38. Малошумящие усилители свч.

Приёмники СВЧ как правило работают с чрезвычайно малыми сигналами, что требует разработки высокочувствительных малошумящих УРЧ. Это объясняется тем, что в СВЧ диапазоне внешние помехи, включая флуктуационные шумы, малы и чувствительность определяется, в основном, только собственными шумами первых каскадов РПУ. Усилители можно выполнить на биполярных и полевых транзисторах.

При выборе транзисторов необходимо принимать во внимание ряд факторов, которые не учитываются на более низких частотах. В первую очередь – это межэлектродная ёмкость усилительных приборов, индуктивность выводов и инерционность носителей электрических зарядов. Условно эти паразитные реактивности отображены на рис 38.1.

Рис. 38.1. Схема включения транзистора с учётом паразитных реактивностей [1].

Даже высокочастотные транзисторы, предназначенные для работы в диапазоне десятков и сотен МГц, имеют входную ёмкость порядка 10 – 15 пФ и индуктивность выводов около 0,01 мкГн. Как видно из рисунка, реактивные элементы образуют делитель напряжения. В результате входное напряжение поделится между элементами этого делителя:

Напряжение Uбэ, управляющее током транзистора можно определить по формуле:

,

где Хбэ = 1/ωСбэ.

На сравнительно низких частотах коэффициент передачи делителя Например на частоте 10 МГц он равен 0.99, а на частоте 300 МГц только 0,5. Таким образом, с ростом частоты эффективность усиления транзисторов резко падает. С учётом дополнительных потерь на активных проводимостях и в монтаже усиление будет ещё меньше.

Существенное влияние на работу усилительных приборов СВЧ оказывает конечное время перемещения носителей зарядов (их инерционность). Дополнительным фактором, ограничивающим применение транзисторов на СВЧ, являются их собственные шумы. Они определяются различными нарушениями в кристаллической структурой полупроводниковых материалов. Современные технологии получения полупроводниковых структур на основе арсенида галлия позволяют создавать транзисторы для работы на частотах до 30 ГГц с коэффициентом шума в несколько децибел.

В дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн применяются полевые транзисторы с барьером Шотки. Усилители на таких транзисторах работают в диапазоне частот до 60 ГГц и обеспечивают усиление на один каскад до 10 – 20 дБ с коэффициентом шума 1,5 – 3.

К преимуществам МШУ на полевых транзисторах можно отнести более простые цепи смещения по постоянному току и более высокую температурную стабильность.

Как правило, МШУ содержит 3 – 4 транзисторных каскада. Согласно теории, величина коэффициента шума всего усилителя определяется первыми каскадами, поэтому минимизируют их шумы, а в последующих каскадах обеспечивают максимальный коэффициент усиления. Конструктивно МШУ представляет собой микрополосковую микросборку. На входе и выходе усилительного каскада обязательно включают согласующие цепи. Согласованием по входу добиваются минимального коэффициента шума, согласованием по выходу – максимального усиления. Входное и выходное сопротивления отдельных каскадов стараются сделать близкими к 50 Ом, что обеспечивает согласование с другими каскадами и линиями. Выходная цепь может быть реализована как комбинация последовательно включенных линий передачи, первая из которых компенсирует выходную ёмкость транзистора, а вторая, являясь четвертьволновым трансформатором, обеспечивает согласование активного выходного сопротивления с волновым сопротивлением полосковой линии на выходе усилителя. Выходная СЦ может быть построена также как комбинация четвертьволнового трансформатора и разомкнутого шлейфа, компенсирующего выходную реактивность транзистора. На шумовые параметры МШУ оказывает сильное влияние выбор и стабильность рабочей точки транзистора, фильтрующих цепей и схем подачи питания на сток и затвор транзистора. В качестве примера на рис. 38.2 приведена схема каскада МШУ двухсантиметрового диапазона.

Рис. 38.2. Схема транзисторного СВЧ усилителя [1].

Согласующие цепи на входе и выходе усилителя выполнены в виде симметричных разомкнутых шлейфов l1, l8. Оптимизация достигается подбором длины шлейфов и их расстояния от транзистора. Отрезки четвертьволновых микрополосковых линий l3, l4; l5,l6 обеспечивают развязку цепей питания затвора и стока транзистора для предотвращения самовозбуждения усилителя.

Несколько лучшие по усилению и шумовым параметрам, по сравнению с транзисторными, могут обеспечить регенеративные и параметрические усилители.

