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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf integrierte Schaltkreise für Millimeterwellen- und Mikrowellen-Anwendungen,
und insbesondere auf eine gebräuchliche
Schaltkreiskonfiguration, die benutzt werden kann, um eine Vielzahl
von Hochfrequenz-Signalfunktionen bereitzustellen, abhängig von
hieran gekoppelten externen Komponenten.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Hochfrequenz-Schaltkreisvorrichtungen und
insbesondere auf Millimeterwellen- und Mikrowellenvorrichtungen.
Herstellungstechnologie für
integrierte Schaltkreise nach dem Stand der Technik, welche die
Herstellung derartiger Schaltkreise bei niedrigen Kosten und mit
niedrigem Rauschen erlaubt, wird üblicherweise als MMIC-Technologie bezeichnet
und bezieht sich im Allgemeinen sowohl auf monolithische als auch
hybride Herstellungsprozesse.
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MMIC-Hochfrequenzvorrichtungen von
Nutzen in der Telekommunikations- und Radartechnik umfassen, neben
anderen, elementare Oszillatoren, spannungsgesteuerte Oszillatoren,
Mischer und Wandler, ebenso wie injektionsgekoppelte Signalqellen
mit größerer Energie
als das injizierte Signal. Jede der vorstehend erwähnte Hochfrequenzvorrichtungen
ist in der Technik wohlbekannt und in einer Unmenge von Schaltkreiskonfigurationen
verkörpert, die
eine breite Auswahl von Schaltkreiskomponenten benutzen, einschließlich Feldeffekttransistoren,
Varaktoren, Dioden und ähnlichem.
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Wie in der MMIC-Technik gebräuchlich,
wird eine neue Entwurfskonfiguration für jede neue Anwendung ausgewählt. Dies
steigert natürlich
die Kosten und Zeitverzögerungen
bei der Programmentwicklung. Daher besteht das Bedürfnis nach
einem gemeinsamen Schaltkreismodul, welches eine ausgewählte HF-Schaltkreisfunktion
ausführt,
abhängig von
externen Komponenten und/oder einer oder mehrerer mit diesen verbundenen
Signalquellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein integriertes Multifunktions-Schaltkreismodul für Kommunikationsanwendungen
bereitzustellen, welches leicht hergestellt werden kann in Übereinstimmung
mit hybriden oder integrierten MMIC-Schaltkreisherstellungstechniken.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist, ein integriertes Multifunktions-Schaltkreismodul
bereitzustellen, welches als Grund-Schaltkreiskonfiguration dient
und welches als ausgewählte Hochfrequenzvorrichtung
eingesetzt werden kann, die einer bestimmten Hochfrequenz-Schaltkreisfunktion
dient, abhängig
von hiermit verbundenen externen Komponenten.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung umfasst eine integrierte Multifunktions-Hochfrequenzschaltkreisstruktur
und -schaltkreiskonfiguration einen Oszillatorschaltkreis, der an
einen Trennverstärker
mittels eines Leiterbahnenkopplers gekoppelt ist. Der Oszillatorschaltkreis
umfasst einen Eingabe-Eingangsbereich,
der an drei Eingabe-Eingangsanschlüsse gekoppelt ist. Ein erster
der Eingabe-Eingangsanschlüsse
ist direkt an den Resonator gekoppelt, um entweder an eine ausgewählte Signalquelle
oder an eine Ladung gekoppelt zu werden, ein zweiter der Eingabe-Eingangsanschlüsse ist
elektrisch mit entweder einer festen oder variablen Potentialquelle
verbunden und der verbleibende Eingabe-Eingangsanschluss ist an
den Resonator-Eingabe-Eingangsbereich durch einen weiteren Leiterbahnenkoppler
gekoppelt und ist dazu bestimmt, elektrisch an eine weitere ausgewählte Signalquelle
gekoppelt zu werden. Abhängig
von der Wahl der Schaltkreiskomponenten und Signalquellen, die mit den
Eingabe-Eingangsanschlüssen verbunden
sind, kann der integrierte Multifunktions-Hochfrequenzschaltkreis unter anderem
als spannungsgesteuerter Oszillator, Niedrigphasen-Rauschoszillator,
direkter Frequenzsignalwandler oder injektionsgekoppelter Oszillator,
dienen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Multifunktions-Oszillatorschaltkreises in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine ebene Ansicht eines MMIC-Layouts eines Multifunktions-Oszillators in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein schematisches Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten
