Комплексное методическое и аппаратурное обеспечение проектирования охлажденных СВЧ малошумящих усилителей на полевых транзисторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.17, кандидат технических наук в форме науч. докл. Топольницкий, Владимир Николаевич

• Топольницкий, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук в форме науч. докл.
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук в форме науч. докл. Топольницкий, Владимир Николаевич

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Задачи, которые ставятся перед современными радиотехническими системами, часто могут быть решены только с использованием приемных устройств с предельно низкими собственными шумами.

В последнее время получили широкое распространение малошумящие усилители (МШУ) СВЧ-диапазона на ОаАз полевых транзисторах (ПТ) и, в частности, охлажденные (ОМШУ), благодаря своим преимуществам перед квантовыми и параметрическими усилителями.

Специфика проектирования охлажденных МШУ состоит в следующем: I. Габариты и тепловая нагрузка усилительного узла должны быть минимальными для достижения максимальной глубины охлаждения при заданных параметрах холодильной установки, поэтому в конструкциях МШУ используются ПТ в бескорпусном исполнении и микрополосковые тонкопленочные волноводы. Чтобы сконструировать компактную микрополос-ковую схему, необходимо знание электродинамических параметров микро-полосковых узлов, приборов для прямого измерения которых нет.

2. В рабочем режиме охлажденный узел МШУ недоступен для настройки, поэтому он должен быть спроектирован наиболее точно, что возможно только с использованием полного набора исходных данных, соответствующих реальным условиям работы ПТ, т.е. шумовых параметров и параметров волновой матрицы (или эквивалентной схемы) транзисторов, включенных в микрополосковую линию и охлажденных до соответствующей температуры. Только в этом случае достаточно быстро могут быть достигнуты наилучшие результаты. Но в справочной литературе такие параметры отсутствуют и штатных приборов для их измерения нет.

Кроме того при исследовании малошумящих ПТ и МШУ (Тш<300 К) используются двухуровневые управляемые эталоны шума с криогенным охлаждением, очень громоздкие и неудобные в обращении, что особенно мешает при работе с микроминиатюрными устройствами.

Отсюда вытекают акхуальность задачи и необходимость комплексного подхода при обеспечении проектирования охлажденных МШУ низкотем->атурными параметрами транзисторов и электродинамическими параметрами планарных волноводов, требование усовершенствования процесса стройки усилителей и повышения точности измерения шумовых пара; чзтров.

ЩЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является разработка методик и их апаратурно-< обеспечения для исследования температурных зависимостей параметров

СВЧ транзисторов в условиях криогенных температур и электродинамических характеристик планарных волноводов. Целью также является исследование возможности генерирования СВЧ шумовой мощности со СПМШ в пределах (0,2.0,5)кТо без криогенного охлаждения и создание удобного малогабарит ного двухуровневого низкотемпературного генератора шума.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- разработать способ экспериментального исследомания полей рассеяния планарных волноводов и определения их электродинамических характеристик;

- разработать способ исследования температурной зависимости параметров волновой матрицы ИТ. установленных в микрополосковую линию, при их охлаждении до криогенной температуры.

- разработать способ исследования температурной зависимости шумовых параметров (Ь'о - коэффициента шума транзистора в 50-омной линии; Fmin-минимального коэффициента шума и Zopi - оптимального импеданса на входе транзистора, обеспечивающего минимальные шумы) ПТ, при их охлаждении до криогенной температуры;

- экспериментально и теоретически исследовать принцип генерации "холодного" шума GaAs полевым транзистором, разработать и сконструировать основанный на этом принципе двухуровневый низкотемпературный генератор шума с электронным переключением уровней.

НА УЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем: I .Предложена новая методика построения измерительной линии для любого типа пленарного волновода, включая и микрополосковый, основанная на изобретении магнитных зондов (двух вариантов), позволяющих производить измерение пространственного распределения тангенциальных магнитных составляющих поля рассеяния пленарного волновода, и значительно расширяющая традиционные возможности измерительных линий.

2. Подтверждена экспериментально принципиальная необходимость низкотемпературных испытаний ПТ для отбора приборов, способных работать при глубоком охлаждении. Для некоторых типов ПТ получены данные, позволяющие экстраполировать шумовые параметры работоспособных транзисторов в область криогенных температур.

3. Предложена новая методика лабораторных исследований полного набора шумовых параметров IIT при изменении температуры до минус 190°С, которая заключается в разработке эталонного генератора шума и управляемых трансформаторов импеданса работоспособными при криогенных темпернатурах, их миниатюризации и размещении совместно с испытуемым транзистором в холодной зоне. Разработана методика определения ОПтимального значения импедансов на входе и выходе ПТ по результатам настройки на минимум коэффициента шума.

