Снижение уровня шумов во входных трактах многофункциональных РЛС

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 2/2015

Буханец Д.И., Никольский Ю.В., Корчак В.Ю.

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ШУМОВ ВО ВХОДНЫХ ТРАКТАХ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РЛС

В настоящее время наблюдается исключительно быстрое развитие радиоэлектронных средств для диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). СВЧ-радиоэлектронные системы (РЭС) используются в таких областях, как связь, радиовещание, телевидение, радиолокация, телеметрия, телеуправление, измерительная техника и др.

СВЧ транзисторные усилители являются одним из важнейших и самых распространенных полупроводниковых устройств (ППУ) современных РЭС. Качественные характеристики РЭС (объем и скорость передачи информации, разрешающая и пропускная способности, точность и дальность действия, помехоустойчивость, массогабаритные характеристики, надежность, экономичность, стоимость и др.) во многом определяются параметрами усилительных устройств, входящих в их состав.

Сейчас в мире разрабатывается большое количество СВЧ усилителей различных типов в разных частотных поддиапазонах: узкополосных и широкополосных, малошумящих, мощных, импульсных и т.д. [3,9].

Несмотря на сказанное, проблема разработки СВЧ транзисторных усилителей остается весьма актуальной. Это связано с ужесточением и большим разнообразием требований, предъявляемых к характеристикам современных РЭС и, соответственно, к параметрам входящих в их состав усилительных устройств; с освоением новых сфер применения радиоэлектронной аппаратуры; расширением частотного диапазона СВЧ транзисторных усилителей; появлением новых типов усилительных элементов и т.д. Разработчики современных РЭС постоянно сталкиваются с необходимостью создания новых разновидностей СВЧ-усилителей, удовлетворяющих поставленным техническим требованиям [3].

Как следствие, в настоящее время наблюдается большой рост потребностей в проектировании СВЧ-усилителей с разнообразными характеристиками. На важность этой задачи указывает значительное количество публикаций в отечественной и зарубежной периодической литературе. Сложности в организации и осуществлении проектирования СВЧ-усилителей, как и других типов радиоэлектронных устройств (РЭУ), в современных условиях вызваны главным образом проблемами ужесточения требований, большого объема разработок и дефицита квалифицированных кадров [2].

При разработке радиолокационных комплексов (РЛК), оптимизация их основных параметров значительно улучшает тактико-технические показатели. Это может быть достигнуто следующими основными путями: повышением мощности излучения или снижением уровня шума. Так как основой РЛК является приёмо-передающая система

59

ISSN 2313-1160

РЛС, улучшение основных показателей может быть достигнуто увеличением излучаемой мощности сигналов, увеличением апертур антенн (увеличением их коэффициентов усиления) снижением шумов входных трактов и, в итоге, повышением отношения сигнал/ шум [8]. Значительно увеличить дальность действия РЛК (РЛС) или повысить вероятность обнаружения определённых объектов можно путём рационального сочетания этих способов. Снижение шума можно достичь путем применения на входе малошумящих усилителей (МШУ). Это особенно важно для бортовых РЛС, где возможности увеличения мощности передатчика и размеров антенны для повышения дальности часто ограничены заданными весом и габаритами аппаратуры.

Важнейшим параметром малошумящего усилителя является коэффициент шума Кш (или относительная температура шума устройства) [1] .Коэффициент шума (шум-фактор) в общем случае вводится как число, показывающее, во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на входе четырёхполюсника больше, чем на его выходе. При этом обе мощности шума (на входе и на выходе) определяются в одной и той же полосе частот Af [1-4]. Вместе с тем, коэффициент усиления малошумящего усилителя должен быть достаточным с учетом влияния последующих каскадов и оконечного устройства, в отличие от усилителя мощности, предназначенного для работы с сигналами, уровень которых значительно превышает уровень шума. Малошумящие усилители с широким динамическим диапазоном должны сочетать в себе требования по шумам и линейности в большом диапазоне изменения амплитуды сигнала (десятки децибелл).

Таким образом (по определению выше):

Кш = Р сиг вх /Р ш вх х (Рсиг вых /Рш вых )-1 = — х

V У Кус

Рш вых Рш вх

где Кус

Рсиг вых Рсиг вх ’

Рш вх - мощность шумов, поступающих от источника сигнала на вход линейного четырехполюсника (включая его собственные, приведенные ко входу),

^ш вых - суммарная мощность шумов на выходе четырехполюсника,

Кус - коэффициент передачи линейного четырехполюсника по мощности.

Таким образом, при идеальном усилителе (к которому по возможности надо

Рш вых

стремиться!) ---= Кус и при этом Кш = 1.

