Самоуправляемый переключатель СВЧ
AUTOMATIC 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 функционального назначения высокого уровня входной мощности СВЧ.
Известен переключатель СВЧ, содержащий тройник, первое плечо которого является входом, второе и третье - первым и вторым выходами соответственно, во втором плече на расстоянии, равном λ/4 от узла разветвления тройника, установлена параллельно включенная первая группа СВЧ-диодов, состоящая из одного или нескольких СВЧ-диодов, в третьем плече на расстоянии, равном λ/4 от узла разветвления тройника, включен четвертьволновый шлейф, на конце которого установлена параллельно включенная вторая группа СВЧ-диодов, состоящая из одного или нескольких СВЧ-диодов.
В котором, с целью увеличения полосы рабочих частот, при сохранении уровня рабочей мощности, без усложнения схемы управления, третье плечо выполнено в виде четвертьволнового отрезка связанной линии, к вторичной линии которой подключен параллельно, по меньшей мере, один дополнительный диод [Патент 2454758 РФ. СВЧ-переключатель /Быков А.В.//Бюл. - 2012 - №18/].
Известен переключатель СВЧ прием-передача, содержащий ключ с цепью управления, выполненной и соединенной между первым портом (на передачу) и общим портом, соединенным с антенной.
В котором, с целью снижения потерь СВЧ и шума, в переключателе СВЧ между общим портом и вторым портом (на прием) через четвертьволновый отрезок линии передачи дополнительно выполнен ограничитель СВЧ-мощности отражательного типа [Патент 2461919 РФ. СВЧ-переключатель /Ющенко А.Ю. и др.//Бюл. - 2012 -№26].
Наличие в переключателе СВЧ ограничителя СВЧ-мощности отражательного типа обеспечивает защиту приемного канала от воздействия несинхронных и случайных помех.
Однако и первый, и второй аналоги переключателей СВЧ (переключатель) отличаются:
- низким быстродействием из-за большой собственной емкости pin-диодов;
- узкой полосой рабочих частот из-за резонансных свойств четвертьволнового отрезка линии передачи;
- большими массогабаритными характеристиками из-за наличия управляющих устройств;
- не обеспечивают самоуправляемости и соответственно должную защиту приемного канала от систематических, не систематических и случайных помех.
Известен самоуправляемый переключатель СВЧ, содержащий
три вывода с одинаковыми волновыми сопротивлениями - передача, прием, прием-передача соответственно,
блок переключателя передачи, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки, резистор, два отрезка линии передачи,
блок переключателя приема, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки, резистор, отрезок линии передачи,
блок генератора управляющего напряжения смещения в виде двух амплитудных выпрямителей удвоителей напряжения отрицательной полярности, имеющий каждый из них два выпрямительных диода с барьером Шоттки, два конденсатора, два резистора,
при этом каждый из упомянутых блоков имеет вход и выход, и которые выполнены с возможностью управления сигналами передачи и приема соответственно,
при этом
вход блока переключателя передачи соединен с выводом передача, его выход - с выводом прием-передача,
вход блока переключателя приема соединен с выводом прием-передача, его выход - с выводом прием [Patent №US 2017/0019141 A1 / SELF-ACTIVATED TRANSFER SWITCH // Charles Forrest Campbell // United States, Patent Application Publication / Jan. 19, 2017/].
Данный переключатель СВЧ по сравнению с предыдущими аналогами обеспечивает самоуправляемость, что является одной из важнейших характеристик, значительно определяющей его применение.
Однако, данный переключатель СВЧ отличается достаточно сложной конструкцией и повышенными массо-габаритными характеристиками.
Техническим результатом заявленного самоуправляемого переключателя СВЧ является упрощение конструкции, уменьшение массогабаритных характеристик при сохранении - самоуправляемости, рабочей полосы частот, уровня потерь СВЧ и быстродействия.
Технический результат достигается заявленным самоуправляемым переключателем СВЧ, содержащим
три вывода с одинаковыми волновыми сопротивлениями - передача, прием, прием-передача соответственно,
блок переключателя передачи, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки - первый, резистор - первый, отрезок линии передачи - первый,
блок переключателя приема, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки - второй, резистор - второй, отрезок линии передачи - второй,
блок генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности, имеющий два выпрямительных диода с барьером Шоттки - первый, второй, два конденсатора - первый, второй, два резистора - третий, четвертый,
при этом каждый из упомянутых блоков имеет вход и выход, и выполнены с возможностью управления сигналами передачи и приема соответственно,
вход блока переключателя передачи соединен с выводом передача, его выход - с выводом прием-передача,
вход блока переключателя приема соединен с выводом прием-передача, его выход - с выводом прием.
