СВЧ-АВТОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной электроники и может быть использовано при создании СВЧ твердотельных устройств формирования сигналов, стабилизированных резонаторами ' на поверхностных акустических волнах, в частности, при создании интегральных СВЧ-автогенераторов с резонаторами на поверхностных акустических волнах.
Из уровня техники известен СВЧ-автогенератор, содержащий диэлектрическую подложку, одна из поверхностей которой металлизирована и в металлизации выполнено круглое отверстие, а на второй поверхности выполнена топология СВЧ-автогенератора, включающая полупроводниковый генерирующий элемент, к которому подключены отрезок микрополосковой линии для связи генерирующего элемента с планарным диэлектрическим резонатором за счет электромагнитного поля, и отрезок микрополосковой линии для вывода энергии СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку, систему управления частотой упомянутого планарного диэлектрического резонатора, содержащую отрезок микрополосковой линии передачи, а также верхний и нижний металлические экраны. Диаметр отверстия в металлизации выбран из условия обеспечения резонанса на рабочей частоте автогенератора, в систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора введен второй отрезок микрополосковой линии, короткозамкнутый на одном конце. Варикап подключен в зазоре между первым и вторым отрезками микрополосковых линий. Причем оба отрезка микрополосковых линий системы управления частотой расположены по оси, проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, микрополосковая линия связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом расположена на неметаллизированной поверхности подложки и касается окружности проекции отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки (см. патент РФ №2336625, опубл. 20.10.2008).
Недостатками известного устройства являются его не достаточно высокие рабочие характеристики, обусловленные высокой спектральной плотностью фазового шума, наличие нелинейных искажений при высоких уровнях выходной мощности сигнала, а также низкий отвод тепла от активной области прибора.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в улучшении рабочих характеристик устройства, обусловленных минимизацией спектральной плотности фазового шума, оптимизацией выходного усилительного каскада, обеспечивающего минимум нелинейных искажений при высоких уровнях выходной мощности сигнала, а также возможностью быстрого отвода тепла от активной области устройства.
x
1-x
Технический результат обеспечивается тем, что СВЧ-автогенератор включает резонатор, активный полупроводниковый прибор и выходной каскад. Резонатор выполнен в виде твердотельного двухвходового СВЧ резонатора на поверхностных акустических волнах с отражательными решетками, в который введены входное и выходное согласующие устройства, а его выход подключен к входу усилительного каскада активного полупроводникового прибора, включающего полевой СВЧ-транзистор, кроме того, выход активного полупроводникового прибора одновременно подключен к входу выходного каскада и входу резонатора, а выходной каскад выполнен с усилителями на базе мощных транзисторов на основе гетероструктур AlGa/GaN/Sic, где x=0,22-0,24.
Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:
Фиг.1 - отображена блок-схема, характеризующая конструктивное устройство СВЧ-автогенератора;
Фиг.2 - отображена схема нагруженного резонатора;
Фиг.3 - отображена схема с фазовращателем;
Фиг.4 - отображена амплитудно-частотная характеристика резонатора;
н
тр
р
Фиг.5 - отображает зависимость отношения нагруженной и ненагруженной добротности резонатора Q/Q от отношения активных составляющих импеданса резонатора и транзистора r/r при различных значениях добротности цепей согласования;
Фиг.6 - отображает сравнение расчетных значений импеданса;
Фиг.7 - отображает уровень фазового шума для транзистора на основе GaAs;
Фиг.8 - отображает уровень фазового шума для транзистора на основе GaN;
Фиг.9 - отображает СПШ для разных транзисторов;
Фиг.10 - отображает результаты измерений зависимости выходной мощности от входной;
Фиг.11 - отображает зависимость выходной мощности транзистора от напряжения;
Фиг.12 - отображает искажение радиочастотного спектра.
вых
На фиг.1 отображен СВЧ-автогенератор, состоящий из выходного каскада с усилителями, активного полупроводникового прибора, выход которого одновременно подключен к входу выходного каскада и входу резонатора, частотно-избирательного устройства обратной связи (резонатора), определяющего рабочую частоту СВЧ генератора, где U(t) - напряжение выходного сигнала СВЧ генераторов, а δU(t) - напряжение шумового воздействия на СВЧ резонатор.
