Саратовский национальный исследовательский государственный

университет имени Н. Г. Чернышевского

В. С. Тяжлов, В. Н. Посадский

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ-УСИЛИТЕЛЕЙ НА GaAs ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Учебно-методическое пособие для студентов факультета

нано- и биомедицинских технологий

Саратов Издательство Саратовского университета

2019

УДК 621.372.2 ББК 32.850.4 Т99

Тяжлов, В. С.

Т99 Проектирование СВЧ-усилителей на GaAs полевых транзисто-

рах : учебно-методическое пособие для студентов факультета нано- и биомедицинских технологий [Электронный ресурс] / В. С. Тяжлов,

В. Н. Посадский. – Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2019. – 36 с. : ил. – URL: https://books.sgu.ru/tutorials/978-5-292-04601-1. – Имеется печат-

ный аналог.

ISBN 978-5-292-04601-1 (online)

ISBN 978-5-292-04600-4 (print)

На основе опыта проектирования широкополосных и сверхширокополосных СВЧ-усилителей излагаются основные этапы проектирования усилителей с полевым транзистором с барьером Шоттки в качестве активного элемента, рассматриваются некоторые расчетные и измерительные работы, выполняемые на каждом этапе. Обсуждаются практические вопросы, связанные с выбором транзистора, схемы его включения и рабочей точки, схемы построения усилителя. Приводятся инженерные формулы, связывающие характеристики проектируемых изделий с параметрами используемых приборов и материалов.

Для студентов, магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям «Электроника и наноэлектроника» и «Физика».

Р е к о м е н д у ю т к п е ч а т и :

кафедра твердотельной электроники СВЧ на базе АО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон» Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского

кандидат технических наук, старший научный сотрудник А. В. Езопов

Работа издана по тематическому плану 2019 года (утвержден Ученым советом Саратовского национального исследовательского

государственного университета имени Н. Г. Чернышевского, протокол № 3 от 19 февраля 2019 года)

УДК 621.372.2 ББК 32.850.4

Посвящается 110-летнему юбилею Саратовского национального исследовательского

государственного университета имени Н. Г. Чернышевского

Введение

СВЧ-усилители – один из важнейших компонентов современной радиоэлектронной аппаратуры, такой как радиолокационные станции, системы радиоэлектронной борьбы, системы связи, параметры которых зачастую определяют схему построения, электрические и ценовые характеристики аппаратуры. В последнее время проявляется тенденция замены вакуумных усилительных приборов (в основном ламп бегущей волны (ЛБВ)) твердотельными. Причиной являются такие преимущества твердотельных усилителей, как надежность, технологичность изготовления, габаритные и весовые характеристики, энергопотребление, цена и параметры назначения. Если на начальных этапах внедрения твердотельных усилительных приборов их основным конкурентным преимуществом по электрическим параметрам перед ЛБВ были меньшие значения коэффициента шума, то сейчас они начинают вытеснять ЛБВ с позиций мощных выходных каскадов передатчиков, имея выходную мощность в сотни ватт в октавных полосах частот. В качестве активных элементов твердотельных СВЧусилителей в основном используются различные структуры полевых, биполярных, гетероструктурных биполярных транзисторов. Однако наибольшее распространение имеет арсенидгаллиевый полевой транзистор с барьером Шоттки (далее ПТ), который применяется как в виде дискретного прибора, так и в составе монолитных интегральных схем (МИС) СВЧдиапазона, все активные и пассивные элементы которых, а также межэлементные соединительные проводники выполнены на поверхности и в объеме полупроводниковой структуры. МИС характеризуются функциональной законченностью (МИС СВЧ-усилителя содержит в своем составе один или несколько полевых транзисторов, схемы их согласования и питания), повышенной надежностью, приспособленностью для массового производства, малыми габаритами и массой, высокой идентичностью параметров, что особенно важно при использовании их в приемо-передающих модулях активных фазированных антенных решеток.

Предлагаемое учебное пособие ставит своей целью дать студентам начальные представления об основных электрических параметрах твердотельных СВЧ-усилителей, критериях выбора типа полевого транзистора для использования его в различных усилителях (малошумящих или мощных, узкополосных или широкополосных), схемах включения транзистора по постоянному току и по СВЧ, моделях полевого транзистора и методах измерения их параметров, принципах расчета согласующих цепей.

3

1. Электрические параметры СВЧ-усилителей

СВЧ-усилители характеризуют следующие основные электрические параметры:

1. Рабочая полоса частот – полоса частот от нижней частоты fн до верхней частоты fв, в пределах которой характеристики усилителя, принятые в качестве целевых, находятся в заданных пределах.

