DE68922594T2

DE68922594T2 - Integrierte Mikrowellenschaltung.

Info

Publication number: DE68922594T2
Application number: DE68922594T
Authority: DE
Inventors: Nobuo C O Yokohama Works Shiga
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2009-12-16
Also published as: KR930011384B1; DE68922594D1; JPH02170602A; CA2005182A1; EP0374744B1; KR910013544A; US5010305A; EP0374744A2; EP0374744A3

Description

Technisches Gebiet

(Gebiet der Erfindung)

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rauscharme, der Verstärkung dienende, integrierte Mikrowellenschaltung (nachfolgend als MIC (microwave integrated circuit) bezeichnet) zum Verwenden in einem Satellitenrundfunkempfangs-Umsetzer oder einem Mikrowellen- Kommunikationssystem, und insbesondere eine Verbesserung einer Eingangs-Anpassungscharakteristik der Schaltung.

(Stand der Technik)

Eines der im Stand der Technik bekannten rauscharmen Verstärkungs-MICs verwendet ein monolithisches MIC (nachfolgend als MMIC (monolithic MIC) bezeichnet), das einen Feldeffekttransistor, wie z. B. einen GaAs-FET, verwendet. Eine gängige Schaltungsanordnung des MMIC ist in der Fig. 1 dargestellt, bei der eine Source eines FET 21 geerdet ist, eine Eingangsanpassungsschaltung 22 mit einer Eingangsklemme des MMIC verbunden ist und eine Ausgangs-Anpassungsschaltung 23 mit einer Ausgangsklemme des MMIC verbunden ist.
Bei einer Eingangs-Anpassungscharakteristik eines Eingangsstufen-Verstärkers in einem mehrstufigen Verstärkungs-MMIC ist entweder eine Rausch- Anpassungscharakteristik, die eine rauscharme Charakteristik erfordert, wichtig, oder eine Verstärkungs- Anpassungscharakteristik, die eine Charakteristik einer hohen Verstärkung verlangt, wichtig, was von der Verwendung der Schaltung abhängt. Die Konstanten der Elemente in der Eingangs-Anpassungsschaltung 22 werden entsprechend der Charakteristik festgelegt.
Bei dem MMIC gemäß dem Stand der Technik wurde die Anpassungscharakteristik des Eingangsstufen-Verstärkers entworfen, indem primär nur eine Rausch- Anpassungscharakteristik oder Verstärkungs- Anpassungscharakteristik in Abhängigkeit von der Anwendung in Erwägung gezogen wurde. Die Schaltung, die hauptsächlich für die Rausch-Anpassungscharakteristik entworfen ist, kann einen minimalen Rauschfaktor (nachstehend als NF (noise figure) bezeichnet) vorsehen, wobei aber ein Verstärkungsfaktor des Eingangsstufen-Verstärkers niedrig und ein Eingangs-Welligkeitsfaktor (nachfolgend als VSWR (voltage standing wave ratio) bezeichnet) hoch ist.
Bei der hauptsächlich für die Verstärkungs- Anpassungscharakteristik entworfenen Schaltung ist die Verstärkung der Anfangsstufe hoch und der Eingangs-VSWR niedrig, der NF aber hoch.
Ein Beispiel für einen Hochfrequenzverstärker kann in DE-A- 3 327 107 gefunden werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, bezweckt die oben erwähnten Probleme zu lösen.
Anhand der nachstehend angeführten detaillierten Beschreibung und den bei liegenden Zeichnungen, die nur zur Erläuterung dienen und somit nicht als die vorliegende Erfindung begrenzend angesehen werden können, wird die vorliegende Erfindung verständlicher werden.
Der weitere Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird mit Hilfe der nachstehenden, detaillierten Beschreibung klarer werden. Jedoch dürfte es selbstverständlich sein, daß die detaillierte Beschreibung und spezielle Beispiele, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergeben, nur zur Erläuterung dienen, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert sind, aus der detaillierten Beschreibung für einen Fachmann offensichtlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung des Standes der Technik,
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 3 ist ein Smith-Diagramm für eine Signalquellenimpedanz Zopt und einen Eingangs- Reflexionsfaktor S&sub1;&sub1;* des Ausftihrungsbeispiels.

