[1]Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам управляемым напряжением на транзисторах СВЧ и может быть широко использовано в системах связи и радиолокационных станциях.
[2]В системах связи и радиолокационных станциях в ряде случаев требуется осуществлять перестройку частоты в широком диапазоне частот.
[3]Известен генератор управляемый напряжением (генератор), 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 (варакторный диод), 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 [1, стр. 193].
[4]Использование в таких генераторах 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 до сверхвысоких частот (СВЧ).
[5]Однако в этом генераторе сложно получить широкий диапазон перестройки частоты, поскольку варакторный диод (полупроводниковый прибор, управляемый напряжением) обладает ограниченным интервалом изменения управляющего напряжения.
[6]Кроме того, невозможно выполнить генератор в монолитном исполнении, поскольку полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки и варакторный диод выполняются из различных полупроводниковых материалов и раздельно.
[7]Известен генератор 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 и возможности реализации генератора как в гибридном, 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 [2] - прототип.
[8]Данный генератор, как и предыдущий, не дает существенного выигрыша в ширине диапазона перестройки частоты, поскольку эту ширину ограничивают внутренние емкости полевых транзисторов с барьером Шотки.
[9]Техническим результатом заявленного изобретения является расширение диапазона перестройки частоты при сохранении нижнего предела диапазона частот и возможности создания генератора в монолитном исполнении.
[10]Указанный технический результат достигается заявленным генератором управляемым напряжением, содержащим линию передачи на выходе, два полевых транзистора с барьером Шотки, колебательную систему в виде последовательно соединенных индуктивности и емкости, при этом один конец колебательной системы соединен с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки, а другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого заземлен, на его затвор подают управляющее напряжение, на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности.
[12]дополнительно введены полевой транзистор с барьером Шотки - третий, две индуктивности - вторая и третья, разделительный конденсатор и низкочастотный фильтр питания,
[13]при этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе через разделительный конденсатор и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки через вторую индуктивность, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр,
[14]при этом величина третьей индуктивности в пять раз меньше величины второй индуктивности, а величину емкости разделительного конденсатора определяют из выражения:
[16]Z0 - волновое сопротивление линии передачи,
[17]π - постоянное число, равное 3,14,
[18]f0 - центральная частота рабочего диапазона частот.
[19]Раскрытие сущности изобретения
[20]Существенные признаки заявленного генератора управляемого напряжением каждый в отдельности и в совокупности обеспечивают, а именно:
[21]введение в генератор дополнительно третьего полевого транзистора с барьером Шотки и двух индуктивностей - второй и третьей в совокупности с предложенным соединением элементов генератора, а именно:
[22]Соединение второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки и второй и третьей индуктивностей обеспечивает снижение общей внутренней емкости этих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.
[23]Соединение затвора третьего полевого транзистора с барьером Шотки с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и заземление истока третьего полевого транзистора с барьером Шотки обеспечивает, по меньшей мере, уменьшение вдвое общей внутренней емкости этих полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым обеспечивает увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты,
[24]Наличие третьего полевого транзистора с барьером Шотки и второй индуктивности и соединение стоков второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки через эту индуктивность обеспечивает в зависимости от ее указанной величины компенсацию внутренней выходной емкости второго полевого транзистора с барьером Шотки и внутренней входной емкости третьего полевого транзистора с барьером Шотки и тем самым обеспечивает уменьшение общей внутренней емкости этих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты,
[25]Наличие третьего полевого транзистора с барьером Шотки и третьей индуктивности и соединение его затвора с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и притом, что их общая точка соединения заземлена через эту индуктивность, обеспечивает совместно с внутренними емкостями этих полевых транзисторов с барьером Шотки образование в схеме генератора делителя напряжения и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.
[26]Введение дополнительно третьего полевого транзистора с барьером Шотки и двух индуктивностей и их соединение практически не влияют на величины внутренних проходных емкостей второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым определяют нижнюю границу диапазона перестройки частоты и, как следствие, ее сохранение (нижнего границы диапазона перестройки частоты).
[27]Подача на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки постоянного напряжения положительной полярности через низкочастотный фильтр питания обеспечивает развязку сигнала СВЧ и этого постоянного напряжения и, как следствие, дополнительное расширение диапазона перестройки частоты.
