10.4. Схемы усилителей мощности на биполярных свч-транзисторах

Примеры схем транзисторных СВЧ-усилителей с ОЭ и с ОБ пока­заны на рис. 10.5.

Рассмотрим назначение элементов схем. В схеме с ОЭ (рис. 10.5, а) емкости С₁ С₂ и индуктивность L₁ образуют входную цепь согласования,

Рис. 10.5. Усилители мощности на транзисторах по схемам:

а — с общим эмиттером; б — с общей базой

трансформирующую низкое входное комплексное сопротив­ление транзистора (порядка единиц или долей ома) в оптимальное сопротивление нагрузки предыдущего каскада. Выходная цепь согла­сования L₂, С₃, С₄ преобразует сопротивление нагрузки, т.е. входное сопротивление следующего каскада или сопротивление стандартного фидера 50 Ом в оптимальную нагрузку коллектора. Напряжения питания Е_к и Е_б подаются в

цепи коллектора и базы через дроссели Др1 и Др2. Сопротивление R₁ и цепь R₂,С_бл2 — антипаразитные. На частоте до нескольких сотен мегагерц индуктивности L₁,L₂ — сосре­доточенные. На частоте 0,5 ГГц и выше эти индуктивности чаще выполняются в виде отрезков полосковых линий. На еще более высо­ких частотах (около единиц гигагерц) снова успешно работают сосредоточенные элементы, но уже в микроисполнении в интеграль­ных микросхемах.

Усилитель с ОБ, работающий на частоте 1,6 ГГц с выходной мощ­ностью 5 Вт, показан на рис. 10.5, б. Цепи согласования построены на полосковых линиях и сосредоточенных элементах. В качестве блокировочных дросселей включены отрезки четвертьволновых полосковых линий с высоким волновым сопротивлением, а роль бло­кировочных емкостей выполняют разомкнутые четвертьволновые линии с низким волновым сопротивлением. Емкости С₁—С₄ предна­значены для настройки цепей согласования, С_р — разделительная, С_бл — дополнительная блокировочная.

10.5. Конструкции транзисторных свч-устройств

В настоящее время транзисторные СВЧ-устройства выполняются преимущественно по гибридно-пленочной технологии. Такие устрой­ства сокращенно называют ГИС (гибридные интегральные схемы).

Основой конструкции ГИС служит диэлектрическая подложка (пластина диэлектрика), имеющая с одной стороны металлическое покрытие (экран), а с другой — контактные площадки для навесных элементов (транзисторов, диодов, безвыводных конденсаторов, иногда плоских спиральных катушек и др.) и полосковые провод­ники, образующие совместно с экраном отрезки полосковых линий. В качестве подложек используются листовые диэлектрические мате­риалы (стеклотекстолит, фторопласт, ФЛАН и др.) и специальные керамики (поликор, ситалл и др.).

Совокупность контактных площадок и полосковых проводников на поверхности подложки обозначают термином «топология». На фольгированном материале топология формируется удалением части металлического покрытия механиче-

ским способом (в макетных конструкциях, предназначенных для отработки схем) или химическим травлением (в серийных изделиях). На керамических подложках топология и экран создаются, как пра­вило, методом вакуумного напыления. При необходимости коррек­ция топологии может осуществляться с помощью испарения лишних участков лазерным лучом.

Развитие техники ГИС привело к необходимости создания специ­альной элементной базы (в том числе навесных элементов: транзис­торов, конденсаторов, резисторов и др.), совместимой с полосковой технологией. Эти элементы имеют малые габаритные размеры и массу. Конденсаторы и резисторы не имеют проволочных выводов, но имеют металлизированные контакты и поверхности для непо­средственной припайки к контактным площадкам и в местах разры­вов полосковых линий. Для более надежного крепления такие эле­менты можно дополнительно приклеивать к подложке. Отсутствие проволочных выводов у конденсаторов и резисторов позволяет мини­мизировать паразитные индуктивности и емкости, что особенно важно в диапазоне СВЧ для реализации широкополосных устройств.

