Главная Промышленная автоматика.

является потенциальная возможность повторяемости характеристик и эффективного управления паразитными параметрами.

Развитие тонкопленочных методов, улучшающих физическую реализуемость и воспроизводимость элементов схем с распределенными и сосредоточенными параметрами, прежде всего приводит к возможности разработки широкополосных цепей на более высоких частотах и к уменьшению их стоимости. Хотя совершенствование технологии СВЧ полупроводршковых интегральных микросхем на GaAs несколько сдерживается существующими трудностями [171], этот подход в настоящее время все больше подтверждает свою перспективность для создания будущих СВЧ устройств. Если технологические трудности будут преодолены, то эта технология будет иметь высокие потенциальные возможности для изготовления дешевых, хорошо воспроизводимых прецизионных СВЧ схем с превосходными характеристиками.

14.5.3. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ УСИЛИТЕЛЕЙ ИА ПТШ

Приведем здесь наиболее характерные примеры реализации усилителей на ПТШ, взятые из литературы. Из всего обилия литературных источников по данному вопросу здесь использованы только некоторые. При желании более углубленного знакомства с этим предметом можно рекомендовать многообразие прекрасных технологических статей, включенных в список литературы. Рассмотрение начнем с иллюстрации традиционного подхода к разработке СВЧ гибридных интегральных микросхем на дискретных ПТШ, а также с описания методов, которые позволяют повысить уровень интеграции. В конце представим некоторые последние результаты разработки полупроводниковых интегральных микросхем на GaAs ПТШ.

14.5.3.1. УСИЛИТЕЛИ НА КОРПУСИРОВАННЫХ И БЕСКОРПУСНЫХ ПТШ

В 1974 г. [123] был обоснован подход к проектированию усилителя диапазона 8-12,5 ГГц с высоким коэффициентом усиления, малым уровнем шума и средней полосой усиления. Описанный усилитель в диапазоне частот 8- 12 ГГц работал с коэффициентом усиления 20 ± 1,3 дБ, его средний коэффициент составлял 5,5 дБ (максимальное значение 6,9 дБ), минимальная выходная мощность, при которой коэффициент усиления уменьшается на 1 дБ, составляла 13 дБм. Усилитель состоял из трех идентичных каскадов на транзисторах с длиной затвора 1 мкм и шириной затвора 500 мкм, объединенных в один СВЧ узел. В каждом каскаде вход транзистора был согласован на минимум коэффициента шума (что предпочтительнее проектирования, ориентированного на сопряженное согласование) во всем диапазоне частот 8-12 ГГц с использованием согласующих цепей с чебышевской характеристикой. Согласующая цепь на выходе ПТШ обеспечивала сопряженное согласование на максимальной частоте и содержала диссипативные частотно-зависимые элементы, позволяющие компенсировать увеличение коэффициента усиления с уменьшением частоты. Диссипативная цепь состояла из шлейфа с последовательно включенным резистором (сопротивление 85 Ом). Такая цепь включалась параллельно выходу транзистора. 316



Длина шлейфа была выбрана равной Л/4 на верхней частоте. Следовательно, на этой частоте резистор не рассеивал мощность. На минимальной частоте рассеивание увеличивалось таким образом, чтобы компенсировалось увеличение коэффициента усиления (примерно 4,7 дБ при условии согласования на минимум коэффициента шума), что дало возможность получить равномерную усилительную характеристику во всем указанном диапазоне. Такая согласующая цепь на выходе обеспечивала КСВН < 2,0 на всех частотах и позволяла каскадировать одногигшые каскады без существенного искажения характеристик всего усилителя. Усилитель был реализован на металлизированной снизу подложке из сапфира толщиной 0,83 мкм, которая была припаяна к металлическому основанию. Бескорпусные транзисторы были установлены на выступы основания между пластинами. Хотя полученные характеристики усилителя только отчасти отражали достигнутый в то время технологический уровень создания ПТШ, эта ранняя статья стала основой дальнейшего развития методов создания таких усилителей.

