Усилители мощности диапазона СВЧ

В работе [5] показано, что коэффициент усиления мощности усилителя, включенного на биполярном транзисторе по схеме ОЭ, существенно падает с ростом частоты, начиная с частот, равных сотням мегагерц:

где Ь_э — индуктивность эмиттерного вывода транзистора.

Для достижения максимального К_р на определенной частоте требуется применить режим, А и выбрать транзистор с большой граничной частотой f_t и малой индуктивностью вывода эмиттера. Как видим, в диапазоне СВЧ произведение K_pf² есть величина постоянная.

Физической причиной снижения К_р с ростом частоты в схеме ОЭ является, как очевидно из (6.22), существование индуктивности эмиттерного вывода Ь_э, т. е. вывода общего для входной и выходной цепей усилителя. Влияние Ь_э поясняет рис. 6.15.

Рис. 6.15. Влияние индуктивности Ь_э на коэффициент усиления мощности.

Через индуктивность Ь_э протекает эмиттерный ток с комплексной амплитудой первый гармоники.

где /_Б1 = mQ_x — комплексная амплитуда тока базы; /_К1 — комплексная амплитуда коллекторного тока, она определяется выражением (6.19). На индуктивности Ь_э создается напряжение.

В результате для коллекторной цепи усилителя индуктивность эквивалентна некоторому комплексному сопротивлению.

Подставляя (6.23) и (6.24) в (6.25), учитывая выражения для /_Б1 и /_К1 и полагая, что 0 = 180°, т. е. у, (0) = 1, получаем.

Следовательно, для выходной цепи усилителя индуктивность Ь_э играет роль негатрона, т. е. элемента цепи, у которого действительная часть импеданса отрицательна. Это означает, что индуктивность Ь_э отдает энергию колебаний в коллекторную цепь.

Сопротивление индуктивности для входной цепи найдем по формуле.

Подставив соответствующие выражения, получим.

Действительная часть комплексного сопротивления индуктивности для входной цепи положительна, т. е. индуктивность потребляет энергию колебаний, существующих во входной цепи усилителя.

Таким образом, благодаря индуктивности Ь_э энергия источника колебаний переходит на выход усилителя, минуя активную часть транзистора, т. е. без усиления.

Входная мощность, потребляемая транзистором из-за наличия у него индуктивности Ь_э,.

Мощность, передаваемая через Zg в выходную цепь,.

Следовательно, P_Lm = Р_1ъых, и эта мощность пропорциональна квадрату частоты, что и объясняет формулу (6.22). В результате усилители мощности на биполярных транзисторах, включенных по схеме ОЭ, на частотах > 1ГГц имеют весьма малый коэффициент усиления.

На частотах до ~40 ГГц в качестве активного элемента усилителя применяют арсенидгалиевые полевые транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки, а на еще более высоких частотах — транзисторы GaAs с затвором в виде гетероперехода.

Максимальная частота колебаний, мощность которых способен увеличивать транзистор, не больше граничной частоты f_t. Граничную частоту можно определить как величину, обратную времени пролета носителями заряда длины базы транзистора /:

где я_др — дрейфовая скорость носителей заряда. Как известно, в полупроводниках

где р — подвижность носителей заряда; Е — напряженность электрического поля.

Как следует из (6.26) и (6.27), для того чтобы увеличить f_t, нужно уменьшать длину базы /, повышать напряженность электрического поля Е и применять полупроводники с большой подвижностью носителей заряда. Возможность уменьшения / ограничивается технологическими причинами; увеличение напряженности Е связано с опасностью пробоя.

Подвижность носителей заряда в наиболее часто применяемых полупроводниках — германии, кремнии и арсениде галлия приведена в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Подвижность в поле, см2/В-с.	Материал.
	Ge.	Si.	GaAs.	Структура GaAs — AlGaAs.
				10 000.
				;

Примечание. Здесь р_п — подвижность электронов; р_/; — подвижность дырок.

Из табл. 6.2 следует, что сверхвысокочастотные транзисторы, предназначенные для усиления колебаний частот в десятки гигагерц, должны быть изготовлены из арсенида галлия, причем носителями заряда должны быть электроны.

Когда частота усиливаемых колебаний приближается к граничной частоте f_t, то период колебаний становится соизмеримым с временем пролета носителей заряда через активный элемент. При этом нарушаются оптимальные фазовые соотношения между колебаниями управляющего напряжения на базе, коллекторного тока и коллекторного напряжения. В результате резко снижаются выходная мощность и КПД усилителя.

В диапазоне СВЧ размеры конденсаторов и катушек индуктивности становятся соизмеримыми с длиной волны усиливаемых колебаний, и их нужно рассматривать как отрезки линии передачи. При этом конденсатор может проявлять себя как индуктивность, а катушка — как емкость в зависимости от отношения —, где / — размер элемента; X — длина волны. ^.

По этой причине на СВЧ в качестве согласующих цепей используются отрезки линий передачи, как правило, микрополосковых.

Допустим, имеется линия передачи длиной / и волновым сопротивлением р, нагруженная на комплексную проводимость Y_H. Входная проводимость этой линии может быть рассчитана по формуле.

где Y' = Y_up — нормированная проводимость нагрузки;

В = — — волновое число. В зависимости от отношения — ^Н X I

изменяются действительная и мнимая части Ё_вх.

Если требуется согласовать, например, комплексную входную проводимость транзистора У_тр с внутренним сопротивлением источника колебаний, имеющим чисто резистивный характер R_llCT, то согласующую цепь можно построить таким образом, как показано на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Согласующая цепь усилителя СВЧ.

Обычно внутреннее сопротивление источника устанавливается равным стандартному значению волнового сопротивления линии р. Как правило, р = 50 Ом. Таким образом, задача согласования сводится к тому, чтобы входное сопротивление линии в месте включения источника было равно 50 Ом.

С этой целью отыскивается сечение А, расположенное на расстоянии / от транзистора, в котором проводимость.

линии имеет действительную часть, равную — :

Р где В_А — мнимая часть проводимости в сечении А. Для компенсации мнимой части В_А параллельно основной линии включают отрезок линии, разомкнутой на конце, так называемый шлейф длиной /_ш.

Входная проводимость «шлейфа» может быть расчитана по формуле (6.28) при подстановке туда Y' = О.

Длину «шлейфа» можно найти из соотношения.

В результате отрезок линии от источника до сечения, А оказывается нагруженным на сопротивление, равное волновому, и в этом отрезке устанавливается режим бегущих волн. Это означает, что входное сопротивление отрезка, а следовательно, и всей согласующей цепи равно волновому.

Возможны и другие варианты построения согласующих цепей на отрезках линий.