RU2522302C1 - Frequency multiplier - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: frequency multiplier comprises two transmission lines with identical wave resistance, three Schottky clamped transistors, two inductance coils, two resistors and a power supply filter.

EFFECT: expansion of the working frequency band and increase of the efficiency factor at low noise maintenance.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к умножителям частоты на полупроводниковых приборах.The invention relates to electronic equipment, namely to frequency multipliers on semiconductor devices.

Умножители частоты гармонического сигнала СВЧ являются составной частью высокочастотного тракта полупроводниковых радиопередатчиков.Microwave harmonic frequency multipliers are an integral part of the high-frequency channel of semiconductor radio transmitters.

Полупроводниковые приборы, используемые для умножителей частоты, имеют существенно нелинейные вольтамперные и вольтфарадные характеристики. Поэтому при подаче на вход такого умножителя чистоты сигнала СВЧ с частотой f0 на выходе умножителя частоты образуется негармонический сигнал, спектр которого содержит много гармоник. С помощью фильтрующих элементов из этого спектра выделяется требуемая гармоника с частотой n·f0. Входной и выходной фильтрующие элементы настроены соответственно на частоты f0 и n·f0.The semiconductor devices used for frequency multipliers have substantially nonlinear current-voltage and voltage-voltage characteristics. Therefore, when a purity of a microwave signal with a frequency f0 is supplied to the input of such a multiplier, a non-harmonic signal is formed at the output of the frequency multiplier, the spectrum of which contains many harmonics. Using filtering elements, the required harmonic with a frequency n · f0 is extracted from this spectrum. The input and output filter elements are tuned to the frequencies f0 and n · f0, respectively.

Известен умножитель частоты на лавинно-пролетном диоде СВЧ с нелинейным активным сопротивлением. Достоинства такого умножителя частоты - простота конструкции, возможность работы без источника смещения и получения гармоник высоких порядков [1, стр.180].Known frequency multiplier on the avalanche-span microwave diode with non-linear active resistance. The advantages of such a frequency multiplier are simplicity of design, the ability to work without a bias source and obtain high-order harmonics [1, p. 180].

Недостатки - малая выходная мощность и малый коэффициент полезного действия (КПД).Disadvantages - low power output and low coefficient of performance (COP).

Кроме того, получению оптимальных параметров умножителя частоты препятствует пробой лавинно-пролетного диода СВЧ при больших значениях амплитуды колебаний.In addition, the breakdown of the avalanche-span microwave diode at large values of the amplitude of oscillations prevents the obtaining of the optimal parameters of the frequency multiplier.

Известен умножитель частоты на варакторном диоде, в котором умножение осуществляется за счет изменения формы напряжения СВЧ нелинейной емкостью запертого p-n перехода варакторного диода при подаче на него гармонического напряжения и выделения n-ной гармоники фильтрующим элементом [1, стр.189].A frequency multiplier on a varactor diode is known, in which multiplication is performed by changing the microwave voltage shape by the nonlinear capacity of the locked p-n junction of the varactor diode when applying harmonic voltage to it and extracting the nth harmonic by the filter element [1, p. 189].

Поскольку в варакторном диоде специальными средствами достигается оптимальная зависимость емкости от напряжения, КПД такого умножителя частоты несколько превосходит КПД умножителя частоты на лавинно-пролетном диоде СВЧ.Since the optimum dependence of the capacitance on voltage is achieved by special means in a varactor diode, the efficiency of such a frequency multiplier slightly exceeds the efficiency of the frequency multiplier on the microwave avalanche-span diode.

Недостатком умножителя частоты на варакторном диоде, как и умножителя частоты на лавинно-пролетном диоде СВЧ, являетсяThe disadvantage of the frequency multiplier on the varactor diode, as well as the frequency multiplier on the avalanche-span microwave diode, is

- параметрическая генерация паразитных колебаний на частотах, близких к n·f0,- parametric generation of spurious oscillations at frequencies close to n · f0,

- наличие потерь сигнала СВЧ в варакторном диоде,- the presence of microwave signal loss in a varactor diode,

- неполное согласование его с входной и выходной линиями передачи. - incomplete coordination with the input and output transmission lines.

Это не позволяет существенно увеличить КПД умножителя частоты.This does not significantly increase the efficiency of the frequency multiplier.

Известен умножитель частоты на биполярном транзисторе, который работает с отсечкой коллекторного тока [2, стр.219].Known frequency multiplier on a bipolar transistor, which works with the cutoff of the collector current [2, p. 219].

