МОЩНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 1997 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к области конструирования и производства мощных СВЧ транзисторов.

Известен мощный широкополосный СВЧ-транзистор, содержащий ряд транзисторных структур в общем корпусе, соединенных с входным и выходным электродами транзистора посредством согласующих цепей, размещенных внутри корпуса [1] Согласующие цепи используются типа LC-фильтров нижних частот (ФНЧ) с одним или двумя каскадно соединенными звеньями. Под звеном ФНЧ понимается схема, включающая последовательную индуктивность и параллельную емкость.

Для многокристальных и многоструктурных транзисторов каждое звено распадается на несколько идентичных синфазно работающих схем. Типичным примером является двухзвенная цепь, показанная на фиг. 1 [1] Индуктивности первого входного звена подключены к каждому эмиттеру мощного транзистора. Емкости LC-звеньев каждой транзисторной ячейки объединены в общий конденсатор. Второе внешнее звено из одной индуктивности и одной емкости является общим для всего транзистора.

Известен также мощный СВЧ-транзистор, содержащий одну или несколько транзисторных структур, выводы электродов каждой структуры соединены с входным и выходным электродами транзистора соответственно через входные и выходные согласующие LC-цепи [2] При этом входные согласующие цепи выполнены в виде двухзвенных ФНЧ, а выходные в виде параллельной индуктивности с блокировочной емкостью и последовательной индуктивности, соединенной с выходным электродом транзистора.

Недостатком известного транзистора является неспособность работать в двух разнесенных диапазонах частот с разносом центральных частот диапазонов от 1,1 до 2,5 раз и более, что приводит к увеличению аппаратурных затрат при создании двухдиапазонной радиоэлектронной аппаратуры.

Реальная потребность в двухдиапазонных мощных СВЧ усилителях существует в области разработки аппаратуры опознавания с несколькими частотными каналами и в области СВЧ-нагрева в бытовой, промышленной и медицинской технике. Область применения может расширяться за счет специальных средств связи.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является обеспечение возможности работы СВЧ-транзистора в двух разнесенных полосах частот.

Указанный технический результат достигается тем, что в мощном СВЧ-транзисторе, содержащем одну или несколько транзисторных структур, выводы электродов каждой структуры соединены с входным и выходным электродами транзистора соответственно через входные и выходные согласующие LC-цепи, входные и выходные согласующие LC-цепи выполнены в виде трех каскадно соединенных звеньев, два внешних из которых являются звеньями типа фильтра нижних частот, а внутренние, соединенные с транзисторными структурами звенья входных и/или выходных согласующих цепей выполнены в виде звеньев типа фильтра нижних частот либо параллельно включенной индуктивности и/или параллельно включенной цепи, состоящей из индуктивности с последовательно включенным блокировочным конденсатором, при этом каждое звено каждой из согласующих LC-цепи, выполнено в виде L или LC-элементов, с обеспечением возможности синфазной работы их с соответствующими элементами соответствующих звеньев других согласующих LC цепей, причем элементы звеньев каждой из согласующих LC-цепей выполнены с параметрами, удовлетворяющими условиям полного согласования с заданными внешними источником сигнала и нагрузкой на центральных частотах двух рабочих диапазонов частот и достижения соотношения полос пропускания в каждом из рабочих диапазонов частот в пределах

где
Δf₁,Δf₂ полосы пропускания соответственно первого и второго рабочих диапазонов частот.

Указанный технический результат достигается также тем, что в данном мощном СВЧ-транзисторе входные и выходные согласующие LC-цепи выполнены каждая в виде цепей, к одному из внешних звеньев которых подсоединено параллельно и каскадно не менее двух цепей с оставшимися звеньями.

Кратко, сущность изобретения можно пояснить следующим образом: решена новая задача создание нового класса мощных двухчастотных СВЧ-транзисторов. Для решения автор впервые синтезировал применительно к особенностям технологии производства и конструкции мощных СВЧ-транзисторов конфигурацию схемы, обеспечивающую возможность работы СВЧ-транзистора в двух разнесенных полосах СВЧ-частот, а также выявил дополнительные условия для обеспечения возможности определения параметров элементов этой схемы с привлечением методов машинного расчета.

На фиг. 2 а, б и на фиг. 3, представлена электрическая схема предложенного СВЧ-транзистора, на фиг. 4 а, б частотные характеристики входного и выходного согласования соответственно для схем согласующих цепей транзистора, изображенного на фиг. 2 а; на фиг. 5 а, б такие же характеристики для схем согласующих цепей транзистора, изображенного на фиг. 3; на фиг. 6а,б частотные характеристики входного и выходного согласования для согласующих цепей, рассчитанные для частот, используемых в бытовых ВсВЧ печах 2,45 ГГц и 0,915 ГГц для схемы транзистора, изображенного на фиг. 2а.

Мощный СВЧ транзистор содержит транзисторные структуры 1; входной и выходной электроды 2 и 3 транзистора соответственно, входные согласующие 4 LC-цепи, выходные согласующие 5 LC-цепи, одно звено 6 входных и выходных согласующих LC-цепей, внешние звенья 7 входных и выходных согласующих LC-цепей, внутренние звенья 8 входных и выходных согласующих LC-цепей.

