Мощные широкополосные усилительно-преобразовательные тракты СВЧ на полупроводниковых приборах

В.А. ЯКОВЕНКО




МОЩНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ
УСИЛИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТРАКТЫ СВЧ
НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ


Монография












НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.375.4 Я 471




Рецензент д-р техн. наук, проф. В.П. Разинкин










            Яковенко В.А.


Я 471   Мощные широкополосные усилительно-преобразовательные
      тракты СВЧ на полупроводниковых приборах : монография / В.А. Яковенко. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. - 366 с.


         ISBN978-5-7782-1972-4

















УДК 621.375.4


ISBN 978-5-7782-1972-4

                     © Яковенко В.А., 2012
                     © Новосибирский государственный

                                                   технический университет, 2012

                ВВЕДЕНИЕ




   Усилительно-преобразовательные тракты СВЧ на полупроводниковых приборах находят широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре. Укрупненной элементной базой таких трактов являются широкополосные полупроводниковые устройства СВЧ (ШППУ СВЧ), к которым относятся усилители мощности, умножители и преобразователи частоты, управляемые аттенюаторы и фазовращатели, а также полупроводниковые устройства СВЧ иного функционального назначения.
   ШППУ СВЧ, как и тракт в целом, строятся, как правило, по модульному принципу, который предполагает расчет, проектирование и настройку каждого отдельного каскада (или ячейки) устройства на сопротивление нагрузки и выходное сопротивление возбудителя, равное волновому сопротивлению стандартного тракта СВЧ - 50 или 75 Ом. При этом разработка многокаскадного устройства, по сути, сводится к разработке его отдельных каскадов.
   Другим принципом построения ШППУ СВЧ является принцип сложения мощностей, позволяющий посредством суммирования мощностей с выходов отдельных относительно маломощных модулей получать значительные выходные мощности. Этот принцип реализуется посредством объединения однотипных, как правило, усилительных ячеек по входам и выходам делителем и сумматором мощностей. Суммирование мощностей чаще всего применяется при построении мощных транзисторных усилителей СВЧ.
   Каждый отдельный каскад ШППУ СВЧ включает, как минимум, один активный элемент (транзистор или диод), входную и выходную цепи и цепи питания активного элемента по постоянному току. Активный элемент обеспечивает заданные функциональным назначением свойства устройства. Входная и выходная цепи необходимы для обеспечения оптимальных режимов работы активного элемента и источника

входного сигнала, подавления нерабочих гармоник и, в некоторых случаях, частотной коррекции усилительных свойств активного элемента. Если такая коррекция не требуется, то входная и выходная цепи являются согласующими. С помощью цепей питания задается необходимый режим активного элемента по постоянному току.
   Сложность протекающих в ШППУ СВЧ физических процессов объясняет качественный характер существующей теории устройств СВЧ на полупроводниковых приборах и непреодолимые трудности прямых подходов к их анализу и расчету. Поиски конструктивных путей решения практических задач разработки ШППУ СВЧ привели к необходимости введения упрощающих предположений о возможностях использования приближенных моделей активных и пассивных элементов этих устройств и справедливости приближения идеальной фильтрации их входных и выходных цепей. Первое из этих предположений позволяет построить приближенные инженерные методики расчета, второе - расчленить процесс разработки устройства на ряд последовательных этапов, включающих расчет режима активного элемента, расчет и конструирование внешних цепей устройства, конструирование устройства в целом и его экспериментальную доработку [1-5]. Необходимость экспериментальной доработки устройства диктуется как приближенностью методик расчета, так и разбросом параметров активных элементов, в некоторых случаях достигающего 30 %.
   Результатом расчета режима активного элемента являются частотные зависимости активной и реактивной составляющих его входных и выходных импедансов и энергетических характеристик. В некоторых случаях эти зависимости могут быть определены экспериментально [6, 7]. Знание динамических импедансов активного элемента позволяет построить его входные и выходные электрические эквиваленты и произвести расчет входных и выходных цепей устройства, обеспечивающих соответствующий определенным ранее импедансам режим активного элемента. Рассчитанные таким образом цепи представляют собой сосредоточенные эквиваленты СВЧ цепей, которые затем по определенной методике реализуются в виде сосредоточенных навесных и печатных, а также распределенных элементов из отрезков микрополос-ковых линий. При этом устройство реализуется в виде гибридной интегральной схемы (ГИС) СВЧ, а усилительно-преобразовательный тракт в целом в виде одного или нескольких конструктивно обособ

