RU2367066C1 - Microwave phase changer - Google Patents

Microwave phase changer Download PDF

Info

Publication number
RU2367066C1
RU2367066C1 RU2008133958/09A RU2008133958A RU2367066C1 RU 2367066 C1 RU2367066 C1 RU 2367066C1 RU 2008133958/09 A RU2008133958/09 A RU 2008133958/09A RU 2008133958 A RU2008133958 A RU 2008133958A RU 2367066 C1 RU2367066 C1 RU 2367066C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transmission line
microwave
effect transistor
bipolar
phase shifter
Prior art date
Application number
RU2008133958/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Карпович Балыко (RU)
Александр Карпович Балыко
Александр Николаевич Королев (RU)
Александр Николаевич Королев
Валентин Алексеевич Мальцев (RU)
Валентин Алексеевич Мальцев
Надежда Александровна Матюшина (RU)
Надежда Александровна Матюшина
Людмила Владимировна Никитина (RU)
Людмила Владимировна Никитина
Татьяна Евгеньевна Сучкова (RU)
Татьяна Евгеньевна Сучкова
Наталья Ивановна Ююкина (RU)
Наталья Ивановна Ююкина
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток")
Priority to RU2008133958/09A priority Critical patent/RU2367066C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2367066C1 publication Critical patent/RU2367066C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics; conductors.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering and more specifically to microwave phase changers on semiconductor devices. A microwave phase changer is proposed, which has two transmission lines with the same characteristic impedance, one meant for microwave signal input, and the other for output, a Schottky-barrier field-effect transistor, two bipolar reactive elements with different or same value. The drain of the Schottky-barrier field-effect transistor is connected to one end of one of the bipolar reactive elements, and the other end to the transmission line at the output. The source of the Schottky-barrier field-effect transistor is earthed, and direct control voltage is applied across its gate. The microwave phase changer additionally contains two transmission line sections, the first with length equal to or less than half the wavelength, and the second, with length equal to quarter wavelength. The said wavelength corresponds to the medium frequency of the operating frequency band.
EFFECT: wider operation frequency band, reduced direct losses, simplification of design and weight and size characteristics of the microwave phase changer.
3 cl, 4 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к фазовращателям СВЧ на полупроводниковых приборах.The invention relates to electronic equipment, namely to microwave phase shifters on semiconductor devices.

В технике СВЧ широко используются различные типы фазовращателей СВЧ: фазовые манипуляторы с изменением фазы на 180°, с управляемым углом фазы, многоразрядные с дискретным изменением фазы, которые представляют собой каскадное соединение нескольких, по крайней мере, двух разрядов, а переключение элементов в каждом разряде осуществляют электронными ключами, в качестве которых используют полупроводниковые приборы.In the microwave technique, various types of microwave phase shifters are widely used: phase manipulators with 180 ° phase change, with a controlled phase angle, multi-bit with discrete phase change, which are a cascade connection of at least two discharges, and switching elements in each discharge carry out electronic keys, which are used as semiconductor devices.

Одной из основных характеристик фазовращателя СВЧ наряду с величиной изменения фазы сигнала СВЧ является ширина рабочей полосы частот.One of the main characteristics of the microwave phase shifter along with the magnitude of the phase change of the microwave signal is the width of the working frequency band.

Известен широкополосный фазовращатель на 180° А.А.Михопаркина, основанный на трехконтурном параметрическом преобразователе на диодах с низкочастотной накачкой [1].Known broadband phase shifter at 180 ° A.A. Mikhoparkina, based on a three-circuit parametric converter on diodes with low-frequency pumping [1].

Один из недостатков данного фазовращателя - ограничение по величине изменения фазы, которая составляет только 180°.One of the disadvantages of this phase shifter is the restriction on the magnitude of the phase change, which is only 180 °.

Известен широкополосный фазовращатель с управляемым углом фазы, содержащий широкополосный разностный квадратурный фильтр, два пропорциональных звена с регулируемым коэффициентом передачи и сумматор. При этом один из выходов квадратурного фильтра подключен к входу первого, а другой - к входу второго, обеспечивающих соответствующее изменение амплитуды квадратурных составляющих сигнала, пропорциональных звеньев, выходы которых соединены с входами сумматора [2].Known broadband phase shifter with a controlled phase angle, containing a broadband differential quadrature filter, two proportional links with an adjustable transmission coefficient and an adder. In this case, one of the outputs of the quadrature filter is connected to the input of the first, and the other to the input of the second, providing a corresponding change in the amplitude of the quadrature components of the signal, proportional to the links whose outputs are connected to the inputs of the adder [2].

Один из недостатков данного фазовращателя - сложность конструкции из-за наличия в нем, прежде всего, двух квадратурных мостов на PiN диодах.One of the disadvantages of this phase shifter is the design complexity due to the presence in it, first of all, of two quadrature bridges on PiN diodes.