Schaltkreis eines Multifunktions-Oszillators in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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4 ist
ein Blockdiagramm eines spannungsgesteuerten Oszillators, der einen
Multifunktions-Oszillator der vorliegenden Erfindung benutzt;
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5 ist
ein Blockdiagramm eines Niedrigphasen-Rauschoszillators, der einen
Multifunktions-Oszillator der vorliegenden Erfindung benutzt;
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6 ist
ein Blockdiagramm eines harmonischen Frequenzmultiplizierers, der
einen Multifunktions-Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung
benutzt;
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7 ist
ein Blockdiagramm eines injektionsgekoppelten Oszillators, der einen
Multifunktions-Oszillator gemäß der vorliegenden
benutzt;
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8 ist
ein Blockdiagramm eines subharmonischen Frequenzwandlers, der den
Multifunktions-Oszillator der vorliegenden Erfindung benutzt;
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9 ist
ein Blockdiagramm eines subharmonischen Frequenzwandlers, der den
Multifunktions-Oszillator der vorliegenden Erfindung benutzt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 ist
ein teilweises schematisches Blockdiagramm des integrierten Multifunktions-Hochfrequenzschaltkreises 100 der
vorliegenden Erfindung dargestellt, umfassend: Ein Substrat 110 und eine
Masseebene, allgemein mit Bezugszeichen 111 bezeichnet.
Auf dem Substrat 110 gefertigt ist eine Oszillatorkomponente 120,
ein Trennverstärkerschaltkreis 130,
ein erster Übertragungsleitungs-Leiterbahnkoppler 140,
umfassend einen mechanisch einstellbaren offenen Stub-Resonator 147 und
einen zweiten Übertragungsleitungs-Leiterbahnkoppler 180,
die Oszillatorkomponente 120 funktioniert als negativer
Widerstand im Oszillatorschaltkreis. Der integrierte Schaltkreis 100 umfasst
ferner signalempfangende Eingangsanschlüsse 150 und 155,
einen Ausgangsanschluss 160 und erste und zweite Vorspannungsanschlüsse 170 und 190 zum
Empfangen von jeweils ersten und zweiten Vorspannungsspannungsquellen.
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Der integrierte Schaltkreis 100 ist
so konstruiert, dass der Vorspannungseingang 170 elektrisch an
ein Steuer-Eingangs-Eingabemittel 120 der Oszillatorkomponente 120 gekoppelt
ist und auch elektrisch an ein Steuer-Eingangs-Eingabemittel 131 des Trennverstärkers 130 über ein
Reihen-Entkopplungsnetzwerk 175. Ferner ist der Vorspannungsanschluss 190 elektrisch
an ein Vorspannungs-Eingangs-Eingabemittel 125 der
Oszillatorkomponente 120 gekoppelt und auch an ein Vorspannungs-Eingangs-Eingabemittel 135 des
Trennverstärkers 130 über ein
Reihen-Entkopplungsnetzwerk 195.
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Der Ausgabeanschluss 160 ist
elektrisch an Ausgabe-Eingangsmittel 137 des Trennverstärkers 130 gekoppelt.
Der signalempfangende Eingangsanschluss 150 ist direkt
an die Signal-Eingabe-Eingangsmittel der Oszillatorkomponente 120 gekoppelt und
der signalempfangende Anschluss 155 ist an weitere Signaleingabe-Eingangsmittel 124 der
Oszillatorkomponente 120 mittels eines Leiterbahnkopplers 140 gekoppelt.
Das Ausgabe-Ausgangsmittel 127 der Oszillatorkompo nente 120 ist
elektrisch an Signaleingabemittel 132 des Verstärkers 130 mittels eines
Leiterbahnkopplers 180 gekoppelt.
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Der Leiterbahnkoppler 140 umfasst
erste und zweite Übertragungsleitungssegmente 141 und 144.
Das Übertragungsleitungssegment 141 umfasst ein
erstes Eingangsende 142, das elektrisch an den Eingangsanschluss 155 gekoppelt
ist und ein gegenüberliegendes
Ende 143 hiervon, welches elektrisch an die Grundebene 111 gekoppelt
ist, über
einen Reihenwiderstandsschaltkreis 149. Das Übertragungsleitungssegment 144 umfasst
ein erstes Eingangsende 145, das elektrisch an Signaleingabe-Eingangsmittel 124 der
Oszillatorkomponente 120 gekoppelt ist und dessen gegenüberliegendes
Ende 146, elektrisch mit einem Eingangsende 148 des
mechanisch einstellbaren offenen Stub-Resonators 147 verbunden
ist, dessen gegenüberliegendes
anderes Ende 153 offen ist.
