Главная Промышленная автоматика.

элементы с сосредоточенными и распределенными параметрами: индуктивный проволочный вывод транзистора и микрополосковый разомкнутый шлейф, выполненный на подложке из керамики на основе AiaOs. Применение таких согласующих цепей, размещенных в корпусе транзистора при ширине затвора 11,2 мм на частоте 6,25 ГГц, позволило получить выходную мощность ПТШ 4,4 Вт при КПД=20% и коэффициенте усиления 4 дБ.

На основе реализации такого же подхода в той же лаборатории [74] был создан транзистор с согласующими цепями внутри корпуса и выходной мощностью на частоте 6 ГГц около 25 Вт. Транзистор состоял из четырех кристаллов, что на частоте 6 ГГц при соответствующем согласовании внутри корпуса обеспечило выходную мощность 23 Вт (при коэффициенте усиления 4 дБ) и 25 Вт (3 дБ) с КПД=23%.

В работе [247] было сообщено о разработке маломощного однокаскад-ного балансного усилителя на GaAs ПТШ, вьшолненного на подножке из сапфира площадью 4X5 мм, закрепленной на металлическом основании. В усилителе использовались два транзистора с шириной затвора 300 мкм. Достоинством выбранной схемы является низкий КСВН отдельных каскадов, что позволяет каскадировать их для получения большого коэффициента усиления с минимальными искажениями характеристик многокаскадного усилителя. В качестве трехдецибельных направленных ответвителей были выбраны квадратурные мосты, вьшолненные на подложке из сапфира. Для уменьшения площади усилителя согласующие цепи выполнялись на элементах с сосредоточенными параметрами в виде Т-образной L ~C~L -структуры. В качестве конденсаторов использовались тонкопленочиые элементы, структуры металл-диэлектрик-металл, вьшолненные на подложке из сапфира (диэлектрик ЗЮг, осажденный химическим путем из смеси SiH4 и О2). Добротность таких конденсаторов, измеренная на частоте 8 ГГц, оценивается величиной около 80 при емкостях около 0,5 и 0,3 пФ. В качестве катушек индуктивности применены тонкопленочные спиральные индуктивные элементы с шириной металлической полоски 30 мкм, состоящие из двух и трех витков и вьшолненные на сапфировой подложке. Индуктивности составили 3 нГн (двухвитковые для Т-образных согласующих цепей) и 8 нГн (трехвитковые для фильтров цепей питания). При каскадировании трех таких усилителей в диапазоне частот 4,5 - 8 ГГц был получен коэффициент усилешя 21,5±1 дБ. Авторы рассматриваемой работы высказали мнение о том, что с точки зрения уменьшения затрат на разработку и выпуск СВЧ усилителей на GaAs ПТШ такой подход имеет существенное преимущество перед реализацией усилителя на основе GaAs полупроводниковых интегральных микросхем.

14.5.3.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ ИА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ

Несмотря на то, что арсенид галлия уже более десяти лет считается одним из материалов, пригодных для применения в качестве подложек полу-

Примерно с 1968 г. - Прим. перев. 422



проводниковых интегральных микросхем и создания активных и пассивных СВЧ элементов, только недавно с широким развитием ПТШ к нему опять возник большой интерес во многих лабораториях мира в связи с созданием полупроводниковых аналоговых интегральных схем на GaAs ПТШ [1, 172, 164, 165, 166, 199, 200]. Возможность выполнения СВЧ устройств на одном кристалле требует существенно больших затрат. Поэтому их преимушества могут проявиться в тех случаях, когда требуется большое число идентичных схем (например, в радиолокаторах с фазированными антенными решетками).

В противоположность широкоразвитым гибридным интегральным схемам СВЧ диапазона на ПТШ, которые бьши рассмотрены в нредьвдуших разделах книги, GaAs полупроводниковые интегральные микросхемы на ПТШ находятся на начальной стадии своего развития. Поэтому примеры, которые будут здесь приведены, относятся к ранним лабораторным результатам, ноказываюшим возможности такого подхода для создания малошумящих и мощных усилителей на ПТШ.

