О t fS St 2SS Ш

Рис. 9.37. Амплитудно-частотные характеристики УМ с нейтрализацией

(---) и без нейтрализации

Rt330 Юн

Рис. 9.38. Двухтактный широкополосный УМ на мощных МДП-транзисторах

тающих в классе АВ (реже В). Двухтактный вариант схемы на рис. 9.35 показан на рис. 9.38. При К=15 дБ в полосе 2... 100 МГц этот ШУМ обеспечивает Р,ь,х = 8 Вт (Рг=Ря = 50 Ом). Конденсаторы Сц используются для нейтрализации. Разработчики этого усилителя рекомендуют уменьшать паразитную индуктивность резистора 2 путем параллельного включения четырех-пяти резисторов большего номинала. Напротив, с целью уменьшения паразитной емкости резисторов RI их целесообразно выполнять в виде нескольких последовательно включенных резисторов с меньшим номиналом.

В работе [174] описаны две схемы широкополосных УМ иа мощных УМДП-транзисторах (конкретный тип нх не сообщается). Усилитель (рис. 9.39) в полосе частот 170... 230 МГц обеспечивает Рвых=16 Вт. Этот линейный усилитель используется в европейских системах телевидения. Другой усилитель (рис. 9.40) отдает мощность до 125 Вт при £/ =28 В н до 250 Вт при t/ = 45 В и имеет КПД выше 50%; неравномерность усиления в полосе частот 30... 86 МГц не более 1 дБ.

1000

Рис. 9.39. Линейный усилитель диапазона частот 170... 230 МГц

0.15мкГм -1- л/ VT1

ех 0,01

Рис. 9.40. Экономичный широкополосный УМ диапазона частот 30... 86 МГц

9.7. Основы проектирования СВЧ-усилителей

Диапазон частот СВЧ-усилнтелей на УМПТ лежит в пределах от 300 МГц до 1 ... 2 ГГц. На более высоких частотах применяются GaAs МПТШ (вплоть до 100 ГГц). На частотах единицы гигагерц GaAs МПТШ позволяют получать Р.ых до ж20 Вт, а на частоте 20 ГГц -до 1 Вт (при К.р=Ъ ... 6 дБ и КПД 20 ... 2,5 дБ.

Транзистор в СВЧ-усилителях обычно представляется в виде четырехполюсника (рис. 9.41), согласованного на входе и выходе с нагрузкой 2н, к

Рис. 9.41. Формальная схема замещения транзистора в диапазоне СВЧ

которой ои подключается через линии передачи с во.тновым сопротивлением 2о. Транзистор описывается в терминах S-параметров (9.1).

Входной и выходной импедаисы транзисторов носят комплексный характер, и их значения по модулю заметно отличаются от волновых сопротивлений линий генератора и нагрузки (обычно 2г = 2н=2о=50 Ом). Поэтому в усилителях используют согласующие цепи и а входе СЦ1 и выходе СЦ2 (рис. 9.42). В СВЧ-диапазоне согласующие цепн обычно выполняются в виде

глад

Рис. 9.42. Структурная схема однотраизисторного СВЧ-усилителя

Рис. 9.43. Одноступенчатый (о) и трехступенчатый (б) трансформаторы сопротивлений

Отрезок однородной линии длиной 1\ с волновым сопротивлением pi (рис. 9.43, а) преобразует импеданс нагрузки Z = Rb-\-jXs во входной импеданс 2Bx = /?Bx-f Двх, где

Р p.°>?H(l+t>9,)

(P.-Htge,) + /? MgB,

P.(H+p.tgOi)(Pi-Htgo.)-pi/?H tge. (P.-Htge,) + Mge,

Gi = 2n/iA4 - фазовый угол; Л - длина волны в линии с учетом ее укорочения в диэлектрике.

Для получения заданного Zbx параметры линии следует выбирать из выражений

RbxRh + р D

. д Rbx Rh

Трансформация Z в Zbx возможна, если

(9.2) (9.3)

>R >R + X +;г

В противном случае используются двух- нлн трехступенчатые переходы (рис. 9.43,6). Коэффициент передачи отрезка линии по напряжению при его нагрузке на сопротивление 2н: Лп= l/(cos G-f/sin G/h) .

Полоса частот переходов (рис. 9.43, б) растет с ростом числа отрезков, и эти переходы используются в широкополосных усилителях. Для узкополосных усилителей меньшие габариты обеспечивают согласующие цепи на отрезках длинных линий с короткозамкиутыми ил разомкнутым шлейфами (рис. 9.44). Их назначение-компенсация Хвх и Хых транзистора, Ху и Хш (рис. 9.45).

После компенсации реактивных составляющих согласуемых импедаисов нх вещественные составляющие согласуются с помощью четвертьволнового трансформатора, волновое сопротивление которого 2bxt=VZi22, а добротность

VT it

blttn

Рис. 9.44. Усилитель СВЧ с согласующими цепями в виде отрезков длинных линий

о -г -If

Рис. 9.45. Графики входных сопротивлений разомкнутых и коротко-замкнутых отрезков линий передачи

Q= \Xbx\/Rbx+Zo/R.x{1-RbxIZo),

(9.4)

где 2i и Zi - согласуемые сопротивления.

