6.6Особенности применения полевых арсенид-галлиевых свч транзисторов в малошумящем усилителе

Применение полевых транзисторов на арсениде галлия в усилительных каскадах имеет свои особенности и поэтому целесообразно рассмотреть некоторые из них.

В усилителях на полевых транзисторах из арсенида галлия не используются соединения входа усилителя с антенной, длина которых кратна нечетному числу четвертьволновых отрезков л„/4 („— средняя длина волны в принимаемого сигнал диапазона СВЧ). Необходимо иметь в виду, что с этой точки зрения для усилителя электрический зонд, погруженный в волновод, как раз и является такой антенной, поэтому расстояние от зонда до затвора транзистора должно удовлетворять приведенному выше условию. В противном

случае вследствие внутренних рассогласований могут произойти нежелательные изменения полного сопротивления. В результате увеличатся собственные шумы, уменьшится или увеличится усиление, увеличится электрическая нестабильность, вплоть до самовозбуждения, что, возможно, приведет к "выгоранию" транзистора. Поэтому, длину соединения по возможности выбирают близкой к ср/2 или кратную ср/2. Для выполнения приведенного условия на практике арсенид галлиевые полевые транзисторы используются только в узкополосных усилителях и системах приема, каковой и является система приема телевизионных программ через спутники.

Наряду с согласующими цепями большое внимание в усилителях СВЧ уделяется питающим постоянным напряжениям и напряжениям для подачи смещения на входы полевых транзисторов, а также предотвращению самовозбуждения. В этом имеется основательная необходимость, так как на низких частотах усиление транзистора может быть очень большим и усилитель становится неустойчивым. Для предотвращения самовозбуждения используются чисто омические микрополосковые сопротивления, через которые подаются напряжения на затвор и сток транзистора. Они включаются перед фильтрами СВЧ (в цепях стока) и после них (в цепях затвора) и не оказывают влияния на передачу СВЧ сигнала.

Кроме того, при работе с усилителем на полевых транзисторах, как при экспериментальных работах, так и при монтаже, необходимо иметь в виду, что транзисторы СВЧ, в особенности транзисторы с длиной затвора 1,0...0,25 мкм, очень чувствительны, и небольшое статическое напряжение или незначительное превышение питающего напряжения легко могут вывести их из строя.

На рис. 6.4 показана топология двухкаскадного малошумящего усилителя.

Здесь буквой А обозначены ФВЧ, составленные из четырех высокоомных (тонких) и двух низкоомных (толстых) микрополосковых линий, буквой В обозначены элементы согласования цепи затвора, а С — элементы согласования цепи стока обоих полевых транзисторов. Если в ФНЧ используются МПЛ, равные четверти длины волны, то в цепях согласования стоков и затворов они намного короче.

Сосредоточенные элементы R1-R4, С1-С4 служат для предотвращения упомянутого низкочастотного самовозбуждения, а конденсаторы еще и для развязки по постоянному току.

Однако встречаются усилители, у которых минимизируется шум первого и второго каскадов с одно временным обеспечением максимального усиления каждого каскада. На рис. 6.5 показана реальная схема такого двухкаскадного малошумящего усилителя с однородным питающим напряжением и с настройкой каждого каскада на минимальный уровень шума и максимальный коэффициент усиления.

В рассматриваемом усилителе первый каскад работает при токе около 10 мА. В основном, такой ток устанавливается для первых каскадов малошумящих усилителей, что обеспечивает минимальный коэффициент шума. В то же время, второй каскад для получения значительного усиления работает при токе порядка 20 мА. Таким образом, оптимизируется режим усиления двухкаскадного усилителя по обеспечению минимального результирующего коэффициента шума и максимального усиления.

Питание усилителя-конвертера осуществляется от внутреннего блока ресивера. По центральной жиле коаксиального кабеля подается однополярное напряжение.

Для предварительного усилителя, в большинстве случаев, необходимы два напряжения — положительное и отрицательное. Это обеспечивает преобразователь полярности напряжения, находящийся во внешнем блоке вместе с усилителем-конвертером.

Для этого используется дискообразная конструкция усилителя-конвертера, который размещается в корпусе круглого волновода первичного облучателя.

В зависимости от диапазона частот принимаемых электромагнитных волн и поляризаций их бывает несколько, и они могут собираться модульным способом.

Выводы

Разработка усилителей сигналов СВЧ для приема телевизионных программ со спутников, несмотря на простоту выполняемых ими функций, представляет значительную трудность, так как техника СВЧ впервые столкнулась здесь с проблемой массового производства при минимальной стоимости. Индивидуальный прием телевизионных передач через спутники-ретрансляторы стал возможным благодаря освоению технологии массового изготовления транзисторов типа НЕМУ на арсениде галлия, использованию гибридной интегральной технологии и технологии изготовления монолитных микросхем СВЧ диапазона.

Малошумящие усилители сигналов СВЧ, применяемые во входных каскадах приемных устройств, имеют свои особенности.

Во-первых, они в основном двух- или трехкаскадные, так как дороговизна СВЧ транзисторов не позволяет делать их многокаскадными. Основная задача малошумящих усилителей — обеспечить необходимое усиление (не менее 10 дБ) при минимальном уровне шума. Необходимое усиление определяется тем, что рассчитанный

результирующий коэффициент шума всего усилителя не должен значительно вырасти по сравнению с собственным коэффициентом шума первого каскада. Для получения минимального уровня шума малошумящие усилители строятся без обратной связи, которая приводит здесь к появлению дополнительных шумов и для снижения уровня шумов они относительно узкополосные. В качестве согласующих элементов в них широко используются микрополосковые индуктивности и емкости (конденсаторы), т.е. цепи без потерь, которые не являются источниками шумов.

Режим работы первого каскада малошумящих усилителей минимизируется по уровню шумов, а режим второго каскада оптимизируется для получения достаточного коэффициента усиления. Однако следует отметить, что в некоторых схемных решениях устанавливаются однотипные режимы работы, как для первого каскада, так и для второго.

К основным параметрам малошумящего усилителя наряду с минимальным коэффициентом шума и максимальным коэффициентом усиления относится и диапазон частот усиливаемых СВЧ сигналов. Обычно такие усилители узкополосные, но усилители на транзисторах типа НЕМУ из арсенида галлия могут обеспечить усиление сигналов в полосе частот 10,7...12,75 ГГц, т. е. во всем диапазоне ретранслируемых телевизионных программ по спутниковым каналам.