Генератор КВЧ Советский патент 1992 года по МПК H03B7/14 

Изобретение относится к технике диапазона КВЧ и может быть использовано в качестве задающего генератора приемо-пе- редающих устройств.

Известен генератор КВЧ, содержащий полупроводниковый диод, включенный в отрезок микрополосковой линии передачи.

Однако такой генератор обладает низкой стабильностью частоты и малым диапазоном рабочих частот. Это связано с использованием прямого полуволнового микрополоскового резонатора, имеющего низкую добротность из-за больших потерь на излучение, и корпусированного полупроводникового диода, обладающего значительными реактивными параметрами корпуса.

Известен генератор КВЧ, содержащий полупроводниковый диод, включенный в микрополосковую линию передачи и связанный электромагнитно с диэлектрическим резонатором (ДР), установленным вблизи диода. Использование ДР позволило улучшить выходные характеристики генератора в сантиметровом диапазоне длин волн. Однако при переходе в диапазон КВЧ собственная добротность ДР значительно снижается из-за уменьшения его размеров и возрастания потерь в диэлектрике. Кроме того, максимальная рабочая частота ограничена влиянием реактивных параметров корпуса полупроводникового диода и индуктивностью ленточного или проволочного проводника питания.

VJ VI

СЛ Ю

Наиболее близок к предлагаемому генератор КВЧ, содержащий полупроводниковый диод и размещенный на диэлектрической подложке микрополосковый кольцевой рпзо- патор (КР), подключенный через фильтр и контактную площадку к первому выводу источника питания и связанный через трансформатор импеданса с выходным отрезком, причем полупроводниковый диод расположен в отверстии в диэлектрической подложке и соединен одним контактным выводом с металлическим основанием, к которому присоединен второй вывод источника питания, а другим контактным выводом с помощью проводника-с кольцевым резонатором.

Однако величина рабочей частоты в этом генераторе ограничена реактивными корпусными параметрами диода и индуктивностью проводника питания, Наиболее сильно указанные факторы проявляются в диапазоне КВЧ, когда величины этих элементов становятся соизмеримыми с параметрами основной резонансной цепи.

Цель изобретения - увеличение рабочей частоты и повышение надежности работы твердотельного генератора КВЧ.

Поставленная цель достигается тем, что в генератор, содержащий полупроводниковый диод и размещенный на диэлектрической подложке кольцевой резонатор, подключенный через фильтр и контактную площадку к первому выводу источника пихания и связанный через трансформатор импеданса с выходным отрезком, введен микрополосковый отрезок, короткозамкну- тый на обоих концах, длиной, равной длино волны в линии, а полупроводниковый диод выполнен в виде набора бескорпусных мезаструктур, часть которых установлена на поверхности микрополоскового отрезка в его середине, а другая часть - на поверхности кольцевого резонатора; при этом к мик- рополосковому отрезку присоединен второй пывод источника питания.

На чертеже изображена конструкция генератора.

Генератор диапазона КВЧ содержит бескорпусный полупроводниковый диод 1 с несколькими мезасгруктурами (показаны на чертеже штриховыми линиями), отрезок 2 микрополосковой линии, кольцевой резонатор 3, согласующий трансформатор 4 импеданса, фильтр 5 питания с контактной площадкой 6 и выходную линию 7.

Бескорпусный полупроводниковый диод 1 является твердотельным генераторным прибором, в качестве которого могут быть использованы диоды Га ни а (ДГ) или ЛПД. Активными элементами в них являются многомезные, в частности четырехмерные, полупроводниковые структуры, которые, в сравнении с одномезными, характеризуются улучшенным тепловым режимом и меньшими омическими потерями. Бескорпусный полупроводниковый диод 1 установлен между серединой отрезка 2 МПЛ и кольцевым резонатором 3 таким образом, что одна часть его мезаструктур расположена на по0 верхности КР, а другая - на поверхности отрезка 2 МПЛ.

Диэлектрическую подложку (на чертеже не показана), на которой формируется мик- рополоСковая топологическая схема, для

5 эффективного отвода тепла от бескорпусного диода 1 выполняют из материала с высокой теплопроводностью, например теплонита или нитрида алюминия. Коротко- замкнутый отрезок 2 микрополосковой ли0 ним передачи длиной Ад , где Ад - длина волны в линии, предназначен для размещения на его поверхности нескольких генераторных мезаструктур бескорпусного диода 1 (на чертеже показано размещение двух

5 мезаструктур) и обеспечения режима, близкого к короткому замыканию по КВЧ на металлическое основание нижних контактов мезаструктур. Этот отрезок, кроме того, обеспечивает подачу одного вывода источ0 ника питания к мезаструктурам, расположенным на его поверхности. Другой вывод источника питания по цепи: контактная площадка 6 - фильтр 5 - кольцевой резонатор 3 подастся к катодным контактным площад5 кам оставшихся мез (две мезы на чертеже), что обеспечивает смещение этих мез в прямом направлении и, соответственно, их малое сопротивление. Таким образом, второй вывод источника питания через малое оми0 ческое сопротивление прямосмещенных мез и высоколегированную подложку 1 подается к анодным выводам генераторных мез, что обеспечивает их работу в режиме отрицательной дифференциальной прово5 димости. Кольцевой резонатор 3, возбуждаемый на высших модах вида ТМ2Ю. ТМзго, является основным резонансным элементом генератора. Его размеры (средний радиус и ширину кольца) выбирают исходя из

