ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ СВЧ
DOUBLE-CHANNEL SHF SWITCH

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к переключателям СВЧ на полупроводниковых приборах.
Двухканальный переключатель СВЧ содержит один вход и два выхода для сигнала СВЧ.
Двухканальный переключатель СВЧ управляется от источника постоянного управляющего напряжения. При одной величине постоянного напряжения один канал открывается, а второй - закрывается. Открытый канал характеризуется потерями СВЧ и коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН) в рабочей полосе частот, закрытый канал характеризуется ослаблением сигнала СВЧ в рабочей полосе частот, при этом потери СВЧ и КСВН должны быть как можно меньше, а ослабление сигнала СВЧ должно быть по возможности большим.
Известен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа сигнала СВЧ, две другие - для выхода, каждая из двух линий передачи на выходе снабжена, по меньшей мере, одним электронным ключом, в качестве которого использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение; в который с целью снижения массогабаритных характеристик и уменьшения прямых потерь сигнала СВЧ в одну из линий передачи на выходе сигнала СВЧ дополнительно введен, по меньшей мере, один отрезок линии передачи с длиной, равной четверти длины волны в отрезке линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи.
При этом один конец отрезка линии передачи соединен с этой линией передачи на выходе, а другой конец - со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, сток другого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другой линией передачи на выходе, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, при этом расстояния от точки соединения трех линий передачи до точки соединения отрезка линии передачи с этой линией передачи на выходе и до стока другого полевого транзистора с барьером Шотки равны четверти длины волны в линиях передачи [1].
Наличие в переключателе СВЧ, по меньшей мере, одного отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны, и соединенного указанным образом, приводит к тому, что фактически переключатель содержит, по меньшей мере, три отрезка линии передачи с длиной, равной четверти длины волны на рабочих частотах.
Однако в рабочей полосе частот эти отрезки становятся резонансными, что приводит к возрастанию потерь сигнала СВЧ и увеличению КСВН в открытом канале переключателя СВЧ.
Известен двухканальный переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, две другие - для выхода, при этом линии передачи на выходе расположены симметрично относительно линии передачи на входе, отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, два электронных ключа, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, затворы соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения.
В который с целью увеличения переключаемой мощности СВЧ, снижения потерь СВЧ и увеличения ослабления сигнала СВЧ, в переключатель СВЧ дополнительно введены два одинаковых отрезка линии передачи длиной, равной одной восьмой части длины волны, шириной, равной ширине линии передачи на входе, при этом каждый из них связан электромагнитно с одной из двух линий передачи на выходе с расстоянием между ними, равным одной четвертой части их ширины. При этом концы дополнительных отрезков связанных линий передачи, которые расположены в непосредственной близости соединения трех линий передачи, соединены каждый со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, при этом сток одного из полевых транзисторов с барьером Шотки соединен с упомянутым концом дополнительного отрезка связанной линии передачи непосредственно, а сток другого - через отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны, вторые концы этих отрезков связанных линий передачи - заземлены [2 - прототип].
Использование в двухканальном переключателе СВЧ только одного четвертьволнового отрезка линии передачи существенно снижает влияние резонанса на амплитудно-частотные характеристики переключателя СВЧ, что позволяет снизить потери СВЧ и КСВН в открытых каналах переключателя СВЧ в рабочей полосе частот.
Однако, с другой стороны, наличие в данном переключателе СВЧ двух упомянутых отрезков связанных линий передачи, которые обладают каждый сравнительно слабой электромагнитной связью, не позволяет существенно снизить потери сигнала СВЧ и КСВН в открытых каналах переключателя СВЧ в рабочей полосе частот.
Техническим результатом изобретения является снижение коэффициента стоячей волны напряжения на входе и в открытых каналах переключателя СВЧ и снижение потерь СВЧ.