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Der Leiterbahnkoppler 180 umfasst
erste und zweite Übertragungsleitungssegmente 181 und 184,
das Übertragungsleitungssegment 184 umfasst ein
erstes Eingangsende 182, das elektrisch mit Signalausgabemitteln 127 der
Oszillatorkomponente 120 verbunden ist und ein gegenüberliegendes
Ende 183 hiervon ist offen. Das Übertragungsleitungssegment 181 umfasst
ein erstes Eingangsende 185, das elektrisch mit Signaleingabemitteln 132 des
Verstärkers 130 verbunden
ist, wobei dessen gegenüberliegendes
Ende 186 offen ist.
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Die einfache Struktur des integrierten
Multifunktions-Hochfrequenzschaltkreises 100 der vorliegenden
Erfindung kann wie gerade beschrieben benutzt werden, um einer Vielzahl
von Hochfrequenzfunktionen zu dienen, mittels selektiver Signalquellen und/oder
Komponentenverbindungen. Insbesondere dient der integrierte Schaltkreis 100 als
spannungsgesteuerter Hochfrequenzoszillator, indem einfach eine
eingehende ohmsche Last an den Eingabeanschluss 150 gekoppelt
wird, wie in 4 dargestellt, und
eine variable Vorspannungsspannungsquelle an den Vorspannungsanschluss 170 gekoppelt
wird, wie in 4 dargestellt.
Indem der Resonanzhohlraum mit hohem Q zwischen die ohmsche Last
und den signalempfan genden Eingabeanschluss 150 gekoppelt
wird, kann der integrierte Schaltkreis 100 als Niedrigphasen-Rauschsignalquelle,
wie in 6 dargestellt,
dienen.
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In weiteren Ausführungsformen, bei denen ausgewählte Frequenzsignalquellen
entweder an den signalempfangenden Eingangsanschluss 150 und/oder
den signalempfangenden Eingangsanschluss 155 angelegt werden,
kann der integrierte Schaltkreis 100 als harmonischer Frequenzmultiplizierer,
als injektionsgekoppelter Oszillator oder als direkter und subharmonischer
Hoch- oder Tiefsignalfrequenzwandler dienen, wie weiter unten ausführlicher
beschrieben werden wird und in 6, 7, 8 und 9 jeweils
dargestellt ist.
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2 ist
eine ebene Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform des integrierten
Multifunktions-Schaltkreises 100 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Der integrierte Schaltkreis 100 ist vorzugsweise
in Übereinstimmung
mit allgemeinen Gebräuche
konstruiert, die zur MMIC-Technologie gehören, welche insbesondere für Mikrowellen-
und Millimeterwellen-Signalanwendungen
geeignet sind. Die Komponenten in 2 entsprechen ähnlichen
in 1 dargestellten Komponenten,
wobei die gleichen numerischen Bezugszeichen beibehalten wurden.
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Wie in 2 dargestellt
ist jeder der signalempfangenden Eingangsanschlüsse 150 und 155 und
der Ausgabeanschluss 160 mittels einer koplanaren Struktur
von drei Dämpfungsgliedern
konstruiert. Das mittlere Dämpfungsglied
ist bestimmt für
das primäre
Eingabe- oder Ausgabesignal und die äußeren Dämpfungsglieder sind primär für Testzwecke bestimmt.
Insbesondere ist jedes äußere Dämpfungsglied
dazu bestimmt, einen gefertigten "Durchgang" zu einer integrierten Schaltkreisleiterplatte
zu beinhalten, identifiziert durch Bezugszeichen 111, benutzt
als Masseebene, wie es in der MMIC-Herstellungstechnologie gebräuchlich
ist.
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Die Oszillatorkomponente 120 ist
allgemein mittels eines Feldeffekttransistors 210 konstruiert, hergestellt
auf dem Substrat 110, und umfasst ein Gate, das an eine
Gate-Eingangsregion 212 gekoppelt ist, ein Drain, das an
eine Drain-Eingangsregion 214 gekoppelt
ist und eine Source, die an eine Source-Eingangsregion 216 gekoppelt
ist. Wie bei Fertigungstechniken für integrierte MMIC-Schaltkreise gebräuchlich,
ist ein Feldeffekttransistorchip geeignet in das Substrat 110 integriert,
mit Verbindungen zu entsprechenden der zuletzt erwähnten Eingangsregionen.
