АТТЕНЮАТОР СВЧ
MICROWAVE ATTENUATOR

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к аттенюаторам СВЧ на полупроводниковых приборах.
Одними из основных характеристик аттенюатора СВЧ являются:
- заданный уровень затухания сигнала СВЧ, Аз,
- прямые потери СВЧ, Ап,
- коэффициент стоячей волны напряжения (далее КСВН),
- массогабаритные характеристики.
При этом все указанные характеристики должны быть как можно меньше.
Известен аттенюатор СВЧ, содержащий в каждом разряде П-образное соединение трех резисторов, в котором в качестве электронных ключей использованы полевые транзисторы с барьером Шотки.
При этом последовательно соединенный резистор параллельно соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а затвор соединен с первым источником постоянного управляющего напряжения, два параллельно соединенные резисторы с одинаковыми сопротивлениями расположены по разные стороны от последовательно соединенного резистора и соединены с ним, а вторые их концы соединены со стоками двух других полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно. Истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а затворы соединены между собой и соединены со вторым источником постоянного управляющего напряжения [1].
Недостатками данного аттенюатора СВЧ являются:
- большие величины прямых потерь СВЧ из-за наличия последовательно соединенного резистора и параллельно соединенного с ним полевого транзистора с барьером Шотки,
- большие величины коэффициента стоячей волны напряжения из-за отсутствия согласования между сопротивлениями параллельных резисторов, которые для разных разрядов аттенюатора СВЧ имеют различную величину, и волновыми сопротивлениями линий передачи на входе и на выходе аттенюатора.
Известен аттенюатор СВЧ, состоящий, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит три резистора, один из которых расположен последовательно, а два других - параллельно линиям передачи на входе и на выходе аттенюатора и трех электронных ключей, в качестве которых использованы полевые транзисторы с барьером Шотки.
При этом первый резистор соединен с истоком и стоком полевого транзистора с барьером Шотки, а два других выполнены с одинаковыми сопротивлениями и расположены по разные стороны от первого и соответственно каждый вместе с полевым транзистором с барьером Шотки. Истоки последних заземлены, а их затворы служат для подачи напряжения от источников постоянного управляющего напряжения.
В каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи, которые расположены по разные стороны от первого резистора.
При этом один конец каждого из отрезков линии передачи соединен с одним из концов соответствующего одного из двух резисторов и со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а другой их конец соединен с концами первого резистора, другой конец каждого из двух других резисторов соединен с истоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, а затворы трех полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения. При этом отрезки линии передачи выполнены длиной, равной либо меньшей четверти длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линий передачи на входе и на выходе аттенюатора [2].
Преимуществом данного аттенюатора СВЧ по сравнению с предыдущим является:
- некоторое снижение прямых потерь СВЧ за счет оптимизации длины отрезков линии передачи,
- уменьшение массогабаритных характеристик за счет снижения числа источников постоянных управляющих напряжений.
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 на 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, а его исток заземлен.
Каждый разряд аттенюатора содержит один полевой транзистор с барьером Шотки и один параллельно соединенный резистор, 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 [3].
Преимуществом данного аттенюатора СВЧ относительно предыдущего является также:
- снижение прямых потерь СВЧ за счет исключения последовательно соединенного полевого транзистора с барьером Шотки,
- некоторое уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения за счет оптимизации сопротивления параллельно соединенного резистора,
- уменьшение массогабаритных характеристик за счет уменьшения числа полевых транзисторов с барьером Шотки.
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 на 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.
В каждый разряд аттенюатора дополнительно введены два отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, превышающим волновое сопротивление линий передачи на входе и на 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 одним источником постоянного управляющего напряжения [4 - прототип].
Преимуществом данного аттенюатора СВЧ относительно предыдущего является уменьшение массогабаритных характеристик, как и во втором аналоге, за счет уменьшения числа источников постоянного управляющего напряжения при сохранении параметров и, прежде всего, прямых потерь СВЧ.
Однако наличие в прототипе, так же как и в аналогах, резистора, последовательно соединенного с линиями передачи на входе и на выходе, не позволяет:
во-первых, существенно снизить прямые потери СВЧ,
во-вторых, получить хорошее согласование на входе и на выходе аттенюатора СВЧ и, следовательно - малые величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Техническим результатом изобретения является снижение прямых потерь СВЧ, уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения, уменьшение массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается известным аттенюатором СВЧ, состоящим, по меньшей мере, из одного разряда, каждый из которых содержит линии передачи на входе и на выходе с одинаковыми волновыми сопротивлениями, резисторы, одни из концов которых соединены с линиями передачи на входе и на выходе соответственно, полевые транзисторы с барьером Шотки, затворы которых соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения, а их истоки заземлены, отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи.
