УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY MULTIPLIER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к умножителям частоты на полупроводниковых приборах.
Умножители частоты гармонического сигнала СВЧ являются составной частью высокочастотного тракта полупроводниковых радиопередатчиков.
Полупроводниковые приборы, используемые для умножителей частоты, имеют существенно нелинейные вольтамперные и вольтфарадные характеристики. Поэтому при подаче на вход такого умножителя чистоты сигнала СВЧ с частотой f0 на выходе умножителя частоты образуется негармонический сигнал, спектр которого содержит много гармоник. С помощью фильтрующих элементов из этого спектра выделяется требуемая гармоника с частотой n·f0. Входной и выходной фильтрующие элементы настроены соответственно на частоты f0 и n·f0.
Известен умножитель частоты на лавинно-пролетном диоде СВЧ с нелинейным активным сопротивлением. Достоинства такого умножителя частоты - простота конструкции, возможность работы без источника смещения и получения гармоник высоких порядков [1, стр.180].
Недостатки - малая выходная мощность и малый коэффициент полезного действия (КПД).
Кроме того, получению оптимальных параметров умножителя частоты препятствует пробой лавинно-пролетного диода СВЧ при больших значениях амплитуды колебаний.
Известен умножитель частоты на варакторном диоде, в котором умножение осуществляется за счет изменения формы напряжения СВЧ нелинейной емкостью запертого p-n перехода варакторного диода при подаче на него гармонического напряжения и выделения n-ной гармоники фильтрующим элементом [1, стр.189].
Поскольку в варакторном диоде специальными средствами достигается оптимальная зависимость емкости от напряжения, КПД такого умножителя частоты несколько превосходит КПД умножителя частоты на лавинно-пролетном диоде СВЧ.
Недостатком умножителя частоты на варакторном диоде, как и  умножителя частоты на лавинно-пролетном диоде СВЧ, является
- параметрическая генерация паразитных колебаний на частотах, близких к n·f0,
- наличие потерь сигнала СВЧ в варакторном диоде,
- неполное согласование его с входной и выходной линиями передачи.
Это не позволяет существенно увеличить КПД умножителя частоты.
Известен умножитель частоты на биполярном транзисторе, который работает с отсечкой коллекторного тока [2, стр.219].
Преимущество его по сравнению с умножителями частоты на указанных диодах заключается в том, что вход и выход в нем развязаны, поэтому отсутствует необходимость в использовании вентилей и циркуляторов для развязки по постоянному току и СВЧ.
Более того, такие умножители дают и усиление сигнала СВЧ в несколько децибел.
Недостатки умножителя частоты на биполярном транзисторе:
- небольшой электронный КПД,
- большая инерционность процессов, что не позволяет использовать их на частотах, превышающих 10 ГГц,
- опасность параметрической генерации на переменной емкости коллектор - база.
Известен умножитель частоты, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки (ПТШ), затвор которого соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, исток - заземлен, индуктивность, один конец которой соединен с линией передачи на входе, фильтр питания на выходе [2, стр.22-23] - прототип.
Преимуществом умножителя частоты на ПТШ является:
во-первых, высокий частотный предел более 100 ГГц благодаря тому, что
а) скорость движения электронов в материале арсенида галлия (GaAs), из которого выполнен ПТШ, примерно в два раза выше, чем в материале кремния (Si), из которого выполнен биполярный транзистор,
б) вместо емкостей эмиттерного и коллекторного переходов биполярного транзистора в ПТШ имеется сравнительно малая емкость обратно смещенного барьера Шотки затвора,
во-вторых, повышенная устойчивость работы благодаря более высокой развязке в полевом транзисторе с барьером Шоттки входа и выхода,
в-третьих, отсутствие модулируемой емкости на выходе, приводящей к параметрической генерации,
в-четвертых, меньший разброс электрических параметров благодаря тому, что:
а) ПТШ отличается более простой и совершенной технологией изготовления,
б) ток в ПТШ течет не через p-n переход, а между омическими контактами в однородной среде канала,
в-пятых, имеет меньший уровень шума из-за отсутствия у ПТШ шумов токораспределения,
в-шестых, большая отдаваемая мощность СВЧ.
Недостатком умножителя частоты на ПТШ является узкая рабочая полоса частот и невысокий КПД, что обусловлено отсутствием возможности одновременной перестройки частоты на входе и на выходе умножителя и подстройки на этих частотах амплитуд сигнала СВЧ под их оптимальные значения.
Техническим результатом заявленного умножителя частоты является расширение рабочей полосы частот и увеличение КПД при сохранении низких шумов.
Указанный технический результат достигается заявленным умножителем частоты, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода,
полевой транзистор с барьером Шотки, затвор которого соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, исток - заземлен,
индуктивность, один конец которой соединен с линией передачи на входе,
фильтр питания на выходе.
