DE3324540C2 - Breitbandiger Mikrowellenverstärker - Google Patents

Abstract

Breitbandiger Mikrowellenverstärker in Mikrostripline-Technik für den GHz-Bereich kommen sowohl für rauscharme Empfangsverstärker als auch Leistungsverstärker in Sender-Endstufen von Radar-, Richtfunk- oder Satellitensystemen zur Anwendung. Für hohe Verstärkungen werden mehrstufige Anordnungen benötigt. Es wird vorgeschlagen, einen solchen breitbandigen Mikrowellenverstärker mehrstufig dadurch zu verwirklichen, daß zwei mehrstufige Verstärkerzweige vorgesehen sind, deren Verstärkerstufen (Vs1, Vs2) miteinander über Transformationsnetzwerke (Tz) verbunden sind, und die wiederum ein- und ausgangsseitig über weitere Transformationsnetzwerke (Te, Ta) jeweils über einen 3dB-Koppler (K1, K2) zu einem gemeinsamen Ein- und Ausgang verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen breitbandigen Mikrowellenverstärker für den GHz-Bereich in Mikrostripline-Ausführung, bestehend aus parallele Verstärkerzweige darstellenden Feldeffekttransistoren, die eingangs- und ausgangsseitig über Transformationsnetzwerke hinweg durch 3dB-Koppler zu einem gemeinsamen Ein- und Ausgang verbunden sind.

Mikrowellenverstärker für Frequenzen oberhalb von 2GHz werden überwiegend mit GaAs-FET-Halbleiterbauelementen realisiert. Damit lassen sich sowohl rauscharme Empfangsverstärker als auch Leistungsverstärker in Senderendstufen von Radar-, Richtfunk- und Satellitensystemen aufbauen. Größere Verstärkungen werden dabei durch hintereinandergeschaltete Verstärkerstufen realisiert.

Wegen der ungünstigen Ein- und Ausgangsimpedanzen der GaAs-FET-Elemente ist es vor allem für Breitbandanwendungen sehr aufwendig, geeignete Anpaßnetzwerke für den jeweiligen Frequenzbereich zu entwickeln, die sowohl eine über den gesamten Frequenzbereich konstante Verstärkung, als auch eine große Reflexionsdämpfung am Ein- und Ausgang der Verstärkerstufe liefern. Besondere Bedeutung hat dieser Sachverhalt bei der Hintereinanderschaltung solcher Verstärkerstufen.

Durch die Literaturstelle MSN: April/Mai 1976, Seiten 39 bis 48 ist es bekannt, für breitbandige Anwendungen solcher Mikrowellenverstärker eine Verstärkerstufe dadurch zu verwirklichen, daß zwei gleiche Feldeffekttransistoren mit ein- und ausgangsseitigen Transformationsnetzwerken ein- und ausgangsseitig jeweils über einen 3dB-Koppler in Form eines Quadraturhybrids zusammengeschaltet werden. Eine solche Anordnung ermöglicht es, die Transformationsnetzwerke hinsichtlich ihrer Anpassung an die Ein-und Ausgänge der Transistoren nurmehr in bezug auf den erforderlichen Frequenzgang zu dimensionieren. Sind die beiden Verstärkerzweige symmetrisch, so kompensieren sich die reflektierten Wellenzüge in den 3dB-Kopplern. Es lassen sich also mit solchen Schaltungsanordnungen über große Frequenzbereiche gute Anpassungseigenschaften bei konstanten Verstärkungswerten erzielen. Muß eine solche Verstärkungsanordnung eine Verstärkung aufweisen, die mit einer Stufe nicht erreicht werden kann, sind zwei oder mehr solcher Stufen über ein Verbindungselement hintereinander zu schalten. Der fertigungstechnische Aufwand für zwei-und mehrstufige Verstärker ist beträchtlich, weil die Kopplerstrukturen der in der Regel als Interdigitalkoppler ausgeführten 3dB-Koppler eine sehr aufwendige Technik bedingen. Auch ergeben sich für solche mehrstufigen Anordnungen relativ große Abmessungen der Gesamtanordnung, da pro Stufe ein eigenes Substrat der darauf anzubringenden Schaltung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fur eine zwei- und mehrstufige Verstärkeranordnung der zuletzt geschilderten Art eine weitere Lösung anzugeben, die mit einem wesentlich geringeren technischen Aufwand auskommt und darüber hinaus auch mit kleineren Abmessungen hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Wie umfangreiche, der Erfindung zugrundeliegende Untersuchungen ergeben haben, können in außerordentlich vorteilhafter Weise zwei- und mehrstufige, breitbandige Mikrowellenverstärker für den GHz-Bereich unter Verwendung von GaAs-FET-Elementen dadurch verwirklicht werden, daß die beiden Verstärkerzweige zwischen den 3dB-Kopplern zwei- und mehrstufig mit jeweils einem Feldeffekttransistor aufgebaut werden, wobei die die Feldeffekttransistoren in einem Verstärkerzweig miteinander verbändenden Transformationsnetzwerke in einfacher Weise aus einem kurzen, geeignet bemessenen Leitungsstück bestehen können. Auf diese Weise lassen sich nicht nur pro weiterer Stufe zwei 3dB-Koppler einsparen, sondern darüber hinaus auch die Gesamtanordnung auf ein einziges Substrat aufbringen, wodurch sich eine Substrateinsparung von ca. 30% neben den wesentlich verringerten Herstellungskosten ergibt.