Beschreibung der bevorzuaten Ausführungsbeispiele

Die vorliegende Erfindung wird nun detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
Die Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Anfangs- Verstärkungsschaltung des MMIC der vorliegenden Erfindung dar.
Wie in der Fig. 2 dargestellt, wird ein Mikrowellensignal über eine Eingangssignalklemme 1 der Eingangsstufen- Verstärkungsschaltung zugeführt, sperrt bzw. blockiert ein Kondensator 2 eine Gleichstromkomponente eines Eingangssignals, ist ein Mikrostreifen 3 in Reihe mit dem Kondensator 2 verbunden. Ein Ende eines anderen Mikrostreifens 4 ist mit einer Verbindungsstelle von Kondensator 2 und Mikrostreifen 3 verbunden. Die Mikrostreifen 3 und 4 bilden eine Eingangs- Anpassungsschaltung aus.
Das Gate eines Feldeffekttransistors 5 (nachstehend als FET bezeichnet), wie z. B. ein GaAs-MESFET oder -HEMT, ist mit dem Mikrostreifen 3 verbunden. Ein Ende einer Induktionsspule 6, die aus einem Mikrostreifen aufgebaut ist, ist mit einer Source des FET 5 verbunden. Eine Diode 7 mit variabler Kapazität weist eine Anode, die mit einem Ende der Induktionsspule 6 verbunden ist, und eine Kathode auf, die geerdet ist, und ein Ende eines Mikrostreifens 8 ist mit einer Verbindungsstelle von Induktionsspule 6 und Diode 7 mit variabler Kapazität verbunden. Ein Ende eines Widerstands 9 ist mit dem anderen Ende des Mikrostreifens 8 verbunden, und eine externe Klemme 10 ist mit dem anderen Ende des Widerstands 9 verbunden.
Die Mikrostreifen 11 und 12 sind in Reihe mit einem Drain des FET 5 verbunden, und ein Ende eines Mikrostreifens 13 ist mit einer Verbindungsstelle von Mikrostreifen 11 und 12 verbunden, während dessen anderes Ende geerdet ist. Diese Mikrostreifen 11, 12 und 13 bilden in der mehrstufigen Schaltung eine Zwischenstufen-Anpassungsschaltung aus. Ein Gleichstrom-Sperrkondensator 14 ist mit dem Mikrostreifen 12 verbunden und eine Ausgangsklemme 15 ist mit einer nachfolgenden Stufe der Schaltung verbunden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist eine zusammengesetzte Impedanz Z gegeben durch
Z = j ω L + 1/jωC
= j ω (L - 1/ω²C) ... (1),
wobei L eine Induktivität der Induktionsspule 6 und C eine Kapazität der Diode 7 mit variabler Kapazität ist.
Die Konstanten werden so gewählt, daß
L > 1/ω²C
erfüllt ist, wobei ω ein Betriebsfrequenzband ist, und die Kapazität C der Diode 7 mit variabler Kapazität entsprechend dem Signal, das der externen Klemme 10 zugeführt wird, so verändert wird, daß die zusammengesetzte lmpedanz Z wie eine zusammengesetzte Induktivität Ls verändert wird.
Durch das Ändern der zusammengesetzten Impedanz Z, d. h., durch das Ändern der zusammengesetzten lnduktivität Ls der Induktionsspule 6 und der Diode 7 mit variabler Kapazität, werden Zopt (eine Signalquellenimpedanz, die einen minimalen NF zur Folge hat) und S&sub1;&sub1;* (eine komplexkonjungierte Zahl des Eingangs-Reflexionsfaktors) so gesteuert, daß sich Zopt und S&sub1;&sub1;* im Smith-Diagramm in einer Weise ändern, wie dies in der Fig. 3 durch die Pfeile dargestellt ist. Der Grund dafür wird nachfolgend erläutert.
Die Eingangsimpedanz Zin des FET 5 (die dem S&sub1;&sub1; im Smith- Diagramm entspricht) ist gegeben durch:
Zin = RG+Rin+Rs+Gm Ls/Cgs+1/(j ω Cgs) ... (2)
mit RG: Gate-Widerstand des FET 5
Rin: Kanalwiderstand
Rs: Source-Widerstand
Cgs: Gate-Source-Kapazität
Gm: Übertragungskonduktanz
Zopt wird dargestellt durch:
Zopt = Ropt + j (Xopt - ω/Ls) ... (3)
wobei Ropt* der Realteil der Signalquellenimpedanz ist, die nur durch den FET 5 einen minimalen NF bewirkt.
Xopt: dessen Imaginärteil .
Wie aus der Formel (2) ersichtlich ist, ändert sich der Realteil der Eingangsimpedanz Zin entsprechend der zusammengesetzten Impedanz Ls. Sobald die zusammengesetzte Impedanz Ls durch das der externen Klemme 10 zugeführte Signal erhöht wird, ändert sich die komplex-konjungierte Zahl S&sub1;&sub1;* von S&sub1;&sub1;, wie dies durch den Pfeil im Smith- Diagramm der Fig. 3 dargestellt ist. Und zwar ändert sie sich entlang einer konstanten Reaktanzlinie in eine solche Richtung, daß der Widerstand erhöht wird.
Der Imaginärteil der Signalquellenimpedanz Zopt ändert sich entsprechend der zusammengesetzten Impedanz Ls. Sobald die zusammengesetzte Impedanz Ls vergrößert wird, ändert sich Zopt, wie dies durch den Pfeil im Smith-Diagramm dargestellt ist. Und zwar ändert sie sich entlang eines konstanten Widerstandskreises in eine solche Richtung, daß die Reaktanz verringert wird.
Folglich nähern sich S&sub1;&sub1;* und Zopt im Smith-Diagramm durch das richtige Auswählen der zusammengesetzten Impedanz Ls(Z) mittels des der externen Klemme 10 zugeführten Eingangssignals einander derart an, daß der Kompromiß zwischen der Rausch-Anpassungscharakteristik und der Verstärkungs-Anpassungscharakteristik optimiert wird.
Während in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Eingangsstufen-Verstärkungsschaltung des MMIC beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung ebenso mit einer mehrstufigen Verstärkung des Typs MMIC anwendbar, bei der eine Vielzahl der Eingangsstufen-Verstärkungsschaltungen in Reihe verbunden sind.
Während in der vorliegenden Erfindung das MMIC beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung ebenso bei einem Hybrid-MMIC und einer Schaltung mit diskreten Bauelementen mit einem ähnlichen Vorteil anwendbar.
Von der so beschriebenen Erfindung ausgehend, ist es offensichtlich, daß die Erfindung auf vielerlei Arten abgeändert werden kann. Solche Abänderungen sollen nicht als eine Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung betrachtet werden, und es ist beabsichtigt all diese Modifikationen, die für einen Fachmann offensichtlich sind, in den Schutzbereich der folgenden Ansprüche einzuschließen.