Усилители на ПТШ нашли важное применение в системах связи. Они стали заменять аналогичные устройства, выполненные на электровакуумных приборах. В работе [188] описан усилитель на ПТШ, предназначенный для использования в радиорелейных системах (TD-2 и TD-3) и обеспечивающий на частоте 4 ГГц выходную мощность 2 Вт. Усилитель состоял из трех каскадов, вьшолненных на корпусированных транзисторах трех типов, и обеспечивал коэффициент усиления не хуже 21 дБ. Ширина затвора транзисторов первого, второго и третьего каскадов составляла 1, 3 и 6 мм соответственно. Каскад на транзисторе с шириной эатвора 6 мм на частоте 4 ГГц обеспечивал номинальную выходную мощность 3 Вт и коэффициент усиления 7 дБ. При проектировании этого усилителя были предприняты меры для улучшения линейности его характеристик - важного фактора для систем передачи данных. Для транзистора третьего каскада экспериментально были определены нагрузки по выходу и построены на круговой диаграмме окружности постоянного коэффициента усиления и одинакового коэффициента интермодуляционных искажений, что использовалось для выбора компромиссного решения между максимальной выходной мощностью и минимальными интермодуляционными искажениями. Оптимизированная с учетом этих характеристик нагрузка позволила получить минимальный коэффициент интермодуляционных искажений 20 дБ и коэффитщент усиления не хуже 6,5 дБ в диапазоне частот 3,7 -4,2 ГГц. В согласующих цепях использовались микрополосковые линии. При этом были исследованы различные типы согласующих цепей, которые показали возможность получения требуемых характеристик усилителя (на основе четвертьволновых трансформаторов сопротивлений, с использованием разомкнутых шлейфов и последовательно включенных встречно-штыревых конденсаторов). Все эти цепи легко реализуются в микрополосковом исполнении. Гибридная интегральная микросхема этого усилителя была вьшолнена на металлизированной подложке из керамики на основе AI2O3, которая была припаяна к металлическому основанию из меди. В усилителе использовались транзисторы в герметичных корпусах.





Рис. 14.33. Усилительный модуль на ПТШ, предназначенный для использования в диапазоне 8-12,5 ГГц в фазированных антенных решетках; коэффициент усиления 30 дБ, выходная мощность 2 Вт

Из-за малых размеров, .массы и вь[СОкой .надежности СВЧ усилители на ПТШ наиболее пригодны для бортовой и космической аппаратуры. Важное применение они наиип! в бортовых радиолокаторах с фазированными антенными решетками, в которых требуется большое число однотипных модулей усилителей моншости. В работах [222, 224] описан усилительный модуль, работающий в диапазоне 9 - 10 ГГц с коэффициентом полезного действия не хуже 25%, коэффшщентом усиления 30 дБ и выходной мощностью 2 Вт.

На рис. 14.33 показан внешний вид такого усилительного модуля со снятой крышкой. В корпус модуля помещены трехкаскадный предусилитель и балансный выходной каскад. В двух первых каскадах трехкаскадного предусилителя используются ; 4ТШ с шириной затвора 300 мкм, а в третьем каскаде - ПТШ с шириной 3l тора 1,2 мм. Данный усилитель при выходной мощности 0,5 Вт обеспечивает коэффициент усиления 24 дБ. Балансный усилитель содержит два ПТШ с шириной затвора 2,4 мм, согласующие цепи и два трехдецибельных направленных ответвителя (типа мостов Ланге [116]). Его выходная мощность составляет 2 Вт при коэффициенте усиления б дБ. В усилителе используются бескорпусные транзисторы и согласующие цепи на основе соединяющих кристаллы со схемой проволочек и микрополосковых элементов, вь[полненных на подложках .из керамики на основе АЬОз толщиной 0,25 мм. Для уменьшения потерь направленные ответвители были изготовлены отдельно на подложках из кварца толщиной 0,38 мм. Данные направленные ответвители были вьшолнены на основе микрополосковых линий с шириной полосковых проводников 0,08 мм и зазором между ними 0,015 мм. Потери в таком микрополосковом одиночном 3-дБ направленном ответвителе на частотах 8 - J2,5 ГГц составили 0,15 - 0,2 дБ при осуществлении двухслойной металлизации из хрома (20 нм) и золота (2,5 мкм). Все транзисторы усилителя работали при одинаковых напряжениях на стоке (примерно 8,5 В) и затворе ( - 1,5 В), что облегчало обеспечение работы усилителя в импульсном режиме, когда напряжение на затворе изменялось от напряжения отсечки (примерно -6 В) до рабочего уровня. В качестве разделительных между каскадами усилителя устанавливались конденсаторы с балочными выводами и емкостью 47 пФ.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 [106] 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0046