Преимущество его по сравнению с умножителями частоты на указанных диодах заключается в том, что вход и выход в нем развязаны, поэтому отсутствует необходимость в использовании вентилей и циркуляторов для развязки по постоянному току и СВЧ.Its advantage compared to frequency multipliers on these diodes is that the input and output are decoupled, so there is no need to use gates and circulators for decoupling by direct current and microwave.

Более того, такие умножители дают и усиление сигнала СВЧ в несколько децибел.Moreover, such multipliers also provide amplification of the microwave signal by several decibels.

Недостатки умножителя частоты на биполярном транзисторе:Disadvantages of a frequency multiplier on a bipolar transistor:

- небольшой электронный КПД,- small electronic efficiency,

- большая инерционность процессов, что не позволяет использовать их на частотах, превышающих 10 ГГц,- a large inertia of the processes, which does not allow their use at frequencies exceeding 10 GHz,

- опасность параметрической генерации на переменной емкости коллектор - база.- the danger of parametric generation on a variable capacitor collector - base.

Известен умножитель частоты, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ-сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки (ПТШ), затвор которого соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, исток - заземлен, индуктивность, один конец которой соединен с линией передачи на входе, фильтр питания на выходе [2, стр.22-23] - прототип.A frequency multiplier is known that contains two transmission lines with the same wave impedances, one for inputting a microwave signal, the other for output, a field effect transistor with a Schottky barrier (PTS), the gate of which is connected to a transmission line at the input, and the drain to a transmission line at the output, the source is grounded, the inductance, one end of which is connected to the transmission line at the input, the power filter at the output [2, p.22-23] is a prototype.

Преимуществом умножителя частоты на ПТШ является:The advantage of the frequency multiplier for PTS is:

во-первых, высокий частотный предел более 100 ГГц благодаря тому, чтоfirstly, the high frequency limit of more than 100 GHz due to the fact that

а) скорость движения электронов в материале арсенида галлия (GaAs), из которого выполнен ПТШ, примерно в два раза выше, чем в материале кремния (Si), из которого выполнен биполярный транзистор,a) the electron velocity in the gallium arsenide (GaAs) material from which the PTS is made is approximately two times higher than in the silicon (Si) material from which the bipolar transistor is made,

б) вместо емкостей эмиттерного и коллекторного переходов биполярного транзистора в ПТШ имеется сравнительно малая емкость обратно смещенного барьера Шотки затвора,b) instead of the capacitance of the emitter and collector junctions of the bipolar transistor in the PTS, there is a relatively small capacitance of the reverse biased Schottky gate,

во-вторых, повышенная устойчивость работы благодаря более высокой развязке в полевом транзисторе с барьером Шоттки входа и выхода,secondly, increased operational stability due to higher isolation in the field effect transistor with a Schottky barrier of input and output,

в-третьих, отсутствие модулируемой емкости на выходе, приводящей к параметрической генерации,thirdly, the absence of modulated capacitance at the output, leading to parametric generation,

в-четвертых, меньший разброс электрических параметров благодаря тому, что:fourthly, a smaller spread of electrical parameters due to the fact that:

а) ПТШ отличается более простой и совершенной технологией изготовления,a) PTSh is characterized by a simpler and more advanced manufacturing technology,

б) ток в ПТШ течет не через p-n переход, а между омическими контактами в однородной среде канала,b) the current in the PTS flows not through the pn junction, but between the ohmic contacts in a homogeneous channel medium,

в-пятых, имеет меньший уровень шума из-за отсутствия у ПТШ шумов токораспределения,fifthly, it has a lower noise level due to the absence of current distribution noise in the PTSh,

в-шестых, большая отдаваемая мощность СВЧ.sixthly, high microwave power output.

Недостатком умножителя частоты на ПТШ является узкая рабочая полоса частот и невысокий КПД, что обусловлено отсутствием возможности одновременной перестройки частоты на входе и на выходе умножителя и подстройки на этих частотах амплитуд сигнала СВЧ под их оптимальные значения.The disadvantage of the frequency multiplier for PTS is a narrow working frequency band and low efficiency, which is due to the lack of the possibility of simultaneously tuning the frequency at the input and output of the multiplier and adjusting the microwave signal amplitudes at these frequencies to their optimal values.

Техническим результатом заявленного умножителя частоты является расширение рабочей полосы частот и увеличение КПД при сохранении низких шумов.The technical result of the claimed frequency multiplier is to expand the working frequency band and increase efficiency while maintaining low noise.