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In gleicher Weise wird der Trennverstärker 130 allgemein
konstruiert mittels eines Feldeffekttransistors 280, der
auf dem Substrat 110 gefertigt ist und ein Gate umfasst,
das mit einer Gate-Eingangsregion 282 gekoppelt ist, ein
Drain, das mit einer Drain-Eingangsregion 284 gekoppelt
ist, und ein Source, das mit einer Source-Eingangsregion 286 gekoppelt
ist, welche eine elektrische Durchverbindung (Durchgang) zu der
Grundebene 111 ist.
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Ein Verbindungsdämpfungsglied 270 dient als
Vorspannungs-Eingabeanschluss 170, welcher elektrisch mit
der Gate-Eingangsregion 212 mittels einer Übertragungsleitung 272 verbunden
ist, welche einen ausgewählten
charakteristischen Impedanzwert besitzt. Das Verbindungsdämpfungsglied 270 ist auch
elektrisch mit der Gate-Eingangsregion 282 verbunden mittels
eines Leiterpfades 274 und einer Übertragungsleitung 276,
welche jeweils einen bestimmten Widerstand und einen charakteristischen Impedanzwert
besitzen. Mit dem Verbindungspunkt des Leitungspfades 274 und
der Übertragungsleitung 276 ist
ein Metallisolator-Metall-(MIM)-Kondensator gekoppelt,
der auf dem Substrat 110 hergestellt ist, welcher mit der
Grundebene 111 über
einen Durchgang verbunden ist, und allgemein mit dem Bezugszeichen 275 bezeichnet
wird und in Verbindung mit der Übertragungsleitung 176 als
Hochfrequenzsignal-Entkopplungsnetzwerk 175 dient. Ähnlich kann das
Netzwerk 271 in Verbindung mit der Übertragungsleitung 171 auch
auf dem Substrat 110 direkt an das Dämpfungsglied 270 gekoppelt
hergestellt werden.
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Ähnlich
dient das Verbindungsdämpfungsglied 290 als
Vorspannungseingabeanschluss 190, wenn es elektrisch mit
der Drain-Eingangsregion 214 mittels eines Reihenleiters 292 und
einer Übertragungsleitung 294 und
mit der Drain-Eingangsregion 284 mittels
eines Leiters 295 und einer Übertragungsleitung 296 verbunden
ist. Eine Vielzahl von Kondensatoren und Durchgängen (die Querkondensatoren
nach Masse bilden) und ihre jeweiligen Übertragungsleitungen 222, 224, 226 und 271 werden auch
auf dem Substrat 110 gefertigt, die als Signalentkopplungsnetzwerke
zwischen der Oszillatorkomponente 120 und dem Trennverstärker-Schaltkreis 130 dienen.
Die Lage dieser Kondensator/Durchgangsstrukturen ist natürlich abhängig von dem
tatsächlichen
Layout des integrierten Schaltkreises, einschließlich bestimmter Längen für die Übertragungsleitungen.
Wie dargestellt ist die Querkapazität 222 elektrisch mit
dem Verbindungspunkt der Übertragungsleitungen 292 und 294 verbunden;
die Querkapazität 224 ist
elektrisch mit dem Verbindungspunkt der Übertragungsleitungen 292 und 295 verbunden;
die Querkapazität 226 ist
elektrisch mit dem Verbindungspunkt der Übertragungsleitungen 295 und 296 verbunden
und die Querkapazität 271 ist
elektrisch mit dem Verbindungspunkt der Übertragungsleitung 171 und
dem Dämpfungsglied 270 verbunden.
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Wie ferner in 2 dargestellt, ist die Quelleingangsregion 216 des
Transistors 210, welche Teil des Oszillatorschaltkreises
bildet, elektrisch mit einem einstellbaren geöffneten Stub-Resonator 250 verbunden.
Ferner ist die Quelleingangsregion 260 auch elektrisch
an einem Parallelwiderstand nach Masse (mittels eines Durchgangs)
verbunden, allgemein bezeichnet mit Bezugszeichen 252.
