Транзисторный генератор свч
Разработанный транзисторный генератор относится к технике СВЧ, в частности к транзисторным генераторам преимущественно миллиметрового диапазона длин волн с выходными частотами до 100 ГГц, и может быть использован в приемопередающих устройствах СВЧ, медицинских приборах КВЧ-терапии и радиолокационных датчиках. Технический результат состоит в разработке относительного недорогого транзисторного генератора СВЧ, обеспечивающего достаточно высокую частоту выходных колебаний в диапазоне от 40 ГГц до 120 ГГц с наибольшей эффективностью. Транзисторный генератор СВЧ содержит полевой транзистор, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке, помещенной в волновод посередине его широких стенок. Дополнительно введены два сосредоточенных емкостных элемента, сосредоточенный индуктивный элемент, две резистивные поверхности и короткозамкнутый отрезок регулярного волновода. При этом щели между проводящими поверхностями образуют волноводно-щелевые линии, отрезки которых являются резонансными и согласующими цепями. Противолежащие края проводящих поверхностей, а также двух резистивных поверхностей образуют упомянутую резонансную цепь, к концу которой подключены выводы затвора и стока транзистора. На расстоянии порядка 
/4 вдоль указанной щели от точек присоединения затвора и стока транзистора, где - длина волны колебаний на выходе генератора с частотой 2f 1, расположены первый и второй сосредоточенные емкостные элементы, соединенные между собой сосредоточенным индуктивным элементом с образованием последовательной CLC-цепи. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области генерирования электрических колебаний, в частности к транзисторным генераторам преимущественно миллиметрового диапазона длин волн, и может быть использовано в приемопередающих устройствах СВЧ, медицинских приборах КВЧ-терапии, радиолокационных датчиках.
Известны транзисторные генераторы СВЧ на GaAs полевых транзисторах, работающие как на основной частоте, так и на гармониках. При этом в одних конструкциях [1, 4, 9, 10] в качестве реактивных элементов в цепях обратной связи и согласования используются отрезки длинных волноводных линий, в том числе и волноводно-щелевых, в других [2, 3, 5, 6] - сосредоточенные L- и С-элементы.
Генераторы, описанные в [3, 5, 6], имеют резонансные и согласующие цепи, выполненные на сосредоточенных элементах, а выходные цепи, выполненные на микрополосковых линиях. При этом частоты их выходных колебаний не превышают 40 ГГц, поскольку использование микрополосковых линий неэффективно на таких частотах. При создании транзисторных генераторов СВЧ с частотами выходных колебаний более 40 ГГц (миллиметровый и субмиллиметровый диапазон длин волн) резко растут трудности реализации как распределенных, так и сосредоточенных элементов, тем более таких, которые допускают в процессе изготовления генератора оптимальные регулировки, в том числе установку частоты генерации, уровня регенерации в цепи обратной связи и достижения максимальной выходной мощности.
Известно использование дорогостоящей технологии монолитных интегральных схем для достижения более высоких частот. Так в работе [2] на основе известной схемы генератора Колпитца создан генератор на частоты 64-69 ГГц. Сосредоточенные L-элементы схемы генератора выполнены в виде планарных проводников, а С-элементами схемы являются межэлектродные емкости транзистора, что ставит в зависимость от точности технологии изготовления значение частоты генерации и уровень выходной мощности, а оба эти параметра в сильной степени зависят от температуры окружающей среды. Кроме того, для достижения высоких частот выходных колебаний требуемые межэлектродные емкости транзистора должны быть минимальными, что достигается только при сокращении ширины его затвора, что усложняет и соответственно удорожает технологию его изготовления и ограничивает максимальную мощность генератора. Стабильная работа такого генератора при изменении коэффициента стоячей волны нагрузки возможна только при наличии в его выходной цепи развязывающего элемента, создание которого является самостоятельной сложной задачей, а его использование снижает выходную мощность, то есть КПД генератора.
Указанные трудности частично преодолеваются в конструкциях транзисторных генераторов СВЧ, работающих на второй гармонике [4] или использующих двухтактную схему включения транзисторов, работающих совместно с диэлектрическим резонатором на первой гармонике [7, 8, 9].
Конструкция генератора второй гармоники на волноводно-щелевых линиях [4] выполнена таким образом, что отрезок регулярного волновода между выходным согласующим трансформатором и нагрузкой сделан запредельным для волн с частотой f1 и прозрачным для волн с частотой 2f1. При этом волны с частотой f1 отражаются к генератору, что увеличивает коэффициент обратной связи (уровень регенерации) на частоте f 1, за счет этого уровень гармоники на частоте 2f 1 возрастает, а выходная цепь генератора оказывается подключенной к нагрузке на частоте 2f1. Цепь обратной связи генератора выполнена в виде микрополоскового резонатора, магнитно-связанного со щелевыми линиями цепей стока и затвора транзистора, при этом она задает частоту генерации f1. Таким образом, генератор генерирует частоту 2f1, при этом влияние изменения коэффициента стоячей волны нагрузки на значение частоты 2f 1 минимально, так как связь нагрузки с частотно-задающей цепью генератора осуществляется через отрезок запредельного для волн f1 отрезка волновода. Верхняя (максимальная) частота выходных колебаний генератора [4], работающего на второй гармонике, ограничена прежде всего геометрией и реализуемостью цепи ОС и не превышает 44 ГГц.
