Вакуумные
Клистрон
Клистрод
Амплитрон248
внутренней энергии возбужденных частиц вещества (например, кристалла рубина) в электромагнитную энергию сигнала. Для возбуждения частиц применяется генератор накачки. Для снижения уровня шума используется криогенная техника. Шумовая температура может быть достигнута около 4 – 6 К. КПУ обеспечивают наивысшую чувствительность приемника диапазона СВЧ, которая может быть достигнута в настоящее время. Они применяются преимущественно в радиоастрономии и в системах дальней радиолокации.
Усиление сигнала в полупроводниковом параметрическом усилителе
(ППУ) базируется на преобразовании энергии высокочастотных колебаний генератора накачки в энергию входного сигнала с помощью нелинейной емкости перехода параметрического диода. ППУ обеспечивают наименьшую шумовую температуру в приемниках без специальных охлаждающих устройств, а при охлаждении несколько уступают КПУ (шумовая температура 7 – 8 К при охлаждении жидким гелием, который имеет температуру кипения 4,2 К). Но такие ППУ намного конструктивно проще и более экономичные, чем КПУ, поскольку для них не требуется источник сильного магнитного поля. В радиоприемных устройствах систем радиосвязи и телевидения ППУ вытесняются более простыми и надежными транзисторными малошумящими усилителями, которые почти не уступают им по шумовым параметрам.
Транзисторные усилители отличаются высокой чувствительностью, низким энергопотреблением, малыми габаритами и массой, высокой надежностью и стойкостью к механическому воздействию, сравнительно невысокой стоимостью. Активные элементы усилителей – биполярные транзисторы (БТ) или по-
левые транзисторы с затвором Шоттки (MESFET – metalized semiconductor field-effect transistor) – удобно сопрягаются с полосковыми линиями передачи, резонансными устройствами и элементами интегральных схем. Кремниевые БТ применяются на частотах до 7 ГГц, наиболее широкое применение находят ПТШ на арсениде галлия.
Отметим основные преимущества ПТШ в сравнении с БТ. Благодаря более простой и усовершенствованной технологии изготовления ПТШ имеют меньший разброс электрических параметров. Ток в них течет не через n-p- переходы, а между омическими контактами в однородной среде канала. Благодаря этому ПТШ имеют более высокую линейность амплитудной характеристики, в них практически отсутствуют дробовые шумы. Подвижность электронов арсенида галлия (GaAs) в два раза выше, чем в кремнии (Si), а вместо емкостей эмиттерного и коллекторного переходов в ПТШ есть сравнительно малая емкость обратно смещенного затвора на барьере Шоттки. Вследствие этого ПТШ способны работать на более высоких частотах – реализованы усилители, которые работают на частотах до 200 ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные емкости в ПТШ незначительная, усилители работают устойчиво в широком диапазоне частот. Лучшие образцы ПТШ на арсениде галлия характеризуются минимальным коэффициентом шума 0,1 – 1 дБ на частотах 0,5 – 18 ГГц и 2 – 5 дБ на частотах миллиметрового диапазона.
249
Активно совершенствуются транзисторы на базе других полупроводниковых материалов, таких как SiGe, GaN, InGaP, AlGaAs/GaAs, а также биполярные транзисторы с гетеропереходом (НВТ – от англ. heterojunction bipolar transistor), кремниевые полевые транзисторы с боковой диффузией (LDMOS – от англ. laterally diffused metal oxide semiconductors), транзисторы на гетерострук-
турах с высокой подвижностью электронов (HEMT – от англ. high electron mobility transistor), в том числе псевдоморфные (pHEMT – от англ. pseudomorphic high electron mobility transistor).