Указанный технический результат достигается заявленным умножителем частоты, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода,The specified technical result is achieved by the claimed frequency multiplier containing two transmission lines with the same wave impedances, one is for the input of the microwave signal, the other is for the output,

полевой транзистор с барьером Шотки, затвор которого соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, исток - заземлен,field-effect transistor with a Schottky barrier, the gate of which is connected to the transmission line at the input, the drain is to the transmission line at the output, the source is grounded,

индуктивность, один конец которой соединен с линией передачи на входе,inductance, one end of which is connected to the transmission line at the input,

фильтр питания на выходе.output power filter.

В умножитель частоты дополнительно введены два полевых транзистора с барьером Шотки - второй и третий, индуктивность - вторая и два одинаковых резистора, величина сопротивления каждого из них на порядок больше волнового сопротивления линий передачи на входе либо на выходе умножителя частоты, при этом второй конец первой индуктивности соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, один конец второй индуктивности соединен с линией передачи на выходе, другой ее конец - со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки, истоки второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, на затвор второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки через соответствующий резистор подается управляющее напряжение от соответствующего источника постоянного напряжения.In addition to the frequency multiplier, two field-effect transistors with a Schottky barrier are introduced - the second and third, inductance - the second and two identical resistors, the resistance value of each of them is an order of magnitude greater than the wave resistance of the transmission lines at the input or output of the frequency multiplier, while the second end of the first inductance connected to the drain of the second field-effect transistor with a Schottky barrier, one end of the second inductance is connected to the transmission line at the output, its other end - to the drain of the third field-effect transistor with a barrier Ш heel, the origins of the second and third FET Schottky barrier grounded, the gate of the second and third FET Schottky barrier through a respective resistor control voltage from the respective DC voltage source.

Заявленные существенные признаки умножителя частоты и их совокупность обеспечат:The claimed essential features of the frequency multiplier and their combination will provide:

Наличие двух дополнительных полевых транзисторов с барьером Шотки, второй индуктивности и предложенное их соединение позволит:The presence of two additional field effect transistors with a Schottky barrier, a second inductance and their proposed connection will allow:

во-первых, реализовать две резонансные цепочки на входе и выходе умножителя частоты, каждая из последовательно соединенной индуктивности и полевого транзистора с барьером Шотки, настраиваемых на частоты f0 и n·f0 соответственно,firstly, to implement two resonant circuits at the input and output of a frequency multiplier, each of a series-connected inductance and a field-effect transistor with a Schottky barrier, tunable to frequencies f0 and n · f0, respectively,

во-вторых, благодаря изменению постоянного управляющего напряжения на затворе каждого полевого транзистора с барьером Шотки изменять его емкостное сопротивление и, вместе с ним, изменять резонансные частоты резонансных цепочек и достигать оптимальной величины амплитуды сигнала СВЧ на входе (и выходе) умножителя частоты.secondly, due to a change in the constant control voltage at the gate of each field-effect transistor with a Schottky barrier, change its capacitance and, together with it, change the resonant frequencies of the resonant chains and achieve the optimal amplitude of the microwave signal at the input (and output) of the frequency multiplier.

И как следствие того и другого - расширение рабочей полосы частот и увеличение КПД.And as a consequence of both, the expansion of the working frequency band and the increase in efficiency.

Использование полевых транзисторов с барьером Шотки, которые, являясь трехэлектродными полупроводниковыми приборами, содержат внутреннюю развязку по постоянному току и СВЧ, что позволит независимо изменять постоянные напряжения и реализовывать оптимальное согласование по СВЧ и тем самым увеличить КПД.The use of field-effect transistors with a Schottky barrier, which, being three-electrode semiconductor devices, contain an internal decoupling for direct current and microwave, which will allow you to independently change the constant voltage and realize optimal matching for microwave and thereby increase the efficiency.

Соединение затворов полевых транзисторов с барьером Шотки с источниками управляющего напряжения через резисторы в совокупности, когда величина сопротивления каждого резистора на порядок превышает волновое сопротивление линии передачи на входе либо на выходе умножителя частоты, обеспечивает уменьшение токов утечки через затворы и, как следствие, увеличение КПД.The connection of the gate of field-effect transistors with a Schottky barrier with control voltage sources through resistors in combination, when the resistance value of each resistor is an order of magnitude higher than the wave resistance of the transmission line at the input or output of the frequency multiplier, reduces leakage currents through the gates and, as a result, increases the efficiency.

