Квазимонолитный транзисторный усилитель диапазона 8-18 ГГц с выходной мощностью 2 вт
Гармаш С.В., Кищинский А.А., Радченко А.В.
Доклад опубликован в материалах 19-й Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Вебер, 2009 г.
Аннотация. В докладе изложены результаты разработки и экспериментального исследования квазимонолитного транзисторного усилителя диапазона 8-18 ГГц с выходной мощностью в линейном режиме более 2 Вт. Приведены экспериментальные характеристики изготовленных образцов усилителей, рассматриваются особенности их построения, конструкция и технология сборки.
I. Введение
В качестве альтернативы усилителям мощности, выполненным по монолитной технологии, могут рассматриваться гибридно-интегральные или квазимонолитные интегральные усилители, на основе псевдоморфных GaAs-транзисторов с высокой подвижностью электронов (р-НЕМТ).
Выходные усилительные каскады рассматриваемого в данной статье усилителя мощности выполнены по квазимонолитной технологии [1]. Они включают в себя кристаллы коммерчески-доступных дискретных р-НЕМТ транзисторов с требуемыми удельными параметрами и согласующе-трансформирующие цепи на подложках из полуизолирующего арсенида галлия, на которых оптимальным образом расположены сосредоточенные и распределенные элементы.
II. Основная часть
Для получения выходной мощности более 2 Вт в диапазоне 8-18 ГГц был разработан балансный усилительный каскад с квадратурными мостами Ланге (ГИС-240) на основе GaAs p-HEMT транзисторов с грибовидным затвором 0.3 х 2400 мкм. Предварительный усилительный каскад с выходной мощностью более 1 Вт в диапазоне 8-18 ГГц (ГИС-120) был реализован по той же схеме, но на транзисторах с затвором 0.3 х 1200 мкм.
При расчете согласующих цепей для транзистора с затвором 0.3 х 2400 мкм использовалась разработанная для него нелинейная модель, параметры которой были получены обработкой результатов измерений S-параметров этих транзисторов, и измерений импульсных ВАХ. Методика определения параметров моделей описана в [2]. Параметры нелинейной модели для транзистора с шириной затвора 1200 мкм были получены методом масштабирования имеющейся модели транзистора с затвором 2400 мкм.
На рисунке 1 представлена фотография изготовленного квазимонолитного выходного балансного каскада. Входные и выходные согласующе-трансформирующие цепи транзисторов выполнены попарно на подложках из полуизолирующего GaAs той же толщины (100 мкм), что и кристаллы транзисторов. Это снижает трудоемкость монтажа, упрощает конструкцию, а также позволяет минимизировать индуктивности выводов затвора. Для уменьшения влияния паразитных параметров включения мощных транзисторов и облегчения согласования,
Рисунок 1. Выходной балансный каскад.
Figure 1. Output balanced QMIC amplifier chain
на затворных выводах вместо проволочных соедини-тельных перемычек были применены специальные плоские золотые балочные выводы. Они изготовляются по технологии, описанной в [3], и имеют толщину 8-12 мкм. Применение таких балочных выводов позволяет значительно уменьшить последовательную паразитную индуктивность соединений (особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн), а также обеспечить хорошую повторяемость монтажа цепей.
В балансной схеме квадратурные мосты Ланге выполнены на отдельных подложках из поликора толщиной 250 мкм, ширина зазора 12 мкм, толщина металлизации 5 мкм. Для упрощения монтажа мосты изготовлены с "воздушными" интегральными перемычками [4], фотография которых показана на рисунке 2. На рисунке 3 приведены расчетные и измеренные потери на деление/суммирование «встык» пары таких мостов. При измерениях не учитывались потери в коаксиальных переходах контактного устройства, составляющие от 0.5 до 0.8 дБ в исследуемом диапазоне. Расчет моста Ланге, а также согласующих цепей для транзисторов производился с помощью программ 3D-электродинамического моделирования.
Рисунок 2. Интегральные перемычки мостов Ланге.
Figure 2. Lange coupler's integral interconnects
Основные измеренные и расчетные электрические параметры разработанных каскадов приведены в таблице 1. На рисунке 4 приведены результаты
Рисунок 3. Потери на деление/суммирование квадратурных мостов Ланге.
Figure 3. Lange coupler's division-combining loss
измерений и расчета мощности насыщения первой опытной партии ГИС-240.
Рисунок 4. Мощность насыщения ГИС-240.
Figure 4. Saturated output power of QMIC-240
Таблица 1
На основе описанных квазимонолитных каскадов был разработан широкополосный усилитель, структурная схема которого показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Структурная схема усилителя
Figure 5. Block diagram of the amplifier
Усилитель включает в себя:
- входной малошумящий усилительный каскад с низким уровнем собственных шумов (МШУ);
- балансный электрически управляемый аттенюатор на p-i-n диодах для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления в диапазоне температур от -60 до +70 ºС и цифровой 5-разрядный аттенюатор (АТ);
- предварительный усилитель мощности, корректор АЧХ и ФЧХ усилительного тракта (ПУМ);
- предвыходной и выходной усилительные каскады, рассмотренные выше (ГИС-120 и ГИС-240);
- направленный детектор выходной мощности (НО);
- стабилизаторы питания, быстродействующий модулятор питания; буферные ТТЛ-логические элементы управления цифровым аттенюатором, схему управления аттенюатором термокомпенсации, устройство защиты (устройство питания и управления).
Разработанный усилитель имеет габариты 91 х 38 х 17 мм и массу не более 80 г. Коэффициент усиления в полосе частот 8-18 ГГц составляет от 34 до 43 дБ при неравномерности не более 6 дБ, выходная мощность 1,9 - 2,8 Вт. Ток потребления по цепи "+9В" не более 2,35 А. Фазовая неидентичность не более ±25 градусов.
III. Заключение
Разработан транзисторный усилитель мощности диапазона 8-18 ГГц с выходной мощностью 2 Вт, показана эффективность применения квазимонолитной технологии для построения сверхширокополосных усилителей в верхней части см-диапазона.
Список литературы
1. Гармаш С.В. и др. Применение технологии пассивных схем на арсениде галлия в изготовлении широкополосных усилителей мощности СВЧ. Материалы 9 Крымской микроволновой конференции, Севастополь, Вебер, 1999, стр.5-8.
2. Кищинский А.А. и др. Комплекс программных средств для быстрого получения нелинейных моделей ПТШ на основе результатов измерений S-параметров и импульсных вольтамперных характеристик. Материалы 8-й Международной Крымской конференции "CВЧ техника и телекоммуникационные технологии" 1998г, стр.362-365.
3. Иовдальский В.А., Пчелин В.А., Моргунов В.Г. Совершенствование технологии соединений ГИС СВЧ. Материалы IV Международной конференции. СевКавГТУ, Ставрополь, 2002.
4. American Technical Ceramics Corp. Thin-Film Products. Air Bridge. http://www.atceramics.com/products/tf_air_bridge.asp
