УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ
SHF POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к усилителям мощности СВЧ на полупроводниковых приборах и, прежде всего, применяемым в миллиметровом диапазоне длин волн.
Усилитель мощности СВЧ характеризуется величиной:
- выходной мощности,
- коэффициента усиления,
- коэффициентов отражения мощности на входе и выходе,
- безвозвратных потерь мощности, в том числе потерь мощности, рассеянной в окружающее пространство.
- температуры перегрева полупроводникового прибора, которая в рабочем состоянии не должна превышать допустимую величину.
А также надежностью работы.
В миллиметровом диапазоне длин волн широко используются усилители мощности СВЧ на полупроводниковых приборах в волноводном исполнении. Достоинством таких усилителей является эффективный отвод тепла от полупроводниковых приборов.
Известен усилитель мощности СВЧ, состоящий из прямоугольного волновода (далее волновод), один конец которого предназначен для входа сигнала СВЧ, другой - для выхода, внутри волновода на одной из широких стенок расположен усилитель на полупроводниковом приборе [1].
Согласование входа и выхода которого с входной и выходной частями волновода осуществляется с помощью диафрагм и изменения поперечного сечения волновода. Причем один из электродов полупроводникового прибора соединен гальванически с широкой стенкой волновода.
В данном усилителе мощности СВЧ входная и выходная мощности сигнала СВЧ сосредоточены внутри волновода и не рассеиваются в окружающее пространство, поэтому такой усилитель мощности СВЧ обладает малыми безвозвратными потерями мощности.
Кроме того, такая конструкция позволяет относительно просто получить многокаскадный усилитель путем размещения нескольких усилителей на полупроводниковых приборах на широкой стенке волновода по пути распространения сигнала СВЧ и тем самым получить высокий уровень коэффициента усиления.
Однако в данном усилителе мощности СВЧ трудно, а в миллиметровом диапазоне длин волн практически невозможно осуществить сложение мощности от отдельных усилителей на полупроводниковых приборах, поскольку такое сложение мощности предусматривает параллельное включение и соответственно параллельное размещение отдельных усилителей на полупроводниковых приборах поперек широкой стенки волновода, размер которой весьма ограничен и как следствие - ограничение по выходной мощности СВЧ.
Известен усилитель мощности СВЧ, содержащий два одинаковых прямоугольных волновода, один - для входа, другой - для выхода, которые гальванически соединены по одной из узких стенок и закорочены на одном из концов волновода.
В одной из широких стенок каждого волновода симметрично относительно плоскости гальванического соединения и параллельно узким стенкам волновода расположены, по меньшей мере, две одинаковые резонансные щели в каждом волноводе, при этом центральные линии резонансных щелей расположены на расстоянии, равном половине длины волны в волноводе, расстояние от закороченных концов каждого волновода до ближайшей резонансной щели соответственно равно четверти длины волны в волноводе.
На поверхности одной из широких стенок каждого волновода со стороны щелей расположены две интегральные схемы на диэлектрической подложке с отрезками микрополосковых линий, в зазоре между которыми размещены отдельные усилители на полевых транзисторах с барьером Шотки, которые соединены с отрезками микрополосковых линий навесными проводниками [2].
Преимуществом данного усилителя мощности СВЧ по сравнению с предыдущим является возможность размещения на поверхности прямоугольного волновода параллельно друг другу нескольких отдельных усилителей на полевых транзисторах с барьером Шотки, что позволяет повысить выходную мощность усилителя СВЧ, при этом она пропорциональна числу упомянутых усилителей.
Недостатком данного усилителя мощности СВЧ является невысокий коэффициент усиления, обусловленный ограниченным размером зазора между двумя интегральными схемами с отрезками микрополосковых линий. В котором, как правило, можно разместить не более одного упомянутого отдельного усилителя.
Кроме того, наличие в усилителе мощности СВЧ, навесных проводников, вследствие:
во-первых, разброса по их длине, а также не повторяемости и не достаточной идентичности их размещения в пространстве приводит к увеличению рассогласования между микрополосковыми линиями интегральных схем и отдельными усилителями на полевых транзисторах с барьером Шотки и как следствие - увеличение коэффициентов отражения мощности на входе и выходе усилителя СВЧ,
во-вторых, наличие границы раздела между двумя металлическими поверхностями со всеми вытекающими последствиями, например, возможной коррозии, поскольку соединения микрополосковых линий интегральных схем с отдельными усилителями на полевых транзисторах с барьером Шотки осуществляют, как правило, пайкой или сваркой и как следствие - снижение надежности работы усилителя мощности СВЧ.
