CC BY
66
УДК 621.375.4
В.А. Коломейцев, А.В. Езопов
КОРРЕКТИРОВКА ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ СВЧ-ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ В X-ДИАПАЗОНЕ
Описан цикл разработки усилителя мощности Х-диапазона. Проведена корректировка параметров эквивалентной схемы СВЧ-полевого транзистора. Приведены сравнительные графики теоретических и экспериментальных частотных зависимостей параметров усилителя до и после корректировки. Предложен способ нахождения уточненной модели усилителя мощности.
Усилитель мощности Х-диапазона, полевой транзистор, проектирование монолитных интегральных схем.
VA. Kolomeitsev, А^. Ezopov
THE ADJUSTMENT OF EQUIVALENT CIRCUIT PARAMETERS OF THE FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH SHOTTKY GATE FOR THE DEVELOPMENT OF X-BAND POWER AMPLIFIER
The article describes the development cycle of Х-band power amplifier. Adjustment of the equivalent circuit parameters of field- effect transistor are carried out here. Diagrams considering theoretical and experimental frequency dependence of amplifier parameters before and after adjustment and also a method for finding more accurate model of power amplifier are given in the article below.
X-band power amplifier, field-effect transistor, monolithic integrated circuits designing.
Увеличение функциональности, повышение надежности и снижение стоимости элементной базы - это актуальные проблемы современной радиоэлектроники СВЧ-диапазона. Использование в многофункциональных модулях СВЧ-диапазона, применяемых как для систем космической связи, так и для систем современной радиолокации, монолитных интегральных схем позволяет существенно снизить их габариты и увеличить функциональность. А упрощение цикла проектирования устройств существенно снижает конечную стоимость аппаратуры. Миниатюризация модулей достигается за счет переноса согласующих цепей и пассивных элементов непосредственно на кристалл арсенида галлия. Увеличение же функциональности достигается за счет повышения интеграции элементов в кристалл и, как следствие, кристаллов в модули.
Эффективным способом достижения высокого энергетического потенциала узлов радиоэлектронной аппаратуры для бортовой аппаратуры космических систем связи и наземной аппаратуры переносного и передвижного исполнения является применение в ней полупроводниковых мощных СВЧ-усилителей.
Для создания таких усилителей мощности необходимы современная производственная база и точный расчет топологии кристалла. Расчеты выходных характеристик усилителей мощности по используемой в практике эквивалентной схеме полевого транзистора с затвором Шоттки (ПТШ) дают завышенные параметры по сравнению с достигнутыми результатами на изготовленных образцах.
Целью данной работы являлось уточнение параметров эквивалентной схемы СВЧ-транзисторного усилителя мощности для обеспечения более точного проектирования усилителей СВЧ, снижения конечной стоимости продукции, повышения процесса выхода годных изделий.
Проектирование усилителя мощности проводилось с использованием пакета программ Microwave Office (MWO) в три этапа:
1. Построение схемы с одним ПТШ для оценки возможности реализации заданных характеристик и подборки входного и выходного импеданса.
2. Построение принципиальной схемы на модели нашего транзистора и идеальных пассивных элементах согласования.
3. Построение топологической схемы с использованием моделей полосков и МДМ конденсаторов, рис. 1.
Разработанный усилитель мощности изготовлен на производственной базе ЗАО НПЦ «Алмаз-Фазотрон».
Изготовленный усилитель мощности имеет размеры 2,2х3,9 мм.
После изготовления усилителя мощности и снятия частотных характеристик выходной мощности и коэффициента усиления было проведено сравнение теоретических и экспериментальных данных. Результаты этого сравнения представлены на рис. 2 и 3.
1400
1200
1000
н
СП
£ 800
"2 ш Cl 600
400
200
0
т _ ч
. X— /
у / 4 V
/ 1
Рис. 2. Теоретические (без маркеров) и экспериментальные (с маркерами) зависимости Рвых от частоты при различных значениях Рвх
30 мВт 75 мВт 150 мВт 300 мВт 300 мВт 150 мВт 75 мВт 30 мВт
Рис. 1. Схема усилителя топологическая
30 мВт 75 мВт 150 мВт 300 мВт 300 мВт 150 мВт 75 мВт 30 мВт Г, ГГц
Рис. 3. Теоретические (без маркеров) и экспериментальные (с маркерами) зависимости Ку от частоты при различных значениях Рвх
На приведенных графиках (рис. 2 и 3) видно, что экспериментальные результаты не совпадают с теоретическими и чем больше уровень входного сигнала, тем больше
расхождение. При Рвх = 30 мВт Ку отличается менее чем на 1 дБ, а Рвых - менее чем на
40 мВт. При Рвх = 300 мВт Ку отличается более чем на 2 дБ, а Рвых - более чем на 400 мВт.
Расхождение расчетных и измеренных величин может быть связано как с неточностями измерений, так и с неточностями используемой модели усилителя мощности. Для измерений использовалась поверенная аппаратура М3-51, которая обеспечивает погрешность измерений не более 0,4%, следовательно, основная причина расхождения теоретических и экспериментальных данных заключается в неточности модели, использованной для расчета.
Попробуем уменьшить указанное различие путем подбора параметров модели. Даже небольшое изменение этих величин очень сильно влияет на характеристики усилителя. Методом подбора удалось приблизить результаты расчетов к экспериментальным так, что расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышало 5% (рис. 4, 5).
1400
1200
1000
н
СО
г 800
о-“ 600
400 200 о
Рис. 4. Теоретические уточненные (без маркеров) и экспериментальные (с маркерами) зависимости Рвых от частоты при различных значениях Рвх
♦ 30 мВт
—■— 75 мВт —*— 150 мВт
------ 300 мВт
------ 300 мВт
— — 150 мВт
— . - 75 мВт
___ . 30 мВт
ГГц
30 мВт 75 мВт 150 мВт 300 мВт 300 мВт 150 мВт 75 мВт 30 мВт
Рис. 5. Теоретические уточненные (без маркеров) и экспериментальные (с маркерами) зависимости Ку от частоты при различных значениях Рвх
Таким образом были найдены уточненные параметры модели ПТШ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проектирование монолитного усилителя мощности диапазона 8-12 ГГц с помощью программ автоматизированного синтеза / Ф.И. Шеерман, Л.И. Бабак, А.А. Баров, В.А. Вьюшков // Электронные средства и системы управления: сб. докл. конф. Томск: ТГУ, 2005. С. 115-118.
2. Справочное руководство пакета программного моделирования MWO, каталог элементов. http://web.awrcorp.com/Usa/Products/Microwave-Office/
3. Кищинский А.А. Комплекс программных средств для быстрого получения нелинейных моделей ПТШ на основе измерений Б-параметров и импульсных вольт-амперных характеристик / А.А. Кищинский, Б.Б. Надеждин, Е.А. Свистов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 8-й Междунар. Крымской конф. Севастополь, 1998. С. 362-365.
4. Метод автоматизированного определения параметров линейной модели СВЧ-
полевого транзистора / А.А. Кищинский, Б.Б. Надеждин, Е.А. Свистов, Н.В. Шульга // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 10-й Междунар.
Крымской конф. Севастополь, 2000. С. 56-58.
Коломейцев Вячеслав Александрович
доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета
Kolomeitsev Vyacheslav Aleksandrovich
Doctor of Technical Science,
Professor of the Department
of «Radio Engineering»
of Saratov State Technical University
Езопов Андрей Владимирович -
аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета
Ezopov Andrey Vladimirovich -
Postgraduate Student of the Department
of «Radio Engineering»
of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 18.03.10, принята к опубликованию 30.06.10