В работе [165] описан полупроводниковый интегральный однокаскадный малошумящий усилитель, вьшолненный на одном кристалле арсенида галлия размером 1,2X1,8X0,18 мм, с коэффициентом усиления 4,5±0,9 дБ в диапазоне частот 7,0-11,7 ГГц. Элементы с сосредоточенными параметрами входной согласующей цепи усилителя (одновитковые катушки индуктивности и встречно-штыревые конденсаторы) вьшолнены на поверхности подложки из высокоомного арсенида галлия. Транзистор изготовлен в том же крис-1алле, но располагается в пределах мезаструктуры, состоящей из эпитаксиальных слоев активного канала и буферного слоя. Шунтирующие компоненты схемы и истоковый вьшод транзистора, включенного но схеме с общим истоком, соединены с контактной площадкой, располагаемой по краю кристалла. Для создания надежного заземления эта площадка соединяется с основанием корпуса усилителя сеткой из золотой проволоки. Все тонкопле-иочные элементы на поверхности кристалла, требующие металлизации, включая затвор длиной 1 мкм и контактные площадки, вьшолнены методом взрывной фотолитографии, которая позволяет полутать металлизационный глой толщиной не более 1,15 мкм (отметим, что толщина скин-слоя в золо-le на частоте 10 ГГц составляет 0,8 мкм). Ширина проводников в катушках индуктивности и элементов встречно-штыревых конденсаторов выбрана примерно 30 мкм. Наибольшие значения индуктивности и емкости тонкопленочных элементов в такой штегралыюй микросхеме равны 0,7 нГн и 0,25 пФ соответственно.

Согласующая цепь на выходе транзистора состоит только из индуктивности проволоки, соединяющей транзистор с внешней цепью, вьшолненной на яодложке из керамики на основе AI2O3. Это позволяет получить требуемые характеристики на центральной частоте. Выходная мощность усилителя при сжатии коэффициента усиления на 1 дБ составляет 13 мВт. В противоположность усилителям, вьшолненным по гибридной интегральной технологии с использованием в согласующих цепях комбинированных элементов, коэффициент усиления рассматриваемого усилителя на 0,6 дБ меньше, что объ-



ясняется несколько большими потерями в элементах цепей согласования полупроводниковой интегральной микросхемы.

Более поздние результаты, пол)Д1енные в той же лаборатории, показали возможность разработки полупроводниковых интегральных однокаскадных малошумящих диапазонов 8- 12,5 и 12,5-18 ГГц [166]. Один из типичных образцов такого усилителя, выполненный вместе с согласующими цепями на кристалле полупроводника размером 1,2X1,8 мм, работал в диапазоне 10-20 ГГц. При проектировании согласующих цепей усилителя использовали S-параметры, измеренные для дискретного ПТШ того же типа, и способы расчета пассивных элементов с сосредоточенными параметрами, неоднократно проверенные при их разработке на подложках из керамики на основе А12О3 и GaAs [167] Пассивными элементами цепей согласования служили тонкопленочные одновитковые катушки индуктивности и встречно-штыревые конденсаторы, вьшолненные на поверхности кристалла GaAs. С целью удобства установки усилителя в микрополосковую схему и обеспечения удобства их каскадирования кристалл полупроводниковой интегральной схемы размещался на металлическом основании из меди, покрытом никелем и золотом

Одиночный каскад такого усилителя в диапазоне 8-18 ГГц имел коэффициент усиления б дБ. Усилитель, состоящий из двух полупроводниковых интегральных усилителей диапазона 8-12,4 ГГц, помещенных в один корпус, при оптимальном выборе смещения по постоянному току для получения наилучпшх шумовых характеристик на частотах 8-12 ГГц имел коэффищ!-ент усиления 10 дБ и коэффициент шума 5 дБ При каскадировании семи таких однокаскадных усилителей, каждый из которых вьшолнен на ощюм кристалле, в диапазоне частот 8-12 ГГц был пол)Д1ен коэффициент усиления 28±1 дБ. Такая малая неравномерность коэффициента усиления во всем диапазоне частот обеспечена благодаря неполному согласованию между каскадами с помощью коротких отрезков микрополосковых линий.

При проектировании GaAs интегральных мощных СВЧ усшштелей необходимо учитывать некоторые особенности параметров транзисторов [171, 201]. Большое вьщеление тепла в транзисторах с широкими затворами требует хорошего теплоотвода. Поэтому нужно использовать гонкие полупроводниковые подложки. Мощные GaAs ПТШ имеют малые входные и выходные сопротивления. В данном случае в цепях заземления могут возникать большие токи. Следовательно, требование к качеству заземления будет высоким. На момент подготовки данной работы бьши известны полупроводниковые интегральные мощные СВЧ усилители на ПТШ, обеспечивающие в диапазоне 8-12,4 ГГц выходную мощность более 2 Вт (один каскад) и 1,5 Вт (два каскада).

В работе [199] описаны полупроводниковые интегральные однокаскадный и двухкаскадный усилители мощности, вьшолненные на GaAs кристаллах размерами 1X2X0,1 и 2X2X0,1 мм соответственно. Оба усилителя были построены по двухтактной схеме и содержали по два транзистора в каждом каскаде. В первом и втором каскадах двухкаскадного усилителя использовались две пары транзисторов с шириной затвора 600 и 1,2 мм соответ-





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

0.0037