ГЕНЕРАТОР СВЧ НА ТРАНЗИСТОРЕ
TRANSISTOR-BASED SHF GENERATOR

Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам на полупроводниковых приборах СВЧ со стабилизацией частоты.
Совершенствование методов стабилизации частоты является одной из актуальных задач при разработке генераторов и других радиоэлектронных устройств и систем на полупроводниковых приборах СВЧ различного назначения.
Нежелательные изменения частоты генераторов СВЧ, определяющие нестабильность частоты, условно можно разделить на два вида - медленные и быстрые. Медленные изменения частоты возникают в результате изменения внешних условий - температуры, влажности, непостоянства напряжения источников питания, режима генератора СВЧ, внешней нагрузки и т.п. Быстрые изменения частоты вызваны, в основном, флюктуациями тока и напряжения в полупроводниковых приборах СВЧ.
Известные методы повышения стабилизации частоты указанных выше генераторов СВЧ основаны на использовании:
- высокодобротных резонаторов, в том числе диэлектрических резонаторов,
- материалов и элементов для компенсации температурного ухода частоты,
- схем стабилизации питающих напряжений,
- автоматической подстройки частоты (АПЧ).
Автоматическая подстройка частоты заключается в сравнении частоты или фазы колебаний генератора с частотой или фазой опорного генератора. Отклонение частот преобразуется в частотном или фазовом дискриминаторе в напряжение ошибки, которое, воздействуя на орган управления частотой, приближает ее к частоте эталона. Система АПЧ поддерживает частоту стабилизируемого генератора с высокой точностью.
Диэлектрические резонаторы нашли широкое применение в генераторах на полупроводниковых приборах СВЧ, поскольку наряду с малыми массогабаритными характеристиками и простотой конструкции они обладают более высокой добротностью по сравнению с другими типами резонаторов, что позволяет существенно повысить стабильность частоты генераторов СВЧ, снизить уровень амплитудных, фазовых и частотных шумов.
Известен генератор СВЧ на полевом транзисторе с затвором в виде барьера Шотки (ПТШ), в котором для стабилизации частоты используется диэлектрический резонатор (ДР) [1]. Перестройка частоты генератора СВЧ осуществляется с помощью варакторного диода, включенного в частотно-задающую цепь генератора.
Достижение заданного диапазона перестройки частоты генератора СВЧ обеспечивает расположение варакторного диода относительно диэлектрического резонатора.
Диэлектрический резонатор и полевой транзистор связаны электромагнитной связью, посредством металлических проводников, расположенных между ними. Исток и затвор в виде барьера Шотки полевого транзистора каждый соответственно соединены с металлическими проводникам, а сток служит выходом генератора.
При этом все элементы выполнены в виде гибридно-интегральной схемы и расположены на поверхности диэлектрической подложки.
Недостатком данной конструкции является:
- узкий диапазон перестройки частоты вследствие малой величины перекрытия емкости варакторного диода и в силу того, что варакторный диод и диэлектрический резонатор разнесены,
- невысокая выходная мощность СВЧ из-за слабой связи между диэлектрическим резонатором и полевым транзистором,
- большие массогабаритные характеристики.
Известен аналогичный генератор СВЧ, выполненный также на полевом транзисторе с затвором в виде барьера Шотки и диэлектрическом резонаторе с перестройкой частоты варакторным диодом [1], в котором с целью усиления электромагнитной связи между диэлектрическим резонатором и варакторным диодом варакторный диод снабжен металлическим проводником и расположен на одной из торцевых поверхностей диэлектрического резонатора.
Это позволило по сравнению с аналогом отчасти как расширить диапазон перестройки частоты, так и снизить массогабаритные характеристики.
Следует отметить, что и аналог, и прототип не позволяют получать необходимо высокий уровень выходной мощности СВЧ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение диапазона перестройки частоты, повышение выходной мощности СВЧ, снижение массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается предложенным генератором СВЧ, который выполнен на полевом транзисторе с затвором в виде барьера Шотки и диэлектрическом резонаторе с и/или электрической перестройкой частоты посредством полупроводникового прибора, управляемого напряжением, расположенного в зазоре металлического кольца и соединенного с ним, последние расположены осесимметрично на одной из торцевых поверхностей диэлектрического резонатора, при этом диэлектрический резонатор и полевой транзистор связаны электромагнитной связью посредством расположенных между ними металлических проводников, сток и затвор в виде барьера Шотки полевого транзистора каждый соответственно соединены с упомянутыми металлическими проводниками и контактными площадками, его сток служит выходом генератора, при этом полевой транзистор, металлические проводники и контактные площадки расположены на лицевой поверхности подложки.
