Криогенный малошумящий СВЧ-усилитель

Полезная модель относится к области криогенной радиоэлектроники и может применяться в измерительных системах сверхвысоких частот (далее - СВЧ), работающих в широком температурном диапазоне, вплоть до криогенных температур (4,2 К).
Криогенные малошумящие СВЧ-усилители являются ключевым элементом в измерительных системах с высоким уровнем чувствительности. Применение таких усилителей необходимо при измерении и регистрации сигналов на выходе квантовых микроволновых цепей, таких как сверхпроводниковые кубиты, детекторы одиночных фотонов на основе сверхпроводниковых металлических пленок и туннельных контактов Джозефсона.
Основными требованиями к криогенным малошумящим СВЧ-усилителям являются высокий уровень коэффициента усиления, низкая эквивалентная шумовая температура, малая потребляемая мощность, широкая полоса рабочих частот и стабильная работа.
Техническая проблема состоит в том, что требования к криогенному малошумящему СВЧ-усилителю являются противоречивыми, т.к. увеличение коэффициента усиления ведет к увеличению потребляемой мощности и снижению стабильности работы усилителя, а расширение полосы рабочих частот возможно за счет снижения требований к уровню эквивалентной шумовой температуры.
Из уровня техники известно достаточно большое количество реализаций малошумящих усилителей. Например, сверхширокополосный малошумящий усилитель сверхвысоких частот RU 131256 U1, в корпусе которого размещены усилительные каскады на полевых транзисторах с двуполярным питанием и разделительными конденсаторами, отличающийся тем, что в его электрическую цепь между разделительными конденсаторами усилительных каскадов введен корректор амплитудно-частотной характеристики, выполненный на микрополосковой плате в виде П-образного резистивного аттенюатора.
Недостатком данного технического решения является то, что усилитель не предназначен для работы при сверхнизких температурах.
Среди известных в настоящее время малошумящих криогенных СВЧ-усилителей наибольшее распространение получили усилители, использующие в качестве активных элементов SiGe биполярные и GaAs полевые транзисторы [1-7].
Известен широкополосный малошумящий криогенный СВЧ-усилитель в качестве активных элементов которого используются SiGe биполярные транзисторы [Weinreb, Sander & Bardin, Joseph & Mani, H & Jones, G. (2009). Matched wideband low-noise amplifiers for radio astronomy. The Review of scientific instruments. 80. 044702. 10.1063/1.3103939]. В корпусе усилителя размещены три транзисторных каскада с согласующими цепями. Существенным недостатком подобных усилителей является резкий спад усиления SiGe транзисторов на частотах превышающих 6 ГГц, что затрудняет их использование на более высоких частотах.
Значительно большее усиление на частотах выше 6 ГГц имеют СВЧ-усилители построенные на основе GaAs полевых транзисторов. В работе [G. Fukuda, S. Yoshida, Y. Kobayashi, T. Noji, S. Tashiro and S. Kawasaki, "Cryogenic GaAs high gain and low-noise amplifier module for radio astronomy," 2012 Asia Pacific Microwave Conference Proceedings, 2012, pp. 905-907, doi: 10.1109/APMC.2012.6421774] описан малошумящий криогенный СВЧ-усилитель, состоящий из трех транзисторных каскадов в интегральном исполнении. Частота работы усилителя от 8 до 11 ГГц при уровне усиления более 28 дБ, коэффициент шума при температуре 120 К равен 2,4 дБ. Габаритные размеры корпуса СВЧ-модуля составляют 20 мм × 38 мм. Недостатком данного усилителя является узкая полоса рабочих частот, а также высокая стоимость разработки.
В работе [Boutez, Corinne & Crozat, Paul & Danelon, Valérie & Chaubet, Michel & Febvre, Pascal & Beaudin, Gérard. (1997). A low-noise cryogenically-cooled 8–12 GHz HEMT Amplifier for future space applications. International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 18. 85-99. 10.1007/BF02677898] описан малошумящий криогенный СВЧ-усилитель, построенный на основе коммерчески доступных бескорпусных GaAs транзисторов FHX13X. Усилитель состоит из двух транзисторных каскадов с согласующими цепями. Частота работы усилителя от 8 до 12 ГГц, относительная ширина полосы 40%, уровень усиления более 20 дБ, уровень шума при температуре 4 К составляет 7,6 дБ (эквивалентная шумовая температура 20 К), потребляемая мощность 28 мВт. Габаритные размеры корпуса СВЧ-модуля составляют 23,4 мм × 60 мм × 9 мм. Недостатками данного усилителя являются низкий уровень усиления в полосе рабочих частот, высокий уровень шума. Кроме того, для целого ряда применений требуется более широкая полоса рабочих частот.