Узкополосиый усилитель проектируется как однонаправленный (Si2 = 0). Его предельный коэффициент усиления

(9.5)

(1-15 Г)(1-52г П

Здесь S2i - коэффициент усиления по мощности транзистора, нагруженного по входу и выходу на сопротивление 50 Ом. Сомножители в числителе учитывают увеличение Кр при согласовании транзистора по входу и выходу. Расчетное значение Кр завышает точное приблизительно на 1,2 дБ, что допустимо при технических расчетах. Усилитель безусловно устойчив, если Kv>l, SnS22-S12S21I <1, где коэффициент устойчивости

*= 2S S2,

К другим важным параметрам СВЧ-усилителей относятся коэффициент отражения Г={/отр/{/пад= (2н-р)/(2н4-р) и коэффициент стоячей волны КСВ={/ акс н н = (И-5кк)(1-5 ), где <5 акс н 1(; нн-модули максимального и минимального сигнала вдоль линии; Skk - S параметр по k-uy входу некоторого многополюсника.

Через Г величина Кр выражается следующим образом;

-l-S r,l=l = l 1 -Гг5г;

(9.7)

где Tl и Г2 - коэффициенты отражения на входе и выходе усилителя. При этом ri = Sn-fSi252irH/(l-52гГн) и Г2 Гоехр(-/4ягА), где Го=Г; к-длина волны; / - длина линии без потерь.

При проектировании широкополосных СВЧ-усилителей согласование по входу осуществляется исходя из минимального коэффициента, а по выходу - исходя из максимального в заданной полосе частот. Если пренебречь потерями в линии, то для широкополосного усилителя должно выполняться условие Г>ехр[-я/Т1((02-coi)], где ©i и 0)2 -минимальная и максимальная частоты согласования; Ti - постоянная времени нагрузки в виде последовательной /?С-цепи или параллельных RC- или .-цепей (11 = RC или ti) (рис. 9.46).

Проектирование СВЧ-усилителя (см. рис. 9.42) можно проводить по следующей методике;

1. По известным S-параметрам транзистора определиются параметры его эквивалентной схемы, входной и выходной импедаисы в рабочей полосе частот.

Рис. 9.46. Схема согласования иогочника сигнала с реактивной нагрузкой

2. С помощью цепей иа рис. 9.43 и 9.44 осуществляется компенсация реактивной части импедансов (см. также (9.2) и (9.3)).

3. Осуществляется согласование генератора и нагрузки с входным и выходным сопротивлением транзистора. Определяем суммарную добротность цепей связи Q = Qi + Q2, где Q, и Qi находятся по (9.4).

4. Определяется полоса рабочих частот 2Af=flQ.

5. Вычисляется коэффициент устойчивости (9.6).

6. Определяется коэффициент усиления по мощности (9.5) или (9.7). Коэффициенты передачи по мощности согласующих цепей принимаются равными 1 ввиду малости коэффициентов отражения Г.

Дополнительные аспекты проектирования СВЧ-цепей, включая применение круговых диаграмм, можно найти в специальной литературе [175]. В [176] расчеты СВЧ-цепей сопровождаются описанием программ, реализующих эти расчеты на персональных ЭВМ. Широкое распространение получили машинные методы параметрической оптимизации СВЧнцепей [177], позволяющие в наибольшей мере приблизить параметры разрабатываемых устройств к требованиям разработчика.

9.8. Практические схемы СВЧ-усилителей

Наиболее перспективными активными приборами СВЧ-усилителей являются GaAs МПТШ. По предельным частотам рабочего диапазона (до десятков гигагерц), уровню выходной мощности, линейности и уровню шумов усилители на GaAs МПТШ заметно превосходят параметрические усилители и усилители на туннельных диодах. Выше у них и надежность.

Усилители СВЧ обычно выполняются в виде гибридных микросхем. Это учтено в конструкциях современных GaAs МПТШ, рассчитанных иа встраивание в гибридные микросхемы с микрополосковыми линиями передачи (рис. 9.47). Такие микросхемы обычно имеют достаточно массивную металлическую основу, на которой закреплена пластина из диэлектрика (ВЧ-кера-мика). На пластину напылены микрополосковые линии связи. Транзистор устанавливаетси непосредственно на металлическое основание и крепится миниатюрными болтами (или с помощью низкоплавкого припоя). Согласующие цепи выполняются как на дискретных (напыленных) компонентах, так и на основе распределенных цепей. Типовые потери в первом случае достигают 0,4 дБ, во втором 0,06 дБ [33]. Достигнутые значения иидуктивностей i-0,2 нГн и емкостей С>0,1 пФ определяют рабочий диапазон частоты цепей согласования.

До частот около 1 ГГц в СВЧ-уснлителях можно применять кремниевые мощные МДП-транзисторы, например отечественные КП905, КП907, КП908, КП9И и др. Примером может служить схема усилителя (рис. 9.48), содержащего два каскада на транзисторах КП905. В полосе частот 600 . ..700 МГц усилитель имеет /Ср=12,5 дБ при неравномерности усиления 1,5 дБ. КСВ на входе и выходе неболее 2,5 и 3 дБ соответственно [178].

Выходках пикроаолоскв-бая i/Mi

ЗхоВкая микролалоскоая atab

Неталличесное

/ГоЗложка из кератки на о Mode AljOj

Рис. 9.47. Элемент конструкции гибридной интегральной микросхемы

ло а

f so\

Рис. 9.48 Усилитель диапазона 600 ... 700 МГц на транзисторе

КП905

Согласующие цели усилителя выполнены на подложках из ситалла СТ-32-1 с диэлектрической проницаемостью е=10,3 и размером 29Х30Х XI мм. Подложки приклеивались к единому металлическому основанию, на котором крепились транзисторы. Для подачи питания использовались микрополосковые линии, заблокированные безвыводными конденсаторами. Параметры микрополосковых согласующих элементов схемы приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Параметры согласующих элементов схемы рис. 9.48