КОМПЛЕКСИРОВАННОЕ ШИРОКОПОЛОСНОЕ ИЗДЕЛИЕ СВЧ ДИАПАЗОНА Российский патент 2004 года по МПК H03F3/60 

Настоящее изобретение относится к технике СВЧ, а конкретно к комплексированным изделиям СВЧ-диапазона, используемым в радиолокационной и другой радиоприемной аппаратуре и содержащим в едином конструктиве источник питания, защитное устройство, твердотельный малошумящий усилитель и радиотехнические элементы. Создание и производство подобных изделий невозможно без учета характеристик входящих в них элементов.

Известны комплексированные изделия (КИ), содержащие усилители на твердотельных приборах (в частности, транзисторах), соединенных согласующими цепями (СЦ), в которых в разных сочетаниях используются резисторы, конденсаторы, индуктивности и шлейфы [1, 2]. Однако создание широкополосных КИ всегда наталкивается на большие трудности, связанные с прохождением сигнала и искажениями его в элементах усилителей, тем более для диапазона СВЧ.

Известно широкополосное КИ СВЧ-диапазона, выполненное по микрополосковой технологии и содержащее усилитель в виде совокупности последовательно соединенных каскадов, каждый из которых состоит из параллельно включенных полевых транзисторов, четвертьволновых шлейфов и развязывающих конденсаторов, размещенных между соседними каскадами [3, прототип]. Однако при наличии транзисторов, заведомо имеющих между собой разброс высокочастотных характеристик, выполнение согласующих цепей в каждом из каскадов с разомкнутыми шлейфами и без элементов, компенсирующих разброс импедансов транзисторов, не дает возможности обеспечить эффективную передачу сигнала без искажений. А это не позволяет получить полосу частот свыше 30%. Более того, при необходимости получить полосу, приближающуюся к указанному максимальному значению, эти трудности возрастают, так что воспроизводимо реализовать высокие значения полосы от изделия к изделию не удается. Поэтому изделия с высокими значениями полосы приходится отбирать из партии одновременно изготавливаемых изделий.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение широкополосности КИ СВЧ-диапазона.

Техническим результатом настоящего изобретения является также снижение технологических потерь в производстве широкополосных КИ СВЧ-диапазона.

Технический результат достигается за счет того, что в широкополосном КИ СВЧ-диапазона, содержащем усилитель, выполненный по микрополосковой технологии в виде совокупности последовательно соединенных каскадов, каждый из которых состоит из параллельно включенных полевых транзисторов и развязывающих конденсаторов, размещенных между соседними каскадами, в цепях затвора и стока каждого полевого транзистора дополнительно размещены согласующие цепи, состоящие из последовательно соединенных индуктивности и подстраиваемого конденсатора, выбранные из условия обеспечения минимального отражения в полосе частот свыше 30%, четвертьволновые шлейфы выполнены короткозамкнутыми на землю, а открытые концы их подсоединены к согласующим цепям, относящимся к затворам полевых транзисторов, в точках между индуктивностью и подстраиваемым конденсатором.

Таким образом, сутью изобретения является обеспечение прохождения сигнала через все каскады усилителя КИ с минимальными отражениями сигнала в каждом отдельном каскаде в полосе частот, которая заведомо является повышенной. Это обеспечивается использованием вполне определенных СЦ, а именно таких, в которых последовательно соединены индуктивность и подстраиваемый конденсатор. Такие СЦ наиболее оптимальны для КИ из всех возможных типов СЦ, т.к. они хорошо поддаются машинному расчету при заданных средних S-параметрах транзисторов (Microwave J., vol. 41, p.141, Dec. 1998). А зная эти параметры СЦ для использованного типа транзистора, можно легко осуществить индивидуальную адаптацию их характеристик к отдельному, конкретному экземпляру транзистора путем коррекции всего лишь емкости конденсатора, входящего в состав СЦ. Порядок коррекции (разброс диапазона подстраиваемых емкостей при заданном разбросе S-параметров транзисторов) легко определяется расчетом, так что она вполне может быть предусмотрена и реализована при изготовлении усилителя.

В ряде случаев подстройку емкости бывает удобно производить с помощью пластинок металлической фольги из материала, имеющего хорошую адгезию к изолятору (поликору) - подложке микросхемы. Так как входной и выходной импендансы транзисторов в отдельных каскадах различны, то различны и СЦ для стока и затвора каждого транзистора. Поэтому бывает целесообразным в процессе изготовления усилителя сразу разместить около СЦ набор емкостных площадок, а коррекцию производить присоединением одной или несколько площадок к СЦ на этапе настройки усилителя, когда можно отметить факт максимального прохождения сигнала через каскад, например, при помощи стандартной панорамной установки, позволяющей проводить наблюдение в широкой полосе частот.

