МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СВЧ

Изобретение относится к электронной технике, а именно к устройствам сверхвысокой частоты на полупроводниковых приборах.

Обычно конкретное устройство сверхвысокой частоты (СВЧ) реализует только одну ту или иную функцию, например генерацию, усиление, ослабление сигнала СВЧ.

В последние годы наибольшее применение в электронной технике СВЧ находят устройства СВЧ, выполненные на полевых транзисторах, управляемых постоянным либо переменным напряжением.

Известно устройство СВЧ - электронный аттенюатор СВЧ, выполненный на полевых транзисторах, содержащий два последовательно включенных силовых транзистора и источник управляющего напряжения, при этом входом аттенюатора является исток первого полевого транзистора, а выходное напряжение снимается со стоков полевых транзисторов. При этом применены полевые транзисторы одного типа проводимости с p-n переходом. В аттенюатор дополнительно введены делитель напряжения из терморезистора и резистора и инвертор, в качестве которого используют операционный усилитель с цепью обратной связи. При этом на затвор второго полевого транзистора подают напряжение от источника управляющего напряжения через инвертор.

Единственной функцией данного устройства СВЧ - электронного аттенюатора СВЧ - является ослабление сигнала СВЧ, что осуществляется использованием в цепи обратной связи делителя напряжения из резисторов, но что при этом не позволяет реализовать баланс амплитуд и фаз, необходимых, например, для генерации либо усиления сигнала СВЧ.

Известно устройство СВЧ - генератор СВЧ также на полевых транзисторах с электрической перестройкой частоты, 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 качестве которого 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. При этом оба полевых транзистора выполнены из полупроводникового материала группы A^IIIB^V.

Единственной функцией данного устройства СВЧ - генератора СВЧ, является генерация сигнала СВЧ, что осуществляется посредством преобразования постоянного тока в переменный сигнал СВЧ, но что при этом не позволяет использовать это для получения усиления либо ослабления сигнала СВЧ, поскольку у генератора отсутствует входной сигнал СВЧ.

Известно устройство СВЧ - усилитель СВЧ, выполненный так же на полевом транзисторе с электрической перестройкой частоты, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, резистор, две индуктивности, конденсатор, две емкости, при этом последовательно соединенные резистор, индуктивность и конденсатор образуют цепь обратной связи, при этом один конец первой емкости соединен с концом линии передачи на входе, другой ее конец - с затвором полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом резистора цепи обратной связи, другой его конец - с одним концом индуктивности цепи обратной связи, один конец второй емкости соединен с линией передачи на выходе, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, на сток которого через вторую индуктивность подают постоянное положительное напряжение [3 - прототип].

Единственной функцией данного устройства СВЧ - усилителя СВЧ, является усиление сигнала СВЧ, что осуществляется посредством преобразования постоянного тока в переменный сигнал СВЧ и добавления его к переменному сигналу СВЧ на входе усилителя,

Наличие цепи обратной связи позволяет передать усиленный переменный сигнал с выхода на вход, что приводит к дополнительному усилению сигнала СВЧ.

Значения всех элементов устройства СВЧ определяют из условия получения требуемых значений параметров усилителя СВЧ - диапазона рабочих частот, коэффициента усиления и коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН).

Диапазон рабочих частот, как известно, является одним из основных параметров устройства СВЧ.

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства СВЧ, а именно обеспечение реализации преобразования амплитуды, фазы и частоты сигнала СВЧ при сохранении диапазона рабочих частот.

Указанный технический результат достигается устройством СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, резистор, две индуктивности, емкостной элемент, две емкости, при этом последовательно соединенные резистор, индуктивность и емкостной элемент образуют цепь обратной связи, при этом один конец первой емкости соединен с концом линии передачи на входе, другой ее конец - с затвором полевого транзистора с барьером Шотки и с одним концом резистора цепи обратной связи, другой конец которого соединен с одним концом индуктивности цепи обратной связи, один конец второй емкости соединен с линией передачи на выходе, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, на сток которого через вторую индуктивность подают постоянное положительное напряжение.