Die Elemente 250 und 252 stellen eine Feedback-Funktion bereit,
die einen negativen Widerstand für
den Oszillatorschaltkreis erzeugt. Wie ferner in 2 dargestellt, werden sogenannte Cheater-Stubs 232, 234, 147 und 250,
die jeweils Leitungssegmenten 184, 182, 145 und 211 zugeordnet
sind, bereitgestellt für die
optimale Einstellung des Oszillatorschaltkreises. Diese Stubs werden
bereitgestellt, um parasitäre
Effekte zu kompensieren, die aus dem gewählten Fertigungslayout resultieren,
wie auch aus Fertigungsschwankungen.
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Auch auf dem Substrat 110 gefertigt
ist ein Entstörkondensator 266,
der elektrisch zwischen der Drain-Eingangsregion 284 und
dem Ausgabeanschluss 160 verbunden ist, wie es für einen MMIC-Schaltkreis üblich ist.
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3 ist
ein schematisches Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten
Schaltkreis eines integrierten Multifunktionsschaltkreises 100 in Überstimmung
mit der vorliegenden Erfindung darstellt. Der integrierte Schaltkreis 100 ist
vorzugsweise in Übereinstimmung
mit bei MMIC-Technologie üblichen
Verfahren, die besonders geeignet für Mikrowellen- und Millimeterwellen-Signalanwendungen geeignet
sind, konstruiert. Die Komponenten in 3,
die ähnlichen
Komponenten, die in den 1 und 2 dargestellt wurden, entsprechen,
haben die gleichen numerischen Bezugszeichen behalten.
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Die 4 bis 8 sind schematische Blockdiagramme,
welche die Anwendung der integrierten Multifunktions-Hochfrequenzschaltkreisstruktur 100 der
vorliegenden Erfindung darstellen, um verschiedene Hochfrequenz-Schaltkreisfunktionen
zu erreichen. Zuvor kann eine beispielhafte Ausführungsform der integrierten
Schaltkreisstruktur 100 nominale Schaltkreiskomponentenwerte
wie folgt aufweisen: Die Übertragungsleitungen 272 und 276 haben
charakteristische Impedanzwerte in der Ordnung von 75 Ohm; der Widerstand
des Reihenwiderstandes 149 ist in der Ordnung von 50 Ohm,
wobei die Induktivität des
Durchgangs in der Ordnung von 0,02 Nanohenry ist; jeder der Parallelkondensatoren 175, 222, 224, 226 und 271 besitzt
Komponentenwerte von ungefähr
1 bis 2 Picofarad, wobei die Induktivität des Durchgangs ungefähr 0,02
Nanohenry ist und die Parallelwiderstand-/Kontaktlochkombination 252 hat Komponentenwerte
von jeweils ungefähr
10 Ohm und 0,02 Nanohenry.
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Wie sich klar versteht, ist jeder
der Feldeffekttransistoren 210 und 280 dazu bestimmt,
mit einer ausgewählten
Drain-Vorspannung in Übereinstimmung
mit der besonderen Charakteristik der ausgewählten Feldeffekttransistorkomponenten betrieben
zu werden. Dementsprechend ist eine Spannungsquelle (nicht gezeigt)
dazu bestimmt, zwischen dem Vorspannungsanschluss 190 und
Masse angelegt zu werden und ist üblicherweise in der Ordnung von
3 Volt Gleichstrom; die gleiche Anordnung wird für weitere Ausführungsformen,
die weiter unten diskutiert werden, benutzt.
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In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der mechanisch einstellbare offene Stub-Resonator 147 dazu
bestimmt, auf dem Substrat 100 mittels "Luftbrücken"-Technologie gefertigt zu werden. Dementsprechend
soll die Oszillationsfrequenz des selbständigen Oszillators in der Ordnung von
34 GHz sein. Diese Luftbrücken
können
mechanisch im Fertigungszeitpunkt geschnitten werden, um die Oszillationsfrequenz
in der üblichen
Weise, wie es in der MMIC-Fertigungstechnologie
gebräuchlich ist,
einzustellen. Vorzugsweise wird der mechanisch einstellbare offene
Stub-Resonator 147 gefertigt, um nominal eine Oszillation
nahe 34 GHz zu produzieren, so dass die gewünschte selbständige Oszillationsfrequenz
im Bereich von 34,0 GHz bis zu größer als 40 GHz eingestellt
werden kann, indem einfach Bereiche des Stub-Resonators 147 weggeschnitten werden.
