Меню

Согласование усилителя мощности свч

Согласование усилителя мощности свч

Оглавление книги Популярные страницы Скачать книгу Купить книгу

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы и принципы действия аналоговых устройств на биполярных и полевых транзисторах. Анализируются основные схемы, используемые в аналоговых трактах типовой радиоэлектронной аппаратуры, приводятся расчетные формулы, позволяющие определить элементы принципиальных схем этих устройств по требуемому виду частотных, фазовых и переходных характеристик. Излагаются основы построения различных функциональных устройств на основе операционных усилителей. Рассмотрены так же ряд специальных вопросов с которыми приходится сталкиваться разработчикам аналоговых электронных устройств – оценка нелинейных искажений, анализ устойчивости, чувствительности и др.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 552500, 654200 – «Радиотехника», 654100 – «Электроника и микроэлектроника», и может быть полезно для преподавателей и научных работников.

Книга: Схемотехника аналоговых электронных устройств

7.2. Усилители диапазона СВЧ

7.2. Усилители диапазона СВЧ[1]

В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются различные системы передачи информации СВЧ диапазона: радиорелейные линии, системы космической связи «Орбита», «Экран», «Москва» и т.п., системы непосредственного телевещания диапазона 12ГГц, системы космической навигации, службы погоды и т.д.

Важными компонентами этих систем являются широкополосные усилители (ШУ), работающие в качестве предварительных усилителей, усилителей промежуточных частот (ПЧ), видеоусилителей и т.д.

Как правило, подобные усилители работают в согласованном тракте передачи с характеристическим сопротивлением 50 и 75 Ом. Тракт передачи может быть реализован в виде волновода, коаксиального кабеля, микрополосковой линии и т.п.

В качестве активных элементов в ШУ наиболее часто используют биполярные СВЧ транзисторы и полевые транзисторы с барьером Шоттки. БТ используют в диапазоне частот до 2 ГГц, ПТ с барьером Шоттки — до 100ГГц.

Транзисторные усилители СВЧ могут выполняться по схемам каскадных усилителей, усилителей распределенного усиления, каскадно-распределенных и балансных.

В каскадных усилителях наиболее часто используют каскады с ОЭ (ОИ), реже с ОБ (ОЗ) из-за проблемы согласования с характеристическим сопротивлением тракта в широком частотном диапазоне. Поскольку коэффициент усиления транзистора с ростом частоты уменьшается, то расчет ШУ и согласование нагрузок проводят для верхней частоты рабочего диапазона. Избыточное усиление в области НЧ и СЧ устраняют так называемыми выравнивающими цепями, которые могут быть реактивными и диссипативными (с потерями).

Диссипативные выравнивающие цепи рассчитывают так, чтобы обеспечить требуемый KP, хорошее согласование с характеристическим сопротивлением тракта передачи (малый КСВН) и устойчивость в диапазоне рабочих частот. В дециметровом диапазоне рабочих частот выравнивающие цепи могут быть реализованы в виде цепей с сосредоточенными параметрами, на более высокочастотном — с распределенными параметрами. Примеры простейших диссипативных выравнивающих цепей приведены на рисунке 7.9, причем более сложный вариант (рисунок 7.9б) — для сверхширокополосных усилителей (fв/fн>2).

Рисунок 7.9. Простейшие диссипативные выравнивающие цепи

Задача согласования и выравнивания коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот облегчается при использовании ООС. При резистивной ООС (рисунок 7.10а) достигается широкополосное согласование в каскаде на ПТ. В сверхширокополосных усилителях используют комбинированные резистивно-индуктивные цепи ООС (рисунок 7.10б), с помощью которых осуществляется эффективное выравнивание АЧХ.

Рисунок 7.10. ООС в СВЧ ШУ

Усилители с распределенным усилением (УРУ) (рисунок 7.11) позволяют достичь большой мощности выходного сигнала на низкоомной нагрузке за счет сложения токов транзисторов в выходной линии. Однако УРУ отличает сложная схемная реализация и низкий КПД.

