переключатель свч
Классы МПК: | H01P1/15 посредством полупроводниковых приборов |
Автор(ы): | Балыко Александр Карпович (RU), Королев Александр Николаевич (RU), Мальцев Валентин Алексеевич (RU), Слободенюк Галина Васильевна (RU), Щербаков Федор Евгеньевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-03-23 публикация патента:
10.10.2008 |
Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к переключателям СВЧ на полупроводниковых приборах. Переключатель СВЧ содержит соединение трех линий передач с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода. Линии передачи на выходе снабжены электронным ключом, в качестве которого использован один полевой транзистор с барьером Шотки, при этом исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение. В переключатель дополнительно введены отрезки линий передач длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом одни концы дополнительных отрезков линий передач соединены с линиями передач на выходе каждый на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач, а другие соединены между собой и соединены со стоком полевого транзистора с барьером Шотки. Технический результат - повышение надежности, уменьшение прямых потерь, увеличение коэффициента затухания и снижение коэффициента отражения сигнала СВЧ. 5 ил.
Формула изобретения
Переключатель СВЧ, содержащий соединение трех линий передач с одинаковым волновым сопротивлением, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, электронный ключ, в качестве которого использован полевой транзистор с барьером Шотки, при этом исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение, отличающийся тем, что в переключатель дополнительно введены отрезки линий передач длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны в линии передачи и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, при этом одни концы дополнительных отрезков линий передач соединены с линиями передач на выходе каждый на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач, а другие соединены между собой и соединены со стоком полевого транзистора с барьером Шотки.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к переключателям СВЧ на полупроводниковых приборах.
Развитие техники СВЧ и особенно радиолокационных станций с активными фазированными решетками, в состав которых входит множество идентичных компонентов, предъявляет особые требования к коммутирующим устройствам СВЧ.
Переключатели СВЧ должны отличаться надежностью, высоким быстродействием и малыми потерями передачи СВЧ-сигнала.
Указанным требованиям максимально отвечают переключатели СВЧ, выполненные на основе различных полупроводниковых приборов в отличие от переключателей на основе ферритовых.
Среди первых наибольшее применение нашли переключатели СВЧ, в которых в качестве электронного ключа используют p-i-n диоды и полевые транзисторы с барьером Шотки.
В зависимости от предъявляемых требований, с точки зрения реализации его параметров переключатели СВЧ на основе p-i-n диодов могут быть выполнены по схеме либо с параллельным, либо последовательным, либо смешанным их включением в переключательные цепи СВЧ.
Известен, например, переключатель СВЧ, обеспечивающий быструю коммутацию сигнала СВЧ с одного выхода на другой и обратно, содержащий входной и выходной квадратурные мосты, каждый из которых имеет первый и второй входы и первый и второй выходы, между первыми выходом и входом соответственно входного и выходного квадратурных мостов и между вторыми выходом и входом соответственно входного и выходного квадратурных мостов включены соответственно первый и второй, переключаемые p-i-n диодами фазовращатели, первый из которых выполнен с возможностью переключения из фазового состояния 180° в фазовое состояние 0° [1].
Недостатками данного переключателя СВЧ являются невысокая надежность из-за наличия в нем большего числа диодов, сравнительно высокие прямые потери СВЧ-сигнала и сравнительно низкий коэффициент затухания из-за наличия в нем фазовращателей.
Известен переключатель СВЧ, в котором в качестве электронного ключа использованы полевые транзисторы с барьером Шотки. Переключатель СВЧ представляет собой соединение трех линий передач с одинаковым волновым сопротивлением, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода. Каждая из двух линий передач на выходе снабжена, по крайней мере, одним электронным ключом - полевым транзистором с барьером Шотки, при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на затворы подают постоянное управляющее напряжение - прототип [2].
Использование в качестве электронных ключей полевых транзисторов с барьером Шотки вместо p-i-n диодов позволило несколько повысить надежность переключателя СВЧ.
Исключение фазовращателей позволило несколько уменьшить прямые потери и увеличить коэффициент затухания.
Однако существенно улучшить указанные выше основные параметры переключателя СВЧ не удается, в том числе из-за наличия нескольких полевых транзисторов с барьером Шотки.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, уменьшение прямых потерь, увеличение коэффициента затухания и снижение коэффициента отражения сигнала СВЧ.
Технический результат достигается тем, что в известном переключателе СВЧ, содержащем соединение трех линий передач с одинаковым волновым сопротивлением, одна линия передачи предназначена для входа СВЧ-сигнала, две другие - для выхода, линии передачи на выходе снабжены электронным ключом, в качестве которого использован полевой транзистор с барьером Шотки, при этом исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение.
