УСИЛИТЕЛЬ СВЧ
MICROWAVE AMPLIFIER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к усилителям СВЧ на полупроводниковых приборах, которые широко используются в электронной технике СВЧ, в частности радиоэлектронной бортовой аппаратуре.
Уровень коэффициента усиления в рабочей полосе частот, коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) на входе и выходе, неравномерность коэффициента усиления в рабочей полосе частот (разность между максимальным и минимальным его значениями) - одни из основных параметров усилителя СВЧ.
Известен многокаскадный сверхширокополосный усилитель сверхвысокой частоты (СВЧ), содержащий как минимум два аналогичных транзисторных усилительных каскада и межкаскадную согласующую цепь.
Усилитель СВЧ, с целью обеспечения абсолютной устойчивости усилителя и малой неравномерности коэффициента передачи в широком диапазоне частот, упрощения конструкции и уменьшения габаритных размеров, содержит четырехполюсник, содержащий первый резистор, первый вывод которого подключен к первому входу четырехполюсника, а второй вывод первого резистора подключен к точке соединения первых выводов второго и третьего резисторов, первого конденсатора и первой микрополосковой линии, второй вывод второго резистора подключен к корпусу, вторые выводы третьего резистора и первого конденсатора и первой микрополосковой линии соединены вместе и подключены к второму выходу четырехполюсника. Причем первый вход четырехполюсника является входом усилительного каскада и подключен к выводу базы транзистора, второй выход четырехполюсника подключен к выводу коллектора транзистора и является выходом усилительного каскада; межкаскадная согласующая цепь содержит второй отрезок микрополосковой линии, первый вывод которого является входом межкаскадной согласующей цепи, а второй вывод подключен к первому выводу второго конденсатора, а второй вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего отрезка микрополосковой линии, второй вывод которого является выходом межкаскадной согласующей цепи. Причем второй и третий отрезки микрополосковых линий имеют равную длину и расположены параллельно друг другу, а второй конденсатор установлен в зазоре между вторым выводом второго отрезка микрополосковой линии и первым выводом третьего отрезка микрополосковой линии [1].
Усилитель выполнен на биполярном транзисторе на основе полупроводникового материала кремния, который обладает низкой подвижностью электронов, а потому и большими величинами входного и выходного сопротивлений транзистора, что не позволяет существенно снизить величины КСВН на входе и выходе усилителя.
Известен усилитель СВЧ, содержащий усилительную цепь из полевого транзистора, исток которого соединен с параллельно соединенными первым резистором и конденсатором, а сток соединен с вторым резистором, при этом свободный вывод параллельно соединенных первого резистора и конденсатора соединен с общим выводом источника питания, другой вывод которого соединен со свободным выводом второго резистора, а затвор полевого транзистора через конденсатор соединен с выводом для подключения входного сигнала.
В данный усилитель СВЧ, с целью увеличения коэффициента усиления, введена вторая усилительная цепь, аналогичная первой и подключенная аналогичным путем к выводам общего источника питания, причем затворы полевых транзисторов у первой и второй усилительных цепей соединены, один вывод для подключения входного сигнала подключен к затворам транзисторов через конденсатор, общий для обеих усилительных цепей, а второй соединен с общим выводом источника питания, выход усилителя выполнен между стоками транзисторов.
В качестве полевых транзисторов использованы транзисторы с затворами в виде p-n переходов или барьеров Шотки с различными напряжениями отсечки каналов, или два транзистора типа металл-окисел-полупроводник с различными пороговыми напряжениями [2].
Данный усилитель СВЧ, по сравнению с предыдущим в результате того, что он выполнен на полевом транзисторе с барьером Шотки на полупроводниковом материале арсенида галлия, который имеет более высокую подвижность электронов по сравнению с полупроводниковым материалом кремнием, позволил снизить величины КСВН на входе и выходе усилителя.
Однако наличие в усилителе сопротивлений приводит к снижению коэффициента усиления в рабочей полосе частот.
Известен усилитель СВЧ, содержащий две одинаковые линии передачи, одна - на входе, другая - на выходе, полевой транзистор с барьером Шотки, соединенный по схеме с общим истоком, источники постоянного напряжения питания, соединенные со стоком и истоком полевого транзистора с барьером Шотки каждый через индуктивность и блокировочный конденсатор [3 - прототип].
В данном усилителе СВЧ по сравнению с предыдущим отсутствуют сопротивления, что обеспечивает увеличение коэффициента усиления.
Однако наличие внутренних емкостей полевого транзистора с барьером Шотки приводит к существенному повышению коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе и неравномерности коэффициента усиления в рабочей полосе частот.
Техническим результатом заявленного изобретения является снижение коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе, снижение неравномерности коэффициента усиления в рабочей полосе частот и увеличение коэффициента усиления при сохранении ширины рабочей полосы частот.