Из известных транзисторных генераторов (ТГ) СВЧ наиболее близким по технической сущности является ТГ, описанный в [1], который принят за прототип. Указанный ТГ СВЧ выполнен на полевом СВЧ-транзисторе, подключенном к цепям на основе волноводно-щелевых линий. При этом исток, затвор и сток транзистора соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке, помещенной в волновод по середине его широких стенок. Щели между проводящими поверхностями совместно с короткозамыкателями СВЧ в цепях затвор - исток и сток - затвор образуют волноводно-щелевые резонаторы. К цепи сток - исток подключен трансформатор, выполненный на отрезках волноводно-щелевой линии и согласующий импеданс транзистора с нагрузкой, подключенной к трансформатору через отрезок регулярного волновода. При подаче через развязывающие цепи на сток и затвор транзистора соответствующих напряжений за счет положительной обратной связи в цепи сток - затвор в волноводно-щелевом резонаторе, подключенном к цепи затвор - исток, возникают автоколебания с частотой, определяемой длиной этого резонатора. При этом частота автоколебаний определяется положением короткозамыкателя щелевой линии в цепи затвор - исток, а коэффициент обратной связи в цепи сток - затвор определяется положением короткозамыкателя щелевой линии в цепи сток - затвор. Волны с частотой колебаний f 1 и частотами гармоник 2f1, 3f1 и т.д. распространяются от точки присоединения стока транзистора по волноводно-щелевой линии и отрезку регулярного волновода к согласованной нагрузке.
Недостатком прототипа является то, что верхняя (максимальная) частота выходных колебаний генератора ограничена геометрией отрезков волноводно-щелевых линий, параметрами эквивалентной схемы транзистора и его частотными свойствами и не превышает 30 ГГц. Наряду с тем, что цепи, выполненные на волноводно-щелевых линиях, конструктивно применимы вплоть до 100 ГГц и выше, генератор-прототип [1], построенный на их основе, требует применения транзистора с низкими межэлектродными емкостями, развязывающего элемента (ферритового вентиля) в выходной цепи, специальных короткозамыкателей щелевых линий, что ограничивает возможность его реализации частотами, не превышающими 30 ГГц.
В силу того, что цепь обратной связи (ОС) в генераторе-прототипе [1] принципиально отличается от цепи ОС генератора [4], вариант подключения нагрузки через волновод, запредельный на f1, и реализации его работы на частоте 2f1 для генератора [1] неприменим.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка конструкции недорогого транзисторного генератора СВЧ, обеспечивающего достаточно высокую частоту выходных колебаний в миллиметровом диапазоне свыше 40 ГГц с наибольшей эффективностью.
Технический результат, обеспечиваемый данным изобретением, достигается тем, что разработанный транзисторный генератор СВЧ так же, как и генератор-прототип, содержит транзистор, например полевой транзистор, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке, помещенной в волновод посередине его широких стенок, при этом первая проводящая поверхность присоединена к одной широкой стенке волновода, а вторая и третья проводящие поверхности соединены посредством блокировочных микрополосковых LC-элементов с другой широкой со стенкой волновода и изолированы от стенки по постоянному току. Щели между упомянутыми тремя проводящими поверхностями и часть объема окружающего их волновода образуют волноводно-щелевые линии, отрезки которых являются резонансными и согласующими цепями, а именно в цепи затвор - исток образован волноводно-щелевой резонатор, в цепи затвор - сток на отрезках волноводно-щелевой линии выполнена резонансная цепь, а в цепи сток - исток волноводно-щелевая линия выполняет функцию трансформатора, согласующего импеданс транзистора с импедансом нагрузки, при этом первая, вторая и третья проводящие поверхности через LC-фильтры соединены с клеммами, к которым подключаются соответствующие полюса первого и второго источников напряжения.
Новым в разработанном транзисторном генераторе СВЧ является то, что в него дополнительно введены первый и второй сосредоточенные емкостные элементы, сосредоточенный индуктивный элемент, две резистивные поверхности и короткозамкнутый отрезок регулярного волновода, при этом первый и второй сосредоточенные емкостные элементы расположены на противолежащих краях упомянутых второй и третьей проводящих поверхностей на расстоянии вдоль щели порядка /4 от точек присоединения затвора и стока транзистора ко второй и третьей проводящим поверхностям, где - длина волны колебаний на выходе генератора с частотой 2f 1. Первый и второй сосредоточенные емкостные элементы соединены между собой сосредоточенным индуктивным элементом с образованием последовательной CLC-цепи, а другая часть щели между второй и третьей проводящими поверхностями от места расположения упомянутой последовательной CLC-цепи до широкой стенки волновода образована краями упомянутых введенных двух резистивных поверхностей, другие края которых соединены со второй и третьей проводящими поверхностями, которые в свою очередь соединены с корпусом волновода через распределенную емкость упомянутых блокировочных микрополосковых LC-элементов на частоте f1. При этом блокировочные микрополосковые LC-элементы выполнены таким образом, что замыкают накоротко эти поверхности на стенку волновода на частоте выходных колебаний 2f1. Отрезок регулярного волновода, запредельный для волн с частотой f1, замкнутый на конце поперечной проводящей стенкой, разомкнутым концом подключен к волноводно-щелевому резонатору в цепи затвор - исток транзистора.
