Емкость трансформатора С = 0,22 пФ выполним гребенчатого типа <рис. 5.12, б) [94]. Ширина линии = 0,94 мм, диэлектрик - поликор, h = = 1 мм, 8 = 9,6, tg6 = 10-*.

Задаемся шириной зазоса между зубцами з = 0,06 мм, а ширину зубца предварительно выбираем равной 230,12 мм. Число ячеек гребенки

т= Шо/[2(Шз +/з)) = 0,94/(2 Х(0,12 + 0,06)] 2,6. Округляем m = 2. Уточняем величину Шд, используя соотношение +/3 = Шо/2т = 0,94/4 = 0,235 мм, 3 = = 0,235 - 0,06 = 0,175 мм. Определяем длину зубца, см, [94J:

/з = (1/С) 8,85 . 10-2 (е + 1) 12А, (т - 1) + А^],

где Л1 = 0,614 (/1Яз)о.25(ц„ ,)0. 9. 0,41 + 0,775 w/l{2m - \){w-i)] да , Л, t в одинаковых единицах; С - пФ.

f 3 5 7 9 Ш„Г 10 30 SO 70 90 для г

а

Рис. 5.12. Зависимость погонной индуктивности прямолинейного ленточного проводника от его размеров (а):

/ - для г/ш=1...10; 2 - для ш = 10...I00; гребенчатый конденсатор (б)

Вычисляем Л, = 0,614 ( 1/0,06)20,175 + l) = 1,32; Ч- 0,775 175/ [(2,2 - 1) (175 + 60)1 = 0,6; = (8,85/0,22) -f 1) [2 1,32 1 + 0,6] = 0,07 см = 0,7 мм.

Структура выходной цепи показана на рис. 5.7, а:

Ai = 0,41 -Ь 10-2(9,9 +

аых = 92 О.м; С3УХ =0,16 пФ.Хвых = / С^ык Пересчитаем в последовательное соединение: R = 30,4 Ом; Х^, = - 70,2 Ом; L, = 0,9 10- Гн. Выполняем индуктивность в виде МПЛ с Zi = 200 Ом.

82,9

Тогда длина линии 1у = -- arc tg

= О.ОбЯ^ или 0,05V

Сопротивление R трансформируется этим отрезком линии в вых.тр = = 35,5 Ом., которое согласуется с Л„агр=50 Ом с'помощью четвертьволнового

(для Яв) трансформатора с параметрами /3= 0,2Uo и Z3 = 1Л35,5 50 = 42 Ом. Активное сопротивление R и волновое сопротивление 22 найдем подбором по выражению (5.12) из расчета, что на 1/Gp=l, а на рабочее затухание 1/0р = 2, так как спад усиления на октаву для выбранного транзистора равен около 4,7 дБ. Таким образом, получено: R = 85 Ом, 2 = 38 Ом. Электрическая и топологическая схемы рассчитанного усилителя и его АЧХ показаны на рис. 5.13. Усилитель выполнен с использованием МПЛ на поликоровой диэлектрической подложке толщиной 1 мм и е = 9,6. Размеры линий вычислены по формулам гл. 1 и сведены в табл. 10. Расчет выполнен для толщины напыленных проводников 10 мкм.

Пример 13. Рассчитать одиокаскадиый траичисторный усилитель на копланар ной линии с коэффициентом передачи Gp > 12 дБ на частоте /= 750 МГц Используем транзистор 2N 3570 с параметрами [115J Sn=0,277Z -59° = 0,146 - - /0,237; Si = 0,078 Z 93° = - 0,004 -f / 0,078; S = 1,92 Z 64° = 0,84 -f--b/ 1,725; 22= 0,848 Z-31° = 0,727-/0,436. По формулам (5.2), (5.13)-

Вход ia \ is

i i +

Выход

S00h ~Выход

Оси

tt tz f,rn{

Рис. 5.13. Электрическая (a) и топологическая (б) схемы одного каскада транзисторного усилителя иа полевом транзисторе и экспериментальные частотные зависимости коэффициента передачи по мощности и кoэфiфициeитa шума трех-каскадиого усилителя [141] (в)

Таблица 10

Проволока, расположенная над диэлектриком. Подбирают экспериментально. *♦ Кг = 82 Ом.

(5.23) рассчитаем As = 0,323 Z 295°. Коэффициент устойчивости К= 1,04; 5i= = 0,256. Максимальное усиление

1 по I

1,03 - 1/1,032-1 [= 19,2 или (12,8 дБ>;

Ci= (0,146 -/0,237)-0,323 Z 295°- 0,847 Z 31,6° = 0,118 Z 224°; C;-0,118Z 135,4°; = -°lgL (о.256 ± / 1,04) = 0,73 Z 135.4J Bi-=\ + 0,8478 - 0,278 - 0,323 = 1,54 > 0; С2 = 0,768 Z 324°; С* = 0,768 Z 122,6(

/2 5 129

R = fo ;эУ (1.54 ± / 1,04) = 0.951 Z 33,8<t

/5.= T

0,951 (0.02 + 0,02)

1 -0,951 0,992 (0,02+ 0,02)

1 - 0,992

1/2 1/2

±0,123 Cm; = ± 0,043 Cm.

