Усилитель мощности СВЧ на основе полевых LDMOS транзисторов нового поколения

УДК 621.375.4

Усилитель мощности СВЧ на основе полевых LDMOS транзисторов нового поколения Кириллов И.Н.

Аннотация: В статье рассмотрены усилители сверхвысоких частот для различных применений. Исследованы структурные схемы построения усилителей на биполярных и полевых транзисторах. Дано описание схемы усилителя на мощных полевых транзисторах типов 2П998А и 2П980БС. Показано, что переход на полевые LDMOS транзисторы нового поколения обеспечивает повышение мощности на 30%, повышает фазовую стабильность и общую надёжность усилителя.

Ключевые слова: полевой транзистор, усилитель сверхвысокой частоты, дискретный фазовращатель, выходная мощность, симметрирующий трансформатор.

Введение

Передающие устройства твердотельных радиолокационных систем, использующие зеркальные антенны, где выходная мощность достигается путем суммирования мощностей нескольких транзисторных модулей, предъявляют строгие требования к характеристикам используемых в этих модулях транзисторов.

Новое поколение мощных полевых транзисторов, выполненных по LDMOS технологии, обладает улучшенными характеристиками по сравнению с предыдущим поколением полевых транзисторов и находит все более широкое применение в современных разработках. Это позволяет сделать вывод о том, что LDMOS сегодня - достаточно надежная и отработанная технология, по многим параметрам не уступающая, а порой и превосходящая биполярную, и что ее проникновение в сферу авиационных, военных и коммуникационных технологий -лишь вопрос времени.

В отличие от биполярных транзисторов, которые уже широко используются, по меньшей мере 40 лет, LDMOS - достаточно молодая

технология. Благодаря высокому коэффициенту усиления, и самое главное - гораздо более высокой линейности, в последнее время LDMOS стала ведущей технологией на рынке устройств с высокой линейностью, полностью заменив биполярную [1].

Полевые транзисторы марки 2П980БС и 2П998А обладают следующими качествами:

• повышенная фазовая стабильность;

• высокий коэффициент усиления;

• устойчивая работа и низкий уровень паразитной генерации при рассогласовании нагрузки.

Усилители на биполярных и полевых транзисторах

Усилительный на биполярной технологии представляет собой модуль, состоящий из пяти транзисторов марки 2Т988А.

Как видно из рис. 1, усилитель на биполярных транзисторах имеет два каскада усиления. Первый каскад выполнен на одном транзисторе 2Т988А на несимметричной полосковой линии, на входе и выходе транзистора установлены согласующие цепи. Второй каскад усилителя выполнен на четырех параллельно включенных транзисторах, на входе (выходе) транзисторов второго каскада установлены развязанные делители (сумматоры) СВЧ сигнала и реактивные цепи согласования. На входе усилителя расположен дискретный фа-

зовращатель, позволяющим изменять геометрическую длину линии передачи путем подключения отрезков различной длины. Элементы схемы выполнены на несимметричной мик-рополосковой линии.

Биполярный транзистор 2Т988А имеет коэффициент усиления не менее 6 дБ и КПД порядка 45%; Рвых не менее 15 Вт при ипит=28 В;

1, макс 2,5 А [2].

Недостатками данного усилителя являются:

- небольшая выходная мощность, мощность суммируется с четырех параллельно включенных транзисторов;

- фазовая нестабильность при работе, поскольку усилительный модуль на биполярных транзисторах работает в режиме В (рабочая точка выбирается так, чтобы ток через усилительный элемент протекал только в течении половины периода входного сигнала, усилительный элемент работает с так называемой отсечкой), то входное сопротивление транзистора зависит от уровня входного сигнала и, как следствие, меняется вносимый фазовый сдвиг выходного сигнала. При изменении входного сигнала на 3 дБ, фаза выходного сигнала усилительного модуля меняется в пределах ±8°, этот разброс по фазовому сдвигу добавляется к разбросу по точности регулировки (±30°). Общий максимальный разброс фаз в случае суммирования сигнала может достигать ±38°, что приводит к снижению выходной мощности.

Усилительный модуль на полевых транзисторах, так же как и на биполярных, состоит из двух усилительных каскадов: первый - предварительный, выполнен на основе транзистора 2П998А; второй - выходной, реализован на балансном транзисторе 2П980БС.

Функциональная схема усилителя на полевых транзисторах приведена на рис. 2.