Более того, данная конструкция усилителя мощности СВЧ является открытой для распространяющегося в ней сигнала СВЧ, поэтому значительная часть мощности сигнала СВЧ безвозвратно рассеивается в окружающее пространство.
Известен усилитель мощности СВЧ, содержащий два одинаковых прямоугольных волновода, один - для входа, другой - для выхода, которые гальванически соединены по одной из узких стенок и закорочены на одном из концов каждого волновода [3 - прототип].
В одной из широких стенок каждого волновода симметрично относительно плоскости гальванического соединения и параллельно узким стенкам волновода расположены, по меньшей мере, две одинаковые резонансные щели в каждом волноводе, при этом центральные линии резонансных щелей расположены на расстоянии, равном половине длины волны в волноводе, расстояние от закороченного конца каждого волновода до ближайшей резонансной щели соответственно равно четверти длины волны в волноводе.
На поверхности одной из широких стенок каждого волновода со стороны щелей расположены две интегральные схемы (ИС) на диэлектрической подложке с отрезками микрополосковых линий.
В данном усилителе мощности СВЧ в отличие от предыдущего в зазоре между двумя интегральными схемами с отрезками микрополосковых линий размещены монолитные интегральные схемы (МИС) на полупроводниковой подложке с многокаскадными усилителями на полевых транзисторах с барьером Шотки.
При этом вход и выход последних также соединены с отрезками микрополосковых линий интегральных схем навесными проводниками.
Возможность размещения в зазоре между двумя интегральными схемами монолитных интегральных схем на полупроводниковой подложке с многокаскадными усилителями на полевых транзисторах с барьером Шотки позволила значительно пропорционально числу каскадов усилителей увеличить коэффициент усиления.
Однако наличие на одной поверхности широких стенок гальванически соединенных волноводов двух разных типов схем - интегральных и монолитных интегральных схем, выполненных на подложках из разного материала диэлектрического и полупроводникового соответственно и с разной их толщиной, создает трудности в их согласовании и как следствие - увеличение коэффициентов отражения мощности на входе и выходе усилителя СВЧ.
Кроме того, наличие в данном усилителе мощности СВЧ, как и в предыдущем, навесных проводников. И вследствие тех же, указанных выше, нежелательных причин и проявляющих себя также при согласовании и соединении элементов, а в данном усилителе мощности СВЧ - микрополосковых линий интегральных схем с входами и выходами многокаскадных усилителей на полевых транзисторах с барьером Шотки, приводит также как и в предыдущем аналоге к:
во-первых, увеличению коэффициентов отражения мощности на входе и выходе усилителя мощности СВЧ,
во-вторых, снижению надежности работы усилителя мощности СВЧ.
Более того, данная конструкция усилителя мощности СВЧ, как и предыдущая, является открытой для распространяющегося в ней сигнала СВЧ, поэтому значительная часть мощности сигнала СВЧ безвозвратно рассеивается в окружающее пространство.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы, повышение выходной мощности, практически полное исключение безвозвратных потерь мощности, рассеиваемой в окружающее пространство, снижение коэффициентов отражения на входе и выходе усилителя мощности СВЧ.
Указанный технический результат достигается усилителем мощности СВЧ, содержащим два одинаковых прямоугольных волновода, один - для входа, другой - для выхода, гальванически соединенные по одной из узких стенок и закороченные на одном из концов каждого волновода, в одной из широких стенок каждого волновода симметрично относительно плоскости гальванического соединения и параллельно узким стенкам волновода расположены, по меньшей мере, две одинаковые резонансные щели в каждом волноводе, при этом центральные линии резонансных щелей расположены на расстоянии, равном половине длины волны в волноводе, расстояние от закороченного конца каждого волновода до ближайшей резонансной щели соответственно равно четверти длины волны в волноводе, на поверхности одной из широких стенок каждого волновода со стороны резонансных щелей расположены, по меньшей мере, два отрезка микрополосковых линий и, по меньшей мере, два многокаскадных усилителя на полевых транзисторах с барьером Шотки, входы и выходы которых соединены с отрезками микрополосковых линий проводниками.