Известен полосковый фазовращатель, содержащий полосковый проводник, выполненный в форме меандра и заключенный между двумя диэлектрическими платами, на внешних сторонах которых расположены широкие полоски, гальванически соединенные между собой перемычками, первую пару переключающих диодов, включенных на входном и выходном концах между меандром и одной из широких полосок, вторую пару диодов, включенных на входном и выходном концах одной из широких полосок и экраном, последовательно соединенные пятый диод и поглощающий резистор, включенные между меандром и одной из широких полосок на расстоянии четверти длины волны самого коротковолнового паразитного резонанса от одного из концов меандра, при этом номинальное сопротивление поглощающего резистора равно половине волнового сопротивления подводящих линий [3].Known strip phase shifter containing a strip conductor made in the shape of a meander and enclosed between two dielectric boards, on the outer sides of which are wide strips galvanically connected by jumpers, the first pair of switching diodes connected at the input and output ends between the meander and one of the wide strips, a second pair of diodes connected at the input and output ends of one of the wide strips and a screen, a fifth diode and an absorption resistor connected in series, including nye between meander and a wide strips at a distance of a quarter of a parasitic resonance of short wavelength from one end of the meander, the nominal resistance of the absorbing resistor is equal to half the wave resistance feeders [3].

Данный фазовращатель по сравнению с предыдущими позволяет получить произвольное значение разности фаз сигнала и несколько расширить рабочую полосу частот благодаря использования полосковых проводников.This phase shifter in comparison with the previous ones allows you to get an arbitrary value of the phase difference of the signal and somewhat expand the working frequency band due to the use of strip conductors.

Один из недостатков данного фазовращателя - высокие прямые потери из-за наличия в нем поглощающих резисторов.One of the disadvantages of this phase shifter is its high direct losses due to the presence of absorbing resistors in it.

Более того, данный фазовращатель СВЧ, как и предыдущие, имеет существенные ограничения по широкополосности из-за наличия в них нескольких диодов и нескольких проводников, которые с емкостями диодов создают резонансные контуры, а также из-за сравнительно низкого коэффициента перекрытия по емкости диодов.Moreover, this microwave phase shifter, like the previous ones, has significant limitations on broadband due to the presence of several diodes and several conductors, which create resonant circuits with diode capacitances, and also because of the relatively low coefficient of overlap in the diode capacitance.

Кроме того, поскольку диоды являются двухполюсными полупроводниковыми приборами, то для развязки их по СВЧ и постоянному управляющему напряжению необходимо использовать фильтры питания, что усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные характеристики.In addition, since diodes are bipolar semiconductor devices, it is necessary to use power filters to decouple them by microwave and constant control voltage, which complicates the design and increases the overall dimensions.

Известен фазовращатель СВЧ, в котором, в частности, с целью упрощения конструкции и снижения массогабаритных характеристик использованы трехполюсные полупроводниковые приборы. Данный фазовращатель СВЧ содержит две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, два полевых транзистора с барьером Шотки, индуктивности одинаковой величины и емкости либо разной, либо одинаковой величины. При этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первой индуктивности, а сток через первую емкость соединен с линией передачи на выходе и с одним из концов второй индуктивности, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другими концами обеих индуктивностей и с одним из концов второй емкости, а исток и другой конец второй емкости заземлены, затворы полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой и соединены с одним источником постоянного управляющего напряжения [4 - прототип].Known microwave phase shifter, in which, in particular, in order to simplify the design and reduce weight and size characteristics, three-pole semiconductor devices are used. This microwave phase shifter contains two transmission lines with the same wave impedances, one for inputting a microwave signal, the other for output, two field effect transistors with a Schottky barrier, inductors of the same magnitude and capacitance of either different or the same magnitude. In this case, the source of the first field-effect transistor with a Schottky barrier is connected to the transmission line at the input and to one of the ends of the first inductance, and the drain through the first capacitance is connected to the transmission line at the output and to one of the ends of the second inductance, the drain of the second field-effect transistor to the Schottky barrier is connected with the other ends of both inductances and with one of the ends of the second capacitance, and the source and the other end of the second capacitance are grounded, the gates of field-effect transistors with a Schottky barrier are interconnected and connected to one source of constant voltage ulation voltage [4 - prototype].

Наличие в данном фазовращателе СВЧ двухполюсных реактивных элементов в виде емкостей и индуктивностей одинаковой либо разной величины, соединенных либо по схеме нерезонансного фильтра нижних частот, либо по схеме нерезонансного фильтра высоких частот в зависимости от переключения полевых транзисторов с барьером Шотки, обеспечило возможность несколько расширить рабочую полосу частот и снизить величину прямых потерь.The presence of bipolar reactive elements in this microwave phase shifter in the form of capacitors and inductances of the same or different size, connected either according to the scheme of a non-resonant low-pass filter or according to the scheme of a non-resonant high-pass filter depending on the switching of field-effect transistors with a Schottky barrier, made it possible to slightly expand the working band frequencies and reduce direct losses.

Кроме того, исключена необходимость использования фильтров питания, поскольку полевые транзисторы с барьером Шотки являются трехполюсными полупроводниковыми приборами и, следовательно, обладают внутренней развязкой по СВЧ и постоянному управляющему напряжению, и тем самым упрощена конструкция, и снижены массогабаритные характеристики фазовращателя СВЧ.In addition, the need to use power filters is eliminated, since field-effect transistors with a Schottky barrier are three-pole semiconductor devices and, therefore, have internal isolation by microwave and constant control voltage, and thus simplified the design and reduced the overall dimensions of the microwave phase shifter.

Однако наличие и в данном фазовращателе СВЧ внешних реактивных элементов в виде индуктивности, которые вместе с внутренними реактивными элементами в виде емкости двух полевых транзисторов с барьером Шотки образуют резонансные контуры, что не позволяет существенно увеличить ширину рабочей полосы частот.However, the presence in this phase shifter of microwave external reactive elements in the form of inductance, which, together with the internal reactive elements in the form of a capacitance of two field-effect transistors with a Schottky barrier, form resonant circuits, which does not significantly increase the width of the working frequency band.

Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, снижение величины прямых потерь, упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик фазовращателя СВЧ.The technical result of the invention is the expansion of the working frequency band, reducing direct losses, simplifying the design and reducing the weight and size characteristics of the microwave phase shifter.

Указанный технический результат достигается предложенным фазовращателем СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, два двухполюсных реактивных элемента либо разной, либо одинаковой величины, при этом сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов одного из двухполюсных реактивных элементов, а другой его конец - с линией передачи на выходе, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на его затвор подают постоянное управляющее напряжение, в который дополнительно введены два отрезка линии передачи, первый длиной, равной половине длины волны и менее, а второй длиной, равной четверти длины волны, при этом один конец первого отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первого двухполюсного реактивного элемента, а второй его конец - с одним из концов второго двухполюсного реактивного элемента и с линией передачи на выходе, один конец второго отрезка линии передачи соединен с другим концом первого двухполюсного реактивного элемента, а второй его конец - с другим концом второго двухполюсного реактивного элемента, при этом сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен либо с одним, либо с другим концом второго отрезка линии передачи, при этом указанная длина волны соответствует средней частоте рабочей полосы частот.The specified technical result is achieved by the proposed microwave phase shifter, containing two transmission lines with the same wave impedances, one for the input of the microwave signal, the other for the output, the field effect transistor with a Schottky barrier, two bipolar reactive elements of either different or the same size, while the field drain a Schottky barrier transistor is connected to one of the ends of one of the bipolar reactive elements, and its other end is connected to the output transmission line, the source of the field-effect transistor with a Schottky barrier is grounded, and a constant control voltage is applied to its gate, into which two segments of the transmission line are additionally introduced, the first of which is equal to half the wavelength and less, and the second is equal to one fourth of the wavelength, while one end of the first segment of the transmission line is connected to the line transmission at the input and with one of the ends of the first bipolar reactive element, and its second end with one of the ends of the second bipolar reactive element and with the transmission line at the output, one end of the second segment of the transmission line is connected to another the end of the first bipolar reactive element, and its second end - with the other end of the second bipolar reactive element, while the drain of the field-effect transistor with a Schottky barrier is connected to either one or the other end of the second segment of the transmission line, while the specified wavelength corresponds to the average frequency working frequency band.

В фазовращателе СВЧ первый и второй реактивные элементы выполнены в виде емкости либо индуктивности.In the microwave phase shifter, the first and second reactive elements are made in the form of capacitance or inductance.

В фазовращателе СВЧ величины реактивных элементов в виде емкости либо индуктивности выбирают исходя из требуемого значения сдвига фаз сигнала СВЧ в соответствии с формулами:In the microwave phase shifter, the values of the reactive elements in the form of capacitance or inductance are selected based on the required phase shift of the microwave signal in accordance with the formulas:

C1=(1+sin Ф)/(Z0 π f0 cos Ф),C1 = (1 + sin Ф) / (Z0 π f0 cos Ф),

C2=cos Ф/[(1+sin Ф) Z0 π f0],C2 = cos Ф / [(1 + sin Ф) Z0 π f0],

L1=(1+sin Ф)Z0/(4 π f0 cos Ф),L1 = (1 + sin Ф) Z0 / (4 π f0 cos Ф),

L2=Z0 cos Ф/[4 π f0 (1+sin Ф)], гдеL2 = Z0 cos Ф / [4 π f0 (1 + sin Ф)], where

C1 и С2 - емкости соответственно первого и второго реактивных элементов в виде емкости,C1 and C2 - tanks respectively of the first and second reactive elements in the form of tanks,

L1 и L2 - индуктивности соответственно первого и второго реактивных элементов в виде индуктивности,L1 and L2 - inductance, respectively, of the first and second reactive elements in the form of inductance,

Z0 - волновое сопротивление линии передачи на входе,Z0 - wave impedance of the transmission line at the input,

f0 - центральная полоса рабочего диапазона частот,f0 is the central band of the working frequency range,

Ф - требуемое значение сдвига фаз.Ф - the required value of the phase shift.

Совокупность признаков предложенного фазовращателя СВЧ, а именно:The set of features of the proposed microwave phase shifter, namely:

введение дополнительно первого отрезка линии передачи длиной, равной четверти длины волны, и предложенное его соединение обеспечивают включение либо одного первого, либо одного второго двухполюсного реактивного элемента, и тем самым обеспечивается реализация требуемой разности фаз сигнала, то есть реализация физической сущности фазовращателя СВЧ.the introduction of an additional first segment of the transmission line with a length equal to a quarter of the wavelength, and its proposed connection ensure the inclusion of either one first or one second bipolar reactive element, and thereby ensures the implementation of the required phase difference of the signal, that is, the implementation of the physical nature of the microwave phase shifter.