0 обеспечения требуемой частоты генерации и заданного волнового сопротивления. Использование КР вместо традиционного полуволнового резонатора позволило более чем на порядок снизить потери на излуче5 ние, т.е. повысить добротность резонансной системы генератора и, соответственно, стабильность частоты колебаний.

Фильтр 5 совместно с контактной площадкой б необходим для подачи постоянного смещения через КР на диод 1 и развязки по цепи питания от возникновения паразитных типов колебаний. Он выполнен из чередующихся четоертьволновых отрезков микрополосковой линии с большим и малым волновым сопротивлением и соединен с одной стороны с контактной площадкой 6 для подачи напряжения смещения, а с другой стороны - с КР 3. Трансформатор 4 импеданса служит для оптимального согласова- ния импедансов схемы и выходной микрополосковой линии 7. выходная линия 7 предназначена для передачи полезной энергии на выход устройства. Описанные элементы генератора расположены на ме- таллизированной с обратной стороны диэлектрической подложке и изготавливаются в едином технологическом цикле с использованием процессов вакуумного напыления, фотолитографии и гальванического наращивания металлических проводников до необходимой толщины. Может быть использована двух- или трехслойная композиция наносимых металлов, например, хром-золото, хром-медь-золото.

Применение бескорпусного генераторного элемента и отсутствие в конструкции проводника питания и отверстия в подложке позволило избавиться от нежелательных реактивностей и омических потерь. Это спо- собствует увеличению рабочей частоты, упрощению конструкции и снижению трудоемкости процесса изготовления генератора. Отсутствие проволочного или ленточного проводника питания для подачи напряжения смещения на диод и снижение вследствие этого общего числа паяных или сварных соединений приводит к повышению надежности работы устройства.

Осуществлялась практическая pea- лизация предложенного генератора. Было изготовлено пять генераторных гибридно-монолитных схем. В качестве полупроводниковых диодов 1 с отрицательной проводимостью использовались серийные четырехмеэные бескорпусные диоды Ганна,

изготовленные на основе четырсхспоиной эпитаксиальной структуры зрсенида галпич Сформированные на них сппзпные золото- германиевые омические контакты обеспечивают монтаж диодов в схему, т.е. на поверхность отрезка 2 МПЛ и кольцевого резонатора 3 при помощи термокомпрессионной сварки (Т 360-410°С) Полупроводниковый кристалл имеет квадратную форму со стороной 150-200 мкм при высоте 70-80 мкм. Элементы топологической схемы формировались в едином технологическом цикле на диэлектрической подложке из нитрида алюминия с использованием процессов вакуумного напыления, фотолитографии и последующего гальванического наращивания двуслойной композиции (хром-золото) металлов. Слой хрома толщиной 0,1-0,2 мкм служит для повышения адгезии золота к диэлектрической подложке. Общая толщина металлизации составила 3 мкм. Усредненные электрические характеристики генераторов были следующими: выходная мощность 5 мВт; рабочая частота 51,2 ГГц.

Формула изобретения Генератор КВЧ, содержащий полупроводниковый диод и размещенный на диэлектрической подложке кольцевой резонатор, подключенный через фильтр и контактную площадку к первому выводу источника питания и связанный через трансформатор импеданса с выходным отрезком, отличающийся тем. что, с целью увеличения рабочей частоты и повышения надежности, введен микрополосковый отрезок, короткозамкнутый на обоих концах, длиной, равной длине волны и линии, полупроводниковый диод выполнен в виде набора бескорпусных мезаструктур, часть которых установлена на поверхности мик- рополоскового отрезка в его середине, а другая часть на поверхности кольцевого резонатора, при этом к микрополосковому отрезку присоединен второй вывод источника питания.

Использование: изобретение относится к технике диапазона КВЧ и может быть использовано в качестве задающего генератора п риемо-передающих устройств. Сущность изобретения: В генераторе, содержащем полупроводниковый диод и размещенный на диэлектрической подложке кольцевой резонатор, полупроводниковый диод выполнен в виде набора бескорпусных мезаструктур и установлен между серединой введенного отрезка микрополосковой линии длиной, равной длине волны в линии, и кольцевым резонатором таким образом, что одна часть его мезаструктур расположена на поверхности кольцевого резонатора, а другая - на поверхности отрезка микрополосковой линии. Использование бескорпусного активного элемента, отсутствие в конструкции проволочного или ленточного проводника питания и отверстия в подложке позволяет повысить рабочую частоту и увеличить надежность работы генератора, f ил.