Электрическая и топологическая схемы усилителя показаны на рис. 5.9. Чтобы длина короткозамкнутого шлейфа была не более Я/4, выбираем знак - в выражениях проводимости /64 = -0.123 См; /Bi =-0.043 См. Для частоты 750 МГц длина волны 40 см. Определим длины шлейфов в схеме:

= 1 arctg I

/ , -0.02 \

2л . 2.4 40

== 0.425 см = 4.25 мм)

-0j02\ 2л . 2.4

Гн = /в

= Г^*да; 40

Yo-Y

= 1,15 см = 11,5 мм;

yo + Y

0.02-(0,02-/0.123) о / ,аг>,

--одеТ7о;о27оЛ23)~

4л

Я (162 - 34) 40 -

= --i- = 2,96 см = 29.6 мм;

К

720 2,4

Г 0 - г 0,02 - (0,02 + / 0,043)

I- ~ Ко + ~ 0.02 + (0,02 + / 0,043)

/2 =

в

г. г

в

720°

223 - 135.4 40

2 . 4

= 2,02 см= 20.2 мм.

Для 8 = 9,6 50-омная КЛ имеет следующие размеры: w= 1 мм; s = 0,3 мм (см. гл. 1).

Коэффициент укорочения

\2а

9.6 + 1 \ /0.4/

lo.sj ,

= 2,4.

8. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ УСИЛИТЕЛЕЙ С ПТ

Рассмотрим влияние внешних условий на ПТ. Радиационная стойкость ПТ в основном зависит от действия облучения на время жизни основных носителей, которое значительно меньше, чем действие на время жизни неосновных носителей. Облучение приводит к уменьшению проводимости канала, т. е. к уменьшению тока стока и крутизны. Полевые транзисторы более стойкие к радиации, чем биполярные. Так, у ПТ с - -переходом крутизна заметно снижается при уровнях радиации IQi* элeктpoн/cм^ а у БП - при 10 электрон/см [44]. Нейтронное облучение влияет на параметры ПТ из GaAs следующим образом. Облучение быстрыми нейтронами с плотностью 5 10* нейтрон/см уменьшает крутизну вольт-амперной

характеристики на 10%. Облучение с плотностью 5* 10 нейтрон/см уничтожает большинство свободных носителей [132]. Гамма-излучение уровнем 1,2 МеВ от кобальтового источника (кобальт-60) не вызывает никаких изменений вольт-амперной характеристики. Таким образом, воздействие различных видов облучения на ПТ различно и идет по силе воздействия в следующем порядке: протонное, нейтронное, электронное, гамма-излучение.

Значительно влияет на параметры ПТ окружающая температура. Особенно заметно это влияние на величину шумовой температуры транзистора, которая в интервале температур 50-110 °С описывается выражением [132]

(5.24)

где Т - температура окружающей среды; О) - круговая частота; Сз. -емкость затвор - исток; - крутизна; у - постоянный коэффициент, определяемый экспериментально.

На рис. 5.14 показана зависимость температуры шума арсенид-галлиевых транзисторов от температуры окружающей среды. Усиление этих транзисторов уменьшается с возрастанием температуры со скоростью 0,015 дБ/°С для одного транзистора [130].

Стабильность работы усилителей на ПТ во времени AGp = = + 0,1 дБ/ч, + 0,2 дБ/день, + 0,3 дБ/нед. Данные приведены для диапазона 3,7...4,2 ГГц при Ср = 40 дБ и /Сш = 1,55 дБ.

Среднее время наработки на отказ составляет 10 ... 10* ч.

200 , 300 400 T,/f

Рис. 5.14. Зависимость температуры шума от температуры среды

Глааа 6

УСТРОЙСТВА, УПРАВЛЯЮЩИЕ МОЩНОСТЬЮ

1. требования к устройствам и ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Рассмотрим устройства, управляемые внешним электрическим полем (постоянным или непостоянным): выключатели, переключатели, многоканальные коммутаторы, аттенюаторы, модуляторы. Они управляют величиной амплитуды колебаний вследствие отражения или поглощения СВЧ энергии и по этому принципу работы делятся на два типа: проходные и отражающие. К проходным устройствам относят аттенюаторы, модуляторы, стабилизаторы; к отражающим - преимущественно переключатели, защитные выключатели и коммутаторы. Высокое быстродействие, широкополосность, малая потрляемая мощность, незначительные габаритные размеры и масса, долговеч-

ность й надежность микроэлектронных устройств управления мощностью способствовали широкому использованию их в радиотехнике. Рассмотрим только часто применяемые и перспективные щирокополос-ные устройства (А/ 20%), с остальными управляющими устройствами можно ознакомиться в книге [151.

