Транзисторный генератор СВЧ с электронной перестройкой частоты
TRANSISTOR MICROWAVE GENERATOR WITH ELECTRONIC FREQUENCY TUNING

Изобретение относится к области генерирования электрических колебаний, в частности к транзисторным генераторам, преимущественно миллиметрового диапазона длин волн, с выходными частотами до 150 ГГц и может быть использовано в приемо-передающих устройствах СВЧ, медицинских приборах КВЧ терапии, радиолокационных датчиках.
th
1
Известны генераторы СВЧ на транзисторах с различными типами структур и работающие как на основной частоте, так и на гармониках в режиме генератора-умножителя. При этом в одних конструкциях (см., например, A. Jacob and С. Ansorge «Stabilized pin-line JET oscillator» in 13 European Microwave Conf. Dig (Nuernberg) Sept. 1983, pp. 303-307) в качестве реактивных элементов в цепях обратной связи и согласующих цепях используются отрезки длинных волноводных линий, в том числе и волноводно-щелевых, в других (см., например, H.Q. Tsergh, В. Kim «Q-band GaAs MESFET oscillator with 30% effciency». Electronics Letters JEE 21 January 1988 Vol. 24 No. 2, pp. 83, 84) - сосредоточенные L и С системы.
1
При создании транзисторных генераторов СВЧ с частотами выходных колебаний более 40 ГГц (в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн) резко возрастают трудности как распределенных, так и сосредоточенных элементов цепей СВЧ, тем более таких, которые предусматривают в процессе изготовления генератора регулировку при установке рабочей частоты, диапазона электронной перестройки частоты, уровня регенерации в цепи обратной связи и достижения наибольшей выходной мощности. Использование уникальных материалов и технологий (см. D.W. Mari, J.M. Schellenberg, Н. Yamasari and L.C.T. Lin «A696Hx monopolistic Symposium, 29-30 May, 1984 pp. 62-66) демонстрирует возможность создания транзисторных генераторов в монолитном исполнении с рабочими частотами до 200 ГГц. При этом планарная конструкция монолитной интегральной схемы (МИС) определяет расположение элементов генератора в одной плоскости, что ограничивает реализацию оптимальных схемно-конструктивных решений, обеспечивающих требуемый комплекс электрических параметров. Кроме того, технологии транзисторных МИС СВЧ, как правило, несовместимы с технологиями диодных структур (варикапов), что не позволяет реализовать генераторы, управляемые напряжением в единой МИС. Стабильность частоты генератора на основной частоте f при изменении импеданса нагрузки может быть обеспечена только при наличии в его выходной цепи развязывающегося элемента, создание которого в миллиметровом диапазоне длин волн является самостоятельной сложной задачей. Указанные трудности в основном преодолеваются в транзисторных генераторах, работающих на гармониках относительно низких частот.
Из известных транзисторных генераторов (ТГ) СВЧ наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ТГ СВЧ в соответствии с пат. №2239938 «Транзисторный генератор СВЧ», з. 13.03.2003 г. Этот генератор содержит транзистор, в частности полевой, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке, установленной в волновод параллельно его продольной оси перпендикулярно широкой стенке по ее середине. При этом первая проводящая поверхность присоединена к одной широкой стенке волновода, а вторая и третья проводящие поверхности соединены на СВЧ посредством блокировочных LC-элементов с другой широкой стенкой волновода и изолированы от нее по постоянному току.
1
1
1
1
1
Щели между упомянутыми тремя проводящими поверхностями и части объема волновода, окружающие их, образуют волноводно-щелевые линии, отрезки которых являются резонансными и согласующими цепями, а именно: к затвору и истоку транзистора совместно с короткозамкнутым отрезком волновода подключен волноводно-щелевой резонатор, к стоку и истоку подключены волноводно-щелевые линии, выполняющие функцию трансформатора, согласующего импеданс транзистора с импедансом нагрузки волноводной линии, при этом первая, вторая и третья проводящие поверхности через RLC-фильтры соединены с соответствующими полюсами первого и второго источников постоянного напряжения. Кроме того, первый и второй сосредоточенные емкостные элементы, расположенные на противолежащих краях упомянутых второй и третьей проводящих поверхностях, соединены индуктивным элементом и расположены вдоль щели между второй и третьей проводящими поверхностями на расстоянии ~λ/4 от точек присоединения к ним затвора и стока транзистора, где λ - длина волны колебаний с частотой 2f на выходе генератора. При этом вторая и третья проводящие поверхности совместно с упомянутыми сосредоточенными L и С элементами образуют резонансную на частоте f цепь обратной связи, что обеспечивает на этой частоте режим генерации. Отрезок регулярного волновода запредельный для волн с частотой f, замкнутый на конце поперечной стенкой, разомкнутым концом подключен к волноводно-щелевому резонатору, образованному первой и второй проводящими поверхностями, соединенными с истоком и затвором транзистора, что обеспечивает при соответствующей настройке образованной резонансной цепи выделение в цепи затвора мощности на частоте 2f, которая усиливается транзистором, и через выходной трансформатор, образованный третьей и первой проводящими поверхностями, соединенными со стоком и истоком транзистора через волновод, запредельный для волн с частотой колебаний f, поступает в нагрузку.
