Создание мощных СВЧ усилителей на полевых транзисторах на основе разработанных экспериментально — расчетных методик

Актуальность темы

Твердотельные усилители мощности (УМ) являются основным элементом в передающих каналах PJ1C, АФАР, системах связи, аппаратуре радиолокационного противодействия, специального назначения и в настоящее время УМ на полевых транзисторах обеспечивают величину мощности от единиц до нескольких десятков ватт в сантиметровом диапазоне длин волн.

Широкое применение нашли монолитные интегральные схемы (МИС), позволяющие получить необходимые уровни мощности и обеспечивающие высокие коэффициент усиления (Ку) и КПД при малых габаритах. Однако, на сегодняшний день отечественные разработки в этой области пока отстают от зарубежных аналогов.

В передающих каналах РЭА так же применяются внутрисогласованные транзисторы (ВСТ), представляющие собой транзисторные структуры с согласующесуммирующими цепями, заключенные в металлокерамический корпус. На мировом рынке в основном задействованы две компании Fujitsu и Toshiba, выпускающие ВСТ.

Требования экономической независимости и национальной безопасности приводят к необходимости оперативного проектирования и создания большого числа УМ исключительно на отечественной элементной базе, номенклатура и параметры которой пока не установились и быстро меняются. Исходя из этого, специфика представленной работы заключается в том, что практически все УМ разрабатывались и выпускались с учётом этих требований. Выходная мощность лучших отечественных полевых транзисторов до недавнего времени составляла 0,7.1,5Вт в диапазоне от 1 до 9 ГГц и 250.300 мВт в диапазоне от 9 до 18 ГГц. В связи с этим, в выходных каскадах УМ приходилось суммировать мощность большого количества (до 16 шт.) СВЧ транзисторов. В последних разработках применялись новые транзисторы, выпускаемые ФГУП «НПП «Исток», с выходной мощностью 5Вт и потребовалось решать сложные задачи, связанные с согласованием и технологией монтажа для получения первых отечественных корпусированных ВСТ и УМ с параметрами, соответствующими уровню современных зарубежных аналогов.

Вопросы расчёта и проектирования УМ на ПТШ отражены во множестве статей и научных работах, однако, при разработке УМ возникают проблемы, связанные с конкретным применением в аппаратуре, особенностями измерений электрических параметров ПТШ и использованием существующей элементной базы. Выбор оптимальных схем согласования и суммирования мощности при заданных габаритах канала, определение электрических характеристик (моделей) транзисторов в широком (октава и более) диапазоне частот, технологические вопросы монтажа и сборки узлов, влияющих на электрические параметры усилителей — неполный перечень проблем, которые необходимо решить при проектировании передающих каналов. Это приводит, в ряде случаев, к разработке дополнительных методик, ускоряющих и дополняющих общепринятые методы проектирования УМ.

Цель работы — создание экспериментально — расчетных методик и разработка на их основе мощных СВЧ усилителей и внутрисогласованных транзисторов.

Постановка задачи — для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— разрабатывался амплитудный метод оперативного определения входного и выходного импеданса СВЧ транзисторов;

— рассчитывались «Б» — параметры транзисторов с помощью амплитудного метода;

— разрабатывались экспериментально-расчётные методики определения входных и выходных импедансов мощных СВЧ транзисторов, работающих в режиме большого сигнала с помощью сформированных на подложке геометрически правильных топологий из индиевой фольги (метод «слепков»);

— с использованием метода «слепков» проектировались малогабаритные согласующие и суммирующие цепи для усилителей мощности бортовой аппаратуры и АФАР длинноволновой части см диапазона, а также определялись согласующеесуммирующие цепи (ССЦ) для ВСТ;

— с помощью представленных методик определялись и уточнялись электрические параметры секции мощных СВЧ транзисторов для проектирования УМ АФАР и ВСТ коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн;

— с целью улучшения электрических характеристик и упрощения технологии сборки усилителей применялись балочные выводы УМ;

— для согласования мощных транзисторов использовались подложки с высоким значением е и сосредоточенные элементы, которые также уменьшали габариты ССЦ.

Объектом исследования служат — мощные полевые СВЧ транзисторы с большой шириной затвора, их электрические характеристики, измеренные в режиме большого сигнала.

Предметом исследования служат — расчёт и экспериментальное обследование согласующих и суммирующих цепей транзисторов, усилителей мощности для АФАР, ВСТ и специальной аппаратуры, материалы и технология изготовления усилителей мощности.

Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты:

1. Разработан оперативный экспериментально-расчетный метод определения входных и выходных импедансов и Sпараметров транзистора, основанный на измерении отражённой и проходящей через транзистор СВЧ мощности.

2. Разработана экспериментально-расчетная методика определения СВЧ параметров транзистора с большой шириной затвора, работающего в режиме большого сигнала.

3. Введено совместное использование балочных выводов и сосредоточенных элементов, значительно улучшающих электрические характеристики, упрощающих процессы сборки и уменьшающих габариты усилителей с большим числом ПТШ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные оригинальные экспериментально-расчетные методики позволяют определять входные и выходные импедансы мощных полевых транзисторов, работающих в нелинейном режиме, их малосигнальные S — параметры, а также проводить экспресс — проверку нелинейных моделей без использования векторных анализаторов и специального оборудования для измерения S — параметров в режиме большого сигнала.

2. Совместное использование сосредоточенных элементов и балочных выводов приводит к уменьшению габаритов, улучшению выходных характеристик, повышению надежности и упрощению сборки усилителей мощности L -(1 — 2 ГГц) и S (2−4 ГГц) — диапазона с большим количеством транзисторов.

3. Учет поперечных фазовых набегов позволяет проектировать для Кидиапазона (12 — 18 ГГц) согласующие цепи с минимальным количеством звеньев без схемы деления мощности для транзисторов с большими поперечными размерами.

Практическая ценность работы.

Разработаны оперативные методики определения СВЧ параметров мощных полевых транзисторов, предложен метод улучшения характеристик и уменьшения размеров УМ и разработаны твердотельные усилители мощности для АФАР в области частот: L-, S-, С- (4 — 8 ГГц), Х- (8 — 12 ГГц) части диапазона длин волн, первые отечественные ВСТ S-, Х-, Кидиапазона, мощный импульсный усилитель Ки-диапазона, передающий канал для радиорелейных линий связи (PPC) Кидиапазона.

Апробация результатов работы.

Результаты работы опубликованы в материалах международных и российских конференций «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», «КрыМикО» 10−14 сентября 2001 г., 12−16 сентября 2005 г, 9−16 сентября 2006 г., Севастополь, «1п-termatic-2004» «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения».

7−10 сентября 2004 г., МИРЭА, г. Москва, «14 отраслевой координационный семинар по СВЧ технике», 5−8 сентября 2005 г., пос. Хахалы, Нижегородской обл.

Освоено мелкосерийное производство октавных усилителей мощности для АФАР Ь — и Б — диапазонов. Проводились поставки УМ для АФАР 8-, Си Хдиапазонов, а также получены опытные образцы 10 Вт усилителей Ки — диапазона и ВСТ мощностью 5. 10 Вт, Б-, С-, Х-, Кидиапазонов.

Публикации. По материалам работы автором опубликовано 26 печатных работ, получены 2 патента РФ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Работа выполнена на 108 страницах текста, содержит 65 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 81 наименований.

выхода.

Амплитудная характеристика схемы (рис.45) показывает, что схема может обеспечить выходную мощность более 7 Вт.

11/07/05.

Anson Corporation — Harmonica ®v8.5 d:'workJub.

15:48:12 am5Ji03 Y1 • P02.

Power [W].

Kl= CI. SOWY1= 7.38W.

Рис. 45. Расчётная амплитудная характеристика на частоте 6,3 ГГц..

Рвыч. дВмПг 38.

30 «г=0.п 1 il .J—. Г=5.9ГГц — —., !•' -6.31 Tu 1.

-.-: .~. s S у/.

У. >'? / у/ i !.

1с=2.4/ >В.

20 22 24 26 28.

Экспериментальная амплитудная характеристика транзистора «Принц-37», партия 14 (2) р^.

5.<>П" и. F «1.1П ц. !' - 6.3I [ il) лсржатель 20−6-14 Ркых мал .195 Bi 5.95 Iii 4.5 Hi.

Рис. 46. Экспериментальная амплитудная характеристика..

После этого рассчитывалась согласующе — суммирующая схема для двух транзисторов..

Поскольку разработка схемы ВСТ шла параллельно с разработкой самого мощного транзистора, по мере появления новой партии ПТШ создавались новые варианты схем ВСТ. Так, для транзисторов 18-ой партии была разработана схема суммирования двух транзисторов, показанная на рис. 47..

—-8.5269 —.

