ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ
RECONFIGURABLE MICROWAVE AMPLIFIER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к усилителям 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 в длинноволновой части СВЧ-диапазона серьезную конкуренцию усилителям на полевых транзисторах с барьером Шотки составляют усилители на основе биполярных транзисторов.
Известен многокаскадный сверхширокополосный усилитель СВЧ, содержащий как минимум два аналогичных транзисторных усилительных каскада и межкаскадную согласующую цепь [1].
С целью расширения рабочей полосы частот усилительный каскад 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 ко 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.
Данный усилитель выполнен 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.
Более того, ограничение рабочей полосы частот соответственно ограничивает и функциональные возможности усилителя.
Известен усилитель СВЧ, 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 полевых транзисторов. В качестве полевых транзисторов могут быть использованы транзисторы с затворами в виде барьера Шотки с различными напряжениями отсечки.
Данный усилитель СВЧ по сравнению с предыдущим, поскольку он выполнен на полевом транзисторе на полупроводниковом материале арсениде 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 и функциональные возможности.
Однако усилитель СВЧ, выполненный на полевых транзисторах с барьером Шотки, характеризуется определенными величинами внутренних емкостей и в силу этого и согласно теореме Фано такой усилитель имеет ограничения либо на ширину рабочей полосы частот, либо на величину коэффициента усиления, что соответственно ограничивает его функциональные возможности.
Известен усилитель СВЧ с общим управляющим электродом полевого транзистора, который соединен с источником питания, делитель напряжения цепи смещения, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, при этом точка соединения резисторов соединена с входом усилителя и управляющим электродом полевого транзистора, а между корпусом и эмиттирующим электродом полевого транзистора имеется резистор, причем эмиттирующий электрод полевого транзистора связан с выходом усилителя.
В данный усилитель СВЧ с целью перестройки полосы частот введен перестраиваемый полупроводниковый прибор - диод, один вывод которого подсоединен к корпусу, а другой вывод подсоединен через регулируемый резистор к источнику питания и через конденсатор к подвижному контакту резистора расположенного между корпусом и эмиттирующим электродом полевого транзистора [3 - прототип].
Данный усилитель СВЧ по сравнению с предыдущим позволяет посредством изменения положения подвижного контакта резистора изменять управляющее напряжение на перестраиваемом полупроводниковом приборе - диоде и тем самым осуществлять перестройку полосы частот. При этом суммарный диапазон усиливаемых частот будет, по меньшей мере, в два раза больше рабочей полосы частот усилителя.
Однако в данном усилителе СВЧ перестраиваемый полупроводниковый прибор - диод предназначен только для повышения линейности и не позволяет изменять диапазон усиливаемых частот.
Более того, данный усилитель СВЧ позволяет осуществлять повышение линейности только в области низких частот диапазона СВЧ.
Более того, поскольку регулировка величины резистора, а следовательно, управляющего напряжения осуществляется вручную, это ограничивает функциональные возможности перестраиваемого усилителя СВЧ.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона усиливаемых частот и функциональных возможностей усилителя СВЧ.
Указанный технический результат достигается заявленным перестраиваемым усилителем СВЧ, содержащим две одинаковые линии передачи, одна - на входе, другая - на выходе, два разделительных конденсатора, полевой транзистор и соединенный с ним перестраиваемый полупроводниковый прибор, элементы для подачи постоянного положительного напряжения на сток полевого транзистора, при этом первый конец первого разделительного конденсатора соединен с линией передачи на входе, а другой его конец и первый конец второго разделительного конденсатора соединены с полевым транзистором, а второй его конец - с линией передачи на выходе.
При этом
- в перестраиваемый усилитель СВЧ дополнительно введена индуктивность,
- а в качестве перестраиваемого полупроводникового прибора служит второй полевой транзистор,
- при этом один из концов индуктивности соединен со вторым концом первого разделительного конденсатора и с затвором первого полевого транзистора, другой ее конец - со стоком второго полевого транзистора, исток которого заземлен, а на затвор второго полевого транзистора подают управляющее напряжение от источника постоянного отрицательного напряжения, сток первого полевого транзистора соединен с концом второго разделительного конденсатора, а его исток заземлен.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного усилителя СВЧ, а именно:
Введение в усилитель индуктивности обеспечивает возможность работы усилителя в отличие от прототипа не только в области низких частот, но и в диапазоне СВЧ.
Использование в качестве перестраиваемого полупроводникового прибора второго полевого транзистора:
во-первых, обеспечивает возможность включения перестраиваемого полупроводникового прибора - второго полевого транзистора с барьером Шотки во входной частотно-задающий контур усилителя, что тем самым приводит к смещению центральной частоты, а вместе с ней и всей рабочей полосы частот и, как следствие, - расширение диапазона усиливаемых частот,
во-вторых, при подаче на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки постоянного отрицательного напряжения обеспечивается изменение внутренней емкости этого полевого транзистора с барьером Шотки и тем самым - изменение схемы согласования на входе этого полевого транзистора с барьером Шотки, что тем самым приводит к смещению полосы частот усилителя и, как следствие, - увеличение диапазона усиливаемых частот, включая диапазон СВЧ,
в-третьих, благодаря тому, что полевой транзистор с барьером Шотки является трехэлектродным полупроводниковым прибором, причем один из них - перестраиваемый обеспечивает расширение функциональных возможностей.