4. Предложена новая методика лабораторного исследования параметров волновых матриц ПТ для условий, аналогичных предыдущему пункту. Получены формулы для обработки результатов измерений.

5. Разработана методика оценки величины уровня "холодного" шума на выходе ГШ и его температурной стабильности для разных вариантов конструкций и условий эксплуатации и методика расчета минимального уровня излучаемой шумовой температуры (Хит ) генератора в зависимости от й-параметров и шумовых параметров ПТ.

Предложены две схемы двухуровневых низкотемпературных генераторов шума (ДНП1Г) с электронным переключением уровней, основанные на использовании невзаимных и шумовых свойств ОаАв полевых транзисторов и позволяющие без криогенного охлаждения получить:

- низкотемпературный уровень шумового излучения в 3.5 раз меньше уровня, соответствующего физической температуре прибора;

- большую возможность выбора величины второго уровня шума;

- постоянство выходного импеданса генератора.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. Созданный образец измерительной линии в диапазоне частот от I до 7 ГГц на любом типе пленарного волновода в дополнение к традиционным для коаксиальных и волноводных измерительных линий возможностям позволяет проводить следующие измерения,:

- измерения более широкого диапазона значений КСВН (1,002 .60);

- измерения в непосредственной близости от испытуемого элемента, а не на значительном растоянии, обусловленом конструкцией линии и переходными устройствами, ухудшающими погрешность измерений;

- измерение эффективной диэлектрической проницаемости и погонного затухання исследуемого волновода;

- измерение пространственного распределения тангенциальных магнитных составляющих полей рассеяния как в регулярной линии, так и в области любого элемента схемы, включая и резонансные с динамическим диапазоном значений амплитуд поля до 35 дБ. Распределение составляющих полей можно измерять как над, так и под подложкой линии.

На приборе экспериментально подтверждено наличие продольных составляющих поля в основном типе колебаний микрополоскового и копла-нарного волноводов (квази-ТЕМ волна) и определено соотношение амплитуд поля.

2. Усовершенствованные адаптеры транзисторов, входящие в состав штатных измерителей коэффициента шума, в диапазоне частот (1.12) ГГц и при температурах до минус 190° С позволяют:

- отбирать транзисторы, способные работать при глубоком охлаждении;

- измерять зависимости коэффициентов шума и усиления транзисторов от их рабочей температуры;

- производить испытания конструкции транзисторов на термоудары при одновременной регистрации их характеристик.

Испытания достаточно больших партий транзисторов показали, что для некоторых типов транзисторов до 30% из партии при температурах ниже минус 70.80°С переходили в режим самовозбуждения, не зависящий от внешних нагрузок, а работоспособные транзисторы имели существенно разные от образца к образцу зависимости собственных шумов от температуры прибора. Устойчивых приборов с линейкой температурной зависимостью набиралось не более 20%. Именно они использовались в разрабатываемых образцах ОМШУ.

3. Разработанная методика оценки выходных параметров низкотемпературного генератора шума позволяет определить требования к конструкции прибора.

4. Применение компактных двухуровневых низкотемпературных генераторов шума на основе "холодного" излучения ОаАв полевого транзистора позволяет не только полностью использовать возможности измерителей коэффициента шума и увеличить оперативность и удобство работы в случае измерения шумовых температур ниже 300 К, но и повысить примерно в 1,5 раза точность измерения за счет выбора оптимального значения второго опорного уровня ГШ.

ВНЕДРЕНИЕ

1. Экспериментальные данные, полученные с помощью микрололоско-ной измерительной линии и адаптеров транзисторов для низкотемпературных измерений шумов ПТ, были использовапы при разработке серии МШУ на ПТ разного уровня охлаждения в диапазоне частот от 1 до 14 Ггц. На 2 образца ОМШУ есть акты внедрения.

2. Разработаны, изготовлены и испытаны 8 образцов низкотемпературных генераторов шума различного назначения. Два образца аттестованы в Метрологическом центре НПО "ВНИИФТРИ". На два образца (по теме "Штакетник-Г'КНО") есть протоколы натурных испытаний и включения их в состав контрольно-измерительного комплекса РСДБ на антенсЮ ТНА-1500. Четыре образца (по теме "Пират- 1АМ") прошли климатические испытания под контролем ПЗ и включены в состав контрольной аппаратуры. 2 образца ДНГШ включены в состав КИП комплекса "Кобальт" (есть акт внедрения).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Новая методика построения измерительной линии, которая не только распространяет на планарные волноводы возможности традиционных измерительных линий, но и обладает рядом принципиально новых возможностей исследования пространственного распределения электромагнитного поля "внутри" СВЧ устройств. Экспериментальные данные распределения полей рассеяния различных типов микрополосковых и копланарных волноводов.