При этом в устройство СВЧ дополнительно введены второй полевой транзистор с барьером Шотки, две индуктивности - третья и четвертая, при этом второй полевой транзистор с барьером Шотки введен в цепь обратной связи в качестве емкостного элемента, при этом стоки обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки соединен с другим концом индуктивности цепи обратной связи, а его затвор соединен с источником управляющего напряжения, один конец третьей индуктивности соединен с другим концом первой емкости, один конец четвертой индуктивности - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, а другие их концы заземлены.

Сопротивление резистора R, четыре индуктивности L₁, L₂, L₃, L₄ определяют из выражений соответственно:

R=Z₀/10,

L_k=Z₀(2πf₀k)^-1,

где Z₀ - волновое сопротивление линии передачи на входе или выходе;

π=3,1415;

f₀ - центральная частота диапазона рабочих частот;

k=1, 2, 3, 4.

Раскрытие сущности изобретения.

Заявленное устройство СВЧ, совокупность его существенных признаков, а именно: введение дополнительно второго полевого транзистора с барьером Шотки и двух индуктивностей - третьей и четвертой, и когда этот полевой транзистор с барьером Шотки введен в цепь обратной связи в качестве емкостного элемента и заявленная иная связь всех элементов устройства СВЧ в зависимости от подаваемого управляющего напряжения на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи позволяет изменять полное сопротивление в цепи обратной связи и тем самым обеспечивает реализацию преобразования амплитуды, фазы и частоты сигнала СВЧ одним данным устройством, то есть налицо имеем расширение функциональных возможностей устройства СВЧ, а именно - генерация, усиление, ослабление и преобразование частоты сигнала СВЧ.

Это обосновывается следующим.

При подаче на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки управляющего напряжения, изменяющегося в пределах от 0 до отрицательного напряжения отсечки, ширина его канала, по которому протекает постоянный ток, изменяется.

При этом:

- при постоянном управляющем напряжении, равном 0 В, канал второго полевого транзистора с барьером Шотки полностью открыт и через него протекает максимальный ток,

- при постоянном управляющем напряжении, равном отрицательному напряжению отсечки, канал второго полевого транзистора с барьером Шотки полностью перекрыт, и через него ток не течет.

Соответственно внутреннее сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки изменяется от активного сопротивления до реактивного емкостного сопротивления.

Из этого следует, что при включении второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепь обратной связи данного устройства СВЧ в результате изменения управляющего напряжения на затворе этого полевого транзистора с барьером Шотки будет изменяться полное сопротивление в цепи обратной связи, которое определяет величину амплитуды, фазы и частоты сигнала СВЧ на выходе устройства и тем самым обеспечивает реализацию преобразования амплитуды, фазы и частоты сигнала СВЧ, а именно:

в случае, когда полностью перекрыт канал второго полевого транзистора с барьером Шотки и отсутствует входной сигнал СВЧ, на выходе устройства будет создаваться переменный сигнал СВЧ заданной частоты и амплитуды;

в этом случае устройство реализует генерацию сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию генератора;

в случае, когда полностью перекрыт канал второго полевого транзистора с барьером Шотки, величина амплитуды сигнала СВЧ на выходе устройства будет больше величины амплитуды сигнала СВЧ на входе устройства;

в этом случае устройство реализует усиление сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию усилителя;

в случае, когда полностью открыт канал второго полевого транзистора с барьером Шотки, величина амплитуды сигнала СВЧ на выходе устройства будет меньше величины амплитуды сигнала СВЧ на входе устройства;

в этом случае устройство реализует как ослабление, так и сдвиг фазы сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функции как аттенюатора, так и фазовращателя;

в случае, когда частично перекрыт канал второго полевого транзистора с барьером Шотки и на его затвор кроме постоянного управляющего напряжения подают и переменное управляющее напряжение заданной частоты и амплитуды другого сигнала СВЧ, то реализуется смешение или преобразование частоты сигналов СВЧ;

в этом случае устройство реализует преобразование частоты сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию преобразователя частоты.

