Сверхширокополосный усилитель диапазона частот 4 - 12 ГГц с выходной мощностью 15 Вт

I. Введение

Представляемая работа продолжает серию разработок мощных широкополосных транзисторных усилителей СВЧ диапазона, проводимых специалистами ЗАО "Микроволновые системы". Целью данной работы являлась разработка технологичной конструкции широкополосного усилителя в С-X диапазоне, предназначенного для использования в качестве элемента передающих модулей. Усилитель обладает характеристиками на современном мировом уровне и не имеет аналогов отечественного производства.

Основные особенности усилителя:

• Малые габариты и масса;
• Цифровое 5-разрядное управление усилением;
• Встроенный детектор выходной мощности;
• Встроенный скоростной (100 нс) модулятор питания;
• Температурная компенсация усиления;
• Нормированные ФЧХ.

II. Основная часть

Основной технической проблемой была реализация выходного каскада, обеспечивающего требуемую выходную мощность не менее 10-12 Вт в линейном режиме в широкой полосе частот с перекрытием 3:1. Была использована схема суммирования мощностей четырех канальных усилителей, каждый из которых обеспечивает не менее 4 Вт выходной мощности в режиме однодецибельной компрессии. Делитель и сумматор выполнены по бинарной схеме. Первая ступень деления - синфазный делитель, вторая - квадратурные мосты Ланге с трехступенчатой областью связи для обеспечения необходимого частотного перекрытия. На рис.1 приведены измеренные потери пары делитель-сумматор, соединенных "встык",  которые составили не более 1 дБ на каждый четырехканальный сумматор  (включая потери в разъеме технологического корпуса).

Структурная схема построения усилителя РМ412-10 показана на рис.2. Питание усилителя двуполярное: -6В/0,1А и два канала питания +9В/6А.

Узлы 1 и 2 содержат монолитные интегральные схемы входного усилителя и цифрового 5-разрядного аттенюатора, а также балансный аттенюатор на p-i-n диодах, предназначенный для компенсации температурного дрейфа коэффициента передачи усилителя в диапазоне температур.

3 - балансный усилительный каскад на кристаллах GaAs pHEMT транзисторов, обеспечивающий усиление 7 - 8 дБ.

Рис.1. Потери пары делитель-сумматор.

Fig.1. Division-combining loss

Рис.2. Структурная схема усилителя РМ412-10.

Fig.2. Amplifier РМ412-10 scheme

4, 7 - четырехканальные делитель и сумматор мощности.

5 - предвыходной усилительный каскад, реализованный на одном кристалле транзистора pHEMT с затвором 2,4мм х 0,35 мкм, который обеспечивает усиление 7 дБ и выходную мощность в режиме однодецибельной компрессии усиления 1,3 Вт.

6 - выходной балансный каскад реализован на кристаллах GaAs транзисторов pHEMT с затвором 4мм х 0.35 мкм, обеспечивающий усиление 7 дБ и выходную мощность в режиме однодецибельной компрессии усиления более 4 Вт.

8 - направленный контрольный детектор.

9 - узел питания и управления, содержит стабилизаторы питания, буферные ТТЛ-логические элементы управления цифровым аттенюатором, датчик температуры, схему управления аттенюатором термокомпенсации.

10,11 - быстродействующие модуляторы питания.

Фотография конструкции выходного каскада приведена на рис.3. Он выполнен по квазимонолитной технологии [1], что позволило существенно уменьшить его габариты и усилителя в целом.

Согласующие цепи транзистора моделировались на основе нелинейной эквивалентной схемы, параметры которой были получены обработкой результатов измерений транзистора по методике, описанной в [2]. Платы входной и выходной согласующих цепей транзисторов выполнены на подложке из GaAs той же толщины, что и кристалл транзистора (100 мкм), что упрощает конструкцию, облегчает монтаж и позволяет минимизировать индуктивность выводов затвора.

Рис.3. Фото выходного каскада.

Fig.3. Output stage

GaAs платы содержат распределенные и сосредоточенные элементы согласования, цепи смещения затвора и питания стока. Квадратурные мосты Ланге выполнены на отдельных подложках из поликора толщиной 250 мкм, ширина зазора 13 мкм. Для упрощения монтажа мосты изготовлены с "воздушными" интегральными перемычками [3].

Конструкция усилителя показана на рис.4.

Габаритные размеры 70x150x20.5мм, масса 400г

Рис.4. Фото усилителя РМ412-10.

Fig.4. Amplifier РМ412-10

Все элементы СВЧ усилительного тракта размещены на металлических основаниях из МД-40, крепящихся винтами к корпусу. Внутренний объем корпуса представляет собой запредельный волновод в рабочем диапазоне частот для устранения обратной связи по электромагнитному полю. Со стороны дна корпуса размещены узлы 9, 10, 11 (см. рис.2) и проводной монтаж.

Типовые электрические характеристики усилителей в нормальных климатических условиях приведены на рис. 5 - 7. В диапазоне рабочих температур -60 ... +75 ^OC усилитель обеспечивает выходную мощность в режиме насыщения не менее 12 Вт, коэффициент усиления от 40 до 47 дБ, максимальный ток потребления не более 11 А, КСВН входа и выхода не более 2, неидентичность фазочастотных характеристик не более 40 градусов.

III. Заключение

Разработан усилитель мощности диапазона 4-12 ГГц с выходной мощностью 13 - 18 Вт и КПД 18 - 24% в режиме насыщения с использованием схемы суммирования мощностей восьми дискретных транзисторов. 

Рис.5. АЧХ усилителей.

Fig.5. Amplitude-frequency characteristics

Рис.6. Относительные ФЧХ усилителей.

Fig.6. Phase-frequency characteristics of amplifiers

Рис.7. Частотные характеристики выходной мощности, максимального тока потребления и КПД усилителей.

Fig.7. Output power-frequency characteristics, current consumption and PAE of amplifier

IV. Список литературы

[1]   Гармаш С.В. и др. Применение технологии пассивных схем на арсениде галлия в изготовлении широкополосных усилителей мощности СВЧ. Материалы 9 Крымской микроволновой конференции, Севастополь, Вебер, 1999. стр.5-8.

[2]   Кищинский А.А., Надеждин Б.Б. Свистов Е.А. Комплекс программных средств для быстрого получения нелинейных моделей ПТШ на основе результатов измерений S-параметров и импульсных вольтамперных характеристик. // Материалы 8-й Международной Крымской конференции "CВЧ техника и телекоммуникационные технологии" 1998 г, стр.362-365.

[3]   American Technical Ceramics Corp. Thin-Film Products. AirBridge. http://www.atceramics.com/products/tf_air_bridge.asp

15 WATT С-X BAND

BROADBAND POWER AMPLIFIER

S.Garmash.

Microwave Systems JSC

Nizhnyaya Syromyatnicheskaya str., 11

105120 Moscow Russia

e-mail: sg@mwsystems.ru

Abstract - The results of a development and an experimental investigation of (4...12) GHz range of Q-MMIC transistor amplifier with output power 13 - 18 Watt are presented. The experimental characteristics, design featuresand assembly technology of the manufactured amplifiers are discussed.