М.Г. Дурканаев1, Д.И. Иващенко2, С.И. Толстолуцкий3, Ю.И. Тихов4

1–4 ФГУП «РНИИРС» (г. Ростов-на-Дону, Россия)

1 durkanaev@mail.ru, 2 i-demyan-i@mail.ru, 3 tolstolutsky_si@mail.ru, 4 tikhov@rniirs.ru

Постановка проблемы. СВЧ-генераторы, управляемые напряжением (ГУН), обладающие октавной полосой рабочих частот, востребованы в современных реконфигурируемых системах связи. Использование таких ГУН во многих передовых применениях требует также низкого фазового шума и низкого потребления тока. Для обеспечения октавной полосы рабочих частот в сочетании с низким фазовым шумом и низким потреблением тока предпочтительно применять технологию монолитных интегральных схем СВЧ (МИС СВЧ).

Цель. Разработка, изготовление и экспериментальное исследование арсенид-галлиевых октавных ГУН диапазонов частот
5–10 ГГц и 10–20 ГГц.

Результаты. В настоящей работе для создания ГУН используется собственная технология МИС СВЧ на основе арсенида галлия (GaAs). В то же время, для достижения широкого диапазона перестройки частоты с высокой добротностью, авторы применили также дискретный диод с изменяемой емкостью (варикап). Варикап расположен над чипом МИС СВЧ-генератора. Вертикальная конструкция варикапа гарантирует высокий коэффициент перекрытия емкости (K > 20) наряду с уменьшением влияния паразитного реактивного сопротивления. Высокий коэффициент перекрытия емкости необходим для октавной перестройки частоты, а уменьшение влияния паразитного реактивного сопротивления увеличивает добротность резонатора ГУН. Таким образом, последующая интеграция варикапа с монолитным чипом генератора разрешает сложные задачи разработки ГУН. Интегрированный ГУН в конечном итоге корпусируется как устройство для поверхностного монтажа (SMD). При этом керамический SMD-корпус закрывается металлической крышкой.

Схема генератора основана на традиционном подходе с отрицательным сопротивлением и положительной обратной связью, реализованной за счет емкости в цепи истока транзистора. Активным элементом генератора является псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов (pHEMT). Длина затвора транзистора составляет 0,15 мкм. Ширина затвора варьируется от 240 до 360 мкм в зависимости от рабочих частот ГУН. Варикап построен на заказной эпитаксиальной гетероструктуре GaAs с градиентным профилем легирования и резким переходом. Нелинейная поведенческая модель варикапа извлекается из измерений диода и в дальнейшем используется для моделирования ГУН.

Практическая значимость. Спроектированы, изготовлены и испытаны два типа ГУН. Первый (второй) тип ГУН обеспечивает диапазон перестройки от 5 до 10 ГГц (от 10 до 20 ГГц) соответственно. Результаты измерений демонстрируют выходную мощность 3,9 дБм; ток потребления 30 мА при напряжении питания 5 В; фазовый шум минус 90 дБн/Гц при отстройке 100 кГц
(минус 85 дБн/Гц при отстройке 100 кГц) для первого (второго) типа ГУН соответственно.

Дурканаев М.Г., Иващенко Д.И., Толстолуцкий С.И., Тихов Ю.И. Арсенид-галлиевые октавные СВЧ-генераторы, управляемые напряжением, с дискретными варикапами // Успехи современной радиоэлектроники. 2024. T. 78. № 7. С. 60–67. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202407-06

1. Белов Л. Компоненты синтезаторов стабильной частоты. Генераторы, управляемые напряжением // Электроника: наука, технология, бизнес. 2004. № 1. С. 42–46.
2. Романюк В. Проектирование СВЧ-генератора, управляемого напряжением // Современная электроника. 2010. № 2. С. 45–51.
3. RFIC and MMIC design and technology / Edited by I. D. Robertson, S. Lucyszyn. The Institution of Electrical Engineers. 2001. 562 p.
4. RF and microwave circuits, measurements, and modeling. / Edited by Golio M., Golio J. CRC Press. 2008. 876 p.
5. X. Wu, Y. Li, Z. Huang, X. Kuang and X. Yu. A Ka and V band Voltage-Controlled Oscillator for Terahertz Application in GaAs with Start-Up Relaxation // IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS). Harbin. China. 2022. Р. 1–3. doi: 10.1109/ IWS55252.2022.9977945.
6. Maas S.A. Nonlinear Microwave and RF Circuits. Artech House. Norwood. MA. 2003. 582 p.
7. Piernas B., Nishikawa K., Nakagawa T., Araki K. A Compact and Low-Phase-Noise Ka-Band pHEMT-Based VCO // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. Mar. 2003. V. 51. No. 3. P. 778–783.
8. Иващенко Д.И., Толстолуцкий С.И. Исследование влияния ширины затвора на частотные характеристики полевых гетероструктурных СВЧ-транзисторов на арсениде галлия // Общие вопросы радиоэлектроники. Ростов-на-Дону: ФГУП «РНИИРС». 2012. Вып. 1. С. 140–144.