Регенеративный усилитель.

Регенеративный резонансный усилитель СВЧ представляет собой колебательный контур или резонатор, настроенный в резонанс с входным сигналом, причём в контур тем или иным способом вносится отрицательное сопротивление, компенсирующее потери.

Энергия сигнала, поступающая из антенны в колебательный контур, расходуется на потери эквивалентного контура, определяемые потерями в самом контуре и потерями в подключенной к контуру нагрузке. Если к контуру подключить двухполюсник с отрицательным сопротивлением, то результирующие потери в контуре уменьшатся, а мощность сигнала в нагрузке возрастёт. При этом мощность сигнала из антенны передаётся в нагрузку (например, на вход первого усилительного каскада) без ослабления. Если вносимое в контур отрицательное сопротивление больше собственного сопротивления контура, то есть частично компенсирует не только потери в контуре, но и поглощение энергии нагрузкой, то мощность сигнала в нагрузке оказывается больше, чем мощность сигнала от антенны, и произойдёт усиление сигнала. Если вносимое отрицательное сопротивление полностью компенсирует потери эквивалентного контура вместе с нагрузкой, то в контуре возникнут незатухающие колебания, то есть усилитель превратится в генератор.

С увеличением вносимого в контур отрицательного сопротивления добротность контура возрастает, усиление увеличивается, но уменьшается полоса пропускания.

Рассмотрим схему колебательного контура, имеющего потери (Rк) и нагруженную на активное сопротивление Rн. С помощью положительной обратной связи либо с помощью элементов, обладающих отрицательным дифференциальным сопротивлением, в контур вносится отрицательная проводимость – G (рис. 38.3).

Рис. 38.3. Схема колебательного контура с компенсацией потерь (а)

и его эквивалентная схема на резонансной частоте (б) [1].

Источник сигнала в эквивалентной схеме (б) заменён эквивалентным генератором тока Iс, имеющим внутреннюю проводимость Gc.

Как следует из рисунка (б) на резонансной частоте суммарная проводимость, нагружающая источник, равна:

Если (т. е. G мала), то контур будет пассивно потреблять и рассеивать энергию источника сигнала.

Если , то в контуре за счёт источника питания будут поддерживаться незатухающие колебания, т. е. он будет регенеративным генератором.

Если т. е. отрицательная проводимость компенсирует положительную проводимость, то контур будет усиливать сигнал за счёт энергии, затрачиваемой на внесение в контур отрицательной проводимости, т. е. будет регенеративным усилителем.

Реализацию регенеративного усилителя можно пояснить на примере усилителя, на туннельном диоде (рис. 38.4).

Рис. 38.4. Регенеративный усилитель на туннельном диоде [1].

Туннельный диод – это прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью. Его ВАХ приведена на рис. 38.5.

Рис. 38.5. Вольт – амперная характеристика туннельного диода [1].

На участке 2 – 3 у диода появляется отрицательная проводимость. Если подключить диод к контуру, то эквивалентная схема такого устройства будет точно соответствовать схеме изображённой на рис. 38.3.б.

Как следует из рис. 38.4 источник сигнала и нагрузка, подключены к регенеративному усилителю в одних и тех же точках “а” и “б”. Поэтому будут усиливаться как сигнал, так и собственные шумы нагрузки. Для снижения коэффициента шума усилителя необходимо исключить попадание шумов нагрузки в регенеративный усилитель. В диапазоне СВЧ это обычно достигается применением специальных устройств – циркуляторов.

Циркулятор – это устройство, обеспечивающее направленное распространение потока электромагнитных волн. Упрощённая схема регенеративного усилителя с циркулятором приведена на рис. 38.6.

Рис. 38.6. Структурная схема регенеративного

усилителя с циркулятором [1].

Энергия принимаемого сигнала от источника Uс попадает в плечо 1 циркулятора (Ц). Далее распространяясь по часовой стрелке, она попадает через плечо 2 в усилитель. Усиленный сигнал через плечо 3 поступает в нагрузку. При несогласованной нагрузке часть энергии усилителя отражается от нагрузки и вместе с её шумами попадает через плечо 4 в согласованный балласт, где и поглощается. Таким образом, шумы нагрузки не подвергаются повторному усилению, благодаря чему достигается уменьшение коэффициента шума усилителя. Среди существующих конструкций циркуляторов широко распространены ферритовые, на основе объёмных волноводов и плоские микрополосковые с плёночными ферритовыми элементами.