Транзисторний підсилювач нвч діапазону

Реферат: Транзисторний підсилювач НВЧ діапазону містить діелектричну пластину із друкованими провідниками на її лицевій і зворотній сторонах; містить n ідентичних надвисокочастотних польових (біполярних) транзисторів, встановлених на лицевій стороні пластини і з'єднаних із згаданими друкованими провідниками на цій стороні пластини; пластина встановлена між широкими стінками прямокутного хвилеводу так, що її площина паралельна вузьким стінкам хвилеводу. Діелектрична пластина складається із двох шарів, так що міжшарова поверхня містить шар металізації, яка виконана суцільною; друковані провідники на лицевій стороні пластини виконані у вигляді двох, першої та другої, мікросмужкових ліній, розташованих одна за одною з віссю, паралельною до осі прямокутного хвилеводу; перша і друга мікросмужкові лінії у частинах, прилеглих до торців діелектричної пластини, закінчуються розімкненими на кінцях провідниками, спрямованими до широких стінок хвилеводу; металізація на міжшаровій поверхні у цих частинах видалена; із кінців, протилежних до згаданих частин пластини, перша і друга мікросмужкові лінії під'єднані до провідників, ширина яких збільшується, утворюючи провідні сектори, до кінців яких під'єднані n коротких відрізків мікросмужкових ліній. UA 80842 U (54) ТРАНЗИСТОРНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ НВЧ ДІАПАЗОНУ UA 80842 U UA 80842 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до монтажних схем транзисторних підсилювачів потужності сантиметрового і міліметрового діапазонів довжин хвиль. Найбільш близькою по суті до запропонованої корисної моделі є конструкція підсилювача (Angelos Alexanian, Robert A. York Waveguide-based spatial power combining array and method for using the same. United States Patent № 5,736,908 від April 7, 1998), що містить ряд ідентичних металізованих діелектричних пластин, які встановлені між широкими стінками прямокутного хвилеводу вздовж його осі, а площини пластин паралельні вузьким стінкам цього хвилеводу. Металізація кожної із діелектричних пластин виконана двосторонньою. У областях, прилеглих до торців кожної діелектричної пластини, з лицевої сторони металізація виконана у вигляді поздовжньо орієнтованих провідників, що звужуються до торців пластини, перший із яких розташований симетрично відносно двох інших, що мають гальванічні контакти із протилежними широкими стінками хвилеводу. Металізація із зворотної сторони кожної пластини виконана суцільною за винятком областей, прилеглих до торців. Таким чином, металізація на лицевій і зворотній сторонах пластини в областях, прилеглих до її торців, утворює плавні переходи від прямокутного хвилеводу до двох (першої і другої), ізольованих одна від одної, мікросмужкових ліній (МСЛ) із осями, паралельними повздовжній осі хвилеводу. При цьому перехід, розташований в області одного із торців платини, слугує входом підсилювача потужності, а розташований в області другого торця - його виходом. Між МСЛ, прилеглими до входу підсилювача і його виходу на кожній із пластин встановлені по два польові (біполярні) транзистори так, що заслін (база) першого транзистора під'єднаний до першої з МСЛ, заслін (база) другого транзистора - до другої з МСЛ, прилеглих до входу підсилювача, в той час як стік (колектор) першого і другого транзистора під'єднані до, відповідно, першої і другої МСЛ, що прилягають до виходу підсилювача. Використання паралельно встановлених пластин із транзисторами, а також встановлення двох транзисторів на кожній пластині дозволяє зменшити НВЧ потужність на кожному активному елементі і досягти високої лінійності підсилення у кожному з них. Крім того, як згадане розділення потужності на вході підсилювача, так і сумування потужності на його виході реалізоване не за традиційною використовуваною із цією метою схемою у вигляді каскадного включення великої кількості подільників потужності кожний (зазвичай на два канали), а за схемою просторового поділення-сумування потужностей, в якій практично виключаються втрати