ГЕНЕРАТОР СВЧ
MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам СВЧ на полупроводниковых приборах, и может быть использовано в радиоэлектронной бортовой аппаратуре.
Генераторы сверхвысокой частоты (СВЧ), выполненные на транзисторах, находят наибольшее применение. При этом в области сверхвысоких частот на полевых транзисторах с барьером Шотки (ПТШ), выполненных на полупроводниковом материале - арсениде галлия, в длинноволновой части СВЧ диапазона конкуренцию генераторам на полевых транзисторах с барьером Шотки составляют генераторы на биполярных транзисторах, выполненных на кремнии.
Известен генератор СВЧ на транзисторе с электрической перестройкой частоты, содержащий полевой транзистор с барьером Шотки, соединенные с ним колебательную систему и полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, при этом полевой транзистор с барьером Шотки соединен по схеме активного прибора с общим истоком, один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки, а другой - с полупроводниковым прибором, управляемым напряжением.
В данном генераторе СВЧ с целью расширения рабочего диапазона частот в качестве полупроводникового прибора, управляемого напряжением, используют второй полевой транзистор с барьером Шотки, соединенный по схеме с общим истоком, при этом другой конец колебательной системы соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, на который подают постоянное напряжение положительной полярности, а на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки подают управляющее напряжение и постоянное напряжение отрицательной полярности величиной, равной (0,6-0,8)Uo, где Uo - напряжение отсечки второго полевого транзистора с барьером Шотки [1].
Данный генератор СВЧ в результате того, что он выполнен на полевом транзисторе с барьером Шотки на полупроводниковом материале арсениде галлия, который имеет более высокую подвижность электронов по сравнению с полупроводниковым материалом кремнием, позволил увеличить верхнюю границу рабочего диапазона частот и соответственно несколько расширить рабочий диапазон частот.
Однако поскольку полевой транзистор с барьером Шотки имеет определенную величину внутренней емкости, то генератор имеет ограничения по ширине рабочего диапазона частот.
Известно многофункциональное устройство СВЧ, предусматривающее в том числе реализацию генератора СВЧ.
Многофункциональное устройство СВЧ содержит две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, резистор, две индуктивности, емкостной элемент, две емкости. При этом последовательно соединенные резистор, индуктивность и емкостной элемент образуют цепь обратной связи, при этом один конец первой емкости соединен с концом линии передачи на входе, другой ее конец - с затвором полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом резистора цепи обратной связи, другой конец которого соединен с одним концом индуктивности цепи обратной связи, один конец второй емкости соединен с линией передачи на выходе, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, на сток которого через вторую индуктивность подают постоянное положительное напряжение.
В многофункциональное устройство СВЧ с целью расширения функциональных возможностей, а именно обеспечения реализации преобразования амплитуды, фазы и частоты сигнала СВЧ, при сохранении диапазона рабочих частот дополнительно введены второй полевой транзистор с барьером Шотки, две индуктивности - третья и четвертая.
При этом второй полевой транзистор с барьером Шотки введен в цепь обратной связи в качестве емкостного элемента, стоки обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другим концом индуктивности цепи обратной связи, а его затвор соединен с источником управляющего напряжения, один конец третьей индуктивности соединен с другим концом первой емкости, один конец четвертой индуктивности - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, а другие их концы заземлены [2 - прототип].
При этом работа многофункционального устройства СВЧ (устройство СВЧ) как генератора СВЧ реализуется следующим образом.
У данного генератора отсутствует входной сигнал СВЧ.
При подаче на сток первого полевого транзистора с барьером Шотки через вторую индуктивность постоянного положительного напряжения, равного 5 В, через этот полевой транзистор с барьером Шотки и четвертую индуктивность будет протекать постоянный ток, который задает рабочую точку на его вольтамперной характеристике.
При подаче постоянного управляющего напряжения, равного минус 1 В, на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи его канал частично перекрывается и этот полевой транзистор с барьером Шотки выполняет роль емкостного элемента, что вместе с третьей индуктивностью позволяет реализовать такие величины амплитуды и фазы сигнала СВЧ на входе и выходе первого полевого транзистора с барьером Шотки, при которых выполняются условия баланса амплитуд и фаз сигналов СВЧ, что приводит к возникновению и устойчивому сохранению сигнала СВЧ с собственной частотой устройства СВЧ.
Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики первого полевого транзистора с барьером Шотки мощность от источника постоянного положительного напряжения преобразуется в мощность переменного сигнала СВЧ, поступающего через вторую емкость в линию передачи на выходе устройства СВЧ.