В котором в качестве полупроводникового прибора управляемого напряжением используют второй полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки, подложка выполнена в виде кристалла полупроводникового материала, первый полевой транзистор, второй полевой транзистор, расположенный в зазоре металлического кольца, металлические проводники и контактные площадки выполнены в виде монолитной интегральной схемы на лицевой поверхности кристалла полупроводникового материала, при этом металлические проводники выполнены в виде полуколец с зазорами между ними, в одном из которых расположен первый полевой транзистор, а в другом второй полевой транзистор, металлическое кольцо расположено внутри полуколец металлических проводников, отношение их диаметров вдоль средней линии равно двум, а их ширина равна толщине кристалла полупроводникового материала, а отношение диаметра диэлектрического резонатора к диаметру вдоль средней линии металлического кольца равно трем, при этом исток и сток второго полевого транзистора соединены с металлическим кольцом в зазоре, а на его затвор в виде барьера Шотки подается управляемое напряжение, кристалл полупроводникового материала с монолитной интегральной схемой расположен обратной стороной на упомянутой торцевой поверхности диэлектрического резонатора.
III
V
IV
IV
Монолитная интегральная схема выполнена на кристалле из полупроводникового материала групп АB либо АВ.
На сток и затвор в виде барьера Шотки первого полевого транзистора с барьером Шотки подаются отрицательные напряжения.
Исток первого полевого транзистора заземлен.
Предложенная совокупность выполнения конструктивных признаков генератора СВЧ, а именно:
а) на диэлектрическом резонаторе, который является одним из самых высокодобротных миниатюрных резонаторов,
б) на полевых транзисторах, как в качестве активного, так и управляемого, что сделало возможным использовать при создании генератора технологию монолитных интегральных схем,
в) их взаимное расположение обеспечат:
во-первых, расширение диапазона перестройки частоты,
во-вторых, повышение выходной мощности СВЧ,
в-третьих, снижение массогабаритных характеристик.
Выполнение подложки в виде кристалла указанных полупроводниковых материалов и, прежде всего, арсенида галлия, которые обладают более высокой, в 3-6 раз, подвижностью электронов, чем другие полупроводниковые материалы, обуславливает увеличение быстродействия полевых транзисторов, выполненных на этих материалах, и, следовательно, обеспечивает более широкий диапазон перестройки частоты и в более высокой области СВЧ.
Использование первого полевого транзистора с затвором в виде барьера Шотки в инверсном режиме работы, то есть когда на сток и затвор подаются отрицательные напряжения, позволит дополнительно увеличить выходную мощность СВЧ.
Указанное отношение диаметров вдоль средней линии полуколец металлических проводников и металлического кольца, равное двум, а их ширина, равная толщине кристалла полупроводникового материала, а отношение диаметра диэлектрического резонатора к диаметру вдоль средней линии металлического кольца, равное трем, обеспечивают, с одной стороны, оптимальную электромагнитную связь диэлектрического резонатора с металлическими проводниками, а с другой стороны, сводит к минимуму электромагнитную связь между металлическими проводниками и металлическим кольцом и тем самым обеспечивает независимость перестройки частоты и выходной мощности генератора и, следовательно, обеспечивает расширение диапазона перестройки частоты и повышение выходной мощности.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого генератора СВЧ, где
- первый полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки (активный ПТШ) - 1 с
- затвором в виде барьера Шотки - 2,
- истоком - 3,
- стоком - 4,
- диэлектрический резонатор - 5,
- второй полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки (управляемый напряжением ПТШ) - 6 с
- затвором в виде барьера Шотки - 7,
- истоком - 8,
- стоком - 9,
- металлическое кольцо - 10,
- металлические проводники -11, выполненные в виде полуколец,
- контактные площадки - 12,
- кристалл полупроводникового материала - 13,
- монолитная интегральная схема - 14, выполненная на его лицевой поверхности.
На фиг.2 дана его эквивалентная схема, где Ср, Rp, Lp -эквивалентные параметры диэлектрического резонатора: емкость, сопротивление и индуктивность соответственно; L1 - эквивалентная индуктивность металлического кольца; L2 - эквивалентная индуктивность каждого металлического полукольца, M1 - коэффициент взаимоиндукции между металлическим кольцом и диэлектрическим резонатором, М2 - коэффициент взаимоиндукции между металлическим полукольцом и диэлектрическим резонатором, T1 - первый полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки (активный ПТШ), Т2 - второй полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки (управляемый напряжением ПТШ), К - контактные площадки.
На фиг.3 дана зависимость частоты генератора СВЧ от управляющего напряжения.
На фиг.4 дана зависимость выходной мощности генератора СВЧ от управляющего напряжения.
Пример.
Расссмотрен генератор СВЧ, выполненный на полевом транзисторе с затвором в виде барьера Шотки (активный ПТШ) на арсениде галлия со стабилизацией частоты диэлектрическим резонатором и перестройкой частоты вторым полевым транзистором с затвором в виде барьера Шотки (управляемый напряжением ПТШ), включенным в частотозадающую цепь генератора СВЧ.
Генератор СВЧ выполнен в виде монолитной интегральной схемы 14 на лицевой поверхности кристалла полупроводникового материала - арсенида галлия 13.