Целесообразно в одном частном случае сосредоточенный индуктивный элемент выполнить в виде нескольких пространственно разнесенных проводников, концы которых следует соединить с первым и вторым сосредоточенными емкостными элементами.
Целесообразно в другом частном случае сосредоточенные емкостные элементы, а также сосредоточенный индуктивный элемент выполнить совместно методами стандартной тонкопленочной технологии на диэлектрической пластине с двухсторонней металлизацией, при этом на первой стороне пластины выполнить полоску сплошной металлизации в средней части и металлизацию, разделенную на секции, по краям, а на второй стороне пластины выполнить площадки металлизации по краям и участок поверхности без металлизации в средней части пластины, причем площадки металлизации второй стороны пластины присоединить к противолежащим краям второй и третьей проводящих поверхностей.
Целесообразно в третьем частном случае дополнительно ввести пространственно разнесенные проводники, например проволочные, концы которых присоединить к краям полоски сплошной металлизации на первой стороне диэлектрической пластины.
Целесообразно в четвертом частном случае щель между второй и третьей проводящими поверхностями выполнить со скачком ширины, при этом большую ширину имеет часть щели, которая образована краями непосредственно второй и третьей проводящих поверхностей, а меньшую ширину имеет другая часть щели, образованная краями резистивных поверхностей.
Целесообразно в пятом частном случае в конструкцию генератора дополнительно ввести третий сосредоточенный емкостной элемент, первый варикап и третью клемму для подключения третьего источника напряжения, при этом третий сосредоточенный емкостной элемент соединить первым выводом со второй проводящей поверхностью, вторым выводом соединить с первым выводом первого варикапа и первым полюсом третьего источника напряжения, а второй вывод первого варикапа соединить с корпусом волновода и вторым полюсом третьего источника напряжения.
Целесообразно в шестом частном случае дополнительно ввести четвертый сосредоточенный емкостной элемент, второй варикап и четвертую клемму для подключения четвертого источника напряжения, при этом четвертый сосредоточенный емкостной элемент соединить первым выводом с третьей проводящей поверхностью, вторым выводом соединить с первым выводом второго варикапа и первым полюсом четвертого источника напряжения, а второй вывод второго варикапа соединить с корпусом волновода и вторым полюсом четвертого источника напряжения.
Целесообразно в седьмом частном случае в поперечной проводящей стенке, замыкающей отрезок регулярного волновода, выполнить щель, связывающую волноводно-щелевой резонатор, подключенный к цепи затвор - исток транзистора, с дополнительным внешним высокодобротным, например объемным, резонатором, настроенным на частоту 2f1.
В восьмом частном случае в качестве транзистора возможно использовать биполярный транзистор, при этом выводы его эмиттера, базы и коллектора следует соединить соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями.
На фиг.1 представлена в разрезе конструкция разработанного транзисторного генератора СВЧ в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.2 представлена эквивалентная схема генератора на частоте f1, выполненного на сосредоточенных элементах.
На фиг.3 представлен в разрезе фрагмент конструкции разработанного транзисторного генератора СВЧ в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 представлен в аксонометрической проекции интегрированный LC-элемент, выполненный на диэлектрической подложке в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.5 представлен вид сверху того же интегрированного LC-элемента в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.6 представлен вид снизу того же интегрированного LC-элемента в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.7 представлен вид сверху интегрированного LC-элемента, снабженного дополнительными пространственно разнесенными проводниками, например проволочными, в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На фиг.8 представлен в разрезе фрагмент конструкции разработанного транзисторного генератора СВЧ с дополнительно введенными третьим и четвертым сосредоточенными емкостными элементами, первым и вторым варикапами, третьим и четвертым источниками напряжения в соответствии с п.6 и п.7 формулы изобретения.
На фиг.9 представлен в разрезе разработанный транзисторный генератор СВЧ, снабженный высокодобротным объемным резонатором в соответствии с п.8 формулы изобретения.
