[1]Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам СВЧ на транзисторе с электрической перестройкой частоты напряжением, и может быть использовано в системах связи и радиолокационных станциях.
[2]Известен генератор СВЧ, управляемый напряжением, содержащий полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки, выполненный из полупроводникового материала арсенида галлия, соединенные с ним колебательную систему и полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, при этом полевой транзистор соединен по схеме с общим истоком, один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора, а другой - с полупроводниковым прибором, управляемым напряжением, в качестве которого используют варакторный диод [1, стр. 193].
[3]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.
[4]Однако данный генератор СВЧ, поскольку варакторный диод обладает ограниченным интервалом изменения управляющего напряжения, не обеспечивает широкий диапазон перестройки частоты.
[5]Кроме того, поскольку полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки и варакторный диод выполняются из различных полупроводниковых материалов раздельно, исключается возможность выполнения генератора СВЧ в монолитном интегральном исполнении.
[6]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, в котором с целью достижения линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и увеличения верхнего предела диапазона перестройки частоты генератора СВЧ и возможности реализации генератора СВЧ как в гибридном интегральном, так и монолитном интегральном исполнении, в качестве полупроводникового прибора, управляемого напряжением, используют второй полевой транзистор с барьером Шотки, соединенный по схеме с общим истоком, при этом другой конец колебательной системы соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, на который подают постоянное напряжение положительной полярности, а на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки подают управляющее напряжение и постоянное напряжение отрицательной полярности.
[7]Данный генератор СВЧ обеспечивает сохранение высокой величины нижнего предела диапазона перестройки частоты и возможность выполнения генератора в монолитном интегральном исполнении.
[8]Однако данный генератор СВЧ, как и предыдущий, не обеспечивает существенного расширения диапазона перестройки частоты, поскольку последнее ограничивают внутренние емкости полевых транзисторов с барьером Шотки.
[9]Техническим результатом изобретения является расширение диапазона перестройки частоты при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения, уровня выходной мощности и возможности создания генератора в монолитном интегральном исполнении.
[10]Указанный технический результат достигается заявленным генератором СВЧ, содержащим линию передачи на выходе, по меньшей мере, два полевых транзистора с барьером Шотки, один из которых управляемый напряжением, по меньшей мере, две индуктивности и разделительную 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, линия передачи на выходе соединена с одним концом разделительной емкости.
[11]В генератор дополнительно введены два полевых транзистора с барьером Шотки - третий и четвертый, пять индуктивностей - третья, четвертая, пятая, шестая, седьмая соответственно, при этом
[12]- сток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен через третью индуктивность со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
[13]- сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен через четвертую индуктивность со стоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
[14]- сток четвертого полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другим концом разделительной емкости,
[15]- исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с затвором третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
[16]- исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с затвором четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
[17]- истоки всех четырех полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, при этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки - через пятую индуктивность, общая точка соединения истока второго и затвора третьего полевых транзисторов с барьером Шотки - через шестую индуктивность, общая точка соединения истока третьего и затвора четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки - через седьмую индуктивность.
[18]Раскрытие сущности изобретения.
[19]Совокупность существенных признаков заявленного генератора СВЧ, а именно:
[20]- введение в генератор СВЧ дополнительно двух полевых транзисторов с барьером Шотки - третьего и четвертого, пяти индуктивностей - третьей, четвертой, пятой, шестой, седьмой соответственно и
[21]- предложенное соединение элементов генератора СВЧ позволит:
[22]Во-первых, исходя из того, что ширина диапазона перестройки частоты генератора СВЧ обратно пропорциональна величине емкости активного полупроводникового прибора, уменьшение, по меньшей мере, вдвое общей внутренней емкости всех четырех полевых транзисторов с барьером Шотки, и тем самым обеспечивает увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона перестройки частоты генератора СВЧ.
[23]Во-вторых, благодаря тому, что второй, третий и четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки образуют единый активный элемент генератора СВЧ и в совокупности с предложенным соединением стоков этих полевых транзисторов с барьером Шотки через указанные индуктивности и в зависимости от оптимальной величины последних обеспечивают частичную либо полную компенсацию общей внутренней емкости этих трех полевых транзисторов с барьером Шотки, и тем самым дополнительно обеспечивают значительное уменьшение общей внутренней емкости полевых транзисторов с барьером Шотки, и тем самым - дополнительное увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и достижение слабой зависимости от частоты внутреннего сопротивления и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона частот при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и уровня выходной мощности генератора СВЧ.
[24]В-третьих, предложенное соединение
[25]- стока второго полевого транзистора с барьером Шотки через третью индуктивность со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
[26]- стока третьего полевого транзистора с барьером Шотки через четвертую индуктивность со стоком четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
[27]- стока четвертого полевого транзистора с барьером Шотки с другим концом разделительной емкости,
[28]- истока второго полевого транзистора с барьером Шотки с затвором третьего полевого транзистора с барьером Шотки,
[29]- истока третьего полевого транзистора с барьером Шотки с затвором четвертого полевого транзистора с барьером Шотки,
[30]- и когда истоки всех четырех полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, при этом исток первого полевого транзистора с барьером Шотки - через пятую индуктивность, общая точка соединения истока второго и затвора третьего полевых транзисторов с барьером Шотки - через шестую индуктивность, общая точка соединения истока третьего и затвора четвертого полевых транзисторов с барьером Шотки - через седьмую индуктивность обеспечивает совместно с общей внутренней емкостью этих трех полевых транзисторов с барьером Шотки формирование в схеме генератора делителя напряжения из трех полевых транзисторов с барьером Шотки и, как результат этого - значительное увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и достижение слабой зависимости от частоты внутреннего сопротивления и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона частот при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения, уровня выходной мощности генератора СВЧ.