Наиболее близким к предлагаемому решению является широкополосный малошумящий криогенный СВЧ-усилитель, описанный в работе [C. Risacher and V. Belitsky, "GaAs HEMT low-noise cryogenic amplifiers from C-band to X-band with 0.7-K/GHz noise temperature," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 13, no. 3, pp. 96-98, March 2003, doi: 10.1109/LMWC.2003.810116]. Активными элементами усилителя являются коммерчески доступные бескорпусные GaAs транзисторы MGFC4419G. Усилитель состоит из двух каскадов с согласующими цепями. Частота работы усилителя от 4 до 8 ГГц, относительная ширина полосы 66%, уровень усиления около 25 дБ, уровень шума при температуре 12 К составляет 1,8 дБ (эквивалентная шумовая температура 6 К), потребляемая мощность 12 мВт.
Задача заявляемой полезной модели заключается в увеличении коэффициента усиления в широкой полосе рабочих частот в области криогенных температур.
Технический результат полезной модели выражается в увеличении коэффициента усиления более 30 дБ в полосе рабочих частот усилителя 6-12 ГГц при потребляемой мощности менее 20 мВт и температуре окружающей среды 4,2 К.
Указанный технический результат достигается тем, что выполнен криогенный малошумящий СВЧ-усилитель, содержащий металлический корпус с входным и выходным коаксиальными СВЧ-разъемами и разъемом подачи напряжения питания, отличающийся тем, что корпус содержит три отсека, разделенных металлическими перегородками, в двух из которых попарно расположены четыре усилительных каскада, выполненных на GaAs полевых транзисторах на единой подложке с согласующими цепями, выполненными на дискретных и распределенных СВЧ-элементах, работающих в расширенном диапазоне температур вплоть до криогенных, а в третьем отсеке расположен разъем для подачи питания на каждый транзистор. При этом может быть использован коммерчески доступный малошумящий GaAs полевой транзистор CE3512K2. При этом потребляемая усилителем мощность составляет менее 20 мВт, а диапазон его рабочих частот составляет 6-12 ГГц.
Согласно заявленному решению четыре каскада усилителя разделены на два модуля по два каскада. Каждый модуль расположен в отдельном отсеке металлического корпуса, объединяющего в себе согласующие цепи и цепи смещения. Цепь смещения представляет собой RC-фильтр низкой частоты, предназначенный для подачи напряжения питания на транзистор и развязки согласующих цепей от цепей питания.
dx
dx
Σ
Режимы работы, задаваемые путем подачи соответствующих  напряжений и токов на каждый транзистор предлагаемого криогенного малошумящего СВЧ-усилителя, представлены в таблице 1. I и U - ток стока и напряжение стока транзистора VTx, где x - номер каскада, P - суммарная потребляемая усилителем мощность.
Таблица 1. Режимы работы криогенного малошумящего СВЧ-усилителя
№
I<sub>d1</sub>,мА
U<sub>d1</sub>,В
I<sub>d2</sub>,мА
U<sub>d2</sub>,В
I<sub>d3</sub>,мА
U<sub>d3</sub>,В
I<sub>d4</sub>,мА
U<sub>d4</sub>,В
P<sub>Σ</sub>,мВт
1
5,23
1,37
5,35
1,38
5,38
1,39
5,1
1,5
30
2
5,91
1,07
6,07
1,03
5,93
1,03
6
1,03
25
3
3,93
1,02
4,02
1,27
3,97
0,96
3,93
1,04
17
4
4,13
0,82
4,48
0,84
4,05
0,85
4,13
0,84
14
5
4,26
0,73
4,63
0,71
4,24
0,68
4,26
0,71
12,3
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1. Коэффициент усиления малошумящего криогенного СВЧ-усилителя при температуре окружающей среды 4,2 К.
Фиг. 2. Эквивалентная шумовая температура малошумящего криогенного СВЧ-усилителя при температуре окружающей среды 4,2 К.