Каждый разряд аттенюатора содержит два резистора и два полевых транзистора с барьером Шотки.
При этом один из концов отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе, а другой - с линией передачи на выходе, другие концы первого и второго резисторов соединены со стоком первого и второго полевых транзисторов с барьером Шотки соответственно.
При этом волновое сопротивление отрезка линии передачи равно волновому сопротивлению линии передачи на входе и на выходе аттенюатора, сопротивление первого R1 и второго R2 резисторов определяют из формул:
,
где Z0 - волновое сопротивление линии передачи на входе и на выходе аттенюатора,
Аз - заданный уровень затухания сигнала СВЧ в разах.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного аттенюатора СВЧ, а именно как предложенное наличие элементов в аттенюаторе, равно как и предложенное их соединение, позволяет, прежде всего, исключить:
во-первых, как последовательно соединенный резистор,
во-вторых, так и полевой транзистор с барьером Шотки, соединенный параллельно последовательно соединенному резистору.
И то и другое в совокупности позволяет существенно снизить прямые потери СВЧ.
Соединение первого и второго резисторов непосредственно соответственно с первым и вторым полевыми транзисторами с барьером Шотки позволяет исключить отрезки линии передачи, одни из концов которых соединены со стоком соответствующего полевого транзистора с барьером Шотки, и тем самым исключить трансформацию импедансов полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым более эффективно использовать их ключевые режимы работы.
При этом в зависимости от ключевого режима работы полевых транзисторов с барьером Шотки реализуется:
- в закрытом состоянии:
во-первых, малые прямые потери СВЧ,
во-вторых, малая величина коэффициента стоячей волны напряжения, равная единице;
- в открытом состоянии:
во-первых, заданная величина затухания Аз,
во-вторых, малая величина коэффициента стоячей волны напряжения, равная единице.
Последовательное соединение одного из концов отрезка линии передачи с линией передачи на входе, а другого - с линией передачи на выходе, и когда волновое сопротивление отрезка линии передачи равно волновому сопротивлению линии передачи на входе и на выходе позволяет реализовать полное согласование его с линиями передачи на входе и на выходе аттенюатора и, как следствие - снижение прямых потерь СВЧ и уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Использование первого R1 и второго R2 резисторов с величинами сопротивлений, рассчитанными согласно заявленным математическим формулам, обеспечивает отсутствие отражений на входе и на выходе аттенюатора СВЧ и, как следствие - достижение равенства единице величины коэффициента стоячей волны напряжения.
Предложенное иное соединение элементов аттенюатора СВЧ позволяет уменьшить число как полевых транзисторов с барьером Шотки, так и число отрезков линии передачи и тем самым значительно уменьшить массогабаритные характеристики.
Итак, заявленный аттенюатор СВЧ в полной мере обеспечивает указанный технический результат, а именно снижение прямых потерь СВЧ, уменьшение коэффициента стоячей волны напряжения, уменьшение массогабаритных характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного аттенюатора СВЧ, где:
- линии передачи на входе - 1, и на выходе - 2,
- два резистора, первый - 3, второй - 4,
- два полевых транзистора с барьером Шотки, первый - 5, второй - 6,
- отрезок линии передачи - 7,
- источник постоянного управляющего напряжения - 8.
На фиг.2 дана электрическая схема аттенюатора СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости от частоты величины прямых потерь СВЧ Ап.
На фиг.4 даны зависимости от частоты величины коэффициента стоячей волны напряжения К.
Пример конкретного выполнения
В качестве примера рассмотрен одноразрядный аттенюатор СВЧ.
Все элементы аттенюатора СВЧ выполнены в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Линии передачи на входе 1 и на выходе 2 выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, шириной проводников 0,08 мм.
Резисторы первый 3 и второй 4 выполнены с сопротивлениями, равными 75 и 25 Ом соответственно, путем напыления в вакууме, например, тантала толщиной 4 мкм.
отс.
Полевые транзисторы с барьером Шотки первый 5 и второй 6 выполнены одинаковыми и имеют напряжение отсечки U, равное 2 В.
