УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕТЕРОМАГНИТНЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР

Управляемый гетеромагнитный автогенератор.
Полезная модель относится к области конструирования устройств для работы в РЛС или АФАР нового поколения на активных элементах - управляемых аналого-цифровых гетеромагнитных автогенераторах высокого уровня мощности с высоким техническим КПД (55…78%).
Известно многофункциональное устройство (патент РФ №2280917, кл. H01L 27/14, опубл. 27.07.2006), содержащее транзистор с включенными в него ферритовыми микрорезонаторами. Ферритовые микрорезонаторы расположены в межэлектродных областях со стороны омических контактов с максимальным значением высокочастотной магнитной индукции и намагничены внешним полем. В итоге получается устройство с расширенными функциональными возможностями (по сравнению с базовым элементом - транзистором), обеспечивающее возможности статического и динамического управления параметрами и характеристиками сигналов. Недостатком разработки является низкий уровень мощности управляемого сигнала (единицы Вт).
Известен фазовращатель СВЧ диапазона (патент РФ №2510551, кл. Н01Р 1/18, опубл. 27.03.2014), включающий расположенную на диэлектрическом материале микрополосковую линию и размещенные между ее токовым и земляным проводниками сегнетоэлектрические конденсаторы на диэлектрической подложке. Изменение напряжения приложенного к сегнетоэлектрику изменяет емкость конденсаторов и сдвиг фазы фазовращателя. Недостатком разработки является то, что одна фазосдвигающая ячейка обеспечивает сдвиг только на 27°. Последовательное же соединение ячеек увеличивает соответствующим образом потери прохождения СВЧ сигнала. Недостаток также заключается в том, что устройство не являются комплексированным, т.е. предназначено только для решения одной задачи - сдвига фазы сигнала.
Известен активный фазовращатель (патент РФ №2510980, кл. Н01Р 1/18, 10.04.2014),) выполненный на полупроводниковых приборах на основе SiGe и включающий широкополосный квадратурный полифазный фильтр, аналоговый дифференциальный сумматор, блок цифрового сигнала, согласующее звено и блок преобразователя дифференциального сигнала в однополярный. Недостатком этого устройств является возможность только дискретно менять фазу управляемого сигнала. Недостаток также заключается в том, что устройство не являются комплексированным, т.е. предназначено только для решения одной задачи - сдвига фазы сигнала.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в создании комплексированной конструкции, включающей в себя гетеромагнитный автогенератор СВЧ диапазона повышенного уровня мощности (до 100 Вт) с возможностью управления фазой генерируемого сигнала, имеющий расширенный диапазон частот и повышенный технический КПД (55…78%). Задача решается, а технический результат обеспечивается тем, что управляемый гетеромагнитный автогенератор на основе магнитополупроводникового устройства состоит из транзистора и ферритового микрорезонатора, причем транзистор снабжен встроенной фазосдвигающей цепью, а ферритовый микрорезонатор установлен в область с максимальным значением индукции высокочастотного магнитного поля индуктивности внутренней цепи согласования транзистора.
В качестве базового элемента для магнитополупроводникового устройства используется транзистор повышенного уровня мощности со встроенными цепями согласования. Для изготовления магнитополупроводникового устройства может быть использован как полевой, так и биполярный транзистор. Встроенные цепи согласования позволяют использовать транзистор на высоких уровнях мощности (до 100 Вт). Ферритовый микрорезонатор устанавливается в цепях согласования в область с максимальным значением индукции высокочастотного магнитного поля индуктивности цепи согласования транзистора. Такая цепь согласования (со встроенным микрорезонатором) под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого специальной магнитной системой, изменяет свое комплексное сопротивление в широких пределах и используется в качестве фазосдвигающей цепи. Одновременно, эта же цепь используется в качестве цепи обратной связи для построения автогенератора, фаза и частота сигнала которого изменяются под воздействием магнитного поля системы подмагничивания и при изменении режимов питания транзистора. Ферритовый микрорезонатор в цепи согласования транзистора обеспечивает дополнительное подсогласование входного сопротивления транзистора, что уменьшает потери СВЧ сигнала на отражение от входа транзисторного каскада и, соответственно, повышает КПД и уровень выходной мощности автогенератора. Ферритовый микрорезонатор представляет собой ферритовую сферу или пленку, или магниточувствительные наноструктуры.