Указанный технический результат достигается заявленным усилителем СВЧ, содержащим две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ, другая - для выхода, полевой транзистор с барьером Шотки, на затвор которого подают сигнал СВЧ, на сток и затвор - постоянное напряжение питания от соответствующих источников при этом через соответствующие индуктивность и блокировочный конденсатор.
В усилитель СВЧ дополнительно введены два элемента линии передачи каждый из двух отрезков связанных линий, два отрезка линии передачи и конденсатор,
при этом каждый отрезок связанных линий и каждый отрезок линии передачи имеет ширину, равную ширине линии передачи на входе либо на выходе усилителя, а расстояние между двумя отрезками связанных линий передачи, равно четверти ширины,
первый конец первого отрезка связанных линий первого элемента линии передачи соединен с одним концом конденсатора, другой конец конденсатора соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки,
второй конец второго отрезка связанных линий первого элемента линии передачи соединен с одним концом первого отрезка линии передачи,
первый конец первого отрезка связанных линий второго элемента линии передачи соединен с истоком полевого транзистора с барьером Шотки,
второй конец второго отрезка связанных линий второго элемента линии передачи соединен с одним концом второго отрезка линии передачи,
другие концы первого и второго отрезков линии передачи соединены между собой и с линией передачи на выходе усилителя,
при этом второй конец первых отрезков связанных линий и первый конец вторых отрезков связанных линий соответственно первого и второго элементов линии передачи заземлены.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного усилителя СВЧ, а именно:
- введение в усилитель СВЧ дополнительно двух элементов линии передачи из двух отрезков связанных линий, двух отрезков линии передачи и конденсатора,
- предложенное их выполнение с указанными размерами,
- предложенная связь каждого из них с линиями передачи на входе и выходе,
- а также предложенное соединение всех элементов усилителя СВЧ позволит.
Во-первых, разделить входной сигнал СВЧ с помощью полевого транзистора с барьером Шотки на два канала - стоковый и истоковый, что, вследствие параллельного соединения этих каналов, приводит к снижению величин входного и выходного сопротивлений полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие - снижение величины КСВН на входе и выходе усилителя и увеличение коэффициент усиления.
Во-вторых, ослабить внешнюю связь по СВЧ между стоком и истоком полевого транзистора с барьером Шотки, и тем самым обеспечить развязку по СВЧ стока и истока на его выходе, уменьшить влияние их друг на друга, в том числе и влияния резонансного характера, и, как следствие - снижение неравномерности коэффициента усиления в рабочей полосе частот.
В-третьих, обеспечить возможность преобразования внутренних активных сопротивлений и емкостей полевого транзистора с барьером Шотки к его электродам через дополнительные элементы линии передачи из отрезков связанных линий, которые являясь многофункциональными элементами, трансформируют величину активных сопротивлений и емкостей полевого транзистора с барьером Шотки в оптимальные величины сопротивлений на выходе полевого транзистора с барьером Шотки и, как следствие - снижение величин КСВН на входе и выходе и увеличение коэффициента усиления.
В-четвертых, предложенное соединение истока и стока полевого транзистора с барьером Шотки, развязка по постоянному току стока и заземление истока через первый отрезок связанных линий второго элемента линии передачи обеспечивает эффективное питание стока и истока от источников постоянного напряжения, и тем самым обеспечивает работу полевого транзистора в оптимальном режиме и, как следствие - увеличение коэффициента усиления.
В-пятых, введение в каналы стока и истока дополнительных отрезков линии передачи обеспечит суммирование сигналов СВЧ, прошедших по этим каналам, в линии передачи на выходе, при котором фазы сигналов взаимно компенсируются, и, как следствие - снижение величины неравномерности коэффициента усиления в рабочей полосе частот.
Более того, заявленные элементы и их соединение не влияют на крутизну полевого транзистора с барьером Шотки, которая определяется его вольтамперными характеристиками, и что, по крайней мере, может повысить коэффициента усиления.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно снижение коэффициентов стоячей волны напряжения на входе и выходе, снижение неравномерности коэффициента усиления в рабочей полосе частот и увеличение коэффициента усиления при сохранении ширины рабочей полосы частот.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1. дана топология заявленного усилителя СВЧ, где
- две линии передачи с одинаковыми волновыми сопротивлениями, одна предназначена для входа сигнала СВЧ - 1, другая - для выхода - 2,
- полевой транзистор с барьером Шотки - 3,
- две индуктивности - 4 и 5 соответственно,
- два блокировочных конденсатора - 6 и 7 соответственно,
- первый и второй элементы линий передачи каждый из двух отрезков связанных линий 8, 9 и 10, 11 соответственно,
- первый и второй отрезки линии передачи - 12 и 13 соответственно,
- конденсатор - 14,
- источники постоянного напряжения - 15 и 16 соответственно.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного усилителя СВЧ.