Разработанный транзисторный генератор СВЧ, представленный на фиг.1, содержит транзистор 1, например полевой, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой 2, второй 3 и третьей 4 проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке 5. Подложка 5 установлена посередине широких стенок волновода 6 и сопряженных с ним отрезков 8 и 14 регулярного волновода (симметричные половины волноводов на фиг.1 не показаны). Первая проводящая поверхность 2 присоединена к одной широкой стенке волновода 6, а вторая 3 и третья 4 проводящие поверхности соединены посредством блокировочных микрополосковых LC-элементов 12 с другой широкой стенкой волновода 6. Щели между тремя проводящими поверхностями 2, 3 и 4 и часть объема окружающего их волновода 6 образуют волноводно-щелевые линии, отрезки которых являются резонансными и согласующими цепями. Так в цепи затвор - исток образован волноводно-щелевой резонатор, в цепи затвор - сток на отрезках волноводно-щелевой линии выполнена резонансная цепь, а в цепи сток - исток волноводно-щелевая линия выполняет функцию трансформатора, согласующего импеданс транзистора 1 с импедансом нагрузки, присоединяемой к фланцу 7 отрезка 8 регулярного волновода. Вторая 3 и третья 4 проводящие поверхности снабжены резистивными поверхностями 11, расположенными симметрично вдоль щели, разделяющей поверхности 3 и 4.
Противолежащие края резистивных поверхностей 11 (см. фиг.1) участвуют в образовании щели между проводящими поверхностями 3 и 4, а другие края каждой из резистивных поверхностей 11 соединены с соответствующей проводящей поверхностью 3 или 4. Противолежащие края проводящих поверхностей 3 и 4, а также двух резистивных поверхностей 11 образуют упомянутую резонансная цепь, к концу которой подключены выводы затвора и стока транзистора 1. На расстоянии порядка /4 вдоль указанной щели от точек присоединения затвора и стока транзистора 1, где - длина волны колебаний на выходе генератора с частотой 2f 1, расположены первый и второй сосредоточенные емкостные элементы 9, соединенные между собой сосредоточенным индуктивным элементом 10 с образованием последовательной CLC-цепи. При этом первый вывод первого сосредоточенного емкостного элемента 9 соединен с проводящей поверхностью 3, а второй вывод соединен с первым выводом сосредоточенного индуктивного элемента 10, второй вывод которого соединен со вторым выводом второго сосредоточенного емкостного элемента 9, который своим первым выводом соединен с проводящей поверхностью 4.
Отрезок регулярного волновода 14, запредельный для волн с частотой f1, замкнутый на конце поперечной проводящей стенкой 15, разомкнутым концом подключен к волноводно-щелевому резонатору в цепи затвор - исток транзистора 1. К первой 2, второй 3 и третьей 4 проводящим поверхностям через LC-фильтры 16 присоединены соответствующие полюса первого и второго источников 17 напряжения. Блокировочные микрополосковые LC-элементы 12, соединяющие вторую 3 и третью 4 проводящие поверхности с корпусом волновода 6, выполнены таким образом, что для СВЧ-сигнала на частоте f1 соединяют эти проводящие поверхности 3 и 4 с корпусом волновода через свою распределенную емкость 13, а для СВЧ-сигнала на частоте выходных колебаний 2f1 элементы 12 замыкают эти поверхности 3 и 4 с корпусом волновода 6 накоротко.
Сосредоточенный индуктивный элемент 10 может быть выполнен в виде нескольких пространственно разнесенных проводников, например проволочных (см. фиг.3), концы которых соединяют с первым и вторым сосредоточенными емкостными элементами 9.
Сосредоточенные емкостные элементы 9, а также сосредоточенный индуктивный элемент 10 могут быть в частном случае выполнены совместно методами стандартной тонкопленочной технологии на одной диэлектрической пластине 18 (см. фиг.4, 5, 6) с двухсторонней металлизацией. При этом на первой стороне пластины 18 может быть выполнена полоска 19 сплошной металлизации в средней части и металлизация, разделенная на секции 20, по краям (см. фиг.5). На второй стороне пластины 18 (см. фиг.6) следует при этом выполнить площадки 21 металлизации по краям и участок поверхности без металлизации в средней части пластины 18, причем площадки 21 металлизации второй стороны пластины следует присоединить к противолежащим краям второй 3 и третьей 4 проводящих поверхностей, выполненных на диэлектрической подложке 5.
В этом же частном случае изготовления разработанного транзисторного генератора СВЧ целесообразно дополнительно ввести пространственно разнесенные проводники 22, например проволочные (см. фиг.7). Концы пространственно разнесенных проводников 22 следует присоединить к краям полоски 19 сплошной металлизации на первой стороне диэлектрической пластины 18.
В четвертом частном случае изготовления генератора возможно щель между второй 3 и третьей 4 проводящими поверхностями выполнить со скачком ширины, при этом большую ширину имеет часть щели, которая образована краями непосредственно второй 3 и третьей 4 проводящих поверхностей, а меньшую ширину имеет другая часть щели, образованная краями резистивных поверхностей 11 (см. фиг.9).
В пятом частном случае изготовления генератора возможно в его конструкцию дополнительно ввести третий сосредоточенный емкостной элемент 23, первый варикап 24 и третью клемму 25 для подключения третьего источника напряжения (не показан), при этом третий сосредоточенный емкостной элемент 23 необходимо соединить первым выводом со второй проводящей поверхностью 3, вторым выводом соединить с первым выводом первого варикапа 24 и первым полюсом третьего источника напряжения, а второй вывод первого варикапа 24 соединить с корпусом волновода 6 и вторым полюсом третьего источника напряжения (см. фиг.8).