Остановимся на подложках ГИС СВЧ. Одним из наиболее широко применяемых материалов является поликор (поликристаллический материал), состоящий из множества сросшихся случайно ориентиро­ванных мелких кристаллов и содержащий до 99,7 % оксида алюми­ния А1₂0₃, т.е. корунда, с диэлектрической проницаемостью 10. Высокое значение позволяет использовать сравнительно мини­атюрные подложки, а также снизить паразитные связи между элемен­тами схемы и потери на излучение; при высоком электромагнитное поле оказывается сконцентрированным в объеме диэлектрика под полосками. Керамические диэлектрики ГИС создаются в соответствии с высокими требованиями к их диэлектрическим характеристикам. Прежде всего это относится к стабильности , малости потерь и ста­бильности геометрических размеров подложки (подложка не должна коробиться при изменениях температуры, должна иметь высокую механическую жесткость). Однако материалы, обладающие стабиль­ностью размеров и характеристик, как правило, плохо поддаются механической обработке.

Полезное качество поликора — высокая теплопроводность — поз­воляет создавать на поверхности подложки малогабаритные пле­ночные резисторы, способные рассеивать значительные мощности (до десятков ватт). Однако это же обстоятельство затрудняет подсо­единение и снятие навесных элементов методом обычной пайки в процессе отработки схемы.

Еще более высокой теплопроводностью обладает оксибериллие-вая керамика ВеО, которая помимо упомянутого использования в мощных СВЧ-транзисторах находит применение при изготовлении мощных СВЧ-резисторов, а также может служить общей подложкой для особо миниатюрных мощных устройств. В таком усилителе наподложке из ВеО площадью около 1 см² смонтирован кристалл транзистора, металлооксидные полупроводниковые конденсаторы (МОП-конденсаторы), а спиральные катушки индуктивности на маленьких сапфировых подложках приклеены к основанию эпоксид­ной смолой.

Во избежание отслаивания полосковых проводников от диэлект­рика приходится применять многослойную технологию с использо­ванием подслоя нихрома. Но следует иметь в виду, что при необходи­мости удалить участок топологии сделать это чисто механическим путем трудно.

Указанные обстоятельства делают поликор, предназначенный для изготовления серийных ГИС промышленным способом, малопригод­ным для экспериментальной отработки схем. Это же относится и к ряду других СВЧ-диэлектриков (ситаллу, сапфиру и др.). Были созданы специальные диэлектрические материалы, удобные для экс­периментальной проверки и доводки ГИС, например фольгирован-ный листовой арилокс с наполнителем (ФЛАН). Эти материалы легко обрабатываются механически: режутся, сверлятся, с них легко сни­маются участки фольги, что позволяет создавать топологию простей­шими механическими средствами (резцом, скальпелем) и химиче­ским травлением.

Фольгированный листовой арилокс с наполнителем выпускается с

= 2,8—16,0 в том числе с = 10. Последнее обстоятельство позво­ляет отработанную на ФЛАН топологию перенести на поликор почти без изменения размеров. Достоинства ФЛАН как материала, удоб­ного для отработки схем, в частности легкость удаления слоя фольги, делают его, однако, в ряде случаев менее пригодным для изготовле­ния серийных промышленных ГИС. От нагрева паяльником ФЛАН коробится и плавится, при этом фольга легко отслаивается. Низкая теплопроводность затрудняет охлаждение тепловыделяющих эле­ментов, например резисторов.

Диэлектрические подложки ГИС используются как основа для создания полосковых пассивных цепей (ЦС, фильтры и др.). Полоска, нанесенная на верхнюю поверхность диэлектрика, совме­стно с нижней металлизированной поверхностью (экраном) может рассматриваться как отрезок двухпроводной линии.

Полосковый элемент ГИС может служить отрезком линии, нагру­женной некоторым сопротивлением Z_H. Такие отрезки в зависимости от геометрических размеров и значения Z_H используются в качестве трансформаторов, дросселей, блокировочных емкостей, подстроен­ных реактивных элементов, а также нетрансформирующих соедини­тельных линий. Для расчетов этих элементов можно использовать формулы общей теории длинных линий.