В умножитель частоты дополнительно введены два полевых транзистора с барьером Шотки - второй и третий, индуктивность - вторая и два одинаковых резистора, величина сопротивления каждого из них на порядок больше волнового сопротивления линий передачи на входе либо на выходе умножителя частоты, при этом второй конец первой индуктивности соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, один конец второй индуктивности соединен с линией передачи на выходе, другой ее конец - со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки, истоки второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, на затвор второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки через соответствующий резистор подается управляющее напряжение от соответствующего источника постоянного напряжения.
Заявленные существенные признаки умножителя частоты и их совокупность обеспечат:
Наличие двух дополнительных полевых транзисторов с барьером Шотки, второй индуктивности и предложенное их соединение позволит:
во-первых, реализовать две резонансные цепочки на входе и выходе умножителя частоты, каждая из последовательно соединенной индуктивности и полевого транзистора с барьером Шотки, настраиваемых на частоты f0 и n·f0 соответственно,
во-вторых, благодаря изменению постоянного управляющего напряжения на затворе каждого полевого транзистора с барьером Шотки изменять его емкостное сопротивление и, вместе с ним, изменять резонансные частоты резонансных цепочек и достигать оптимальной величины амплитуды сигнала СВЧ на входе (и выходе) умножителя частоты.
И как следствие того и другого - расширение рабочей полосы частот и увеличение КПД.
Использование полевых транзисторов с барьером Шотки, которые, являясь трехэлектродными полупроводниковыми приборами, содержат внутреннюю развязку по постоянному току и СВЧ, что позволит независимо изменять постоянные напряжения и реализовывать оптимальное согласование по СВЧ и тем самым увеличить КПД.
Соединение затворов полевых транзисторов с барьером Шотки с источниками управляющего напряжения через резисторы в совокупности, когда величина сопротивления каждого резистора на порядок превышает волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе умножителя частоты, обеспечивает уменьшение токов утечки через затворы и, как следствие, увеличение КПД.
Использование полевых транзисторов с барьером Шотки, которые в силу отсутствия свободных носителей тока с положительным зарядом (дырок) и пониженного уровня флюктуации электронов обладают низкими шумами, позволяет сохранить низкие шумы умножителя частоты в целом.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного умножителя частоты, содержащего
- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,
- полевой транзистор с барьером Шотки - 3,
- индуктивность - 4,
- фильтр питания на выходе - 5,
- два полевых транзистора с барьером Шотки - 6, 7 (второй и третий) соответственно,
- вторая индуктивность - 8,
- два одинаковых резистора - 9, 10 соответственно,
- источники постоянного управляющего напряжения - 11 и 12 соответственно.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного умножителя частоты.
На фиг.3 даны зависимости рабочей полосы частот и КПД от постоянных управляющих напряжений.
Пример конкретного выполнения.
Умножитель частоты выполнен в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Две линии передачи, предназначенные для входа сигнала СВЧ 1 и для выхода 2, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 3, 6, 7 выполнены каждый с длиной затвора, равной 0,3 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс., равное - 2,5 В.
Индуктивности 4, 8 выполнены в виде меандров шириной 0,02 мм, первая длиной, равной 2 мм, вторая длиной - 1 мм.
Два одинаковых резистора 9,10 выполнены из тантала длиной 0,5 мм и шириной 0,1 мм.
Рабочая полоса частот изменяется от 11 ГГц до 16 ГГц.
Заявленный умножитель частоты работает следующим образом.
На сток первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 через фильтр питания 5 подается постоянное напряжение величиной, равной+5 В, на затворы второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 соответственно подаются напряжения -1 В и -1,5 В от соответствующих источников постоянного управляющего напряжения 11, 12. При этом все полевые транзисторы с барьером Шотки 3, 6, 7 переводятся в рабочий режим.
На вход умножителя частоты 1 подается сигнал СВЧ с частотой f0 равной 12 ГГц и амплитудой 1 В.
Напряжения на втором и третьем полевых транзисторов с барьером Шотки 6, 7 выбраны такими, чтобы емкостное сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 6 на резонансной частоте f0 было равно емкостному сопротивлению третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 на резонансной частоте 2·f0, то есть, чтобы эквивалентные емкости этих ПТШ 6, 7 были равными.
При этом амплитуда сигнала СВЧ на выходе умножителя частоты 2 была равной 0,9 В.
Таким образом, КПД составляет 80 процентов.
На образце заявленного умножителя частоты были измерены величины изменения КПД при изменении напряжений от -0,5 В до -2 В.
Результаты даны на фиг.3.
Как видно из фиг.3
- рабочая полоса частот изменяется от 11 ГГц до 16 ГГц,
- КПД изменяется в пределах от 70 до 90 процентов.
Таким образом, заявленный умножитель частоты позволит по сравнению с прототипом:
- расширить рабочую полосу частоты в 1,5 раза,
- увеличить КПД в 1,2 раза.
Указанные преимущества особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных приборов СВЧ, особенно в монолитно интегральном исполнении, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения.
Источники информации
1. Широкополосные радиопередающие устройства. Под ред. О.В. Алексеева. М.: Связь, 1978.
1. Малышев В.А. Бортовые активные устройства СВЧ. Л.: Судостроение. 1990.
2. Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1988. Вып.5.