Известный генератор предусматривает возможность электронной перестройки варикапами, подключенными через емкостные элементы между широкой стенкой волновода и второй поверхностью с одной стороны и третьей проводящей поверхностью с другой стороны.
1
1
1
Однако описанный выше генератор имеет существенные недостатки. Так, низкая добротность RLC резонансной цепи обратной связи на частоте f обусловливает высокий уровень фазовых шумов в спектре выходного сигнала на частоте 2f, а низкий коэффициент включения варикапов в колебательную систему на частоте f ограничивает диапазон электронной перестройки частоты.
1
При использовании в устройстве-прототипе транзисторов с наиболее высокими граничными частотами, верхний предел его рабочих частот обусловлен конструктивно-технологическими ограничениями и потенциальной неустойчивостью к паразитной генерации на частотах, близких к f, и практически не превышает 70 ГГц.
Техническим эффектом, на достижении которого направлено заявляемое изобретение, является исключение указанных выше недостатков известного генератора, а именно продвижение вверх границы достижимых выходных частот, снижение фазовых шумов, расширение диапазона электронной перестройки частоты.
1
Этот эффект достигает тем, что в описанном выше генераторе (прототипе) в волновод параллельно первой диэлектрической подложке установлена вторая диэлектрическая подложка, при этом они располагаются по обе стороны от середины широкой стенки волновода, на первой подложке сформирован дополнительный участок проводящей поверхности, расположенной между второй и третьей проводящими поверхностями, соединяющий первую проводящую поверхность, присоединенную к широкой стенке волновода, с противоположной широкой стенкой волновода, вторая и третья проводящие поверхности выполнены четвертьволновыми на частоте f, а на поверхности второй подложки параллельно узкой стенке волновода размещен полосковый резонатор с элементами емкостной связи и элементами настройки, преимущественно варикапами, причем середина этого резонатора расположена напротив продольной оси дополнительного участка проводящей поверхности на первой подложке.
Устройство предлагаемой конструкции представлено на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
1
з
с
На фиг. 1 представлен фрагмент заявляемого волноводного генератора СВЧ, где (1) - транзистор, например полевой, исток (и), затвор (з) и сток (с) которого соединены соответственно с первой (2), второй (3) и третьей (4) проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке (5), помещенной в волновод (6) параллельно его продольной оси и перпендикулярно его широкой стенке. При этом первая проводящая поверхность (2), соединенная с широкой стенкой волновода (6), через дополнительную проводящую поверхность (7) соединена с противоположной широкой стенкой волновода (6). Вторая (3) и третья (4) проводящие поверхности соединены на СВЧ (на частоте выходного сигнала nf) посредством блокировочных микрополосковых LC элементов (8) с широкой стенкой волновода, изолированной по постоянному току. Вторая (3) и третья (4) проводящие поверхности через RLC фильтры (9) соединены с соответствующими полюсами первого и второго источников напряжения (U и U).
1
Второй фрагмент разработанного транзисторного генератора СВЧ представлен на фиг. 2, где (10) - вторая диэлектрическая подложка, установленная в волновод (6), а (11) - полосковый полуволновый на частоте f резонатор, размещенный на этой подложке. К резонатору (11) через элементы емкостной связи (12) подключены первый и второй варикапы (13), при этом одни выводы варикапов (13) соединены с элементами емкостной связи (12) и LC фильтрами (14) для подачи управляющего напряжения, а другие выводы варикапов (13) соединены с корпусом волновода (6).
На фиг. 3 представлено предлагаемое волноводное устройство «целиком», где (15) - короткозамыкатель.
1
1
Устройство работает следующим образом. При «совмещении» двух фрагментов волновода (фиг. 1 и фиг. 2) образуется конфигурация элементов, в которой одна четвертьволновая, на частоте f часть резонатора (11) электромагнитно связана с четвертьволновым отрезком проводящей поверхности (3), подключенной к затвору транзистора (1), а другая четвертьволновая часть резонатора (11) электромагнитно связана с четвертьволновым на частоте f отрезком проводящей поверхности (4), подключенной к стоку транзистора (1). Для реализации упомянутой выше электромагнитной связи элементов резонатор (11) распложен на подложке (10) параллельно узкой стенке волновода, причем его середина располагается напротив продольной оси дополнительного участка проводящей поверхности (7).
1
При подаче от внешних источников напряжения через RLC фильтры (9) на затвор и сток транзистора (1) соответствующих напряжений полуволновый резонатор (11), электромагнитно связанный четвертьволновыми связями с затвором и стоком, обеспечивает условие баланса фаз и баланс амплитуд колебаний в цепях стока и затвора, что приводит к возникновению в системе автоколебаний на частоте f резонанса полуволнового резонатора (11).