Итак, заявленная совокупность существенных признаков устройства СВЧ реализует указанный технический результат, а именно расширение функциональных возможностей устройства СВЧ при сохранении диапазона рабочих частот.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг 1. дана топология заявленного многофункционального устройства СВЧ, где

- две одинаковые линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,

- первый полевой транзистор с барьером Шотки - 3,

- резистор - 4,

- две индуктивности - 5 и 6 соответственно,

- емкостной элемент - дополнительный второй полевой транзистор с барьером Шотки - 7,

- две емкости - 8 и 9 соответственно,

- две дополнительные третья и четвертая индуктивности - 10 и 11 соответственно,

- источник управляющего напряжения - 12.

На фиг.2 дана его электрическая схема.

Далее даны зависимости, характеризующие генерацию, либо усиление, либо ослабление, либо преобразование частоты сигнала СВЧ от подаваемого управляющего напряжения на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи одного данного заявленного устройства СВЧ.

На фиг.3 - зависимость частоты и мощности сигнала СВЧ на выходе устройства от величины постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи.

На фиг.4 - зависимость коэффициента усиления от частоты в пределах диапазона рабочих частот при величине постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи, равной минус 2 В.

На фиг.5 - зависимость коэффициента ослабления от частоты в пределах диапазона рабочих частот при величине постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи, равной 0 В.

На фиг.6 - зависимость набега фазы от частоты в пределах диапазона рабочих частот при величине постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи, равной 0 В.

На фиг.7 - зависимость преобразованной частоты от величины постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи и при величине амплитуды переменного сигнала СВЧ на его затворе, равной 0,1 В.

Пример конкретного выполнения заявленного многофункционального устройства СВЧ.

Устройство СВЧ выполнено в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.

Две линии передачи, предназначенные для входа 1 и для выхода 2 сигнала СВЧ, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.

Первый 3 и второй 7 полевые транзисторы с барьером Шотки выполнены одинаковыми, каждый с длиной затвора, равной 0,4 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки U_отс, равное минус 2,0 В.

Резистор R 4 выполнен в виде проводника из тантала шириной и длиной, равной 20 и 100 мкм соответственно.

Две емкости C₁ 8 и C₂ 9 выполнены равными 10 пФ.

Четыре индуктивности L₁ 5, L₂ 6, L₃ 10, L₄ 11 выполнены в виде отрезков линий шириной, равной 20 мкм, и длиной - 400, 200, 130 и 100 мкм соответственно.

При этом сопротивление резистора, величины индуктивностей определены согласно выражениям, указанным в формуле изобретения.

При этом один конец первой емкости 8 соединен с концом линии передачи на входе 1, другой ее конец - с затвором полевого транзистора с барьером Шотки 3 и с одним концом резистора 4 цепи обратной связи, другой конец которого соединен с одним концом индуктивности 5 цепи обратной связи, один конец второй емкости 9 соединен с линией передачи на выходе 2, а другой - со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 3, на сток которого через вторую индуктивность 6 подают постоянное положительное напряжение, стоки обоих полевых транзисторов с барьером Шотки соединены между собой, исток второго полевого транзистора с барьером Шотки 7 соединен с другим концом индуктивности 5 цепи обратной связи, а его затвор соединен с источником управляющего напряжения 12, один конец третьей индуктивности 10 соединен с другим концом первой емкости 8, один конец четвертой индуктивности 11 - с истоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, а другие их концы заземлены.

Работа устройства СВЧ.

Как генератора.

Как было сказано выше, у генератора отсутствует входной сигнал СВЧ.