Введение дополнительно второго отрезка линии передачи длиной, равной половине длины волны и менее, и предложенное его соединение обеспечивают включение только одного двухполюсного реактивного элемента на входе или выходе фазовращателя СВЧ с этим отрезком линии передачи и тем самым исключают возможность возникновения узкополосных резонансных контуров и, следовательно, обеспечивают существенное расширение рабочей полосы частот.The introduction of an additional second segment of the transmission line with a length equal to half the wavelength or less, and its proposed connection ensure the inclusion of only one bipolar reactive element at the input or output of the microwave phase shifter with this segment of the transmission line and thereby exclude the possibility of narrow-band resonant circuits and, therefore, provide significant expansion of the working frequency band.

Соединение полевого транзистора с барьером Шотки со вторым двухполюсным реактивным элементом непосредственно позволит реализовать фазовращатель СВЧ без резонансных контуров и тем самым увеличить рабочую полосу частот и снизить величину прямых потерь СВЧ.The connection of a field-effect transistor with a Schottky barrier with a second bipolar reactive element will directly allow the implementation of a microwave phase shifter without resonant circuits and thereby increase the working frequency band and reduce the amount of direct microwave losses.

Наличие в фазовращателе СВЧ только одного полевого транзистора с барьером Шотки позволит упростить его конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики, что особенно актуально при исполнении фазовращателя в составе монолитно-интегральных схем СВЧ.The presence in the microwave phase shifter of only one field-effect transistor with a Schottky barrier will simplify its design and reduce weight and size characteristics, which is especially important when designing a phase shifter as part of a monolithic-integrated microwave circuit.

Более того, предложенное соединение элементов фазовращателя СВЧ позволит вдвое уменьшить число двухполюсных реактивных элементов типа емкости и индуктивности и тем самым дополнительно к вышесказанному упростить конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики фазоврашателя СВЧ.Moreover, the proposed connection of the elements of the microwave phase shifter will halve the number of bipolar reactive elements such as capacitance and inductance, and thereby, in addition to the above, simplify the design and reduce the overall dimensions of the microwave phase shifter.

Итак, совокупность существенных признаков предложенного фазовращателя СВЧ позволит по сравнению и с прототипом и тем более с другими аналогами обеспечить расширение рабочей полосы частот, снижение величины прямых потерь, упрощение конструкции и снижение массогабаритных характеристик.So, the set of essential features of the proposed microwave phase shifter, in comparison with the prototype and especially with other analogs, will ensure the expansion of the working frequency band, reduction of direct losses, simplification of design and reduction of weight and size characteristics.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 дана топология предложенного фазовращателя СВЧ, гдеFigure 1 gives the topology of the proposed microwave phase shifter, where

- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,- two transmission lines, one for input of the microwave signal - 1, the other for output - 2,

- полевой транзистор с барьером Шотки - 3,- field effect transistor with a Schottky barrier - 3,

- два двухполюсных реактивных элемента, первый - 4, второй - 5,- two bipolar reactive elements, the first - 4, the second - 5,

- два отрезка линии передачи, первый - 6, второй - 7,- two segments of the transmission line, the first - 6, the second - 7,

- источник постоянного управляющего напряжения - 8.- source of constant control voltage - 8.

На фиг.2 дана эквивалентная схема фазовращателя СВЧ.Figure 2 shows the equivalent circuit of the microwave phase shifter.

На фиг.3 даны зависимости величины фазы сигнала Ф от частоты сигнала СВЧ.Figure 3 shows the dependence of the phase value of the signal f on the frequency of the microwave signal.

На фиг.4 дана зависимость величины прямых потерь Ап от частоты сигнала СВЧ.Figure 4 shows the dependence of the direct losses Ap on the frequency of the microwave signal.

При этом кривые 1 указанных зависимостей измерены при подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки постоянного управляющего напряжения, равного нулю, а кривые 2 - равного напряжению отсечки Uотс.In this case, curves 1 of the indicated dependences were measured when a field-effect transistor with a Schottky barrier is supplied with a constant control voltage equal to zero, and curves 2 equal to the cutoff voltage Uots.

Пример конкретного выполнения предложенного фазовращателя СВЧ.An example of a specific implementation of the proposed microwave phase shifter.

Фазовращатель СВЧ выполнен в монолитно-интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.The microwave phase shifter is made in a monolithic-integral version on a semiconductor substrate of gallium arsenide with a thickness of 0.1 mm using the classic thin-film technology.

Две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ 1, другая - для выхода 2, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.Two transmission lines, one for inputting a microwave signal 1, the other for output 2, are made with the same wave impedances equal to 50 Ohms, which corresponds to a wire width of 0.08 mm.

Полевой транзистор с барьером Шотки 3 выполнен с длиной и шириной затвора, равной 0,4 мкм и 300 мкм соответственно, одинаковыми длинами стока и истока, равными каждый 20 мкм, имеет напряжение отсечки Uотс., равное -2,5 В.A field-effect transistor with a Schottky barrier 3 is made with a gate length and width of 0.4 μm and 300 μm, respectively, with the same drain and source lengths equal to each 20 μm, has a cut-off voltage Uot. Of -2.5 V.

Оба двухполюсных реактивных элемента первый 4 и второй 5 выполнены каждый в виде емкости одинаковой величины, равной 1 пФ, например, в виде плоскопараллельных конденсаторов с размерами пластин 100×100 мкм с диэлектрическим слоем из оксида кремния толщиной 5 мкм.Both bipolar reactive elements, the first 4 and second 5, are each made in the form of a capacitance of the same value equal to 1 pF, for example, in the form of plane-parallel capacitors with plate sizes of 100 × 100 μm with a dielectric layer of silicon oxide 5 μm thick.