Использование полевых транзисторов с барьером Шотки, которые в силу отсутствия свободных носителей тока с положительным зарядом (дырок) и пониженного уровня флюктуации электронов обладают низкими шумами, позволяет сохранить низкие шумы умножителя частоты в целом.The use of field effect transistors with a Schottky barrier, which due to the absence of free current carriers with a positive charge (holes) and a low level of electron fluctuations, have low noise, allows us to maintain low noise of the frequency multiplier as a whole.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 дана топология заявленного умножителя частоты, содержащегоFigure 1 gives the topology of the claimed frequency multiplier containing

- две линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,- two transmission lines, one for input of the microwave signal - 1, the other for output - 2,

- полевой транзистор с барьером Шотки - 3,- field effect transistor with a Schottky barrier - 3,

- индуктивность - 4,- inductance - 4,

- фильтр питания на выходе - 5,- output power filter - 5,

- два полевых транзистора с барьером Шотки - 6, 7 (второй и третий) соответственно,- two field effect transistors with a Schottky barrier - 6, 7 (second and third), respectively,

- вторая индуктивность - 8,- the second inductance is 8,

- два одинаковых резистора - 9, 10 соответственно,- two identical resistors - 9, 10, respectively,

- источники постоянного управляющего напряжения - 11 и 12 соответственно.- sources of constant control voltage - 11 and 12, respectively.

На фиг.2 дана электрическая схема заявленного умножителя частоты.Figure 2 is an electrical diagram of the claimed frequency multiplier.

На фиг.3 даны зависимости рабочей полосы частот и КПД от постоянных управляющих напряжений.Figure 3 shows the dependence of the working frequency band and efficiency on constant control voltages.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Умножитель частоты выполнен в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.The frequency multiplier is made in a monolithic integrated version on a semiconductor substrate of gallium arsenide with a thickness of 0.1 mm, using classical thin-film technology.

Две линии передачи, предназначенные для входа сигнала СВЧ 1 и для выхода 2, выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.Two transmission lines, intended for the input of the microwave signal 1 and for output 2, are made with the same wave impedances equal to 50 Ohms, which corresponds to a wire width of 0.08 mm.

Полевые транзисторы с барьером Шотки 3, 6, 7 выполнены каждый с длиной затвора, равной 0,3 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс., равное - 2,5 В.Field-effect transistors with a Schottky barrier 3, 6, 7 are each made with a gate length of 0.3 μm, a gate width of 300 μm, the same drain and source lengths of 20 μm, have a cut-off voltage Uot. Of 2.5 AT.

Индуктивности 4, 8 выполнены в виде меандров шириной 0,02 мм, первая длиной, равной 2 мм, вторая длиной - 1 мм.Inductances 4, 8 are made in the form of meanders with a width of 0.02 mm, the first with a length of 2 mm, the second with a length of 1 mm.

Два одинаковых резистора 9,10 выполнены из тантала длиной 0,5 мм и шириной 0,1 мм.Two identical resistors 9.10 are made of tantalum 0.5 mm long and 0.1 mm wide.

Рабочая полоса частот изменяется от 11 ГГц до 16 ГГц.The operating frequency band varies from 11 GHz to 16 GHz.

Заявленный умножитель частоты работает следующим образом.The claimed frequency multiplier operates as follows.

На сток первого полевого транзистора с барьером Шотки 3 через фильтр питания 5 подается постоянное напряжение величиной, равной+5 В, на затворы второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки 6 и 7 соответственно подаются напряжения -1 В и -1,5 В от соответствующих источников постоянного управляющего напряжения 11, 12. При этом все полевые транзисторы с барьером Шотки 3, 6, 7 переводятся в рабочий режим.At the drain of the first field-effect transistor with a Schottky barrier 3, a constant voltage of + 5 V is applied through the power filter 5, the gates of the second and third field-effect transistors with a Schottky barrier 6 and 7, respectively, are supplied with voltage -1 V and -1.5 V from the corresponding sources of constant control voltage 11, 12. In this case, all field effect transistors with a Schottky barrier 3, 6, 7 are transferred to the operating mode.

На вход умножителя частоты 1 подается сигнал СВЧ с частотой f0 равной 12 ГГц и амплитудой 1 В.A microwave signal with a frequency f0 of 12 GHz and an amplitude of 1 V is supplied to the input of frequency multiplier 1.