Claims

1. Eine integrierte Mikrowellenschaltung mit einer Vielzahl von darin integrierten Schaltungsbauteilen, aufweisend:

eine Eingangsstufen-Verstärkungseinrichtung mit einem Feldeffekttransistor (5);

eine Reihenschaltungseinrichtung (6, 7) mit einem induktiven Element (6), das mit einem Element (7) mit variabler Kapazität in Reihe verbunden ist, wobei das induktive Element (6) aus einer in der Schaltung vorgesehenen Mikrostreifenleitung besteht, wobei ein Ende der Reihenschaltungseinrichtung mit einer Source des Feldeffekttransistors (5) und das andere Ende mit Erde verbunden ist, und

eine Steuereinrichtung (8, 9), die eine Schaltung mit einem Mikrostreifen (8) und einem Widerstand (9) umfaßt, die zum Steuern der Kapazität des Elements (7) mit variabler Kapazität mittels eines externen Signals in Reihe verbunden sind, wobei ein Ende der Steuereinrichtung (8, 9) mit einer Verbindungsstelle zwischen dem Element (7) mit variabler Kapazität und dem induktiven Element (6) verbunden ist und das externe Signal an das andere Ende der Steuereinrichtung (8, 9) angelegt wird.

2. Eine integrierte Mikrowellenschaltung nach Anspruch 1,

wobei ein Gate des Feldeffekttransistors (5) mit einer Eingangsklemme (1) der integrierten Mikrowellenschaltung elektrisch verbunden ist.

3. Eine integrierte Mikrowellenschaltung nach Anspruch 1 oder 2,

wobei das Element mit variabler Kapazität eine Diode (7) mit variabler Kapazität aufweist.

4. Ein Verfahren zum Steuern einer integrierten Mikrowellenschaltung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch

das Ändern der Kapazität des Elements (7) mit variabler Kapazität in einem Bereich, der

L > 1/ω²C

entspricht, wobei L eine Induktivität des induktiven Elements und ω ein Betriebsfrequenzband ist.