Это соответствует требуемому сдвигу фаз сигнала, равному 45 градусов.This corresponds to the required phase shift of the signal, equal to 45 degrees.

Второй отрезок микрополосковой линии передачи 7 выполнен шириной 0,08 мкм и длиной 1,5 мм.The second segment of the microstrip transmission line 7 is made of a width of 0.08 μm and a length of 1.5 mm

При этом один конец первого отрезка линии передачи 6 соединен с линией передачи на входе 1 и с одним из концов первого двухполюсного реактивного элемента 4, а второй его конец - с одним из концов второго двухполюсного реактивного элемента 5 и с линией передачи на выходе 2. Один конец второго отрезка линии передачи 7 соединен с другим концом первого двухполюсного реактивного элемента 4, а второй его конец - с другим концом второго двухполюсного реактивного элемента 5 и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 3, исток которого заземлен, а на затвор подают постоянное управляющее напряжение.Moreover, one end of the first segment of the transmission line 6 is connected to the transmission line at the input 1 and to one of the ends of the first bipolar reactive element 4, and its second end to one of the ends of the second bipolar reactive element 5 and to the transmission line at the output 2. One the end of the second segment of the transmission line 7 is connected to the other end of the first bipolar reactive element 4, and its second end to the other end of the second bipolar reactive element 5 and to the drain of the field effect transistor with a Schottky barrier 3, the source of which is grounded, and gate control voltage fed to the constant.

Пример 2.Example 2

Фазовращатель СВЧ выполнен аналогично примеру 1, но оба двухполюсных реактивных элемента 4 и 5 выполнены каждый в виде индуктивности одинаковой величины, равной 2,5 нГн.The microwave phase shifter is made analogously to example 1, but both bipolar reactive elements 4 and 5 are each made in the form of an inductance of the same magnitude equal to 2.5 nH.

Это соответствует требуемому сдвигу фаз, равному 45 градусов.This corresponds to a required phase shift of 45 degrees.

Предложенный фазовращатель СВЧ работает следующим образом.The proposed microwave phase shifter operates as follows.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 3 управляющего напряжения величиной, равной 0 В от источника постоянного управляющего напряжения 8, полевой транзистор с барьером Шотки становится открытым.When applying to the gate of a field-effect transistor with a Schottky barrier 3 a control voltage of 0 V from a source of constant control voltage 8, the field-effect transistor with a Schottky barrier becomes open.

В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки имеет малое сопротивление Zоткр. Поскольку его исток заземлен, а сток соединен с концом второго двухполюсного реактивного элемента 5, то этот реактивный элемент соединен с землей через малое сопротивление Zоткр.As a result of this, a field-effect transistor with a Schottky barrier has a low resistance, Z Open. Since its source is grounded, and the drain is connected to the end of the second bipolar reactive element 5, this reactive element is connected to the ground through a low resistance Z open.

Поскольку сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с концом первого двухполюсного реактивного элемента 4 через второй отрезок линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны, то на его конце сопротивление ZA будет равноSince the drain of the field effect transistor with a Schottky barrier is connected to the end of the first bipolar reactive element 4 through the second segment of the transmission line 7 with a length equal to a quarter of the wavelength, then at its end the resistance ZA will be equal to

ZA=Z22/Zoткр., гдеZA = Z2 2 / ZOct., Where

ZA - сопротивление на конце второго отрезка линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны,ZA is the resistance at the end of the second segment of the transmission line 7 with a length equal to a quarter of the wavelength,

Z22 - квадрат волнового сопротивления второго отрезка линии передачи,Z2 2 - square wave impedance of the second segment of the transmission line,

Zоткр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в открытом состоянии.Open - resistance of a field effect transistor with a Schottky barrier in the open state.

Сопротивление ZA будет существенно больше, чем Z2.Resistance ZA will be significantly greater than Z2.

В результате получается соединение первого отрезка линии передачи 6 и второго двухполюсного реактивного элемента 5, который расположен за этим отрезком.The result is a connection of the first segment of the transmission line 6 and the second bipolar reactive element 5, which is located behind this segment.

Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф1.Such a connection implements in the microwave phase shifter the phase value of the microwave signal F1.

При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 3 управляющего напряжения величиной, равной -2,5 В от источника постоянного управляющего напряжения, полевой транзистор с барьером Шотки становится закрытым.When applying to the gate of a field-effect transistor with a Schottky barrier 3 a control voltage of -2.5 V from a source of constant control voltage, the field-effect transistor with a Schottky barrier becomes closed.

В результате этого полевой транзистор с барьером Шотки имеет малое сопротивление Zзакр. Поскольку его исток заземлен, а сток соединен с концом второго двухполюсного реактивного элемента 5, то этот реактивный элемент будет соединен с землей через большое сопротивление Zзакр.As a result of this, a field-effect transistor with a Schottky barrier has a small resistance Zcircuit. Since its source is grounded, and the drain is connected to the end of the second bipolar reactive element 5, this reactive element will be connected to the ground through a large resistance Zzakr.