В качестве резонатора в СВЧ-автогенераторе использован твердотельный двухвходовый СВЧ резонатор на ПАВ с отражательными решетками, формирующими стоячую акустическую волну, в который введены входное и выходное согласующие устройства. Принцип работы такого резонатора основан на том, что возбуждаемые и отраженные акустические волны являются синфазными.
X
1-X
н
р
В качестве активного полупроводникового прибора использован транзистор средней мощности, изготовленный на основе гетероструктур SiGe с содержанием Ge 10-20% в области базы транзистора, а СВЧ усилители выходного каскада изготовлены на базе СВЧ мощных транзисторов (HEMT), разработанных на широкозонных полупроводниках, в частности, на гетероструктурах AlGaN/GaN/SiC с x=0,22-0,24. Для СВЧ генераторов важен выбор типа частотно избирательного прибора. Из параметров резонатора на уровень фазового шума основное влияние оказывают величина нагруженной добротности Q и величина коэффициента усиления активного полупроводникового прибора K.
В интегральных СВЧ генераторах резонаторы, как правило, согласуются с помощью трансформатора импедансов. СВЧ диэлектрический резонатор имеет комплексные импедансы, существенно отличающиеся от импедансов транзистора или волнового сопротивления микрополосковой линии. Согласование диэлектрического резонатора в СВЧ генераторе определяет величину вносимых потерь нагруженной добротности фазы коэффициента передачи, поэтому существенно влияет на многие параметры автогенератора, например, на кратковременную стабильность частоты, уровень ЧМ шума, устойчивость генерации и т.д.
р
р
р
а
0
тр
тр
тр
1
1
1
Моделирование и корректировка параметров СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе по критерию минимума спектральной плотности шума СВЧ генератора проведен вариацией параметров эквивалентной схемы нагруженного резонатора (фиг.2.) в виде последовательного контура с резонансной частотой f, с эквивалентной индуктивностью L, емкостью C и сопротивлением R. В схему на фиг.3 дополнительно введены: фазовращатель и статическая емкость C резонатора, импеданс СВЧ транзистора L, C и R, в которые входят и емкости корпуса прибора и согласующее устройство представляющее собой Г-образный трансформатор импедансов, состоящий из индуктивности L емкости C и активного сопротивления R.
р
а
р
а
0
0
Предложенная модель позволяет рассчитать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) диэлектрического резонатора (фиг.4) и определить значение разности между резонансной частотой f и частотой антирезонанса - f (частота резкого увеличения потерь). Показано, что область устойчивой работы твердотельных передатчиков (ТП) в диапазоне температур ограничивается величиной разности частот резонанса f и антирезонанса fрезонатора, определяемой величиной его статической проходной емкости C, и как следствие - необходимостью минимизации величины ωC для обеспечения устойчивой работы ТП в диапазоне температур. Это позволило определить оптимальный тип резонатора на ПАВ в СВЧ диапазоне - это двухвходовой резонатор с отражательными решетками.
н
Основным методом минимизации уровня СПФШ ТУФС является использование двухвходовых СВЧ резонаторов на ПАВ с максимальным значением нагруженной добротности Q, причем увеличение добротности достигается как минимизацией величины связи с активным элементом, так и использованием типов СВЧ резонаторов, структура которых обеспечивает максимальное значение величины добротности.
Двухвходовой резонатор с отражательными решетками обеспечивает меньшие, примерно на порядок потери, по сравнению с резонатором типа «линия задержки» и меньшее на порядок значение проходной емкости по сравнению с одноходовым резонатором с отражательными решетками.
н
р
min
2
а
min
с
2
а
н
1
min
min
0
р
Выбор структуры и системы параметров СВЧ резонатора на ПАВ необходимо проводить на основе анализа его работы в схеме СВЧ автогенератора. Исследования колебательной системы автогенератора, проведенные для выбора типа частотно избирательного прибора показали, что из параметров резонатора на уровень фазового шума основное влияние оказывают величина нагруженной добротности Q и величина коэффициента усиления активного полупроводникового прибора K, компенсирующего потери в СВЧ резонаторе, что минимально достижимая величина вносимых потерь (ВП) согласованного резонатора зависит от добротности согласующей цепи, входной статической емкости С и сопротивления R. Величина ВП может быть уменьшена либо увеличением Q, либо уменьшением C и R. Установлено, что уменьшение нагруженной добротности резонатора при уменьшении величины вносимого сопротивления нагрузки в контур согласования r (уменьшение емкости C) сопровождается уменьшением только до величины , при котором ВП=ВП. Дальнейшее уменьшение сопровождается только уменьшением нагруженной добротности, а вносимые потери при этом возрастают. Следовательно, увеличение связи резонатора с нагрузкой всегда уменьшает добротность, но уменьшает ВП только до определенного предела ВП, после чего потери начинают возрастать. Установлено так же, что частота оптимального согласования резонатора с нагрузкой f отличается от собственной резонансной частоты f.