1
1
1
1
1
1
Значение частоты f определяется электрической длиной резонатора (11) и величиной реактивности, вносимой варикапами (13). Уровень автогенерации в цепи положительной обратной связи определяется пространственным положением резонатора (11) относительно проводящих поверхностей (3) и (4). Так как на частоте f блокировочные LC элементы (8) не замыкают на широкую стенку волновода (6) проводящие поверхности (3) и (4), то волноводно-щелевые линии вдоль оси волновода (6) колебаниями с частотой f в цепи стока транзистора не возбуждаются и волны с частотой f по ним не распространяются. Таким образом, энергия колебаний с частотой f локализована в резонаторе (11), в проводящих поверхностях (3) и (4), являющихся фактически четвертьволновыми отрезками подвешенной полосковой линии в объеме, ограниченном стенками волновода. При этом вновь введенный участок проводящей поверхности (7), расположенный между второй (3) и третьей (4) проводящими поверхностями, в значительной мере устраняет паразитную обратную связь между стоком и истоком транзистора (1), что обеспечивает устойчивость генератора к паразитной генерации на близких к f частотах. Этот эффект дает возможность применить в генераторе транзистор с предельно высокими рабочими частотами.
1
1
1
1
1
1
1
В то же время генерируемые на нелинейности транзистора (1) высшие гармоники колебаний частотой f возбуждают упомянутые волноводно-щелевые линии. В частности, в условии того, что на частоте 2f блокировочные LC элементы (8) замыкают проводящие поверхности (3) и (4) на широкую стенку волновода (6) и, поскольку волновод (6) не является для волн с частотой колебаний 2f запредельным, то вдоль оси волновода от точки подключения затвора транзистора (1) к проводящей поверхности (3) по волноводно-щелевой линии, образованной проводящими поверхностями (2) и (3) и отрезку регулярного волновода будет распространяться до короткозамыкателя (15) волна с частотой 2f. При резонансе на частоте 2f в системе «импеданс затвор-исток транзистора (1), волноводно-щелевой резонатор, включающий волноводно-щелевую линию на поверхностях (2) и (3), и короткозамкнутый отрезок регулярного волновода (6)» амплитуда колебаний между затвором и стоком транзистора (1) максимально. От точки подключения стока транзистора (1) к проводящей поверхности (4) вдоль оси волновода (6) по волноводно-щелевой линии, образованной проводящими поверхностями (4) и (2), являющейся волноводно-щелевым согласующим трансформатором, к которому подключен сток и исток транзистора (1), будет распространяться волна с частотой 2f, амплитуда колебаний которой определяется электрическими параметрами транзистора (1) на частоте nf.
Более высокая по сравнению с известным генератором добротность резонансной цепи, выполненной в предлагаемом устройстве на полосковом резонаторе (11), в сочетании с возможностью выбора оптимальной нагруженности, обеспечивает снижение шумов.
Расширение диапазона электронной перестройки частоты достигается за счет высокого коэффициента включения варикапа (13) в схему генератора, снабженного элементами емкостной связи (12) варикапа (13) и полоскового резонатора (11).
Пример реализации.
Изготовлен и испытан генератор заявляемой конструкции с использованием рНЕМТ-транзистора с балочными выводами с затвором 0,25×100 мм.
На диэлектрической подложке из кварцевого стекла размерами (2,65×1,75×0,2) мм, методом тонкопленочной технологии сформированы первая, вторая, третья и четвертая проводящие поверхности и установлен транзистор. Подложка размещена в канале волновода сечением 2,4×1,2 мм. Параллельно этой подложке с зазором 0,2 мм в волноводе установлена вторая подложка из кварцевого стекла размером (2,65×1,75×0,2) мм, на которой методом тонкопленочной технологии сформированы полосковый резонатор и элементы емкостной связи, к которым балочными выводами присоединены варикапы.
Генератор имеет следующие параметры:
частота сигнала на выходе
94,5 ГГц
диапазон перестройки частоты при U<sub>упр</sub> 0÷2,0 В
2,1 ГГЦ
мощность сигнала на выходе
0,9 мВт
напряжение питания «сток-исток» транзистора
1,8 В
ток стока транзистора
15 мА
коэффициент полезного действия
3,3%
Таким образом, заявляемый транзисторный генератор СВЧ с электронной перестройкой частоты, по сравнению с устройством-прототипом, характеризуется следующими преимуществами:
во-первых, повышенной устойчивостью к паразитной генерации при использовании транзисторов с наиболее высокими рабочими частотами, что обеспечивает продвижение вверх достижимых выходных частот генератора;
во-вторых, снижением фазовых шумов вследствие улучшения спектральных характеристик выходного сигнала;
в-третьих, расширением диапазона электронной перестройки частоты.