Транзисторный усилительный каскад диапазона 4-12 ГГц с выходной мощностью 550 мВт

Transistor amplifier stage range 4-12 GHz with 550 mW output power

Alexandr Balabolin

Head: Research and Development Division of the Federal State Unitary Company «Almaz», Russia, Saratov

Alexey Titkov

Head: Research and Development Division laboratory of the Federal State Unitary Company «Almaz», Russia, Saratov

Nikita Penkevich

Postgraduate Department of Electronic Devices and Equipment Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Russia, Saratov

Аннотация. В статье представлен результат разработки усилительного каскада, выполненного по  гибридно-интегральной технологии с применением полевых транзисторов с закороченными истоками. Представлены конструкция и экспериментальные характеристики как самого спроектированного каскада, так и усилителя на его основе.

Abstract. The results of the amplifier stage, based on the field-effect transistors with closed-circuited sources, performed by hybrid-integrated technology represented in this paper. Represented the construction  and experimental characteristics of the designed stage and the amplifier, based on it

Ключевые слова: СВЧ; pHEMT; усилительные каскады; GaAs

Keywords: microwave; pHEMT; amplifierstage; GaAs

Использование в многокаскадных широкополосных СВЧ усилителях схемы подключения транзисторов с закороченными истоками позволяет улучшить выходную мощность, коэффициент усиления и его равномерность в диапазоне рабочих частот и максимальную рабочую частоту усилительного каскада [3]. Однако, для обеспечения подачи отрицательного напряжения питания, необходимого для работы такого каскада, требуется наличие второго источника питания или инвертирующей схемы питания.

Спроектированный по гибридно-интегральной [2] технологии выходной усилительный каскад содержит пару двузатворных арсенид-галлиевых полевых транзисторов  с затвором длиной 0,8 мкм, подключенных по схеме с общими истоками. На частотах 4-12 ГГц каскад обладает усилением до 550  мВт с коэффициентом усиления ~5 дБ.

 Расчет топологии проводился в системе проектирования Agilent Advances Design System 2015 на основе анализа S-параметров выбранных транзисторов.

Плата усилительного каскада содержит входной и выходной ответвители Ланге, с шириной зазора 22 мкм, шириной и толщиной проводника 47 мкм и 3 мкм соответственно. Расчет моста Ланге выполнялся в приложении EM Simulation по методу Momentum Microwave  программы Advanced Design System 2012.

Материал платы – поликор толщиной 0,5 мм, в качестве подложки платы каскада выступает ковар толщиной 1,2 покрытый олово-висмутом. Соединение токопроводящих дорожек и ответвителей Ланге выполняется ультразвуковой сваркой золотой проволокой[4].

Для выбора оптимального режима работы транзистора используются пары подстроечных резисторов R1, R2 ; R3, R4, регулирующих напряжение затвора и напряжение стока транзисторов соответственно.

Электрическая схема и внешний вид разработанного выходного усилительного каскада приведены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1. Электрическая схема выходного усилительного каскада  диапазона  4 12 ГГц

Рисунок 2. Внешний вид выходного усилительного каскада диапазона 4 12 ГГц

Экспериментальные АЧХ выходной мощности и коэффициента передачи каскада представлены на рис.3. В рабочем диапазоне 4-12 ГГц каскад обладает коэффициентом усиления не менее 4,5 дБ и мощностью в диапазоне 275-550 мВт.

Рисунок 3. Коэффициент усиления и выходная мощность в рабочем диапазоне частот 4-12 ГГц

На основе данного выходного каскада был разработан твердотельный полупроводниковый усилитель, с рабочим диапазоном частот 4-12 ГГц. На рис. 4 представлена принципиальная структурная схема прибора, где 1,3 - малошумящие усилительные каскады, 2 - корректор фазы, 4 и 5 - предусилительные каскады, 6 - описанный выше усилительный каскад.

Рисунок 4. Структурная схема усилителя

Такое построение обеспечивает на рабочем диапазоне частот коэффициент усиления СВЧ сигнала ~25 дБ и выходную мощность ~400 мВт, при токе потребления не превышающем 700 мА. Номинальная фазовая неидентичность ±30°, достижимая фазовая неидентичность ±15°[1]. коэффициент шума в данной схеме составляет не более 8 дБ.