DE3301492C2

DE3301492C2 - Mikrowellenoszillator

Info

Publication number: DE3301492C2
Application number: DE3301492A
Authority: DE
Inventors: Shigekazu Yokohama Kanagawa Hori; Tomohide Soejima; Hideki Kawasaki Kanagawa Torizuka
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-01-20
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1986-08-28
Also published as: FR2520170A1; DE3301492A1; US4630003A; NL189432B; NL8300203A; US4547750A; NL189432C; FR2520170B1; JPS58124304A

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenoszillator gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2. Aus der DE-OS 28 03 846 ist ein derartiger Mikrowellenoszillator bekannt. Bei dem bekannten Mikrowellenoszillator (siehe insbesondere Fig.3) ist an das Gate des Feldeffekttransistors eine Vorspannungsquelle angeschlossen. Es muß also bei der bekannten Schaltung zusätzlich zu der Vorspannungsquelle für den Drain auch noch eine separate Vorspannungsquelle für das Gate vorgesehen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schaltung dahingehend zu verbessern, daß auf die Vorspannungsquelle für das Gate verzichtet werden kann.
Gemäß der im Anspruch 1 angegebenen Lösung wird dies dadurch erreicht, daß an diejenige Stelle der Streifenleitung, an der die Mikrowellenspannung bei der Oszillator-Schwingungsfrequenz etwa Massepotential aufweist, ein Anschluß eines mit seinem anderen Anschluß auf Masse liegenden Widerstands angeschlossen ist.

Nach der alternativen Lösung gemäß Anspruch 2 ist zwischen dem einen Ende der Streifenleitung und der Source ein Widerstand geschaltet.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird einer· seits erreicht, daß auf eine Vorspannungsquelle für das Gate des Feldeffekttransistors verzichtet werden kann, andererseits sind die durch den erfindungsgemäßen Widerstand bewirkten Verluste dadurch niedrig gehalten, daß der Widerstand an ganz bestimmten Stellen angeschlossen ist.

Durch die Erfindung kann der C?e«-Wert des Resonators groß und die Schwingungsfrequenz des Oszillators stabil gemacht werden, indem in den Source-Kreis des FET eine Schaltung eingefügt wird, die bei der Schwingungsfrenuenz eine hohe Impedanz darstellt. Wird ferner ein elektronisch abstimmbarer Resonator verwendet, so kann die elektronische Abstimmempfindlichkeit des FET-Oszillators erhöht werden. Da weiterhin nur eine einzige positive Vorspannung für den Drain benötigt wird, ohne daß eine Vorspannung für das Gate gebraucht wird, vereinfacht sich die Schaltungsanordnung des FET-Oszillators.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Mikrowellenoszillators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung, die die Beziehung ki|/nin bezüglich der Widerstands- und Reaktanzwerte einer im Source-Kreis des FET gemäß F i g. 1 vorgesehenen Impedanzschaltung darstellt, und

F i g. 3 bis 5 unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung, wobei F i g. 3 ein Schaltungsdiagramm des in Form eines MIC (Mikrowellen-IC) ausgebildeten FET-Oszillators und die F i g. 4 und 5 verschiedene Schaltungsdiagramme des in Form eines MMlC (monolithisches Mikrowellen-IC) ausgebildeten Mikrowellen-Oszillators zeigen.

F i g. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Oszillators. Wie bei der Schaltung gemäß F i g. 1 besitzt eine FET-Schaltung 1 ein Paar Klemmen 4: und 4₂, die an eine Resonatorschaltung 2 angeschlossen sind, sowie ein weiteres Paar von Klemmen 5| und 5₂, die an eine Anpaßschaltung 3 angeschlossen sind. An einem Paar von Ausgangsklemmen 6i und 62 wird ein Schwingungs-Ausgangssignal erzeugt. Die FET-Schaltung 1 nach Fig. 1 besitzt einen FET 31 mit einer Source 32, einem Gate 33 und einem Drain 34, wobei der Drain 34 über eine HF-Drossel 36 an einen Betriebsspannungsanschluß 35, und die Source über eine Impedanzschaltung 37, die einen Impedanzwert Z_s aufweist, an Schaltungsmasse geschaltet ist.