Для преобразования стандартной нагрузки усилителя R_н в опти­мальное сопротивление нагрузки транзистора R_к можно воспользоваться

Рис. 10.6. Эскиз конструкции радиоимпульсного усилителя:

1,2 — диэлектрическая подложка; 3,9 — четвертьволновый дроссель; 4, 11 — зазем­ленная по краю диэлектрика контактная площадка; 5, 8 — емкостный шлейф; 6 — подстроенный сегмент емкостного шлейфа; 7 — вывод коллектора; 10 — безвывод­ной конденсатор в цепи питания коллектора, формирующий фронт импульса; 12 — шасси; 13, 17, 23, 25 — четвертьволновые трансформаторы мостов-сумматоров и делителей мощности; 14 — выход усилителя; 15, 18, 24 — балластные резисторы мостов; 16, 27 — соединительные линии, объединяющие мосты; 19 — контактная площадка для монтажа блокировочного конденсатора и подачи напряжения питания; 20 — безвыводной разделительный конденсатор; 21 — вывод эмиттера; 22 — винт крепления диэлектрической подложки; 26 — вход усилителя

четвертьволновым трансформатором с волновым сопротивле­нием .

Разомкнутый отрезок линии длиной 4 позволяет создать корот­кое замыкание для колебаний, длина волны которых в 4 раза превы­шает его длину¹. Для колебаний с длиной волны, мало отличающейся от 4 (на единицы процентов), сопротивление отрезка оказывается весьма низким, хотя и ненулевым. Это позволяет использовать такой отрезок вместо блокировочного конденсатора для узкого спектра час­тот в цепи питания. Короткозамкнутый отрезок линии, близкий по длине к четверти волны, имеет высокое сопротивление, и, следова­тельно, его можно использовать в качестве дросселя.

Для четвертьволновых отрезков линий, применяемых в качестве блокировочных конденсаторов, выбирается низкое значение волно­вого сопротивления (около 10 Ом), а для отрезков, используемых в качестве дросселей, — высокое (больше 50 Ом). Такой выбор этих элементов позволяет расширить частотную полосу эффективной блокировки.

На рис. 10.6 показан радиоимпульсный мостовой усилитель мощ­ности на четырех транзисторах типа 2Т975А с Р_вых = 900 Вт на час­тоте Р_вых =1,2 ГГц (длительность импульса 2 мкс, скважность — 200).

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое дрейфовый транзистор?

2. Почему мощные БТ СВЧ выполняют по многоэмиттерной структуре?

3. Для чего служит оксибериллиевая шайба в мощных БТ СВЧ?

4. Что такое внутрисогласованный СВЧ-транзистор?

5. Чем лимитируется частотный потолок усилителя мощности СВЧ по схеме с общим эмиттером?

6. С какой целью стремятся минимизировать индуктивность общего вывода в усилителе мощности СВЧ по схеме с общим эмиттером?

7. Чем опасен режим короткого замыкания между коллектором и эмиттером (по переменному току) для усилителя мощности СВЧ по схеме с общим эмитте­ром?

8. Чем определяется выходное сопротивление БТ в усилителе мощности СВЧ по схеме с общим эмиттером (при его возбуждении от генератора тока)?

9. Чем ограничивается нижняя рабочая частота мощного БТ СВЧ?

10. Почему статический параметр h_21э не играет существенной роли в диапазоне СВЧ?

11. Какова положительная роль емкости С_э в СВЧ-усилителях?

12. Какова положительная роль емкости С_к и индуктивности L_э в СВЧ-усилителе по схеме с ОЭ?

13. Назовите элементы внутренней обратной связи в БТ СВЧ, включенном по схеме с ОЭ и по схеме с ОБ.

14. Изобразите нагрузочные характеристики в области недонапряженного режима I_к1(R_к), U_K(R_K), P₁(R_K) для усилителя мощности СВЧ по схеме с ОЭ и по схеме с ОБ.

15. Назовите важнейшие параметры физической эквивалентной схемы БТ СВЧ и поясните их смысл.

16. Назовите основные области применения отрезков полосковой линии в схеме усилителя мощности СВЧ на БТ (в качестве каких элементов они использу­ются?).

17. Почему частотный потолок усилителя мощности СВЧ с общей базой выше, чем у усилителя с общим эмиттером?

18. Для чего нужна реактивная проводимость нагрузочного сопротивления тран­зистора в усилителе мощности СВЧ?

19. Чем вызвана специализация корпусов мощных СВЧ-транзисторов?

_______________

¹ Здесь и далее под имеется в виду длина волны в полосковой линии с заданным значением диэлектрика и заданной шириной полоски.

Глава одиннадцатая

УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПРОЛЕТНЫХ КЛИСТРОНОВ