Сверхширокополосный транзисторный усилитель диапазона 6-18 ггц с выходной мощностью 6 вт

Радченко А.В.

ar@mwsystems.ru

I. Введение

 В данном докладе рассматривается сверхширокополосный транзисторный усилитель диапазона частот 6-18 ГГц и выходной мощностью в линейном режиме более 6 Вт. Усилитель обладает уникальными характеристиками и не имеет аналогов в отечественном производстве. Главной проблемой при разработке усилителя стало создание мощного выходного каскада шириной менее 28 мм для возможности его размещения в корпусе усилителя шириной 35 мм.

Выходные усилительные ячейки, как и в [1], выполнены по квазимонолитной технологии [2]. В докладе приведены результаты измерений характеристик усилителей с коммерчески-доступными транзисторами фирмы Excelics, а также с транзисторами собственной разработки.

Особенностями разработанного усилителя являются: цифровое 5-разрядное управление, температурная компенсация усиления, детектор выходной мощности, скоростной модулятор питания (100 нс), встроенный датчик температуры и входной ограничитель мощности.

 II. Основная часть

 Для получения выходной мощности более 6 Вт в диапазоне 6-18 ГГц был спроектирован выходной усилительный каскад (рис. 1), построенный по схеме суммирования трех балансных усилителей с предварительными каскадами, обеспечивающих мощность не менее 2,2 Вт в линейном режиме.

Рис. 1. Выходной усилительный каскад.

Fig. 1. Output amplifier chain

Для суммирования мощности использовался специально разработанный трехканальный цепочечный сумматор/делитель мощности на мостах Ланге, фазовый сдвиг у которого между плечами подобран таким образом, чтобы максимально компенсировать отраженные сигналы и в середине диапазона соответствующий 60 градусам.

В балансных схемах использовались квадратурные мосты Ланге выполненные на отдельных подложках из поликора толщиной 250 мкм, ширина зазора 12 мкм и толщиной металлизации 5 мкм. Для упрощения монтажа мосты изготовлены с интегральными перемычками [3] с расположенным под ними диэлектриком-полиимидом, обеспечивающим эффективную защиту от замыкания и механических воздействий (рис. 2).

Рис. 2. Интегральные перемычки мостов Ланге с защитным диэлектриком.

Fig. 2. Integral interconnects of Lange coupler with protective isolator

На рис. 3 показана структурная схема разработанного усилителя, включающая в себя:

-        входной малошумящий усилительный каскад (МШУ);

балансный электрически управляемый аттенюатор на p-i-n диодах для плавной компенсации температурного дрейфа коэффициента усиления

Рис. 3. Структурная схема усилителя.

Fig. 3. Block diagram of the amplifier

в диапазоне температур от -60 до +75 ºС и цифровой 5-разрядный аттенюатор (АТ);

-        предварительный усилитель мощности, корректор АЧХ и ФЧХ усилительного тракта (ПУМ);

-        предварительный усилительный каскад (ГИС-120), построенный по квазимонолитной технологии с использованием GaAs p-HEMT транзисторов с затвором 0,3 х 1200 мкм, обеспечивающий выходную мощность в линейном режиме не менее 1 Вт и усиление около 7-8 дБ;

-        трехканальный цепочечный сумматор/делитель мощности на мостах Ланге (ДС-618) с минимальным зазором между проводниками 13 мкм;

-        предвыходной усилительный каскад (УК-160) реализованный по гибридной технологии с использованием одного GaAs p-HEMT транзистора с затвором 0,3 х 1600 мкм, обеспечивающий выходную мощность не менее 1 Вт в линейном режиме и усиление около 7-8 дБ;

-        выходной квазимонолитный балансный каскад (ГИС-240) выполненный на двух GaAs p-HEMT транзисторах с затвором 0,3 х 2400 мкм;

-        направленный детектор выходной мощности (НО);

-        стабилизаторы питания, быстродействующий модулятор питания; буферные ТТЛ-логические элементы управления цифровым аттенюатором, схему управления аттенюатором термокомпенсации, датчик температуры, устройство защиты (Устройство питания и управления).

Фотография конструкции разработанного усилителя, а также усилителя мощности 2 Вт диапазона 8-18 ГГц (для сравнения габаритов), рассмотренного в [1], показана на рис. 4.

Рис. 4. Усилители РМ618-4 и РМ818-1.

Fig. 4. Amplifiers PM618-4 and PM818-1

В ходе исследовательских работ были проведены измерения выходной мощности усилителя РМ618-4 с использованием GaAs p-HEMT транзисторов с затвором 0,3 х 2400 мкм собственной разработки, которые показали существенный прирост линейной мощности (около 1 Вт по всей полосе). На рис. 5 приведены результаты измерения мощности и максимального тока потребления для образца РМ618-4 №1 на транзисторах собственной разработки и образца №2 на транзисторах фирмы Exelics.

Рис. 5. Выходная мощность и максимальный ток потребления усилителей РМ618-4.

Fig. 5. Output power-frequency characteristics and current consumption of PM618-4

На рис. 6 приведены типовые АЧХ трех усилителей РМ618-4. Температурный дрейф АЧХ в диапазоне температур от -60 ^oC до +75^oC составляет не более 4 дБ.

Рис. 6. АЧХ усилителей РМ618-4.

Fig. 6. Amplitude-frequency characteristics

Усилитель имеет габариты 35x118x21 мм и массу не более 200 г.

Коэффициент усиления в полосе частот 6-18 ГГц составляет от 39 до 47 дБ при неравномерности не более 5 дБ. Ток потребления по цепи "+9В" менее
6 А, фазовая неидентичность составляет не более ±25 градусов, а КПД от 14 до 20 процентов.

III.    Заключение

Разработан сверхширокополосный транзисторный усилитель РМ618-4 диапазона 6-18 ГГц с выходной мощностью более 6 Вт на транзисторах собственной разработки, который может использоваться в качестве канального усилителя мощности активной ФАР. Показана эффективность применения трехканальных схем суммирования для построения мощных выходных усилительных каскадов.

Список литературы

[1]   Кищинский А.А., Радченко А.В. Квазимонолитный транзисторный усилитель диапазона 8...18 ГГц с выходной мощностью 2 Вт. Материалы 19-й Международной Крымской конференции "CВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 2009г, том 1, стр.53-54.

[2]   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.

[3]   Applied Thin-Film Products. Polyimide Supported Bridges and Solder Dams. http://www.thinfilm.com/bridges.htm

6 WATT 6-18 GHz BROADBAND POWER AMPLIFIER

A.Radchenko

Microwave Systems JSC

Nizhnyaya Syromyatnicheskaya str., 11

105120 Moscow Russia

phone: +7-495-917-21-03

e-mail: ar@mwsystems.ru

Abstract - The results of the development and an experimental investigation of (6...18) GHz range of broadband transistor amplifier with output power in continuous mode 6 Watt at 2 dB gain compression are presented. The experimental characteristics with different transistors, design features and assembly technology of the manufactured amplifiers are discussed.