Микроволновые приборы и устройства

262

На основе транзисторов СВЧ разрабатываются схемы усилителей, генераторов, умножителей частоты и других устройств, необходимых для создания радиотехнических средств разного назначения. Устройства на СВЧ-транзисторах в диапазоне до 30 ГГц «вытесняют» аналогичные устройства на СВЧ-диодах вследствие большей мощности, высокого КПД, низкого напряжения питания и малого шума. Рассмотрим два усилителя, где применяются СВЧ транзисторы на микрополосковых линиях (МПЛ).

На рис. 9.49 изображена функциональная схема такого усилителя. В его состав входят активный элемент АЭ (полевой транзистор), входная и выходная согласующие цепи (СЦ), цепи питания и смещения.

Рис. 9.49 — Функциональная схема транзисторного усилителя мощности

Активный элемент (АЭ) преобразует мощность источника питания Uо в мощность колебаний, усиливая входную мощность. Входная СЦ трансформирует входное сопротивление транзистора в сопротивление, равное внутреннему сопротивлению источника входной мощности. Выходная СЦ трансформирует сопротивление нагрузки усилителя в некоторое оптимальное сопротивление на выходных электродах транзистора, при котором транзистор работает в наиболее выгодном энергетическом режиме. Цепи питания и смещения служат для подачи постоянных напряжений на электроды транзистора и блокировки источников питания Uo и смещения Uсм от мощности СВЧ. Кроме того, СЦ формируют колебания напряжения и тока определенной формы, соответствующие оптимальному режиму работы АЭ. Согласующие цепи

263

обычно выполняют в виде шлейфовых трансформаторов на МПЛ. Цепи питания и смещения — это, как правило, ФНЧ и полоснозаграждающие фильтры.

На рис. 9.50 приведена топология усилителя мощности на ПТШ в микрополосковом исполнении. На вход (1) подводится определенная Pвх, с транзистором (3) входная и выходная цепи связываются через согласующие цепочки, которые представляют одноили двухшлейфовые трансформаторы из отрезков МПЛ. Цепи питания СВЧ-транзистора представляют комбинацию из ФНЧ и ПЗФ, не пропускающего в источник питания мощность частоты усиливаемых сигналов.

Рис. 9.50 — Топология усилителя мощности на ПТШ: 1, 5 — разделительные конденсаторы; 2, 4 — диэлектрическая подложка;

3 — полевой транзистор

Цепь питания содержит также антипаразитную цепочку. Роль ФНЧ выполняют разделительные емкости, шунтирующие источники питания. В качестве ПЗФ применяются отрезки линий, размещенные на диэлектрической подложке.

На рис. 9.51, a показан усилитель с распределенными элементами. Усилитель выполнен по схеме с общим эмиттером (рис. 9.51, б). Для согласования входа и выхода транзистора использованы шлейфы, длину которых lшл.вх и lшл.вых можно менять в некоторых пределах, закорачивая металлизированные пластинки на их торцах (рис. 9.51, а). Цепи питания транзистора по постоянному току содержат высокочастотные дроссели Др1 и Др2 и блокировочные конденсаторы С1 и С2.

264

б

а

Рис. 9.51 — Транзисторный СВЧ-усилитель на распределенных элементах (а) и его принципиальная схема (б)

На печатной плате высокочастотные дроссели выполняют в виде узких микрополосковых линий четвертьволновой длины, последовательно с которыми изготовляют более широкие четвертьволновые линии, разомкнутые на конце. Тогда в месте соединения этих линий может быть осуществлен режим, близкий к режиму короткого замыкания. В минимуме высокочастотного напряжения включаются блокировочные конденсаторы С1 и С2 и осуществляется подача питающих напряжений.

Разрабатываемые усилители на транзисторах СВЧ обладают высоким КПД, широким динамическим диапазоном и малым уровнем шумов, предназначаются для замены аналогичных устройств на ЛБВ и на полупроводниковых диодах.

В настоящее время на БТР и ПТР выпускаются линейные усилители с полосой до октавы в однокаскадном и многокаскадном исполнении. Широкополосные усилители на ПТР с барьером Шоттки, перекрывающие диапазон частот от 8 до 12 ГГц, обеспечивают усиление 5—6 дБ на каскад с коэффициентом шума менее 8 дБ. Масса усилителя с выходной мощностью 1 Вт не превышает 0,3 кг.

265

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ

ВЧ, СВЧ — высокая частота, сверхвысокая частота МВП — микроволновые приборы ДГ, ГДГ — диод Ганна, генератор на диоде Ганна

ЛПД, ГЛПД — лавинно-пролетный диод, генератор на ла- винно-пролетном диоде

ЗС — замедляющая система КПД — коэффициент полезного действия

ЛБВО и ЛОВО, ЛБВМ и ЛОВМ — лампы бегущей и обратной волны типа О и типа М

ПКл, ОК — пролетный клистрон, отражательный клистрон ПСВЧ — приборы сверхвысоких частот ПВД — пространственно-временные диаграммы

ППП, ПП — полупроводниковый прибор, полупроводник ЭВП — электровакуумный прибор

d — размер зазора резонатора, или ПП структуры q — свободные носители заряда (заряд частицы) m, Mq — масса электрона и заряженной частицы

