ГЕНЕРАТОР СВЧ
MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам СВЧ на транзисторах с электрической перестройкой частоты.
Известен генератор СВЧ (далее генератор), содержащий 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, стр. 193].
Использование в этом генераторе СВЧ в качестве активного прибора полевого транзистора с затвором в виде барьера Шотки, выполненного из полупроводникового материала - арсенида галлия, который обладает высокой подвижностью электронов, позволило существенно увеличить нижний предел диапазона перестройки частоты.
Однако данный генератор не обеспечивает широкий диапазон перестройки частоты, поскольку варакторный диод обладает ограниченным интервалом изменения управляющего напряжения.
Кроме того, невозможно реализовать генератор СВЧ в монолитном интегральном исполнении, поскольку полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки и варакторный диод выполнены из различных полупроводниковых материалов раздельно.
Известен генератор СВЧ, управляемый напряжением, содержащий полевой транзистор с барьером Шотки, соединенные с ним колебательную систему и полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, при этом полевой транзистор с барьером Шотки соединен по схеме активного прибора с общим истоком, один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки, а другой - с полупроводниковым прибором, управляемым напряжением, при этом в генераторе в качестве полупроводникового прибора, управляемого напряжением, используют другой полевой транзистор с барьером Шотки, соединенный по схеме с общим истоком, при этом другой конец колебательной системы соединен со стоком другого полевого транзистора с барьером Шотки, на который подают постоянное напряжение положительной полярности, а на затвор другого полевого транзистора с барьером Шотки подают управляющее напряжение - прототип [2].
Этот генератор СВЧ сохраняет высокую величину нижнего предела диапазона перестройки частоты и обеспечивает его реализацию в монолитном исполнении.
Диапазон перестройки частоты генератора составляет примерно 1 ГГц.
Однако этот генератор СВЧ не дает существенного выигрыша относительно ширины диапазона перестройки, поскольку эту ширину ограничивают внутренние емкости полевых транзисторов с барьером Шотки.
Следует отметить, что этот генератор СВЧ сугубо направлен на решение вышеуказанной задачи и не решает задачи увеличения выходной мощности.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение диапазона перестройки частоты и обеспечение высокой выходной мощности.
Указанный технический результат достигается заявленным генератором СВЧ, содержащим линию передачи на выходе, два полевых транзистора с барьером Шотки, две индуктивности, емкость, при этом один конец первой индуктивности соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, на затвор которого подают постоянное управляющее напряжение, а другой - с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки, на сток которого подают постоянное напряжение положительной полярности через вторую индуктивность, сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе через емкость.
В генератор дополнительно введены полевой транзистор с барьером Шотки - третий, три индуктивности - третья, четвертая, пятая, три емкости - вторая, третья и четвертая, два резистора - первый и второй соответственно, при этом - сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки через последовательное соединение первого резистора, третьей индуктивности и третьей емкости, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки - с затвором первого полевого транзистора с барьером Шотки, исток первого, исток и сток второго полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, при этом исток первого - через четвертую индуктивность, исток второго - через четвертую емкость и последовательное соединение пятой индуктивности и второго резистора, сток второго - через вторую емкость.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного генератора СВЧ, а именно:
Наличие дополнительно четвертой и пятой индуктивности и предложенное соединение их с первым и вторым полевыми транзисторами с барьером Шотки обеспечивает последовательное включение этих индуктивностей и внутренних емкостей этих полевых транзисторов с барьером Шотки, тем самым - реализацию условий компенсации внутренних емкостей полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым - увеличение верхней границы диапазона перестройки частоты.
Наличие дополнительно третьего полевого транзистора с барьером Шотки и пяти индуктивностей, предложенное соединение затворов первого и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки и заземление истока первого, истока и стока второго полевых транзисторов с барьером Шотки, при этом истока первого - через четвертую индуктивность, истока второго - через четвертую емкость и последовательное соединение пятой индуктивности и второго резистора, стока второго - через вторую емкость, обеспечивает, по меньшей мере, уменьшение вдвое общей внутренней емкости всех трех полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым - увеличение верхней границы диапазона перестройки частоты.
И, как следствие, вышеуказанного - значительное расширение диапазона перестройки частоты генератора СВЧ.
Наличие третьей индуктивности, третьей емкости и первого резистора и предложенное их последовательное соединение обеспечивает реализацию в генераторе СВЧ цепи отрицательной обратной связи и, как следствие, - обеспечение высокой выходной мощности генератора СВЧ.
Наличие дополнительно третьего полевого транзистора с барьером Шотки и второй емкости и предложенное соединение затворов и стоков всех полевых транзисторов с барьером Шотки обеспечивает одновременное изменение с управляющим напряжением емкостей первого (управляемого) полевого транзистора с барьером Шотки и третьего полевого транзистора с барьером Шотки, включенного в упомянутую цепь отрицательной обратной связи, и тем самым - одновременное изменение частот в цепи обратной связи и в цепи управления, и тем самым - исключение процесса «биения» этих частот и, как следствие, - значительное расширение диапазона перестройки частоты генератора СВЧ.