Рисунок 7.11. УРУ

Каскадно-распределенные усилители (рисунок 7.12), сочетая достоинства каскадных и УРУ, позволяют получить хорошие мощностные характеристики в широкой полосе рабочих частот при относительно простой схемной реализации. Выбором Rэ1 и Rэ2 добиваются одинакового усиления по току транзисторов VT1 и VT2. Поскольку выходные токи транзисторов складываются в нагрузке, то возможно использование данного каскада на частотах, близких к fT используемых транзисторов.

Рисунок 7.12. Каскадно-распределенный усилитель

Балансные ШУ (рисунок 7.13) позволяют уменьшить паразитную обратную связь между транзисторами при их каскадировании, что позволяет увеличить устойчивый коэффициент усиления. Наличие направленных ответвителей (НО) существенно увеличивает габариты балансных усилителей.

Рисунок 7.13. Балансный усилитель

Для расчета СВЧ усилителей наиболее широко используется система S-параметров (параметров рассеяния). При этом транзистор представляют в виде четырехполюсника, нагруженного на стандартные опорные сопротивления, как правило, равные волновому сопротивлению применяемых передающих линий (рисунок 7.14).

Читайте также:  Расчетная мощность теплого пола

Рисунок 7.14. Транзистор как четырёхполюсник в системе S-параметров

Выбор S-параметров обусловлен относительной простотой обеспечения режима согласования на СВЧ (по сравнению, скажем, с режимом короткого замыкания при измерении Y-параметров), и, следовательно, корректностью их экспериментального определения, а также ясным физическим смыслом, а именно:

Для анализа передаточных характеристик СВЧ усилительных устройств также используют обобщенный метод узловых потенциалов, эквивалентные Y-параметры определяются через измеренные параметры рассеяния:

Параметры рассеяния транзистора (или любого четырехполюсника) можно рассчитать по его эквивалентной схеме, используя все тот же обобщенный метод узловых потенциалов:

где kij — нормировочный коэффициент, равный:

?ij — символ Кронекера, ?ij=1, если i=j, и ?ij=0, если i?j.

Ввиду сложности эквивалентных схем усилительных элементов и наличия распределенных структур, расчет передаточных характеристик усилителей СВЧ диапазона возможен только с помощью ЭВМ. Используя современные пакеты проектирования РЭУ, базы данных элементов и готовых схемных решений, разработчики имеют возможность, не проводя дорогостоящего натурного моделирования, получить ожидаемые реальные значения передаточных характеристик. С помощью ЭВМ возможно построение оптимальной топологии подложки усилителей, что позволяет полностью автоматизировать процесс проектирования усилителей СВЧ.

В настоящее время транзисторные СВЧ усилители выполняются, как правило, в гибридно-интегральном исполнении или в виде полупроводниковой интегральной микросхемы (монолитная технология) со стандартным напряжением питания. В качестве подложки при гибридном исполнении наиболее часто используются поликор, сапфир. Пассивные элементы выполняются по тонко- или толстопленочной технологии. Наилучшим материалом для выполнения контактных площадок, перемычек, выводов бескорпусных транзисторов является золото. Корпуса СВЧ усилителей выполняют из металла, имеющего одинаковый температурный коэффициент расширения с материалом подложки (например, поликор-титан). Для подключения СВЧ усилителей к тракту передачи используют СВЧ разъемы различной конструкции.

Самой современной является технология выполнения СВЧ усилителей по монолитной технологии. Этому способствовали успехи в создании высококачественного эпитаксиального арсенида галлия с высокой однородностью параметров по площади больших размеров, промышленно освоенная технология получения полевых транзисторов с длиной затвора до 0,5мкм, изучение методов расчета и исследование технологии изготовления сосредоточенных пассивных элементов в диапазоне рабочих частот до 20 ГГц, промышленное освоение технологии селективного ионного легирования арсенида галлия, создание математических моделей активных и пассивных элементов в сочетании с развитием методов машинного проектирования.

