Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и свч-сигналов
Владельцы патента RU 2565017:
ЧАЙНА ЭЛЕКТРОНИКС ТЕКНОЛОДЖИ ГРУП КОРПОРЕЙШН N 55 РЕСЭЧ ИНСТИТЬЮТ (CN)
Изобретение относится к созданию контура усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов. Технический результат заключается в обеспечении высокого коэффициента полного сопротивления микросхемы электропитания. Контур включает в себя: два подконтура (201, 202), расположенных зеркально по отношению друг к другу, и третий конденсатор (2101), соединенный с выходом параллельно. Контур питания постоянного тока и контур СВЧ-сигнала. Соответствующие катушки (211, 212) индуктивности контура СВЧ-сигнала последовательно соединены с соответствующим конденсатором (251, 252). Контур обладает низкой чувствительностью и симметричной структурой. Благодаря отсутствию чрезвычайно прерывающейся области электромагнитного поля могут быть повышены плотность компоновки и степень использования площади микросхемы. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Данное изобретение касается контура усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов, в частности высокомощной полупроводниковой интегральной схемы усилителя мощности СВЧ-диапазона и миллиметрового диапазона с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов, и относится к области коммуникационных технологий.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Силовой полупроводниковый интегральный усилитель мощности СВЧ-диапазона и миллиметрового диапазона представляет собой основное устройство в системе СВЧ-обнаружения и управления и используется для усиления сигнала низкой мощности до мощного сигнала, что увеличивает мощность излучения эмиттера в системе, таким образом, увеличивая расстояние обнаружения. При разработке системы СВЧ-обнаружения и управления требуется увеличивать расстояние обнаружения, а также уменьшать потребление энергии, таким образом, повышая эффективность усилителя.
[0003] В одном аспекте требуется, чтобы силовой полупроводниковый интегрированный усилитель мощности СВЧ-диапазона и миллиметрового диапазона имел высокую выходную мощность и высокую эффективность. В другом аспекте, во время серийного производства, для повышения воспроизводимости и производительности и уменьшения стоимости микросхема должна быть миниатюризирована.
[0004] Высокая выходная мощность требует подачи большого тока и, следовательно, для передачи большого тока контур питания обычно имеет ширину линии 100 мкм, более чем в два раза превышающую ширину линии сигнала, занимает 1/10 радиального расстояния площади нижнего уровня микросхемы и занимает большую площадь микросхемы. Кроме того, достижение высокой мощности и высокой эффективности требует надлежащего согласования на выходе. Для общих Т- и π-согласующих цепей и нескольких ответвлений их производных форм легко внести гибкую корректировку в конструкцию и схему цепи для сигналов в различных диапазонах частот, в частности, широкополосных сигналов. Из-за ограничения размера микросхемы микросхема силового полупроводникового усилителя мощности СВЧ-диапазона и миллиметрового диапазона обладает очень ограниченным промежутком для размещения в схеме контура нижнего уровня.
[0005] Блок нижнего уровня в существующем силовом полупроводниковом интегральном усилителе мощности СВЧ-диапазона и миллиметрового диапазона обладает транзисторным каналом с большой шириной сетки и низким выходным полным сопротивлением. Типичная конструкция изображена на ФИГ. 1. Транзисторный канал нижнего уровня 170 проходит через два зеркально расположенных выходных подконтура 101, 102 и достигает выходного порта 112 после последовательного соединения с катушкой индуктивности 134 и параллельного соединения с конденсатором 135. Выходной подконтур 101 включает в себя порт Vds 111, конденсатор 121, соединенный параллельно, конденсатор 131, соединенный последовательно, заземляющую микрополосковую линию 132, соединенную параллельно, микрополосковые линии 122, 133, микрополосковый объединяющий блок 151, конденсаторы 141, 142, соединенные параллельно, и микрополосковые объединяющие блоки 161, 162. Недостаток контура, выполненного таким способом, заключается в том, что, проходя через параллельно соединенные конденсаторы 141, 142, согласующий блок сначала требует объединения для соединения с конденсатором 131, что ограничивает свободу конструкции контура. Кроме того, последовательно соединенный конденсатор 131 и параллельно соединенная заземляющая микрополосковая линия 132 обладают очень высокой чувствительностью к исполнению. Кроме того, электромагнитное поле области 1 является прерывистым, и СВЧ согласующий контур также не абсолютно симметричен относительно транзисторного канала. Для согласующего контура, имеющего большую ширину сетки, высокую мощность и высокий коэффициент преобразования полного сопротивления, производительность согласующей цепи будет значительно ограничена.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача
[0006] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов для полного исследования производительности транзисторного канала с большой шириной сетки и значительного повышения плотности компоновки и степени использования площади микросхемы, тем самым решить проблему согласования широкополосного контура, имеющего высокий коэффициент полного сопротивления микросхемы электропитания с большой шириной сетки.