Отрезок линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, выполнен шириной и длиной проводников 0,08 и 3 мм соответственно.
При этом:
- первый резистор 3 R1 соединен одним концом с линией передачи на входе 1, а второй резистор 4 R2 соединен одним концом с линией передачи на выходе 2,
- отрезок линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, соединен с соответствующей линией передачи на входе 1 и на выходе 2,
- другой конец первого резистора 3 R1 соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 5,
- другой конец второго резистора 4 R2 соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 6,
- затворы полевых транзисторов с барьером Шотки первого 5 и второго 6 соединены между собой и соединены с источником постоянного управляющего напряжения 8,
- а их истоки заземлены через металлизированные отверстия в основании, на котором расположена монолитная интегральная схема аттенюатора СВЧ.
Работа аттенюатора СВЧ рассмотрена также на примере одного разряда.
отс.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки первого 5 и второго 6 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки транзистора U, они будут закрыты.
закр.
закр.
При этом полевые транзисторы с барьером Шотки будут иметь сопротивления Z, значительно большие, чем сопротивления резисторов первого 3 R1 и второго 4 R2, и значительно большие, чем волновые сопротивления линии передачи на входе 1 и на выходе 2 аттенюатора, и, следовательно, Z не будет влиять на величину прохождения сигнала СВЧ.
А поскольку волновое сопротивление отрезка линии передачи 7 равно волновым сопротивлениям линии передачи на входе и на выходе, то сигнал СВЧ будет иметь минимальные прямые потери СВЧ при прохождении через аттенюатор и коэффициент стоячей волны напряжения будет равен своей минимальной величине - единице.
Итак, в аттенюаторе СВЧ реализуются малые прямые потери СВЧ Ап и величина коэффициента стоячей волны напряжения К, равная единице.
При подаче на затворы полевых транзисторов с барьером Шотки первого 5 и второго 6 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения 8 они становятся открытыми.
откр.
откр.
При этом полевые транзисторы с барьером Шотки будут иметь сопротивления Z, значительно меньшие, чем сопротивления резисторов первого 3 R1 и второго 4 R2, и, следовательно, Z не будет влиять на величину прохождения сигнала СВЧ.
В этом случае величина затухания Аз определяется из формул:
А величина коэффициента стоячей волны напряжения К определяется из формулы:
.
Полагая величину коэффициента стоячей волны напряжения К равной единице, из этих двух уравнений находим выражения для сопротивлений резисторов:
.
Итак, в аттенюаторе СВЧ реализуются заданный уровень затухания сигнала СВЧ Аз и малая величина коэффициента стоячей волны напряжения, равная единице.
На изготовленных тест-образцах аттенюатора СВЧ для заданной величины затухания Аз, например, равной 8 дБ, наиболее трудно достижимой, были измерены величины прямых потерь СВЧ Ап и величины коэффициента стоячей волны напряжения К.
Результаты измерений изображены на фиг.3 и 4.
Как видно из фиг.3, величины прямых потерь СВЧ в аттенюаторе СВЧ в полосе частот от 8 ГГц до 12 ГГц составляют не более 0,2 дБ, что в 2 раза меньше, чем в прототипе.
Как видно из фиг.4, величины коэффициента стоячей волны напряжения в полосе частот от 8 ГГц до 12 ГГц составляют не более 1,2, что на 0,3 меньше, чем в прототипе.
Таким образом, заявленный аттенюатор СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
- снижение величины прямых потерь СВЧ более чем в 2 раза,
- уменьшение величины коэффициента стоячей волны напряжения на 0,3,
- значительное уменьшение массогабаритных характеристик.
Следует отметить, что заявленный аттенюатор СВЧ по массогабаритным характеристикам на сегодня является наиболее миниатюрным, что особенно актуально при его исполнении в монолитном интегральном исполнении.
Источники информации
1. Проектирование многоразрядных монолитных аттенюаторов. Абакумова Н.В., Богданов Ю.М. и др. Электронная техника. Сер.1, СВЧ-техника. 2005 г., вып.2, стр.6-19.
2. Патент РФ №2311704, МКИ H01P 1/22, приоритет 13.03.2006, опубл. 27.11.2007.
3. Патент РФ №2340048, МКИ H01P 1/22, приоритет 26.04.2007, опубл. 27.11.2008.
4. Патент РФ №2314603, МКИ H01P 1/22, приоритет 10.02.2006, опубл. 10.01 2008 - прототип.