подільників/суматорів, а також покращується ідентичність фаз сигналів у парціальних каналах підсилення. Наведена конструкція має ряд недоліків: використання із метою просторового розділення/підсумовування потужності декількох фактично незалежних пластин суттєво ускладнює і здорощує конструкцію, а також погіршує її електричні характеристики. Останнє відбувається внаслідок невідворотно нерівномірного збудження хвиль у окремих пластинах. Це погіршує амплітудні характеристики підсилювача, зменшуючи рівень вихідної потужності насичення, а також зменшує коефіцієнт підсилення внаслідок неконтрольованого фазового зсуву сигналів у парціальних підсилювачах пристрою. Погано контрольоване у конструкції взаємне положення пластин фактично обмежує частотний діапазон використання конструкції частотами сантиметрового діапазону довжин хвиль, оскільки із зростанням частоти вплив неточностей у взаємному розташуванні окремих підсилювачів зростає. Негативний внесок до сумарного коефіцієнта підсилення підсилювача зумовлений також і конструкцією вхідних і вихідних вузлів підсилювача у вигляді довгих плавних переходів, які на частотах сантиметрового і міліметрового діапазонів мають значні втрати. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення транзисторного підсилювача потужності НВЧ діапазону, в якому за рахунок використання запропонованої конструкції схеми просторового складання потужностей, реалізованій на одній діелектричній пластині, досягається покращення амплітудної характеристики підсилювача, розширюється частотний діапазон його використання, а також спрощується його конструкція. Поставлена задача вирішується тим, що транзисторний підсилювач НВЧ діапазону містить діелектричну пластину, лицева та зворотна сторони якої містять друковані провідники. Підсилювач містить ряд із n ідентичних польових (біполярних) транзисторів, що встановлені на лицевій поверхні пластини і з'єднані із згаданими провідниками на цій поверхні. Діелектрична пластина встановлена між широкими стінками прямокутного хвилеводу вздовж його осі посередині широких стінок так, що площина пластини паралельна вузьким стінкам згаданого хвилеводу. Друковані провідники на лицевій стороні пластини виконані у вигляді двох, першої та другої, розташованих одна за одною, мікросмужкових ліній із віссю, паралельною до осі прямокутного хвилеводу. Кожна із згаданих мікросмужкових ліній у областях, прилеглих до торців діелектричної пластини, закінчується відрізком розімкненого на кінці і спрямованого до широкої стінки хвилеводу провідника. Діелектрична пластина виконана двошаровою, причому 1 UA 80842 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 міжшарова поверхня містить шар металізації, яка виконана суцільною за винятком областей, прилеглих до торців пластини, де вона видалена так, щоб згадані відрізки провідників на кінцях першої і другої мікросмужкових ліній знаходилися поза її проекцією на лицеву поверхню пластини. Перша та друга мікросмужкові лінії зі сторін, протилежних до торців пластини, містять секції, в яких ширина провідника мікросмужкової лінії збільшується, формуючи провідники у вигляді секторів, на кінці яких містяться по n коротких відрізків мікросмужкових ліній, за шириною ідентичних першій та другій мікросмужковій лінії. Кожен із секторів містить ряд радіально спрямованих щілин, густина розташування яких збільшується у напряму до периферії сектора. До кожного із згаданих n відрізків мікросмужкових ліній, що зв'язані із першою мікросмужковою лінією, через розв'язуючу ємність підключений заслін (база) одного із n польових (біполярних) транзисторів, стоки (колектори) яких через розв'язуючі ємності підключені до n відрізків мікросмужкових ліній на кінці сектора, що з'єднаний із другою мікросмужковою лінією. Металізація на зворотній поверхні діелектричної пластини містить ряд розімкнених на кінцях відрізків мікросмужкових ліній довжиною, рівною чверті довжини хвилі на центральній частоті підсилення. Згадані провідники під'єднуються до джерела живлення підсилювача, а також, через