р
н
Для определения минимально-реализуемого уровня СПФШ на основе разработанной модели необходимо определить значения минимального коэффициента усиления СВЧ транзистора K, обеспечивающего условия устойчивой генерации, и максимальное значение нагруженной добротности диэлектрического резонатора Q.
н
тр
р
с
с
с
с
тр
р
р,min
1
тр
р
1
р
р,min
р
p
min
0
р
На фиг.5. приведены зависимости отношения нагруженной и ненагруженной добротности резонатора Q/Q от отношения активных составляющих импеданса резонатора и транзистора r/r при различных значениях добротности цепей согласования Q: Q=3; Q=30; и Q=300. Полученные результаты показывают, что чем выше вносимое в контур резонатора активное сопротивление СВЧ транзистора, тем больше отношение r/r и тем требуется более высокая добротность цепи согласования для реализации значений нагруженной добротности резонатора, близких к собственной добротности резонатора. В результате проведенного исследования выявлено, что минимально достижимая величина вносимых потерь согласованного резонатора K зависит от добротности согласующей цепи, входной статической емкости C и отношения активных составляющих импеданса резонатора и транзистора r/r. При этом уменьшение нагруженной добротности резонатора при уменьшении величины вносимого сопротивления нагрузки в контур согласования rтр (уменьшение емкости C) сопровождается уменьшением только до величины rтр при котором K=K. Дальнейшее уменьшение сопровождается только уменьшением нагруженной добротности, а вносимые потери при этом возрастают. Следовательно, увеличение связи резонатора с нагрузкой всегда уменьшает добротность, но уменьшает K только до определенного предела K, после чего потери начинают возрастать, причем частота оптимального согласования резонатора с нагрузкой f отличается от собственной резонансной частоты f.
На фигуре 6 показано сравнение расчетных значений импеданса GaAs - 1 и GaN - 2 СВЧ транзисторов в диапазоне частот 0.1÷10 ГГц.
тр
Сравнение расчетных значений активной составляющей r для GaN и GaAS транзисторов показывает, что величина вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь GaN СВЧ транзистора на порядок меньше, чем у GaAs СВЧ транзистора.
Это приводит к меньшей на порядок величине вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь и, соответственно, большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.
тр
Значение активной составляющей r для СВЧ транзисторов показывает, что минимальное значение величины вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивление потерь приводит к максимальной величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.
Сравнение результатов измерения СПФШ мощных СВЧ генераторов (Р=10 Вт) на GaAs - (фиг.7) и GaN - (фиг.8) СВЧ транзисторах приведенных на фиг.7 и 8 показало, что применение GaN СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) более чем на GaN, что обусловлено большей величиной активной части импеданса GaN СВЧ транзистора по сравнению с импедансом GaAs СВЧ транзистора.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что уровень плотности фазового шума (СПФШ) автогенератора зависит не только от параметров колебательной системы, но и от параметров активного элемента (как правило, СВЧ транзистора), поэтому важное значение имеет выбор типа оптимального активного элемента. Этот элемент должен обладать минимальными шумами и соответствовать монолитно-интегрированной конструкции твердотельного СВЧ формирователя сигналов (ТУФС), позволяющей минимизировать паразитные параметры и достигнуть оптимального волнового согласования.
В разработанных аналогах оптимизация параметров по критерию минимума спектральной плотности мощности фазового шума в СВЧ автогенераторах, где применяются полупроводниковые приборы, ограничиваются применением кремниевой технологии, в частности, применением кремниевых транзисторов в качестве активного полупроводникового прибора, а также применением кремниевых транзисторов в составе выходного каскада автогенератора.
В связи с разработкой и созданием в последнее время нового поколения интегрированной СВЧ элементной базы для информационных систем на основе полупроводниковых наногетероструктур, изготовленных на основе гетероэпитаксиальных структур новых полупроводниковых материалов, появилась возможность улучшить параметры СВЧ автогенераторов по критерию минимума спектральной плотности мощности фазового шума, а также обеспечить минимум нелинейных искажений при высоких уровнях выходной мощности сигнала ТУФС, и быстрый отвод тепла от активной области приборов.