Технический результат достигается заявленным двухканальным переключателем СВЧ, содержащим 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 переключатель СВЧ дополнительно введены направленный ответвитель в виде моста Ланге (НО), отрезок линии передачи, 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.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность всех существенных признаков заявленного двухканального переключателя СВЧ, а именно:
Введение в двухканальный переключатель СВЧ направленного ответвителя в виде моста Ланге обеспечивает:
во-первых, благодаря использованию существенного преимущества направленного ответвителя в виде моста Ланге перед другими типами направленных ответвителей, заключающегося в сильной электромагнитной и гальванической связи между его элементами и тем самым в самых низких значениях КСВН на его выходах, и как следствие - существенное:
во-первых, снижение КСВН на входе и в открытых каналах переключателя СВЧ,
во-вторых, снижение потерь СВЧ.
Введение в двухканальный переключатель СВЧ дополнительно отрезка линии передачи и, когда оба отрезка линии передачи выполнены длиной, равной одной восьмой части длины волны, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи на входе переключателя, обеспечивает дополнительное согласование на входе и выходах переключателя и, как следствие - дополнительно к указанному выше - снижение КСВН на входе и в открытых каналах переключателя СВЧ.
Введение в двухканальный переключатель СВЧ дополнительно резистора и, когда величина его сопротивления на порядок превышает волновое сопротивление линии передачи на входе переключателя, обеспечивает существенное ослабление нежелательного ухода мощности СВЧ в нерабочий выход направленного ответвителя в виде моста Ланге и тем самым снижение потерь СВЧ в его рабочих выходах, и, как следствие - снижение потерь СВЧ в открытых каналах переключателя.
Предложенное соединение направленного ответвителя в виде моста Ланге и отрезков линии передачи с полевыми транзисторами с барьером Шотки и с линиями передачи на входе и выходе переключателя и в совокупности с соединением всех других элементов двухканального переключателя СВЧ обеспечивает:
во-первых, исключение четвертьволнового отрезка линии передачи, а вместе с ним и резонансного характера поведения амплитудно-частотных характеристик переключателя и, как следствие - снижение КСВН на входе и в открытых каналах переключателя СВЧ и снижение потерь СВЧ,
во-вторых, вследствие выполнения в переключателе СВЧ всех линий передачи и отрезков линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями и тем самым исключения возможности возникновения неоднородностей в местах их соединения, и тем самым исключения возможности переотражения сигнала СВЧ, и тем самым существенного улучшения амплитудно-частотных характеристик двухканального переключателя СВЧ и, как следствие - снижение коэффициента стоячей волны напряжения на входе и в открытых каналах переключателя СВЧ и снижение потерь СВЧ при сохранении большой величины ослабления сигнала СВЧ в закрытых каналах.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология двухканального переключателя СВЧ, где
- три линии передачи, одна из которых предназначена для входа - 1 сигнала СВЧ, а две другие - для выхода - 2, 3 соответственно,
- отрезок линии передачи - 4,
- два электронных ключа - два полевых транзистора с барьером Шотки - 5, 6 соответственно,
- направленный ответвитель в виде моста Ланге - 7,
- дополнительный отрезок линии передачи - 8,
- резистор - 9,
- источник постоянного управляющего напряжения - 10.
На фиг.2 дана принципиальная схема двухканального переключателя СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины потерь СВЧ в открытых каналах двухканального переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на выходе 2, а кривая 2 - в линии передачи на выходе 3.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины КСВН на входе и в открытых каналах двухканального переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи на выходе 2, кривая 2 - в линии передачи на выходе 3, а кривая 3 - на входе переключателя СВЧ.
Пример конкретного выполнения двухканального переключателя СВЧ.
Все элементы двухканального переключателя СВЧ выполнены в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Три линии передачи - на входе 1, на выходе 2, 3 выполнены каждая шириной проводника, равной 0,08 мм.
Отрезок линии передачи 4 и дополнительный отрезок линии передачи 8 выполнены каждый длиной, равной 1,5 мм, что соответствует одной восьмой длины волны, и шириной, равной 0,08 мм.
Два электронных ключа, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки 5 и 6.
Направленный ответвитель в виде моста Ланге 7 выполнен в традиционном виде в монолитном интегральном исполнении.
При этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки 5 и 6 заземлены, а их затворы соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения 10.
При этом первый конец направленного ответвителя в виде моста Ланге 7 на его входе соединен с линией передачи на входе 1 переключателя, второй конец на его выходе - с другим концом отрезка линии передачи 4 и одновременно с линией передачи на втором выходе 3 переключателя, третий конец на его выходе - с одним концом дополнительного отрезка линии передачи 8, другой конец которого соединен с линией передачи на первом выходе 2 переключателя и одновременно со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 5, четвертый конец на его выходе - с одним концом резистора 9, другой конец которого заземлен.
Работа двухканального переключателя СВЧ.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 5, 6 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от одного источника постоянного управляющего напряжения 10 становятся открытыми оба полевых транзистора с барьером Шотки.
При этом полевые транзисторы с барьером Шотки имеют малое сопротивление Zоткр.
Малое сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 5 включено последовательно с линией передачи на первом выходе 2 и практически не оказывает влияния на сигнал СВЧ.
Малое сопротивление первого полевого транзистора с барьером Шотки 5, включенное через отрезок линии передачи 4, будет существенно больше, чем волновое сопротивление линии передачи на первом выходе 2.
Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться в линии передачи первого выхода 2 с малыми потерями.
Малое сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки 6 соединено с «землей» и представляет собой закоротку для сигнала СВЧ.
Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться в линии передачи на втором выходе 3 сильно ослабленным.
В этом случае сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 передачи на выходе 2 с малой величиной потерь СВЧ Ап, а в линию передачи на выходе 3 - с большой величиной ослабления сигнала СВЧ Ао.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 5, 6, отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки Uотс., оба полевых транзистора с барьером Шотки будут закрыты.
При этом полевые транзисторы с барьером Шотки имеют большое сопротивление Zзакр.
Большое сопротивление Zзакр. полевого транзистора с барьером Шотки 5, включенного последовательно в линию передачи на первом выходе 2, увеличит потери СВЧ.
Большое сопротивление этого полевого транзистора с барьером Шотки, включенное через дополнительный отрезок линии передачи 8, трансформируется в малое сопротивление на конце этого дополнительного отрезка линии передачи и будет представлять собой закоротку для сигнала СВЧ.
Вследствие чего сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 переключателя будет распространяться в линии передачи первого выхода 2 сильно ослабленным.
Большое сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 6, включенное параллельно линии передачи на втором выходе 3, будет оказывать незначительное влияние на распространение сигнала СВЧ.
В этом случае сигнал СВЧ с линии передачи на входе 1 передается в линию передачи на первом выходе 2 с большой величиной ослабления Ао, а в линию передачи на втором выходе 3 - с малой величиной потерь СВЧ Ап.
На изготовленных образцах переключателя СВЧ были измерены величины потерь СВЧ и КСВН соответственно в линиях передачи на первом и втором выходе 2 и 3 соответственно при подаче в линию передачи на входе 1 сигнала СВЧ.
Результаты изображены на фиг.3 и 4.
Как видно из фиг.3, величины потерь СВЧ в обоих каналах переключателя СВЧ в рабочей полосе частот не превышают 0,7 дБ, что примерно в 1,3 раза меньше, чем у прототипа.
Как видно из фиг.4, величины КСВН в обоих каналах и на входе переключателя СВЧ в рабочей полосе частот не превышают 1,3, что примерно в 1,2 раза меньше, чем у прототипа.
Таким образом, заявленный переключатель СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
- снижение величины потерь СВЧ в открытых каналах примерно в 1,3 раза,
- снижение величины КСВН в открытых каналах и на входе переключателя примерно в 1,2 раза,
- при сохранении большой величины ослабления сигнала СВЧ в закрытых каналах.
Источники информации
1. Патент №2306641, МПК Н01Р 1/15, приоритет от 29.03.2006 г., опубл. 20.09.2007 г., Бюл. №26.
2. Патент №2380796, МПК Н01Р 1/15, приоритет от 20.10.2009 г., опубл. 27.01.2010 г., Бюл. №3.