В котором упомянутые отрезки микрополосковых линий, многокаскадные усилители на полевых транзисторах с барьером Шотки и проводники выполнены в виде единой монолитной интегральной схемы на полупроводниковой подложке, при этом усилитель мощности СВЧ снабжен металлической крышкой с металлическими стенками, которая расположена над монолитной интегральной схемой, при этом длина и ширина металлической крышки с металлическими стенками равны длине и ширине гальванически соединенных волноводов соответственно, а высота ее металлических стенок равна половине длины узкой стенки волновода, при этом торцевые поверхности ее металлических стенок приварены по периметру к стенкам волноводов.
Раскрытие сущности изобретения.
Заявленный усилитель мощности СВЧ, совокупность его существенных признаков, а именно:
Выполнение отрезков микрополосковых линий, многокаскадных усилителей на полевых транзисторах с барьером Шотки и проводников в виде единой монолитной интегральной схемы на полупроводниковой подложке позволит:
во-первых, исключить навесные проводники и тем самым:
- существенно улучшить согласование между микрополосковыми линиями и многокаскадными усилителями на полевых транзисторах с барьером Шотки и как следствие - снижение коэффициентов отражения мощности на входе и выходе усилителя СВЧ,
- благодаря исключению из конструкции усилителя мощности СВЧ границы раздела между двумя металлическими поверхностями - результат сварки или пайки и как следствие - повышение надежности работы усилителя мощности СВЧ;
во-вторых, исключить дополнительное отражение сигнала СВЧ между резонансными щелями и микрополосковыми линиями и тем самым исключить нарушение условий деления и суммирования мощности СВЧ в каждом волноводе и как следствие:
- повышение выходной мощности,
- и снижение коэффициентов отражения мощности на входе и выходе усилителя СВЧ;
- в третьих, исключить наличие двух разных типов схем - интегральных и монолитных интегральных схем и выполненных на подложках из разного материала диэлектрического и полупроводникового соответственно и с разной их толщиной, и тем самым исключить отражение сигнала СВЧ на границах раздела между этими интегральными схемами, и тем самым исключить нарушение условия деления и суммирования мощности, и как следствие -
- повышение выходной мощности,
- и снижение коэффициентов отражения мощности на входе и выходе усилителя мощности СВЧ.
Металлическая крышка с металлическими стенками указанных размеров, расположенная над монолитной интегральной схемой и приваренная по периметру к стенкам волноводов позволит закрыть конструкцию усилителя мощности СВЧ для распространяющегося в ней сигнала СВЧ и тем самым снизить:
во-первых, практически полностью исключить безвозвратные потери мощности, рассеиваемой в окружающее пространство и как следствие - повышение выходной мощности,
во-вторых, коэффициенты отражения мощности на входе и выходе усилителя СВЧ и как следствие - повышение выходной мощности.
Итак, заявленная совокупность существенных признаков реализует указанный технический результат, а именно повышение надежности работы, повышение выходной мощности, снижение коэффициентов отражения на входе и выходе усилителя мощности СВЧ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дан общий вид заявленного усилителя мощности СВЧ, где
- два одинаковых прямоугольных волновода, один - для входа сигнала СВЧ - 1, другой - для выхода - 2,
- по меньшей мере, две одинаковые резонансные щели в каждом волноводе - 3 и 4 соответственно,
- закороченные концы каждого волновода - 5,
- по меньшей мере, два отрезка микрополосковых линий - 6 и 7 соответственно,
- по меньшей мере, два многокаскадных усилителя на полевых транзисторах с барьером Шотки - 8,
- единая монолитная интегральная схема - 9,
- металлическая крышка с металлическими стенками - 10.
На фиг.2 дана электрическая схема усилителя мощности СВЧ.
На фиг.3 дана зависимость от частоты мощности сигнала СВЧ на выходе усилителя мощности СВЧ.
На фиг.4 даны зависимости от частоты коэффициентов отражения на входе и выходе усилителя мощности СВЧ.
Пример конкретного выполнения заявленного усилителя мощности СВЧ.
Два одинаковых прямоугольных волновода (WR-28) на входе 1 и выходе 2 каждый имеют поперечное сечение 7,11×3,5 мм. Толщина стенок волновода равна 1,016 мм (толщина щели).