М — коэффициент взаимодействия электронного потока с полем резонатора

D и B (DиВ) — векторы электрического смещения и маг-

нитной индукции

Iк, Iн, iнав — конвекционный, наведенный ток

J, Jсм — плотность тока, плотность тока смещения

k — волновое число волны в свободном пространстве

266

Кз, Кзm — коэффициент замедления на основной и m-ой гармонике

Кур — коэффициент усиления по мощности С — параметр усиления

Кс — коэффициент прозрачности сеток резонатора

Q0, QВН и QН собственная, внешняя и нагруженная добротности резонатора

ZC, Z0, Wзс — волновое сопротивление линии передачи, замедляющей системы

Zн, Rн — сопротивление нагрузки (полное, активное) L — период замедляющей системы

с — скоростьраспространениясветаввакууме(с= 3 108 м/сек) f, fгр — частота, граничная частота

vф, vгр — фазовая и групповая скорости волны vдф, vн — скорость дрейфа, скорость насыщения

Рэл, Рп, Рвых, Р0 — мощности: электронная, потерь, на выходе прибора, источника питания

Rсв — сопротивление связи

С0, Ск — эквивалентная емкость резонатора, корпуса ППП

L0, Lk — эквивалентная индуктивность резонатора, корпуса

ППП

Wк, Wп, Wрас — кинетическая, потенциальная, рассеянная энергии

Х — параметр группировки τпр, τдр — время пролета электрона

θ, θдр — угол пролета электрона, угол пролета носителей

β, βm — фазовая постоянная волны в линии, то же — на гармонике m

ηк, ηэл, ηн — коэффициенты полезного действия: контура, электронный, нагрузки

Gэл, G0, Gн — активные проводимости: электронного потока, резонатора, нагрузки

μ — подвижность носителей

ϕm , ψm — фазовый набег волны на период системы на гар-

монике m

ω, ωп, ωц — круговая частота рабочая, на колебании n-вида и циклотронная

267

ЛИТЕРАТУРА

1.Электронные приборы СВЧ: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электронные приборы» / В.М. Березин, В.С. Буряк, Э.М. Гутцайт, В.П. Марин. — М.: Высшая школа, 1985. — 296 с.

2.Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ: Учебник для вузов по спец. «Электронные приборы»: В 2 т. — М.: Высшая школа, 1972.

3.Кущ Г.Г., Соколова Ж.М., Шангина Л.И. Оптоэлектронные и СВЧ-приборы и устройства. — Томск: Изд-во ТУСУР, 2003. — 452 с.

4.Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов: Учебник для вузов по спец. «Электронные приборы». — М.: Высшая школа, 1983. — 383 с.

5.Микроволновые устройства телекоммуникационных систем. Т.2: Устройства приемного и передающего трактов. Проектирование устройств и реализация систем / М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.М. Кравчук. — К.: Полiтехнiка, 2003. — 616 с.

6.Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов / Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратилов и др.; под ред. Н.Д. Федорова. — М.: Радио и связь, 2002. — 560 с.

7.Молоковский С.И., Сушков А.Д. Электронно-оптические системы приборов СВЧ. — М.-Л.: Изд-во «Энергия», 1965.— 232 с.

8.Пирс Дж. Р., Теория и расчет электронных пучков: Пер. с англ. / Под ред. М.В. Цехановича. — М.: Сов. Радио, 1956. — 228 с.

9.Тренева С.Н. Электронная пушка для формирования конусообразных потоков // Радиотехника и электроника. — 1957. —

№7.

10.Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями: Пер. с англ. / Под общей ред. М.М. Федорова:

В2 т. — М.: Изд-во «Иностранная литература», 1961. — 553 с.; 470 с.

11.Стальмахов В.С. Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями. — М.: Сов. Радио, 1963. — 365 с.

268

12.Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учеб. для вузов по спец. «Электронные приборы» — М.: Высшая шко-

ла, 1990. — 335 с.

13.Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. — М.:

Сов. Радио, 1966. — 421 с.

14.Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие систе-

мы. — Киев: 1965. — 307 с.

15.Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот: Пер. с англ. / Под. ред. Э.Я. Пастрона. — М.: Изд-во «Энергия», 1968. — 312 с.

16.СВЧ-энергетика: Пер. с англ. / В.Г. Алыбина, Э.Я. Пастрона; под ред. Э. Окресса: В 3 т. — М.: Изд-во «Мир», 1971.

17.Микроэлектронные устройства СВЧ: Учеб. пособие для радиотехнических вузов / Г.И. Веселов, Е.Н. Егоров, Ю.Н.Алехин

идр.; под ред. Г.И. Веселова. — М.: Сов. Радио, 1972. — 264 с.

18.Петров Б.Е. Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. — М.: Высшая школа, 1989. — 232 с.

19.Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ-элементов на полосковых линиях. — М.: Сов. радио, 1972.

20.Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. — М.: Высшая школа, 1981.

21.Гусятинер М.С., Горбачев А.И. Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды. — М.: Изд-во «Радио и связь», 1983.

22.Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. — М.: Радио и связь, 1982.

23.Электронные приборы СВЧ: Учеб. пособие для радиофизических и радиотехнических факультетов и специальностей вузов / Под ред. В.Н. Шевчика, М.А. Григорьева. — Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1980. — 416 с.

24.Итоги науки и техники, серия «Электроника», т. 17. —

М: ВИНИТИ, 1985. — 361 с.

269

ПРИЛОЖЕНИЕ А Основные параметры полупроводниковых

материалов при Т = 300 K

270

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Справочные данные по функциям Бесселя