Поскольку сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с концом первого двухполюсного реактивного элемента 4 через второй отрезок линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны, то на его конце сопротивление ZB будет равноSince the drain of the field effect transistor with a Schottky barrier is connected to the end of the first bipolar reactive element 4 through the second segment of the transmission line 7 with a length equal to a quarter of the wavelength, then at its end the resistance ZB will be equal to

ZB=Z22/Zзакр., гдеZB = Z2 2 / Z close, where

ZB - сопротивление на конце второго отрезка линии передачи 7 длиной, равной четверти длины волны,ZB is the resistance at the end of the second segment of the transmission line 7 with a length equal to a quarter of the wavelength,

Z22 - квадрат волнового сопротивления второго отрезка линии передачи,Z2 2 - square wave impedance of the second segment of the transmission line,

Zзакр. - сопротивление полевого транзистора с барьером Шотки в закрытом состоянии.Z close - resistance of a field effect transistor with a Schottky barrier in the closed state.

Сопротивление ZB будет существенно меньше, чем Z2.Resistance ZB will be significantly less than Z2.

В результате получается соединение первого отрезка линии передачи 6 и первого реактивного элемента 4, который расположен перед этим отрезком.The result is a connection of the first segment of the transmission line 6 and the first reactive element 4, which is located in front of this segment.

Такое соединение реализует в фазовращателе СВЧ величину фазы сигнала СВЧ Ф2.Such a connection implements in the microwave phase shifter the phase value of the microwave signal F2.

Итак, в предложенном фазовращателе СВЧ реализуется требуемая величина изменения фазы сигнала СВЧ, равная разности Ф2 и Ф1, при подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки отрицательного и нулевого постоянного управляющего напряжения соответственно от одного источника постоянного управляющего напряжения.So, in the proposed microwave phase shifter, the required magnitude of the phase change of the microwave signal is realized, equal to the difference Ф2 and Ф1, when a negative and zero constant control voltage are applied to the gate of a field-effect transistor with a Schottky barrier, respectively, from one source of constant control voltage.

Итак, фазовый сдвиг сигнала фазовращателя СВЧ равенSo, the phase shift of the microwave phase shifter signal is

Ф=Ф2-Ф1.Ф = Ф2-Ф1.

Рассмотрим случай, когда оба двухполюсных реактивных элемента 4 и 5 выполнены каждый в виде емкости. Если длины первого 6 и второго 7 отрезков линии передачи равны между собой и равны четверти длины волны, то фазы сигналов СВЧ при открытом и закрытом полевом транзисторе с барьером Шотки определяются из выражений [5, стр.50-51]Consider the case when both bipolar reactive elements 4 and 5 are each made in the form of a tank. If the lengths of the first 6 and second 7 segments of the transmission line are equal to each other and equal to a quarter of the wavelength, then the phases of the microwave signals with an open and closed field-effect transistor with a Schottky barrier are determined from the expressions [5, p. 50-51]

tg(Ф1)=-(Z12+Z02)/(2 π f0 C1 Z0 Z12),tg (F1) = - (Z1 2 + Z0 2 ) / (2 π f0 C1 Z0 Z1 2 ),

tg(Ф2)=-(Z12+Z02)/(2 π f0 C2 Z0 Z12), гдеtg (Ф2) = - (Z1 2 + Z0 2 ) / (2 π f0 C2 Z0 Z1 2 ), where

Ф1 - фаза сигнала СВЧ при закрытом полевом транзисторе с барьером Шотки,F1 is the phase of the microwave signal with a closed field-effect transistor with a Schottky barrier,

Ф2 - фаза сигнала СВЧ при открытом полевом транзисторе с барьером Шотки,F2 is the phase of the microwave signal with an open field-effect transistor with a Schottky barrier,

Z12 - квадрат волнового сопротивления первого отрезка линии передачи.Z1 2 - square wave impedance of the first segment of the transmission line.

ПосколькуInsofar as

Ф=Ф2-Ф1,Ф = Ф2-Ф1,

то из тригонометрической формулы для тангенса разности углов получаем выражениеthen from the trigonometric formula for the tangent of the difference of angles we get the expression

tg(Ф)=2 π f0 (C2-C1) Z0 (Z12+Z02)Z12/[(Z12+Z02)2+tg (Ф) = 2 π f0 (C2-C1) Z0 (Z1 2 + Z0 2 ) Z1 2 / [(Z1 2 + Z0 2 ) 2 +

+(2 π f0 Z0 Z12)2C1 C2],+ (2 π f0 Z0 Z1 2 ) 2 C1 C2],

из которого, в частности, следует, что наибольшая величина разности фаз сигнала достигается при следующих равенствах:from which, in particular, it follows that the largest value of the phase difference of the signal is achieved with the following equalities:

Z1=Z0,Z1 = Z0,

C1=(1+sin Ф)/(Z0 π f0 cos Ф),C1 = (1 + sin Ф) / (Z0 π f0 cos Ф),

C2=cos Ф/[(1+sin Ф) Z0 π f0].C2 = cos Ф / [(1 + sin Ф) Z0 π f0].

Поскольку емкости и индуктивности величины взаимно дуальны, то, проводя аналогичные выкладки, получаем выражения для индуктивности соответственноSince capacitances and inductances, the quantities are mutually dual, then, conducting similar calculations, we obtain expressions for inductance, respectively

L1=(1+sin Ф)Z0/(4 π f0 cos Ф),L1 = (1 + sin Ф) Z0 / (4 π f0 cos Ф),

L2=Z0 cos Ф/[4 π f0 (1+sin Ф)].L2 = Z0 cos Ф / [4 π f0 (1 + sin Ф)].