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4 zeigt
einen spannungsgesteuerten Oszillator. Ein externer Lastwiderstand 410 von
geeignetem Wert ist elektrisch verbunden zwischen dem signalempfangenden
Eingangsanschluss 150 und der elektrischen Grundebene 111,
im Folgenden einfach als Masse bezeichnet. Ferner ist eine variable
Spannungsquelle 420 elektrisch verbunden zwischen dem Vorspannungsanschluss 170 und
Masse. In dieser Schaltkreiskonfiguration der integrierten Multifunktionsschaltkreisstruktur 100 funktioniert
der Schaltkreis als ein spannungsgesteuerter Oszillator, wobei die
variablen Spannungsquellen als eine variable Frequenzsteuerungsspannung
dienen, da diese elektrisch an das Gate 212 des Feldeffekttransistors 210 angelegt
ist. In einer beispielhaften Ausführungsform der spannungsgesteuerten
Oszillatorkonfiguration kann die variable Spannungsquelle 420 in
dem Bereich 0,0 bis –3,0
Volt sein. Ferner ist in den folgenden Ausführungsformen der mechanisch
einstellbare offene Stub-Resonator 147 dazu bestimmt, geändert zu
werden, um die gewünschte
selbständige Oszillationsfrequenz
zu erreichen, nämlich
im Bereich zwischen 34,0 GHz bis größer als 40 GHz.
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Dementsprechend resultiert eine Änderung in
der Gate-Spannung von 0,0 zu –3,0
Volt in einer Änderung
in der Ausgabesignalfrequenz von ungefähr 400 MHz.
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5 stellt
einen Niedrigphasen-Rauschoszillator dar. Vorzugsweise ist ein externer
50 Ohm Eingangswiderstand 510 elektrisch mit dem Eingangsanschluss 150 verbunden
durch eine Übertragungsleitung,
die an einen externen Resonanzhohlraum mit hohem Q gekoppelt ist.
In dieser Konfiguration ist der On-Chip-Resonator 144 von der Oszillatorkomponente 120 getrennt,
indem die Luftbrücke 50 an
der Basis des On-Chip-Resonators 144 zerschnitten wird.
Wie in 4 ist eine variable
Spannungsquelle 420 elektrisch verbunden zwischen dem Vorspannungsanschluss 170 und
Masse. In dieser Schaltkreiskonfiguration der integrierten Multifunktionsschaltkreisstruktur 100 funktioniert
der Schaltkreis als spannungsgesteuerter Oszillator mit sehr niedrigem
Phasenrauschen, in welchem die variable Spannungsquelle 420 als
begrenzte variable Frequenzsteuerungsspannung dienen kann, jedoch über einen
schmaleren Frequenzbereich als in dem Schaltkreis von 4 der Fall ist.
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6 illustriert
eine harmonische Frequenzmultiplikator-Signalquelle. Vorzugsweise
ist eine Frequenzsignalquelle 610 elektrisch verbunden
zwischen dem signalempfangenden Eingangsanschluss 150 und
Masse. Eine variable Potentialquelle 620 ist elektrisch
verbunden zwischen dem Vorspannungsanschluss 170 und Masse,
um die Mischverstärkung zwischen
dem Eingabesignal und dem Ausgabesignal bei der harmonischen Frequenz
zu maximieren. In dieser Schaltkreiskonfiguration der integrierten Multifunktionsschaltkreisstruktur 100 funktioniert
der Schaltkreis als ein harmonischer Frequenzmultiplizierer, wobei
der Einstellbereich der Ausgabefrequenz durch die Eingabesignalquelle
gesteuert wird. Die Frequenz des Ausgabesignals der Schaltkreiskonfiguration
in 6 kann mathe matisch
beschrieben werden durch fout = nf0, wobei f0 gleich
der Eingabefrequenz ist, und n = 1, 2, 3, ...
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7 stellt
einen injektionsgekoppelter Oszillator dar. Vorzugsweise ist eine
Niedrigenergie-Signalquelle 710 elektrisch verbunden zwischen
dem signalempfangenden Eingangsanschluss 155 und Masse.
Eine Spannungsquelle 620 ist elektrisch verbunden zwischen
dem Vorspannungsanschluss 170 und Masse, um die Steigerung
zwischen dem injizierten Signal und dem Ausgabesignal zu maximieren.