Усилительный модуль состоит из двух мощных СВЧ полевых LDMOS транзисторов,

включенных последовательно. На входе модуля так же установлен фазовращатель, выполненный из отрезков переключаемых линий различной электрической длины.

Полевой транзистор 2П998А имеет выходную мощность 35 Вт, коэффициент усиления 15 дБ. При Рвх=5 Вт транзистор 2П998А усиливает сигнал в диапазоне частот 800-900 МГц до 20-30 Вт. Выходная мощность транзистора 2П980БС, при Рвх= 15 Вт, составляет не менее 150 Вт при ишт=32 В [2].

Согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений балансного полевого транзистора ведется с помощью симметричной распределенной линии связи с плавным изменением волнового сопротивления; используются переменные конденсаторы, выполненные в виде печатных плат из материала ФЛАН-16,0-1,0 мм со снятой с одной стороны фольгой.

Отличием усилителя мощности СВЧ на полевых транзисторах от наиболее близкого к нему прототипа на биполярных, является:

- замена в выходном каскаде четырех параллельно включенных транзисторов 2Т988А на балансный полевой транзистор 2П980БС, для обеспечения требуемой мощности;

- применение симметрирующего 50-омного коаксиального кабеля на входе и выходе транзистора 2П980БС и использование в качестве трансформатора для согласования выходного сопротивления 50-омного кабеля с низкоом-ным входным сопротивлением транзистора симметричной распределенной линии связи с плавным изменением волнового сопротивления, образованной микрополосковыми линиями, для уменьшения неравномерности коэффициента передачи;

- установка переменных конденсаторов в виде печатных плат из материала ФЛАН-16,0-1,0 мм со снятой с одной стороны фольгой. Платы (конструктивные переменные конденсаторы) кладутся на линии связи фольгой

Симметриру- s Симметриру-

2П998А -> ющий 2П980БС ющий

трансформатор —> —> трансформатор

Рис. 2. Функциональная схема усилителя на полевых транзисторах

Р

Р

вверх, перекрывая две противоположные входные (выходные) распределенные линии связи одновременно. Меняя место установки печатной платы (конструктивного переменного конденсатора) вдоль распределенной линии связи и ее ориентацию, можно подбирать величину и место включения емкостей. Это позволяет обеспечить согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений выходного балансного транзистора 2П980БС; скомпенсировать разброс параметров входных и выходных цепей балансного транзистора 2П980БС; произвести оптимальную настройку усилителя мощности СВЧ по амплитуде и фазе с минимальным разбросом в диапазоне рабочих частот от 800 до 900 МГц.

Практическая реализация усилителя

Усилитель мощности СВЧ на полевых транзисторах, также как и прототип на биполярных, представляет собой герметичный корпус-радиатор с крышкой и расположенной внутри микрополосковой платой из материала ФЛАН-2,8 -1,0 мм на которой собран двухкаскадный усилитель. Питание подводится к врубному НЧ соединителю. С него через герметичные переходы питающее напряжение подается на микрополосковую плату усилителя. Ввод и вывод СВЧ сигналов осуществляется с помощью герметизированных СВЧ переходов. Корпус снабжен направляющими, обеспечивающими точное совпадение с ответными ВЧ и НЧ соединителями (см. рис. 3).

Усилитель работает следующим образом.

Сигнал поступает на входной разъем 6, по коаксиальному кабелю 9 проходит через дискретный фазовращатель 10 и поступает на затвор входного транзистора 11 (2П998А).

Дискретный фазовращатель, позволяет изменять геометрическую длину линии передачи включением отрезков разной длины для коррекции разброса электрической длины усилителей относительно друг друга (разброса фазового сдвига).

Транзистор 10 работает в режиме АВ. Входная и выходная цепи согласования транзистора 10 образованы отрезками микрополосковых линий 12 и 13, регулируемыми (переменными) конденсаторами 14.

В аналогичном режиме работает выходной полевой транзистор 15 (2П980БС). Транзистор 15 имеет симметричные вход и выход. Переход от несимметричной полосковой линии с выхода транзистора 11 к симметричной линии на входе транзистора 15 осуществляется с помощью симметрирующего трансформатора 16. Аналогичный трансформатор 17 установлен на выходе усилителя для согласования симметричного выхода транзистора 15 с коаксиальным выходным разъемом 7.

