Монолитный транзисторный генератор СВЧ
MONOLITHIC TRANSISTOR MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к технике СВЧ в области генерирования СВЧ колебаний, а именно к транзисторным генераторам миллиметрового диапазона длин волн, применяемым в приемопередающих устройствах СВЧ, радиолокационных датчиках, аппаратуре связи, медицинских приборах. Монолитное исполнение таких устройств относится к перспективным групповым технологиям и позволяет обеспечить в одном технологическом цикле изготовления сотен изделий, существенно снижая стоимость образца.
Известны монолитные транзисторные генераторы миллиметрового диапазона длин волн (см. Гассанов И.Т. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. - М. Радио и связь, 1989, с. 56). Эквивалентные электрические схемы таких генераторов предусматривают включение транзистора по схеме с общим истоком, причем вывод истока заземляется. При таком включении транзистора ожидается максимальное усиление схемы.
Однако может наблюдаться неполная реализация возможностей транзистора и, следовательно, значительные трудности в продвижении вверх рабочих частот генерирующего устройства. Эта проблема может быть обусловлена следующим. При создании современной электронной техники СВЧ важной задачей является получение максимально возможной плотности упаковки элементов СВЧ устройства при улучшении других технико-экономических характеристик. Одним из возможных решений указанной задачи является использование обеих сторон исходной подложки: металлизация обратной стороны, размещение на ней монтажных (контактных) площадок и т.п. При этом реализация соединения с корпусом (металлизацией на обратной стороне подложки) выводов электродов транзистора может осуществляться через металлизированные отверстия в подложке, на которой размещен транзистор. В монолитных схемах широко применяется заземление активных элементов через металлизированные сквозные отверстия непосредственно вблизи активного элемента (см., например, пат. РФ №2556271, пат. РФ №2442241).
Однако необходимо отметить, что в диапазоне частот 60-450 ГГц металлизированные сквозные отверстия в подложке вносят в цепь истока транзистора индуктивный импеданс около 10…25 Ом. Индуктивный импеданс в цепи истока приводит к появлению отрицательной обратной связи. Как следствие этого снижается реализуемое усиление транзистора, падает нагруженная добротность стабилизирующего резонатора, возрастают вносимые фазовые шумы.
Наиболее близким к предлагаемому является монолитный СВЧ генератор, схема которого представлена в IEEE Transaction on МТТ, 1998, v. 46, №10, part II, p.1672-1576.
Известный генератор содержит размещенные на подложке полевой транзистор, вывод истока которого заземлен через отрезок СВЧ линии передачи, а также цепи, согласующие импеданс транзистора с нагрузкой на выходе, и стабилизирующий полосковый резонатор. Заземляющий отрезок СВЧ линии передачи соединен одним концом с выводом истока транзистора, а другим - с каким-либо монтажным элементом, обеспечивающим заземление на корпус. Если заземление осуществляется с помощью сквозного металлизированного отверстия в подложке, то все перечисленные выше проблемы характерны и для известного устройства.
Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является устранение указанных недостатков, а именно снижение фазовых шумов, повышение устойчивости к внеполосной паразитной генерации, что дает предпосылки продвижения вверх рабочих частот генератора.
Этот эффект достигается тем, что в монолитном транзисторном генераторе СВЧ, содержащем размещенные на поверхности диэлектрической подложки полевой транзистор, исток которого заземлен через отрезок СВЧ линии передачи, а также соединенный с затвором транзистора СВЧ стабилизирующий резонатор, согласно изобретению исток транзистора заземлен с помощью сквозного металлизированного отверстия в подложке, электрическая длина заземляющего отрезка СВЧ линии передачи, подключенного к истоку транзистора, составляет половину рабочей длины волны, а затвор транзистора соединен с СВЧ стабилизирующим резонатором отрезком СВЧ линии передачи электрической длины, равной четверти рабочей длины волны.