Рш вх

На практике бывает необходимо значительно повысить чувствительность приемного устройства. Наиболее просто это достигается путем установки малошумящего СВЧ-усилителя, учитывая, что суммарный коэффициент шума многокаскадного приемника (Fm сумм) напрямую зависит от параметров первого каскада:

Fm сумм = Кш1 + ^—1 + ^—1 + ....,

где Fi - коэффициент шума i - го каскада; Gi - коэффициент усиления i - го каскада [9].

Важно, что при выборе усилителя необходимо учитывать не только коэффициент шума, но и коэффициент усиления. Современные малошумящие СВЧ-усилители способны обеспечивать коэффициент усиления до 30-40дБ

60

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 2/2015

(10lg Кус) и более, при уровне шума около 3,5 дБ. Их применение позволяет отказаться от дополнительного усиления сигнала (например, на промежуточной частоте) и значительно (на практике!), до 10 дБ снизить уровень собственных шумов приемных устройств [9].

При усилении слабых отраженных сигналов, дискретные помехи и шумы компонентов приемного тракта могут увеличиваться в равной или большей степени. Поэтому создание малошумящих входных усилителей является актуальным.

Транзисторные усилители отличаются высокой чувствительностью, низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами и массой, большой надежностью и устойчивостью к механическим воздействиям, сравнительно невысокой стоимостью. Активные элементы усилителей - биполярные (БТ) или полевые транзисторы с затвором на барьере Шоттки (ПТШ) - удобно сопрягаются с полосковыми линиями передачи, резонансными устройствами и элементами интегральных микросхем.

Малошумящие усилители СВЧ, в основном, строятся на ПТШ, которые имеют меньший коэффициент шума, чем БТ.

В основе изготовления СВЧ усилителей на ПТШ лежит, как правило, гибридно-пленочная технология. Усилители, изготовленные по этой технологии, содержат элементы на изолирующих подложках, выполненные методом вакуумного напыления с последующей фотолитографией и навесные дискретные активные и пассивные элементы, монтаж которых производится с помощью пайки и специальных видов сварки - контактной, термокомпрессионной и ультразвуковой. Монолитные усилители выполняются на основе единого кристалла с различной степенью легирования. Они обладают рядом несомненных достоинств по сравнению с гибридно-пленочными - малые массогабаритные параметры, низкая стоимость при крупносерийном производстве, высокая повторяемость параметров. Тем не менее, далеко не везде и всегда преимущества этих усилителей компенсируют их недостатки. Усилители на основе объемных линий передач также имеют свои преимущества (малые потери) и свои недостатки (сложность конструкции) [3,7].Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТШ на арсениде галлия, который имеет высокую подвижность электронов. Лучшие образцы ПТШ на арсениде галлия характеризуются минимальным коэффициентом шума 0,1 - 1 дБ на частотах 0,5 - 18 ГГц и 2 - 5 дБ на частотах миллиметрового диапазона [4-6]. Создание приборов для верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн стимулировало переход к субмикронным длинам затвора и новым технологическим решениям, что потребовало углубления физических представлений о процессах, происходящих в таких транзисторах, и вызвало многочисленные исследования в этой области. Часто проще и дешевле снизить шум приемника, чем увеличить мощность передатчика (или отдельных модулей активной ФАР). Для усилителей с диапазоном рабочих частот 10 - 20 % лучшие результаты по коэффициенту

61

ISSN 2313-1160

шума составляют от 0,3 дБ на частотах порядка 1 ГГц и до 4-5 дБ - на 40 ГГц. Следует заметить, что лучшие экспериментальные макеты усилителей, созданные в лабораторных условиях, имеют значительно меньший коэффициент шума около 2 дБ в диапазоне 43 - 46 ГГц и 4.4 дБ - в диапазоне 92-96 ГГц [1-6].

Опубликованные в (http://www.infosecur.ru/shop/radiocontrol/MSHU/ MSHU) данные по сверхширокополосным усилителям, разработкам НПФ «МИКРАН», дают представление по реальным МШУ поступающим в продажу на отечественном рынке (табл.1).

Таблица 1. Основные параметры МШУ НПФ «МИКРАН»

Наименование Диапазон частот, ГГц Коэф. шума, дБ (+25° C) Коэф.усиления, дБ РВЫХ, дБм по сжат. на 1 дБ КСВН вх/вых

MAHW001040-02 0,03-4,00 2,0 30 17 2,0/ 2,0

MAHW001040-03 0,03-4,00 2,0 35 17 2,0/ 2,0

MAHW010060 1,00-6,00 1,5 40 12 2,0/ 2,5

MAHW060120 6,00-12,00 1,8 25 12 2,0/ 2,0

MAHW010120 1,00-12,00 2,0 30 12 2,5/ 2,0

MAHW080260 8,00-26,00 4,0 30 10 3,0/ 3,0

MAHW020200 2,00-20,00 5,0 20 16 2,0/ 2,0

Малошумящие усилители СВЧ, можно построить на ПТШ, которые имеют меньший коэффициент шума, чем БТ [1,2,3].