Все элементы монолитной интегральной схемы 14, а именно первый полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки (активный ПТШ) 1, второй полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки (управляемый напряжением ПТШ) 6, металлическое кольцо 10, металлические проводники 11, выполненные в виде симметричных полуколец, и контактные площадки 12 выполнены посредством монолитной интегральной технологии, предусматривающей использование электронно-лучевой литографии и тонкопленочной технологии, с соблюдением в топологии как указанных в формуле изобретения форм указанных выше элементов, так их взаимного расположения и соединения.
Высокодобротный диэлектрический резонатор 5 выполнен, например, из керамики ЦТО диаметром 3 мм и высотой 2,5 мм.
Диаметр кристалла полупроводникового материала, равный диаметру диэлектрического резонатора, задается требуемыми параметрами генератора СВЧ, а его толщина равна 100 мкм.
Диаметры металлических проводников и металлического кольца выполнены равными 2 мм и 1 мм соответственно, а их ширины равны 100 мкм.
Электроды и первого и второго полевых транзисторов выполнены с одинаковыми размерами, с длиной и шириной затвора, равными 0,3 мкм и 450 мкм соответственно, шириной стока и истока каждый, равной 20 мкм.
Контактные площадки выполнены в форме квадрата, стороной, равной 100 мкм.
Все проводники выполнены из золота толщиной 5 мкм.
Кристалл полупроводникового материала - арсенида галлия 13 с выполненной на его лицевой поверхности монолитной интегральной схемой 14 располагают обратной стороной на одной из торцевых поверхностей диэлектрического резонатора 5 и соединяют клеем ВК-9.
Устройство работает следующим образом.
Исток 3 первого полевого транзистора (активный ПТШ) 1 заземляют.
отс
На контактную площадку, соединенную с затвором 7 второго полевого транзистора (управляемый напряжением ПТШ) 6, подают напряжение U, равное напряжению отсечки U, равное - 3 В. При этом ток в металлическом кольце отсутствует и отсутствует магнитная связь его с диэлектрическим резонатором.
Для обеспечения максимальной выходной мощности предложенного генератора СВЧ на контактные площадки, соединенные с затвором 2 и стоком 4 первого полевого транзистора 1, от источников напряжения подают напряжения, равные -1,2 В и 5 В соответственно. При этом в металлических проводниках 11 возникают электромагнитные колебания с чистотой, близкой к собственной частоте ДР, равной 10 ГГц. Со стока первого полевого транзистора снимают выходную мощность, равную 100 мВт.
отс
На контактную площадку, соединенную с затвором 7 второго полевого транзистора 6, подают напряжение U, большее, чем напряжение отсечки U, например, равное -2 В. При этом в металлическом кольце возникнет ток.
За счет магнитных составляющих поля основного типа колебаний, возбуждаемых в диэлектрическом резонаторе, происходит связь диэлектрического резонатора с металлическим кольцом и включенным управляемым напряжением полевым транзистором. При этом в эквивалентное сопротивление диэлектрического резонатора вносится сопротивление Z металлического кольца с управляемым напряжением полевым транзистором, которое рассчитывают по формуле:
2
2
Z=2ωМ1/{RT2(U)+jωL1-j/[ωCT2(U)]}, где
2
ω - квадрат круговой частоты генератора,
2
М1 - квадрат коэффициента взаимоиндукции между металлическим кольцом и диэлектрическим резонатором,
CT2(U) и RT2(U) - соответственно емкость и сопротивление управляемого напряжением полевого транзистора, зависящие от управляющего напряжения U,
L1 - эквивалентная индуктивность металлического кольца.
Из этой формулы следует, что диапазон перестройки прямо пропорционален коэффициенту взаимоиндукции между металлическим кольцом и диэлектрическим резонатором и зависит от сопротивления и емкости управляемого напряжением полевого транзистора. В свою очередь, этот коэффициент зависит от диэлектрической проницаемости и размеров диэлектрического резонатора, параметров кристалла полупроводникового материала, на котором располагается монолитная интегральная схема, а также диаметра металлического кольца.
отс
Как видно из фиг.3, при изменении управляющего напряжения U от нуля до напряжения U частота генератора СВЧ изменяется от 10,5 ГГц до 10 ГГц. Из чего следует, что диапазон перестройки частоты составляет пять процентов, что примерно на 20 процентов больше, чем у прототипа.
отс
Как видно из фиг.4, при изменении управляющего напряжения U от нуля до напряжения U выходная мощность генератора СВЧ изменяется от 100 мВт до 110 мВт. Из чего следует, что выходная мощность генератора примерно на 30 процентов больше, чем у прототипа.
Таким образом, предложенный генератор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
- расширение диапазона перестройки частоты,
- повышение выходной мощности СВЧ и
- снижение массогабаритных характеристик.
Что позволит широко и эффективно использовать предложенный генератор СВЧ в сверхминиатюрных системах АПЧ.
Источник информации
1. Ю.М.Безбородов, Н.И.Лелюх, Б.Н.Севергин. Многофункциональные генераторные СВЧ-устройства с использованием диэлектрических резонаторов. Обзоры по электронной технике, серия 1, Электроника СВЧ, выпуск 21 (91505), с.7.