2. Новая матодика измерения низкотемпературных параметров волновых матриц ПТ, установленных в микрополосковую линию.

3. Новая методика измерения полного набора шумовых параметров охлажденных ПТ, установленных в микрополосковую линию, и методика обработки результатов. В процессе измерения не производится каких либо перестыковок испытуемого транзистора, что уменьшает погрешность.

4. Методика расчета параметров и конструкции низкотемпературных генераторов шума на ОаАз полевых транзисторах, заменяющих ПИ с криогенным охлаждением при измерениях шумовых температур ниже 300 К.

5. Новая методика низкотемператургных измерений шумовых параметров и экспериментальные данные для некоторых типов отечественных и зарубежных ПТ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

По материалам исследований опубликовано 17 научных работ:

- сделано 2 изобретения;

- опубликовано 6 статей в журналах и научно-технических сборниках;

- сделано 10 докладов на научно-технических конференциях и семинарах, 5 из них опубликовано;

Кроме того поданы 3 заявки на изобретения и включены материалы в научно-технические отчеты по трем НИР и в один эскизный проект.

2. ИССЛВДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЧ-ЭЛЕКТРОМАГНИТ-НОГО ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ В ПЛАНАРНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

2.1. Обзор состояния вопроса.

Планарные волноводы, которые находят широкое применение в микроминиатюрных устройствах СВЧ, относятся к разряду линий открытого типа, то-есть обладают значительными полями рассеяния. Эта особенность ограничивает плотность компановки схемы на плате, близость размещения экранов и увеличивает погонные потери. Кроме того электрические характеристики линий этого типа особенно чувствительны к разбросу параметров материалов и погрешности изготовления. Поэтому становится очевидной необходимость измерения реальных электродинамических параметров линий передачи и элементов схем на их основе, а также эффективной диэлектрической проницаемости, погонных потерь и других параметров.

Следует также учитывать, что инженерные расчетные данные параметров волноводов обычно получают для основного типа колебаний, а в реальной линии этот тип колебаний существует не в чистом виде. Так например для микрополосковой линии все расчеты проводятся в предположении существования там ТЕМ-волны, но ряд публикаций указывают на наличие в структуре поля продольных составляющих, что естественно отражается на параметрах линии.

Существующая стандартная измерительная техника применительно к планарным волноводам позволяет производить только косвенные измерения внешних параметров (КСВН, коэффициента отражения, входного импеданса, коэффициента затухания и др.) и то через вспомогательные переходные устройства, которые вносят значительные погрешности в измерения. Измерять же распределение стоячей волны, а тем более пространственное распределение полей, вообще не представляется возможным. Известные специальные разработки в этой области не решают поставленной задачи и не могут рассматриваться как удобные лабораторные измерительные установки, позволяющие измерять весь требуемый набор параметров с достаточной точностью, поскольку они чересчур сложны в изготовлении, в работе и в обработке результатов измерений, вносят сильное возмущение в поле исследуемого объекта и имеют маленький динамический диапазон.

2.2. Зонды специальной конструкции, измерительная линия и ее возможности.

Для преодоления отмеченных выше трудностей разработана и изготовлена специальная измерительная линия для пленарных волноводов [I].

Высокая пространственная разрешающая способность и высокая чувствительность установки обусловлены применением магнитного измерительного зонда новой конструкции (рис.1а). Зонд состоит из двух миниатюрных коаксиалов (3) диаметром 0,6 мм, центральные жилы которых с одной стороны замкнуты измерительной петлей (4), а с другой - петлей связи (1), возбуждающей резонатор. Клагодаря большой развязке от побочных составляющих поля и наводок и миниатюрности петли зонд позволяет производить "точечные" измерения напряженности только магнитной составляющей, нормальной к плоскости петли.

- Измерительная петля зонда удалена от экранирующей плоскости корпуса на расстояние 10-12 мм и имеет наружный диаметр - 0,8 мм. Точность перемещения зонда в пространстве (150x100x10) куб. мм по любой координате составляет ±0,01 мм. Динамический диапазон измерительной схемы не менгее 35 дБ. Установка позволяет производить измерение КСВН в диапазоне 1,002 . 60, длины волны в линии с относительной ошибкой гЗх 10"4 , погонных потерь ¿0,15 дБ/А.