Die Impedanzschaltung 37 weist einen Impedanzwert Z₅ bei der Schwingungsfrequenz und einen Widerstandswert R für Gleichstromsignale auf. Wenn der

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Drain-Strom /_A in dem FET 31 2OmA beträgt und die Spannung V_yj des Gates 33 bezüglich der Source 32 zum Beispiel —1,5 V beträgt, wird der Widerstandswert R so ausgewählt, daß er | V_gs/Ids\ = 75 Ohm beträgt Andererseits wird der I mpedanzwert Z₅ bei der Schwingungsfrequenz durch das Mikrowellenverhalten des FET 31 bestimmt Wenn ein handelsüblicher FET in Source-Schaltung verwendet wird, weisen die S-Parameter des FET bei einer Frequenz von 10 GHz üblicherweise die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Werte auf.

Tabelle

15

20

Die Kurven 38 und 39 in F i g. 2 erhält man dadurch, daß die S-Parameter Su, Si₂, Sn, S₂₂ des FET für den Fall berechnet werden, daß die Impedanz Z_s( = R_s+jX₅) zwischen die Source 32 und Schaltungsmasse gelegt wird, wobei die in der obigen Tabelle angegebenen S-Parameter herangezogen werden, und daß unter Verwendung der S-Parameter nach Maßgabe der nachstehenden Gleichung (1) der Wert von \r, |_m,„ aufgezeichnet wird.

30 ,, HS]₂S₂,

	\Sij]	<Sij
Su	0,802	176,4
S_n	0,166	- 54,1
S₂,	0,886	4,4
S22	0,698	-159,4

i—

S22

(D

Γο ist der Reflexionskoeffizient der FET-Schaltung, betrachtet vom Klemmenpaar 5i, 52. Damit der Mikrowellen-Oszillator schwingt, muß \F_D\ größer als 1 sein. Wenn daher die S-Parameter der FET-Schaltung gegeben sind, hat |r,| ein Minimum \r\\_mj„ unter der Bedingung |/d|>1.

In F i g. 2 stellt die durchgezogene Linie 38 die Änderung von |ri|„„-„ in Abhängigkeit von X₅ bei R_s—0 dar, während die Kurve 39 die Änderung von \r\\_m,-„ in Abhängigkeit von R_s mit X₅=O darstellt. Aus Fig.3 entnimmt man, daß \r\ |„,/„ abnimmt, wenn R_x und X_s größer werden, und einen Minimalwert annimmt, wenn Λ",= ± 00 oder R₅- 00. In anderen Worten:

Wenn die einen gewissen Wert übersteigende Impedanz Z₄ in den Source-Kreis 32 geschaltet wird, kann der Oszillator eine große Frequenzstabilität erhalten, während dann, wenn der Absolutwert \Z_S\ der Impedanz Z₅ unendlich (00) ist, der Oszillator die größte Frequenzstabilität besitzt. Im Ergebnis heißt das: Wenn die Impedanz Zv( = R,+jX_s) mit X₅= 00 und R₅=\V_gs/Ids\ in den Sourcekreis 32 für die Schwingungsfrequenz einen offenen Schaltkreis, wodurch die FET-Schaltung als ein EIement mit zwei Anschlüssen (dem Gate 33 und dem Drain 34) arbeitet.

F i g. 3 zeigt eine Ausführi'.ngsform der Erfindung, bei der auf einem dielektrischen Substrat Streifenleitungen gebildet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt ein FET 41 eine Source 42, ein Gate 43 und einen Drain 44, wobei das Gate 43 an einen Schwingkreis angeschlossen ist. Der Schwingkreis wiederum enthält eine Streifenleitung 46, an deren einem Ende als Ausgleichslast ein Widerstand 45 vorgesehen ist, während ein dielektrischer Resonator 47 elektromagnetisch mit der Streifenleitung 46 gekoppelt ist. An den Source-Anschluß 42 ist eine Streifenleitung 48 gekoppelt, deren anderes Ende einen offenen Schaltkreis bildet. Die Streifenleitung 48 ist über den erfindungsgemäßen Widerstand 49 an einem von dem offenen Ende der Streifenleitung 48 um AgIA entfernten Punkt (Ag bezeichnet die Wellenlänge) auf Schaltunpsmasse gelegt. Das Schwingungs-Ausgangssignal des Oszillators wird an einem Ausgangsanschluß 52 über eine Anpaßschaltung 51 und einen Gleichstromsignal-Blockierkondensator 50 erhalten. Von einem Anschluß 53 wird über eine hochohmige Leitung 55, deren eines Ende von einem Kondensator 54 bezüglich Mikrowellen kurzgeschlossen ist, eine Vorspannung für den FET 41 an den Drain 44 gelegt.