Рис. 47 Схема суммирования двух транзисторов в диапазоне 5,9 ГГц — 6,3 ГГц.

На рис. 48, 49 показаны частотная зависимость коэффициента усиления по мощности в нелинейном режиме и амплитудная характеристика схемы..

Рис. 48. Расчётный коэффициент усиления по мощности в нелинейном режиме. Входная мощность 0,5 Вт, напряжение на стоке 7 В, напряжение на затворе -1,4.

11/08/05 Ansof) Corporation — Harmonica ®v8.5 17:5153 am m y2 y1 д.

Р02<�нТ>.

D:WORKlUBABC11OlSHESTWiWnJ 0v2. ckt.

Рис. 49. Расчётная амплитудная характеристика схемы ВСТ на частоте 6,3 ГГц.

Х1=6.1(Ю№ У1= 1 34.

АпяоП Согрет л1юп — Нагтотса ?"0.5 0:№ОгаливЛВС110вНЕ5Т16С1а1Т110 i2. ckt ат10"2 VI.

У""Я1(сИ-ат10у2).

Х2= 6.300№ 42= т10"2 У1 |.

УЗМ?2(сИ=от10"2).

Ргед [СНг|.

Рис. 50. Кривая 1 — КСВН входа, кривая 2 — КСВН выхода (расчёт)..

Из графиков видно, что в рабочем диапазоне частот коэффициент усиления схемы больше 10 дБ, и выходная мощность более 10 Вт. На рис. 50 приведены графики частотной зависимости КСВН по входу и выходу. Внешний вид ВСТ показан на рис. 51.

Рис. 51. Внешний вид ВСТ С-диапазона.

4.2.2. Разработка ВСТ X — диапазона..

Характеристики схемы приведены на рис.52−56. Из рисунков видно, что схема имеет коэффициент усиления больше 8 дБ, при входной мощности 1 Вт, что позволяет получить выходную мощность более 5 Вт. Частотная зависимость входного и выходного КСВН имеет типичный для этих схем характер поведения..

11 118/05.

Ап50Й Согрогайоп — Нагтошса ® у8.5 0:№ 0РКМиВА, АН0595атр5Ы. сИ.

18:17:09 атр5Ы с) В (Т021"Н1,Н1>).

8.40.

9.2Ь 9.'.

Реч [СИг].

Рис. 52. Коэффициент усиления по мощности в нелинейном режиме. Входная мощность.

Рис. 53. КСВН входа (нижняя кривая) и КСВН выхода (верхняя кривая).

Рвых, дБм.

Рис. 54 Расчетная и экспериментальная амплитудные характеристики ВСТ (Р=9.3ГГц)..

Рис. 55 Внешний вид ВСТ X — диапазона..

Некоторые экземпляры ВСТ показывали рекордные значения КПД (рис.56), значения остальных, с учётом дестабилизирующих факторов, приведены в таблице 3.

1'ны. лЬм 40 диапазон 9 ГГц.

34 32 30 23 26.

Т — д ержатепь 15−9-14 и =-1.3 в.

— УУ УУ /А — КПД.

— 2 У 9.31 Т] к.

Держатель N 1 И-14 1 l—t.2H.U247.5IУ:У 7 / / (.

— 4.

— ууч Дер— иь йтельК 10−9-14. UB. U2T7.5B «» .

I 1,1. 1.1. клд% 45.

40 35 30 25 20 15 ю.

14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Рвх, Л Экспериментальная амплитудная характеристика ВСТ «Принц-37» партия 14 (2).

Рис. 56 Экспериментальные характеристики ВСТ X — диапазона..

На рабочих частотах ВСТ X — диапазона начинает проявляться чувствительность характеристик схемы к разбросу значений индуктивностей проволочных выводов, определяемых длиной этих выводов. Стабилизация длины выводов является одной из основных технологических задач, которые необходимо решить при проектировании схемы. На рис. 57 приведены две рассчитанные амплитудные характеристики ВСТ данного диапазона. Верхняя кривая соответствует схеме с проволоками минимально возможной длины. Нижняя кривая соответствует амплитудной характеристике аналогичной схемы, но с проволоками, длина которых увеличена на 0,1 мм. Из рисунка видно, что проволочные выводы могут быть причиной значительных потерь выходной мощности. Балочные выводы не использовались из-за больших габаритов кристалла и особенностей монтажа..