Техническое решение
[0007] Контур питания постоянного тока транзисторного канала и контур СВЧ-сигнала абсолютно симметричны относительно ячейки транзистора с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) для полного раскрытия производительности канала полевого транзистора (ПТ). При этом параллельно соединенный второй конденсатор может быть непосредственно последовательно соединен с конденсатором, таким образом, повышая степень свободы конструкции контура. По сравнению с предшествующим уровнем техники последовательно соединенный конденсатор (131) выполнен как последовательно соединенные первые конденсаторы (251, 252), а параллельно соединенная заземляющая микрополосковая линия (132) выполнена как параллельно соединенные заземляющие катушки (261, 262) индуктивности; поэтому чувствительность схемы элементов в данном изобретении понижена. При этом решение настоящего изобретения имеет симметричную структуру контура, и чрезвычайно прерывающейся области электромагнитного поля не существует.
[0008] Для достижения вышеуказанной задачи основное техническое решение схемы усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов настоящего изобретения сформировано из двух параллельных подконтуров (201, 202), расположенных зеркально по отношению друг к другу, и третьего конденсатора (2101), параллельно соединенного с выходом. Подконтур включает в себя контур питания постоянного тока и контур СВЧ-сигнала. Контур питания постоянного тока, главным образом, сформирован из порта (Vds) подачи питания к стоку полевого транзистора (ПТ) с гетеропереходом, первого конденсатора (281), первой микрополосковой катушки (241) индуктивности, двух вторых катушек (231, 232) индуктивности и двух третьих катушек (211, 212) индуктивности. Порт (Vds) подачи питания к стоку полевого транзистора (ПТ) с гетеропереходом последовательно соединен с первой микрополосковой катушкой (241) индуктивности после прохождения соединения с первым конденсатором (281), подключенным параллельно, далее последовательно соединен с одной из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности через две разветвленные вторые катушки (231, 232) индуктивности и соответственно соединен со стоком ПТ с гетеропереходом. Контур СВЧ-сигнала, главным образом, сформирован из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности, двух вторых конденсаторов (221, 222), двух первых конденсаторов (251, 252), двух заземляющих катушек (261, 262) индуктивности, двух четвертых катушек (271, 272) индуктивности и пятой катушки (291) индуктивности. Каждая из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности соответственно последовательно соединена с одним из двух первых конденсаторов (251, 252) после соответствующего прохождения соединения с одним из двух вторых конденсаторов (221, 222), соединенных параллельно, соответственно параллельно соединена с одной из двух заземляющих катушек (261, 262) индуктивности, соответственно последовательно соединена с одной из двух четвертых катушек (271, 272) индуктивности и соединена с другой катушкой из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности для соединения с выходом через последовательно подключенную пятую катушку (291) индуктивности.
[0009] Дополнительное совершенствование технического решения настоящего изобретения заключается в том, что сформирован трехмерный крест между любой последовательно подключенной катушкой индуктивности контура питания постоянного тока и любой последовательно подключенной катушкой индуктивности контура СВЧ-сигнала, и для трехмерного креста между СВЧ-сигналом и сигналом постоянного тока принята конструкция «воздушного моста».