металізовані і ізольовані від міжшарової металізації отвори, до відповідних електродів транзисторів на лицевій поверхні пластини. Секція мікросмужкової лінії у вигляді сектора із тонкими розрізаними щілинами на вході підсилювача забезпечує синфазне і рівне поділення потужностей на n каналів. Аналогічна секція на виході підсилювача виконує синфазне підсумовування потужностей від n узгоджених джерел. При цьому як поділ, так і складання потужностей виконуються паралельно. Таким чином, запропонований вузол забезпечує планарну реалізацію принципу просторового складання потужностей. Виконання цього вузла на єдиній пластині дає можливість забезпечити синфазне і рівноамплітудне збудження окремих активних елементів із великою точністю і, таким чином, покращити електричні характеристики підсилювача, розширити частотний діапазон його використання у міліметрову область довжин хвиль, спростити конструкцію підсилювача і здешевити його виготовлення. Подальшому покращенню конструктивних і електричних параметрів підсилювача сприяє використання малих за розмірами поздовжньо-зондових (замість плавних) переходів на вході і виході підсилювача. Нарешті, покращення конструктивних параметрів забезпечується використанням двошарової платини, оскільки в цьому випадку пластина містить всі елементи кіл живлення активних елементів підсилювача. На фіг. 1 зображено хвилевідну камеру із розташованою в ньому діелектричною пластиною із металізацією на лицевій, зворотній і міжшаровій поверхнях пластини. На фіг. 2 збільшено показано вузол підключення одного із активних елементів із колами його живлення. Нумерація позицій на фіг. 2 відповідає наведеній на фіг. 1. Запропонований транзисторний підсилювач НВЧ діапазону складається (фіг. 1) із двошарової діелектричної пластини 1, вставленої у прямокутний хвилевід 2. На лицевій, зворотній і міжшаровій поверхнях пластини містяться друковані провідники. Підсилювач має вхідну 3 і вихідну 4 мікросмужкові лінії. В областях, прилеглих до торців діелектричної пластини, мікросмужкові лінії 3, 4 закінчуються розімкненими на кінцях і спрямованими до широких стінок хвилеводу провідниками 5, 6. Разом із видаленою металізацією на міжшаровій поверхні 7 провідники 5, 6 утворюють поздовжньо-зондові переходи між прямокутним хвилеводом та вхідною 3 і вихідною 4 мікросмужковими лініями підсилювача. Мікросмужкові лінії 3, 4 зі сторін, протилежних до зондів, під'єднані до секцій 8, 9, в яких ширини мікросмужкових ліній збільшуються, утворюючи провідні сектори із радіально спрямованими тонкими щілинами 10, щільність розташування яких збільшується у напрямку до периферії секторів. До кожного із секторів під'єднані по n коротких відрізків мікросмужкових ліній 11, до яких через розділяючі ємності під'єднано n польових (біполярних) транзисторів. Провідники 12 на зворотній стороні діелектричної пластини виконані у вигляді розімкнених на кінцях відрізків мікросмужкових ліній, під'єднаних до джерел живлення і, за допомогою металізованих отворів 13 в пластині, до заслонів (баз) і стоків (колекторів) польових (біполярних) транзисторів Запропонований підсилювач працює наступним чином. Вхідний сигнал надходить на хвилевідний вхід підсилювача і завдяки включеному в області торця діелектричної пластини поздовжньо-зондовому переходу, утвореному провідником 5 і видаленою металізацією на міжшаровій поверхні 7, із малими втратами надходить на вхідну мікросмужкову лінію підсилювача 3. У секції 8, що являє собою провідний сектор, електромагнітні хвилі розходяться і досягають n паралельно включених відрізків мікросмужкових ліній 11. Розраховані і експериментальні дослідження показують, що належний вибір довжини сектора забезпечує рівний розподіл потужностей між мікросмужковими лініями 11, мінімізація необхідної для цього довжини забезпечує зменшення втрат, а належний вибір густини повздовжніх щілин 11 2 UA 80842 U 5 10 15 20 25 синфазне збудження згаданих мікросмужкових ліній. Останнє зумовлене зменшенням ефективної діелектричної сталої у області сектора, де локалізована