ГЕНЕРАТОР СВЧ
MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам СВЧ на транзисторе с электрической перестройкой частоты напряжением, и может быть использовано в системах связи и радиолокационных станциях.
Известен генератор СВЧ, управляемый напряжением, содержащий полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки, выполненный из полупроводникового материала арсенида галлия, соединенные с ним колебательную систему и полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, при этом полевой транзистор соединен по схеме с общим истоком, один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора, а другой - с полупроводниковым прибором, управляемым напряжением, в качестве которого используют варакторный диод [1, стр. 193].
Использование в этом генераторе СВЧ в качестве активного прибора полевого транзистора с затвором в виде барьера Шотки, выполненного из полупроводникового материала арсенида галлия, который обладает высокой подвижностью электронов позволило существенно увеличить нижний предел диапазона перестройки частоты.
Однако данный генератор СВЧ, поскольку варакторный диод обладает ограниченным интервалом изменения управляющего напряжения, не обеспечивает широкий диапазон перестройки частоты.
Кроме того, поскольку полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки и варакторный диод выполняются из различных полупроводниковых материалов раздельно, исключается возможность выполнения генератора СВЧ в монолитном интегральном исполнении.
Известен генератор СВЧ, управляемый напряжением, 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 котором с целью достижения линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и увеличения верхнего предела диапазона перестройки частоты генератора СВЧ и возможности реализации генератора СВЧ как в гибридном интегральном, так и монолитном интегральном исполнении, 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.
Данный генератор СВЧ обеспечивает сохранение высокой величины нижнего предела диапазона перестройки частоты и возможность выполнения генератора в монолитном интегральном исполнении.
Однако данный генератор СВЧ, как и предыдущий, не обеспечивает существенного расширения диапазона перестройки частоты, поскольку последнее ограничивают внутренние емкости полевых транзисторов с барьером Шотки.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона перестройки частоты при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения, уровня выходной мощности и возможности создания генератора в монолитном интегральном исполнении.
Указанный технический результат достигается заявленным генератором СВЧ, содержащим линию передачи на выходе, по меньшей мере, два полевых транзистора с барьером Шотки, один из которых управляемый напряжением, по меньшей мере, две индуктивности и разделительную емкость, при этом один конец первой индуктивности соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, на затвор которого подают постоянное управляющее напряжение, а другой - с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки, на сток которого подают постоянное напряжение положительной полярности через вторую индуктивность, линия передачи на выходе соединена с одним концом разделительной емкости.
В генератор дополнительно введены два полевых транзистора с барьером Шотки - третий и четвертый, пять индуктивностей - третья, четвертая, пятая, шестая, седьмая соответственно, при этом
- сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен через третью индуктивность со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
- сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен через четвертую индуктивность со стоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
- сток четвертого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другим концом разделительной емкости,
- исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с затвором третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
- исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с затвором четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
- истоки всех четырех полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, при этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки - через пятую индуктивность, общая точка соединения истока второго и затвора третьего полевых транзисторов с барьером Шотки - через шестую индуктивность, общая точка соединения истока третьего и затвора четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки - через седьмую индуктивность.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного генератора СВЧ, а именно:
- введение в генератор СВЧ дополнительно двух полевых транзисторов с барьером Шотки - третьего и четвертого, пяти индуктивностей - третьей, четвертой, пятой, шестой, седьмой соответственно и
- предложенное соединение элементов генератора СВЧ позволит:
Во-первых, исходя из того, что ширина диапазона перестройки частоты генератора СВЧ обратно пропорциональна величине емкости активного полупроводникового прибора, уменьшение, по меньшей мере, вдвое общей внутренней емкости всех четырех полевых транзисторов с барьером Шотки, и тем самым обеспечивает увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона перестройки частоты генератора СВЧ.
Во-вторых, благодаря тому, что второй, третий и четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки образуют единый активный элемент генератора СВЧ и в совокупности с предложенным соединением стоков этих полевых транзисторов с барьером Шотки через указанные индуктивности и в зависимости от оптимальной величины последних обеспечивают частичную либо полную компенсацию общей внутренней емкости этих трех полевых транзисторов с барьером Шотки, и тем самым дополнительно обеспечивают значительное уменьшение общей внутренней емкости полевых транзисторов с барьером Шотки, и тем самым - дополнительное увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и достижение слабой зависимости от частоты внутреннего сопротивления и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона частот при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и уровня выходной мощности генератора СВЧ.
