Микрополосковый p-i-n-диодный свч-выключатель
Владельцы патента RU 2438214:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к устройствам обработки и коммутации СВЧ-сигналов на полупроводниковых приборах и предназначено для использования в телекоммуникационных системах, электрически управляемых устройствах СВЧ-электроники, таких как полосовые или селективные фильтры, антенны, перестраиваемые генераторы. Задачей настоящего решения является реализация возможности создания микрополосковых узкополосных электрически управляемых СВЧ-выключателей и переключателей с повышенным диапазоном изменения мощности прошедшего СВЧ-сигнала от открытого состояния к закрытому. Технический результат заключается в повышении уровня затухания в закрытом состоянии при обеспечении высокой частотной избирательности, а также в уменьшении влияния паразитных активных и реактивных составляющих диода за счет того, что в конструкции p-i-n-диод не включен непосредственно в отрезок микрополосковой линии передачи (МПЛП), что позволяет использовать устройство на более высоких частотах и не создает фактора ограничения максимальной коммутируемой мощности. Поставленная задача достигается тем, что микрополосковый p-i-n-диодный СВЧ-выключатель согласно решению содержит отрезок микрополосковой линии передачи электромагнитных волн, включающий диэлектрическую пластину, металлизированную с одной стороны, и полосковый проводник с другой стороны пластины, короткозамыкатель, соединяющий полосковый проводник с металлизированной стороной диэлектрической пластины; последовательную цепь, состоящую из емкостного и индуктивного элементов, включенную между полосковым проводником и металлизированной стороной пластины, при этом индуктивный элемент выполнен в виде петлевого элемента, который одним или более витками огибает p-i-n-диод, причем p-i-n-диод выполнен с возможностью подключения к источнику управляющего напряжения и гальванически изолирован от последовательной цепи. Отрезок микрополосковой линии передачи расположен на металлическом основании, выполненном выступающим за его пределы, а p-i-n-диод расположен на выступающей части основания со стороны короткозамыкателя, при этом расстояние между короткозамыкателем и p-i-n-диодом не превышает четверти длины электромагнитной волны. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройствам обработки и коммутации СВЧ-сигналов на полупроводниковых приборах и предназначено для использования в телекоммуникационных системах, электрически управляемых устройствах СВЧ-электроники, таких как полосовые или селективные фильтры, антенны, перестраиваемые генераторы.
Известен выключатель (см. патент РФ №2195053, МПК Н01Р 1/15) на основе двух четвертьволновых трансформирующих шлейфов, расположенных на расстоянии четверти длины волны друг от друга и на концах которых включены полупроводниковые диоды. В режиме пропускания структура выключателя соответствует полосно-пропускающему фильтру с четвертьволновыми связями, а в режиме запирания структура является режекторным фильтром.
Однако у данного устройства уровень затухания в режиме запирания является недостаточным.
Известен СВЧ-выключатель (см. патент РФ №2020659, МПК Н01Р 1/15), содержащий три полоска одинаковой ширины, два коммутирующих диода, один из которых включен между первым и вторым, а другой - между вторым и третьим полосками, и введенный заземленный проводник, выполненный в виде равнобедренной трапеции, меньшее основание которой размещено между диодами параллельно ребру второго полоска и имеет равную с ним длину.
Однако данное устройство не обеспечивает достаточного уровня затухания в режиме запирания.
Известен диодный выключатель (см. патент РФ №2234767, МПК Н01Р 1/15), содержащий разомкнутую на конце микрополосковую линию и короткозамкнутую на конце симметричную щелевую линию, нанесенные на противоположные стороны одной диэлектрической пластины, а переключательные СВЧ-диоды включены между концом микрополосковой линии и двумя полуплоскостями симметричной щелевой линии, причем устройство управления подсоединено к одному переключательному СВЧ-диоду.
Однако данное устройство не обеспечивает высокий уровень затухания в режиме запирания, а также обладает большими потерями затухания в открытом состоянии.
Задачей настоящего решения является реализация возможности создания микрополосковых узкополосных электрически управляемых СВЧ-выключателей и переключателей с повышенным диапазоном изменения мощности прошедшего СВЧ-сигнала от открытого состояния к закрытому.
Технический результат заключается в повышении уровня затухания в закрытом состоянии при обеспечении высокой частотной избирательности, а также в уменьшении влияния паразитных активных и реактивных составляющих диода за счет того, что в конструкции p-i-n-диод не включен непосредственно в отрезок микрополосковой линии передачи (МПЛП), что позволяет использовать устройство на более высоких частотах и не создает фактора ограничения максимальной коммутируемой мощности.
