Микроволновые твердотельные усилители

В.С. Овечкин, А.И. Суворов, М.Е. Голубцов

Микроволновые  

твердотельные усилители

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5023-7

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

УДК 621.375.4
ББК 32.846.2
 
О-31 

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/212/book1975.html

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

 
Овечкин, В. С.

О-31  
Микроволновые твердотельные усилители : учебное пособие / 

В. С. Овечкин, А. И. Суворов, М. Е. Голубцов. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 92, [4] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5023-7

Рассмотрены вопросы, связанные с разработкой твердотельных усилителей для 
аналоговых трактов радиотехнических систем. Определена область применения 
транзисторных усилителей, указаны особенности их построения. Приведен алгоритм расчета усилителей в соответствии с основными системными требованиями, 
даны примеры расчета. 
Для студентов, изучающих дисциплины «Устройства приема и преобразования 
сигналов», «Устройства формирования и генерирования сигналов» в соответствии 
с учебным планом по специальности 11.05.01 (РЛ-1) в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

УДК 621.375.4
ББК 32.846.2

Предисловие

Данное учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических 
специальностей, изучающих дисциплины «Устройства приема и преобразования сигналов», «Устройства формирования и генерирования сигналов». 
Оно будет полезно при выполнении курсовых и дипломных проектов. Учебное пособие предназначено для расширения и углубления знаний учащихся 
в области твердотельных усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов радиоволн. При подготовке материалов использовался программный продукт Advanced Design System фирмы Keysight.
Предполагается, что приступившие к изучению пособия освоили учебные курсы: «Устройства СВЧ и антенны», «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы», «Схемотехника» и «Электроника СВЧ-приборов».
При написании учебного пособия авторы ставили перед собой следующие цели:

1) разъяснить основные принципы построения твердотельных (транзисторных) усилителей и сравнить их с вакуумными усилителями;

2) привести алгоритмы расчета дискретных транзисторных усилителей 

микроволнового диапазона; 

3) ознакомить студентов с обобщенными принципами построения и алгоритмами расчета микроволновых монолитных интегральных схем.
В результате усвоения материала данного учебного курса студенты смогут:
1) принимать решение о целесообразности использования вакуумного 

или твердотельного усилительного элемента в радиопередающем устройстве 
в соответствии с техническими требованиями к радиосистеме в целом;

2) разрабатывать микроволновые транзисторные усилители, в том числе и малошумящие, имея в качестве исходных данных требуемую выходную 
мощность, коэффициент усиления, коэффициент шума и рабочую полосу 
частот. Результатом разработки явится чертеж топологии печатной платы, 
предназначенной для монтажа выбранного транзистора и компонентов обвязки — цепей питания и смещения транзистора; 

3) формулировать общие принципы построения и алгоритмы расчета 

микроволновых монолитных интегральных схем.

Cписок сокращений 

АФАР — активная фазированная антенная решетка 
АЧХ  
— амплитудно-частотная характеристика
ГСО  
— геостационарная орбита
ИП  
— источник питания
КБВ  
— коэффициент бегущей волны
КВЧ  
— крайне высокие частоты
КЗ  
— короткое замыкание
КПД  
— коэффициент полезного действия
КСВн — коэффициент стоячей волны по напряжению
МИС 
— монолитная интегральная схема
МПЛ  — микрополосковая линия
САПР — система автоматизированного проектирования
СВЧ  
— сверхвысокие частоты
ТТУ  
— твердотельное устройство
УВЧ  
— ультравысокие частоты
ФНЧ  
— фильтр нижних частот
ХХ  
— холостой ход
ЭИИМ — эквивалентная изотропно излучаемая мощность 
EHF 
— Extra High Frequency (крайне высокие частоты)
HEMT  — High Electron Mobility Transistor (транзистор с высокой подвижностью электронов)
MAG  — Maximum Available Gain (максимальный коэффициент усиления при комплексном согласовании входа и выхода транзистора 
в случае безусловно устойчивого режима)
MSG  
— Maximum Stable Gain (максимальный коэффициент усиления 
в случае потенциально устойчивого режима)
SPICE — Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (симулятор 
электронных схем)
UHF 
— Ultra High Frequency (ультравысокие частоты)