В этом случае устройство СВЧ реализует генерацию сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию генератора СВЧ.
В данном генераторе СВЧ по сравнению с предыдущим увеличена верхняя граница рабочей полосы частот и соответственно расширен рабочий диапазон частот схемным путем, за счет использования цепи обратной связи.
Рабочий диапазон частот изменяется от 12 ГГц до 17 ГГц. Минимальный уровень выходной мощности в рабочей полосе частот равен 80 мВт.
Однако дальнейшее более существенное увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и соответственно расширение рабочего диапазона частот ограничено, как было указано выше, сравнительно большими величинами внутренних емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение рабочего диапазона частот генератора СВЧ при сохранении уровня выходной мощности.
Указанный технический результат достигается заявленным генератором СВЧ, содержащим линию передачи на выходе, два полевых транзистора с барьером Шотки, резистор, четыре индуктивности, два конденсатора, при этом затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с одним концом первой индуктивности, другой конец которой соединен с одним концом резистора, на его сток через вторую индуктивность подают постоянное положительное напряжение, его затвор и исток заземлены через третью и четвертую индуктивности соответственно, линия передачи на выходе соединена с одним концом второго конденсатора.
В генератор СВЧ
- дополнительно введены пятая и шестая индуктивности,
- при этом исток первого и затвор второго полевых транзисторов с барьером Шотки соединены, а исток второго заземлен через пятую индуктивность, другой конец резистора соединен с одним концом первого конденсатора, другой конец которого соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки и одновременно через шестую индуктивность со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и с другим концом второго конденсатора,
- при этом величины третьей, четвертой, пятой индуктивностей определяют исходя из выражений:
L3=2×Z0/(2×π×f0),
L4=0,5×L3,
L5=0,5×L4, где
Z0 - волновое сопротивление линии передачи,
π - постоянное число, равное 3,14…,
f0 - центральная частота рабочего диапазона частот.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного генератора СВЧ, а именно:
введение пятой и шестой индуктивностей в совокупности с заявленными их величинами и в совокупности с предложенным соединением затворов обоих полевых транзисторов с барьером Шотки через шестую индуктивность и заземление истока второго полевого транзистора с барьером Шотки через пятую индуктивность обеспечивает компенсацию общей внутренней емкости обоих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, расширение рабочего диапазона частот при сохранении уровня выходной мощности;
наличие пятой индуктивности в совокупности с предложенным соединением затвора второго полевого транзистора с барьером Шотки с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки и заземление истока второго полевого транзистора с барьером Шотки через пятую индуктивность обеспечивает, по меньшей мере, уменьшение вдвое общей внутренней емкости обоих полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым - увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и, как следствие, расширение рабочего диапазона частот генератора СВЧ;
наличие шестой индуктивности в совокупности с предложенным соединением стоков обоих полевых транзисторов с барьером Шотки через эту шестую индуктивность обеспечивает в зависимости от ее величины частичную либо полную компенсацию внутренней выходной емкости первого полевого транзистора с барьером Шотки и внутренней входной емкости второго полевого транзистора с барьером Шотки, и тем самым - уменьшение общей внутренней емкости обоих полевых транзисторов с барьером Шотки, и тем самым - увеличение верхней границы рабочего диапазона частот, и, как следствие, расширение рабочего диапазона частот генератора СВЧ;
наличие пятой индуктивности в совокупности с четвертой и предложенным соединением затвора второго полевого транзистора с барьером Шотки с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки при том, что их общая точка соединения заземлена через четвертую индуктивность, а затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки заземлен через пятую индуктивность, обеспечивает совместно с внутренними емкостями обоих полевых транзисторов с барьером Шотки образование в схеме генератора делителя напряжения и тем самым - увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и, как следствие, расширение рабочего диапазона частот генератора СВЧ.
Более того, введение дополнительно двух индуктивностей (пятой и шестой) и их предложенное соединение с элементами генератора СВЧ практически не влияет на величины внутренних проходных емкостей обоих полевых транзисторов с барьером Шотки, которые определяют нижнюю границу рабочего диапазона частот и тем самым сохраняют ее неизменной.
Более того, указанные элементы генератора СВЧ в совокупности с указанным их иным соединением не влияют на крутизны полевых транзисторов с барьером Шотки, которые определяются их вольтамперными характеристиками, поэтому уровень выходной мощности либо не изменяется по сравнению с прототипом, либо даже несколько повышается.