В котором
блок переключателя передачи имеет один отрезок линии передачи, точка соединения электрода стока первого полевого транзистора с барьером Шоттки с одним концом первого отрезка линии передачи является входом блока переключателя передачи, другой конец первого отрезка линии передачи является его выходом,
электрод затвора первого полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с одним концом первого резистора, его электрод истока - заземлен,
блок переключателя приема дополнительно имеет два защитных диода с барьером Шоттки - первый, второй, при этом
электроды катода первого и анода второго защитных диодов с барьером Шоттки, и один конец второго отрезка линии передачи - заземлены,
электрод стока второго полевого транзистора с барьером Шоттки является входом блока переключателя приема,
точка соединения электрода истока второго полевого транзистора с барьером Шоттки с другим концом второго отрезка линии передачи, электродами анода первого и катода второго защитных диодов с барьером Шоттки является выходом блока переключателя приема,
электрод затвора второго полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с одним концом второго резистора,
блок генератора управляющего напряжения смещения имеет один амплитудный выпрямитель удвоитель напряжения отрицательной полярности,
при этом
один конец первого конденсатора является входом блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности,
другой его конец соединен с одним концом третьего резистора, другой конец последнего соединен одновременно с электродами анода первого и катода второго выпрямительных диодов с барьером Шоттки,
точка соединения электрода анода второго выпрямительного диода с барьером Шоттки с одними концами второго конденсатора и четвертого резистора является выходом блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности,
электрод катода первого выпрямительного диода с барьером Шоттки, другие концы второго конденсатора и четвертого резистора - заземлены,
при этом
вход блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности соединен с выводом прием-передача, его выход соединен одновременно с другими концами первого и второго резисторов.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного самоуправляемого переключателя СВЧ, а именно.
Иное выполнение каждого из упомянутых блоков - переключателя передачи, переключателя приема, генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности;
Равно как и предложенное иное электрическое соединение элементов переключателя:
а) как в каждом из упомянутых его блоков,
б) так и упомянутых блоков между собой, а именно когда:
блок переключателя передачи имеет один отрезок линии передачи, точка соединения электрода стока первого полевого транзистора с барьером Шоттки с одним концом первого отрезка линии передачи является входом блока переключателя передачи, другой конец первого отрезка линии передачи является его выходом,
электрод затвора первого полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с одним концом первого резистора, его электрод истока - заземлен,
блок переключателя приема дополнительно имеет два защитных диода с барьером Шоттки - первый, второй, при этом
электроды катода первого и анода второго защитных диодов с барьером Шоттки, и один конец второго отрезка линии передачи - заземлены,
электрод стока второго полевого транзистора с барьером Шоттки является входом блока переключателя приема,
точка соединения электрода истока второго полевого транзистора с барьером Шоттки с другим концом второго отрезка линии передачи, электродами анода первого и катода второго защитных диодов с барьером Шоттки является выходом блока переключателя приема,
электрод затвора второго полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с одним концом второго резистора,
блок генератора управляющего напряжения смещения имеет один амплитудный выпрямитель удвоитель напряжения отрицательной полярности,
при этом
один конец первого конденсатора является входом блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности,
другой его конец соединен с одним концом третьего резистора, другой конец последнего соединен одновременно с электродами анода первого и катода второго выпрямительных диодов с барьером Шоттки,
точка соединения электрода анода второго выпрямительного диода с барьером Шоттки с одними концами второго конденсатора и четвертого резистора является выходом блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности,
электрод катода первого выпрямительного диода с барьером Шоттки, другие концы второго конденсатора и четвертого резистора -заземлены,
при этом
вход блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности соединен с выводом прием-передача, его выход соединен одновременно с другими концами первого и второго резисторов.
Это, благодаря значительному уменьшению количества элементов самоуправляемого переключателя СВЧ и соответственно, значительному уменьшению соединительных линий между ними обеспечивает:
во-первых, упрощение конструкции, и
во-вторых, уменьшение массо-габаритных характеристик переключателя СВ.
При сохранении самоуправляемости, рабочей полосы частот, уровня потерь СВЧ и быстродействия.
Более того, заявленная конструкция переключателя СВЧ обеспечивает возможность его изготовления на основе различных полупроводниковых материалах, и в том числе на основе соединений нитридов третьей группы, обладающих уникальными возможностями с точки зрения реализации как его конструкции, так и реализации соответствующих параметров СВЧ-приборов.