На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства.
Автогенератор 1 включает в себя магнитополупроводниковое устройство (транзистор со встроенной фазосдвигающей цепью). Микроконтроллер 2 подключен к магнитной системе 3 для управления фазосдвигающей цепью. Выход автогенератора подключен к направленному ответвителю 4. Основной выход направленного ответвителя 4 является выходом 5 всего устройства, а ответвляющий выход через аттенюатор 6 подключен к входу аналогово-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер 2. Цепь 7, предназначенная для управления питанием автогенератора, подключена к выходу цифро-аналогового преобразователя, встроенного в микроконтроллер 2.
Устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал генерируется автогенератором 1, включающим транзистор со встроенной фазосдвигающей цепью. Фазосдвигающая цепь управляется магнитной системой 3, которая в свою очередь управляется микроконтроллером 2. Через ответвитель 4 и аттенюатор 6 часть СВЧ сигнала поступает на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера 2. Основная часть СВЧ сигнала поступает на выход 5. Микроконтроллер 2 через цифро-аналоговый преобразователь, встроенный в микроконтроллер, и цепь 7 управляет питанием автогенератора, изменяя режимы питания транзистора.
1
M
1
1
1
1
2
3
На фиг. 2 показана принципиальная схема гетеромагнитного автогенератора, включающего магнитополупроводниковое устройство на основе полевого транзистора. Магнитополупроводниковое устройство (VT на фиг. 2) управляется посредством изменения поля подмагничивания H и напряжения питания U. L и C образуют фильтр питания, R задает начальный режим работы транзистора по постоянному току, С - разделительный конденсатор, C задает начальный режим работы транзистора по переменному току.
На фиг. 3 схематично показано магнитополупроводниковое устройство 8 в разрезе, включающее ферритовый микрорезонатор 9 и полупроводниковую структуру 10.
Ферритовый микрорезонатор устанавливается в цепях согласования транзистора в область с максимальным значением индукции высокочастотного магнитного поля индуктивности цепи согласования транзистора, одного или нескольких петлевых витков (см. далее фиг. 4-7). Параметры и характеристики ферритового микрорезонатора управляются полем подмагничивания.
Магнитная система состоит из электромагнита 11 и постоянного магнита 12 специальной конфигурации и включает в себя:
- магнитный термокомпенсатор 13 для стабилизации магнитного поля при изменении температуры окружающей среды в пределах от -50°С до +85°С;
- выравниватель магнитного поля 14 - доводит магнитное поле до необходимой однородности и напряженности в месте расположения ферритового микрорезонатора;
- электромагнит 11, служащий для управления амплитудой и модуляцией магнитного поля в цепях управления режимами работы магнитотранзистора и термокоррекции автогенератора в совокупности с магнитной системой;
- датчик(и) температуры магнитной системы, сигналы с которых обрабатываются микроконтроллером для осуществления термокоррекции магнитной системы.
На выделенном и увеличенном фрагменте фиг. 3 показано расположение согласующей индуктивности 15 и ферритового микрорезонатора 16.
Схема магнитополупроводникового устройства с ферритовым микрорезонатором, включенным в цепь согласования транзистора, приведена на фиг. 4.