Наличие пятой индуктивности, четвертой емкости и второго резистора обеспечивает реализацию положительной обратной связи у второго (активного) полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие, - обеспечение высокой выходной мощности генератора СВЧ.
Более того, предложенная совокупность всех существенных признаков практически не влияет:
а) на величину общей внутренней емкости полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым на низких частотах сохраняет неизменной нижнюю границу диапазона перестройки частоты,
б) на крутизну вольтамперных характеристик полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым обеспечивает малый перепад выходной мощности генератора СВЧ в диапазоне перестройки частоты.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков в полной мере реализует указанный технический результат, а именно расширение диапазона перестройки частоты и обеспечение высокой выходной мощности генератора СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг 1 дана топология заявленного генератора СВЧ, где
линия передачи на выходе - 1,
первый и второй полевые транзисторы с барьером Шотки - 2 и 3 соответственно,
первая и вторая индуктивности - 4 и 5 соответственно,
емкость - 6,
третий полевой транзистор с барьером Шотки - 7,
третья, четвертая, пятая индуктивности - 8, 9, 10 соответственно,
вторая, третья, четвертая емкости - 11, 12, 13 соответственно,
первый и второй резисторы - 14, 15 соответственно.
На фиг. 2 дана электрическая схема заявленного генератора СВЧ.
На фиг. 3 дана зависимость частоты и выходной мощности генератора СВЧ от управляющего напряжения.
Пример конкретного выполнения заявленного генератора СВЧ.
Генератор СВЧ выполнен в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
Линия передачи на выходе 1 выполнена с волновым сопротивлением равным 50,0 Ом, что соответствует ширине проводника 0,08 мм.
Полевые транзисторы с барьером Шотки 2, 3, 7 выполнены каждый с длиной затвора равной 0,4 мкм, шириной затвора равной 300,0 мкм, одинаковыми длинами стока и истока равными 20,0 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс. равное -2,0 В.
Емкости 6, 11, 12, 13 выполнены на основе окиси кремния толщиной 5,0 мкм.
Индуктивности 4, 5, 8, 9, 10 выполнены в виде меандров шириной равной 10,0 мкм и длинами 500,0 мкм, 500,0 мкм, 100,0 мкм, 50,0 мкм, 300,0 мкм соответственно.
Резисторы 14, 15 выполнены из пленки тантала, сопротивлением порядка 100 Ом.
Генератор СВЧ работает следующим образом.
На сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 через вторую индуктивность 5 подают напряжение положительной полярности +6 В.
На затворы первого 2 и третьего 7 полевых транзисторов с барьером Шотки подают напряжение, изменяющееся от -2,0 В до +0 В.
Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики у всех полевых транзисторов с барьером Шотки 2, 3, 7 и благодаря наличию сформированных положительной и отрицательной цепей обратной связи, в генераторе возникают устойчивые гармонические колебания СВЧ с частотой (f), при этом энергия постоянного напряжения преобразовывается в энергию гармонических колебаний и выделяется на выходе генератора СВЧ в виде переменного напряжения с частотой (f). В результате на выходе генератора СВЧ переменное напряжение выделяется в виде выходной переменной мощности СВЧ, поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения.
При изменении величины первого резистора 14, третьей индуктивности 8 или третьей емкости 12 процессы в генераторе СВЧ протекают подобно описанным выше, при этом частота гармонических колебаний СВЧ (f) изменяется в диапазоне перестройки частоты и реализуется высокий уровень выходной мощности (Р) генератора СВЧ.
На образцах заявленного СВЧ-генератора были измерены зависимости частоты и выходной мощности от управляющего напряжения, изменяющегося в пределах от -2,0 В до +0 В.
Результаты представлены на фиг. 3.
Как видно, частота (f) генератора изменяется от 10,0 до 15,0 ГГц, так что диапазон перестройки частоты генератора составляет 5,0 ГГц, что примерно в 5 раз больше, чем у прототипа.
Уровень выходной мощности (Р) генератора составляет более 50 мВт, а перепад выходной мощности в диапазоне перестройки частоты не превышает 3 дБ.
Таким образом, заявленный генератор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
- расширение диапазона перестройки частоты примерно в 5 раз,
- высокую выходную мощность генератора СВЧ порядка 50 мВт.
Более того, что важно, обеспечивает малый перепад выходной мощности генератора СВЧ в диапазоне перестройки частоты, не более 3 дБ.
Источники информации
1. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. Л.Г. Гассанов, А.А. Липатов, В.В. Марков. - М.: Радио и связь, 1988 г.
2. Патент РФ №2277293, приоритет от 05.10.2005 г., опубликовано 27.05.2006 г.