В шестом частном случае изготовления генератора возможно в его конструкцию дополнительно ввести четвертый сосредоточенный емкостной элемент 26, второй варикап 27 и четвертую клемму 28 для подключения четвертого источника напряжения (не показан), при этом четвертый сосредоточенный емкостной элемент 26 соединить первым выводом с третьей проводящей поверхностью 4, вторым выводом соединить с первым выводом второго варикапа 27 и первым полюсом четвертого источника напряжения, а второй вывод второго варикапа соединить с корпусом волновода 6 и вторым полюсом четвертого источника напряжения (см. фиг.8).
Целесообразно в седьмом частном случае в поперечной проводящей стенке 15, замыкающей отрезок 14 регулярного волновода, выполнить щель 29, связывающую волноводно-щелевой резонатор, подключенный к цепи затвор - исток транзистора 1, с дополнительным внешним высокодобротным объемным резонатором 30, настроенным на частоту 2f1 (см. фиг.9).
В восьмом частном случае изготовления генератора возможно в качестве транзистора 1 использовать биполярный транзистор, при этом выводы его эмиттера, базы и коллектора следует соединить соответственно с первой 2, второй 3 и третьей 4 проводящими поверхностями.
В реально изготовленном варианте разработанного транзисторного генератора СВЧ в качестве транзистора 1 использован полевой транзистор Filtronic FPDA 200 V. На диэлектрической подложке 5 из лейкосапфира с размерами 2×3,8×0,2 мм сформированы стандартными методами тонкопленочной технологии первая 2, вторая 3 и третья 4 проводящие поверхности и две резистивные поверхности 11. Подложка 5 размещена в канале волновода 6 сечением 2,6×1,3 мм посередине его широких стенок (см. фиг.1). Короткозамкнутые отрезки 8 и 14 регулярного волновода имеют сечение 5,2×2,6 мм. Два сосредоточенных емкостных элемента 9 и индуктивный элемент 10 выполнены совместно в соответствии с п.3 и п.4 формулы изобретения (см. фиг.4, 5, 6, 7) с двумя дополнительными пространственно разнесенными проводниками 22 методами обычной тонкопленочной технологии. Диэлектрическая пластина 18 (см. фиг.4, 5, 6) имеет размеры 0,3×0,9×0,15 мм. Емкости сосредоточенных элементов 9 составляют 0,3 пФ, распределенные емкости 13 (фиг.2) блокировочных элементов 12 составляют 0,8 пФ. При этом получены следующие параметры генератора:
Частота 2f1 на выходе генератора 53,37 ГГц
Мощность на выходе сигнала 10,2 мВт
Напряжение питания сток - исток транзистора 4,7 В
Ток стока транзистора 27 мА
Коэффициент полезного действия 8%
Разработанный транзисторный генератор СВЧ, представленный на фиг.1, работает следующим образом. При подаче от двух внешних источников питания (не показаны) через клеммы 17 и фильтры 16 на электроды транзистора 1 соответствующих напряжений в цепях стока и затвора возникают автоколебания электромагнитного поля. Генератор на частоте колебаний f1 построен по известной схеме генератора Колпитца [2], в котором транзистор 1 включен по схеме с общим истоком (см. фиг.2). Частота f1 генерируемых колебаний и уровень регенерации в цепи положительной обратной связи определяются сочетанием величин сосредоточенных LC-элементов 9, 10 и величинами распределенных емкостей 13, кроме того, в LC-цепь элементов 9 и 10 включена реактивность щели между второй 3 и третьей 4 проводящими поверхностями. Так как на частоте f1 блокировочные элементы 12 не замыкают на широкую стенку волновода 6 проводящие поверхности 3 и 4, то волноводно-щелевые линии вдоль оси волновода 6 колебаниями с частотой f1 в цепи стока не возбуждаются и волны с частотой колебаний f1 по ним не распространяются.
Таким образом, энергия колебаний с частотой f1 локализована в сосредоточенных элементах 9 и 10 и в распределенных емкостях 13 блокировочных элементов 12. В то же время генерируемые на нелинейностях транзистора 1 высшие гармоники колебаний частоты f1 могут возбуждать упомянутые волноводно-щелевые линии. В частности, при условии того, что на частоте 2f1 блокировочные элементы 12 замыкают проводящие поверхности 3 и 4 на широкую стенку волновода 6 накоротко и поскольку волновод 6 в сочетании с подложкой 5 не является запредельным для волн с частотой колебаний 2f1, то вдоль оси волновода 6 от точки подключения стока транзистора 1 к проводящей поверхности 4 волна с частотой колебаний 2f1 будет распространяться в обе стороны по волноводно-щелевой линии. В одну сторону от точки подключения стока по волноводно-щелевому трансформатору (см. фиг.1) к отрезку 8 регулярного волновода до нагрузки, подключенной к фланцу 7.
В другую сторону от точки подключения стока волна с частотой колебаний 2f1 будет распространяться к точке подключения затвора транзистора 1 к проводящей поверхности 3. При этом реактивность щелевой линии, подключенной к выводам затвора и стока, обусловленная скачком проводимости резистивных поверхностей 11, образует между стоком и затвором цепь положительной обратной связи на частоте 2f1.