Симметрирующие устройства 16 и 17 выполнены в виде отрезка коаксиального кабеля. С одной стороны кабель подключен к несимметричному выходу (входу): экран распаян на корпус, центральная жила - сигнальная; с другой стороны центральная жила и экран кабеля

_ 160

¡а

20 0

800 810 820 830 840 850 860 870 S80 S90 900

Частота, МГц — — Биполярный Полевой

Рис. 4. Сравнительные характеристики усилителей по выходной мощности при Рвх=5 Вт в диапазоне

частот 800-900 МГц

подсоединены к различным входам (выходам) симметричной линии.

Для согласования симметрирующих устройств в рабочей полосе частот от параллельно симметричному входу (выходу) подключены индуктивности, образуемые отрезками короткозамкнутых линий 18.

Согласование низкоомных входного и выходного сопротивлений транзистора 15 ведется с помощью распределенных трансформаторов, образованных линиями 19 на входе и 20 на выходе. Компенсация разброса параметров входных и выходных цепей и регулировка амплитуды и наклона фазы коэффициента передачи усилителя ведется конденсаторами 21 на входе и конденсаторами 22 на выходе. Окончательная настройка по фазе коэффициента передачи осуществляется изменением геометрической длины линии передачи входного фазовращателя.

На рис. 4 проведено сравнение характеристик усилителей, построенных на основе биполярной и полевой технологии.

Поступила 15 августа 2013 г.

Заключение

В результате проведенной работы переход от использования биполярных СВЧ транзисторов типа 2Т988А к современным, полевым, позволил:

1. значительно сократить технологический отход транзисторов при производстве;

2. повысить надежность усилительных модулей;

3. на 30% повысить выходную мощность;

4. повысить фазовую стабильность.

Наряду с этим применение новых транзисторов дало возможность улучшить характеристики усилителя на соответствие требованиям электромагнитной совместимости и уменьшить неравномерность коэффициента передачи в рабочем диапазоне частот в пределах от 0,2 до 1,0 дБ.

Литература

1. Burger W., Brech H., Burdeaux D, Dragon C., Formicone G., Honan M., Pryor B., Ren X. "RFLD-MOS: A Device Technology for High Power RF Infrastructure Applications", 2004 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, October 2004, pp. 189-192.

2. Номенклатура мощных ВЧ и СВЧ DMOS транзисторов / ОАО «НИИЭТ». Изделия электронной техники. Режим доступа: http://www.niiet.ru/transistors

об авторе

Кириллов Иван Николаевич - аспирант Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых".

E-mail: oid@mivgu.ru.

Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, 23

English

The Microwave Frequency Power Amplifier on the Basis of New Generation Field-Effect LDMOS Transistors

Kirillov Ivan Nikolaevich - post-graduate student of the Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».

Address: 602264 Murom, st. Orlovskaya, h. 23.

Abstract: A new generation of the power field-effect transistors produced by LDMOS technology possesses enhanced performance in comparison with the previous generation of field-effect transistors and is increasingly used in modern applications. Microwave amplifiers for different applications are considered in the paper. The construction patterns of amplifiers based on bipolar and field-effect transistors are studied. The generic description of an amplifier circuit on 2П998А and 2n980EC power field-effect transistors is given. The constructive implementation of an amplifier in the form of the hermetic enclosure performing functions of the heat sink with a cap and a microstrip board placed inside is presented. Power is supplied to the amplifier through pressurized passages. Microwave signals input and output are performed by means of sealed passages. The frame is supplied with the guides ensuring precise coincidence with mating connector. The signal reaches the input stage through the digital phase shifter ensuring change of geometrical length of a transmission line in case of phase shift spread correction. Input and output matching circuits of the first stage transistor are formed by the microstrip lines segments and variable capacitors. Balancing transformer is installed in the input of the second amplifier stage. The similar transformer provides matching of the amplifier output with a coaxial output connector. The final adjustment by the phase of the amplifier transfer ratio is performed by change of geometrical length of the input phase transformer transmission line. Performance comparison of the two alternatives of amplifiers are given. It is shown that application of field-effect LDMOS transistors of a new generation ensures power increase by 30 %, enhances phase stability and general reliability of the amplifier. Besides, technological waste of transistors is considerably reduced in production.

Key words: field-effect transistor, microwave amplifier, the discrete phase shifter, output power, balancing transformer.

References

1. Burger W., Brech H., Burdeaux D., Dragon C., Formicone G., Honan M., Pryor B., Ren X. "RFLDMOS: A Device Technology for High Power RF Infrastructure Applications", 2004 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, October 2004, pp. 189-192.

2. Nomenclature of Powerful High Frequency and Microwave DMOS Transistors / Open Society "NIIET". Items of electronics. The Access mode: <http://www.niiet.ru/transistors>