На образцах предложенного фазовращателя СВЧ были измерены величины изменения фазы сигнала и величины прямых потерь от частоты сигнала СВЧ.On the samples of the proposed microwave phase shifter, the values of the phase change of the signal and the magnitude of direct losses from the frequency of the microwave signal were measured.

Результаты представлены на фиг.3 и 4.The results are presented in figure 3 and 4.

Из фиг.3 видно, что фаза сигнала в фазовращателе СВЧ в рабочей полосе частот изменяется от -25 градусов до -35 градусов при постоянном управляющем напряжении, равном 0 В, и изменяется от -70 градусов до -80 градусов при постоянном управляющем напряжении, равном -2,5 В.Figure 3 shows that the phase of the signal in the microwave phase shifter in the working frequency band changes from -25 degrees to -35 degrees with a constant control voltage equal to 0 V, and changes from -70 degrees to -80 degrees with a constant control voltage equal to -2.5 V.

При этом величина изменения фазы сигнала СВЧ составляет 45 градусов в рабочей полосе частот от 7 ГГц до 15 ГГц, что в абсолютных единицах в 2 раза превышает ширину рабочей полосы частот прототипа.The magnitude of the phase change of the microwave signal is 45 degrees in the working frequency band from 7 GHz to 15 GHz, which in absolute units is 2 times the width of the working frequency band of the prototype.

Превышение ширины рабочей полосы в относительных единицах составляет 1,8 раза.Exceeding the width of the working strip in relative units is 1.8 times.

Из фиг.4 видно, что прямые потери в фазовращателе СВЧ на частоте 10 ГГц составляют -0,7 дБ при постоянном управляющем напряжении, равном 0 В, и составляет -1 дБ при постоянном управляющем напряжении, равном -2,5 В, что на 0,2 дБ ниже, чем у прототипа.Figure 4 shows that the direct losses in the microwave phase shifter at a frequency of 10 GHz are -0.7 dB at a constant control voltage of 0 V, and -1 dB at a constant control voltage of -2.5 V, which is 0.2 dB lower than that of the prototype.

Таким образом, предложенный фазовращатель СВЧ позволит по сравнению с прототипом:Thus, the proposed microwave phase shifter allows, in comparison with the prototype:

во-первых, увеличить рабочую полосу частот примерно вдвое,firstly, to double the operating frequency band,

во-вторых, снизить величины прямых потерь на 0,2 дБ,secondly, to reduce the direct loss by 0.2 dB,

в-третьих, упростить конструкцию и снизить массогабаритные характеристики.thirdly, to simplify the design and reduce weight and size characteristics.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2031493, МПК Н01Р 1/18, приоритет 06.11.74, опубл. 20.03.95.1. RF patent No. 2031493, IPC Н01Р 1/18, priority 06.11.74, publ. 03/20/95.

2. Патент РФ №2303326, МПК Н03Н 11/16, приоритет 28.03.05, опубл. 10.09.06.2. RF patent No. 23033326, IPC Н03Н 11/16, priority 03/28/05, publ. 09/10/06.

3. Патент РФ №2141151, МПК Н01Р 1/185, приоритет 21.10.98, опубл. 10.11.99.3. RF patent №2141151, IPC Н01Р 1/185, priority 10/21/98, publ. 11/10/99.

4. Патент РФ №2321106, МПК Н01Р 1/185, приоритет 21.08.06, опубл. 27.03.08.4. RF patent №2321106, IPC Н01Р 1/185, priority 21.08.06, publ. 03/27/08.

5. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь. 1971.5. Feldstein A.L., Yavich L.R. Microwave four-terminal and eight-terminal synthesis. M .: Communication. 1971.

Claims (3)