Более того, наличие в генераторе цепи обратной связи позволяет реализовать более стабильную работу генератора СВЧ и несколько повысить уровень выходной мощности.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно расширение рабочего диапазона частот генератора СВЧ при сохранении уровня выходной мощности генератора.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дана топология заявленного генератора СВЧ, где
- линия передачи на выходе 1,
- первый и второй полевые транзисторы с барьером Шотки - 2, 3 соответственно,
- резистор - 4,
- первая, вторая, третья и четвертая индуктивности - 5, 6, 7, 8 соответственно,
- первый и второй конденсаторы - 9, 10 соответственно,
- пятая и шестая индуктивности - 11 и 12 соответственно.
На фиг. 2 дана его электрическая схема.
На фиг. 3 дана его зависимость величины выходной мощности от рабочей частоты.
Пример конкретного выполнения заявленного генератора СВЧ
Генератор СВЧ выполнен в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Линия передачи на выходе 1, предназначенная для выхода сигнала СВЧ выполнена с волновым сопротивлением, равным 50 Ом, что соответствует ширине проводника 0,08 мм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 2 и 3 выполнены каждый с длиной затвора, равной 0,3 мкм, шириной затвора, равной 400 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uoтс, равное -2,5 В.
Резистор 4 выполнен из пленки тантала толщиной 0,5 мкм, шириной и длиной, равными 0,08 мм.
Индуктивности 5, 6, 7, 8, 11, 12 выполнены в виде меандров шириной, равной 10, и длинами, равными 800 мкм, 400 мкм, 400 мкм, 200 мкм, 100 мкм, 200 мкм соответственно.
Конденсаторы 9 и 10 выполнены на основе окиси кремния толщиной 3 мкм.
При этом затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 2 соединен с одним концом первой индуктивности 5, другой конец которой соединен с одним концом резистора 4, на его сток через вторую индуктивность 6 подают постоянное положительное напряжение, его затвор и исток заземлены через третью 7 и четвертую 8 индуктивности соответственно, линия передачи на выходе 1 соединена с одним концом второго конденсатора 10, при этом исток первого 2 и затвор второго 3 полевых транзисторов с барьером Шотки соединены, а исток второго 3 заземлен через пятую индуктивность 11, другой конец резистора 4 соединен с одним концом первого конденсатора 9, другой конец которого соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 2 и одновременно через шестую индуктивность 12 со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 и с другим концом второго конденсатора 10.
Заявленный генератор СВЧ работает следующим образом.
При подаче на стоки обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 2, 3 постоянного положительного напряжения, равного 5 В, через оба полевых транзистора с барьером Шотки и будут протекать постоянные токи.
Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики у обоих полевых транзисторов с барьером Шотки и наличия цепи обратной связи в генераторе СВЧ возникнут устойчивые гармонические колебания СВЧ с частотой f, при этом энергия постоянного напряжения будет преобразовываться в энергию гармонических колебаний и выделяться на выходе генератора СВЧ в виде переменного напряжения с частотой f.
В результате на выходе генератора СВЧ переменное напряжение будет выделяться в виде выходной переменной мощности СВЧ, поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения.
Если изменять величины резистора 4, первой индуктивности 5 или емкости первого конденсатора 9, то процессы в генераторе СВЧ будут протекать подобно описанным выше, при этом частота гармонических колебаний СВЧ f будет изменяться в рабочем диапазоне частот, при этом уровень выходной мощности практически не изменится.
На образцах заявленного генератора СВЧ была измерена зависимость величины выходной мощности от частоты рабочего диапазона частот (фиг. 3).
Как видно из фиг. 3:
- рабочий диапазон частот изменяется от 12 ГГц до 22 ГГц, что в 2 раза больше, чем в прототипе,
- минимальный уровень выходной мощности в рабочей полосе частот равен 80 мВт, как и в прототипе.
При этом уровень выходной мощности в рабочем диапазоне частот изменяется от 80 мВт до 90 мВт.
Таким образом, заявленный генератор СВЧ позволит по сравнению с прототипом:
- расширить рабочий диапазон частот примерно в 2 раза,
- при сохранении уровня выходной мощности.
Указанные технические характеристики генератора СВЧ особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных изделий СВЧ, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения и особенно в монолитно интегральном исполнении.
Источники информации
1. Патент РФ №2277293, МПК Н03В 7/14, приоритет от 05.10.2005 г., опубликовано 27.05.2006 г.
2. Патент РФ №2411633, МПК Н03В 9/14, приоритет от 11.01.2010 г., опубликовано 10.02.2011 г.