Поставленная задача достигается тем, что микрополосковый p-i-n-диодный СВЧ-выключатель согласно решению содержит отрезок микрополосковой линии передачи электромагнитных волн, включающий диэлектрическую пластину, металлизированную с одной стороны, и полосковый проводник с другой стороны пластины, короткозамыкатель, соединяющий полосковый проводник с металлизированной стороной диэлектрической пластины; последовательную цепь, состоящую из емкостного и индуктивного элементов, включенную между полосковым проводником и металлизированной стороной пластины, при этом индуктивный элемент выполнен в виде петлевого элемента, который одним или более витками огибает p-i-n-диод, причем p-i-n-диод выполнен с возможностью подключения к источнику управляющего напряжения и гальванически изолирован от последовательной цепи. Отрезок микрополосковой линии передачи может быть расположен на металлическом основании, выполненном выступающим за его пределы, а p-i-n-диод расположен на выступающей части основания со стороны короткозамыкателя. при этом расстояние между короткозамыкателем и p-i-n-диодом не превышает четверти длины электромагнитной волны.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструкция предлагаемого СВЧ-выключателя, на фиг.2 - схема коммутации выключателя, на фиг.3 изображены частотные зависимости потерь затухания электромагнитного излучения, измеренные при различных значениях электрического тока I (мА), протекающего через p-i-n-диод: I0=0, I1=0,045 мА, I2=0,2 мА, I3=0,5 мА, I4=1,2 мА, I5=6,4 мА, I6=200 мА; на фиг.4 представлены зависимости потерь затухания от величины прямого тока, протекающего через p-i-n-диод, на частотах fрез1=7,00 ГГц и fрез2=6,68 ГГц.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - полосковый проводник;
2 - конденсатор;
3 - петлевой элемент связи;
4 - металлическое основание;
5 - p-i-n-диод;
6 - диэлектрическая пластина;
7 - короткозамыкатель;
8 - контакты цепи управления;
9 - СВЧ-вход/выход;
10 - микрополосковый p-i-n-диодный СВЧ-выключатель;
11 - источник СВЧ-излучения;
12 - приемник СВЧ-излучения;
13 - циркулятор;
14 - источник управляющего напряжения.
В предлагаемом решении, как в устройстве по патенту РФ №2234767, использован отрезок МПЛП - диэлектрическая пластина, на которой с одной стороны нанесен полосковый проводник, а другая сторона металлизирована. В отличие от устройства по патенту РФ №2234767, где МПЛП разомкнута на конце, а металлизация содержит симметричную щелевую линию, в предлагаемом устройстве используется отрезок МПЛП, снабженный короткозамыкателем, при этом обратная сторона диэлектрической пластины имеет однородную по всей площади металлизацию, которая также создает электрический контакт с металлическим основанием. В предлагаемом решении активным управляющим элементом является p-i-n-диод. В отличие от устройства по патенту РФ №2234767, где диоды включены между концом МПЛП и двумя полуплоскостями симметричной щелевой линии, в предлагаемом устройстве между полосковым проводником МПЛП и металлизированной стороной пластины включена последовательная цепь, состоящая из конденсатора и петлевого элемента, который одним или более витками огибает p-i-n-диод.
Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании петлевого элемента связи, в центре которого расположен активный элемент управления (p-i-n-диод), гальванически изолированный от волноведущих частей устройства.
Предлагаемая конструкция, изображенная на фиг.1, представляет собой короткозамкнутый отрезок МПЛП, где для реализации резонанса к полосковому проводнику 1 подключен конденсатор 2, вторая обкладка которого соединена с петлевым элементом связи 3, который, в свою очередь, вторым концом соединен с металлическим основанием 4, как это показано на фиг.1. В центре петлевого элемента связи 3 расположен p-i-n-диод 5, используемый в качестве управляющего элемента.
Отрезок МПЛП выполнен на диэлектрической пластине 6, на которой с одной стороны нанесен полосковый проводник 1, а с другой стороны однородная металлизация, обеспечивающая по всей площади электрический контакт с металлическим основанием 4. Полосковый проводник 1 соединен с основанием 4 посредством короткозамыкателя 7, как показано на фиг.1. Электрическое управление параметрами структуры осуществляется посредством подачи прямого напряжения смещения на p-i-n-диод 5 через контакты цепи управления 8.
В предложенной конструкции реализован так называемый отражательный выключатель, имеющий один СВЧ-вход/выход 9, соответствующий открытому концу МПЛП. Для такого выключателя применима схема коммутации, изображенная на фиг.2, согласно которой микрополосковый p-i-n-диодный СВЧ-выключатель 10 подключается к источнику СВЧ-излучения 11 и приемнику 12 через циркулятор 13. Циркулятор 13 направляет излучение от источника 11 на выключатель 10, а излучение, отраженное от выключателя 10, на приемник 12. Мощность излучения, проходящая от источника 11 к приемнику 12, регулируется источником управляющего напряжения 14.
Пример практической реализации изобретения.