При подаче на сток первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 через вторую индуктивность 6 постоянного положительного напряжения, равного 5 В, через этот полевой транзистор с барьером Шотки и четвертую индуктивность 11 будет протекать постоянный ток, который задает рабочую точку на его вольтамперной характеристике.

При подаче постоянного управляющего напряжения, равного минус 1 В, на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки 7 в цепи обратной связи его канал частично перекрывается и этот полевой транзистор с барьером Шотки выполняет роль емкостного элемента, что вместе с третьей индуктивностью 10 позволяет реализовать такие величины амплитуды и фазы сигнала СВЧ на входе и выходе первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, при которых выполняются условия баланса амплитуд и фаз сигналов СВЧ, что приводит к возникновению и устойчивому сохранению сигнала СВЧ с собственной частотой устройства.

Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 мощность от источника постоянного положительного напряжения преобразуется в мощность переменного сигнала СВЧ, поступающего через вторую емкость 9 в линию передачи 2 на выходе устройства.

В этом случае устройство реализует генерацию сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию генератора СВЧ.

Как усилителя.

При подаче на вход 1 устройства СВЧ и через первую емкость 8 соответственно на затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 переменного напряжения с частотой 10 ГГц и амплитудой 1 В, а на его сток - через вторую индуктивность 6 постоянного положительного напряжения, равного 5 В, через этот полевой транзистор с барьером Шотки и четвертую индуктивность 11 протекает постоянный ток.

При подаче постоянного управляющего напряжения, равного минус 2 В, на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки 7 в цепи обратной связи, его канал перекрывается и этот полевой транзистор с барьером Шотки выполняет роль емкостного элемента, что вместе с третьей индуктивностью 10 позволяет реализовать такие величины амплитуды и фазы сигнала СВЧ на затворе и стоке первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, при которых устройство СВЧ работает в устойчивом режиме усиления.

Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 мощность от источника постоянного положительного напряжения преобразуется в мощность сигнала СВЧ и добавляется к мощности сигнала СВЧ на выходе устройства. В результате на выходе устройства суммарная мощность сигнала СВЧ будет больше, чем мощность сигнала СВЧ на его входе, то есть произойдет усиление мощности сигнала СВЧ на частоте входного сигнала СВЧ, равной 10 ГГц.

Если изменять частоту входного сигнала СВЧ в пределах рабочего диапазона частот, то процессы в устройстве будут протекать аналогично описанным выше и на этих частотах.

В этом случае устройство реализует усиление сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию усилителя СВЧ.

Как аттенюатора.

При подаче на вход 1 устройства СВЧ и через первую емкость 8 соответственно на затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 переменного напряжения с частотой 10 ГГц и амплитудой 1 В, а на его сток - через вторую индуктивность 6 постоянного положительного напряжения, равного 5 В, через этот полевой транзистор с барьером Шотки и четвертую индуктивность 11 протекает постоянный ток.

При подаче постоянного управляющего напряжения, равного 0 В, на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 7 в цепи обратной связи канал этого полевого транзистора с барьером Шотки полностью открывается и в цепь обратной связи вносится дополнительное сопротивление, что приводит к уменьшению мощности сигнала СВЧ на выходе 2 устройства СВЧ.

Если изменять частоту входного сигнала СВЧ в пределах рабочего диапазона частот, то процессы в устройстве будут протекать аналогично описанным выше и на этих частотах.

В этом случае устройство реализует ослабление сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию аттенюатора СВЧ.

Как фазовращателя.

При подаче на вход 1 устройства СВЧ и через первую емкость 8 соответственно на затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 переменного напряжения с частотой 10 ГГц и амплитудой 1 В, а на его сток - через вторую индуктивность 6 постоянного положительного напряжения, равного 5 В, через этот полевой транзистор с барьером Шотки и четвертую индуктивность 11 протекает постоянный ток.