В основе создания СВЧ усилителей на ПТШ лежит, как правило, гибридно-пленочная технология. Монтаж может производиться с помощью пайки и специальных видов сварки. Монолитные усилители можно выполнять на основе единого кристалла с различной степенью легирования. Наиболее широкое применение на СВЧ нашли ПТШ на арсениде галлия, который имеет высокую подвижность электронов. Лучшие образцы ПТШ на арсениде галлия характеризуются минимальным коэффициентом шума 0,1 - 1 дБ на частотах 0,5 - 18 ГГц и 2 - 5 дБ в миллиметровом диапазоне [1-2].

Создание приборов для верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн требует переход к субмикронным длинам затвора и новым технологическим решениям.

Перспективной при построении узкополосных усилителей является схема с включением транзистора с общим истоком и индуктивной отрицательной обратной связью. Данная структура позволяет реализовывать высокий коэффициент усиления при низком коэффициенте шума и малой потребляемой

62

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 2/2015

мощности. МШУ в приемниках могут быть построены по каскадной схеме с общим истоком.

Актуальной является задача синтеза МШУ с учетом паразитных эффектов: диффузионной составляющей тока стока, паразитной емкости затвор-исток и паразитных элементов планарных индуктивностей. Важен также выбор способа включения транзистора и вида обратной связи, обеспечивающих максимальный диапазон рабочих частот МШУ, минимизацию уровня шумов, нелинейных искажений и потребляемой мощности.

Анализ литературы [1-9] и др. позволяет заключить, что наиболее распространенной и перспективной при построении узкополосных усилителей является схема с включением транзистора с общим истоком и индуктивной отрицательной обратной связью. Данная структура позволяет реализовывать высокий коэффициент усиления при низком коэффициенте шума и малой потребляемой мощности, благодаря одновременному согласованию как на максимум коэффициента усиления, так и на минимум коэффициента шума. Так, коэффициент шума составляет 1-2 дБ при потребляемой мощности порядка 10-20мВт. При этом коэффициент усиления превышает 15 дБ. Подобная схема применяется в устройствах WLAN, GPS, GSM на частотах 2.4/5.2ГГц, 1.5ГГц,

0.9/1.8ГГц соответственно [4,6]. В настоящее время МШУ в приемниках, к которым предъявляются высокие требования, как правило, строятся по каскадной схеме с общим истоком.

Таким образом, в настоящее время актуальными являются задачи развития методов синтеза и создания МШУ, с учетом паразитных эффектов: диффузионной составляющей тока стока, паразитной емкости затвор-исток и паразитных элементов планарных индуктивностей. Важен также выбор способа включения транзистора и вида обратной связи, обеспечивающих максимальный диапазон рабочих частот МШУ минимизацию уровня шумов, нелинейных искажений и потребляемой мощности [1-9].

В итоге, альтернативными вариантами конструкции МШУ принятыми для макетирования и дальнейшего отбора, являются:

- МШУ на основе полевых транзисторах с затвором на барьере Шоттки;

- разработка и использование ПТШ на арсениде галлия;

- схемы с включением транзистора с общим истоком и индуктивной отрицательной обратной связью.

63

ISSN 2313-1160

Литература

1. Суходоев И. В., Шумы электрических цепей. «Теория», М., 1975.

2. Г. Отт. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. Издательство «Мир», Москва, 1979.

3. Л.И. Бабак. Методы и алгоритмы автоматизированного синтеза СВЧ транзисторных усилителей на основе декомпозиционного подхода. Докторская диссертация. Томск, ТУСУР, 2011.

4. С.М. Клич Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М., «Сов. радио», 1973.

5. 1984 IEEE MTT - 5 Digest, pp. 98-101, J.J. Berenz, K. Nakano, K.P. Weller Low noise high electron mobility transistors / Дж. Беренц, К. Накано, К. Веллер Малошумящий усилитель, реализованный на основе транзистора с высокой подвижностью электронов.

6. Wideband Low Noise Amplifier Exploiting Thermal Noise Cancellation by Federico Bruccoleri, Catena Microelectronics B.V., Delft, The Netherlands, and Eric A.M. Klumperink, University of Twente, Enschede, The Netherlands and Bram Nauta, University of Twente, Enschede, The Netherlands.

7. Монолитный малошумящий усилитель диапозона 1,5 - 2,5 ГГц, М.В. Черкашин, Л.И. Бабак, Д.А. Зайцев. Microwave Symp. Dig., vol. 2, 2001, pp. 11671170.

8. Улучшение рабочих характеристик РЛС путём оптимизации полного отношения сигнал/шум,Agilent Technologies, номер публикации 5990-7527RURU.

9. Методы исследования радиолокационных характеристик объектов. Под редакцией С.В. Ягольникова. М. Изд-во «Радиотехника». 2012.

64