До сих пор находят широкое применение вакуумные усилители, особенно при повышенных требованиях к мощности, граничной частоте и линейности усиления широкополосных сигналов. Вакуумные приборы, в частности, отличаются высокой стойкостью к радиационному влиянию, что очень важно для ряда применений. Для вакуумных приборов характерным является высокое напряжение питания – порядка десятков киловольт, что затрудняет их применение в бортовой и спутниковой аппаратуре. Однако современные многолучевые конструкции способны обеспечивать высокую и сверхвысокую мощность при рабочих напряжениях, пониженных до единиц киловольт. Вакуумные усилительные приборы достаточно разнообразные. К ним относятся однолучевые и многолучевые клистроны, способные возбуждать колебания нескольких лучей, выходная мощность которых суммируется; клистроды, которые представляют собой комбинацию клистрона и тетрода, они характеризуются повышенным КПД и линейностью усиления при высокой мощности; однолучевые и многолучевые лампы бегущей волны (ЛБВ) типа О; амплитроны – усилительные приборы со скрещенными электрическим и магнитным полями, они обеспечивают наибольший КПД (до 90%) и наивысшую мощность.
16.3. Однокаскадный транзисторный усилитель
На рис.16.4 приведена структурная схема усиления, она содержит собственно усилитель СВЧ, источник сигнала Eис с внутренним сопротивлением
Zис , нагрузку Zн и блок питания. Источник сигнала и нагрузка подключены к
усилителю с помощью отрезков линии передачи с волновым сопротивлением W , обычно W =50 Ом. В режиме согласования Zис =W и Zн =W .
Упрощенная структурная схема однокаскадного транзисторного усилителя состоит из транзистора, согласующих цепей (СЦ), цепей питания (ЦП) и разделяющих элементов (РЭ).
СВЧ транзистор характеризуется S-параметрами – комплексными элементами матрицы рассеяния. Производители транзисторов сообщают S-параметры и шумовые параметры транзистора для дискретного ряда частот при оптимальных режимах по постоянному току. Транзистор способен обеспечить свои потенциальные характеристики только в случае, когда он правильно нагружен, то есть когда сопротивления входного и выходного СВЧ-трактов в плоскости транзистора имею определенные значения. Согласующие цепи служат для
251
параметрами транзистора и сопротивлениями, на которые он нагружен. На сравнительно низких частотах транзистор обладает явными невзаимными свойствами и усилитель работает устойчиво. В диапазоне СВЧ транзистор в значительной мере утрачивает невзаимные свойства из-за наличия паразитных обратных связей (как внешних, так и внутренних), потому при некоторых Zис и
Zн в плоскости транзистора усилитель может возбуждаться.
Самовозбуждение возможно только тогда, когда активная часть входного и (или) выходного сопротивления транзистора становится отрицательной. Отрицательному активному сопротивлению соответствует коэффициент отражения, модуль которого больше единицы. Различают понятия безусловной и условной устойчивости усилителя. Усилитель считается безусловно устойчивым (абсолютно устойчивым) в заданном диапазоне частот, если он не возбуждается в этом диапазоне при подключении каких угодно комплексных сопротивлений Zис и Zн с положительными активными составляющими. Если суще-
ствуют значения сопротивлений Zис и Zн , при которых усилитель способен са-
мовозбуждаться, он является условно устойчивым (потенциально устойчивым, потенциально неустойчивым).
Условия безусловной устойчивости в терминах S-параметров имеют следующий вид:
s12s21 <1 − s11 2 ,
s |
s |
21 |
|
<1 − |
|
s |
22 |
|
2 |
, |
(16.14) |
|
|
|
|||||||||
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s12s21 <1 + s11s22 − s12s21 2 − s11 2 − s22 2 .
Последнее неравенство принято записывать в виде kc >1, где параметр
|
1 + |
|
s |
s |
22 |
− s |
s |
21 |
|
2 − |
|
s |
|
2 − |
|
s |
22 |
|
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
kc = |
|
|
|
11 |
|
12 |
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
s12s21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
называется коэффициентом устойчивости (англ. – stability factor).
Условие kc >1 является необходимым, но недостаточным для безуслов-
ной устойчивости усилителя. Это значит, что возможно одновременное ком- плексно-сопряженное согласование на входе и выходе транзистора. При kc <1
транзистор можно согласовать только с одной стороны. Случай kc =1 является
граничным, когда двустороннее согласование становится возможным. Нарушение любого условия (16.14) указывает на то, что усилитель явля-
ется условно устойчивым, то есть при определенных сопротивлениях источника и нагрузки он может самовозбуждаться. В случае условной устойчивости усилителя важно определить области допустимых сопротивлений на входе и выходе в плоскости транзистора, при которых транзистор будет работать устойчиво.
