6Малошумящий предварительный усилитель сигналов свч

6.1Общие положения

Непосредственный индивидуальный прием спутникового телевизионного вещания стал возможным благодаря разработке современных электронных компонентов, и в первую очередь, благодаря созданию технологии производства полевых транзисторов СВЧ диапазона на арсениде галлия с низким уровнем шума. Они позволили перейти от громоздких параметрических усилителей, охлаждаемых азотом, гелием, размещаемых вдали от антенны и соединенных с ней волноводной системой, к миниатюрным СВЧ усилителям, в том числе и малошумящим предварительным усилителям сигналов СВЧ (Lna-Low Noise Amplifier). Двухкаскадные усилители на полевых транзисторах из арсенида галлия (GaAs) позволяют получить усиление сигнала полосы частот 10,0... 18,0 ГГц до 33 дБ с уровнем шума не более 1,6 дБ. Особенно хорошие результаты получаются при применении в усилителях полевых транзисторов типа НЕМУ (High Elektron Mobile Transistor) — транзисторов на электронах с высокой подвижностью. У них коэффициент шума не превышает 1,2 дБ и может быть снижен до 0,8 дБ, а усиление при малом уровне входного сигнала достигает 33 дБ. Современные полевые транзисторы на GaAs типа НЕМУ находят широкое применение в усилителях для приема спутникового телевизионного вещания. Схема, поясняющая принцип работы полевого транзистора, показана на рис. 6.1.

Наиболее важным параметром, влияющим на усилительные и шумовые свойства СВЧ полевых транзисторов, является длина его затвора. К примеру, полевые транзисторы с длиной затвора 1,0 мкм обеспечивают усиление порядка 6 дБ на частоте 12,0 ГГц с коэффициентом шума около 4,0 дБ, а такие же транзисторы с длиной затвора 0,5 мкм имеют усиление 10,0 дБ и коэффициент шума у них не превышает 2,5 дБ.

Чем меньше длина затвора, тем меньше время пролета носителей и тем лучше шумовые и усилительные свойства транзистора. Если подать напряжение смещения на затвор и затем приложить переменное напряжение, то с изменением этого напряжения соответственно изменяется и эффективная длина канала, а, следовательно, и ток стока, и таким образом происходит усиление напряжения при включении нагрузки в цепь стока. Современные технологии позволяют создавать транзисторы такого типа с длиной затвора около 0,25 мкм, что обеспечивает высокий коэффициент усиления и минимальный коэффициент шума. Корпус СВЧ транзистора разработан для монтажа в микрополосковую конструкцию усилителя.

Кроме современных СВЧ транзисторов для малошумящих предварительных усилителей-конвертеров была разработана гибридная интегральная технология. Основой ее явилось то, что для передачи энергии электромагнитных волн вместо громоздких волноводных систем используются миниатюрные соответствующих размеров и конфигурации микрополосковые линии (компланарные волноводы), которые наносятся на керамическую или фторопластовую основу. Миниатюризация с помощью гибридной интегральной технологии дала возможным повысить чувствительность приемного устройства, разместив предварительный усилитель-конвертер непосредственно в фокусе параболоидной антенны, и, тем самым, исключить передачу сигналов СВЧ диапазона по волноводным линиям, которые тоже имеют потери.

Новым направлением дальнейшего развития предварительных усилителей-конвертеров стало их монолитное интегральное исполнение, в котором вместо диэлектрической используется полупроводниковая основа. Конструирование и технология изготовления монолитных интегральных схем СВЧ диапазона — довольно сложный процесс, который не сводится только к получению активных элементов — транзисторов, диодов. Соединения носят здесь уже не гальванический, а электродинамический характер. Поэтому возникают проблемы согласования отдельных элементов схемы, а также вопросы при использовании симметричных и несимметричных микрополосковых линий, компланарных волноводов и щелевых излучателей, влияния экранирующих элементов корпуса на волновое сопротивление линий передач и т.п.