Фиг. 3. Схема малошумящего криогенного СВЧ-усилителя.
Фиг. 4. Топология малошумящего криогенного СВЧ-усилителя.
Фиг. 5. Электрическая схема малошумящего криогенного СВЧ-усилителя.
На фиг. 1 и 2 представлены частотные характеристики коэффициента усиления и эквивалентной шумовой температуры малошумящего криогенного СВЧ-усилителя, работающего при температуре окружающей среды 4,2 К. Из Фиг. 1 можно видеть уровень коэффициента усиления криогенного малошумящего СВЧ-усилителя более 30 дБ в полосе рабочих частот от 6 до 12 ГГц.
Из Фиг. 2 можно видеть уровень эквивалентной шумовой температуры менее 5 К в указанном частотном диапазоне. При этом потребляемая усилителем мощность составляет менее 20 мВт. Представленные характеристики соответствуют режиму работы №3 в таблице 1.
На фиг. 3 представлена схема СВЧ-усилителя, состоящего из двух модулей с двумя парами транзисторов VT1, VT2 и VТ3, VТ4, согласующими цепями СЦ1-СЦ3 и СЦ4-СЦ6 и цепями смещения СМ1-СМ3 и СМ4-СМ6, расположенных каждый в своем отсеке (1) и (2) соответственно. На входе и выходе усилителя расположены коаксиальные СВЧ-разъемы Р1 и Р2 соответственно. Также имеется отсек (3) с разъемом Р3 для питания каждого каскада. Согласующие цепи СЦ1-СЦ6 и цепи смещения СМ1-СМ6 выполнены на дискретных и распределенных СВЧ-элементах.
В настоящей заявке предлагается новый малошумящий криогенный СВЧ-усилитель, обеспечивающий больший уровень коэффициента усиления при сохранении стабильной работы в широкой полосе частот и при низких (криогенных) температурах.
Принципиальное отличие предложенного СВЧ-усилителя от известного уровня техники состоит в использовании каскадного соединения четырех GaAs полевых транзисторов CE3512K2, разделенных на два модуля на единой подложке, см. Фиг.4. Основное достоинство заявляемого решения состоит в том, что для обеспечения высокого уровня усиления и стабильной работы СВЧ-усилителя два модуля с указанными транзисторами, согласующими цепями и цепями смещения располагают в отсеках металлического корпуса, отделенных друг от друга металлической перегородкой, препятствующей появлению нежелательных электромагнитных связей. Уровень коэффициента усиления предлагаемой полезной модели составляет более 30 дБ при относительной ширине полосы рабочих частот 67%. Эквивалентная шумовая температура усилителя составила менее 5 К, при температуре окружающей среды 4,2 К и менее 250 К при температуре окружающей среды 300 К.
Работа всех элементов схемы была испытана при криогенной температуре 4,2 К.
Электрическая схема предлагаемого малошумящего криогенного СВЧ-усилителя приведена на Фиг. 5. Согласно схеме входная согласующие цепи СЦ1 и СЦ4 образованы элементами C13, WT1, W3, W8 (4-7 на Фиг. 4) и С16, WT3, W6, W9 (8-11 на Фиг. 4) и предназначены для согласования волнового сопротивления 50 Ом с оптимальным значением входного сопротивления транзисторов VТ1 и VT3 (12 и 13 на Фиг. 4) для минимизации коэффициента шума в полосе рабочих частот 6-12 ГГц. Межкаскадные цепи СЦ2 и СЦ5 образованы элементами L1, L6, R5, R7, R11, C14 (14-19 на Фиг. 4) и L2, L8, R6, R9, R13, C17 (20-25 на Фиг. 4) и предназначены для согласования выходного сопротивления транзисторов VТ1 и VT3 с входным сопротивлением транзисторов VТ2 и VT4 (26 и 27 на Фиг. 4). Выходные согласующие цепи СЦ3 и СЦ6 образованы элементами W1, W4, WT2, L3, L7, C15, R8, R12 (28-35 на Фиг. 4) и W2,W7, WT4, L4, L9, C18, R10, R14 (36-43 на Фиг. 4) и предназначены для согласования выходного сопротивления транзисторов VT2 и VT4 с волновым сопротивлением 50 Ом.