Кроме того разработанная измерительная линия обладает рядом принципиальных особенностей, недоступных стандартным измерительным линиям: на ней можно с высокой степенью точности и разрешающей способности измерять распределение по трем координатам двух взаимно-перпендикулярных магнитных составляющих СВЧ-поля над плоскостью подложки, а в случае исследования копланарной, щелевой и подобных им линий, и под плоскостью диэлектрической подложки, а также распределение полей "внутри" исследуемого устройства непосредственно в области любого его элемента.

Теоретические и экспериментальные оценки возможностей коаксиального зонда показали, что он не может обеспечить развязку от посторонних магнитных составляющих более 36 дБ и имеет ограничение по диапазону частот до 7 ГГц.

От этих недостатков свободен второй вариант конструкции зонда [2,4], изготовленный по пленочной технологии на 2-х полированных подложках из сапфира размером 0,5x1x20 мм (Рис.1б). Зонд состоит из миниатюрной измерительной петли (4) и двухпроводной экранированной линии передачи (3), причем экраном (5) является резистивное покрытие с поверхностным сопротивлением 100.200 Ом/ □. Поскольку петля может считаться математически плоской и с высокой точностью может быть ориентирована в систъеме координат измерительной линии (с помощью простого оптического коллиматора), развязка такого зонда от посторонних магнитных составляющих достигает величины 66 дБ. Рабочий диапазон частот зонда доходит до 20 Ггц.

2.3. Результаты проведенных экспериментов и оценка величины погрешности.

На макете измерительной линии с первым вариантом зонда были проведены следующие эксперименты [3,7,8,10,13]:

- исследование пространственного распределения поперечной (Ну) и продольной (Нг) составляющих магнитного поля в микрополосковых линиях (¿а ), выполненых на подложках из фторопласта, ФЛАН-10 и керамики 22ХС, а также в копланарных линиях, выполненных на подложках из фторопласта и ситала СТ38-1 и СТ32-1 разной толщины;

- измерение эффективной диэлектрической проницаемости для различных типов микрополосковых и копланарных линий путем измерения дайны стоячей волны в короткозамкнутой рмулярной линии.

На рис.2 приведены графики поперечного распределения составляющих Ну и Нг для микрополосковой линии на ФАФ-4 (е=2,6; 1 мм; Ь=2,8 мм). Кривые 1 и 3 - составляющая Ну, а кривая 2 - Иг (со сдвигом по оси г на Л/4), причем кривые / и 2 - в логарифмическом масштабе, а 3 - в линейном. Из рисунка видно наличие продольной составляющей в основном типе колебаний в микрополосковой линии (квази-ТЕМ волна) и увеличение плотности тока у кромки полоска.

Погрешность измерений АА определяется следующим образом:

ДА ЛЛ1)2 I (ЛА2)2 * (ЛАЗ)2 I (ЛА4)2 ((ЛЛ5)2, где: ЛА I - погрешность индикации;

ЛА2 - погрешность, вызванная переходными устройствами;

ЛАЗ - погрешность, вызванная неоднородностями линии;

ЛА4 - погрешность, вызванная присутствием зонда;

ЛА5 - пргрешность определения координат зонда.

Погрешности ЛА1, ЛАЗ и ЛА5 такие же, как и в обычных линиях, почетность ЛА2 сведена к минимуму путем исключения переходных узлов. Погрешность ЛА4 значительно уменьшена, поскольку зонд взаимодействует с полями рассеяния. Она оценивалась путем определения величины возмущения, которое вносит зонд в исследуемое поле. При максимальном уровне взаимодействия (когда центр петли находился на высоте 0,5 мм над плоскостью подложки) возмущение не превышало 1,5 %.

В процессе эксплуатации макет линии показал себя простым, удобным, надежным прибором с большими возможностями.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ВОЛНОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

3.1. Анализ литературных источников.

Известные способы измерения параметров матрицы рассеяния четырехполюсников имеют ряд существенных недостатков, затрудняющих решение задачи, поставленной в разделе I.

Во-первых, измерения проводятся на уровне мощности на входе транзистора примерно на 20 дБ выше, чем это необходимо исходя из чувствительности измерительного устройства (детекторной секции), поскольку такое переходное затухание должно быть в направленных ответвителях или измерительных линиях для сведения к допустимому минимуму вносимых искажений.

Во-вторых, в большинстве установок транзисторы испытываются в неких унифицированных ячейках, не соответствующих типу волновода, в котором эксплуатируется транзистор.

В-третьих, подключение транзистора к измерительной схеме происходит через переходные устройства, заметно удаляющие точку измерения от транзистора и часто трансформирующие тип волны в линии передачи, что снижает точность измерений.

В-четвертых, во всех известных установках (за исключением сугубо научных) отсутствует возможность проведения низкотемпературных измерений.