При настройке волноводно-щелевого резонатора в цепи затвор - исток в резонанс с колебаниями частоты 2f1 путем перемещения поперечной проводящей стенки 15 вдоль отрезка 14 регулярного волновода возникает и поддерживается режим регенеративного усиления транзистором 1 генерируемых им же колебаний гармоники с частотой 2f1 . При этом значение частоты 2f1 может быть близким к предельной частоте fт генерации транзистора 1. Вместе с тем на нелинейностях р-n перехода затвор - исток происходит преобразование колебаний волноводно-щелевого резонатора с частотой 2f1 и колебаний генератора на сосредоточенных элементах с частотой f1 по закону 2f1-f1 =f1 таким образом, что колебания в указанном резонаторе с частотой 2f1 и колебания в указанном генераторе с частотой f1 синхронизируются. Это обеспечивает стабильность режима регенеративного усиления транзистором 1 колебаний с частотой 2f1.
Следует отметить, что рассогласование полного сопротивления нагрузки, подключенной к фланцу 7 на частоте 2f 1, мало смещает частоту f1 (а следовательно, и 2f1), так как реактивность нагрузки не связана с эквивалентной схемой генератора на сосредоточенных элементах на частоте f1. При этом смещение частоты 2f1 происходит лишь за счет изменения нелинейных параметров транзистора 1 (естественно входящих в эквивалентную схему генератора f 1), наступающего при изменении на его электродах уровня мощности колебаний с частотой 2f1, обусловленного изменением условий согласования выходной цепи генератора с нагрузкой. Паразитные полосы регенеративного усиления транзистора 1 исключаются введением в цепь обратной связи сток - затвор транзистора 1 цепи селективного поглощения, выполненной на щели, образованной краями двух резистивных поверхностей 11. К резистивным поверхностям 11 подведено напряжение от клемм 17 двух внешних источников постоянного напряжения (не показаны). Образованные при этом резистивные R-элементы, соединенные с LC-элементами фильтров 16 цепей питания, исключают возникновение в генераторе на сосредоточенных элементах паразитных колебаний на низких частотах. Таким образом, в разработанном транзисторном генераторе СВЧ в отличие от прототипа, во-первых, частота колебаний на выходе генератора может быть близка к предельной частоте fт генерации транзистора при высокой эффективности (выходной мощности) за счет регенеративного усиления транзистором колебаний с частотой 2f1, во-вторых, элементы 9 и 10 установки частоты имеют приемлемую для обычной тонкопленочной технологии геометрию и, в-третьих, достигнуто уменьшение смещения частоты выходных колебаний 2f1 от уровня рассогласования нагрузки. Следовательно, разработанная конструкция транзисторного генератора СВЧ позволяет решить поставленную задачу.
В частных случаях реализации разработанного транзисторного генератора СВЧ в соответствии с зависимыми пунктами 2-9 формулы изобретения принцип работы разработанного генератора не меняется, но к указанному выше основному техническому результату добавляются частные технические результаты.
Так для обеспечения возможности точной установки частоты f1 генератора целесообразно выполнить сосредоточенный индуктивный элемент 10 (см. фиг.3) в виде нескольких пространственно разнесенных проводников в соответствии с п.2 формулы изобретения. При этом установка частоты f1 осуществляется за счет изменения индуктивности элемента 10 и производится путем изменения числа пространственно разнесенных проводников и их взаимного расположения.
Для достижения предельно высоких значений частоты колебаний f1 и частоты выходных колебаний 2f1 в разработанном генераторе два сосредоточенных элемента 9 и сосредоточенный индуктивный элемент 10 целесообразно выполнить совместно методами обычной тонкопленочной технологии на диэлектрической пластине 18, имеющей двухстороннюю металлизацию в соответствии с п.3 формулы изобретения (см. фиг.4, 5, 6). При этом первая сторона пластины 18 имеет полоску 19 сплошной металлизации в средней части и металлизацию, разделенную щелями на секции 20 по краям (фиг.4, 5). Вторая сторона пластины 18 имеет площадки 21 металлизации по краям и участок без металлизации в средней части (фиг.6). Пластинка 18 устанавливается вместо элементов 9 и 10 на фиг.1 таким образом, что к проводящим поверхностям 3 и 4 присоединяются площадки 21 металлизации второй стороны пластины 18. Установка частоты колебаний f1 генератора производится соединением секций 20 с полоской 19 сплошной металлизации (см. фиг.5, 6). При этом сосредоточенная индуктивность увеличивается, растет и емкость между краями полоски 19 металлизации на первой стороне пластины 18 и площадками 21 металлизации на второй стороне пластины 18.
В результате частота колебаний f1 генератора уменьшается. С целью увеличения частоты колебаний f1 генератора следует уменьшить индуктивность полоски 19 сплошной металлизации на первой стороне пластины 18, для чего вводятся пространственно разнесенные проводники 22, например проволочные (см. фиг.7), присоединенные к краям полоски 19 металлизации в соответствии с п.4 формулы изобретения.
