,
- первый полевой транзистор с барьером Шотки - 3
- два резистора - 4 и 5 первый и второй соответственно,
- второй полевой транзистор с барьером Шотки - 6,
- три индуктивности - 7, 8, 9 первая, вторая и третья соответственно,
- два одинаковых резистора - 10, 11 соответственно,
- источник постоянного управляющего напряжения - 12.
На фиг.2 дана его электрическая схема.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины коэффициента стоячей волны напряжения при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0, и величине напряжения отсечки транзистора Uotc.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины фазы сигнала СВЧ при величине постоянного управляющего напряжения равной 0 и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.
На фиг.5 даны зависимости от частоты величины прямых потерь СВЧ Ап и величины затухания на СВЧ Аз при величине постоянного управляющего напряжения, равной 0, и величине напряжения отсечки транзистора Uотс.
Пример конкретного выполнения заявленного аттенюатора СВЧ.
В качестве примера рассмотрен одноразрядный широкополосный аттенюатор СВЧ.
Все элементы широкополосного аттенюатора СВЧ выполнены в монолитно-интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Линии передачи на входе 1 и выходе 2 выполнены шириной проводников 0,08 мм, что соответствует волновому сопротивлению, равному 50 Ом.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 3 имеют напряжение отсечки Uотс, равное 2 В.
1
2
Резисторы R 4, R 5 выполнены сопротивлениями, равными 140 Ом и 15 Ом соответственно, определенные согласно указанным выражениям для Δ=-1 дБ путем напыления, например, слоя тантала толщиной 4 мкм.
Индуктивности 7, 8, 9 выполнены шириной проводника 0,01 мм и длиной 0,2, 0,2, 2,5 мм соответственно.
При этом первый резистор 4 расположен параллельно, второй 5 - последовательно входу 1 и выходу 2 аттенюатора, концы первого резистора 4 соединены с истоком и стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 соответственно, его исток и соответственно первый резистор 4 заземлены, концы второго резистора 5 соединены с линиями передачи на входе и выходе соответственно, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 6 соединен с линией передачи на входе 1, его сток - с линией передачи на выходе 2, концы первой и второй индуктивностей 7, 8 соединены с концами первого 4 и второго 5 резисторов соответственно, один конец третьей индуктивности 9 соединен с линией передачи на входе 1, другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, затворы каждого полевого транзистора с барьером Шотки 3, 6 соединены соответственно через одинаковые резисторы третий 10 и четвертый 11 с источником постоянного управляющего напряжения 12.
Работу аттенюатора СВЧ рассмотрим на примере одного разряда.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 6 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 12 они становятся открытыми.
В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки 3 и 6 имеют малое сопротивление Zоткр.
Сопротивление Zоткр первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 включено параллельно первому резистору 4 и параллельно первой индуктивности 7, поэтому общее сопротивление Zo, включенное параллельно входу 1 и выходу 2 аттенюатора, будет меньше меньшего (Zоткр).
Реактивное сопротивление третей индуктивности 9 в рабочей полосе частот имеет большую величину. Это сопротивление, заземленное через сопротивление Zo и включенное параллельно входу 1 аттенюатора, практически не влияет на величину амплитуды сигнала СВЧ.
Сопротивление Zоткр второго полевого транзистора с барьером Шотки 6 включено параллельно второму резистору 5 и параллельно второй индуктивности 8, поэтому общее сопротивление, включенное последовательно входу и выходу аттенюатора, будет меньше меньшего (Zоткр).
В этом случае реализуется малая величина прямых потерь СВЧ Ап в широкой рабочей полосе частот.
Коэффициент стоячей волны напряжения аттенюатора близок к единице.
Фаза сигнала СВЧ в аттенюаторе близка к 0 градусов.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 3 и 6 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки транзистора Uотс, они будут закрыты. В результате этого полевые транзисторы с барьером Шотки 3 и 6 имеют большое емкостное сопротивление Zзакр.
Величины индуктивностей 7 и 9 в рабочей полосе частот компенсируют емкостное сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, так что параллельно входу 1 аттенюатора будет включено сопротивление первого резистора 4.
Величины индуктивностей 8 и 9 в рабочей полосе частот компенсируют емкостное сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 6, так что последовательно входу 1 и выходу 2 аттенюатора будет включено сопротивление второго резистора 5.
При таком включении в аттенюаторе будут работать первый 4 и второй 5 резисторы, затухание на выходе будет определяться сопротивлениями этих резисторов.
Для рассматриваемого примера затухание будет равно 1 дБ.
Коэффициент стоячей волны напряжения аттенюатора близок к единице.
Фаза сигнала СВЧ в аттенюаторе будет также близка к 0 градусов.
На изготовленных образцах аттенюатора СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап, величины затухания Аз, коэффициент стоячей волны напряжения, величина изменения фазы сигнала СВЧ в рабочей полосе частот.
Результаты изображены на фиг.3, фиг.4, фиг.5.
Как видно из фиг.3:
- ширина рабочей полосы частот составляет 42 ГГц-18 ГГц=24 ГГц, что в 1,25 раз больше, чем у прототипа,
- величины коэффициента стоячей волны напряжения в открытом и закрытом состояниях полевых транзисторов с барьером Шотки не превышают 1,5, что в 1,5 раз меньше, чем у прототипа.
Как видно из фиг.4:
- величина изменения фазы сигнала СВЧ при открытых и закрытых состояниях полевых транзисторов с барьером Шотки в рабочей полосе частот от 18 ГГц до 42 ГГц не превышает одного градуса, что на порядок меньше, чем у прототипа,
Как видно из фиг.5:
- величина прямых потерь в аттенюаторе СВЧ в рабочей полосе частот от 18 ГГц до 42 ГГц составляет менее 0,5 дБ, что примерно равно прототипу,
- а величина затухания равна 1,5 дБ, так что изменение величины затухания аттенюатора СВЧ составляет 1 дБ.
Таким образом, заявленный аттенюатор СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
- увеличение рабочей полосы частот в 1,25 раза,
- уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения в 1,5 раза,
- уменьшение в 10 раз величины изменения фазы сигнала СВЧ при открытом и закрытом состояниях полевых транзисторов с барьером Шотки.
Данный дискретный широкополосный аттенюатор СВЧ может быть особенно востребован в импульсных - широтных радиолокационных системах.
Источники информации
1. Патент РФ №2314603, МПК H01P 1/22, приоритет 10.02.2006, опубл. 10.01.2008, бюлл. №1.
2. Патент РФ №2340048, МПК H01P 1/22, приоритет 26.04.2007, опубл. 27.11.2008, бюлл. №33 - прототип.