Цепи смещения СМ1-СМ6 представляют собой RC-фильтры, предназначенные для подачи напряжения питания на каждый транзистор и развязки согласующих цепей от цепей питания. Цепь смещения СМ1 образована элементами C19, C20, C25, C26, R15 (44-48 на Фиг. 4) и предназначена для подачи напряжения на затвор транзистора VT1. Цепь смещения СМ2 образована элементами C1, C2, C9, R1 и C21, C27, C28, R16 (49-56 на Фиг. 4) и предназначена для подачи напряжения на сток транзистора VT1 и на затвор транзистора VT2. Цепь смещения СМ3 образована элементами C3, C4, C10, R2 (57-60 на Фиг. 4) и предназначена для подачи напряжения на сток транзистора VT2. Цепь смещения СМ4 образована элементами C22, C23, C29, C30, R17 (61-65) и предназначена для подачи напряжения на затвор транзистора VT3. Цепь смещения СМ5 образована элементами C5, C6, C11, R3 и C24, C31, C32, R18 (66-73 на Фиг. 4) и предназначена для подачи напряжения на сток транзистора VT3 и на затвор транзистора VT4. Цепь смещения СМ6 образована элементами C7, C8, C12, R4 (74-77 на Фиг. 4) и предназначена для подачи напряжения на сток транзистора VT4.
Резистивные элементы в согласующих цепях и в цепях смещения увеличивают стабильность работы усилителя. Микрополосковая линия W6 (78 на Фиг. 4) имеет волновое сопротивление 50 Ом и связывает две части криогенного малошумящего СВЧ-усилителя.
Все вышеуказанные элементы размещены (с помощью пайки) на одной диэлектрической подложке марки RO4350b. Подложка прикреплена к корпусу при помощи четырех винтов. Коаксиальные СВЧ-разъемы Р1, Р2 соединены с корпусом с помощью четырех винтов, центральный проводник припаян к печатному проводнику на диэлектрической подложке. Разъем Р3 припаян к выводам питания на диэлектрической подложке.
Выполнение предложенного СВЧ-усилителя на элементной базе, известной из уровня техники, подтверждает промышленную применимость заявленной полезной модели.
Предложено техническое решение, позволяющее достичь технического результата - увеличения коэффициента усиления в широкой полосе рабочих частот в области криогенных температур.
[1] Boutez, Corinne & Crozat, Paul & Danelon, Valérie & Chaubet, Michel & Febvre, Pascal & Beaudin, Gérard. (1997). A low-noise cryogenically-cooled 8-12 GHz HEMT Amplifier for future space applications. International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 18. 85-99. 10.1007/BF02677898.
[2] C. Risacher and V. Belitsky, "GaAs HEMT low-noise cryogenic amplifiers from C-band to X-band with 0.7-K/GHz noise temperature," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 13, no. 3, pp. 96-98, March 2003, doi: 10.1109/LMWC.2003.810116.
[3] Weinreb, Sander & Bardin, Joseph & Mani, H & Jones, G. (2009). Matched wideband low-noise amplifiers for radio astronomy. The Review of scientific instruments. 80. 044702. 10.1063/1.3103939.
[4] G. Fukuda, S. Yoshida, Y. Kobayashi, T. Noji, S. Tashiro and S. Kawasaki, "Cryogenic GaAs high gain and low-noise amplifier module for radio astronomy," 2012 Asia Pacific Microwave Conference Proceedings, 2012, pp. 905-907, doi: 10.1109/APMC.2012.6421774.
[5] H. Mani and P. Mauskopf, "A single-stage cryogenic LNA with low power consumption using a commercial SiGe HBT," 2014 11th International Workshop on Low Temperature Electronics (WOLTE), 2014, pp. 17-20, doi: 10.1109/WOLTE.2014.6881015.
[6] A. Janzen and S. Weinreb, "Manufacturable cryogenic SiGe LNA for radio astronomy and space communications," 2016 United States National Committee of URSI National Radio Science Meeting (USNC-URSI NRSM), Boulder, CO, 2016, pp. 1-2.
[7] N. Jiang, L. B. G. Knee, D. Garcia, P. Niranjanan, M. Halman and I. Wevers, "Cryogenic L-band GaAs HEMT LNA for the Square Kilometer Array," 2018 18th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM), 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/ANTEM.2018.8572988.