При работе предложенного транзистора, например, в усилительном режиме, входной сигнал, поданный на входной 2 электрод транзистора, синфазно проходит по звеньям 6 входной 4 согласующей LC-цепи, и синфазно попадает на транзисторные 1 структуры, далее синфазно снимается с них и проходит по звеньям выходной 5 согласующей LC-цепи, синфазно суммируясь на выходном 3 электроде транзистора. При этом входные 4 и выходные 5 согласующие LC-цепи совместно с транзисторными 1 структурами формируют требуемую передаточную характеристику в двух рабочих диапазонах частот.

Внутренние звенья 8 входной 4 и выходной 5 согласующей LC цепи (ближайшие к транзисторным кристаллам) могут быть типа LC фильтра нижних частот (ФНЧ), могут представлять собой параллельную индуктивность с блокировочным конденсатором для разделения постоянного и переменного тока или без него. Примеры таких цепей показаны на фиг. 2а и б.

Два внешних звена 7 той и другой цепи должны быть типа LC фильтра нижних частот.

При сложении в одном корпусе несколько транзисторных кристаллов с транзисторными структурами 1, каждое звено может распадаться на несколько идентичных схем, работающих параллельно и обеспечивающих синфазное сложение всех транзисторных структур 1 к единым входному 2 и выходному 3 электродам транзистора. Пример четырехструктурного транзистора со схемами двухдиапазонной трансформации и сложения показан на фиг. 3
Рассмотрим проблему реализации предложенных согласующих цепей.

Известен метод параметрического синтеза [2] применимый к цепи заданной конфигурации который, как было исследовано, можно использовать в нашем случае со схемой трехзвенного ФНЧ, состоящем из емкостей и индуктивностей с учетом определенного автором дополнительного условия на отношение полос пропускания в двух рабочих диапазонах частот. Параметры цепи определяют методом последовательных итераций, сравнивая на каждом шаге значение целевой функции с предыдущим значением. Необходимым элементом применения этого расчетного метода является формулирование целевой функции, отражающей требования к синтезирумой цепи. В общем случае эти требования можно сформулировать в виде нескольких неравенств, лимитирующих допустимые потери коэффициента передачи в нескольких точках заданных полос пропускания цепи. Такой подход возможен, однако он сложен в практическом применении из-за необходимости контролировать устойчивость вычислительного процесса и единственность получаемых решений.

В формуле изобретения введено дополнительное требование, позволяющее существенно упростить стандартную процедуру параметрического синтеза, снизив число варьируемых параметров с 6 до 2.

Упрощение, не выходящее за рамки известных приемов теории цепей, состоит в том, что благодаря специфике избранной конфигурации цепи параметры двух внешних 7 о отношению к транзисторной структуре 1, звеньев по условию полного согласования на двух заданных частотах (центральные частоты рабочих диапазонов) могут быть определены однозначно расчетно-аналитическим методом, если параметрам внутреннего звена 8 прописаны на каждом шаге итерации определенные численные значения. В этом смысле сформулированные требования к цепям для центральных частот рабочих диапазонов частот являются принципиальными для обеспечения инженерной реализуемости изобретения. В указанных упрощающих ограничениях целевая функция упрощается до отношения полос пропускания в двух рабочих диапазонах частот. Алгоритм расчета параметров цепей, удовлетворяющих целям изобретения, реализован на персональных ЭВМ типа РС 286 и ДВК 3. Все приведенные ниже примеры цепей согласования для двухдиапазонных транзисторов получены с использованием указанного расчетного алгоритма.

Пример 1. Пример схемы однокристального транзистора с двухдиапазонными цепями согласования на входе и на выходе показан на фиг. 2 а. Необходимые величины элементов цепи показаны в табл. 1.

Транзистор способен в импульсном режиме отдавать в нагрузку с нормализованным сопротивлением 50 Ом мощность (в импульсе) 70 Вт. Входное сопротивление кристалла транзистора составляет 0,7 Ом, оптимальная активная проводимость нагрузки на зажимных коллектор-база кристалла транзистора 0,0875 См, выходная емкость пФ.

Коэффициент усиления по мощности 6 раз.

Проводимости C_н C_г 0,02 См
Достигнутая расчетная частотная характеристика входного согласования показана на фиг. 4 а, характеристика выходного согласования показана на фиг. 4 б.

Как видно, разброс полос пропускания в двух диапазонах: составляет ± 35% что было приемлемым для конкретного применения.

Разнос центральных частот двух диапазонов составил 35%
Пример 2. Четырехкристалльный транзистор с цепями двухдиапазонного согласования показан на фиг. 3. Параметры каждого кристалла те же, что и в примере 1. Выходная мощность транзистора 280 Вт.

Параметры цепей представлены в табл.2.

Достигнутые частотные характеристики входного и выходного согласования показаны на фиг. 5 а и 5 б соответственно.

Разброс полос пропускания в двух диапазонах составляет +40% что удовлетворяет аппаратурным требованиям для конкретного применения.

