Автогенераторы СВЧ и миллиметрового диапазонов

Лекция 11. Автогенераторы СВЧ и миллиметрового  диапазонов

Прогресс в области освоения сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн во многом объясняется развитием элементной базы СВЧ диапазона. Для получения больших мощностей (десятки киловатт в непрерывном режиме) успешно применяются лампы бегущей волны,  пролетные клистроны, магнетроны и их разновидности [4.12].

Для радиосистем, требующих относительно небольших мощностей (милливатты - десятки ватт), на частотах  от 10 до 100 ГГц используются полупроводниковые приборы СВЧ: биполярные и полевые транзисторы, лавинно-пролетные диоды (ЛПД), диоды Ганна. Интенсивное развитие средств мобильной связи и навигации, а также спутниковых радиосистем стимулировало развитие полупроводниковых приборов СВЧ диапазона.

Биполярные транзисторы, обладающие широкой рабочей полосой частот, эксплуатируются вплоть до частоты в 20 ГГц, но на частотах выше 10 ГГц их мощность  не превышает несколько ватт и их потеснили более мощные полевые транзисторы. Полевые транзисторы обладают большей широкополосностью по сравнению с биполярными, так как не имеют ограничения частоты снизу. У биполярных СВЧ транзисторов это ограничение вызвано уменьшением надежности транзисторов при работе на низких частотах из-за роста коэффициента усиления.

В название кремниевых полевых транзисторов обычно вводят обозначение их структуры: МОП  (металл - двуокись кремния - полупроводник) либо МДП (металл - диэлектрик - полупроводник). Применение затвора с барьером Шотки (металл-полупроводник) повышает высокочастотные свойства полевых транзисторов. Для уменьшения потерь в таких структурах часто применяют в качестве полупроводника арсенид галлия.

В [4.7] предложено рассматривать полевой транзистор как управляемый полем резистор. С ростом тока через резистор он греется, растет его сопротивление и происходит саморегулирование тока стока. Наличие этого эффекта позволяет включать полевые транзисторы параллельно без дополнительных мер по выравниванию параметров транзисторов. Также не требуются специальные меры защиты полевых транзисторов от перегрева, поскольку они обладают эффектом  самостоятельной терморегуляции.

Отличительными чертами мощных биполярных СВЧ транзисторов являются:

-  высокая добротность входных и выходных сопротивлений при низких их действительных частях;

-  низкие коэффициенты усиления (3-7 дБ на верхней частоте), сильно зависящие от частоты;

-  резкая чувствительность к изменениям нагрузки.

Схемные решения автогенераторных устройств СВЧ совпадают со схемами обычных трехточечных ВЧ генераторов, но отличаются максимальной простотой, что связано с желанием разработчиков минимизировать возможные побочные емкости и индуктивности монтажа. Часто конструкции на СВЧ транзисторах размещают в экранированных и герметизированных пространствах для дополнительной стабилизации влияния внешних факторов.

За счет индуктивности общего вывода в схеме с общим эмиттером возникает отрицательная обратная связь, а в схеме с общей базой она положительная, что позволяет достигать приемлемых коэффициентов усиления. Поэтому практически на частотах выше 2 ГГц все мощные транзисторы (кроме специально предназначенных для автогенераторов) имеют конструкцию корпуса, приспособленную для работы по схеме с общей базой. Но в схеме с общей базой из-за положительной обратной связи через индуктивность общего вывода ухудшается стабильность характеристик при флуктуации нагрузки. В узкой полосе частот от этого можно избавиться, включая последовательно с индуктивностью вывода конденсатор [4.4], а в широкой полосе частот этого достичь не удается.

Расчеты транзисторных СВЧ усилителей и автогенераторов требуют анализа сложной эквивалентной схемы транзистора и расчета топологии входных и выходных цепей связи. Инженерные методики расчетов приведены в приложениях П.5, П.6. Ввиду сложности расчетов их выполняют, как правило,  с помощью вычислительной техники, выбирая структуру цепей согласования исходя из опыта и интуиции разработчика. При проектировании устройств СВЧ на транзисторах необходимо считаться с разбросом параметров транзисторов, особенно ощутимым на СВЧ, поэтому при расчетах следует использовать статистические методы оптимизации.

При проектировании ГВВ и транзисторных автогенераторов для работы на частотах ниже 300 МГц используют упрощенную эквивалентную схему транзистора, что существенно ускоряет анализ и синтез схемных решений. Как правило, на этих частотах применяют сосредоточенные емкости без ножек, впаиваемые прямо в платы, и разработка топологии каскада также упрощается. Однако без макетирования и последующей оптимизации конструкции практически не обходится ни одна разработка устройств на частоты выше нескольких десятков мегагерц.

Следует дополнительно остановить внимание на выборе материала диэлектрика для плат устройств. На частотах выше 300 МГц ощутимо проявляется рост потерь в диэлектриках и неоднородность диэлектрической проницаемости по поверхности стеклотекстолита, широко используемого в радиотехнике. Поэтому на СВЧ необходимо применять специальные материалы, имеющие меньшие потери: ФАФ, ФАФ-4, ФЛАН, Поликор, керамику. Выбор материала при этом зависит не только от цены, вида проектируемой аппаратуры и условий ее применения, но и от имеющейся у изготовителя технологии производства, так как обработка таких материалов требует специального оборудования.