ГЕНЕРАТОР СВЧ
MICROWAVE OSCILLATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам СВЧ на транзисторе с электрической перестройкой частоты.
В системах связи и радиолокационных станциях широко применяются генераторы СВЧ, в которых частота управляется напряжением.
В ряде случаев требуется оптимизация как диапазона перестройки частоты, так и величины выходной мощности СВЧ.
Известна конструкция генератора СВЧ на транзисторе с электрической перестройкой частоты, содержащая полевой транзистор с барьером Шотки, выполненный из полупроводникового материала - арсенида галлия, соединенные с ним колебательную систему и полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, при этом полевой транзистор с барьером Шотки соединен по схеме с общим истоком, один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки, а другой - с полупроводниковым прибором, управляемым напряжением, в качестве которого служит варакторный диод [1].
Использование варакторного диода в качестве полупроводникового прибора, управляемого напряжением, основано на зависимости емкости варакторного диода от приложенного к нему напряжения.
Использование в конструкции генератора СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки из арсенида галлия обеспечивает достаточно высокий верхний предел диапазона перестройки частоты генератора СВЧ.
Однако данному генератору СВЧ присущи:
- сложность в достижении более широкого диапазона перестройки частоты генератора СВЧ от управляющего напряжения, что обусловлено варакторным диодом, имеющим неуправляемую вольтфарадную характеристику;
- невозможность создания монолитной конструкции, поскольку полевой транзистор с барьером Шотки и варакторный диод выполняют раздельно, в силу их физического, конструктивного и технологического различия.
Известен генератор СВЧ так же на транзисторе с электрической перестройкой частоты, в котором и активный и управляющий частотой элементы выполнены на полевом транзисторе с барьером Шотки, соединенные по схеме с общим истоком, активный элемент подключен к соответствующим источникам посредством фильтров питания - прототип [2].
Генератор содержит колебательную систему, один конец которой соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента, на который подают постоянное напряжение положительной полярности, а на его затвор подают управляющее напряжение и постоянное напряжение отрицательной полярности величиной, равной (0,6-0,8)Uотс, где Uотс - напряжение отсечки полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента.
Таким образом, емкость полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента, зависит от двух напряжений - на стоке - постоянного напряжения положительной полярности и затворе - сумме постоянного напряжения отрицательной полярности и управляющего напряжения, в отличие от варакторного диода, емкость которого, как было сказано выше, зависит только от одного управляющего напряжения.
Наличие более сложной, чем у варакторного диода, функциональной зависимости емкости полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента от напряжений, позволяет определить оптимальное сочетание этих напряжений, при которых обеспечивается более широкий диапазон перестройки частоты генератора СВЧ от управляющего напряжения.
Однако дальнейшему расширению диапазона перестройки частоты генератора, препятствует то обстоятельство, что с его увеличением снижается выходная мощность СВЧ, что особенно наблюдается и имеет место на границах этого диапазона перестройки частоты.
В свою очередь снижение выходной мощности СВЧ приводит к пропорциональному уменьшению коэффициента полезного действия генератора СВЧ.
Техническим результатом предложенного изобретения является расширение диапазона перестройки частоты при одновременном увеличении выходной мощности СВЧ и соответственно увеличение коэффициента полезного действия.
Указанный технический результат достигается предложенным генератором СВЧ, содержащим активный и управляющий частотой элементы, которые выполнены каждый на полевом транзисторе с барьером Шотки по схеме с общим истоком, колебательную систему, один конец которой соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента, активный элемент подключен к соответствующим источникам посредством фильтров питания, при этом упомянутые элементы и их соединения выполнены в виде интегральной схемы на изолирующей подложке, в который дополнительно введен управляющий мощностью элемент, выполненный также на полевом транзисторе с барьером Шотки и в составе упомянутой интегральной схемы, интегральная схема выполнена на одной из сторон изолирующей подложки, а на другой ее стороне выполнена металлическая пленка толщиной, равной 5-10 мкм, в которой выполнена продольная осесимметричная щель, коротко замкнутая на одном конце, проводник колебательной системы, соединенный с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента, расположен перпендикулярно продольной осесимметричной щели, исток и сток полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего мощностью элемента, соединены с металлической пленкой посредством сквозных металлизированных отверстий, выполненных в изолирующей подложке по обе стороны продольной осесимметричной щели, на расстоянии каждый, равном четверти длины волны, как от коротко замкнутого конца продольной осесимметричной щели, так и от упомянутого проводника колебательной системы, а на затвор полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего мощностью элемента, подают управляющее напряжение.