На фиг.3 дана зависимость коэффициента усиления от частоты в рабочей полосе частот.
На фиг.4 даны зависимости КСВН от частоты на входе и выходе усилителя в рабочей полосе частот.
Пример конкретного выполнения заявленного усилителя СВЧ.
Усилитель СВЧ выполнен в монолитно интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Две линии передачи, предназначенные для входа 1 и для выхода 2 сигнала СВЧ выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников 0,08 мм.
Две индуктивности 4 и 5 выполнены в виде меандров шириной 0,02 мм и длиной 1,5 мм и 0,6 мм соответственно.
Два блокирующих конденсатора 6 и 7 выполнены на основе окиси кремния величиной, равной 10 пФ каждый.
Полевой транзистор с барьером Шотки 3 выполнен с длиной затвора, равной 0,4 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеет напряжение отсечки Uотс., равное -2,0 В.
Два элемента линии передачи каждый из отрезков связанных линий 8, 9 и 10, 11 соответственно выполнены с шириной линий, равной 0,08 мм, расстоянием между двумя связанными линиями, равным 0,02 мм, и длинами 2,5 мм и 0,4 мм соответственно для первого и второго элемента.
Каждый из двух отрезков линий 12, 13 выполнен с шириной линий, равной 0,08 мм, и длинами 1,7 мм и 1,5 мм соответственно.
При этом
первый конец первого отрезка связанных линий 8 первого элемента линии передачи соединен с одним концом конденсатора 14, другой конец конденсатора соединен со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 3,
второй конец второго отрезка связанных линий 9 первого элемента линии передачи соединен с одним концом первого отрезка линии передачи 12,
первый конец первого отрезка связанных линий 10 второго элемента линии передачи соединен с истоком полевого транзистора с барьером Шотки 3,
второй конец второго отрезка связанных линий 11 второго элемента линии передачи соединен с одним концом второго отрезка линии передачи 13,
другие концы первого и второго отрезков линии передачи 12, 13 соединены между собой и с линией передачи на выходе усилителя 2,
при этом второй конец первых отрезков связанных линий 8, 10 и первый конец вторых отрезков связанных линий 9, 11 соответственно первого и второго элементов линии передачи заземлены.
Заявленный усилитель СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки 3 от источника постоянного напряжения 15 напряжения -0,1 В и переменного напряжения с частотой 8 ГГц с амплитудой 1 В (сигнала СВЧ), а на его сток напряжения 7 В от источника постоянного напряжения 16, через полевой транзистор с барьером Шотки 3 будет протекать постоянный и переменный токи.
Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики полевого транзистора с барьером Шотки энергия постоянного напряжения будет преобразовываться в энергию переменного напряжения и добавляться к напряжению на входе усилителя СВЧ. В результате на выходе усилителя СВЧ переменное напряжение будет больше, чем напряжение на его входе, то есть произойдет усиление напряжения, и, следовательно, и усиление мощности СВЧ, поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения.
Если изменять частоту входного сигнала СВЧ в пределах рабочей полосы частот, то процессы в усилителе СВЧ будут протекать подобно описанным выше и на этих частотах.
На изготовленных образцах заявленного усилителя СВЧ были измерены зависимость величины коэффициента усиления и зависимости КСВН от частоты на входе и выходе усилителя в рабочей полосе частот в пределах от 8 ГГц до 12 ГГц.
Результаты представлены на фиг.3 и фиг.4.
Из представленной зависимости от частоты коэффициента усиления в указанной рабочей полосе частот видно, что
- уровень коэффициента усиления равен примерно 10 дБ,
- неравномерность коэффициента усиления в полосе частот равна 0,5 дБ,
- коэффициент стоячей волны напряжения на входе меньше 1,3, на выходе меньше 1,5.
Таким образом, заявленный усилитель СВЧ позволит по сравнению с прототипом:
- увеличить уровень коэффициента усиления в 1,2 раза,
- уменьшить коэффициент стоячей волны напряжения в 1,3 раза,
- уменьшить неравномерность коэффициента усиления в 3 раза.
Указанные преимущества усилителя СВЧ особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных изделий СВЧ, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения и, особенно, в монолитном интегральном исполнении.
Источники информации
1. Патент РФ №2296416, МПК H03F 3/19, 3/60, приоритет 2005.07.29, опубл. 2007.03.27.
2. Патент РФ №2069448, МПК H03F 3/45, приоритет 1994.06.29, опубл. 1996.11.20.
3. Научно-технический сборник. Электронная техника, серия 1, СВЧ-техника, выпуск 2 (486) 2005 г., с.52-53 - прототип.