In dieser Schaltkreiskonfiguration der integrierten Multifunktionsschaltkreisstruktur 100 funktioniert
der Schaltkreis als injektionsgekoppelter Oszillator. Wenn ein Signal
in den signalempfangenden Anschluss 155 injiziert wird
und an das Gate des Feldeffekttransistors 210 angelegt
wird mittels eines Kopplers 140/144, wird der
Ausgabeanschluss 160 des Schaltkreises das gleiche Signal
aufweisen wie (oder ist gekoppelt an) das an Anschluss 155 injizierte
Signal, sowohl in der Phase als auch in der Frequenz, jedoch mit
höherer
Leistung, die durch die Steigerung des Trennverstärkers 130 bestimmt
wird. Ferner wird, wenn die injizierte Signalfrequenz geändert wird,
die Ausgabefrequenz entsprechend folgen.
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Die Schaltkreiskonfiguration aus 7 ist so, dass eine höhere Eingabeleistung
des injizierten Signals einen breiteren Bereich für die gekoppelte Betriebsfrequenz
in der Ordnung von 400 MHz für
die Eingabeleistung der Signalquelle 710 im Bereich von 10
Milliwatt erlaubt. Selbstverständlich
kann wie zuvor die Optimierung der Ausgabeleistung auch wieder erreicht
werden, indem der offene Stub-Resonator 147 mechanisch
eingestellt wird.
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8 zeigt
einen direkten und subharmonischen Wandlungs- und Signalmischschaltkreis.
Vorzugsweise ist eine dazwischen liegende Frequenzsignalquelle 810 mit
einer Frequenz "f1" elektrisch
verbunden zwischen dem signalempfangenden Eingangsanschluss 150 und
Masse und eine lokale Oszillatorsignalquelle 825 mit Frequenz "f0" ist elektrisch verbunden
zwischen dem signalempfangenden Ein gangsanschluss 155 und
Masse. Wie zuvor ist eine variable Spannungsquelle 620 elektrisch
verbunden zwischen dem Vorspannungsanschluss 170 und Masse,
um die Steigerung von der Signalquelle 810 zum Ausgabesignal
bei 150 zu maximieren. Für diese Konfiguration (und
der aus 9) ist die Spannungsquelle,
die zwischen dem Vorspannungsanschluss 190 und Masse angelegt
wird, gleich Null.
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In dieser Schaltkreiskonfiguration
der integrierten Multifunktionsschaltkreisstruktur 100 funktioniert
der Schaltkreis als direkter oder subharmonischer Wandler zum Signalmischen.
Wenn eine Hochfrequenzsignalquelle als lokale Oszillatorsignalquelle 825 dient
und in den Eingangsanschluss 155 injiziert wird, dient
der Ausgabeanschluss 160 in einer Eigenschaft als injektionsgekoppelter
Oszillator, ähnlich dem
aus 7. Jedoch wird mit
der zusätzlichen
dazwischen liegenden Frequenzsignalquelle 910 die Schaltkreisstruktur
des integrierten Schaltkreises 100 als Wandlersignalmischer
dienen, so dass das Ausgabesignal an Anschluss 160 die
folgenden Signalfrequenzkomponenten haben wird: m*f0 +
n*f1, wobei m = 1, 2, 3 ... und wobei
n = 1, 2, 3, ... ist.
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Wie zuvor ist die Schaltkreiskonfiguration aus 8 so, dass die Ausgabeleistung
optimiert werden kann, indem der offene Stub-Resonator 147 mechanisch
eingestellt wird.
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9 zeigt
einen direkten und subharmonischen Niedrigwandler und Signalmischschaltkreis. Vorzugsweise
ist eine Hoch-(Funk)-Frequenzsignalquelle 910 mit einer Frequenz "f1" elektrisch verbunden
zwischen dem signalempfangenden Eingangsanschluss 150 und
Masse und eine weitere lokale Hochfrequenz-Oszillatorsignalquelle 825 mit
Frequenz "f0" ist
elektrisch verbunden zwischen dem signalempfangenden Eingangsanschluss 155 und Masse.
Wie zuvor ist eine Spannungsquelle 620 elektrisch verbunden
zwischen dem Vorspannungsanschluss 170 und Masse, um den
Feldeffekttransistor nominal im leitenden Zustand zu betreiben,
wobei die lokale Oszillatorsignalquelle 825 bei ihrer minimalen
Größe ist.
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In dieser Schaltkreiskonfiguration
der integrierten Multifunktionsschaltkreisstruktur 100 funktioniert
der Schaltkreis als direkter oder subharmonischer Wandler zum Signalmischen.
