Краткие сведения о транзисторных усилителях СВЧ

Структурная схема однокаскадного усилителя СВЧ приведена на рисунке 1.1. Усилитель состоит из активного элемента АЭ (СВЧ транзистора) и согласующих цепей на входе СЦ1 и выходе СЦ2.

Рисунок 1.1

Согласование в усилителях СВЧ возможно в двух вариантах [13]. В первом варианте входное и выходное сопротивления транзистора согласуют со стандартным волновым (характеристическим) сопротивлением СВЧ тракта ρ₀. Обычно ρ₀=50 Ом. На рисунке 1.1 цепи СЦ1 и СЦ2 согласуют входное и выходное сопротивления транзистора с подводящими линиями, имеющими волновое сопротивление ρ₀. Подводящие линии полагаются согласованными с источником сигнала (R_Г=ρ₀) и нагрузкой (R_Н=ρ₀) усилителя. Преимущества такого подхода в том, что согласование комплексного сопротивления с нагрузкой, не содержащей реактивных составляющих, легче проконтроли-ровать и, следовательно, реализовать. При построении многокаскадных уси-лителей в виде конструктивно законченных каскадов на отдельных подложках это преимущество становится особенно очевидным. Недостатком данного подхода является избыточность элементов, требующихся для раздельного согласования входа и выхода. Применяется он преимущественно в профессиональной аппаратуре.

Другой подход сводится к взаимному согласованию двух комплексных нагрузок – выходной предыдущей цепи и входной последующего каскада. Реализация этих цепей актуальна в многокаскадных усилителях, выполненных конструктивно как одно целое (на одной подложке). Контроль усиления каждого каскада в таких усилителях осуществлять технически трудно, поэтому одно из важных преимуществ первого способа отпадает. Главное достоинство таких согласующих цепей – вдвое меньшее число реактивных элементов.

Согласующие цепи в диапазоне 0,3…3 ГГц можно выполнить как на сосредоточенных, так и на распределенных элементах. На частотах выше 3ГГц они выполняются, как правило, на элементах с распределенными параметрами.

На рисунках 1.2 и 1.3 для примера приведены принципиальные схемы однокаскадных малошумящих усилителей на биполярном и полевом транзисторах. На частотах выше 7 ГГц усилители выполняются на полевых транзисторах.

Рисунок 1.2

Рисунок 1.3

В приведенных схемах согласующие цепи СЦ1 и СЦ2 выполнены на отрезках микрополосковых линий (МПЛ) длиной l ₁, l _ш1, l ₂, l _ш2. Четвертьвол-новый отрезок МПЛ l ₁ является трансформатором сопротивлений. Он   трансформирует активную составляющую входного сопротивления транзистора R_ВХ в стандартное волновое сопротивление  ρ₀=50 Ом. Шлейф l _ш1 компенсирует реактивную составляющую входного сопротивления транзистора. Для этого входное сопротивление шлейфа должно иметь реактивность противоположную реактивности входного сопротивления транзистора.

Аналогично шлейф l _ш2 компенсирует реактивную составляющую вы-ходного сопротивления транзистора, а четвертьволновый отрезок МПЛ l ₂ трансформирует активную составляющую выходного сопротивления тран-зистора в стандартное волновое сопротивление тракта СВЧ ρ₀.

В диапазоне частот выше 0,3ГГц анализ и расчет транзисторных усилителей ведется через параметры матрицы рассеяния (S–параметры) [8, 13].

Важным условием нормальной работы транзисторного усилителя СВЧ является его устойчивость в смысле отсутствия самовозбуждения. В зависимости от значений S–параметров транзистор находится либо в области безусловной устойчивости (ОБУ), либо в области потенциальной устойчивости (ОПУ). Транзистор находится в области безусловной устой-чивости, если выполняются условия:

 

      

,

где k_у   – инвариантный коэффициент устойчивости.

Первые два условия в (1.1) для большинства транзисторов СВЧ обычно всегда выполняются, поэтому об устойчивости транзистора можно судить по величине k _у. Если k _у >1, то возможно двустороннее комплексное согласование транзистора на входе и выходе (режим экстремального усиления).

Если транзистор находится в ОПУ, то его следует перевести в ОБУ, включив стабилизирующий резистор R _СТ. Резистор R _СТ включается последовательно, если устойчивость теряется в режиме, близком к короткому замыканию (рисунок 1.2), а параллельно,   если устойчивость нарушается в режиме, близком к холостому ходу (рисунок 1.3).

Реализуемый коэффициент усиления мощности

                                       (1.2)        

где                                    (1.3)

– коэффициенты отражения от источника сигнала (генератора) и от нагрузки, включенных в тракт со стандартным волновым сопротивлением.

Выбором параметров согласующих цепей СЦ1 и СЦ2 можно обеспечить различные режимы работы усилителя. Наиболее часто используются режимы экстремального усиления и минимального шума. В многокаскадных усилителях первым включается усилитель в режиме минимального коэффициента шума, последующие – в режиме максимального усиления мощности.

 

Режим максимального усиления

В ОБУ максимальное усиление

                                                 (1.4)

будет при одновременном (двустороннем) комплексно-сопряженном согла-совании транзистора по входу и выходу:

            ; .                         (1.5)

При этом входные и выходные сопротивления АЭ равны:

                    ; ,                  (1.6)

где    ;         (1.7)

– оптимальные коэффициенты отражения от источника сигнала (генератора) и от нагрузки в стандартном тракте СВЧ.

В выражениях (1.7)

            , ;

   (1.8)

Знак ″минус″ в числителе (1.7) берется при В₁₍₂₎>0, а знак ″плюс″ при В₁₍₂₎<0.

 

Режим минимального коэффициента шума

Коэффициент  шума усилителя СВЧ при произвольном коэффициенте отражения

                                   (1.9)

где Ш _min – минимальный коэффициент шума при = . Это режим оптимального рассогласования, который достигается при выходном сопротивлении согласующей цепи, равном

                                 .                            (1.10)

Согласующая цепь СЦ1 должна трансформировать сопротивление предыдущей цепи, то есть характеристическое сопротивление ρ₀, либо вы-ходное сопротивление, например, фильтра на входе усилителя в сопротив-ление  (1.10). Практически задача сводится к согласованию сопротивления предыдущей цепи с сопротивлением .

В режиме оптимального рассогласования по входу выходное сопротивление АЭ

                                                                 (1.11)

где                                                               (1.12)

– коэффициент отражения от АЭ по выходу.

Согласующая цепь СЦ2 согласует  с характеристическим сопро-тивлением ρ₀, либо с входным сопротивлением следующего каскада.

Коэффициент усиления мощности в этом режиме определяется выра- жением (1.2), в котором  и , вычисленное по формуле (1.12).