Результирующая индуктивность, а следовательно, и частота колебаний f1 определяется числом и взаимным расположением проволочных проводников 22.
Для обеспечения большей величины коэффициента положительной обратной связи в цепи сток - затвор транзистора 1 (что обеспечивает рост мощности колебаний частоты 2f1 на выходе генератора) к скачку проводимости поверхностей 3, 4 и резистивных поверхностей 11, образующих своими краями упомянутую щелевую линию, соединенную с затвором и стоком транзистора 1, добавляется скачок ширины (скачок волнового сопротивления) упомянутой щели. При этом скачок проводимости поверхностей 3, 4 и 11 и скачок ширины щели пространственно совмещены (см. фиг.9), причем большую ширину имеет щель между проводящими поверхностями 3 и 4, а меньшую ширину - между резистивными поверхностями 11.
Введение сосредоточенного емкостного элемента 23 и варикапа 24 в схему генератора на сосредоточенных элементах в соответствии с п.6 формулы изобретения (см. фиг.8) позволяет при изменении напряжения подключенного к ним через клеммы 25 третьего внешнего дополнительного источника осуществлять электронную перестройку частоты f1, а следовательно, и частоты выходных колебаний 2f1. При этом результирующая емкость варикапа 24 и сосредоточенного емкостного элемента 23 подключается параллельно распределенной емкости 13, включенной между затвором и истоком транзистора 1 (см. фиг.2).
При введении в конструкцию генератора сосредоточенного емкостного элемента 26 и варикапа 27 в соответствии с п.7 формулы изобретения (см. фиг.8) возможно расширить диапазон электронной перестройки частоты выходных колебаний 2f1 генератора путем изменения напряжения подключенного через клеммы 28 четвертого внешнего источника. Одновременно с этим обеспечивается необходимое для сохранения постоянной выходной мощности изменение коэффициента положительной обратной связи генератора частоты f1 на сосредоточенных элементах. В этом случае результирующая емкость сосредоточенного емкостного элемента 26 и варикапа 27 подключается параллельно распределенной емкости 13, включенной между стоком и истоком транзистора 1.
С целью стабилизации частоты выходных колебаний 2f1 разработанного генератора и снижения уровня его амплитудных и фазовых шумов в поперечной проводящей стенке 15, замыкающей отрезок 14 регулярного волновода, подключенного к волноводно-щелевому резонатору в цепи затвор - исток, выполняется щель 29, связывающая указанный волноводно-щелевой резонатор с дополнительным высокодобротным, например, объемным резонатором 30, настроенным на частоту 2f1 (см. фиг.9). При этом в рассмотренных выше процессах регенеративного усиления и синхронизации, колебания с частотой 2f1 цепи затвор - исток формируются высокодобротным объемным резонатором 30, что и обеспечивает достижение технического результата в восьмом частном случае изготовления генератора.
При необходимости создания транзисторного генератора СВЧ с предельно низким уровнем амплитудных и фазовых шумов при невысоких требованиях к максимальной частоте выходных колебаний 2f1 в разработанной конструкции транзисторного генератора целесообразно в качестве транзистора 1 использовать биполярный транзистор в соответствии с п.9 формулы изобретения, поскольку вносимые им шумы ниже, чем у полевых транзисторов.
Источники информации
1. H. Meinel "A30GHz FET oscillator using fin line circuitry", in 11th European Microwave Conf. Dig. (Amsterdam), Sept. 1981, pp. 297-300.
2. D.W. Maki, J.M. Schellenberg, H. Yamasaki and L.C.T. Liu "A69GHz monolithic FET oscillator" IEEE microwave and millimeter-wave monolithic symposium, 29 - 30 May, 1984, pp. 62-66.
3. Ashok К. Talwar "Ka-Band FET Oscillator". IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. MTT-33, No.8, August 1985, pp. 731-734.
4. A. Jacob and C. Ansorge "Stabilized fin-line FET oscillators" in 13th European Microwave Conf. Dig. (Nuernberg) Sept. 1983, pp.303-307.
5. H.Q. Tserhg, B. Kim "Q-band Ga As MES FET oscillator with 30% efficiency". Electronics Letters IEE 21 January, 1988, Vol.24, № 2, pp.83, 84.
6. H.Q. Tserhg, B. Kim "Q-band Ga As FET oscillator". Electronics Letters 29 March 1984, Vol.20, № 7, pp. 297-298.
7. Franz X. Sinnesbichler, Bemhard Hautz and Gerhard R. Olbrich. "A Si/SiGe Oscillator at 58GHz" IEEE Microwave and guarded wave letters. Vol.10, № 4, April 2000.