Напряжения на втором и третьем полевых транзисторов с барьером Шотки 6, 7 выбраны такими, чтобы емкостное сопротивление второго полевого транзистора с барьером Шотки 6 на резонансной частоте f0 было равно емкостному сопротивлению третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 на резонансной частоте 2·f0, то есть, чтобы эквивалентные емкости этих ПТШ 6, 7 были равными.The voltages at the second and third field-effect transistors with a Schottky barrier 6, 7 are chosen so that the capacitance of the second field-effect transistor with a Schottky barrier 6 at a resonant frequency f0 is equal to the capacitive resistance of a third field-effect transistor with a Schottky barrier 7 at a resonant frequency 2 · f0, i.e. so that the equivalent capacities of these PTSh 6, 7 are equal.

При этом амплитуда сигнала СВЧ на выходе умножителя частоты 2 была равной 0,9 В.In this case, the amplitude of the microwave signal at the output of the frequency multiplier 2 was equal to 0.9 V.

Таким образом, КПД составляет 80 процентов.Thus, the efficiency is 80 percent.

На образце заявленного умножителя частоты были измерены величины изменения КПД при изменении напряжений от -0,5 В до -2 В.On the sample of the claimed frequency multiplier, the values of the change in efficiency were measured with a change in voltage from -0.5 V to -2 V.

Результаты даны на фиг.3.The results are given in figure 3.

Как видно из фиг.3As can be seen from figure 3

- рабочая полоса частот изменяется от 11 ГГц до 16 ГГц,- the working frequency band varies from 11 GHz to 16 GHz,

- КПД изменяется в пределах от 70 до 90 процентов.- Efficiency varies from 70 to 90 percent.

Таким образом, заявленный умножитель частоты позволит по сравнению с прототипом:Thus, the claimed frequency multiplier will allow, in comparison with the prototype:

- расширить рабочую полосу частоты в 1,5 раза,- expand the working frequency band by 1.5 times,

- увеличить КПД в 1,2 раза.- increase efficiency by 1.2 times.

Указанные преимущества особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных приборов СВЧ, особенно в монолитно интегральном исполнении, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения.These advantages are especially relevant when creating miniature as separate microwave devices, especially in a monolithic integrated version, and microwave electronic devices for various purposes.

Источники информацииInformation sources

1. Широкополосные радиопередающие устройства. Под ред. О.В. Алексеева. М.: Связь, 1978.1. Broadband radio transmitting devices. Ed. O.V. Alekseeva. M .: Communication, 1978.

1. Малышев В.А. Бортовые активные устройства СВЧ. Л.: Судостроение. 1990.1. Malyshev V.A. On-board active microwave devices. L .: Shipbuilding. 1990.

2. Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1988. Вып.5.2. Electronic technology. Ser. 1, Microwave Electronics. 1988. Issue 5.

Claims (1)

Умножитель частоты, содержащий две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа СВЧ сигнала, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, затвор которого соединен с линией передачи на входе, сток - с линией передачи на выходе, исток заземлен, индуктивность, один конец которой соединен с линией передачи на входе, фильтр питания на выходе, отличающийся тем, что в умножитель частоты дополнительно введены два полевых транзистора с барьером Шотки - второй и третий, индуктивность - вторая и два одинаковых резистора, величина сопротивления каждого из них на порядок больше волнового сопротивления линий передачи на входе либо на выходе умножителя частоты, при этом второй конец первой индуктивности соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, один конец второй индуктивности соединен с линией передачи на выходе, другой ее конец - со стоком третьего полевого транзистора с барьером Шотки, истоки второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, на затвор второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки через соответствующий резистор подается управляющее напряжение от соответствующего источника постоянного напряжения. A frequency multiplier containing two transmission lines with the same wave impedances, one for the input of the microwave signal, the other for the output, a field effect transistor with a Schottky barrier, the gate of which is connected to the transmission line at the input, the drain is to the transmission line at the output, the source is grounded, inductance, one end of which is connected to a transmission line at the input, a power supply filter at the output, characterized in that two field-effect transistors with a Schottky barrier are added to the frequency multiplier - the second and third, inductance - the second and two identical resistors, the resistance value of each of them is an order of magnitude greater than the wave resistance of the transmission lines at the input or output of the frequency multiplier, while the second end of the first inductance is connected to the drain of the second field-effect transistor with a Schottky barrier, one end of the second inductance is connected to the transmission line at the output, its other end is with the drain of the third field-effect transistor with a Schottky barrier, the sources of the second and third field-effect transistors with a Schottky barrier are grounded, to the gate of the second and third field-effect transistors Schottky barrier through a respective resistor control voltage from the respective DC voltage source.

Images