[0010] Также дополнительное совершенствование технического решения настоящего изобретения заключается в том, что первая катушка индуктивности и две вторые катушек индуктивности в контуре питания постоянного тока, две четвертые катушек индуктивности и пятая катушка индуктивности в контуре СВЧ-сигнала выполнены в виде катушек индуктивности с сосредоточенными параметрами или в виде распределенных микрополосковых линий.
[0011] Еще одно дополнительное совершенствование технического решения настоящего изобретения заключается в том, что выходные мощности двух подконтуров, представляющих собой контуры, зеркально расположенные по отношению друг к другу, объединены для достижения выходного порта (Pout) посредством параллельно подсоединенного третьего конденсатора.
[0012] Еще одно дополнительное совершенствование технического решения настоящего изобретения заключается в том, что ПТ с гетеропереходом представляет собой ТВПЭ, канал ТВПЭ может быть расширен на 8 ячеек, и каждые две ячейки объединены для соединения с одной из последовательно подключенных третьих катушек (211, 212) индуктивности.
Технический результат
[0013] В воплощенном вышеописанном техническом решении настоящего изобретения контур питания постоянного тока транзисторного канала и контур СВЧ-сигнала абсолютно симметричны относительно ячейки ТВПЭ для полного раскрытия производительности канала ПТ. При этом параллельно соединенный второй конденсатор может быть непосредственно последовательно соединен с конденсатором, таким образом, повышая степень свободы конструкции контура. По сравнению с предшествующим уровнем техники последовательно подключенный конденсатор (131) выполнен как последовательно соединенные первые конденсаторы (251, 252), а параллельно соединенная заземляющая микрополосковая линия (132) выполнена как параллельно соединенные заземляющие катушки (261, 262) индуктивности; следовательно, чувствительность контура элементов в данном изобретении понижена. При этом решение настоящего изобретения имеет симметричную структуру схемы, чрезвычайно прерывающейся области электромагнитного поля не существует, и плотность компоновки и степень использования площади микросхемы могут быть значительно повышены.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Данное изобретение дополнительно описано ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи.
[0015] ФИГ. 1 отображает топологию контура нижнего уровня силового полупроводникового интегрального усилителя мощности СВЧ-диапазона и миллиметрового диапазона предшествующего уровня техники;
[0016] ФИГ. 2 - принципиальная схема контура усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов согласно данному изобретению; и
[0017] ФИГ. 3 отображает топологию контура нижнего уровня силового полупроводникового интегрального усилителя мощности СВЧ-диапазона и миллиметрового диапазона согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Цифры 301, 302 и т.д. на ФИГ. 3 соответствуют 201, 202 и т.д. на ФИГ. 2 соответственно, и т.п.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Вариант осуществления 1
[0019] Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов в этом варианте осуществления изготовлен при помощи полупроводниковой технологической линии монокристаллического интегрального СВЧ-контура (МИСК), принципиальная схема контура показана на ФИГ. 2, а топология контура показана на ФИГ. 3. При изготовлении контура последовательно подключенная катушка индуктивности выполнена с использованием микрополосковых линий, имеющих различные полные сопротивления, и конденсатор выполнен в виде смешанного конденсатора типа металл-диэлектрик-металл (МДМ). Контур сформирован из двух подконтуров 301, 302, сопоставимых по амплитуде и фазе СВЧ-сигналов мощности и представляющих собой зеркально расположенные по отношению друг к другу подконтуры. Каждый подконтур контура сформирован из контура питания постоянного тока и контура СВЧ-сигнала. Контур сигнала постоянного тока включает в себя порт (Vds) подачи питания к стоку транзистора ТВПЭ, первый конденсатор 381 МДМ, соединенный параллельно, первую микрополосковую линию 