Wenn eine Hochfrequenzsignalquelle als lokale Oszillatorsignalquelle 825 dient
und in den Eingangsanschluss 155 injiziert wird, wird der
Ausgabeanschluss 160 in einer Eigenschaft als ein injektionsgekoppelter
Oszillator dienen, ähnlich
zu dem aus 7. Jedoch
wird mit der zusätzlichen
Funkfrequenzsignalquelle 810 die Schaltkreisstruktur des
integrierten Schaltkreises 100 als ein Wandlersignalmischer
dienen, so dass das Ausgabesignal am Anschluss 160 die
folgenden Signalfrequenzkomponenten haben wird: m*f0 – n*f1, wobei m = 1, 2, 3 ... und wobei n
= 1, 2, 3, ... ist.
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Wie zuvor ist die Schaltkreiskonfiguration aus 9 so, dass die Ausgabeleistung
optimiert werden kann, indem der offene Stub-Resonator 147 mechanisch
eingestellt wird.
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Es sollte erkannt werden, dass die
Details der in den 4 bis 8 abgebildeten Schaltkreiskonfigurationen
bereitgestellt wurden, um eine Beschreibung von verschiedenen der
vielen Schaltkreisfunktionen zu bieten, welche erreicht werden können durch Verwendung
der neuen integrierten Multifunktionsschaltkreisstruktur der vorliegenden
Erfindung. Diese Details können
selbstverständlich
geändert
werden, solche Abweichungen sollen innerhalb des wahren Geistes
und des Umfangs der vorliegenden Erfindung sein.
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Die Beschreibung der vorliegenden
Erfindung hat eine neue integrierte Multifunktionsschaltkreisstruktur
dargelegt, welche mit niedrigen Kosten und zuverlässigen Produktionstechniken,
die gemeinhin als monolithische Mikrowellen integrierte MMIC-(Monolithic
Microwave Integrated Circuit)-Schaltkreistechnologie bezeichnet
wird, hergestellt werden kann. Obwohl die 4 bis 8 bestimmte Komponenten
erwähnt
haben, die extern an die einfache integrierte Schalt kreisstruktur 100 angelegt werden,
können
diese Komponenten direkt auf einem einzigen Substrat gefertigt werden,
welches die gleiche Schaltkreiskonfiguration wie in den Zeichnungen
und insbesondere in 1 dargestellt
verkörpert und
derartige Konfigurationen sollen ebenfalls innerhalb des wahren
Geistes und des Umfangs der vorliegenden Erfindung sein.
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Ferner wurde die Erfindung hierin
in erheblichem Detail beschrieben, um den Patentgesetzen zu genügen und
um den Fachmann mit der Information zu versorgen, die notwendig
ist, um die neuen Prinzipien der vorliegenden Erfindung anzuwenden
und derartige beispielhafte und spezialisierte Komponenten wie benötigt zu
konstruieren und zu benutzen. Jedoch ist selbstverständlich,
dass die Erfindung auch mit anderer Ausrüstung und Geräten ausgeführt werden
kann, und dass verschiedene Änderungen,
sowohl hinsichtlich der Ausrüstungsdetails
und der Betriebsverfahren, vorgenommen werden können, ohne sich vom wahren
Geist und dem Umfang der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
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Insbesondere ist, obwohl die vorliegende
Erfindung dargestellt wurde durch Verwendung eines Oszillatorschaltkreises,
der einen einzelnen Feldeffekttransistor mit anderen zugehörigen Komponenten
benutzt, auch ein anderes Design selbstverständlich möglich. Solche Designs können zusätzliche Transistoren
und zugehörige
Komponenten umfassen, um die Oszillatorschaltkreisfunktion der vorliegenden
Erfindung zu erreichen. Ähnlich,
obwohl die vorliegende Erfindung dargestellt wurde mittels der Verwendung
eines Trennverstärkerschaltkreises,
der einen einzelnen Feldeffekttransistor mit anderen zugehörigen Komponenten
benutzt, ist selbstverständlich
ein anderes Design möglich.
Solche Designs können
zusätzliche
Transistoren und zugehörige Komponenten
umfassen, um die Trennverstärkerfunktion
der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Dementsprechend sollen
derartige Abweichungen des Oszillatordesigns und des Trennverstärkerdesigns
innerhalb des wahren Umfangs der vorliegenden Erfindung sein, wie
in den anliegenden Ansprüchen
definiert.