При изготовлении ИС СВЧ усилителей в большинстве случаев используется полуизолирующий арсенид галлия. Его конкурентом является сапфир, используемый в технологии «кремний на сапфире». В ИС миллиметрового диапазона волн в качестве подложки применяется чистый кремний.

При создании ИС СВЧ процессы схемотехнического проектирования, конструирования и технологии неразделимы. Технология изготовления ИС СВЧ основана на использовании уникальных свойств арсенида галлия в сочетании с методами ионной имплантации. Изолирующие свойства подложки из арсенида галлия, имеющего удельное сопротивление до 10 9 Ом·см, дают возможность изготовить на одном кристалле арсенида галлия ИС, содержащую активные приборы, пассивные цепи СВЧ и схемы питания.

Преимуществом ШУ СВЧ, выполненных в виде монолитных ИС, являются малые габаритные размеры и масса, широкая полоса рабочих частот из-за отсутствия стыковок и паразитных реактивностей, уменьшение доли ручного труда, воспроизводство рабочих характеристик и т.д.

К недостаткам ИС СВЧ усилителей является сложность технологии изготовления, высокие затраты на разработку, низкий процент выхода годных схем, сложность с отводом тепла от активных элементов, худшие электрические параметры (без подстройки). Подстройка возможна, если в схеме и конструкции предусмотрена возможность изменения режима работы активных элементов и параметров корректирующих цепей, цепей ООС и т.д. Для ИС, выполненных по монолитной технологии, проводят разбраковку по допустимому интервалу допусков.

Источник



Твердотельные усилители мощности СВЧ-диапазона со сверхоктавной полосой

Введение

Интерес к применению усилителей мощности с полосой частот более октавы (такую полосу для определенности будем называть сверхширокой полосой частот) не ослабевает. Это связано с интенсивным развитием технологии активных фазированных антенных решеток (АФАР), как радиолокационных, так и противорадиолокационных, с применением короткоимпульсных и шумоподобных сигналов, требующих большой мгновенной полосы передающего тракта, переходом к многофункциональным и многодиапазонным радиосистемам.

Читайте также:  Электрическая мощность электрического полотенцесушителя

Успех в создании высокоэффективных сверхширокополосных усилителей мощности (СШУМ) определяется сочетанием оптимальной схемотехнической реализации, рациональной конструкции и передовой технологии активных приборов. Технические решения и параметры приборов в данной работе рассматриваются применительно к диапазону частот 2–18 ГГц, охватывающему все основные радиолокационные (S‑, C‑, X‑, Ku-) диапазоны и наиболее востребованные (2–6, 6–18, 4–18 ГГц) противорадиолокационные диапазоны частот.

Основные определения

Сравним качественные параметры транзисторного СВЧ-усилителя мощности, имеющего различные полосы рабочих частот. Рабочей полосой частот будем считать такой участок частотного диапазона, в котором строго выполняются все заданные технические характеристики усилителя. Рассмотрим таблицу 1 применительно к элементарному транзисторному усилительному каскаду.

Параметры и показатели

Узкополосный

усилитель

Широкополосный усилитель

СШУМ

Перекрытие по частоте

Сложность согласующих цепей

Простые, 2–3 элемента

Реализуемый КСВН входа

Возможность полезного управления нагрузками на гармониках

Достижимый электронный КПД, %

Близок к электронному

Значительно меньше электронного

При этом «аппаратурный КПД» [1] определим как:

ηа = Рвых.минпотр.макс, (1)

где Рвых.мин — минимальная в рабочей полосе частот выходная мощность усилителя; Рпотр.макс — максимальная в рабочей полосе частот мощность потребления усилителя от источника питания.