3.2. Описание установки и принцип ее работы.

Разработанная для измерения ^-параметров установка основана на применении измерительной линии, но в "обратном" включении: она возбуждается со стороны зонда, а исследуемый транзистор и измерительное устройство подключаются непосредственно к линии.

Схема установки [11} приведена на рис.3. Она состоит из двух частей основной измерительной линии 1 и /', между которыми включается испытуемый транзистора 5, вспомогательной измерительной линии 2, имеющей такую же, как и основная, электрическую длину, подвижного возбудителя (3'), неподвижного возбудителя 4, выравнивающих аттенюаторов 6, коммутируемых аттенюаторов 7, измерителей 8-1 и 8-2, выключетеля 9.

В качестве возбудителя используется магнитный зонд, описанный в разделе 2, что позволяет возбуждать в линии только основной тип волны. Измерительная линия выполняется в виде такого типа планарного волновода, в каком будет работать транзистор. Такая конструкция установки позволяет без перестыковки испы туемого транзистора измерять все параметры волновой матрицы.

Измерения проводятся в два этапа. На первом этапе измеряются параметры отражения 3„ и , доя чего используется только основная линия, а неподвижный возбудитель выключен.

Подробно рассмотрим методику измерения параметра Зи. Подвижный возбудитель 3 находится над входной частью основной линии 1 и возбуждает в ней две волны одинаковой амплитуды, расходящиеся в разные стороны: одна волна идет прямо в сторону измерителя 8-1, а вторая идет в сторону транзистора 5 и, частично отразившись от него, также идет в сторону измерителя 8-1, где обе волны суммируются с учетом соотношения фаз. Так как разность фаз сигналов зависит не только от фазы коэффициента отражения на входе транзистора, но и от положения возбудителя координаты "х"), при его перемещении на выходе измерителя 8-1 будут наблюдаться максимумы и минимумы суммарного сигнала как в обычной измерительной линии. В процессе измерения определяются значения ближайших к транзистору координат максимума и минимума суммарного сигнала и соответствующие им значения амплитуд.

Аналогичным образом определяется параметр S22, когда подвижный возбудитель находится над выходной измерительной линией /' и информация снимается с измерителя 8-2.

Для определения параметорв передачи S12 и Sn включаются неподвижный возбудитель 4 и аттенюаторы 7, которые без изменения набега фазы сигнала увеличивают свои потери на величину А, равную max max |S211.

3.3. Расчетные соотношения.

Параметры Зтш матрицы рассеяния и длина волны в линии Л определяются из следующих выражений:

Б } * е rmn 1 v m,n=l,2; mn ^ mn k=0, 1.

Л 2(2 - |m - n|)x^n - x. где и,1,1П и - амплитуда стоячей волны и координата возбудителя для максимума сигнала; и хт„ - амплитуда стоячей волны и координата возбудителя для минимума сигнала;

Г1- г0Ао а = 10 л) ; Ас - величина дополнительного затухания коммугируемого аттенюатора, дБ.

Для проведения измерений параметров транзистора при низких температурах транзистор и обе измерительные линии (без возбудителей) размещаются в охладителе, конструкция и принцип работы которого будут описаны в разделе 5.

В отношении погрешности измерений, которая может быть проанализирована как в разделе 2, следует заметить, что составляющие погрешностей, связанные с изменениями температуры, определяются и учитываются при калибровке аппаратуры.

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ШУМА СВЧ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО УРОВНЯ

4.1 .Возможности серийных приборов и анализ литературных источников.

Для обеспечения достаточной точности измерения малых шумовых температур транзисторов и МШУ вместо обычных газоразрядных или диодных генераторов шума (ГШ) применяют низкотемпературные ГШ с криогенным охлаждением, которые имеют выходную шумовую температуру около 80К (азотный вариант) или 10К (гелиевый вариант). Однако работа с этими громоздкими устройствами в условиях миниатюризации разрабатываемой аппаратуры очень неудобна, поскольку требует постоянных перестыковок, а реализация автоматического режима панорамных измерений, особенно важного при отработке и настройке усилителей, еще более затруднена.

Новый принцип генерации "холодного" шума, предложенный в работе Фратера и Вилльямса *), основан на использовании невзаимных и шумовых свойств (ЗаАз полевого транзистора. Из анализа упрощенной эквивалентной схемы полевого Транзистора ими получено выражение для излучаемой прибором шумовой мощности и рассмотрены условия ее минимизации.