Введение

Одним из основных элементов аналоговых частей радиоприемных и радиопередающих устройств является усилитель мощности. Как очевидно из 
названия, усилитель служит для повышения мощности сигнала, преобразуя 
энергию постоянного тока в энергию переменного высокочастотного тока. 
При этом усилители не должны вносить недопустимых искажений в форму 
сигнала и его спектральный состав; в ряде случаев большое значение имеет 
степень ухудшения отношения сигнал/шум на выходе усилителя. Микроволновые усилители подразделяются на электровакуумные и твердотельные 
(полупроводниковые).
Термин «микроволны» широко применяется в мире, но пока не закреплен в отечественных нормативных документах. Под микроволновым обычно 
понимают диапазон длин волн от дециметровых до миллиметровых, т. е. от 
300 МГц до 300 ГГц. Данный термин удобен, поскольку принципы построения устройств на основе теории длинных линий как, например, на 2 ГГц, 
так и на 60 ГГц во многом сходны. Когда речь идет о различиях в алгоритмах 
расчета или о конструктивных особенностях, удобнее подразделять микроволновый диапазон на части: 
УВЧ (от 300 МГц до 3 ГГц); 
СВЧ (3…30 ГГц); 
КВЧ (30…300 ГГц) 
или по зарубежной классификации: 
UHF (от 300 МГц до 3 ГГц); 
L-диапазон (1…2 ГГц); 
S-диапазон (2…4 ГГц); 
С-диапазон (4…8 ГГц); 
X-диапазон (8…12 ГГц); 
Ku-диапазон (12…18 ГГц); 
K-диапазон (18,0…26,5 ГГц); 
Ka-диапазон (26,5…40,0 ГГц); 
V-диапазон (40…75 ГГц); 
W-диапазон (75…110 ГГц); 
EHF (30…300 ГГц). 
В 1980-х годах выходная мощность твердотельных усилителей (ТТУ) достигла уровня, позволяющего задуматься о замене вакуумных усилителей. 
Процесс перехода оказался долгим и сложным, поскольку мощность отдельных активных элементов, транзисторов или микросхем существенно ниже, 
чем мощность вакуумных приборов. В радиоприемных устройствах переход 
от вакуумных усилителей к твердотельным произошел раньше, так как здесь 
требуется работать не с высокими, а, наоборот, с очень низкими уровнями 

мощности, т. е. предъявляются жесткие требования к шумовым характеристикам усилительного элемента. 
При разработке радиопередающих устройств для получения выходной 
мощности твердотельного передатчика, сравнимой с выходной мощностью 
вакуумного, широко используют различные схемы суммирования.
В настоящее время наблюдается процесс вытеснения вакуумной техники 
из радиосистем дециметрового, сантиметрового диапазонов и длинноволновой части миллиметрового диапазона. С повышением частоты существенно 
усложняются технологии производства транзисторов, однако уже появились 
серийно выпускаемые монолитные микросхемы в коротковолновой части 
миллиметрового диапазона.
Что же заставляет разработчиков систем переходить от проверенной 
и используемой годами вакуумной техники к твердотельным полупроводниковым устройствам? Приведем основные преимущества ТТУ:
• значительно меньшее время подготовки к работе, так как не требуется 
длительный прогрев для получения горячего катода;
• значительно меньшее напряжение питания (единицы, десятки вольт, 
а не киловольт, как у лампы), поэтому источники питания для ТТУ значительно проще по конструкции, дешевле и технологичнее в изготовлении, 
имеют меньшие габаритные размеры и массу;
• существенно лучшие шумовые характеристики;
• значительно большее время наработки на отказ передатчиков на ТТУ. 
Отмечено, что время наработки на отказ твердотельного передатчика в S-диапазоне в 4 раза превышает аналогичное время для передатчика на клистроне;
• сохранение работоспособности системы при использовании распределенного твердотельного передатчика при выходе из строя одного активного элемента (или большего числа — от нескольких единиц до нескольких 
десятков в зависимости от общего количества элементов), хотя выходная 
мощность и падает. Если же выходит из строя один мощный вакуумный 
усилительный прибор, на основе которого построена передающая система, 
то работа прекращается;
• более широкая полоса рабочих частот (до 50 %);
• возможность интегрирования твердотельных усилительных элементов 
с излучающими элементами, что позволяет формировать активную фазированную антенную решетку (АФАР). Потери в системе распределения сигнала в АФАР не играют большой роли, так как их можно компенсировать в антенных элементах. В системах с АФАР можно управлять не только фазой, но 
и амплитудой излучаемых отдельными элементами сигналов. 
Таким образом, ТТУ по сравнению с вакуумной техникой обладают существенными преимуществами, что обусловливает интенсивное развитие 
полупроводниковой СВЧ-электроники и внедрение результатов ее развития 
в радиотехнические системы различного назначения.