[28]Выполнение третьей индуктивности величиной в пять раз меньшей величины второй индуктивности совместно с внутренними емкостями второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки обеспечивает образование в схеме генератора делителя напряжения и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.
[29]Выполнение разделительного конденсатора величиной емкости согласно указанному выражению обеспечивает минимизацию реактивного сопротивления этого конденсатора в рабочем диапазоне частот и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.
[30]Итак, поскольку ширина диапазона перестройки частоты генератора управляемого напряжением обратно пропорциональна величине емкости активного полупроводникового прибора, так что для расширения диапазона перестройки частоты необходимо снижать емкости полупроводниковых приборов, что в полной мере реализует совокупность существенных признаков заявленного генератора и соответственно достижение указанного технического результата - расширение диапазона перестройки частоты при сохранении нижней границы диапазона перестройки частоты.
[31]Изобретение поясняется чертежами.
[32]На фиг. 1 дана топология заявленного генератора управляемого напряжением, где
[33]- линия передачи на выходе - 1,
[34]- первый и второй полевые транзисторы с барьером Шотки - 2, 3 соответственно,
[35]- колебательная система 4 в виде последовательно соединенных первой индуктивности - 5 и емкости - 6,
[36]- третий полевой транзистор с барьером Шотки - 7,
[37]- вторая и третья индуктивности - 8, 9 соответственно,
[38]- разделительный конденсатор - 10,
[39]- низкочастотный фильтр питания - 11.
[40]На фиг. 2 дана электрическая схема заявленного генератора управляемого напряжением.
[41]На фиг. 3 дана зависимость частоты и выходной мощности от управляющего напряжения.
[42]Пример конкретного выполнения заявленного генератора управляемого напряжением.
[43]Генератор управляемый напряжением выполнен в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.
[44]Линия передачи на выходе 1 выполнена с волновым сопротивлением, равным 50 Ом, что соответствует ширине проводника 0,08 мм.
[45]Емкость 6 и разделительный конденсатор 10 выполнены на основе окиси кремния толщиной 5 мкм, величиной 10 пФ согласно указанному выражению.
[46]Полевые транзисторы с барьером Шотки 2, 3, 7 первый, второй и третий соответственно выполнены каждый с длиной затвора равной 0,4 мкм, шириной затвора равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс., равное - 2,0 В.
[47]Индуктивности первая 5, вторая 8 и третья 9 выполнены в виде меандров шириной равной 10 мкм, длиной 0,5, 0,75, 0,15 мм соответственно.
[48]При этом один конец колебательной системы 4 соединен с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки 3, а другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 2, исток которого заземлен, на его затвор подают управляющее напряжение.
[49]При этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 соединен с линией передачи на выходе 1 через разделительный конденсатор 10 и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 через вторую индуктивность 8, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 3, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность 9, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр питания 11.
[50]Заявленный генератор управляемый напряжением работает следующим образом.
[51]На сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 через низкочастотный фильтр питания 11 подают постоянное напряжение положительной полярности +6 В.
[52]На затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 2 подают управляющее напряжение, изменяющееся от -0,5 В до +0,5 В.
[53]На образцах заявленного генератора управляемого напряжением были измерены зависимости величины частоты и выходной мощности от управляющего напряжения, изменяющегося в пределах от -0,5 В до +0,5 В.
[54]Результаты представлены на фиг. 3.
[55]Как видно из фиг. 3, частота f заявленного генератора управляемого напряжением изменяется от 10 до 12 ГГц, что соответствует диапазону перестройки частоты генератора 2 ГГц, что в 4 раза больше, чем у прототипа.
[56]Перепад выходной мощности P генератора не превышает 3 дБ.
[57]Таким образом, заявленный генератор управляемый напряжением по сравнению с прототипом обеспечит расширение диапазона перестройки частоты в 4 раза при сохранении нижнего предела перестройки частоты.
[58]Кроме того, при сохранении возможности реализации генератора как в гибридном интегральном, так и в монолитном интегральном исполнении, поскольку она содержит три полевых транзистора с барьером Шотки, которые могут быть изготовлены в едином технологическом цикле на одной подложке из арсенида галлия.
[60]1. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. Л.Г. Гассанов, А.А. Липатов, В.В. Марков. - М., Радио и связь, 1988 г.
[61]2. Патент РФ №2277293 МПК H03B 7/14, приоритет 05.10.2004 г., опубл. 27.05.2006 г. - прототип.