Генератор СВЧ может быть выполнен как в гибридном, так и в монолитном интегральном исполнении.
Генератор СВЧ может быть размещен как в корпусе, так и в волноводе.
Раскрытие сущности предложенного изобретения.
Введение в генератор СВЧ управляющего мощностью элемента в виде полевого транзистора с барьером Шотки в совокупности с наличием в конструкции продольной осесимметричной щели, коротко замкнутой на одном конце, и в совокупности с предложенным соединением как активного элемента, так и управляющего мощностью элемента, и в совокупности с другими признаками предложенной формулы изобретения позволяет осуществлять согласование выходного сигнала генератора СВЧ с нагрузкой с малым коэффициентом отражения, и тем самым осуществлять более эффективный отбор мощности и, следовательно, повысить выходную мощность СВЧ и соответственно коэффициент полезного действия.
Продольная осесимметричная щель в генераторе СВЧ, коротко замкнутая на одном конце и предложенное ее соединение с управляющим мощностью элементом посредством сквозных металлизированных отверстий, выполненных в изолирующей подложке по обе стороны продольной осесимметричной щели, на расстоянии каждый, равном четверти длины волны, как от коротко замкнутого конца продольной осесимметричной щели, так и от упомянутого проводника колебательной системы, выполняет, по меньшей мере, две функции:
во-первых, обеспечивает возможность включения в генератор СВЧ, управляющего мощностью элемента, и позволяет варьировать выходную мощность СВЧ в широких пределах и тем самым осуществлять оптимальный выбор как диапазона перестройки частоты, так и величины выходной мощности СВЧ.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки управляющего мощностью элемента, управляющего напряжения Up, равного нулю упомянутый транзистор открывается, через него течет ток, что эквивалентно короткому замыканию продольной осесимметричной щели на расстоянии, равном четверти длины волны от проводника колебательной системы.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего мощностью элемента, управляющего напряжения Up, равного напряжению отсечки Uотс, упомянутый транзистор закрывается, ток через него не течет, что эквивалентно короткому замыканию продольной осесимметричной щели на расстоянии, равном половине длины волны от проводника колебательной системы.
Таким образом, изменяя управляющее напряжение Up от нуля до напряжения отсечки Uотс, короткое замыкание продольной осесимметричной щели перемещают в пределах от четверти до половины длины волны, что позволяет определить оптимальное значение управляющего напряжения Up, при котором достигается согласование выходного сигнала генератора СВЧ с нагрузкой с малым коэффициентом отражения;
Во-вторых, служит для вывода энергии СВЧ-колебаний.
Выполнение металлической пленки на другой стороне изолирующей подложки как указано в формуле изобретения необходимо для реализации продольной осесимметричной щели.
Толщина металлической пленки ограничена с одной стороны, менее 5 мкм, необходимостью сохранения ее целостности, а с другой, более 10 мкм, нецелесообразностью с точки зрения экономии металла, например золота, который как известно благодаря, высокой электро- и теплопроводности, так и адгезионной прочности, и не высокой химической активности широко используется в качестве металла пленки.
Выполнение управляющего по мощности элемента, как активного и управляющего по частоте элементов в виде полевых транзисторов с барьером Шотки, обеспечивает возможность выполнения их в монолитном интегральном исполнении.
Таким образом, предложенный генератор СВЧ обеспечит:
во-первых, возможность осуществления одновременно с электрической перестройкой частоты и электрическую перестройку мощности;
во-вторых, и самое главное позволит оптимизировать как диапазон перестройки частоты, так и величину выходной мощности СВЧ, при этом расширить диапазон перестройки частоты при одновременном увеличении выходной мощности СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дан общий вид предложенного генератора СВЧ, где
- активный элемент в виде полевого транзистора с барьером Шотки - 1,
- управляющий частотой элемент в виде полевого транзистора с барьером Шотки - 2,
- колебательная система - 3,
- фильтры питания - 4,
- интегральная схема - 5,
- изолирующая подложка - 6,
- управляющий мощностью элемент в виде полевого транзистора с барьером Шотки - 7,
- металлическая пленка - 8,
- продольная осесимметричная щель - 9,
- проводник колебательной системы - 10,
- сквозные металлизированные отверстия - 11.