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МИКРОВОЛНОВОГО  
УСИЛИТЕЛЯ

В отличие от транзисторного усилителя, работающего на относительно 
низких частотах (до 300 МГц), при разработке микроволнового транзисторного усилителя необходимо учитывать, что входное и выходное сопротивления транзистора не являются действительными величинами и зависят от 
частоты. Кроме того, в диапазоне сантиметровых и особенно миллиметровых волн длина волны становится соизмеримой с размерами дискретных 
компонентов, а любой отрезок проводника на печатной плате оказывается 
«длинным». Как известно из курса «Основы теории цепей», максимальная 
мощность передается длинной линией в нагрузку при отсутствии отражений 
от этой нагрузки обратно в линию, что осуществляется при комплексном 
согласовании волнового сопротивления линии передачи и комплексного сопротивления нагрузки.
Обобщенная схема транзисторного усилителя представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема транзисторного усилителя

Для реализации расчетного электрического режима работы транзистора на него следует подать мощность от источника возбуждения (генератора) 
с определенным (заданным) внутренним сопротивлением, а к выходу присоединить определенное сопротивление нагрузки. 
В х одна я цепь трансформирует внутреннее сопротивление Zг источника возбуждения так, чтобы выходное сопротивление входной цепи было 
комплексно-сопряженным со входным сопротивлением Zвх транзистора, что 
согласует вход транзистора с выходом источника возбуждения, т. е. осуществляется трансформация сопротивлений. Аналогичным образом выходн ая 
цепь преобразует выходное сопротивление транзистора в сопротивление нагрузки, обеспечивая тем самым оптимальный электрический режим работы 
транзисторного усилителя. Поскольку основные функции входной и выходной СВЧ-цепей — согласование и трансформация сопротивлений, эти цепи 
называют согласующими. Для каждого транзистора может быть несколько 

оптимальных вариантов согласующих цепей в зависимости от требуемых режимов работы. Транзисторные усилители могут быть оптимизированы для 
получения максимального или другого фиксированного коэффициента усиления, минимального коэффициента шума или для получения максимальной выходной мощности. 
Имеющиеся в продаже СВЧ-транзисторы подразделяют на две группы:
1) самосогласованные (internally matched);
2) несогласованные (not-matched). 
В корпуса приборов первой группы уже встроены согласующие цепи, 
трансформирующие их входное и выходное сопротивления к 50-омной 
мик рополосковой линии, поэтому внешнего согласования не требуется. 
Накладываемые на эти цепи жесткие требования микроминиатюризации 
позволяют выполнять лишь простейшие их топологии. В дальнейшем будет показано, что чем сложнее согласующая цепь, 
тем в более широкой рабочей полосе может быть 
согласован транзистор. По этой причине самосогласованные транзисторы отличаются относительно узкой рабочей полосой частот. В качестве 
примера на рис. 1.2 показан самосогласованный 
транзистор SGK0910-120A-R, обеспечивающий 
номинальную выходную мощность 51 дБм в рабочей полосе 9,2…10,0 ГГц (т. е. рабочая полоса составляет менее 10 % несущей). 
Напомним, что единица измерения «дБм» — 
это децибел по отношению к 1 мВт, т. е. 0 дБм = 
= 1 мВт. В качестве примера пересчитаем мощность 25 Вт в децибелы по 

отношению к милливатту: PдБм
дБм.
=
=
10
25
0 001
43 98
lg ,
,
И наоборот, если 

PдБм
дБм,
= 51
 то P = 100,1PдБм = 125 892 мВт = 125,892 Вт. 
Применение описанной в данном пособии методики расчета внешних 
согласующих цепей для транзисторов второй группы позволяет разрабатывать усилители, согласованные в более широкой рабочей полосе, чем полоса 
самосогласованных транзисторов. 
Отметим, что источник питания (ИП) (см. рис. 1.1) служит для подачи 
напряжения смещения и питания на транзистор. Эти напряжения подаются 
через фильтры нижних частот (ФНЧ), которые исключают проникновение 
высокочастотной составляющей в источник питания. (Протекание высокочастотных токов через источник питания приводит к паразитной амплитудной модуляции усиливаемого сигнала, а также к нежелательным связям 
между каскадами усилителя и, как следствие, к его самовозбуждению.) 
В соответствии с приведенной схемой процесс разработки транзисторного 
усилителя можно условно разделить на следующие этапы:
• выбор активного элемента для удовлетворения технических требований к усилителю;
• разработка входной и выходной согласующих цепей при использовании несогласованного транзистора;

Рис. 1.2. Самосогласованный транзистор

• разработка цепей питания;
• разработка прочих цепей, входящих в состав усилителя (сумматоров/
делителей, элементов, разделяющих цепи постоянного и высокочастотного 
токов, входных и выходных цепей);
• объединение отдельных составляющих в устройство в целом и его 
сквозная оптимизация.
Пример печатной платы с топологией малошумящего транзисторного 
усилителя радиолокационной станции X-диапазона представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Печатная плата малошумящего транзисторного усилителя