Учитывая, что реально используемые полевые транзисторы характеризуются большим разбросом как входных, так и выходных импедансов, предложенные нами СЦ реализуют возможность их адаптации к каждому конкретному образцу транзистора. Предложенные СЦ обеспечивают также хорошее согласование усилителя в целом с другими частями КИ (защитным устройством на входе усилителя и ВЧ-переходом на выходе). Только такой подход обеспечивает достаточно высокий процент выхода усилителя в условиях производства и делает производство КИ экономически обоснованным и выгодным.

Другим фактором, способствующим снижению потерь на входе каждого полевого транзистора, является вполне определенное заземление затвора транзистора по постоянному току, в соответствии со схемой усилителя. В предложенном изобретении оно обеспечивается использованием короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа, открытый конец которого связан с линией подачи сигнала. Именно такое подключение шлейфа обеспечивает отсутствие искажений в цепи передачи сигнала, поскольку, как известно, волновое сопротивление на открытом конце четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа стремится к бесконечности. Подключение шлейфа к точке между подстраиваемым конденсатором и индуктивностью в линии передачи сигнала обеспечивает получение минимальных размеров всей согласующей цепи.

Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых схематически показаны:

фиг.1: комплексированное широкополосное изделие СВЧ-диапазона, состоящее из усилителя У, выполненного по микрополосковой технологии, защитного устройства ЗУ, высокочастотных переходов П₁ и П₂ на входе и выходе КИ и источника питания ИП;

фиг.2: принципиальная схема многокаскадного усилителя предложенного комплексированного широкополосного изделия СВЧ-диапазона;

фиг.3: согласующее устройство с короткозамкнутым четвертьволновым шлейфом, используемое в предложенном КИ.

Предлагаемое комплексированное широкополосное изделие СВЧ-диапазона содержит усилитель У, состоящий из последовательно соединенных идентичных усилительных каскадов. Каждый каскад содержит параллельно включенные полевые транзисторы 1 и 2. Затвор полевого транзистора 1 через согласующую цепь 3 и направленный ответвитель 4 подключен к нагрузочному резистору 5. Затвор полевого транзистора 2 через согласующую цепь 6 и направленный ответвитель 4 подключен ко входу усилителя через полосковую линию 7. Стоки транзисторов 1 и 2 через соответственно подстроечные резисторы 8 и 9 и конденсаторы 10 и 11 постоянной емкости заземлены на корпус усилителя. Сток транзистора 1 через согласующую цепь 12, режекторный фильтр 13 и фильтр питания, образованный резистором 14 и конденсатором 15, подключен к положительному полюсу источника питания. Кроме того, сток транзистора 1 через согласующую цепь 12, направленный ответвитель 16 и разделительный конденсатор 17 соединен с входом второго каскада усиления. Сток транзистора 2 через согласующую цепь 18 и направленный ответвитель 16, режекторный фильтр 19 и фильтр питания, образованный резистором 20 и конденсатором 21, подключен к положительному полюсу источника питания, а через нагрузочный резистор 22 и разделительный конденсатор 23 указанный сток подсоединен к корпусу усилителя.

Каждая из согласующих цепей 3, 6, 12 и 18 содержит подстраиваемую емкость 24 (фиг.3) и индуктивность 25. Кроме того, для заземления затвора каждого полевого транзистора 1 и 2 по постоянному току в каждую согласующую цепь 3 и 6 введен короткозамкнутый четвертьволновый шлейф 26, соединенный с заземляющей площадкой 27, а открытым концом - с линией передачи сигнала.

Предлагаемое комплексированное широкополосное изделие СВЧ-диапазона работает следующим образом.

Сигнал с выходного плеча направленного ответвителя 4 (фиг.2) поступает на емкость 24 (фиг.3) и индуктивность 25 согласующей цепи 3 и далее на затвор транзистора 1. Согласующая цепь 3, состоящая из емкости 24 и индуктивности 25, обеспечивает на входе транзистора 1 значение импеданса, комплексно сопряженного с входным импедансом транзистора 1, обуславливая таким образом минимальное отражение сигнала от входа транзистора 1. С целью компенсации разброса значений входных импедансов транзисторов вводится емкостная подстройка емкости 24. Таким образом минимизируется отражение сигнала в каждом каскаде усилителя.

Предложенное комплексированное широкополосное изделие изготавливается следующим образом.