Bei einem solchen Aufbau des Oszillators stellt die Impedanz Z_s der an der Source 42 vorgesehenen Schaltung bei der Schwingur.gsfrequenz eine reine Reaktanz X₅ dar, und die Kurve 38 in F i g. 2 zeigt eine Änderung von IλImin auf, wenn sich der Abstand oder die Länge zwischen der Source 42 und dem Widerstand 49 auf der Leitung 48 von 0 bis zu AgIZ ändert. Aus der Kurve 38 entnimmt man, daß X₅= 00 und \r\\_m,„ ein Minimum hat, wenn der Abstand zwischen Source und Widerstand /ig/4 beträgt. Unter diesen Bedingungen hängt der Wert der Impedanz Z₅ bei der Schwingungsfrequenz nicht von dem Widerstandswert R des Widerstands 49 bezüglich der Gleichstromsignale ab, und daher wird das Schwingungs-Ausgangssignal durch Hinzufügen des Widerstands 49 nicht verringert. Ferner gestattet das Hinzufügen des Widerstands 49 dem FET 41, mit einer einzigen positiven Spannungsversorgung zu arbeiten, wodurch die im Stand der Technik vorgesehene Vorspannungsschaltung für das Gate des FET fortgelassen und dadurch der Schaltungsaufbau vereinfacht werden kann. Da sich weiterhin der Widerstand 49 in der an der Source 42 liegenden Schaltung befindet, bildet die Schaltung keinen Schwingkreis bezüglich der unter der Schwingungsfrequenz liegenden niedrigeren Frequenzen, so daß unnötige Schwingungsformen unterdrückt werden können.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 wurde für den Fall erläutert, daß die Impedanz Z₅ die reine Reaktanz Xs darstellt, aus F i g. 2 ist jedoch zu entnehmen, daß es nicht notwendig ist, daß der Realteil R_s in der Impedanz Z₅ stets Nuil ist, und wenn \Z_S\ ausreichend groß ist, erhält man denselben Effekt. Aus diesem Grund ist die Länge der Streifenleitung 48 nicht auf AgIl beschränkt, auch hinsichtlich des Anschlußpunkts des Widerstands 49 an der Streifenleitung 48 besteht keine Beschränkung auf eine vom offenen Ende der Leitung 48 um AgIA entfernte Stelle. Selbst wenn zum Beispiel die Länge der Übertragungsleitung 48 auf AgIA eingestellt wird und das Abschlußende der Leitung 48 über den Widerstand 49 auf Schaltungsmasse gelegt wird, kann die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst werden, daß der Wellenwiderstand Zo der Streifenleitung 48 größer gewählt wird als der Wert R des Widerstands 49.

Wenn die Länge der Streifenleitung 48 auf etwa AgIA eingestellt wird, das Abschlußende der Leitung 48 bezüglich Mikrowellen und Gleichstromsignalen kurzgeschlossen wird und der Widerstand 49 zwischen der Source 42 und der Leitung 48 liegt, wird die Impedanz Z_s groß. Auch in diesem Fall kann die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden. In anderen Worten: Wenn der FET solche S-Parameter hat, wie sie in der obigen Tabelle angegeben sind, so entnimmt man F i g. 2, daß die Wirkung der Erfindung eintritt, solange wie R₅ = | V_eJI,h\ und X₅ größer eingestellt wird als etwa 15 Ohm oder kleiner als 0 Ohm. Es versteht sich von selbst, daß, wenn

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andere Feldeffekttransistoren verwendet werden, X₅ abweichend von den obigen Angaben eingestellt werden muß.

Der FET-Oszillator gemäß F i g. 3 wurde in Form eines Mikrowellen-IC (als MIC bezeichnet) ausgebildet. Fig.4 und 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen FET-Oszillators, bei denen die FET-Schaltung 1 und die Anpaßschaltung 3 auf einem Halbleiter- (zum Beispiel einem GaAs) -substrat ausgebildet sind, das heißt ir. Form eines monolithischen Mikrowellen-IC(MMIC) ausgebildet sind.

Gemäß F i g. 4 ist ein FET mit Source-Elektroden 611 und 6I2, einem Gate 62 und einem Drain 63 auf einem (zum Beispiel aus GaAs bestehenden) Halbleitersubstrat 60 ausgebildet, das seinerseits auf seiner Rückseite mit einer leitenden Schicht versehen ist. An die Source-Eiektroden 611 und 6I2 sind Streifenleitungen 64i bzw. 642 angeschlossen. Die anderen Enden der Streifenleitungen 64i und 642 sind bezüglich Mikrowellen dadurch kurzgeschlossen, daß an diesen Enden dielektrische Schichten 65i und 652 sowie Erdungselektroden 661 bzw. 662 vorgesehen sind, um Kondensatoren zwischen den Enden und Schaltungsmasse zu bilden. Gleichzeitig sind die Leitungen 64) und 642 über die erfindungsgemäßen Widerstände 67i bzw. 672 auf Schaltungsmasse gelegt, wie durch schraffierte Bereiche angedeutet ist.

