Усилитель X-диапазона с выходной импульсной мощностью не менее 50 Вт

Введение

В передающих каналах аппаратуры различного назначения широко используются МИС, которые, при своих малых габаритах, имеют высокие электрические характеристики, такие как величина выходной мощности, КПД, полоса рабочих частот. Например, одна из ведущих мировых компаний Mimix рекламирует GaAs МИС XP1006 с Рвых 10 Вт при напряжении 8 В в диапазоне частот 8,5–11 ГГц. К настоящему времени отечественных МИС с необходимыми электрическими параметрами нет, импортные МИС труднодоступны из-за ограничительных мер. Альтернативным решением может являться разработка ГИС с применением элементов с высокой диэлектрической проницаемостью ε.

Исследуемая конструкция

В представленной работе требовалось создание твердотельного импульсного СВЧ-усилителя с выходной мощностью 50 Вт и коэффициентом усиления 20 дБ при напряжении стока 8 В. Выходная мощность должна быть не менее 50 Вт, при этом предъявлялись жесткие ограничения по ширине канала (9 мм) и размерам корпуса усилителя.

В основе конструкции находятся двухкаскадные усилители мощности, в первом каскаде которых используется один транзистор, а в выходном суммируется мощность четырех транзисторов «Принц 4–70». Данная конструкция выходного каскада позволяет разместить в заданном объеме четыре синфазных канала.

Разработанные нами усилительные каскады уступают МИС примерно на 30% по продольному размеру, для потребителя они не являются критичным, однако сравнимы по электрическим параметрам с МИС. Кроме того, они дешевле в разработке и изготовлении, поскольку здесь используется хорошо отработанная технология ГИС. Для согласования кристаллов транзисторов используется керамика с ε = 80. С целью уменьшения продольного размера выходная схема входного каскада согласована с входом выходного каскада без перехода на 50‑Ом линию.

Параметры делителей и сумматоров мощности были подобраны одновременно с параметрами элементов согласования затворов и стоков элементарных ячеек транзистора. Делители и сумматоры мощности вместе с согласующими цепями, реализованными на керамике БСТ (барий-самарий-титан), с проволоками разварки затворов и стоков элементарных ячеек транзистора представляют собой единую электрическую схему. Для разделения каскадов по постоянному току вместо конденсаторов применен полосовой фильтр на двух связанных микрополосковых линиях. Этот фильтр позволил подавить излишнее усиление схемы на низких частотах и обеспечить устойчивость усилителя вне рабочей полосы частот.

Проектирование выходного усилителя выполнено с помощью методов моделирования, реализованных в программном комплексе компьютерного проектирования AWR. В усилителе установлен мощный транзистор, реализованный на псевдоморфных гетероструктурах с селективным легированием. Для каждой ячейки такого транзистора разрабатывалась нелинейная модель с использованием измеренных сопротивлений истока, стока, затвора, ВАХ и S‑параметров [1]. Также на основе измеренных S‑параметров ячейки определялись параметры ее линейной эквивалентной схемы в нескольких режимах (при разных напряжениях на затворе и стоке).

Практические результаты

Полученная таким образом нелинейная модель транзистора использовалась при проектировании усилителя в целом.

После определения характеристик секции была рассчитана схема полного транзистора (рис. 1), с применением керамики из БСТ, обеспечивающей максимальную выходную мощность и минимальные размеры. В этой схеме тестировались транзисторы «Принц 4–70» различных партий.

Рис. 1. Топология тестовой схемы

Электрические характеристики транзистора показаны на рис. 2.

Рис. 2. Электрические характеристики транзистора «Принц 4-70»

На основе полученных характеристик рассчитана [2, 3] схема выходного усилителя (рис. 3).

Рис. 3. Топология двухкаскадного усилителя

На вход четырех каналов подавалась мощность от задающего каскада, который представляет собой однокаскадный усилитель с Рвых = 3 Вт на транзисторе «Принц 4–50» (рис. 4).

Рис. 4. Задающий усилитель мощности

Импульсный режим работы обеспечивается модулятором напряжения стока с четырьмя ключевыми транзисторами IRLML2244 размером 3×1,4×1,1 мм. Выбор импортной комплектации обусловлен тем, что отечественный аналог 2П7165А имеет размеры 18,6×10,7×4,8 мм, что делает его неконкурентоспособным. Модулятор расположен в дне корпуса, подключен ко всем каскадам и управляется генератором импульсов.

Рис. 5. Модулятор напряжения стока

Для уменьшения влияния нагрузки на усилитель и развязки между задающим и выходными усилителями использованы вентили ФПВН2–382 производства ОАО «ФАЗА». Внешний вид модулятора показан на рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика каналов приведена на рис. 6, выходная мощность усилителя — на рис. 7.

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика каналов

Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Суммирование мощности каналов проводилось на симметричном микрополосковом сумматоре.

Разработанный четырехканальный усилитель имеет габариты 74×89×19,5 мм (рис. 8). Потребляемая импульсная мощность: 9 В×32 А.

Рис. 8. Внешний вид усилителя

Параметры задающего импульса:

•  длительность: 1–100 мкс;
•  скважность: 6–10.

Заключение

Разработан импульсный усилитель мощности Х‑диапазона частот с Рвых не менее 50 Вт. В СВЧ-части использована комплектация АО «НПП «Исток» им. А. И. Шокина». Применение керамики с высокой ε позволило разместить усилительные каскады в заданном объеме канала и корпуса. Электрические параметры усилителя соответствуют современному мировому уровню для изделий с использованием GaAs активных элементов.