К устройствам, управляющим мощностью, предъявляются требования по следующим параметрам: ослаблению - коэффициенту передачи устройства при прохождении управляющего тока; начальным потерям - коэффициенту передачи при отсутствии управляющего тока; скорости переключения, которая определяется временем установления и спада радиоимпульса, формируемого на выходе устройства, при подаче в схему управления импульсов управляющего тока прямоугольной формы; мощности управления - мощности, потребляемой устройством от внещнего источника напряжения (тока). Кроме перечисленных параметров, важными характеристиками являются КСВ на входе и выходе устройств при отсутствии управляющего тока и в динамическом режиме, а также допустимый уровень мощности на входе устройства. Иногда к этим устройствам предъявляются требования малости амплитудно- и фазочастотных нелинейных искажений, низкого уровня собственных щумов.

2. УПРАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В управляющих устройствах СВЧ диапазона используются разнообразные полупроводниковые элементы, которые можно разделить на три основные группы [97]: сосредоточенные, распределенные и монолитные. К сосредоточенным относятся элементы, размеры которых меньше длины волны в полупроводниковом материале и глубины проникновения СВЧ поля в него на рабочей частоте при отсутствии и наличии управляющего электромагнитного поля. У распределенного и монолитного элементов размеры соизмеримы с рабочей длиной волны. К первой группе элементов относятся полупроводниковые приборы, работающие на основе контактных явлений, например p-t-n-диоды (для диапазона волн с А, > 2 см); к последующим группам - приборы, использующие некоторые явления в объемных полупроводниках (например, фотоинжекции).

В основе создания всех управляемых элементов лежат три типа физических явлений: ударная ионизация, контактная инжекция и фотоинжекция. Все эти явления изменяют электропроводные свойства полупроводникового материала, т. е. создают в собственном (высокоомном) полупроводнике высокую концентрацию электронно-дырочной плазмы и таким образом превращают объем материала из диэлектрической среды в проводящую среду. На взаимодействии изменяющейся плотности плазмы полупроводника с СВЧ колебаниями и осуществляется управление СВЧ энергией.

Ударнаг ионизация может использоваться в ограничителях и устройствах защиты от высоких уровней мощности, в других же микроэлектронных устройствах управления мощностью ее не ис-110льзуют, так как это явление протекает в большинстве полупровод-

пиков при очень высоких напряженносТях электрического поля (порядка десятков или сотен киловольт на сантиметр), что неудобно при управлении.

Контактная иноюекция наиболее широко используется в устройствах управления мощностью. В этом случае два вырожденных перехода с противоположным типом проводимости обеспечивают контактный источник первичных носителей. Когда такие контакты смещены в прямом направлении, то и электроны, и дырки инжектируются отдельно, их дрейф и диффузия продолжаются до тех пор, пока объемный заряд не станет нейтральным, т. е. пока не образуется двухком-понентная плазма. На основе этого явления работают как p-t-n-диоды

г

Рис. 6.1. Эквивалентные схемы диода:

а - 3 общем виде; б - для открытого ооетояиия (Л^х е. г - для закрытого состояния с последовательным и параллельным соедииеиняии емкости перехода Су и сопротивления закрытого диода (Лзак зак =/©CyiJiaK); - сопротивление, последовательно включенное о активной областью днода; - нелинейное сопротивление диода, созданное в основном за счет изменения проводимости i-области прн подаче на

диод смещения

[27], так и специально создаваемые полупроводниковые элементы имеющие большие размеры и являющиеся одновременно и пассивной частью всего устройства, которые могут управлять большими величинами СВЧ модности. В микроэлектронике они представляют часть подложки с нанесенными на ней контактами (с переходами) специальной конфигурации и являются распределенными элементами. В вол-новодной технике на этом явлении создано кремниевое СВЧ окно для переключателя [144].

Основной элемент управления амплитудой СВ Ч колебаний - p-i-n-диод (рис. 6.1). Эти диоды характеризуются толстой высоко-омной областью (базой), которая позволяет при достаточно большой площади перехода получить малую емкость самой полупроводниковой структуры. Большая площадь перехода и значительный объем высокоомной области определяют важнейшую особенность p-t-n-дио-дов: характеристики р-/-п-диодов не зависят от падающей на диод СВЧ мощности (вплоть до нескольких ватт в режиме непрерывной генерации). При изменении управляющего тока активное сопротивление высокоомной области p-t-n-диода изменяется в 10 раз: и более. Эти диоды включают последовательно с линией передачи