Введение

5

ленных блоков (микросборок). Такой подход к разработке ШППУ СВЧ наиболее полно освещен в литературе и нашел широкое применение в инженерной практике.
   Как уже указывалось, приближенность методик расчета и разброс параметров активных элементов приводят к необходимости экспериментальной доработки устройства. На практике процесс разработки ШППУ СВЧ и, соответственно, усилительно-преобразовательного тракта носит характер комплексной расчетно-экспериментальной работы. Применение современных вычислительных средств позволяет существенно повысить производительность труда разработчика за счет возможности использования более точных моделей активных и пассивных элементов и более совершенных методик расчета. Совершенствование методик расчета должно быть, по-видимому, направлено на повышение их точности и возможности разработки устройств с пониженной чувствительностью к разбросу параметров активных элементов. В этом отношении перспективной является идея создания экспериментально-вычислительных комплексов, позволяющих совместить возможности автоматического (или полуавтоматического) экспериментального определения параметров оптимального режима активного элемента, разработку входных и выходных цепей и настройку устройства в целом.
   Настоящая книга посвящена вопросам теории и техники широкополосных усилительно-преобразовательных трактов СВЧ на полупроводниковых приборах. В ней отражены опыт научной и методической работы автора в области теории и техники ШППУ СВЧ и богатый накопленный в технической литературе материал по анализу, расчету и проектированию устройств СВЧ на полупроводниковых приборах. Методики расчета согласующих цепей (СЦ) различных типов ШППУ СВЧ имеют много общего. Поэтому, с учетом важности вопросов построения, расчета и конструктивной реализации СЦ, сведения о теории и технике широкополосного согласования комплексных нагрузок выделены в самостоятельный раздел с последующим рассмотрением особенностей построения и расчета входных и выходных цепей конкретного типа устройств. Из конкретных типов ШППУ СВЧ рассмотрены диодные умножители и преобразователи частоты и транзисторные усилители мощности. Кроме того, рассмотрены смежные и специальные вопросы расчета и проектирования широкополосных трактов СВЧ на полупроводниковых приборах. К ним относятся вопросы расчета

структурных схем трактов, построения разделительно-суммирующих систем, обеспечения допустимых тепловых режимов активных элементов, а также способы построения мощных высоколинейных усилительных трактов СВЧ.
   Автор благодарен сотрудникам НИЛ РТУ НГТУ С.С. Яворскому, Ю.Г. Титюкову, С.Г. Столеву, В.А. Иванникову, А.Т. Кравченко, Г.С. Шауро, А.С. Половникову и др., много сделавшим в свое время в плане разработки и настройки мощных широкополосных устройств и усилительно-преобразовательных трактов СВЧ. Особая благодарность коллективу кафедры РИ и РПУ НГТУ и персонально зав. кафедрой д.т.н., проф. А.В. Киселеву за помощь, доброжелательную и дружескую обстановку, способствовавшую появлению настоящей книги.

                1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ





    /разнообразие требований к усилительно-преобразовательным трактам СВЧ современной радиоэлектронной аппаратуры по их функциональным возможностям и качественным показателям обусловливают разнообразие структур этих трактов. Простейшими в структурном отношении являются усилительные и усилительно-умножительные тракты, имеющие одноканальную (не разветвленную) структуру и состоящие из отдельных каскадно-включенных ячеек усиления мощности и, при необходимости, каскадов умножения частоты. В таких трактах входная мощность, как правило, относительно малая, подается на единственный вход, а выходная мощность снимается с единственного выхода. По такому принципу строятся, например, усилительные тракты радиопередающих устройств СВЧ или тракты формирования несущего колебания СВЧ, когда относительно низкочастотное (десятки мегагерц) маломощное входное гармоническое колебание с высокой стабильностью частоты, например, с выхода кварцевого автогенератора, умножается по частоте и усиливается по мощности.
    Более сложными в отношении обеспечения качественных показателей и реализации являются многовходовые неразветвленные тракты, в состав которых могут входить преобразователи частоты и (или) электрически управляемые устройства (фазовращатели, коммутаторы, модуляторы, аттенюаторы и др.). По такому принципу строятся тракты формирования информационных и имитационных сигналов СВЧ относительно несложных радиосистем.
    Наиболее сложными являются усилительно-преобразовательные тракты с разветвленной структурой, в состав которых могут входить

1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ СВЧ

усилители мощности, умножители и преобразователи частоты, модуляторы, аттенюаторы, фазовращатели, делители и сумматоры мощности и др. Такие тракты могут иметь несколько входов и выходов и предназначены для формирования набора информационных и (или) имитационных сигналов с управляемыми параметрами. По такому принципу построены тракты формирования сложных имитационных комплексов, многофункциональных радиоэлектронных систем, тракты формирования систем с АФ АР и др.
   Важнейшим этапом разработки усилительно-преобразовательного тракта является разработка его структурной схемы. От степени успеха выполнения этого этапа во многом зависят стоимостные, массогабаритные и качественные показатели тракта. Основными задачами разработки структурной схемы являются определение его структуры и содержания укрупненной элементной базы, выбор промежуточных частот и типов активных элементов, предварительная оценка энергетических и качественных показателей. Исходными данными при этом являются требования технического задания в части функционального назначения и качественных показателей тракта, входных и выходных мощностей, диапазонов входных и выходных частот, условий эксплуатации (и, прежде всего, максимальная температура окружающей среды).
   Разработка структурной схемы начинается с выбора оптимальной с точки зрения простоты структуры тракта при условии обеспечения заданных функциональным назначением его свойств и качественных показателей. Для этого составляются возможные варианты укрупненной структурной схемы тракта и проводится их сравнительный анализ. При этом может оказаться целесообразным построение тракта по блочной структуре, когда требуемая выходная мощность достигается суммированием мощностей отдельных конструктивно обособленных идентичных базовых модулей. Выходная мощность базового модуля может обеспечиваться суммированием выходных мощностей до восьми транзисторов и, в зависимости от диапазона рабочих частот, может составлять десятки - сотни ватт. При этом осуществляется детальная проработка структурной схемы базового модуля, который используется как укрупненная элементная база при разработке тракта в целом. Отдельные элементы базового модуля (усилительные ячейки или полукомплекты) часто также используются при построении предварительных каскадов тракта.