Параметр ηа важен для проектирования системы, оценки энергопотребления системы при эксплуатации, предельной выходной мощности источника питания. При высокой неравномерности выходной мощности и равномерном электронном КПД аппаратурный КПД СШУМ может быть в несколько раз меньше электронного, а искусство проектирования СШУМ сегодня оценивается результатами повышения как первого, так и второго параметров.

Совершенствование параметров СШУМ в значительной степени связано с прогрессом в параметрах СВЧ-транзисторов и технологий их производства, а они в свою очередь — с развитием технологии СВЧ-интегральных схем и дискретных транзисторов на нитриде галлия (GaN). Далее остановимся на результатах, полученных в последнюю пятилетку.

Компонентная база СШУМ

Основой конструкции СШУМ сантиметрового диапазона остаются дискретные транзисторы в виде кристаллов и монолитные интегральные схемы (МИС) на основе GaN-технологий. Рассмотрим современный рынок дискретных GaN-транзисторов в виде кристаллов, коммерчески доступные типы (серии) и параметры приборов приведены в таблице 2.

Тип

транзистора

Производитель

Fв, ГГц

Рвых, Вт

КПДст, %

Длина затвора, мкм

Uc, В

Транзисторы, освоенные в производстве до 2012 года

Транзисторы, освоенные в производстве в 2013–2018 годах

Номенклатура и разнообразие освоенных в последние годы дискретных GaN-транзисторов значительно выросли, к традиционным изготовителям кристаллов Qorvo (TriQuint) и Wolfspeed (Cree) присоединились французская UMS и южнокорейская WavePia, предлагаются также транзисторы, выпускаемые по фаундри-технологии NP25-00 на производстве Win Semiconductor компаниями AMCOM Communications (США) и ООО «Резонанс» (Россия). В стадии тестирования кристаллы, изготавливаемые АО «Светлана-Рост» и АО «Светлана-Электронприбор». Ряд российских компаний развивает технологии СВЧ-приборов на нитриде галлия, однако коммерчески доступные кристаллы на отечественном рынке отсутствуют.

Для конструирования СШУМ сантиметрового диапазона наибольший интерес представляют относительно низковольтные технологии с длиной затвора 0,15–0,25 мкм и рабочим напряжением 20–28 В. Это связано с тем, что при повышении рабочего напряжения пропорционально увеличивается активная часть оптимального импеданса нагрузки, требуемого для обеспечения максимума выходной мощности или КПД. При этом его реактивная часть, определяемая паразитными емкостями сток–исток и сток–затвор транзистора, изменяется мало. В результате собственная эквивалентная добротность виртуальной выходной цепи также растет, что увеличивает трудности при реализации выходной согласующей цепи СШУМ.

Конструкции усилительных элементов (каскадов) СШУМ можно условно разделить на три класса: гибридно-интегральные (ГИС), монолитно-интегральные (МИС) и квазимонолитные (КМИС), их основные свойства отражены в таблице 3.

Параметры и показатели

ГИС

МИС

КМИС

Возможность настройки параметров

Возможность реализации элементов с сосредоточенными параметрами

Интегральные транзисторные структуры

Практический частотный предел использования

Затраты на отработку параметров

Выбор конструктивного исполнения усилительных элементов диктуется спецификой требований, предъявляемых к СШУМ, предполагаемым объемом выпуска изделий, лимитами затрат на разработку. С точки зрения схемного построения большинство СШУМ (имеются в виду оконечные каскады усиления) выполняются трех основных типов: балансные усилители, многокаскадные усилители с непосредственными связями и усилители с распределенным усилением (УРУ).

Читайте также:  Как найти звуковую мощность

Достоинствами балансной схемы, широко применяемой в ГИС-усилителях, являются хорошее согласование входа и выхода, малая неравномерность АЧХ, улучшенная устойчивость. К недостаткам можно отнести ограничения полосы частот, накладываемые габаритами и сложностью квадратурных мостов, большие габариты каскадов. Параметры таких усилителей существенно зависят от искусства конструирования сверхширокополосных квадратурных мостов, обзору некоторых конструкций таких устройств посвящена работа [2].