Итак, заявленный самоуправляемый переключатель СВЧ в полной мере обеспечивает заявленный технический результат - упрощение конструкции, уменьшение массогабаритных характеристик при сохранении самоуправляемости, рабочей полосы частот, уровня потерь СВЧ и быстродействия.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дана топология заявленного самоуправляемого переключателя СВЧ, где
- три вывода с одинаковыми волновыми сопротивлениями - передача, прием, прием-передача - 1, 2, 3 соответственно,
- блок переключателя передачи - 4, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки - первый - 5, резистор - первый - 6, отрезок линии передачи - первый - 7,
- блок переключателя приема - 8, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки - второй - 9, резистор - второй - 10, отрезок линии передачи - второй - 11,
- блок генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя напряжения отрицательной полярности - 12, имеющий два выпрямительных диода с барьером Шоттки - первый, второй - 13, 14, два конденсатора - первый, второй - 15, 16, два резистора - третий, четвертый - 17, 18 соответственно,
- вход и выход блока переключателя передачи - 19 и 20 соответственно,
- вход и выход блока переключателя приема - 21 и 22 соответственно,
- вход и выход блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности - 23 и 24 соответственно,
- блок переключателя приема дополнительно имеет два защитных диода с барьером Шоттки - первый, второй - 25, 26 соответственно.
На фиг. 2 дана принципиальная электрическая схема заявленного самоуправляемого переключателя СВЧ.
На фиг. 3 даны зависимости коэффициента стоячей волны (КСВН) и прямых потерь СВЧ в диапазоне частот 13-18 ГГц для режимов прием, передача и случайная помеха.
Заявленный самоуправляемый переключатель СВЧ работает следующим образом:
Сигнал с вывода прием-передача 3 подается на вход блока генератора управляющего напряжения смещения 23 в виде амплитудного выпрямителя напряжения отрицательной полярности 12. С его выхода 24 постоянное выпрямленное отрицательное напряжение пропорциональное двойной амплитуде сигнала подается на затворы полевых транзисторов с барьером Шоттки 5, 9 соответственно, через первый и второй резисторы 6, 10 соответственно.
В режиме (прием) - амплитуда сигнала мала и напряжение на выходе 24 блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя напряжения отрицательной полярности 12 равно 0, оба (первый и второй) полевых транзистора с барьером Шоттки 5, 9 открыты и их импеданс мал.
Сигнал с вывода прием-передача 3 поступает на вывод прием 2 через последовательно включенный второй полевой транзистор с барьером Шоттки 9, при этом первый полевой транзистор с барьером Шоттки 5 замыкает первый отрезок линии передачи 7 длиной 1/4 λ, который трансформирует высокий импеданс и отключает вывод передача 1 от вывода прием 2. Параллельно выводу прием 2 включены два защитных диода с барьером Шоттки 25, 26 своими разноименными концами и второй отрезок линии передачи 11, настроенный в резонанс с собственной емкостью защитных диодов с барьером Шоттки 25, 26, имеющих высокий импеданс.
В режиме (передача) - сигнал передатчика большой амплитуды подается на вывод передача 1 и далее через первый отрезок линии передачи 7 на вывод прием-передача 3. Сигнал одновременно подается на вход блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя напряжения отрицательной полярности 12, с выхода которого большое постоянное выпрямленное отрицательное напряжение пропорциональное двойной амплитуде сигнала подается на затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шоттки 5, 9 соответственно, через первый и второй резисторы 6, 10 и запирает их. При этом малая часть сигнала прошедшего через закрытый второй полевой транзистор с барьером Шоттки 9 ограничивается за счет включения первого и второго защитных диодов с барьером Шоттки 25, 26, обеспечивая автоматическую защиту приемного канала.
В режиме (прием) - при воздействии несинхронной или случайной помехи сигнал подается на вывод прием-передача 3 и одновременно на вход блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя напряжения отрицательной полярности 12, с выхода которого постоянное выпрямленное отрицательное напряжение пропорциональное двойной амплитуде сигнала подается на затворы первого и второго полевых транзисторов с барьером Шоттки 5, 9 соответственно, через первый и второй резисторы 6, 10 и увеличивает их импеданс. При этом малая часть сигнала прошедшего через закрытый второй полевой транзистор с барьером Шоттки 9 ограничивается за счет включения первого и второго защитных диодов с барьером Шоттки 25, 26, обеспечивая автоматическую защиту приемного канала.
Таким образом, самоуправляемый переключатель СВЧ является самоуправляемым и в отсутствии сигнала или при малом уровне сигнала находится в режиме (прием) и автоматически переходит в режим (передача) при появлении синхронного сигнала, несинхронного сигнала или сигнала помехи и обеспечивает надежную защиту приемного канала.
Пример конкретного выполнения.
Заявленный самоуправляемый переключатель СВЧ выполнен в виде монолитной интегральной схемы на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия (GaN), содержащий полупроводниковую подложку кремния (Si), толщиной 100 мкм и последовательность, по меньшей мере, одного слоя широкозонного и одного слоя узкозонного материала полупроводниковой гетероструктуры, формирующих канал полевого транзистора с барьером Шоттки.
При этом самоуправляемый переключатель СВЧ выполнен согласно заданной его топологии, с использованием традиционных (классических) технологических процессов изготовления тонкопленочной технологии.