При подаче постоянного управляющего напряжения, равного 0 В, на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки 7 в цепи обратной связи канал этого полевого транзистора с барьером Шотки открывается и в цепь обратной связи вносится дополнительное сопротивление, что вместе с третьей и четвертой индуктивностями 10 и 11 позволяет реализовать набег фазы сигнала СВЧ от входа к выходу устройства.

Если изменять частоту входного сигнала СВЧ в пределах рабочего диапазона частот, то процессы в устройстве будут протекать аналогично описанным выше и на этих частотах.

В этом случае устройство реализует набег фазы сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию фазовращателя СВЧ.

Как преобразователя частоты.

При подаче на вход 1 устройства СВЧ и через первую емкость 8 соответственно на затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 переменного напряжения с частотой 10 ГГц и амплитудой 1 В, а на его сток - через вторую индуктивность 6 постоянного положительного напряжения, равного 5 В, через этот полевой транзистор с барьером Шотки и четвертую индуктивность 11 протекает постоянный ток.

При подаче постоянного управляющего напряжения, равного минус 1 В, и переменного напряжения с частотой 9 ГГц и амплитудой 0,1 В на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки 7 в цепи обратной связи, канал этого полевого транзистора с барьером Шотки частично перекрывается, и этот полевой транзистор с барьером Шотки выполняет роль емкостного элемента, что вместе с третьей индуктивностью 10 позволяет реализовать такие величины амплитуды и фазы сигнала СВЧ на входе и выходе первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, при которых устройство работает в устойчивом режиме преобразования частоты сигнала СВЧ.

Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики первого полевого транзистора с барьером Шотки 3, мощности переменных сигналов СВЧ с частотами 10 ГГц и 9 ГГц соответственно преобразуются в мощность сигнала СВЧ разностной частоты 1 ГГц.

В этом случае устройство реализует преобразование частоты сигнала СВЧ, то есть работает, выполняя функцию преобразователя частоты.

При этом были измерены:

Зависимость частоты и мощности сигнала СВЧ на выходе устройства от величины постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи (фиг.3).

Зависимость коэффициента усиления от частоты в пределах диапазона рабочих частот при величине постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи, равной минус 2 В (фиг.4).

Зависимость коэффициента ослабления от частоты в пределах диапазона рабочих частот при величине постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи, равной 0 В (фиг.5).

Зависимость набега фазы от частоты в пределах диапазона рабочих частот при величине постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи, равной 0 В (фиг.6).

Зависимость преобразованной частоты от величины постоянного управляющего напряжения на затворе второго полевого транзистора с барьером Шотки в цепи обратной связи при величине амплитуды переменного сигнала СВЧ на его затворе, равной 0,1 В (фиг.7).

Как видно из представленных зависимостей, заявленное устройство СВЧ в полной мере осуществляет технический результат - расширение функциональных возможностей устройства СВЧ, а именно обеспечение реализации преобразования амплитуды, фазы и частоты сигнала СВЧ при сохранении диапазона рабочих частот.

Таким образом, заявленное устройство СВЧ по сравнению с прототипом обеспечивает реализацию преобразования амплитуды, фазы, частоты сигнала СВЧ, а именно реализует: генерацию, усиление, ослабление, сдвиг фаз, преобразование частоты сигнала СВЧ при сохранении ширины диапазона рабочих частот.

Указанное преимущество заявленного устройства СВЧ позволит унифицировать устройства СВЧ с указанными выше функциональными свойствами, что особенно актуально при создании миниатюрных как отдельных изделий электронной техники СВЧ, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения и, особенно, в монолитном интегральном исполнении.

Источники информации

1. Патент РФ №2337472, МПК Н03Н 11/24, приоритет 13.06.07, опубл. 27.10.2008.

2. Патент РФ №2277293, МПК Н03В 7/14, приоритет 05.10.2004, опубл. 27.05.06.

3. Научно-технический сборник. Электронная техника, серия 1 СВЧ-техника, выпуск 4, 1985 г., с.32-36 - прототип.