X
1-X
В решении проблемы снижения коэффициента шума транзисторов существенный вклад внесли применение новых полупроводниковых материалов, в частности, гетероструктур гетероструктур AlGaN/GaN/SiC с x=0,22-0,24.
Для уменьшения нелинейных искажений автогенератора его структура должна быть выбрана таким образом, чтобы при всех преобразованиях сложного модулированного сигнала радиочастотный тракт оставался линейным.
Выполнение этого требования нарушается в основном в выходных каскадах автогенератора, где требуется формирование сигнала большой мощности, что было реализовано применением СВЧ усилителей мощности, изготовленных на базе мощных транзисторов НЕМТ и обеспечивающих линейное усиление сигналов.
Для обеспечения линейного динамического диапазона выходного сигнала, используемые усилители мощности создаются на СВЧ мощных транзисторах HEMT изготовленных на широкозонных полупроводниках или гетероструктурах на их основе (в частности на основе GaN HEMT, которые работают в линейном и квазилинейном режимах усиления), которые также обеспечивают повышение температурной стабильности частоты автогенератора.
Переход на GeN СВЧ транзисторы позволяет существенно поднять уровень импульсной СВЧ мощности и расширить линейный динамический диапазон усилителей в модулированных твердотельных устройств формирования сигнала (ТУФС) РЛС.
Для минимизации нелинейных искажений СВЧ транзистора были проведены измерения зависимости выходной мощности от входной для транзистора на основе гетероструктур AlGaN/GaN НЕМТ. Результаты измерений зависимости выходной мощности от входной приведены на фиг.10. Измеренные зависимости выходной мощности от входной для AlGaN/GaN транзистора с общей шириной затвора 150 мкм показали, что уровни выходной мощности при насыщении и на границе линейного динамического диапазона отличаются незначительно.
Этот результат показывает эффективность использования AlGaN/GaN НЕМТ в автогенераторах, так как минимум нелинейных искажений реализуется при уровнях выходной мощности близких к максимальной. При проектировании ТУФС с резонаторами на ПАВ, как правило, принимаются меры по повышению температурной стабильности частоты ТУФС.
вых
с
пит
и
пит
пит
пит
Зависимости выходной импульсной мощности P GaN СВЧ транзисторов, от напряжения на стоке транзистора U при различных значениях напряжения питания U при скважности Q-30 и длительности радиоимпульса τ=20 мкс показывают, что с ростом напряжения питания с U=24 В (кривая 1), U=30 В (кривая 2) до U=40 В (кривая 3) напряжение насыщения увеличивается с 80 Вт до 110 Вт. (фиг.11).
m
вых
вых
Результаты измерений ЛЧМ сигнала в СВЧ усилителе ТУФС на GaN транзисторах при различных уровнях выходной мощности показывают, что искажение радиочастотного спектра на частоте отстройки f=10 МГц при выходной мощности P=50 Вт составляет ~3 дБ, а при выходной мощности P=100 Вт составляет ~20 дБ (фиг.12).
Результаты проведенных измерений позволяют оптимизировать структуру сигнального канала ТУФС по критерию минимума искажений радиочастотного спектра ЛЧМ сигнала на выходе ТУФС.
Оптимальными при использовании в выходных каскадах ТУФС являются мощные GaN СВЧ транзисторы HEMT, обеспечивающие высокий уровень линейности каскадов передающих сложный модулированный сигнал.
В СВЧ автогенераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, применен широкозонный СВЧ транзистор, с максимальной величиной активной части импеданса, который позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) более чем на порядок, по сравнению с существующими аналогами, при этом в контуре диэлектрического резонатора на порядок уменьшен сопротивление потерь и соответственно увеличен нагруженная добротность, при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.
Подтверждено, что применение СВЧ транзисторов на основе широкозонных полупроводников в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ), например, на основе GaN транзисторов, более 10 дБ, что обусловлено меньшей на порядок величиной вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь и соответственно большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.
Предлагаемый СВЧ-автогенератор может быть реализован в различных вариантах, позволяющих одновременно генерировать стабильный СВЧ-сигнал, осуществлять его корректировку либо перестройку частоты сигнала.