Дать исчерпывающие рекомендации для разработки структурной схемы усилительно-преобразовательного тракта вряд ли возможно. Вместе с тем следует отметить, что для достижения наилучших энергетических показателей тракта преобразование частоты, модуляцию, регулировку выходной мощности и фазы сигнала предпочтительно осуществлять на низком уровне мощности в предварительных каскадах тракта. С другой стороны, при низком уровне входного сигнала снижение коэффициента передачи входного каскада может привести к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе тракта, а при отсутствии достаточно мощных транзисторов с приемлемым усилением на выходной частоте в некоторых случаях целесообразно в качестве выходного каскада использовать умножитель или преобразователь частоты.
   Не последнюю роль при выборе структуры тракта играют требования по уровню нерабочих гармоник в спектре выходного сигнала. Следует иметь в виду, что уровень комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала зависит не только (и даже не столько!) от фильтрующих способностей выходных цепей тракта, но и от уровня высших и комбинационных составляющих на выходах отдельных каскадов тракта. Поэтому при разработке структурной схемы необходимо уделять должное внимание фильтрации нерабочих гармоник в промежуточных каскадах тракта.
   Заданные требования по фильтрации нерабочих гармоник обеспечить тем сложнее, чем шире полоса пропускания тракта. Для широкополосных каскадов умножения частоты сложности обеспечения фильтрации растут с увеличением коэффициента умножения к . Предельная полоса пропускания в предположении идеальности выходных согласующе-фильтрующих цепей обыкновенного умножителя равна (Af / f)) = 2/(1 + 2к) и (Af / f)) = 2/(1 + к) - для балансного. Практически при обычно предъявляемых требованиях по уровню нерабочих гармоник -(30...60) дБ и приемлемой сложности выходной цепи умножителя допустимая полоса пропускания в 1.5-2 раза уже.
   В каскадах преобразования частоты уровень фильтрации нерабочих гармоник во многом зависит от степени оптимальности выбора отношения частот сигнала и накачки с точки зрения расположения комбинационных составляющих на оси частот вблизи спектра выходного сигнала. Если в полосу пропускания не попадают комбинационные составляющие ниже 7-8 порядков, то при разности входных частот в 2 -3 раза большей полосы пропускания преобразователя фильт

Ю 1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ СВЧ

рация на уровне -(30...60) дБ может быть обеспечена двух-, трехзвенными выходными полосовыми цепями. Подробнее о выборе промежуточных частот можно прочесть в [3].
   Если выходным каскадом является транзисторный усилитель, то уровень комбинационных составляющих на выходе -(28.30) дБ при бигармоническом входном сигнале с пиковой мощностью по сжатию усиления на 1 дБ может быть обеспечен неглубоким режимом АВ его транзисторов в двухтактной схеме с температурной стабилизацией положения рабочей точки. Более жесткие требования по уровню комбинационных в спектре выходного сигнала обеспечиваются применением специальных линейных транзисторов. Указанные режимы и схемы являются также эффективными средствами снижения высших гармонических составляющих при широких полосах пропускания тракта, а при полосах более октавы эти средства едва ли не единственные. При относительно узких полосах пропускания подавление высших гармоник обеспечивается включением специального фильтра (фильтра гармоник) на выходе тракта, который должен иметь минимальное затухание в полосе рабочих частот и обеспечивать заданное подавление высших гармоник.
   Следующим этапом разработки структурной схемы является выбор типа и числа активных элементов оконечного каскада тракта. Чаще всего оконечным служит усилительный каскад на одном или нескольких транзисторах. Каскады усиления на транзисторах строятся по обыкновенной (однотранзисторной), балансной или двухтактной схемам. Последние два типа схем предполагают объединение двух обыкновенных усилительных ячеек по входу и выходу с помощью квадратурных или противофазных делителя и сумматора соответственно. При необходимости в оконечном каскаде может быть произведено суммирование выходной мощности более чем двух транзисторов.
   Тип транзисторов усилительного каскада выбирается из следующих соображений. Во-первых, на верхней частоте рабочего диапазона транзистор должен обеспечивать усиление не менее (4.5) дБ, если не требуется суммирование мощности и не менее (5.6) дБ, если суммирование мощности необходимо. Во-вторых, следует иметь в виду, что суммирование мощности более чем восьми транзисторов существенно усложняет системы деления и суммирования мощностей и снижает коэффициент усиления каскада из-за потерь в делителе и сумматоре.