Широкополосные малошумящие усилители VHF–C-диапазона частот

Введение

Малошумящие усилители играют важнейшую роль в приемных модулях. Как критическому компоненту в широко­полосных приемниках, МШУ необходимо иметь широкую полосу рабочих частот, низкий коэффициент шума, высокий коэффициент усиления с низкой неравномерностью по частоте. В современной радиоэлектронной аппаратуре СВЧ-диапазона широкое применение нашли МШУ на GaAs ПТШ.

В условиях жесткой конкуренции на международном рынке высокотехнологичной продукции и сильной зависимости радиоэлектронной отрасли от ЭКБ зарубежного производства, в России была запущена программа импортозамещения. АО «НПП «Исток» им. Шокина» был исполнителем в работе, целью которой явилась разработка и освоение производства МШУ VHF-С‑диапазона частот.

В рамках выполненной работы создан широкий перечень МШУ, по совокупности параметров соответствующий более чем 50 зарубежным аналогам.

В статье представлена часть результатов, полученных в рамках реализованного проекта, а именно рассмотрены результаты разработки трех типов отечественных широкополосных мало­шумящих усилителей, действующих в диапазоне частот 50 МГц — 6,2 ГГц. Каждый тип МШУ имеет два вида реализации: первый — кристалл монолитной интегральной схемы (МИС); второй — герметизированная схема в корпусе для поверхностного монтажа (SMD-корпус).

Конструкция малошумящих усилителей

Важным требованием к разрабатываемым усилителям стало получение широкой мгновенной полосы частот с малой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в совокупности с малым коэффициентом шума. Малошумящие усилители реализованы в виде каскодной схемы на ПТШ с параллельной и последовательной обратными связями и диссипативными согласующими и трансформирующими цепями (рис. 1). Каскодная схема c обратными связями включения позволяет добиться высокого коэффициента усиления, широкой полосы частот и безусловной устойчивости схемы. Последовательная обратная связь повышает устойчивость схемы. Параллельная обратная связь совместно с согласующими и трансформирующими цепями обеспечивает согласование импедансов транзисторов и выравнивание АЧХ. Выбор ширины затвора ПТШ и его рабочей точки и согласование были нацелены на получение наименьшего коэффициента шума.

Рис. 1. Принципиальная схема малошумящих усилителей

Малошумящие усилители согласованы для работы в 50‑омном тракте. Монолитные интегральные схемы спроектированы и изготовлены на базе технологического процесса GaAs pHEMT с длиной затвора 0,1 мкм, реализованного в АО «НПП «Исток» им. Шокина». Все три типа МШУ выполнены как отдельные МИС, так и в герметизированном корпусе для поверхностного монтажа. Следует отметить, что первый и третий тип МШУ реализованы в двух видах герметичных корпусов: первый — металлокерамический корпус на основе высокотемпературной алюмооксидной керамики; второй — алмазный корпус на основе поликристаллической алмазной пленки (ПАП) [1].

Экспериментальные результаты

Результаты измерений электрических параметров малошумящих усилителей представлены на рис. 2–4. Измерения параметров кристаллов МШУ проводились с помощью зондовой станции. Измерения параметров МШУ в корпусе SMD проведены с помощью как зондовой станции, так и специально разработанных тестовых оснасток.

Рис. 2. Параметры МШУ первого типа: М421409 (кристалл) и М421427 (SMD-корпус)
а) МШУ в корпусе SMD (вверху — корпус на основе ПАП, внизу — металлокерамический)
б) S-параметры
в) Коэффициент шума
г) Выходная мощность при компрессии коэффициента усиления на 1 дБ

МШУ первого типа работает в диапазоне частот 0,05–4 ГГц. В полосе частот коэффициент усиления составляет 20 дБ, коэффициент шума не превышает 1,2 дБ на частотах 0,05–4 ГГц. Выходная мощность при компрессии 1 дБ свыше 17 дБм. Ток потребления МШУ составляет 100 мА при напряжении питания +5 В/–5 В. Габаритные размеры кристалла 1,4×1×0,1 мм. Габаритные размеры МШУ в герметичном корпусе 4×4×1,26 мм.