1. Сначала в едином технологическом цикле осуществляется изготовление всех элементов согласующих устройств и всех соединений усилителя. Для этого используются известные способы микропрополосковой техники: размерной лазерной обработки, резистивного напыления проводящих слоев на поликоровые основания, гальванического наращивания золота и т.д.

2. На изготовленную таким образом плату монтируются транзисторы и пассивные элементы, и осуществляется настройка усилителя, включающая коррекцию подстраиваемых конденсаторов в СЦ транзисторов.

3. Настроенная микросборка усилителя монтируется в корпус, соединяется с остальными элементами КИ, указанными на фиг.1.

Предлагаемая конструкция КИ СВЧ-диапазона опробована в производственных условиях ФГУП "НПП "Исток" в 2001-2002 годах на нескольких вариантах КИ, отличавшихся выходными параметрами. Каждый из вариантов содержал свои защитное устройство ЗУ, малошумящий двухкаскадный усилитель У, высокочастотные переходы П₁ и П₂ и источник питания усилителя ИП. В каждом из вариантов КИ усилитель был выполнен по микрополосковой технологии с использованием одного из типов полевых транзисторов, работающих в диапазоне частот 1-6 ГГц с коэффициентом шума до 1,5 дБ. При изготовлении усилителя подстройка емкости конденсаторов осуществлялась с помощью пластинок из фольги индиевого сплава по критерию максимального прохождения сигнала, фиксируемого на панорамной установке, позволяющей вести наблюдение в широкой полосе частот.

Испытания усилителей после сборки показали, что в условиях производства удается настроить практически все транзисторы, поступающие на сборку, а технологические потери свести к нулю. Ширина полосы частот во всех изготовленных КИ составляет более 45%.

Таким образом, в предложенных нами КИ СВЧ-диапазона достигнут 100% технологический выход изделий при высоком уровне их технических параметров. Такой совокупностью качеств не обладает ни одно из известных изделий СВЧ-электроники.

Источники информации

1. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. М.: Сов. радио, 1980, с.160, 201, 315-316 и другие.

2. Сб. Микроэлектронные устройства СВЧ (под ред. Г.И. Веселова), М.: Высшая школа, 1988, с.43, 56-57 и другие.

3. Курпяев Г.А. и др. Многокаскадный балансный.усилитель на СВЧ-транзисторах. Патент РФ №2009610, кл. H 03 F 3/60, 1986 (прототип).

Настоящее изобретение относится к технике СВЧ, а конкретно к комплексированным изделиям СВЧ-диапазона (КИ). Техническим результатом настоящего изобретения является повышение широкополосности КИ и снижение технологических потерь в производстве широкополосных КИ. Технический результат достигается за счет того, что в КИ СВЧ-диапазона, содержащем усилитель, выполненный по микрополосковой технологии в виде совокупности последовательно соединенных каскадов, каждый из которых состоит из параллельно включенных полевых транзисторов и развязывающих конденсаторов, размещенных между соседними каскадами, в цепях затвора и стока каждого полевого транзистора дополнительно размещены согласующие цепи, состоящие из последовательно соединенных индуктивности и подстраиваемого конденсатора, выбранные из условия обеспечения минимального отражения в полосе частот свыше 30%, четвертьволновые шлейфы выполнены короткозамкнутыми на землю, а открытые концы их подсоединены к согласующим цепям, относящимся к затворам полевых транзисторов, в точках между индуктивностью и подстраиваемым конденсатором. Предлагаемая конструкция КИ опробована в производственных условиях. Испытания КИ показали, что в производстве изделий удается настроить практически все транзисторы, поступающие на сборку, а процент выхода годных составляет 100%. Ширина полосы во всех изготовленных КИ составляет более 45%. 3 ил.

Комплексированное широкополосное изделие СВЧ диапазона, содержащее усилитель, выполненный по микрополосковой технологии в виде совокупности последовательно соединенных каскадов, каждый из которых состоит из параллельно включенных полевых транзисторов, четвертьволновых шлейфов и развязывающих конденсаторов, размещенных между соседними каскадами, отличающееся тем, что в цепях затвора и стока каждого полевого транзистора дополнительно размещены согласующие цепи, состоящие из последовательно соединенных индуктивности и подстраиваемого конденсатора, выбранные из условия обеспечения минимального отражения СВЧ сигнала в полосе частот свыше 30%, четвертьволновые шлейфы выполнены короткозамкнутыми на землю, а открытые концы их подсоединены к согласующим цепям, относящимся к затворам полевых транзисторов, в точках между индуктивностью и подстраиваемым конденсатором.