8. European Patent заявка 0250301, опубл. 23.12.87.
9. SU 1376214, М.кл. Н 03 В 5/18, опубл. 23.02.88. С.Ф. Каштанов, Л.Ф. Ольшанский, Г.Н. Шеламов. Генератор.
10. JP заявка №61-19126, приор. 20.08.79, опубл. 15.05.86. Транзисторный генератор.
Формула изобретения
1. Транзисторный генератор СВЧ, содержащий транзистор, например полевой, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке, помещенной в волновод посредине его широких стенок, при этом первая проводящая поверхность присоединена к одной широкой стенке волновода, а вторая и третья проводящие поверхности соединены посредством блокировочных микрополосковых LC элементов с другой широкой стенкой волновода, щели же между упомянутыми тремя проводящими поверхностями и часть объема окружающего их волновода образуют волноводно-щелевые линии, отрезки которых выполняют функцию волноводно-щелевых резонаторов в цепях затвор-исток и затвор-сток, а в цепи сток-исток подключаются как трансформатор, согласующий импеданс транзистора с импедансом нагрузки, причем первая, вторая и третья проводящие поверхности через LC фильтры соединены с клеммами, к которым подключаются соответствующие полюса первого и второго источников напряжения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй сосредоточенные емкостные элементы, сосредоточенный индуктивный элемент, две резистивные поверхности и короткозамкнутый отрезок регулярного волновода, при этом первый и второй сосредоточенные емкостные элементы расположены на противолежащих краях упомянутых второй и третьей проводящих поверхностей на расстоянии вдоль щели порядка /4 от точек присоединения затвора и стока транзистора ко второй и третьей проводящим поверхностям, где - длина волны колебаний на выходе генератора с частотой 2f 1, причем первый и второй сосредоточенные емкостные элементы соединены между собой сосредоточенным индуктивным элементом, образуя последовательную СLC цепь, а другая часть щели между второй и третьей проводящими поверхностями от места расположения упомянутой последовательной СLC цепи до широкой стенки волновода образована краями упомянутых введенных двух резистивных поверхностей, другие края которых соединены со второй и третьей проводящими поверхностями, которые, в свою очередь, соединены с корпусом волновода через распределенную емкость упомянутых блокировочных микрополосковых LC элементов на частоте f1, при этом блокировочные микрополосковые LC элементы выполнены таким образом, что замыкают накоротко эти поверхности на широкую стенку волновода на частоте 2f1, короткозамкнутый же отрезок регулярного волновода, запредельный для волн с частотой колебаний f1 , замкнут на одном конце поперечной проводящей стенкой, а разомкнутым концом подключен к волноводно-щелевому резонатору в цепи затвор-исток транзистора.
2. Транзисторный генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что сосредоточенный индуктивный элемент выполнен в виде нескольких пространственно разнесенных проводников, концы которых соединены с первым и вторым сосредоточенными емкостными элементами.
3. Транзисторный генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что первый и второй сосредоточенные емкостные элементы, а также первый сосредоточенный индуктивный элемент выполнены совместно методами тонкопленочной технологии на диэлектрической пластине с двухсторонней металлизацией, при этом первая сторона пластины имеет полоску сплошной металлизации в средней части и металлизацию, разделенную на секции, по краям, вторая сторона пластины имеет площадки металлизации по краям и участок поверхности без металлизации посредине, причем площадки металлизации второй стороны пластины присоединены к упомянутым противолежащим краям второй и третьей проводящих поверхностей.
4. Транзисторный генератор СВЧ по п.3, отличающийся тем, что в него дополнительно введены пространственно разнесенные проводники, например, проволочные, концы которых присоединены к краям полоски сплошной металлизации на первой стороне диэлектрической пластины.
5. Транзисторный генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что щель, образованная краями второй проводящей, третьей проводящей и краями двух резистивных поверхностей в месте их соединения, имеет скачок ширины, при этом большую ширину имеет та часть щели, которая образована краями проводящих поверхностей.
6. Транзисторный генератор СВЧ по п.1 или 3, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третий сосредоточенный емкостной элемент, первый варикап и третья клемма для подключения третьего источника напряжения, при этом третий сосредоточенный емкостной элемент соединен первым выводом со второй проводящей поверхностью, вторым выводом соединен с первым выводом первого варикапа и с первым полюсом третьего источника напряжения, второй вывод первого варикапа соединен с корпусом волновода и вторым полюсом третьего источника напряжения.
7. Транзисторный генератор СВЧ по п.1 или 6, отличающийся тем, что в него дополнительно введены четвертый сосредоточенный емкостной элемент, второй варикап и четвертая клемма для подключения четвертого источника напряжения, при этом четвертый сосредоточенный емкостной элемент соединен первым выводом с третьей проводящей поверхностью, вторым выводом соединен с первым выводом второго варикапа и с первым полюсом четвертого источника напряжения, второй вывод второго варикапа соединен с корпусом волновода и вторым полюсом четвертого источника напряжения.
8. Транзисторный генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что в поперечной проводящей стенке, замыкающей отрезок регулярного волновода, выполнена щель, связывающая волноводно-щелевой резонатор, подключенный к цепи затвор-исток транзистора, с дополнительным внешним высокодобротным, например, объемным резонатором, настроенным на частоту 2f 1.
РИСУНКИ
NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение
Извещение опубликовано: 27.07.2006 БИ: 21/2006