Расчеты и эксперименты показывают, что современные полевые транзисторы в сантиметровом диапазоне длин волн позволяют создать генераторы шума низкотемпературного уровня (ГШНУ) с излучаемой шумовой температурой ниже 80К без использования криогенного охлаждения (12,14,15,16). На примере одного из вариантов схемы ГШНУ можно провести оценку его выходных параметров.

Т»ых Переход Вентиль ГШ цп,Тп,ДТп цвп,т^во.Тв,ДТв Кш, К, Тг, ДТг т) - коэффициент передачи узла по мощности (в долях ед.); Рш - коэффициент шума транзистора; К - коэффициент стоячей волны;

Т и ЛТ - физическая температура узла и ее нестабильность. Формула, по которой можно оценить выходную шумовую температуру ГШНУ и ее нестабильность, имеет следующий вид: Robert H. Frater and David R. Williams. An Active "Cold" Noise Sourse. // IEEE Trans. Vol. MTT-29, No. 4, April 1981, pp. 344-347.

Твь.х = Тп1пПа, + Тп(1 - rin) + TbtJI + пво

V (I + К)

Оценки выходных параметров различных конструкций ГШНУ на частоту 6 ГТ'ц приведены в таблице 1.

Траб, "С Термостаб Тгшну Тиэл ДТгшну,% Рпотр

-40.+40 гге 73 56 ±

20±10) ITC 74 56 ±3,

-40.+40 ВТС, ггс 74 56 ±3,

-40.+40 ВТС, ГГС 97 51 ±

-40.+40 ВТС, ГГС2 90 I 51 ±0,

27±1> ITC 70 55 ±0,

ITC - термостабилизация ГШ; ВТС - тфмостабилнзация вентиля. Гизл - шумовая температура, излучаемая собственно ГШ.

4.2. Матричный подход к расчету параметров ГШНУ. Поскольку в указанной выше работе проанализирована очень грубая модель полевого транзистора, для получения инженерной методики расчета понадобились более строгие исследования [6].

Для анализа активного "холодного" генератора шума был использован матричный метод, традиционно применяемый при расчетах входной шумовой температуры МШУ.

Рассматривалась схема, в которой транзистор по входу и по выходу нагружен на импедансы:

Z.^R. + jX,, i=l,2; (6) где индекс 1 относится ко входу, а 2 - к выходу. Транзистор описывался матрицей рассеяния jsjj и шумовой матрицей

Ijxjj || и учитывалось, что нагрузки транзистора являются источниками шумовой мощности p;f/R,=4kT0Af, (7)

В результате проведенных вычислений получено выражение для шумовой температуры Тизл.1, соответствующей мощности, излучаемой четырехполюсником в нагрузку ZI.

Ч'' r.s,, + Г,грг2к, -г*+г2г^-г2г> 1+

2Re( i12(l-r2S2, )ГХг ) ] (8)

Далее были найдены выражения для оптимальных значений коэффициентов отражения Попт и Г2опт, при которых реализуется минимальный уровень излучаемой шумовой мощности, и выражение для Тизл.1 мин.

Весь анализ проведен без каких либо ограничений и упрощений, поэтому полученные формулы позволяют проводить строгий расчет параметров схемы генератора шума низкотемпературного уровня.

4.3. Конструкции двухуровневых ГШНУ.

Для обеспечения автоматического режима измерения шумовой температуры ПТ или МШУ, включая измерения в диапазоне частот, нужны двухуровневые опорные генераторы шума с электронным переключением и с уровнями выходных температур, одного порядка с измеряемой. ГШ на "холодном" полевом транзисторе очень удобен для построения подобных схем.

Автором были разработаны две конструкции двухуровневых "низкотемпературных" генераторов шума (ДНГШ) [12,14,16].

Схема первого варианта ДНГШ представлена на рис.4а. Ее особенностью является то, что один и тот же каскад на ОаАя полевом транзисторе является источником как "холодного", так и "теплого" шума. Оба эти уровня подаются на входы переключатели, управляемого внешними командами.

Недостатком этой схемы является заметное влияние потерь в плечах переключателя на уровень "холодного" шума и на нестабильность параметров. Для устранения этих недостатков была разработана вторая конструкция ДНГШ (рис.4б). В ней "холодный" шум поступает прямо на выходной вентиль, а ^теплый" шум по команде управления, подаваемой на аттенюатор, подмешивается к первому через направленный ответвитель с малыми прямыми потерями и переходным затуханием не менее 20 дБ. Кроме того, что эта конструкция позволяет получить ниже и стабильнее значение "холодного" шума, она также дает возможность расширить диапазон выбора уровня "теплого"шума в сторону уменьшения и иметь, при необходимости, ступеньку как угодно малой.

Принципиальным достоинством второй конструкции ДНГШ является также постоянство импеданса выхода при любом режиме работы.