При этом:
- переключатель содержит один полевой транзистор с барьером Шотки,
- в переключатель дополнительно введены отрезки линий передач длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи,
- при этом одни концы дополнительных отрезков линий передач соединены с линиями передач на выходе каждый на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач, а другие соединены между собой и соединены со стоком полевого транзистора с барьером Шотки.
Использование для обеих линий передач на выходе только одного общего ключа - одного полевого транзистора с барьером Шотки позволит повысить надежность за счет исключения второго полевого транзистора с барьером Шотки с присущими ему недостатками, приводящими к ухудшению параметров переключателя СВЧ.
Введение в переключатель СВЧ дополнительно отрезков линий передачи с длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны в линии передачи, и указанным волновым сопротивлением в совокупности с вышеуказанным признаком и другими признаками предложенного изобретения позволит:
Во-первых, значительно уменьшить прямые потери:
а) за счет исключения второго полевого транзистора с барьером Шотки,
б) за счет включения полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «открыто» в одну линию передачи через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и включение его в состоянии «закрыто» в другую линию передачи на выходе через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной половине длины волны в линии передачи.
Во-вторых, увеличить коэффициент затухания, за счет включения полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «закрыто» в одну линию передачи через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и включение его в состоянии «открыто» в другую линию передачи на выходе через дополнительный отрезок линии передачи длиной, равной половине длины волны в линии передачи.
В-третьих, снизить коэффициент отражения, за счет соединения отрезков линий передач на выходе длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач.
Изобретение пояснялся чертежами.
На фиг.1 дана топология переключателя СВЧ, где
- соединение трех линий передачи, одна из которых предназначена для входа 1, а две другие 2, 3 - для выхода СВЧ-сигнала,
- электронный ключ, в качестве которого использован полевой транзистор с барьером Шотки - 4,
- дополнительные отрезки линий передач - 5 и 6 длиной, равной четверти и половине длины волны соответственно.
На фиг.2 дана принципиальная схема переключателя СВЧ.
На фиг.3 даны зависимости величины прямых потерь Ап от частоты в каналах 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 величины коэффициента затухания Аз от частоты в каналах переключателя СВЧ, где кривая 1 соответствует указанной зависимости в линии передачи 2 на выходе, а кривая 2 - в линии передачи на выходе 3.
На фиг.5 даны зависимости величины коэффициента отражения Ао от частоты в каналах переключателя СВЧ.
Пример конкретного выполнения.
Все элементы переключателя СВЧ выполнены в монолитно-интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Отрезки линий передач на выходе 2 и 3 выполнены длиной, равной четверти длины волны в линии передачи.
Три линии передачи на входе 1 и 2, 3 - на выходе СВЧ-сигнала выполнены с одинаковым волновым сопротивлением, которое задается шириной проводников, в данном случае равной 0,08 мм, и соединены между собой.
В переключатель СВЧ дополнительно введены отрезки линий передач 5 и 6 длиной, соответственно равной четверти и половине длины волны отрезка линии передачи, а именно шириной и длиной проводников оба 0,08 мм и 3 мм и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению любой из линий передач 1, 2, 3.
Одни концы упомянутых отрезков линий передач 6 и 5 соединены с линиями передач на выходе 2 и 3 соответственно и каждый на расстоянии, равном четверти длины волны в линии передачи, от соединения трех линий передач, а другие соединены между собой и соединены со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 4, имеющего напряжение отсечки UОТС., равное - 2,5 В.
Исток полевого транзистора с барьером Шотки 4 заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение от источника постоянного управляющего напряжения.
Работа переключателя СВЧ.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 4 постоянного управляющего напряжения U величиной, равной 0 В, от источника постоянного управляющего напряжения последний становится «открытым».
При этом полевой транзистор с барьером Шотки 4, сток которого соединен с другими концами дополнительных отрезков линий передач 5 и 6, имеет малое сопротивление Zоткр.
На конце дополнительного отрезка линии передачи 5 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3, будет сопротивление Z 3, рассчитанное по формуле [3]:
Z 3=Z02/Zоткр., где
Z0 - волновое сопротивление дополнительного отрезка линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3,
Zоткр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в открытом состоянии.
И это сопротивление Z3 будет существенно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 3.
На другом конце дополнительного отрезка линии передачи 6 длиной, равной половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 2, будет сопротивление Z 2, при этом
Z2=Zоткр., где
Zоткр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в открытом состоянии,
И это сопротивление Z 2 будет существенно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2.
