Сверхвысокочастотный транзисторный усилитель
ULTRA HIGH FREQUENCY TRANSISTOR AMPLIFIER

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности к транзисторным усилителям, пригодным для использования в системах с волноводными линиями передачи в качестве входного малошумящего усилителя и усилителя мощности мм и КВЧ диапазона длин волн.
Известен ряд усилителей волноводно-интегральной конструкции, в том числе выполненных с использованием волноводно-щелевых линий передачи (см., например, пат. США №4672328, пат. ФРГ №224463). Среди таких устройств наиболее близким к предлагаемому является усилитель в соответствии с пат. СССР №1734561 «Сверхвысокочастотный усилитель», рег. 29.12.1992 г. Схемно-конструктивное решение этого усилителя основано на использовании в качестве линий передачи СВЧ мощности и пассивных элементов согласования отрезков щелевых линий.
Все СВЧ элементы известного усилителя, представленного на фиг. 1, выполнены в виде металлизированных и резистивных поверхностей методами интегральной технологии на подложке 1 из твердого диэлектрика. При этом подложка с активными и пассивными элементами СВЧ установлена вдоль волновода 2 по середине его широких стенок, что обеспечивает подачу СВЧ мощности во входную цепь усилители (к активному элементу) и подключение внешней нагрузки к его выходной цепи.
На входе усилителя проводящие поверхности 3, 4, расположенные на диэлектрической подложке 1, образуют отрезки волноводно-щелевых линий, представляющих собой трансформатор, согласующий импеданс цепи «затвор-исток» транзистора 7 с импедансом волновода 2. При этом цепь «затвор-исток» транзистора 7 подключена к входному согласующему трансформатору посредством закороченного на конце четвертьволнового на частоте выходного сигнала отрезка щелевой линии 8. На выходе усилителя отрезки волноводно-щелевой линии, образованные проводящими поверхностями 3, 5, представляют собой трансформатор, согласующий импеданс цепи «сток-исток» транзистора с импедансом нагрузки на СВЧ. Проводящие поверхности 4 и 5 при этом соединены на СВЧ (на частоте сигнала) с широкой стенкой волновода через полосковые LC-элементы 6.
Для обеспечения устойчивости режима усиления в более широкой полосе рабочих частот между проводящими поверхностями 4 и 5 сформированы соединенные с ними планарные резистивные элементы 9, разделенные щелью. На упомянутых элементах 9 размещены контактные площадки, к которым подведены цепи питания электродов транзистора 7.
Описанный выше усилитель в качестве МШУ реализован в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн с применением в качестве активных элементов FET GaAs транзисторов. Так, например, многокаскадный малошумящий усилитель 8 мм диапазона длин волн для радиометра прямого усиления обеспечивает высокую устойчивость (без применения развязывающих устройств) при коэффициенте усиления по мощности до 65 дБ. В то же время, при использовании в составе известного усилителя р-НЕМТ транзисторов, дающих значительно большее усиление на рабочих частотах, наблюдается неустойчивость (самовозбуждение) усилителя за пределами рабочего диапазона частот. Анализ причин возникновения неустойчивости показал, что вне рабочей полосы частот входной и выходной электроды транзистора отключаются от импедансов генератора и нагрузки. При этом реактивности блокирующих LC-элементов и проводящих поверхностей 4 и 5 во входной и выходной цепи усилителя, подключенные к входному и выходному электродам транзистора, с учетом параметров его эквивалентной схемы при значительно более высокой крутизне р-НЕМТ транзистора (по сравнению с FET), могут образовывать схему автогенератора с емкостной обратной связью на частотах ниже границы рабочих частот усилителя. Кроме того, при использовании в известном усилителе широкополосных трехступенчатых четвертьволновых согласующих трансформаторов большей длины неустойчивость режима усиления еще больше возрастает, так как условия самовозбуждения возникают на более низких частотах, где р-НЕМТ транзисторы имеют большее усиление.
Техническим эффектом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является устранение неустойчивости режима усиления СВЧ транзисторного усилителя.
Этот эффект достигается тем, что в предлагаемом сверхвысокочастотном транзисторном усилителе, представленном на фиг. 2, содержащем, как и известное устройство, диэлектрическую подложку 1 с расположенными на ней проводящими поверхностями 3, 4, 5, транзистором 7, подключенным к внешним источникам напряжения через LC-фильтры 13, установленную вдоль волновода 2 по середине его широких стенок таким образом, что поверхность 3, соединенная непосредственно с одной широкой стенкой, и поверхности 4, 5, соединенные посредством полосковых LC-элементов 6 с противоположной широкой стенкой волновода, образуют входной и выходной трансформаторы, к которым посредством четвертьволновых на частоте сигнала отрезков щелевой линии 8 подключены цепи «затвор-исток» и «сток-исток» транзистора 7 соответственно, в отличие от известного устройства, диэлектрическая подложка 1 с элементами усилителя дополнительно содержит проводящую поверхность 9, расположенную между проводящими поверхностями 4 и 5 и соединенную с одной стороны с проводящей поверхностью 3, с другой - с противолежащей поверхности 3 широкой стенкой волновода, а также расположенные с зазором между собой проводящие поверхности 11 и 12, соединенные с проводящими поверхностями 4 и 5 соответственно. Эти поверхности (11 и 12) лежат на диэлектрическом слое 10, разделяющем упомянутые проводящие поверхности 11, 9 и 12, 9, как представлено на фиг. 3.
В процессе работы усилителя проводящие поверхности 4 и 5 подключаются к дополнительно введенной поверхности 9 через емкости, образованные поверхностями 11, 9 и 12, 9, определяемые параметрами диэлектрического слоя 10 и геометрией введенных проводящих поверхностей 9, 11, 12. При этом вне диапазона рабочих частот цепи «затвор-исток» и «сток-исток» отключаются от реактивностей цепей, подключенных к затвору и стоку транзистора, образующих схемы паразитных генераторов. Кроме того, в диапазоне рабочих частот цепи «затвор-исток» и «сток-исток» подключаются к входному и выходному согласующим трансформаторам посредством четвертьволновых отрезков щелевых линий 8 с минимальными дополнительными реактивностями щелевых линий, образованных зазорами между проводящими поверхностями 4, 9 и 5, 9, что способствует снижению неравномерности амплитудно-частотной характеристики усилителя.
Пример реализации
Предлагаемый усилитель реализован в 8-мм диапазоне длин волн на транзисторе FPO-200. В полосе частот 34-38 ГГц коэффициент усиления по мощности составил 6 дБ при неравномерности коэффициента усиления менее 1 дБ. Усилитель устойчив к самовозбуждению в диапазоне температур (-60÷+85)°С.