МШУ второго типа функционирует в диапазоне частот 0,05–4 ГГц. Особенностью данной схемы является то, что кристалл выполнен со встроенным электронным ключом, поддерживающим возможность отключения МШУ и коммутации входа усилителя к выходу с обеспечением согласованного режима работы на линию с волновым сопротивлением 50 Ом. Управление ключом осуществляется с помощью двух выводов управления. Напряжение логической «1» равно 0 В, напряжение логического «0» равно –5 В. На рис. 3а представлена фотография МШУ в корпусе SMD, смонтированного в тестовую оснастку. Габаритные размеры кристалла 1,7×1,85×0,1 мм, МШУ в герметичном корпусе 5×5×1,26 мм. Коэффициент усиления превышает 20 дБ. При работе схемы на 50‑омную линию потери на проход не более –3 дБ. Коэффициент шума не более 1,2 дБ на частотах 0,5–4 ГГц. Выходная мощность при компрессии 1 дБ составляет 17 дБм. Ток потребления достигает 90 мА при напряжении питания +5 В/–5 В.

Рис. 3. Параметры МШУ второго типа: М421423 (кристалл) и М421429 (SMD-корпус)
а) Фотография тестовой оснастки МШУ второго типа в корпусе SMD
б) S-параметры
в) Режим работы МШУ на проход
г) Коэффициент шума
д) Выходная мощность при компрессии коэффициента усиления на 1 дБ

МШУ третьего типа работает в диапазоне частот 0,5–6,2 ГГц. На рис. 4а представлен внешний вид МШУ в сборке корпуса. Габаритные размеры кристалла 1,3×1×0,1 мм. Габаритные размеры МШУ в герметичном корпусе 4×4×1,26 мм. Результаты измерений электрических параметров МШУ показывают, что коэффициент усиления составляет 17 дБ и имеет неравномерность менее 0,5 дБ. Коэффициент шума не превышает 2 дБ. Выходная мощность при компрессии 1 дБ не менее 17 дБм. Ток потребления МШУ составляет 40 мА при напряжении питания +5 В/–5 В.

Рис. 4. Параметры МШУ третьего типа: М421425 (кристалл) и М421431 (SMD-корпус)
а) Фотография кристалла МШУ третьего типа в корпусе
б) S-параметры
в) Коэффициент шума
г) Выходная мощность при компрессии коэффициента усиления на 1 дБ

В таблице представлено сравнение типичных электрических параметров разработанных МШУ в корпусе SMD и зарубежных аналогов. Отечественные аналоги с похожими параметрами отсутствуют. Оценка характеристик аналогов проведена на основе открытой технической документации на изделия. Из таблицы видно, что по совокупности параметров разработанные МШУ имеют исключительные электрические характеристики, сравнимые с мировыми аналогами.

Изготовленные в рамках данного проекта опытные образцы МШУ прошли испытания при воздействии внешних и специальных факторов и на соответствие требованиям надежности. В результате испытаний установлено, что разработанные изделия выдерживают максимальные уровни воздействия механических и климатических факторов, соответствующих группе унифицированного исполнения 6У по ГОСТ РВ 20.39.414.1–97. После воздействия специальных факторов МШУ сохраняют значения параметров в пределах норм. Испытания на безотказность показали, что гамма-процентная наработка до отказа Тγ с вероятностью γ = 95% превышает 150 000 ч в пределах срока службы 25 лет при температуре эксплуатации не более +65 °C.

Таким образом, подтверждено экспериментально, что разработанные МШУ удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ЭКБ для аппаратуры специального назначения, в том числе и для космического применения [6].

Заключение

В статье представлены результаты разработки ряда широкополосных малошумящих усилителей, работающих в диапазоне 0,05–6,2 ГГц. Все три типа описанных МШУ построены по каскодной схеме с диссипативными согласующими и трансформирующими цепями. МШУ имеют два вида исполнения — монолитная интегральная схема (МИС) и герметичный корпус для поверхностного монтажа (SMD). Кристаллы МШУ выполнены по технологии GaAs pHEMT 0,1 мкм, реализованной в АО «НПП «Исток» им. Шокина». Разработанные МШУ обеспечивают широкую рабочую полосу частот в совокупности с низкой неравномерностью коэффициента усиления и малым коэффициентом шума.