Изготовлен отрезок МПЛП путем нанесения полоскового проводника 1 шириной 1 мм методом фотолитографии на пластину 6 из поликора толщиной 1 мм, обратная сторона которой имеет однородную металлизацию. Пластина 6 припаяна металлизированной стороной к основанию 4, к которому также припаян кремниевый диффузионный переключательный p-i-n-диод 5 типа 2А523А-4 его отрицательным электродом. К полосковому проводнику 1 припаян чип-конденсатор 2 емкостью 3 пФ одной его обкладкой. Петлевой элемент связи 3 выполнен в виде двух витков проволоки вокруг p-i-n-диода 5 припаянной одним концом к свободной обкладке конденсатора 2, а другим к основанию 4. Для подачи напряжения смещения на p-i-n-диод к положительному электроду p-i-n-диода и к металлическому основанию припаяны отрезки провода, являющиеся контактами цепи управления 8.
Авторами проведены измерения электрических параметров изготовленной структуры, в процессе которых структура открытым концом микрополосковой линии была подключена ко входу анализатора цепей через коаксиально-микрополосковый адаптер, а на p-i-n-диод подавали прямое напряжение смещения. При помощи анализатора цепей были измерены частотные зависимости коэффициента отражения устройства при различных значениях электрического тока, протекающего через p-i-n-диод.
На фиг.3 представлены частотные зависимости потерь затухания на отражение электромагнитного излучения L=10·lg(Рпад/Ротр), измеренные при различных значениях прямого тока I, пропускаемого через p-i-n-диод, где Рпад - мощность СВЧ-излучения, падающая на устройство, Ротр - мощность СВЧ-излучения, отраженная от устройства. Анализ частотных зависимостей потерь затухания на отражение L(f) показал, что с ростом прямого тока I, пропускаемого через p-i-n-диод, наблюдается резкое увеличение потерь затухания на резонансной частоте контура, образованного полосковым проводником с подключенным конденсатором и петлевым элементом связи, в центре которого расположен p-i-n-диод.
При определенном значении прямого тока I, равном 0,045 мА, на частоте fрез1=7,00 ГГц наблюдался максимум потерь затухания, величина которого достигала 52 дБ. При дальнейшем увеличении прямого тока вместе со снижением потерь затухания до 7,5 дБ на резонансной частоте контура происходила ее перестройка в сторону меньших значений. Еще большее увеличение прямого тока приводило к росту потерь затухания на резонансной частоте контура, которая уменьшалась до значения fрез2=6,68 ГГц, и при величине прямого тока 6,4 мА потери затухания достигали максимального значения, равного 61 дБ.
Экспериментально установленные частотные зависимости потерь затухания при различных значениях тока, протекающего через p-i-n-диод, позволяют использовать предлагаемую структуру для создания выключателей и переключателей СВЧ-сигнала. В зависимости от выбранной частоты СВЧ-сигнала может быть реализован как прямой, так и инверсный режим их работы.
На фиг.4 представлены зависимости потерь затухания от величины прямого тока, протекающего через p-i-n-диод, на частотах fрез1 и fрез2. Как следует из представленных результатов, на частоте fрез1=7,00 ГГц наблюдается инверсный режим переключения, при котором изменение величины тока от 0,045 мА до 10 мА приводит к изменению потерь затухания в диапазоне от 52 дБ до 0,6 дБ. На частоте fрез2=6,68 ГГц реализуется прямой режим, а именно: увеличение тока от 0,0 до 6,4 мА приводит к изменению потерь затухания в диапазоне от 0,9 дБ до 61 дБ.
Таким образом, предложенная конструкция микрополоскового СВЧ-выключателя в виде короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным конденсатором и петлевым элементом связи, в центре которого расположен p-i-n-диод, позволяет реализовать диапазон переключения потерь затухания на отражение более 60 дБ в прямом и более 50 дБ в инверсном режиме.
1. Микрополосковый p-i-n-диодный СВЧ-выключатель, характеризующийся тем, что он содержит отрезок микрополосковой линии передачи электромагнитных волн, включающий диэлектрическую пластину, металлизированную с одной стороны, и полосковый проводник с другой стороны пластины, короткозамыкатель, соединяющий полосковый проводник с металлизированной стороной диэлектрической пластины; последовательную цепь, состоящую из емкостного и индуктивного элементов, включенную между полосковым проводником и металлизированной стороной пластины, при этом индуктивный элемент выполнен в виде петлевого элемента, который одним или более витками огибает p-i-n-диод, причем p-i-n-диод выполнен с возможностью подключения к источнику управляющего напряжения и гальванически изолирован от последовательной цепи.
2. Микрополосковый p-i-n-диодный СВЧ-выключатель по п.1, характеризующийся тем, что отрезок микрополосковой линии передачи расположен на металлическом основании, выполненном выступающим за его пределы, а p-i-n-диод расположен на выступающей части основания со стороны короткозамыкателя, при этом расстояние между короткозамыкателем и p-i-n-диодом не превышает четверти длины электромагнитной волны.