[31]В-четвертых, наличие пятой индуктивности и заземление через нее истока первого полевого транзистора с барьером Шотки, управляемого напряжением, обеспечивает компенсацию внутренней емкости этого транзистора с барьером Шотки, и тем самым достижение слабой зависимости от частоты сопротивления и, как следствие - значительное расширение рабочего диапазона частот при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и уровня выходной мощности генератора СВЧ.
[32]Более того, предложенная совокупность существенных признаков практически не влияет
[33]во-первых, на величину общей внутренней емкости всех полевых транзисторов с барьером Шотки, которые определяют нижнюю границу рабочего диапазона частот и тем самым сохраняют ее неизменной;
[34]во-вторых, на крутизну вольтамперных характеристик полевых транзисторов с барьером Шотки, и в силу этого обеспечивает сохранение уровня выходной мощности генератора СВЧ.
[35]Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно расширение диапазона перестройки частоты при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и уровня выходной мощности.
[36]Изобретение поясняется чертежами.
[37]На фиг 1 дана топология заявленного генератора СВЧ, где:
[38]- линия передачи на выходе - 1,
[39]- первый и второй полевые транзисторы с барьером Шотки - 2 и 3 соответственно,
[40]- первая и вторая индуктивности - 4 и 5,
[41]- разделительная емкость - 6,
[42]- третий и четвертый полевые транзисторы с барьером Шотки - 7 и 8 соответственно,
[43]- третья, четвертая, пятая, шестая и седьмая индуктивности - 9, 10, 11, 12, 13 соответственно.
[44]На фиг. 2 дана электрическая схема заявленного генератора СВЧ.
[45]На фиг. 3 дана зависимость частоты и выходной мощности от управляющего напряжения.
[46]Пример конкретного выполнения заявленного генератора СВЧ.
[47]Генератор СВЧ выполнен в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
[48]Линия передачи на выходе 1 выполнена с волновым сопротивлением 50 Ом, что соответствует ширине проводника 0,08 мм.
[49]Полевые транзисторы с барьером Шотки 2, 3, 7, 8 выполнены каждый с длиной затвора 0,4 мкм, шириной затвора 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс -2,0 В.
[50]Разделительная емкость 6 выполнена на основе окиси кремния толщиной 5 мкм.
[51]Индуктивности 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13 выполнены в виде меандров шириной 10 мкм и длинами 400 мкм, 500 мкм, 200 мкм, 100 мкм, 150 мкм, 300 мкм, 100 мкм соответственно.
[52]Заявленный генератор СВЧ работает следующим образом.
[53]На сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 через вторую индуктивность 5 подают напряжение положительной полярности +6 В.
[54]На затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 2 подают управляющее напряжение, изменяющееся от -2,0 В до +0 В.
[55]Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики у обоих полевых транзисторов с барьером Шотки 2 и 3 и наличия цепи обратной связи в генераторе возникнут устойчивые гармонические колебания СВЧ с частотой f, при этом энергия постоянного напряжения будет преобразовываться в энергию гармонических колебаний и выделяться на выходе генератора СВЧ 1 в виде переменного напряжения с частотой f. В результате на выходе линии передачи 1 генератора СВЧ переменное напряжение будет выделяться в виде выходной переменной мощности СВЧ, поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения.
[56]Если изменять величину управляющего напряжения, то процессы в генераторе СВЧ будут протекать подобно описанным выше, при этом частота гармонических колебаний СВЧ f будет изменяться в рабочем диапазоне частот, а уровень выходной мощности практически не изменится.
[57]На образцах заявленного генератора СВЧ были измерены зависимости величины частоты и выходной мощности от управляющего напряжения, изменяющегося в пределах от -2,0 В до +0 В.
[58]Результаты представлены на фиг. 3.
[59]Как видно из фиг. 3, частота f генератора СВЧ изменяется от 10 до 15 ГГц, так что диапазон перестройки генератора составляет 5 ГГц, что в 5 раз больше, чем у прототипа.
[60]Минимальное значение выходной мощности Ρ генератора СВЧ составляет 25 мВт, что подтверждает сохранение уровня выходной мощности, максимальное ее значение не превышает 50 мВт, так, что перепад выходной мощности во всем диапазоне перестройки генератора не превышает 3 дБ, что является хорошим результатом для перестраиваемого генератора СВЧ.
[61]Таким образом, заявленный генератор СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит расширение диапазона перестройки частоты примерно в 5 раз при сохранении линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения, уровня выходной мощности и возможности создания генератора в монолитном интегральном исполнении.
[63]1. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. - М.: Радио и связь, 1988.
[64]2. Патент РФ №2277293, МПК H03B 7/14, приоритет от 05.10.2004, опубл. 27.05.2006 - прототип.