341, соединенную последовательно, вторые микрополосковые линии 331, 332, соединенные последовательно, и третьи микрополосковые линии 311, 312, соединенные последовательно. Контур СВЧ-сигнала включает в себя третьи микрополосковые линии 311, 312, соединенные последовательно, вторые конденсаторы МДМ 321, 322, соединенные параллельно, первые конденсаторы МДМ 351, 352, соединенные последовательно, заземляющие микрополосковые линии 361, 362, соединенные параллельно, четвертые микрополосковые линии 371, 372, соединенные последовательно, и пятую микрополосковую линию 391, соединенную последовательно. Подконтуры 301, 302 объединены для достижения выходного порта Pout через параллельно подсоединенный третий конденсатор 3101 МДМ. Трехмерный крест реализован второй микрополосковой линией 332, соединенной последовательно в цепи питания постоянного тока контура, и пятой микрополосковой линией 391, соединенной последовательно в контуре СВЧ-сигнала. Выполненный таким образом крест использует «воздушный мост» 3111 для соединения. Выходные мощности двух блоков, представляющих собой зеркально расположенные по отношению друг к другу подконтуры, объединены для достижения выходного порта (Pout) через параллельно соединенный третий конденсатор. Канал ТВПЭ выполнен в виде 8 ячеек, и каждые две ячейки объединены для соединения с одной из третьих катушек индуктивности 211, 212, соединенных последовательно.
[0020] В подконтурах 301, 302 сигнал питания постоянного тока передается в поперечном направлении на микросхеме, а СВЧ-сигнал мощности передается в осевом направлении; такой способ монтажа схемы может уменьшить влияние перекрестных помех на СВЧ-сигнал мощности из-за шума, имеющего различные частотные компоненты и производимого источником электропитания постоянного тока. Для микросхемы с таким контуром всесторонне учитываются рабочий диапазон частот, мощность, эффективность, сопоставимость, производительность и стоимость; в пластине микросхемы в качестве основания используется материал GaAs или GaN; однако данное изобретение не ограничивается только этим.
[0021] Специалисты в данной области техники могут легко спроектировать трехмерный крест между любой последовательно подключенной катушкой индуктивности контура питания постоянного тока и любой последовательно подключенной катушкой индуктивности контура СВЧ-сигнала согласно вышеописанному варианту осуществления. Распределенные микрополосковые линии или катушки индуктивности с сосредоточенными параметрами могут быть приняты для первой катушки индуктивности и двух вторых катушек индуктивности в контуре питания постоянного тока и двух четвертых катушек индуктивности и пятой катушки индуктивности в контуре СВЧ-сигнала. Кроме того, в дополнение к ТВПЭ ПТ с гетеропереходом может также представлять собой селективно-легируемый ПТ (СЛПТ), двумерный электронный газовый ПТ (2ДЭГПТ), выборочно селективно-легируемый транзистор с гетеропереходом (СЛТГ) и т.п.
[0022] Теорией и испытаниями подтверждено, что этот вариант осуществления имеет следующие полезные эффекты:
[0023] 1) Контур питания постоянного тока и контур СВЧ-сигнала абсолютно симметричны относительно транзисторного канала, и поэтому для каждой ячейки полное сопротивление нагрузке ячейки является полностью одинаковым, что упрощает достижение оптимальной производительности транзисторного канала.
[0024] 2) Параллельно соединенный второй конденсатор МДМ непосредственно соединен со вторым конденсатором, соединенным последовательно. Степень свободы конструкции микросхемы больше не ограничивается фиксированным положением точки пересечения между сигналом постоянного тока и СВЧ-сигналом мощности.
[0025] 3) Структура схемы относительно симметрична, и электромагнитное поле является относительно непрерывным и однородным.
[0026] 4) В контуре СВЧ-сигнала последовательно соединенный первый конденсатор МДМ и параллельно соединенная заземляющая микрополосковая линия значительно снижают чувствительность к исполнению контура. Поэтому оставлен достаточный дискретный допуск для обработки процесса, и массовое производство микросхем становится простым.
