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.
В последние годы наибольшее применение находят усилители сверхвысокой частоты (СВЧ), выполненные на транзисторах. При этом в области сверхвысоких частот на основе полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ) в длинноволновой части СВЧ-диапазона серьезную конкуренцию усилителям на полевых транзисторах с барьером Шоттки составляют усилители на основе биполярных транзисторов.
Известен широкополосный усилитель, содержащий транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, база которого соединена с выходом источника возбуждения, эмиттер через катушку индуктивности соединен с общей шиной, а коллектор - с нагрузкой и первым выводом конденсатора обратной связи. В котором, с целью расширения рабочей полосы частот, второй вывод конденсатора обратной связи подключен к эмиттеру транзистора [1].
Известен многокаскадный сверхширокополосный усилитель СВЧ, содержащий, как минимум, два аналогичных транзисторных усилительных каскада и межкаскадную согласующую цепь.
С целью расширения рабочей полосы частот, усилительный каскад которого 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 [2].
Оба названных усилителя выполнены на биполярном транзисторе на основе полупроводникового материала кремния, который обладает низкой подвижностью электронов, что соответственно ограничивает рабочую полосу частот данных усилителей не более 5-7 ГГц, что соответствует длинноволновой части СВЧ-диапазона.
Известен усилитель, содержащий первую 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, 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 р-n переходов или барьеров Шоттки с различными напряжениями отсечки каналов или два транзистора типа металл-окисел-полупроводник с различными пороговыми напряжениями.
Данный усилитель по сравнению с предыдущими в результате того, что он выполнен на полевом транзисторе с барьером Шоттки на полупроводниковом материале арсенида галлия, который имеет более высокую подвижность электронов по сравнению с полупроводниковым материалом кремнием, позволил увеличить верхнюю границу рабочей полосы частот и соответственно несколько расширить рабочую полосу частот.
Однако поскольку каждый каскад выполнен на одном полевом транзисторе с барьером Шоттки с определенной величиной внутренней емкости, то в таком усилителе имеются ограничения на ширину рабочей полосы частот.
Более того, создание двухкаскадных усилителей на двух различных по конструкции полевых транзисторах с барьером Шоттки вследствие увеличения их суммарной внутренней емкости приводит, как правило, к еще большему сужению рабочей полосы частот.
Известен усилитель СВЧ также на полевом транзисторе с барьером Шоттки, содержащий две одинаковые линии передачи, одна - на входе, другая - на выходе, два одинаковых разделительных конденсатора, каждый из которых расположен на одном из концов соответствующей линии передачи, полевой транзистор с барьером Шоттки, соединенный по схеме с общим истоком, источник постоянного положительного напряжения, соединенный со стоком полевого транзистора с барьером Шоттки через индуктивность, входную и выходную согласующие цепи [4 - прототип].
В данном усилителе СВЧ по сравнению с предыдущим увеличена верхняя граница рабочей полосы частот и соответственно расширена рабочая полоса частот за счет использования оптимизированных входной и выходной согласующих цепей.
Однако дальнейшее более существенное увеличение верхней границы рабочей полосы частот и соответственно расширение рабочей полосы частот ограничено сравнительно большими величинами внутренних емкостей полевого транзистора с барьером Шоттки.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение рабочей полосы частот усилителя СВЧ при сохранении уровня коэффициента усиления.
Указанный технический результат достигается заявленным усилителем СВЧ, содержащим две одинаковые линии передачи, одна - на входе, другая - на выходе, два одинаковых разделительных конденсатора, каждый из которых расположен на одном из концов соответствующей линии передачи, полевой транзистор с барьером Шоттки, соединенный по схеме с общим истоком, источник постоянного положительного напряжения, соединенный со стоком полевого транзистора с барьером Шоттки через индуктивность.
В который дополнительно введены второй полевой транзистор с барьером Шоттки и две индуктивности - вторая и третья, при этом сток второго полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с линией передачи на выходе через упомянутый разделительный конденсатор и одновременно - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шоттки через вторую индуктивность, затвор второго полевого транзистора с барьером Шоттки соединен с истоком первого полевого транзистора с барьером Шоттки, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность, исток второго полевого транзистора с барьером Шоттки заземлен, при этом первая и вторая индуктивности выполнены одинаковыми по величине, которую определяют исходя из выражения
L2=L1=2 Z0/(2π f0), где
Z0 - волновое сопротивление линии передачи,
π - постоянное число, равное 3,14,
f0 - центральная частота рабочей полосы частот,
а величину третьей индуктивности определяют исходя из выражения
L3=L1/5.
Раскрытие сущности изобретения
Согласно теореме Фано произведение ширины рабочей полосы частот на уровень коэффициента усиления обратно пропорционально величине емкости полупроводникового прибора.
Таким образом, для данного полупроводникового прибора это произведение есть величина постоянная, и, следовательно, расширение рабочей полосы частот приводит к снижению уровня коэффициента усиления.
Заявленный усилитель СВЧ, его существенные признаки, а именно введение дополнительно второго полевого транзистора с барьером Шоттки и двух индуктивностей - второй и третьей, каждый и в их совокупности, а также в совокупности с известными признаками, а также в совокупности с предложенным соединением элементов усилителя СВЧ, позволяет благодаря:
во-первых, наличию двух полевых транзисторов с барьером Шоттки и двух индуктивностей и предложенному их соединению обеспечивается снижение общей внутренней емкости обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки и тем самым обеспечивается расширение рабочей полосы частот при сохранении уровня коэффициента усиления.
