7.2. Підсилювачів діапазону свч

В даний час розроблені і успішно експлуатуються різні системи передачі інформації СВЧ діапазону: радіорелейні лінії, системи космічного зв'язку "Орбіта", "Екран", "Москва" і тому подібне, системи безпосереднього телемовлення діапазону 12ГГц, системи космічної навігації, служби погоди і так далі

Важливими компонентами цих систем є широкосмугові підсилювачі (ШУ), що працюють як попередні підсилювачі, підсилювачі проміжних частот (ПЧ), відеопідсилювачів і так далі

Як правило, подібні підсилювачі працюють в узгодженому тракті передачі з характеристичним опором 50 і 75 Ом. Тракт передачі може бути реалізований у вигляді хвилеводу, коаксіального кабелю, мікросмужній лінії і тому подібне

Як активні елементи в ШУ найчастіше використовують біполярні транзистори і польові транзистори СВЧ з бар'єром Шотки. БТ використовують в діапазоні частот до 2 Ггц, ПТ з бар'єром Шотки - до 100ГГц.

Транзисторні підсилювачі СВЧ можуть виконуватися по схемах каскадних підсилювачів, підсилювачів розподіленого посилення, каскадно-розподілених і балансних.

У каскадних підсилювачах найчастіше використовують каскади з ОЕ (ОЇ), рідше з Про (ОЗ) із-за проблеми узгодження з характеристичним опором тракту в широкому частотному діапазоні. Оскільки коефіцієнт посилення транзистора із зростанням частоти зменшується, то розрахунок ШУ і узгодження навантажень проводять для верхньої частоти робочого діапазону. Надмірне посилення в області НЧ і СЧ усувають так званими вирівнюючими ланцюгами, які можуть бути реактивними і диссипативними (з втратами).

Диссипативні вирівнюючі ланцюги розраховують так, щоб забезпечити потрібний хороше узгодження з характеристичним опором тракту передачі (малий КСВН) і стійкість в діапазоні робочих частот. У дециметровому діапазоні робочих частот вирівнюючі ланцюги можуть бути реалізовані у вигляді ланцюгів із зосередженими параметрами, на більш високочастотному - з розподіленими параметрами. Приклади простих диссипативних вирівнюючих ланцюгів приведені на малюнку 7.9, причому складніший варіант (малюнок 7.9б) - для надширокосмугових підсилювачів ( ).

Завдання узгодження і вирівнювання коефіцієнта передачі в діапазоні робочих частот полегшується при використанні ООС. При резистивній ООС (малюнок 7.10а) досягається широкосмугове узгодження в каскаді на ПТ. У надширокосмугових підсилювачах використовують комбіновані резистивно-індуктивні ланцюги ООС (малюнок 7.10б), за допомогою яких здійснюється ефективне вирівнювання АЧХ.

Підсилювачі з розподіленим посиленням (УРУ) (малюнок 7.11) дозволяють досягти великої потужності вихідного сигналу на низькоомному навантаженні за рахунок складання струмів транзисторів у вихідній лінії. Проте УРУ відрізняє складна схемна реалізація і низький ККД.

Каскадний - розподілені підсилювачі (малюнок 7.12), поєднуючи достоїнства каскадних і УРУ, дозволяють отримати хороші потужностні характеристики в широкій смузі робочих частот при відносно простій схемній реалізації. Вибором і добиваються однакового посилення по струму транзисторів і . Оскільки вихідні струми транзисторів складаються в навантаженні, то можливе використання даного каскаду на частотах, близьких до використовуваних транзисторів.

Балансні ШУ (малюнок 7.13) дозволяють зменшити паразитний зворотний зв'язок між транзисторами при тому, що їх каскадує, що дозволяє збільшити стійкий коефіцієнт посилення. Наявність направлених відгалужувачів (АЛЕ) істотно збільшує габарити балансних підсилювачів.

Для розрахунку СВЧ підсилювачів найширше використовується система S-параметров (параметрів розсіяння). При цьому транзистор представляють у вигляді чотириполюсника, навантаженого на стандартні опорні опори, як правило, рівні хвилевому опору вживаних передавальних ліній (малюнок 7.14).