Усилитель выполнен на печатной плате из высокочастотного армированного материала Rogers Ro4003 на основе термореактивного полимера 
с добавлением керамики. Данный материал выгодно отличается от стеклотекстолита однородностью и стабильностью значения относительной диэлектрической проницаемости, что позволяет использовать в качестве реактивных элементов согласующих цепей микрополосковые шлейфы. Следует 
напомнить, что дискретные конденсаторы и катушки индуктивности находят ограниченное применение в диапазонах СВЧ и КВЧ по причине сложности прогнозирования их реактивного сопротивления на таких частотах, 
а также его зависимости от качества монтажа компонентов. В то же время результаты моделирования полного сопротивления микрополосковых 
шлейфов в современных САПР гораздо больше соответствуют действительности при условии постоянства диэлектрической проницаемости подложки 
микрополосковой линии.
Цепи подачи питания и смещения, как правило, являются стандартными и не содержат СВЧ-устройств. Фильтры нижних частот могут иметь 
различную конфигурацию и часто включаются в состав согласующих цепей. В цепи подачи питания и ФНЧ на плате, представленной на рис. 1.3, 
входят блокировочные конденсаторы C1, C3, C5, C6, C9–C12, радиальные 
шлейфы и разделительные конденсаторы С2, С4, С7, С8. Слева от транзисторов VT1, VT2 расположены входные согласующие цепи (симметричные 
уширения микрополосковой линии), справа — выходные. Именно синтез 
согласующих цепей занимает основное время при разработке микроволновых усилителей. 

Кроме того, на фотографии печатной платы усилителя можно увидеть 
гибридные мосты с подключенными к ним согласованными нагрузками 
R1 и R2 соответственно на входе и выходе усилителя. Гибридные мосты 
(см. 8.2) служат для минимизации коэффициентов отражения разрабатываемого устройства. 
В качестве другого примера применения дискретных СВЧ-транзисторов 
можно привести малошумящий усилитель конвертера спутникового телевидения. Спутниковый конвертер — приемное устройство, объединяющее в себе 
малошумящий усилитель, фильтр высокой частоты, смеситель, гетеродин 
и усилитель промежуточной частоты. Конвертеры устанавливаются в фокусе абонентских параболических зеркальных антенн и служат для усиления 
и фильтрации сигналов спутникового телевидения, а также для их переноса 
на промежуточную частоту. Применение конвертеров позволяет размещать 
собственно приемник спутникового телевидения (ресивер) довольно далеко 
от антенны, там, где это удобно абоненту (рядом с телевизором).
Рассмотрим причины такого построения систем спутникового телевидения. Телекоммуникационные спутники-ретрансляторы располагаются 
на геостационарной орбите (ГСО). Напомним, что ГСО — расположенная 
над экватором Земли круговая орбита, находясь на которой, искусственный 
спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой 
скорости вращения Земли вокруг оси. Космический аппарат, находящийся на ГСО, неподвижен относительно поверхности Земли. Геостационарная 
орбита является разновидностью геосинхронной орбиты и используется для 
размещения искусственных спутников (коммуникационных, телетрансляционных и пр.). 
Расположение спутников-ретрансляторов на ГСО позволяет обойтись 
без использования дорогостоящих моторизированных следящих систем 
в опорно-поворотном устройстве абонентских антенн: направление на спутник не изменяется ни по азимуту, ни по высоте над горизонтом, спутник 
«висит» в небе неподвижно. Поэтому однажды сориентированная на такой 
спутник надежно закрепленная антенна все время остается направленной 
на него. Однако применение ГСО порождает много других сложностей: 
невозможность приема сигнала в полярных широтах, солнечная интерференция и др. В результате солнечной интерференции значительно увеличивается шумовая температура абонентской антенны, когда Солнце и спутник- 
ретранслятор располагаются на одной линии с приемной антенной. В этом 
случае Солнце попадает в главный лепесток диаграммы направленности 
антенны и, являясь мощным шумовым источником во всем радиодиапазоне, не позволяет принять более слабый сигнал со спутника. Солнечная 
интерференция проявляется в полдень 2 раза в год в период продолжительностью 3,5 недели, окружающий дни весеннего и осеннего равноденствия 
(20–21 марта и 21–22 сентября соответственно), когда Солнце пересекает 
небесный экватор. Максимальная длительность солнечной интерференции 
составляет менее 10 мин.
Кроме того, в силу значительной удаленности космических аппаратов 
(высота орбиты над экватором составляет 35 786 км) сигнал, излученный 
передающей антенной спутника, претерпевает значительное ослабление