Конструкция ДНГШ позволяет осуществить широкий выбор значений второго уровня шумовой температуры (Т2). Из методики оценки погрешности измерения шумовой температуры объекта (ПТ или МШУ), принятой в МЦ НПО "ВНИИФТРИ", видно, что увеличение Т2 с традиционно принятых 300 К до 2000 К (при сохранении относительной погрешности аттестации уровней 8Т=0,16%) уменьшает погрешность измерения в 1,5 раза.

4.4. Результаты экспериментов.

Проведенная проработка конструкций ГШНУ в диапазоне частот от 1 до 25 ГГц дня различных целей с применением отечественной элементной базы позволила определить требования к отдельным узлам приборов и ориентировочные значения основных параметров.

Для целей наземного применения были разработаны и изготовлены макетные образцы узкополосных ГШНУ на частоты от 1,5 до 12 Ггц, результаты испытаний которых показали достаточно хорошее совпадение с расчетными данными. Был достигнут уровень выходной шумовой температуры в пределах от 60К до 150К в зависимости от частоты и от параметров использованных вентилей.

Приборы, предназначенные для работы в широком диапазоне температур ( минус 40.+40 °С) и снабженные простой системой термостати-рования на элементах Пельтье, обеспечили температурную нестабильность выходных шумов не более ±0,2дБ.

Один образец ГШНУ и один образец ДНГШ прошли паспортизацию в Метрологическом центре НПО "ВНИИФТРИ".

Приборы показали, что они с успехом могут заменять криогенные генераторы шума не только в лабораторных измерительных установках, но и во встроенных схемах контроля параметров антенных систем, оснащенных МШУ, а также использоваться в качестве опорных ГШ в радиометрических и других системах.

Параметры экспериментальных образцов низкотемпературных генераторов шума приведены в таблице 2 (""-аттестованный параметр).

Таблица

Тип С Ггц ДГ,% Тра6,°с Т1,К ДТ1к,К ДТ1Д.К ЭП.дБ Т2, К

ГШНУ-18 ПЙНУ-« 1,66 5 ± 7 ~ТГ" 20± 15 80*± 25% ПО±25% ±3 ±3 (5сут)

2 (2 мес) 0.5%/'С

КГШ-Ф1 КП11-Ф2 КГШ-ФЗ КГШ-Ф4 4 7,5 Ти 12,1 ±7 ±4 ±4 ' 101)0 100±8% -------- ----------------- ¿±0,

150±8% <¿0,

-"- 16018% 120±8% ---------- ¿¿0,2 ¿10,18" --•

ДНГШ-ЗМ ДНГШ-3.5М 6 8.4 ±5 ±4 11018% 1351)* ---------- ----------- 290±8% 290±3*

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

5.1. Доработка штатного адаптера транзисторов.

Промышленные измерительные комплексы типа Х5-29.Х5-53 для измерения шумовой температуры СВЧ-транзисторов не предназначены для работы при глубоком охлаждении испытуемого транзистора, поскольку измерительные тракты имеют большую теплоемкость и теплопроводность, при охлаждении сильно запотевают и обмерзают, изменяя свои параметры. Специальные установки, созданные в научных целях, не могут рассматриваться как инженерные средства ввиду своей сложности, дорогостоимос-ти, громоздкости и отсутствия оперативности.

Для осуществления возможности инженерного исследования шумовых свойств транзисторов при низких температурах на первом этапе был доработан иггатный адаптер транзисторов от измерителя коэффициента шума, для которого была разработана простая и удобная схема терморегулирования. Доработка адаптера (рис.5) заключается в оборудовании его теплоизолирующим корпусом /, теплоизолирующими трактами 2 и б, теплообменником 4, нагревателем 7, датчиком температуры 5 с измерителем-регулятором температуры 11. Теплообменник 4 через теплоизолированный трубопровод 8 подключен к системе подачи хладагента 9.

Особенность этой конструкции состоит в том, что хладагент (испаряющийся азот), пройдя через теплообменник 4, через петрубок 12 поступает внутрь корпуса /, создавая там избыточное давление, препятствующее проникновению наружного влажного воздуха и образованию конденсата в СВЧ-тракте. Поэтому нет необходимости делать корпус 1 герметичным.

Система позволяет менять температуру исследуемого транзистора и под-, держивать ее на требуемом уровне в диапазоне от минус 190 до +20° С, что дает возможность оперативно измерять температурные зависимости шумовых параметров.

5.2. Результаты экспериментов.