1. Фазовращатель СВЧ, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, два двухполюсные реактивные элементы либо разной, либо одинаковой величины, при этом сток полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним из концов одного из двухполюсных реактивных элементов, а другой его конец - с линией передачи на выходе, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на его затвор подают постоянное управляющее напряжение, отличающийся тем, что в фазовращатель СВЧ дополнительно введены два отрезка линии передачи, первый длиной, равной половине длины волны и менее, а второй длиной, равной четверти длины волны, при этом один конец первого отрезка линии передачи соединен с линией передачи на входе и с одним из концов первого двухполюсного реактивного элемента, а второй его конец - с одним из концов второго двухполюсного реактивного элемента и с линией передачи на выходе, один конец второго отрезка линии передачи соединен с другим концом первого двухполюсного реактивного элемента, а второй его конец - с другим концом второго двухполюсного реактивного элемента, при этом сток полевого транзистора с барьером Шотки также соединен либо с одним, либо с другим концом второго отрезка линии передачи, при этом указанная длина волны соответствует средней частоте рабочей полосы частот.1. Microwave phase shifter containing two transmission lines with the same wave impedances, one for input of the microwave signal, the other for output, a field effect transistor with a Schottky barrier, two bipolar reactive elements of either different or the same size, while the drain of the field effect transistor with a barrier Schottky is connected to one end of one of the bipolar reactive elements, and the other end is connected to the output transmission line, the source of the field effect transistor with a Schottky barrier is grounded, and a constant control voltage is applied to its gate tension, characterized in that two segments of the transmission line are additionally introduced into the microwave phase shifter, the first length equal to half the wavelength and less, and the second length equal to a quarter of the wavelength, with one end of the first segment of the transmission line connected to the transmission line at the input and with one of the ends of the first bipolar reactive element, and its second end with one of the ends of the second bipolar reactive element and with a transmission line at the output, one end of the second segment of the transmission line is connected to the other end of the first bipolar a reactive element, and its second end - with the other end of the second bipolar reactive element, while the drain of the field effect transistor with a Schottky barrier is also connected to either one or the other end of the second segment of the transmission line, while the specified wavelength corresponds to the average frequency of the working band frequencies. 2. Фазовращатель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что первый и второй реактивные элементы выполнены в виде емкости либо индуктивности.2. The microwave phase shifter according to claim 1, characterized in that the first and second reactive elements are made in the form of capacitance or inductance. 3. Фазовращатель СВЧ по п.1 или 2, отличающийся тем, что величины реактивных элементов в виде емкости либо индуктивности выбирают, исходя из требуемого значения сдвига фаз сигнала СВЧ в соответствие с формулами:
C1=(1+sin Ф)/(Z0 π f0 cos Ф),
C2=cos Ф/[(1+sin Ф) Z0 π f0],
L1=(1+sin Ф)Z0/(4 π f0 cos Ф),
L2=Z0 cos Ф/[4 π f0 (1+sin Ф)], где
C1 и С2 - емкости соответственно первого и второго реактивных элементов в виде емкости,
L1 и L2 - индуктивности соответственно первого и второго реактивных элементов в виде индуктивности,
Z0 - волновое сопротивление линии передачи на входе,
f0 - центральная полоса рабочего диапазона частот,
Ф - требуемое значение сдвига фаз.
3. The microwave phase shifter according to claim 1 or 2, characterized in that the values of the reactive elements in the form of capacitance or inductance are selected based on the required phase shift of the microwave signal in accordance with the formulas:
C1 = (1 + sin Ф) / (Z0 π f0 cos Ф),
C2 = cos Ф / [(1 + sin Ф) Z0 π f0],
L1 = (1 + sin Ф) Z0 / (4 π f0 cos Ф),
L2 = Z0 cos Ф / [4 π f0 (1 + sin Ф)], where
C1 and C2 - tanks, respectively, of the first and second reactive elements in the form of tanks,
L1 and L2 - inductance, respectively, of the first and second reactive elements in the form of inductance,
Z0 - wave impedance of the transmission line at the input,
f0 is the central band of the working frequency range,
Ф - the required value of the phase shift.
RU2008133958/09A 2008-08-18 2008-08-18 Microwave phase changer RU2367066C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008133958/09A RU2367066C1 (en) 2008-08-18 2008-08-18 Microwave phase changer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008133958/09A RU2367066C1 (en) 2008-08-18 2008-08-18 Microwave phase changer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2367066C1 true RU2367066C1 (en) 2009-09-10

Family

ID=41166750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008133958/09A RU2367066C1 (en) 2008-08-18 2008-08-18 Microwave phase changer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2367066C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2460183C1 (en) * 2011-02-21 2012-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Microwave phase changer
RU2510980C1 (en) * 2012-10-25 2014-04-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" Active phase changer (versions)
RU172993U1 (en) * 2017-05-22 2017-08-03 Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" Broadband multi-bit discrete microwave frequency shifter
RU182127U1 (en) * 2017-12-27 2018-08-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" COMPACT MICROWAVE BRIDGE

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2460183C1 (en) * 2011-02-21 2012-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") Microwave phase changer
RU2510980C1 (en) * 2012-10-25 2014-04-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" Active phase changer (versions)
RU172993U1 (en) * 2017-05-22 2017-08-03 Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" Broadband multi-bit discrete microwave frequency shifter
RU182127U1 (en) * 2017-12-27 2018-08-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" COMPACT MICROWAVE BRIDGE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9543630B2 (en) Electronic device
RU2367066C1 (en) Microwave phase changer
Franc et al. Compact high-Q, low-loss mmW transmission lines and power splitters in RF CMOS technology
RU2460183C1 (en) Microwave phase changer
RU2461920C1 (en) Broadband microwave attenuator with continuous control
CN108631766B (en) Reflective phase shifter with active device tuning
RU2311704C1 (en) Microwave attenuator
CN103178801A (en) Variable attenuator with high-three-order intermodulation points
RU2340048C1 (en) Shf attenuator
Kim et al. A 300-GHz SPST switch with a new coupled-line topology in 65-nm CMOS technology
RU2372695C1 (en) Bandpass all-pass retunable shf filter
Bae et al. A small-insertion-loss-variation phase shifter with optimized body-floating transistors
RU2335832C1 (en) Shf switch
RU2321106C1 (en) Microwave phase shifter
RU2420836C1 (en) Microwave attenuator
Lourandakis et al. A tunable and reduced size power divider using ferroelectric thin-film varactors
RU2352031C1 (en) Shf phase shifter
RU2459320C1 (en) Bandpass tunable microwave filter
RU2401489C1 (en) Shf phase changer
RU2407115C1 (en) Microwave attenuator with discrete variation of attenuation
Letavin et al. Usage of lowpass filters for miniaturization of microstrip branch-line hybrid couplers
RU2568261C2 (en) Microwave attenuator
RU2452062C1 (en) Two-channel shf switch
RU2435255C1 (en) Microwave frequency attenuator
Nakatani et al. Small and low-loss quadrature hybrid and T/R local signal selection switch for 60 GHz direct conversion transceivers

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20160225