Ferner ist das Gate 62 an eine Leitung 68 angeschlossen, die ihrerseits an einen (nicht gezeigten) Schwingkreis angeschlossen ist. Der Drain 63 ist mit einer Leitung 69 verbunden, die sowohl als Anpaßschaltung als auch als Vorspannungsschaltung dient. Die Leitung 69 besitzt an ihrem anderen Ende eine Elektrode 71, und das andere Ende ist von einem Kondensator 70 für Mikrowellen kurzgeschlossen. An die Elektrode 71 ist eine positive Vorspannung angelegt. Ferner ist die Leitung 79 an ihrem Ausgangsende mit einer dielektrischen Schicht 72 und einer Ausgangselektrode 73 ausgestattet, die beide einen Bockierkondensator für Gleichstromsignale bilden.

Die äquivalente Schaltung und die Arbeitsweise des FET-Osziliators gernäß F i g. 4 entsprechen dem in F i g. 3 dargestellten MIC-Oszillator, jedoch besteht ein Unterschied darin, daß die Anschlußenden der Streifenleitungen 64i und 642 an den jeweiligen Source-Eiektroden 611 und 6I2 für Mikrowellen kurzgeschlossen sind und über die in F i g. 4 gezeigten Widerstände auf Schaltungsmasse gelegt sind, wie oben beschrieben wurde.

Auf diese Weise werden selbst dann, wenn die Widerstände 67, und 672 an den Spitzen der eine Länge von etwa /.gl4 aufweisenden Streifenleiter 64] und 642 vorgesehen sind, die erfindungsgemäßen Effekte erreicht, da die Anschlußenden der Streifenleitungen 64i und 642 für Mikrowellen kurzgeschlossen sind. Ferner ist die Länge der Streifenleitung 64i oder 642 nicht auf Ag/A beschränkt, und solange die Impedanz Z₅ der Streifenleitung 64_: und 64₂ — betrachtet von den Source-Elektroden 611 und 6I2 aus — einen Wert hat, der eine Verringerung von unter Verwendung der S-Parameter eines üblichen FET gemäß Fig. 2 erhaltenem \r\\_m;„ ermöglicht, kann der erfindungsgemäße FET-Oszillator realisiert werden. Wenn hierbei der Wellenwiderstand der Streifenleitungen 64i und 642 größer gewählt wird als der Wert der Widerstände 67, und 67₂, ist es möglich, die dielektrischen Schichten 65, und 652 sowie die Erdungselektroden 661 und 662, die an den Enden der Streifenlei- tungen 64i und 642 vorgesehen sind, fortzulassen, um dort, wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4, Kondensatoren zu bilden.

Als nächstes soll anhand von F i g. 5 eine bezüglich Fig.4 modifizierte Ausführungsform beschrieben werden. Entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der modifizierten Ausführungsform sind die Source-Elektroden 611 und6l2 an die betreffenden Widerstände 67] und 672 angeschlossen, die ihrerseits mit den Streifenlängen 64| und 642 in Verbindung stehen. Die anderen Enden der Streifenleitungen 64] und 642 sind über die Erdungselektroden 661 und 662 auf Schaltungsmasse gelegt. Mit dem Schaltungsaufbau gemäß F i g. 5 kann die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden.

Wie oben erläutert wurde, kann der Mikrowellen-Oszillator des MMIC-Typs gemäß den F i g. 4 und 5 einen beachtlich kompakten und einfachen Aufbau aufweisen und sich durch große Leistungsfähigkeit auszeichnen.

Die Widerstände 67| und 67₂ in den F i g. 4 und 5 können durch auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Dioden ersetzt werden. Ferner ist der an dem Gate 62 vorgesehene Resonator nicht auf einen dielektrischen Resonator begrenzt, er kann durch einen breitbandigen elektronischen Abstimmoszillator ersetzt werden.