На фиг.2 дана эквивалентная схема генератора СВЧ.
На фиг.3 приведены зависимости частоты f и выходной мощности Р генератора СВЧ от управляющего напряжения Uf при оптимальном управляющем напряжении Up, равном -1,2 В.
Пример 1.
Рассмотрен вариант генератора СВЧ в монолитном интегральном исполнении.
Изолирующая подложка в виде кристалла арсенида галлия выполнена толщиной, равной 100 мкм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки активного и управляющих частотой и мощностью элементов выполнены одинаковыми, при этом длина и ширина затвора равна 0,3 мкм и 300 мкм соответственно.
Колебательная система 3 в данном случае представляет собой отрезок тонкого проводника с заданным значением индуктивности, плоскопараллельного конденсатора с заданным значением емкости и проводника колебательной системы 10.
На одной из сторон изолирующей подложки 6, как сказано выше в виде кристалла арсенида галлия выполнена топология монолитной интегральной схемы 5, содержащая активный элемент 1, управляющие элементы соответственно частотой 2 и мощностью 7, колебательную систему 3 с проводником колебательной системы 10, фильтры питания 4 с использованием традиционных методов тонкопленочной технологии.
При этом проводник колебательной системы 10, соединенный с затвором полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента 1, расположен перпендикулярно продольной осесимметричной щели 9.
На другой стороне изолирующей подложки 6 выполнена металлическая пленка 8 толщиной, равной 7 мкм вакуумным напылением золота, в которой выполнена продольная осесимметричная щель 9 шириной, равной 50 мкм, коротко замкнутая на одном конце, а другой ее конец служит выводом энергии СВЧ-колебаний.
В изолирующей подложке 6 по обе стороны продольной осесимметричной щели 9 выполнены сквозные металлизированные золотом отверстия 11, на расстоянии каждый, равном четверти длины волны, как от коротко замкнутого конца продольной осесимметричной щели 9, так и от упомянутого проводника колебательной системы 10, например, для частоты 33 ГГц, равном 1 мм.
Пример 2-3.
Аналогично примеру 1 выполнены генераторы СВЧ, но при значениях толщины металлической пленки 5 и 10 мкм соответственно.
На изготовленных образцах генератора СВЧ были сняты зависимости частоты f и выходной мощности Р генератора СВЧ от управляющего напряжения Uf, что отражено на фиг.3.
Работа устройства.
Рассмотрим вариант работы предложенного генератора СВЧ с центральной частотой рабочего диапазона, равной, например, 33 ГГц.
На сток полевого транзистора с барьером Шотки активного элемента 1, соединенного по схеме с общим истоком подают напряжение Uc, равное 5 В.
3
На его затвор подают напряжение U, равное - 1 В.
Изменяя управляющее напряжение Uf на затворе полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента от 0 до напряжения отсечки Uотс, получают частоту f колебаний, равную 33 ГГц 6, выходную мощность Р, равную 50 мВт.
Далее изменяя управляющее напряжение Up на затворе полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего мощностью элемента, получают выходную мощность Р, равную 70 мВт, при этом частота f колебаний изменилась и стала равной 26 ГГц.
Изменяя управляющее напряжение Uf на затворе полевого транзистора с барьером Шотки, управляющего частотой элемента от 0 до напряжения отсечки Uотс, получают изменение частоты f колебаний в рабочем диапазоне частот от 26 ГГц до 40 ГГц и изменение выходной мощности Р от 60 мВт до 70 мВт.
Как указано выше, все это отражено на фиг.3.
Таким образом, предложенный генератор СВЧ по сравнению с прототипом позволит:
- расширить диапазон перестройки частоты примерно на двадцать процентов;
- при одновременном увеличении выходной мощности СВЧ, и соответственно коэффициента полезного действия примерно в два раза.
Кроме того, конструкция предложенного генератора СВЧ обеспечивает:
- его выполнение как в гибридном, так и в монолитном интегральном исполнении;
- а его использование как в корпусе, так и в волноводе.
Источники информации
1. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В. «Твердотельные устройства СВЧ в технике связи». - М.: Радио и связь, 1988 г., с.193.
2. Патент РФ №2277293, МПК Н03В 7/14, приоритет 05.10.2004 - прототип.