во-вторых, наличию второго полевого транзистора с барьером Шоттки, предложенное соединение его затвора с истоком первого полевого транзистора с барьером Шоттки и заземление истока второго полевого транзистора с барьером Шоттки обеспечивается, по меньшей мере, уменьшение вдвое общей внутренней емкости обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки и тем самым обеспечивается увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и, как следствие, расширение рабочей полосы частот усилителя СВЧ;
в-третьих, наличию второго полевого транзистора с барьером Шоттки и второй индуктивности, предложенное соединение стоков обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки через эту - вторую - индуктивность обеспечивается в зависимости от ее величины частичную либо полную компенсацию внутренней выходной емкости первого полевого транзистора с барьером Шоттки и внутренней входной емкости второго полевого транзистора с барьером Шоттки и тем самым обеспечивается уменьшение общей внутренней емкости обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки, и тем самым обеспечивается увеличение верхней границы рабочей полосы частот и, как следствие, расширение рабочего диапазона частот усилителя СВЧ;
в-четвертых, наличию второго полевого транзистора с барьером Шоттки и третьей индуктивности, предложенное соединение затвора второго полевого транзистора с барьером Шоттки с истоком первого полевого транзистора с барьером Шоттки и при том, что их общая точка соединения заземлена через эту - третью - индуктивность обеспечивается совместно с внутренними емкостями обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки образование в схеме усилителя делителя напряжения и, как результат этого, увеличение верхней границы рабочей полосы частот и, как следствие, расширение рабочей полосы частот усилителя СВЧ.
Более того, введение дополнительно второго полевого транзистора с барьером Шоттки и двух индуктивностей и их предложенное соединение практически не влияют на величины внутренних проходных емкостей обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки, которые определяют нижнюю границу рабочей полосы частот и тем самым сохраняют ее неизменной.
Более того, заявленные элементы и их соединение не влияют на крутизну полевых транзисторов с барьером Шоттки, которая определяется его вольтамперными характеристиками, поэтому уровень коэффициента усиления либо не изменяется по сравнению с прототипом, либо даже несколько повышается.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно расширение рабочей полосы частот усилителя СВЧ при сохранении уровня коэффициента усиления.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного усилителя СВЧ,
где
- две одинаковые линии передачи, одна предназначена для входа сигнала СВЧ 1, другая - для выхода 2,
- два одинаковых разделительных конденсатора 3 и 4 соответственно,
- первый полевой транзистор с барьером Шоттки 5,
- источник постоянного управляющего напряжения 6,
- первая индуктивность 7,
- второй полевой транзистор с барьером Шоттки 8,
- вторая и третья индуктивности 9 и 10 соответственно.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного усилителя СВЧ.
На фиг.3 дана зависимость коэффициента усиления от рабочей частоты.
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.
Два одинаковых разделительных конденсатора 3 и 4 выполнены на основе окиси кремния величиной, равной 20 пФ.
Полевые транзисторы с барьером Шоттки 5 и 8 выполнены каждый с длиной затвора, равной 0,4 мкм, шириной затвора, равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс, равное - 2,0 В.
Индуктивности первая 7 и вторая 9 выполнены одинаковыми по величине в виде меандров шириной и длиной, равной 10 и 200 мкм соответственно, третья индуктивность 10 выполнена в виде отрезка линии передачи шириной и длиной, равной 10 и 20 мкм соответственно.
При этом общая точка соединения затвора второго полевого транзистора с барьером Шоттки 6 с истоком первого полевого транзистора с барьером Шоттки 5 заземлена через третью индуктивность 10.
Заявленный усилитель СВЧ работает следующим образом.
При подаче на затвор первого полевого транзистора с барьером Шоттки 5 от источника постоянного положительного напряжения 6 переменного напряжения с частотой 2 ГГц с амплитудой 1 В, а на его сток напряжения 5 В от источника постоянного напряжения 6 через оба полевых транзистора с барьером Шоттки будет протекать постоянный и переменный токи.
Вследствие нелинейной вольт-амперной характеристики у обоих полевых транзисторов с барьером Шоттки 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 усилители СВЧ будут протекать подобно описанным выше и на этих частотах. При этом уровень коэффициента усиления будет зависеть от ширины рабочей полосы частот.
На образцах заявленного усилителя мощности СВЧ была измерена зависимость величины коэффициента усиления от рабочей частоты, изменяющейся в пределах от 0,5 ГГц до 26 ГГц.
Результаты представлены на фиг.3.
Из представленной зависимости от частоты коэффициента усиления видно, что
- рабочая полоса частот изменяется от 2 ГГц до 22 ГГц, что в 2 раза больше, чем в прототипе,
- уровень коэффициента усиления в рабочей полосе частот изменяется от 10 дБ до 12 дБ, что в 1,2 раза больше, чем в прототипе.
Таким образом, заявленный усилитель СВЧ позволит по сравнению с прототипом
- расширить рабочую полосу частот примерно в 2 раза,
- увеличить уровень коэффициента усиления в 1,2 раза,
Указанные преимущества усилителя СВЧ особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных изделий СВЧ, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения и, особенно, в монолитно интегральном исполнении.
Источники информации
1. Патент РФ №2033686, МПК H03F 3/60, приоритет
2. Патент РФ №2296416, МПК H03F 3/19, 3/60, приоритет 2005.07.29, опубл. 2007.03.27.
3. Патент РФ №2069448, МПК H03F 3/45, приоритет 1994.06.29, опубл. 1996.11.20.
4. Научно-технический сборник. Электронная техника, серия 1 СВЧ-техника, выпуск 2 (486) 2005 г., с.52-53 - прототип.