На фиг. 4 приняты следующие обозначения:
Z - ферритовый микрорезонатор;
G - затвор;
D - сток;
S - исток;
VT1 - транзисторная полупроводниковая структура без учета цепей согласования и импедансов выводов транзистора;
Lg - индуктивность вывода затвора;
Ld - индуктивность вывода стока;
Ls - индуктивность вывода истока;
L1 - согласующая индуктивность затвора;
L2 - дополнительная индуктивность вывода истока, определяемая геометрией корпуса транзистора;
L3 - согласующая индуктивность стока;
С1 - согласующий конденсатор затвора;
С2 - согласующий конденсатор истока;
С3 - паразитная емкость затвор-сток.
Согласующие цепи транзистора представляют собой Г-образные фильтры низких частот: L1, С1 - входная согласующая цепь; L3, С2 - выходная согласующая цепь. Индуктивность вывода истока определяется геометрией корпуса транзистора и состоит из Ls и L2. Величина индуктивности L2 определяется точкой подключения С1 и С2 к выводу истока.
На фиг. 5 показаны силовые линии 17 индукции высокочастотного магнитного поля, образуемого индуктивностью 18 (L1 на фиг. 4) цепи согласования транзистора 19 Плотность расположения силовых линий пропорциональна амплитуде индукции магнитного поля. Для обеспечения наилучшей связи ферритового микрорезонатора с индуктивностью цепи согласования транзистора, микрорезонатор устанавливается в область с максимальным значением индукции высокочастотного магнитного поля. Область с максимальным значением индукции высокочастотного магнитного поля находится там, где максимальна плотность силовых линий индукции высокочастотного магнитного поля.
Способы и технологии реализации магнитополупроводникового устройства описаны в (Гетеромагнитная микроэлектроника. Микросистемы активного типа / А.А.Игнатьев, А.В. Ляшенко. М.: Наука, 2006. ISBN 5-02-033534-7. С. 296-314). На фиг. 6 и фиг. 7 показаны примеры реализации магнитополупроводникового устройства на основе мощного 5-секционного полевого транзистора. На фиг. 6 и фиг. 7 приняты следующие обозначения: 20 - вывод затвора, 21 - вывод стока, 22 - вывод истока, 23 - транзисторные структуры, 24 - согласующий конденсатор (С1 на фиг. 4), 25 - проводники, образующие согласующую индуктивность затвора (L1 на фиг. 4), 26 - проводники, образующие согласующую индуктивность стока (L3 на фиг. 4), 27 - проводники, образующие согласующую индуктивность истока (L2 на фиг. 4), 28 - ферритовый микрорезонатор. На фиг. 6 показано магнитополупроводниковое устройство со сферическим ферритовым микрорезонатором. На фиг. 7 показано магнитополупроводниковое устройство с двумя пленочными ферритовыми микрорезонаторами.
Цепь согласования (со встроенным микрорезонатором) одновременно используется в качестве фазосдвигающей цепи и в качестве цепи обратной связи для построения управляемого гетеромагнитного автогенератора, фаза и частота сигнала которого изменяются под воздействием магнитного поля системы подмагничивания и при изменении режимов питания транзистора, что позволяет реализовать многофункциональные режимы работы и формирование регулярных, шумоподобных и шумовых сигналов. Повышенный уровень мощности и технический КПД достигается за счет использования транзистора высокого уровня мощности со встроенными цепями согласования и уменьшения потерь СВЧ сигнала на отражение от входа транзисторного каскада путем дополнительного согласования входного сопротивления транзистора с выходным сопротивлением ферритового микрорезонатора, установленного во внутренней цепи согласования транзистора в области с максимальным значением индукции высокочастотного магнитного поля индуктивности цепи согласования транзистора.
Технические характеристики:
- верхняя граничная рабочая частота от 1 ГГц до 12…22 ГГц*;
- напряжение питания 8…2 В*;
- ток питания до 4 А;
- выходная мощность до 100 Вт;
- технический КПД 55…78%*;
- управление фазо-частотной характеристикой в пределах от 0 до +360 град;
- температура окружающей среды -50…+85°С.
*Обеспечивается разбиением на литеры (в зависимости от необходимых параметров применяется различная элементная база).