В-третьих, предложенное соединение
- стока второго полевого транзистора с барьером Шотки через третью индуктивность со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
- стока третьего полевого транзистора с барьером Шотки через четвертую индуктивность со стоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
- стока четвертого полевого транзистора с барьером Шотки с другим концом разделительной емкости,
- истока второго полевого транзистора с барьером Шотки с затвором третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
- истока третьего полевого транзистора с барьером Шотки с затвором четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
- и когда истоки всех четырех полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, при этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки - через пятую индуктивность, общая точка соединения истока второго и затвора третьего полевых транзисторов с барьером Шотки - через шестую индуктивность, общая точка соединения истока третьего и затвора четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки - через седьмую индуктивность обеспечивает совместно с общей внутренней емкостью этих трех полевых транзисторов с барьером Шотки формирование в схеме генератора делителя напряжения из трех полевых транзисторов с барьером Шотки и, как результат этого - значительное увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и достижение слабой зависимости от частоты внутреннего сопротивления и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона частот при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения, уровня выходной мощности генератора СВЧ.
В-четвертых, наличие пятой индуктивности и заземление через нее истока первого полевого транзистора с барьером Шотки, управляемого напряжением, обеспечивает компенсацию внутренней емкости этого транзистора с барьером Шотки, и тем самым достижение слабой зависимости от частоты сопротивления и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона частот при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и уровня выходной мощности генератора СВЧ.
Более того, предложенная совокупность существенных признаков практически не влияет
во-первых, на величину общей внутренней емкости всех полевых транзисторов с барьером Шотки, которые определяют нижнюю границу рабочего диапазона частот и тем самым сохраняют ее неизменной;
во-вторых, на крутизну вольтамперных характеристик полевых транзисторов с барьером Шотки, и в силу этого обеспечивает сохранение уровня выходной мощности генератора СВЧ.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно расширение диапазона перестройки частоты при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и уровня выходной мощности.
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 и 3 соответственно,
- первая и вторая индуктивности - 4 и 5,
- разделительная емкость - 6,
- третий и четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки - 7 и 8 соответственно,
- третья, четвертая, пятая, шестая и седьмая индуктивности - 9, 10, 11, 12, 13 соответственно.
На фиг. 2 дана электрическая схема заявленного генератора СВЧ.
На фиг. 3 дана зависимость частоты и выходной мощности от управляющего напряжения.
Пример конкретного выполнения заявленного генератора СВЧ.
Генератор СВЧ выполнен в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
Линия передачи на выходе 1 выполнена с волновым сопротивлением 50 Ом, что соответствует ширине проводника 0,08 мм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 2, 3, 7, 8 выполнены каждый с длиной затвора 0,4 мкм, шириной затвора 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс -2,0 В.
Разделительная емкость 6 выполнена на основе окиси кремния толщиной 5 мкм.
Индуктивности 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13 выполнены в виде меандров шириной 10 мкм и длинами 400 мкм, 500 мкм, 200 мкм, 100 мкм, 150 мкм, 300 мкм, 100 мкм соответственно.
Заявленный генератор СВЧ работает следующим образом.
На сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 через вторую индуктивность 5 подают напряжение положительной полярности +6 В.
На затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 2 подают управляющее напряжение, изменяющееся от -2,0 В до +0 В.
Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики у обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 2 и 3 и наличия цепи обратной связи в генераторе 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 1 в виде переменного напряжения с частотой f. В результате на выходе линии передачи 1 генератора СВЧ переменное напряжение будет выделяться в виде выходной переменной мощности СВЧ, поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения.
Если изменять величину управляющего напряжения, то процессы в генераторе СВЧ будут протекать подобно описанным выше, при этом частота гармонических колебаний СВЧ f будет изменяться в рабочем диапазоне частот, а уровень выходной мощности практически не изменится.
На образцах заявленного генератора СВЧ были измерены зависимости величины частоты и выходной мощности от управляющего напряжения, изменяющегося в пределах от -2,0 В до +0 В.
Результаты представлены на фиг. 3.
Как видно из фиг. 3, частота f генератора СВЧ изменяется от 10 до 15 ГГц, так что диапазон перестройки генератора составляет 5 ГГц, что в 5 раз больше, чем у прототипа.
Минимальное значение выходной мощности Ρ генератора СВЧ составляет 25 мВт, что подтверждает сохранение уровня выходной мощности, максимальное ее значение не превышает 50 мВт, так, что перепад выходной мощности во всем диапазоне перестройки генератора не превышает 3 дБ, что является хорошим результатом для перестраиваемого генератора СВЧ.
Таким образом, заявленный генератор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит расширение диапазона перестройки частоты примерно в 5 раз при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения, уровня выходной мощности и возможности создания генератора в монолитном интегральном исполнении.
Источники информации
1. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. - М.: Радио и связь, 1988.
2. Патент РФ №2277293, МПК H03B 7/14, приоритет от 05.10.2004, опубл. 27.05.2006 - прототип.