При этом изготавливают:
три вывода с одинаковыми волновыми сопротивлениями (50 Ом) - передача 1 прием 2, прием-передача 3;
блок переключателя передачи 4, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки (типа НЕМТ) - первый 5, резистор (сопротивлением 1-3 кОм) - первый 6, отрезок линии передачи (длиной λ/4) - первый 7;
блок переключателя приема 8, имеющий полевой транзистор с барьером Шоттки (типа НЕМТ) - второй 9, резистор (сопротивлением 1-3 кОм) - второй 10, отрезок линии передачи (длиной λ/4) - второй 11, два защитных диода с барьером Шоттки - первый 25, второй 26;
блок генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности 12, имеющий два выпрямительных диода с барьером Шоттки - первый 13, второй 14, два конденсатора, каждый (емкостью 1 пФ) - первый 15, второй 16, два резистора, каждый (сопротивлением 1-3 кОм) - третий 17, четвертый 18,
при этом каждый из упомянутых блоков имеет вход и выход, и выполнен с возможностью управления сигналами передачи и приема соответственно,
При этом
точка соединения электрода стока первого полевого транзистора с барьером Шоттки 5 с одним концом первого отрезка линии передачи 7 является входом 19 блока переключателя передачи 4, другой конец первого отрезка линии передачи 7 является его выходом 20,
электрод затвора первого полевого транзистора с барьером Шоттки 5 соединен с одним концом первого резистора 6, его электрод истока - заземлен,
электроды катода первого 25 и анода второго 26 защитных диодов с барьером Шоттки, и один конец второго отрезка линии передачи 11 - заземлены,
электрод стока второго полевого транзистора с барьером Шоттки 9 является входом 21 блока переключателя приема 8,
точка соединения электрода истока второго полевого транзистора с барьером Шоттки 9 с другим концом второго отрезка линии передачи 11, электродами анода первого 25 и катода второго 26 защитных диодов с барьером Шоттки является выходом 22 блока переключателя приема 8,
электрод затвора второго полевого транзистора с барьером Шоттки 9 соединен с одним концом второго резистора 10,
один конец первого конденсатора 15 является входом 23 блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности 12,
другой его конец 15 соединен с одним концом третьего резистора 17, другой конец последнего 17 соединен одновременно с электродами анода первого 13 и катода второго 14 выпрямительных диодов с барьером Шоттки,
точка соединения электрода анода второго выпрямительного диода с барьером Шоттки 14 с одними концами второго конденсатора 16 и четвертого резистора 18 является выходом 24 блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности 12,
электрод катода первого выпрямительного диода с барьером Шоттки 13, другие концы второго конденсатора 16 и четвертого резистора 18 - заземлены,
при этом
вход блока переключателя передачи 19 соединен с выводом передача 1 его выход 20 - с выводом прием-передача 3,
вход 21 блока переключателя приема 8 соединен с выводом прием-передача 3, его выход 22 - с выводом прием 2.
вход 23 блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности 12 соединен с выводом прием-передача, его выход 24 соединен одновременно с другими концами первого 6 и второго 10 резисторов.
На изготовленных образцах самоуправляемого переключателя СВЧ были измерены зависимости коэффициента стоячей волны (КСВН) и прямых потерь СВЧ в диапазоне частот 13-18 ГГц для режимов прием, передача и случайная помеха.
Данные представлены на фиг. 3 (а, 6, в).
Как видно из фиг. 3 (а, б) в режимах прием-передача обеспечивается:
- согласованный режим работы блока генератора управляющего напряжения смещения в виде амплитудного выпрямителя удвоителя напряжения отрицательной полярности в диапазоне частот 13-18 ГГц,
- зависимости имеют резонансный характер,
- КСВН не превышает 2,
- прямые потери СВЧ не велики и составляют для режима - прием 0,7-0,9 дБ, а для режима передача 0,4-0,8 дБ.
Как видно из фиг. 3 в режиме - случайная помеха самоуправляемый переключатель СВЧ
- переходит в режим отражения сигнала в диапазоне частот 13-18 ГГц,
- зависимости имеют резонансный характер,
- КСВН порядка 30,
- прямые потери (ослабление сигнала проходящего в приемный канал) составляет более 17 дБ.
Таким образом, заявленный самоуправляемый переключатель СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит
упрощение конструкции на 35% и соответственно уменьшение массогабаритных характеристик.
при сохранении самоуправляемости, рабочей полосы частот, уровня потерь СВЧ и быстродействия.
Это особенно актуально для коммутации сигнала СВЧ между каналами при создании современных многоканальных устройств различного функционального назначения, в частности оконечного устройства приемопередатчика в монолитно-интегральном исполнении для активных фазированных антенных решеток.