Вибір S-параметров обумовлений відносною простотою забезпечення режиму узгодження на СВЧ (по порівнянню, скажімо, з режимом короткого замикання при вимірюванні Y-параметров), і, отже, коректністю їх експериментального визначення, а також ясним фізичним сенсом, а саме:

- коефіцієнт віддзеркалення від входу при узгодженому виході;

- коефіцієнт віддзеркалення від виходу при узгодженому вході;

- коефіцієнт посилення в прямому напрямі при узгодженому виході;

- коефіцієнт посилення у зворотному напрямі при узгодженому вході.

Для аналізу передавальних характеристик СВЧ підсилювальних пристроїв також використовують узагальнений метод вузлових потенціалів, еквівалентні Y-параметры визначаються через зміряні параметри розсіяння:

,

,

,

,

де .

Параметри розсіяння транзистора (або будь-якого чотириполюсника) можна розрахувати по його еквівалентній схемі, використовуючи все той же узагальнений метод вузлових потенціалів:

,

де - коефіцієнт нормування, рівний:

- для _

- для _

для і ;

- символ Кронекера =1, якщо i=j, і =0, якщо ij.

Зважаючи на складність еквівалентних схем підсилювальних елементів і наявності розподілених структур, розрахунок передавальних характеристик підсилювачів СВЧ діапазону можливий тільки за допомогою ЕОМ. Використовуючи сучасні пакети проектування РЕУ, бази даних елементів і готових схемних рішень, розробники мають можливість, не проводячи дорогого натурного моделювання, набути очікуваних реальних значень передавальних характеристик. За допомогою ЕОМ можлива побудова оптимальної топології підкладки підсилювачів, що дозволяє повністю автоматизувати процес проектування підсилювачів СВЧ.

В даний час транзисторні СВЧ підсилювачі виконуються, як правило, в гібридно-інтегрального виконання або у вигляді напівпровідникової інтегральної мікросхеми (монолітна технологія) із стандартною напругою живлення. Як підкладка при гібридного виконання найчастіше використовуються поликор, сапфір. Пасивні елементи виконуються по тонко- або товстоплівковій технології. Якнайкращим матеріалом для виконання контактних майданчиків, перемичок, виводів безкорпусних транзисторів є золото. Корпуси СВЧ підсилювачів виконують з металу, що має однаковий температурний коефіцієнт розширення з матеріалом підкладки (наприклад, поликор - титан). Для підключення СВЧ підсилювачів до тракту передачі використовують СВЧ роз'єми різної конструкції.

Найсучаснішою є технологія виконання СВЧ підсилювачів за монолітною технологією. Цьому сприяли успіхи в створенні високоякісного епітаксіального арсеніду галію з високою однорідністю параметрів за площею великих розмірів, промислово освоєна технологія отримання польових транзисторів з довжиною затвора до 0,5мкм, вивчення методів розрахунку і дослідження технології виготовлення зосереджених пасивних елементів в діапазоні робочих частот до 20 Ггц, промислове освоєння технології селективного іонного легування арсеніду галію, створення математичних моделей активних і пасивних елементів у поєднанні з розвитком методів машинного проектування.

При виготовленні ІС СВЧ підсилювачів в більшості випадків використовується напівізолюючий арсенід галію. Його конкурентом є сапфір, використовуваний в технології "кремній на сапфірі". У ІС міліметрового діапазону хвиль як підкладка застосовується чистий кремній.

При створенні ІС СВЧ процеси проектування схемотехніки, конструювання і технології неразделимы. Технологія виготовлення ІС СВЧ заснована на використанні унікальних властивостей арсеніду галію у поєднанні з методами іонної імплантації. Ізолюючі властивості підкладки з арсеніду галію, що має питомий опір до Омсм, дають можливість виготовити на одному кристалі арсеніду галію ІС, що містить активні прилади, пасивні ланцюги СВЧ і схеми живлення.

Перевагою ШУ СВЧ, виконаних у вигляді монолітних ІС, є малі габаритні розміри і маса, широка смуга робочих частот через відсутність стиковок і паразитних реактивностей, зменшення частки ручної праці, відтворення робочих характеристик і так далі

До недоліків ІС СВЧ підсилювачів є складність технології виготовлення, високі витрати на розробку, низький відсоток виходу придатних схем, складність з відведенням тепла від активних елементів, гірші електричні параметри (без підстроювання). Підстроювання можливе, якщо в схемі і конструкції передбачена можливість зміни режиму роботи активних елементів і параметрів ланцюгів, що коректують, ланцюгів ООС і так далі Для ІС, виконаних за монолітною технологією, проводять розбраковувану по допустимому інтервалу допусків.