Cводные данные по достигнутым параметрам коммерчески доступных монолитных GaN УРУ в диапазоне частот 2–18 ГГц приведены в таблице 4. Выходные мощности и КПД усилителей соответствуют компрессии усиления в 3–5 дБ относительно условий линейного режима, что, впрочем, характерно для любых типов GaN-усилителей.

Тип МИС

Производитель

Рвых, Вт

Кус_лин, дБ

КПДдоб, %

Uc, В

Очевидными достоинствами схем УРУ являются очень широкая потенциальная полоса рабочих частот, хорошее согласование входа и выхода, малая неравномерность АЧХ. Основным недостатком следует признать относительно низкий КПД, над увеличением которого интенсивно трудятся лучшие умы зарубежной СВЧ-микроэлектроники. Для усилителей этого класса минимальный в полосе частот КПД по добавленной мощности в 20% считается очень хорошим результатом.

Усилители с реактивным согласованием, в частности многокаскадные, — это самые распространенные представители ГИС, МИС и КМИС усилителей мощности, в том числе со сверхоктавной полосой. В данном случае электрические характеристики достигаются совершенствованием выходной согласующей цепи, трансформирующей стандартное волновое сопротивление тракта (50 Ом) к оптимальному нагружающему импедансу выходного транзистора (или линейки синфазно возбуждаемых транзисторных структур), обеспечивающему на всех частотах диапазона максимальную выходную мощность, либо максимальный КПД, либо требуемый компромисс между этими параметрами.

Теоретически данная схема построения должна обеспечивать наилучшие энергетические характеристики, для узкополосных и субоктавных усилителей это действительно так. Однако для СШУМ преимущества не столь велики, что иллюстрируется данными таблицы 5, в которой приведены параметры промышленных МИС СШУМ диапазона 6–18 ГГц, выполненных по многокаскадным схемам с реактивным согласованием.

Тип МИС

Производитель

Рвых, Вт

Кус_лин, дБ

В таблице для сравнения указаны также параметры трех типов МИС, выполненных по технологии GaAs-pHEMT с мощностью 2,5–6 Вт, и видно, что КПД этих приборов на 3–5% (всего лишь) ниже, чем у GaN-усилителей. Также следует отметить, что площадь кристалла GaAs МИС составляет 16–32 мм2, в то время как GaN-усилители той же мощности размещаются на площади кристалла 5–6 мм2.

При высоком усилении и высокой выходной мощности (в 2–3 раза большей, чем достигнута в схемах УБВ), многокаскадные СШУМ на основе схем с реактивным согласованием имеют два серьезных недостатка: высокую неравномерность АЧХ (2–3 дБ на каскад) и высокий КСВН выхода, сильно затрудняющие применение таких МИС. При этом заметного улучшения достигнутых значений КПД по сравнению со схемами GaN УБВ не наблюдается.

Особенности схемотехники СШУМ

Традиционным и достаточно хорошо изученным для узкополосных усилителей методом повышения КПД является (обобщенно) метод управления нагрузками на гармониках основной частоты [6]. До 2009 года трудности расширения полосы частот усилителя при сохранении возможности оптимального управления нагрузками на гармониках считались непреодолимыми. Однако авторы опубликованной в 2009 году статьи [7] дали старт наступлению на низкий КПД СШУМ, предложив использовать принцип комбинации известных высокоэффективных режимов усиления, с ростом частоты плавно переходящих из одного в другой. Следует отметить, правда, что действительно весомые результаты (табл. 6) получены для схем одиночного каскада с реактивным согласованием и для относительно низких частот (до 2,5–4 ГГц), на которых собственные реактивности мощных GaN-транзисторов еще позволяют им демонстрировать свойства идеальных ключей, необходимые для реализации высокоэффективных нелинейных режимов колебаний. На более высоких частотах результаты для СШУМ пока более скромные.

Публикация

Тип использованного транзистора

Источник