Obschon Gate und Drain des FET mit der Resonatorschaltung bzw. der Anpaßschaltung der oben beschriebenen Mikrowellen-Oszillatoren verbunden sind, können Gate und Drain des FET mit der Reaktanzschaltung bzw. der Resonatorschaltung mit Anpaßschaltung verbunden sein, wodurch sich dieselben erfindungsgemäßen Wirkungen einstellen. Ein solcher Oszillator wird als Übertragungs-FET-Oszillator bezeichnet. Bei dieser Anordnung ist die Resonatorschaltung 2 gemäß F i g. 1 ein Reaktanztyp, während die Anpaßschaltung 3 in F i g. 1 durch eine Resonatorschaltung ersetzt wird. Wenn die Resonatorschaltung 2 eine Reaktanzschaltung ist, beträgt \r\\ etwa 1. Aus der Berechnung des Reflexionskoeffizienten /o(das heißt Gleichung (I)) für unterschiedliche Werte der Impedanz Z, mit \n\ von etwa 1 ergibt sich, daß \F_D\ um so größer ist, je größer |Zj| ist. Dies bedeutet, daß der Reflexionskoeffizient der für den Drain vorgesehenen Resonatorschaltung klein gemacht werden kann, wodurch der Übertragungs-FET-Oszillator mit großer Frequenzstabilität realisiert werden kann.

Wenn gemäß den F i g. 4 und 5 die an das Gate 62 gekoppelte Leitung 68 für Mikrowellen kurzgeschlossen und für Gleichstromsignale geerdet wird, bedeutet dies, daß das Gate 62 mit einer Niedrigreaktanzschaltung abgeschlossen ist und der FET somit als negatives Widerstandselement mit zwei Anschlüssen (Ausgangselektrode 73 und Masse) arbeiten kann. Wenn also eine (nicht gezeigte) Resonatorschaltung an der Ausgangselektrode 73 liegt, kann der stabile FET-Oszillator wie die oben beschriebenen FET-Oszillatoren realisiert werden.

Selbst wenn die Ausgangselektrode 73 für Mikrowellen kurzgeschlossen und für Gleichstromsignale geerdet ist, kann der FET, wie in dem oben geschilderten Fall, als negatives Widerstandselement mit zwei Anschlüssen (der an das Gate 62 angeschlossenen Leitung 68 und Masse) arbeiten. Wenn daher eine (nicht gezeigte) Resonatorschaltung an die Leitung 68 angeschlossen wird, kann in ähnlicher Weise ein stabiler FET-Oszillator realisiert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

33 Ol 492 Patentansprüche:

1. Mikrowellenoszillator, mit einer Resonatorschaltung, einer Anpaßschaltung und einem Feldeffekttransistor (FETT), dessen Drain über eine Vorspannschaltung vorgespannt ist wobei entweder die Resonatorschaltung an den Drain und die Anpaßschaltung an das Gate des FET oder die Resonatorschaltung an das Gate und die Anpaßschaltung an den Drain angeschlossen ist, mit einer eine vorbestimmte Länge aufweisenden Streifenleitung, die an die Source des FET angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an diejenige Stelle der Streifenleitung (48,64], 64₂), an der die Mikrowellenspannung bei der Oszillator-Schwingungsfrequenz etwa Massepotential aufweist, ein Anschluß eines mit seinem anderen Anschluß au^f Masse liegenden Widerstands (49,67|, 672) angeschlossen ist.

2. Mikrowellenoszillator, mit einer Resonatorschaltung, einer Anpaßschaltung und einem Feldeffekttransistor (FET), dessen Drain über eine Vorspannschaltung vorgespannt ist, wobei entweder die Resonatorschaltung an den Drain und die Anpaßschaltung an das Gate des FET oder die Resonatorschaltung an das Gate und die Anpaßschaltung an den Drain angeschlossen ist, mit einer eine vorbestimmte Länge aufweisenden Streifenleitung, die mit einem Ende an die Source des FET angeschlossen ist, und mit dem anderen Ende auf Masse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Ende der Streifenleitung (64i, 64₂) und der Source (61i, 6I₂) ein Widerstand(67|,67₂) geschaltet ist.

3. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung ein offenes Ende aufweist und eine Länge A/2 besitzt, wobei A die durch die Schwingungsfrequenz des Oszillators festgelegte Wellenlänge ist, und daß der Widerstand mit einem Abstand von A/A von demjenigen Ende, mit dem die Streifenleitung an die Source angeschlossen ist, an die Streifenleitung angeschlossen ist.

4. Mikrowellenoszillator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung eine Länge A/4 hat, wobei A die durch die Schwingungsfrequenz des Oszillators festgelegte Wellenlänge ist.

5. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (49, 67t, 67₂) zwischen dem Anschlußende der Streifenleitung (48, 64|, 64₂), das an die Source angeschlossen ist, und Masse liegt, und daß der Mikrowellenoszillator außerdem zwischen diesem Abschlußende der Streifenleitung und Masse einen Kondensator aufweist.

6. Mikrowellenoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung eine Mikrostreifenleitung ist.