С целью исключения паразитных резонансов СВЧ стабилизирующий резонатор выполнен из двух отрезков СВЧ линии передачи электрической длины, равной нечетному числу четвертей рабочей длины волны, первые концы которых подключены к соединенному с затвором отрезку СВЧ линии передачи, а вторые соединены между собой.
Схематично представленный на рисунке предлагаемый генератор содержит размещенный на подложке полевой транзистор (1), затвор (3), сток (С) которого соединены соответственно со второй (2) и третьей (3) проводящими поверхностями (площадками), а исток (И) - с четвертой (4) и пятой (5) площадками, также размещенными на поверхности подложки (например, арсенид-галлиевой).
К затворной контактной площадке (2) через отрезок СВЧ линии передачи (6) четвертьволновой электрической длины подключен резонатор (7), состоящий из двух параллельно включенных отрезков СВЧ линии передачи электрической длины, равной нечетному числу четвертей рабочей длины волны. Выходные концы параллельно включенных отрезков СВЧ линии передачи соединены между собой.
Каждый из выводов истока транзистора заземлен (соединен с корпусом) отрезком СВЧ линии передачи (8) полуволновой электрической длины через металлизированные сквозные отверстия (9) в подложке (упомянутые отрезки выполняются с учетом реактивных параметров заземляющего отверстии).
В процессе работы генератора тепловой шум с затворного электрода излучается в отрезок СВЧ линии передачи (6), через него попадает на вход СВЧ резонатора (7) и отражается от него. СВЧ резонатор имеет на частоте резонанса импеданс много меньше, чем волновое сопротивление отрезка СВЧ линии передачи (6), поэтому фаза коэффициента отражения от него равна 180°.
Поскольку набег фазы при распространении теплового шума через отрезок СВЧ линии передачи (6) в одном направлении составляет 90°, то полный набег фазы теплового шума при распространении от затвора транзистора СВЧ резонатора и обратно будет составлять 360°, т.е. отраженный тепловой шум будет складываться в фазе с тепловым шумом на затворе транзистора.
Суммарный тепловой шум на затворе усиливается транзистором, часть его через внутреннюю положительную обратную связь поступает на вход транзистора и процесс повторяется, пока мощность усиленного шумового сигнала на выходе транзистора не достигнет уровня мощности насыщения транзистора. В результате обеспечивается возможность наиболее полной реализации возможностей транзистора и его работоспособности на более высоких частотах.
Подключение СВЧ резонатора как оконечной нагрузки к отрезку СВЧ линии передачи (6) не приводит к появлению паразитной внеполосной генерации, поскольку заземление истока через полуволновой отрезок СВЧ линии передачи (8) приводит к значительному снижению усиления транзистора при отстройке от частоты резонанса СВЧ резонатора. Подключение истока к корпусу (заземление) через полуволновой отрезок СВЧ линии передачи позволяет исключить негативное влияние отрицательной обратной связи.
Выполнение СВЧ резонатора в виде отрезка СВЧ линии передачи (например, микрополосковой) связано с необходимостью увеличения его ширины (с целью увеличения добротности), что может привести к появлению паразитного резонанса на колебании в поперечном направлении. Предлагаемое выполнение СВЧ резонатора в виде параллельно включенных отрезков СВЧ линий передачи позволяет увеличить добротность последнего при исключении паразитных резонансов.
При практической реализации предлагаемого генератора с использованием арсенид-галлиевой подложки и транзистора DpHEMT получены следующие параметры:
- рабочая частота
99 ГГц;
- выходная мощность
11,5 мВт;
- нестабильность частоты генерации
0,04%
- уровень фазовых шумов при отстройке от
несущей частоты на 100 кГц
80 дБ
Таким образом, заявленный генератор обладает повышенной устойчивостью к внеполосной паразитной генерации и сниженными фазовыми шумами благодаря улучшенным спектральным характеристикам, следовательно достигается возможность продвижения вверх частотного диапазона устройства.