Тогда сопротивление Z 20, рассчитанное по формуле [3]:
Z 20=Z02/Z2, где
Z0 - волновое сопротивление отрезка линии передачи на выходе 2,
Z2 - сопротивление на конце дополнительного отрезка линии передачи 6 длиной, равной половине длины волны в линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 2.
И это сопротивление Z 20 будет значительно больше, чем Z0.
В этом случае сигнал СВЧ с входной линии передачи 1 передается в линию передачи на выходе 3 с величиной прямых потерь Ап, а в линию передачи на выходе 2 - с величиной затухания Аз.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 4 отрицательного управляющего напряжения U, превышающего по абсолютной величине напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки Uотс., полевой транзистор с барьером Шотки 4 будет «закрыт».
При этом полевой транзистор с барьером Шотки 4, сток которого соединен с другими концами дополнительных отрезков линий передач 5 и 6, имеет большое сопротивление Zзакр.
На конце дополнительного отрезка линии передачи 5 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3 будет сопротивление Z3, рассчитанное по формуле [3]:
Z3=Z0 2/Zзакр., где
Z0 - волновое сопротивление дополнительного отрезка линии передачи на выходе 3,
Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «закрыто».
И это сопротивление Z3 будет существенно меньше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 3.
Тогда сопротивление Z30, рассчитанное по формуле [3]:
Z30=Z0 2/Z3, где
Z0 - волновое сопротивление дополнительного отрезка линии передачи на выходе 3,
Z 3 - сопротивление на конце дополнительного отрезка линии передачи 5 длиной, равной четверти длины волны в линии передачи, соединенного с линией передачи на выходе 3.
И это сопротивление Z30 будет равно Zзакр., которое значительно больше, чем Z0.
На другом конце дополнительного отрезка линии передачи 6 с длиной, равной половине длины волны в линии передачи, и волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи, будет сопротивление Z2, при этом
Z2=Zзакр., где
Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в состоянии «открыто»,
И это сопротивление Z2 будет существенно больше, чем волновое сопротивление Z0 линии передачи на выходе 2.
В этом случае сигнал СВЧ с входной линии передачи 1 передается в линию передачи на выходе 2 с величиной прямых потерь Ап, а в линию передачи на выходе 3 - с величиной затухания Аз.
На изготовленных образцах переключателя СВЧ были измерены величины прямых потерь Ап, коэффициентов затухания Аз и отражения Ао в зависимости от частоты в каналах переключателя СВЧ.
Как указано выше, результаты представлены на фиг.3, 4, 5.
Как видно:
из фиг.3 величины прямых потерь Ап на частоте 10 ГГц меньше - 0,5 дБ, что примерно в два раза меньше, чем у прототипа,
из фиг.4 величина коэффициента затухания Аз на частоте 10 ГГц равна - 15 дБ в закрытых каналах, что на 5 дБ меньше, чем у прототипа,
из фиг.5 величина коэффициента отражения Ао на частоте 10 ГГц равна 0,1 в обоих каналах, что в полтора раза меньше, чем у прототипа.
Таким образом, предложенный переключатель СВЧ по сравнению с прототипом позволит:
- повысить надежность,
- уменьшить прямые потери СВЧ, порядка двух раз,
- увеличить коэффициент затухания, порядка 30 процентов,
- и снизить коэффициент отражения сигнала СВЧ в полтора раза.
Кроме того, предложенный переключатель СВЧ позволит снизить массогабаритные характеристики.
Последнее особенно необходимо при изготовлении переключателя в составе монолитных интегральных схем СВЧ различного назначения.
Источники информации
1. Патент РФ № 2081480, приоритет 10.06.1997 г., МПК Н01P 1/15.
2. Балыко А.К., Богданов Ю.М., Васильев В.И., Климова А.В., Лапин В.Г., Темнов A.M., Юсупова Н.И. Проектирование монолитного двухканального переключателя СВЧ // Изв. ВУЗов. Радиотехника, 2004 г. № 2. стр.40-47.
3. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М., Связь, 1971.
Класс H01P1/15 посредством полупроводниковых приборов
двухканальный переключатель свч - патент 2479079 (10.04.2013) | |
переключатель свч - патент 2450393 (10.05.2012) | |
переключатель свч - патент 2410802 (27.01.2011) | |
двухканальный переключатель свч - патент 2401488 (10.10.2010) | |
переключатель свч - патент 2380796 (27.01.2010) | |
ограничитель мощности свч - патент 2354016 (27.04.2009) | |
широкополосный микрополосковый переключатель свч - патент 2339126 (20.11.2008) | |
диодный переключатель повышенной сверхвысокочастотной мощности - патент 2332757 (27.08.2008) | |
переключатель свч - патент 2313866 (27.12.2007) | |
переключатель свч - патент 2306641 (20.09.2007) |