[0027] 5) Для проектирования цепей с большим количеством ячеек структура с восемью ячейками может быть удобным образом расширена, что упрощает проектирование микросхемы более высокой мощности.
[0028] 6) Степень использования площади микросхемы повышена, а стоимость микросхемы понижена.
[0029] В итоге этот вариант осуществления решает сложную задачу согласования выходного полного сопротивления силовой микросхемы с большой шириной сетки с широким диапазоном, имея высокий коэффициент полного сопротивления и порт 50 Ом, для полного исследования показателей высокой мощности и высокой эффективности транзисторного канала с большой шириной сетки.
1. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов, включающий в себя два параллельных подконтура (201, 202), расположенные зеркально по отношению друг к другу, и третий конденсатор (2101), соединенный параллельно с выходом, в котором каждый подконтур включает в себя контур питания постоянного тока и контур СВЧ-сигнала, контур питания постоянного тока, главным образом, сформирован из порта (Vds) подачи питания к стоку полевого транзистора (ПТ) с гетеропереходом (FET), первого конденсатора (281), первой микрополосковой катушки (241) индуктивности, двух вторых катушек (231, 232) индуктивности и двух третьих катушек (211, 212) индуктивности, порт (Vds) подачи питания к стоку полевого транзистора с гетеропереходом последовательно соединен с первой микрополосковой катушкой (241) индуктивности после прохождения соединения с первым конденсатором (281), подключенным параллельно, далее последовательно соединен с одной из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности через одну из двух разветвленных вторых катушек (231, 232) индуктивности и соответственно соединен со стоком ПТ с гетеропереходом, контур СВЧ-сигнала, главным образом, сформирован из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности, двух вторых конденсаторов (221, 222), двух первых конденсаторов (251, 252), двух заземляющих катушек (261, 262) индуктивности, двух четвертых катушек (271, 272) индуктивности и пятой катушки (291) индуктивности, и каждая из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности соответственно последовательно соединена с одним из двух первых конденсаторов (251, 252) после соответствующего прохождения соединения с одним из двух вторых конденсаторов (221, 222), подключенных параллельно, соответственно параллельно соединена с одной из двух заземляющих катушек (261, 262) индуктивности, соответственно последовательно соединена с одной из двух четвертых катушек (271, 272) индуктивности, и соединена с другой катушкой из двух третьих катушек (211, 212) индуктивности для соединения с выходом через последовательно подключенную пятую катушку (291) индуктивности.
2. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов по п. 1, в котором трехмерный крест сформирован между любой последовательно подключенной катушкой индуктивности контура питания постоянного тока и любой последовательно подключенной катушкой индуктивности контура СВЧ-сигнала.
3. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов по п. 2, в котором для трехмерного креста принята конструкция «воздушного моста».
4. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов по п. 3, в котором первая катушка индуктивности и две вторые катушки индуктивности в контуре питания постоянного тока, две четвертые катушки индуктивности и пятая катушка индуктивности в контуре СВЧ-сигнала выполнены в виде катушек индуктивности с сосредоточенными параметрами.
5. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов по п. 3, в котором первая катушка индуктивности и две вторые катушки индуктивности в контуре питания постоянного тока, две четвертые катушки индуктивности и пятая катушка индуктивности в контуре СВЧ-сигнала выполнены в виде распределенных микрополосковых линий.
6. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов по п. 4 или 5, в котором выходы двух подконтуров (201, 202), представляющих собой контуры, расположенные зеркально друг к другу, объединены для достижения выходного порта (Pout) посредством параллельно подсоединенного третьего конденсатора (2101).
7. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов по п. 6, в котором ПТ с гетеропереходом представляет собой транзистор с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ).
8. Контур усилителя с перекрестной разводкой сигналов постоянного тока и СВЧ-сигналов по п. 7, в котором канал транзистора ТВПЭ расширен на 8 ячеек, и каждые две ячейки объединены для соответственного соединения с одной из последовательно соединенных третьих катушек (211, 212) индуктивности.