Два приведенных примера относятся к профессиональной радиотехнической аппаратуре.

Пример 3. В качестве примера взяты две частоты, используемые для бытовых СВЧ печей. Те же частоты могут быть использованы в медицинской технике. Верхняя частота 2,45 Гц, нижняя 0,915 ГГц.

Пример показывает возможность создания транзисторов, работающих в двух далеко разнесенных диапазонах частот.

Выходная мощность транзистора 50 Вт в непрерывном режиме.

Входное сопротивление собственно транзистора 0,56 Ом, активная проводимость нагрузки собственно транзистора 0,16 См, емкость коллектора 50 пФ.

Параметры цепей двухдиапазонного согласования представлены в табл. N 3. Обозначения с фиг. 2 а.

Достигнутые частотные характеристики входного и выходного согласования показаны на фиг. 6 а и 6 б соответственно.

Для выходной цепи полосы пропускания по уровню K_ctv 1,2 различаются в 2,75 раза по абсолютной величине, однако относительные полосы пропускания составляют в обоих диапазонах около 2% и близки друг к другу.

Проведенные испытания лабораторных образцов предложенного СВЧ транзистора показали хорошее совпадение результатов с расчетными данными, что позволило сделать вывод в правильности примененной методики расчета согласующих цепей двухчастотного транзистора, при этом указанные согласующие цепи, выполнялись по одной из известных технологий, аналогичной технологии выполнения согласующих цепей аналога и прототипа.

Источники информации
1. Jchizo Uchizaru a.o. 3GHz 15W silicon Bipolar Transistor. "IEEE Trans on Microwave Theory and Technigues", 1979, vol, MTT-27, N12, pp 1040-1051
2. Somerset, NJ. Pulsed Power Transistor: 1hp at 1GHz, Microwave Journal, 1979, v22, N6, p34
3. Ильин В.Н.

Основы автоматизированного проектирования электронных схем.

Энергия М. 1979 г.

Использование: изобретение относится к области конструирования и производства мощных СВЧ транзисторов. Техническим результатом является обеспечение работы СВЧ транзистора в двух разнесенных диапазонах частот. Сущность изобретения: в мощном СВЧ транзисторе, содержащем одну или несколько транзисторных структур, выводы электродов каждой структуры соединены с входным и выходным электродами транзистора соответственно через входные и выходные согласующие LC-цепи, входные и выходные согласующие LC-цепи выполнены в виде трех каскадно соединенных звеньев, два внешних из которых являются звеньями типа фильтра нижних частот, а внутренние, соединенные с транзисторными структурными звеньями входных и выходных согласующих цепей выполнены в виде звеньев типа фильтра нижних частот, либо параллельно включенной индуктивности и/или параллельно включенной цепи, состоящей из индуктивности с последовательно включенным блокировочным конденсатором, при этом каждое звено каждой из согласующих LC-цепей выполнено в виде L или LC-элементов с обеспечением возможности синфазной работы их с соответствующими элементами соответствующих звеньев других согласующих LC-цепей, причем элементы звеньев каждой из согласующих LC-цепей выполнены с параметрами, удовлетворяющими условиям полного согласования с заданными внешними источником сигнала и нагрузкой на центральных частотах двух рабочих диапазонов частот и условиям достижения соотношения полос пропускания в каждом из рабочих диапазонов частот в пределах 0,3≅Δf₁/Δf₂≅3, где Δf₁,Δf₂ - полосы пропускания первого и второго рабочих диапазонов частот. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Мощный СВЧ-транзистор, содержащий одну или несколько транзисторных структур, выводы электродов каждой структуры соединены с входным и выходным электродами транзистора соответственно через входные и выходные согласующие LC-цепи, отличающийся тем, что входные и выходные согласующие LC-цепи выполнены в виде трех каскадно соединенных звеньев, два внешних их которых являются звеньями типа фильтра нижних частот, а внутренние, соединенные с транзисторными структурами, звенья входных и выходных согласующих цепей выполнены в виде звеньев типа фильтра нижних частот, либо параллельно включенной индуктивности и/или параллельно включенной цепи, состоящей из индуктивности с последовательно включенным блокировочным конденсатором, при этом каждое звено каждой из согласующих LC-цепей выполнено в виде L- или LC-элементов с обеспечением возможности синфазной работы их с соответствующими элементами соответствующих звеньев других согласующих LC-цепей, причем элементы звеньев каждой из согласующих LC-цепей выполнены с параметрами, удовлетворяющими условиям полного согласования входных сопротивлений транзисторных структур с заданным сопротивлением внешнего источника сигнала, а выходных сопротивлений транзисторных структур с заданным сопротивлением нагрузки на центральных частотах двух рабочих диапазонов частот и условиям достижения соотношения полос пропускания в каждом из рабочих диапазонов частот в пределах

где Δf₁, Δf₂- полосы пропускания соответственно первого и второго рабочих диапазонов частот. 2. СВЧ-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что входные и выходные согласующие LC-цепи выполнены каждая в виде цепей, к одному из внешних звеньев которых подсоединено параллельно и каскадно не менее двух цепей с оставшимися звеньями.