Arisoft Corporation — Harmonrca ® v8.5 D: WORKL UBAPf ШС0−17−9gtam5.ckl am5.

P02*H1″ am5 V1 -1.

P02.

.

.

Power [W|.

Рис. 57 Расчётная амплитудная характеристика на частоте 9,5 ГГц.

4.2.3. Разработка ВСТ Ки — диапазона..

Для ВСТ Ки — диапазона частот применялись конструктивные и схемотехнические решения такие же, как для X — диапазона. Внешний вид ВСТ показан на рис. 58..

Рис. 58 Внешний вид ВСТ Ки — диапазона..

Разработанная схема показала приемлемые характеристики. На рис. 59 показана расчётная частотная зависимость коэффициента усиления по мощности в нелинейном режиме..

Рис. 59 Коэффициент усиления по мощности в нелинейном режиме. Входная мощность 1 Вт, напряжение на стоке 7 В, напряжение на затворе -0,8 В..

Из рисунка видно, что во всем рабочем диапазоне частот схема имеет коэффициент усиления больше 8 дБ, следовательно, возможно получение мощности более 6 Вт..

На этих частотах сказывается влияние длин монтажных проволок транзистора. На рис. 60 представлена расчётная зависимость мощности ВСТ на основе транзистора «Принц -37» от разброса длин монтажных проволок и возможных отклонений материала подложек по величине 8. Видно, что разброс по величине с не так сильно влияет на параметры, как разброс по длинам проволок, поэтому необходимо применение автоматизированного монтажного оборудования..

Влияние разброса по длине проволок зранзистора на выходную мощность ОСТ на 14ГГц, транзистор Принц партия 17, мощность па входе Шт.

Кривая 1 — всс ячейки разварены двумя параллельными проволоками по 0.3мм каждая. Кривая 2 — у двух ячеек длина проволок увеличена до 0.45мм.

Кривая 3 — четыре ячейки разварены увеличенными проволоками (по 0.45мм каждая).

Влияние разброса по величине с согласующей керамики на выходную мощность ВСТ на 14ГГц, транзистор Пршш партия 17, мощность на входе 1 Вт.

АтоЬ Софогайоп. Нагтатса ® .8.5 О даОККи иВЛ'.ИМпс" <К.

Л|— 1 ! iCi. rO.

-VI: 6 г* '..

•гмсс>1г п- 6.

1x3 — И? Ш'г Н?- МЛ-.ч.

П/5 нт*5.

ТО2"Н1″ рог"т> эт5 П ^ ТО2-Н1'.

К’рнная I с = 80, кривая 2 — г. 85, кривая 3 — ?- ~ 75.

Рис. 60 влияние разброса длин проволок и с на параметры ВСТ..

В результате были получены ВСТ со следующими электрическими параметрами..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проведенной работы были получены следующие основные результаты:.

1. Разработан оперативный экспериментально-расчетный метод определения входных и выходных импедансов транзистора, 8- параметров, основанный на измерении отражённой и проходящей через транзистор СВЧ мощности..

2. Разработана экспериментально-расчетная методика определения параметров СВЧ транзистора с большой шириной затвора, работающего в режиме большого сигнала..

3. Введено совместное использование балочных выводов и сосредоточенных элементов, значительно улучшающих электрические характеристики и упрощающих процессы сборки усилителей с большим числом ГГГШ..

4. Показано, что корректный учет поперечных фазовых набегов в мощных транзисторах с большим периодом структуры позволяет эффективно использовать кристаллы транзисторов в усилителях мощности Ки диапазона без схемы деления мощности при минимальном количестве звеньев согласующих цепей..

С использованием разработанных методик был создан ряд мощных УМ на отечественных полевых транзисторах с параметрами, соответствующими современному уровню:.

— УМ АФАР 8 — диапазона с Рвых = 10 Вт-.

— УМ АФАР С — диапазона с Рвых = 18 Вт-.

— октавные усилители мощности Ь — и 8 — диапазонов с РВых=7., 10Вт-.

— ряд ВСТ Ь-, 8-, С-, Хдиапазона с РВЬ1Х=5.Ю Вт для широкого применения в РЛС, АФАР, систем связи и специальной аппаратуре-.

— мощный импульсный усилитель Ки диапазона с РВЬ1Х=9.И Вт-.

— предварительный усилитель АФАР X — диапазона с Рвых=1 • • • 1,5 Вт-.

— ВСТ для АФАР X — диапазона с РВЬ1Х=8. 10 Вт..