Единая монолитная интегральная схема 9 выполнена на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной, равной 0,1 мм, с использованием классической тонкопленочной технологии.
Два отрезка микрополосковых линий 6 и 7 выполнены с одинаковыми волновыми сопротивлениями, равными 50 Ом, что соответствует ширине проводников из золота, равной 0,08 мм. Толщина проводников равна 4 мкм.
Многокаскадные усилители 8 выполнены на полевых транзисторах с барьером Шотки 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.
Две одинаковые резонансные щели 3 и 4 в волноводах на входе 1 и выходе 2 соответственно выполнены длиной 5,8 мм и шириной 0,58 мм, что соответствует средней частоте, равной 33 ГГц.
Металлическая крышка с металлическими стенками 10 выполнена, например, из латуни длиной и шириной, равной длине и ширине гальванически соединенных волноводов (L равно 14 мм, W равно 18 мм), высотой металлических стенок, равной половине длины узкой стенки волновода, равной 1,75 мм.
При этом торцевые поверхности металлических стенок приварены по периметру к стенкам волноводов.
Заявленный усилитель мощности СВЧ работает следующим образом:
1
На вход 1 волновода подается сигнал СВЧ мощностью Р.
1
1
В силу выполнения заданных условий, а именно - когда в одной из широких стенок одинаковых прямоугольных волноводов на входе 1 и выходе 2 симметрично относительно плоскости гальванического соединения и параллельно узким стенкам волноводов расположены, по меньшей мере, две одинаковые резонансные щели 3 и 4 соответственно, и когда центральные линии резонансных щелей расположены на расстоянии, равном половине длины волны в волноводе, а расстояние от закороченного конца 5 каждого волновода до ближайшей резонансной щели соответственно равно четверти длины волны в волноводе, сигнал СВЧ мощностью Р делится между, по меньшей мере, двумя резонансными щелями в волноводе на входе 1 поровну Р/2.
1
Каждая резонансная щель 3 возбуждает сигнал СВЧ в соответствующем отрезке микрополосковой линии 6, который распространяется в этой микрополосковой линии, усиливается в многокаскадном усилителе 8, по меньшей мере, в 10 раз (5 P) и распространяется в отрезке микрополосковой линии 7 и далее возбуждает сигнал СВЧ в резонансной щели 4 волновода на выходе 2.
2
1
На выходе 2 волновода сигналы СВЧ, по меньшей мере, от двух резонансных щелей 4 суммируются, и в результате мощность сигнала СВЧ равна Р, равная 10 Р.
Следует подчеркнуть, поскольку на вход каждого многокаскадного усилителя на полевом транзисторе с барьером Шотки поступает мощность, равная, по меньшей мере, половине мощности на входе волновода 1, то перегрев полевых транзисторов не может превосходить предельную температуру перегрева, что немало важно.
На изготовленном тест-образце усилителя мощности СВЧ были измерены:
- зависимость от частоты мощности сигнала СВЧ на выходе усилителя мощности СВЧ.
- зависимости от частоты коэффициентов отражения на входе и выходе усилителя мощности СВЧ.
Как видно:
Из фиг.3 мощность сигнала СВЧ на центральной частоте составляет 1,2 Вт.
Из фиг.4 величины коэффициентов отражения на входе и выходе усилителя мощности СВЧ не превышают 0,05.
Таким образом, заявленный усилитель мощности СВЧ позволит по сравнению с прототипом:
- повысить надежность работы,
- повысить выходную мощность в 1,2 раза, в том числе и прежде всего благодаря практически полному исключению безвозвратных потерь мощности, рассеиваемой в окружающее пространство,
- снизить величину коэффициентов отражения на входе и выходе в 1,5 раз.
Данный усилитель мощности СВЧ, имеющий указанные параметры, может быть особенно актуален при создании, как отдельных изделий электронной техники СВЧ, так и радиоэлектронных устройств СВЧ различного назначения, особенно работающих в миллиметровом диапазоне длин волн.
Источники информации
1. Малышев В.А. Бортовые активные устройства СВЧ. Судостроение, Ленинград, 1990, с.195.
2. Chang К., Sun С. Millimeter-wave power-combining technigues. IEEE-MTT, v.31, №12, 1983, pp.91-107.
3. Jiang X., Lin L. and al. A Ka-Band Power Amplifiers. IEEE-MTT, v.51, №1, 2003, pp.144-147 - прототип.