На частотах 1,4,5.6,8 и 11 ГТц исследовались отечественные серийные транзисторы типов АП325А-2, АП328А-2, АП343А-2, АП344А-2, А818 (ТУГК), два типа экспериментальных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) разработки НИИ "Пульсар" и японский транзистор K.GF1850 фирмы "OKI electronic component".

Испытания показали значительное расхождение характера температурных зависимостей даже для транзисторов из одной партии. Многие образцы при охлаждении до температур 200.250К переходили в режим возбуждения, не зависящий от внешних натрузок. На некоторых образцах транзисторов, при охлаждении их до температуры ЮОК, были достигнуты шумы, свойственные охлажденным параметрическим и даже квантовым усилителям.

Для иллюстрации результа тов исследований на рис.6 приведены температурные зависимости некоторых типов транзисторов на частоте 8 ГГц: I - АШ25А-2; 2 и 3 - АШ44А-2;

4 и 5 - А11343А-2; 6 -А818(ТУГК).

Эти исследования были учтены при разработке ряда конструкций МШУ и радиотехнических систем с их применением. Уровшш шумов, достигнутые при этом, приведены в таблице 3. Сравнение этих результатов с расчетами м с другими отечественными разработками показали достаточно полное использование потенциальных возможностей элементной базы

Таблица 3.

Разработка (годы) Г, ГГц Тш.К/Тф.К

Вега","Фобос" (1985г.) I (+5%) 1Жо%1Г 7 (+5%) 60/300; 15/25;

Штатив-МВО" (1985-1987 г.) --"— . (1986-1990г.) 90/300; 70/220; 35/35; 235/300; 150/208; 90/80; 50/20;

Траверс" (1989г.) 3 (+5%) 12 (+4%) 150/300;

Лстрокомплскс" (1996г.) 80/300; 60/223;

Гребень" (1992г.) 14 (+5%) 450/300; 200/300;

Результаты разработок охлажденных МШУ показали также достаточность исследования температурной зависимости коэффициента шума транзисторов при охлаждении их до минус 190 "С для проектирования усилителей, работающих при температуре минус 250 °С.

5.3. Микрополосковая установка для измерения комплекса шумовых параметров транзисторов при низких температурах.

Криоадаптср хотя и очень полезен для температурных испытаний транзисторов, имеет ряд недостатков, ограничивающих круг его применения, /{ля получения всего комплекса шумовых параметров в установке необходимо производить постоянные перестыковки для измерения импеданса входной нагрузки. И частотный диапазон его тоже ограничен конструктивными особенностями коаксиального тракта.

Для обеспечения возможности измерения всего комплекса шумовых параметров транзисторов (и "чипов") без перестыковки узлов, не только в нормальных условиях, но и при низких температурах, а также во всем частотном диапазоне, в котором работают микрополосковые тракты, разработана установка, схема которой представлена на рис.7. Она состоит из адаптера транзисторов 4, согласующих трансформаторов с электронным управлением (СТЭУ) 3 и 5, ДНГШ 2 и теплоизоляционного тракта б, которые размещены в корпусе 1 системы охлаждения, описанной в разделе 5.1. Эта установка включается в состав обычного промышленного измерителя коэффициента шума, но может быть дополнена ЭВМ для автоматизации процесса измерений и обработки результатов.

Особенность установки состоит в том, что все СВЧ-узлы схемы выполнены на основе микрополосковых трактов с использованием ОаАз-активных элементов. Такая конструкция позволяет, во-первых, всей схеме работать в условиях глубокого охлаждения, и, во-вторых, расположить согласующие трансформаторы в непосредственной близости от испытуемого транзистора без лишних неоднородностий тракта.

В процессе измерений определяются шумовая температура Тыг.о транзистора в стандартном тракте о = 50 Ом), минимальная шумовая температура Тш.мин транзистора, нагруженного на оптимальные импедансы по входу I опт) и по выходу (£ 2 опт). Сами же импедансы вычисляются по значениям управляющих напряжений варикапов трансформаторов 3 и 5, параметрам варикапов и геометрическим размерам микрополосковых узлов. Изменение собственных параметров установки в диапазоне рабочих температур может бьггь учтено при калибровке и заложено в программу ЭВМ. Варианты конструкций предлагаемой установки могут бьггь разработаны и изготовлены для всех диапазонов частот, на которых возможно создание микрополосковьгх охлажденных МШУ.

Исследованы различные схемы СТЭУ. Как наиболее оптимальная с точки зрения максимальной широты области выходного импеданса выбрана схем с тремя шлейфами со сдвигом на Л/8. Для случая включения (ЗаАв варикапов на концах шлейфов определены оптимальные значения емкости варикапов при нулевом смещении и длины шлейфов в зависимости от диапазона частот.