В зависимости от ширины рабочей полосы частот ∆ f = fв fн различают усилители узкополосные (∆ f = fср 1%, fср = ( fв + fн)=2), широкополосные (∆ f = fср 10%), сверхширокополосные ( fв= fн > 2).

2. Коэффициент усиления по мощности – десять логарифмов отно-

шения мощности, поглощаемой нагрузкой, подключенной к выходу усилителя Pн, к мощности, отдаваемой во внешнюю цепь генератором, являющимся источником СВЧ-сигнала, подключенным ко входу усилителя

Pг (рис. 1).

K = 10 lg Pн :

Pг

Мощность, поглощаемую нагрузкой, называют выходной мощностью усилителя, а мощность, отдаваемую генератором – входной мощностью усилителя. Тогда

K = 10 lg Pвых :

Pвх

Коэффициент усиления по мощности измеряют в децибелах.

Рис. 1. К определению коэффициента усиления по мощности

4

Использование единицы измерения «децибел» позволяет легко вычислять коэффициент усиления усилителя, состоящего из n последовательно включенных усилительных каскадов с коэффициентами усиления K1, K2, …, Kn:

K= K1 + K2 + ::: + Kn:

3.Амплитудно-частотная характеристика – зависимость коэффи-

циента усиления от частоты.

4.Неравномерность коэффициента усиления – разность между мак-

симальным Kmax и минимальным Kmin значениями коэффициента усиления

врабочей полосе частот (рис. 2):

∆K = Kmax Kmin:

Рис. 2. К определению неравномерности коэффициента усиления

5. Амплитудная характеристика – зависимость выходной мощности от входной мощности, измеренная на фиксированной частоте, находящейся в рабочей полосе частот.

На амплитудной характеристике усилителя (рис. 3) выделяют три области:

I – область линейной зависимости Pвых от Pвх, коэффициент усиления в области I не зависит от значения входной мощности; II – область нелинейной зависимости Pвых от Pвх, коэффициент усиления в области II уменьшается с ростом Pвх; III – область насыщения, в которой Pвых остается неизменной с ростом Pвх, а коэффициент усиления продолжает уменьшаться с ростом Pвх.

5

Рис. 3. Амплитудная характеристика усилителя

Выходная мощность в режиме «насыщения» Pнас представляет собой максимальную выходную мощность, развиваемую усилителем.

Максимальной линейной выходной мощностью P1 дБ принято считать значение выходной мощности, при котором значение коэффициента усиления уменьшается на 1 дБ по сравнению с линейным режимом. Точка на амплитудной характеристике, соответствующая выходной мощности P1 дБ, называется точкой «компрессии» коэффициента усиления на 1 дБ.

10 lg Pвых1 = K1;

Pвх1

10 lg P1дБ = K1 дБ;

Pвх2

K1 K1 дБ = 1 дБ:

6. Коэффициент стоячей волны по напряжению входа и выхода:

Kстvi = jUпадi j+jUотрij;

jUпадi j Uотрij

здесь Uпад i – волны напряжений, падающие на вход (i = 1) и выход (i = = 2) усилителя; Uотр i – волны напряжений, отраженные от входа (i = 1) и выхода (i = 2). Как видно из приведенной формулы, Kстvi – величина

6

скалярная. Существует другой, векторный, параметр, характеризующий отражение от входа и выхода, – коэффициент отражения:

Gi = jUотрij ;

jUпадij

или

Значения коэффициента стоячей волны по напряжению изменяются от 1 (случай идеального согласования входа/выхода усилителя с входной/выходной линией передачи) до бесконечности (случай полного рассогласования). Соответствующие им значения jGij изменяются от 0 до 1. Значение коэффициента стоячей волны по напряжению позволяет судить о возможности последовательного соединения отдельных усилительных каскадов.

7. Коэффициент шума – изменение отношения мощности шума к мощности сигнала на выходе и на входе усилителя:

()

здесь Pш вх – мощность шума, поступающего на вход усилителя от генератора сигнала; Pш вых – мощность шума, отдаваемая усилителем в нагрузку.

Коэффициент шума позволяет оценить мощность шума, добавляемую усилителем к мощности шума генератора.

8. Коэффициент полезного действия, или эффективность преобразования мощности постоянного тока в мощность СВЧ-сигнала.

h = Pн Pг 100%;

Pо

где Pо – мощность, потребляемая усилителем от источников питания.

7