щілина, що приводить до пришвидшення хвиль у цій області. А оскільки густина щілин збільшується у напряму до периферії сектора, таке їх розташування здатне компенсувати різницю у геометричних довжинах шляху електромагнітних хвиль у секторі від точки підключення його до вхідної мікросмужкової лінії до мікросмужкових ліній 11, розташованих по центру і на периферії сектора. Так само працює і вихідне коло підсилювача, що містить мікросмужкові лінії 11, сектор 9 із щілинами 10, вихідну мікросмужкову лінію 4 і поздовжньо-зондовий перехід, утворений провідником 6 і видаленою металізацією на міжшаровій поверхні 7. Таким чином, запропонована конструкція реалізує принцип просторового складання потужностей у планарному виконанні на єдиній підкладинці (діелектричній пластині). Принциповим завданням при цьому є забезпечення живлення активних елементів, оскільки всі компоненти підсилювача розташовані в одній площині. У запропонованій конструкції це завдання вирішується завдяки використанню двошарової діелектричної пластини. Всі кола живлення, що використовують відомі властивості чверть хвильових відрізків ліній передачі, розташовані на зворотній стороні пластини і з'єднані із електродами транзисторів за допомогою металізованих отворів, які, у свою чергу, ізольовані від металізації, що знаходиться на міжшаровій поверхні пластини. Таким чином, запропонована конструкція підсилювача забезпечує використання єдиної пластини для реалізації принципу просторового складання потужностей. Сама конструкція вузла просторового складання ефективно збуджується зі сторін вхідного і вихідного хвилеводу, а пластина містить всі необхідні елементи для живлення використаних в підсилювачі транзисторів. Всі ці фактори забезпечують покращення амплітудних характеристик підсилювача, підвищення його коефіцієнта підсилення, розширення діапазону робочих частот у область міліметрових довжин хвиль, а також спрощують його конструкцію, тому що всі елементи підсилювача тепер можуть бути виготовлені методами суто інтегральної технології. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 50 Транзисторний підсилювач НВЧ діапазону, що містить діелектричну пластину із друкованими провідниками на її лицевій і зворотній сторонах; містить n ідентичних надвисокочастотних польових (біполярних) транзисторів, встановлених на лицевій стороні пластини і з'єднаних із згаданими друкованими провідниками на цій стороні пластини; пластина встановлена між широкими стінками прямокутного хвилеводу так, що її площина паралельна вузьким стінкам хвилеводу, який відрізняється тим, що діелектрична пластина складається із двох шарів, так що міжшарова поверхня містить шар металізації, яка виконана суцільною; друковані провідники на лицевій стороні пластини виконані у вигляді двох, першої та другої, мікросмужкових ліній, розташованих одна за одною з віссю, паралельною до осі прямокутного хвилеводу; перша і друга мікросмужкові лінії у частинах, прилеглих до торців діелектричної пластини, закінчуються розімкненими на кінцях провідниками, спрямованими до широких стінок хвилеводу; металізація на міжшаровій поверхні у цих частинах видалена; із кінців, протилежних до згаданих частин пластини, перша і друга мікросмужкові лінії під'єднані до провідників, ширина яких збільшується, утворюючи провідні сектори, до кінців яких під'єднані n коротких відрізків мікросмужкових ліній; провідні сектори мають радіально спрямовані тонкі щілини, густина розташування яких збільшується у напряму до периферії секторів; до згаданих відрізків мікросмужкових ліній через розв'язувальні ємності під'єднані n ідентичних польових (біполярних) транзисторів; друковані провідники на зворотній стороні пластини виконані у вигляді розімкнених на кінцях мікросмужкових ліній довжиною у чверть довжини хвилі на робочій частоті підсилювача; ці провідники з'єднані із джерелом живлення транзисторів, а через металізовані отвори у діелектричній пластині з'єднані із електродами згаданих транзисторів. 3 UA 80842 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4