Более того, включение перестраиваемого полупроводникового прибора - второго полевого транзистора с барьером Шотки через индуктивность параллельно линии передачи на входе, что тем самым исключает возможность изменения коэффициента усиления как в рабочей полосе частот, так и во всем диапазоне усиливаемых частот.
Более того, заявленные элементы и их соединение не влияют на крутизну вольтамперных характеристик полевых транзисторов с барьером Шотки и в силу этого уровень коэффициента усиления либо не изменяется по сравнению с прототипом, либо даже несколько повышается.
Итак, анализ совокупности существенных признаков заявленного перестраиваемого усилителя СВЧ говорит о реализации указанного технического результата, а именно расширении диапазона усиливаемых частот и функциональных возможностей усилителя.
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 разделительных конденсатора - 3 и 4 соответственно,
- первый полевой транзистор - 5,
- перестраиваемый полупроводниковый прибор - второй полевой транзистор - 6,
- элементы для подачи постоянного положительного напряжения - 7,
- индуктивность - 8,
- источник постоянного отрицательного напряжения - 9.
На фиг.2 дана электрическая схема заявленного усилителя СВЧ.
На фиг.3 дана зависимость коэффициента усиления по мощности от 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, например, одинаковых разделительных конденсатора 3 и 4 выполнены на основе окиси кремния величиной, равной 20 пФ.
Полевые транзисторы, например, с электродом затвора в виде барьера Шотки 5 и 6 выполнены каждый с длиной и шириной электрода затвора, равной 0,4 мкм и 300 мкм соответственно, одинаковыми длинами электродов стока и истока, равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uост, равное - 2,0 В.
Индуктивность 8 выполнена в виде меандра шириной и длиной, равной 10 и 200 мкм соответственно.
При этом первый конец первого разделительного конденсатора 3 соединен с линией передачи на входе 1, а второй его конец и первый конец второго разделительного конденсатора 4 соединены с первым полевым транзистором 5, а второй его конец - с линией передачи на выходе 2.
Один из концов индуктивности 8 соединен со вторым концом первого разделительного конденсатора 3 и с затвором первого полевого транзистора 5, другой ее конец соединен со стоком второго полевого транзистора 6, исток которого заземлен.
Сток первого полевого транзистора 5 соединен с концом второго разделительного конденсатора 4, а его исток заземлен.
Заявленный усилитель СВЧ работает следующим образом.
При подаче на электрод затвора первого полевого транзистора 5 переменного напряжения с частотой 2 ГГц с амплитудой 1 В, а на его электрод стока через элементы для подачи постоянного положительного напряжения 7 напряжения величиной, равной 5 В, а на электрод затвора второго полевого транзистора 6 постоянного отрицательного напряжения -0,5 В от источника постоянного отрицательного напряжения 9, при этом через первый полевой транзистор с барьером Шотки 5 будет протекать одновременно постоянный и переменный токи.
Вследствие нелинейной вольтамперной характеристики у первого полевого транзистора 5, 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, усиление мощности СВЧ.
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.
При подаче на электрод затвора второго полевого транзистора постоянного отрицательного напряжения -1 В внутренние емкости его изменятся и описанные выше процессы усиления сигнала СВЧ будут происходить в рабочей полосе частот, смещенной относительно первой рабочей полосы частот в более высокочастотную часть диапазона усиливаемых частот.
Если продолжать изменять постоянное отрицательное напряжение, подаваемое на электрод затвора второго полевого транзистора 6, то рабочая полоса частот будет перемещаться все более и более в высокочастотную часть диапазона усиливаемых частот.
Таким образом, изменяя постоянное отрицательное напряжение на электроде затвора второго полевого транзистора 6 от 0 В до напряжения отсечки Uост, равного -2,5 В, рабочая полоса усиливаемых частот будет перемещаться, что в конечном счете приводит к расширению диапазона усиливаемых частот вплоть до диапазона СВЧ.
На образцах заявленного усилителя СВЧ была измерена зависимость величины коэффициента усиления по мощности от частоты, изменяющейся в пределах от 0,5 до 26 ГГц.
Результаты представлены на фиг.3.
Из представленной зависимости величины коэффициента усиления по мощности от частоты видно, что
- рабочая полоса частот составляет 20 ГГц, что примерно в 2 раза больше, чем в прототипе,
- уровень коэффициента усиления в рабочей полосе частот превышает 10 дБ, что примерно в 1,5 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 примерно в 1,5 раза.
Указанные преимущества усилителя СВЧ важны и 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 №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 Патент РФ №2289198, МПК H03F 1/32, приоритет 2004.12.20, опубл. 2006.12.10 - прототип.