In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, die Feldeffekttransistoren eines Verstärkerzweiges sowohl wechselspannungsmäßig als auch gleichspannungsmäßig in Serie zu schalten und hierbei eine gegenseitige Entkopplung von Gleich- und Wechselstromweg vorzunehmen. In der Regel sind nämlich GaAs-FET-Verstärker in analoge Systeme integriert, die zentral von Stromversorgungseinheiten gespeist werden und die Spannungen von z. B. 12,15 oder 24 V an die Unterbaugruppen abgeben. Kleinsignal-GaAs-FET-Verstärker benötigen lediglich Spannungen zwischen +3 und +5 V. Der Strombedarf je Verstärkerstufe kann dabei in der Größenordnung von 15 bis 70 mA liegen. Pro Verstärkerstufe ergibt sich also hier durch die überhöhte Betriebsspannung der zentralen Stromversorgung eine nicht unerhebliche Verlustleistung, die in Form von Wärme abgeführt werden muß. Bei der erfindungsgemäßen Hintereinanderschaltung von zwei oder drei Feldeffekttransistoren läßt sich diese unerwünschte Verlustleistung vermeiden, da hier die vorhandene Betriebsspannung auf zwei oder drei Feld-

effekttransistoren aufgeteilt werden kann.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch notier erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 das Blockschaltbild eines bekannten breitban- s digen Mikrowellenverstärkers.

F i g. 2 eine zweistufige Ausführung eines breitbandigen Mikrowellenverstärkers nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Schaltungseinzelheiten wiedergebendes Schaltbild eines zweistufigen Ventärkerzweigs nach Fig. 2,

Fig. 4 die Aufsicht auf einen in Mikrostriptechnik realisierten Mikrowellenverstärker nach Fig. 2 und 3.

Das Blockschaltbild eines bekannten breiibandigen Mikrowellenverstärkers wie er beispielsweise durch die is eingangs genannte Literaturstelle bekanntgeworden ist, besteht aus zwei zueinander parallelen Verstärkerstufen VS, die jeweils mit einem GaAs-FET-Element verwirklicht sind. Die Verstärkerstufen VS sind eingangsseitig über die Transformationsnetzwerke Te mit zwei Ausgangen des 3dB-Kopplers Kl verbunden, dessen Eingang ede!! Eingang des Verstärkers darstellt und dessen vierter Anschluß über den Abschlußwiderstand Z mit Massepotential verbunden ist. In gleicher Weise sind die Verstärkerstufen VS ausgangsseitig über die Transformationsnetzwerke Ta mit zwei Eingängen des 3dB-Kopplers Kl verbunden, dessen dritter Anschluß den Ausgang α bildet und dessen vierter Anschluß wiederum über den Abschlußwiderstand Z mit Massepotential verbunden ist. Werden Verstärkungswerte benötigt, die mit einer Verstärkerstufe VS nicht erreicht werden können, so sind Verstärkerstufen der in Fig. 1 darge stellten Art über ihre freien Koppleranschlüsse miteinander in Serie zu schalten.

Der in seinem Aufbau dem Aufbau des Mikrowellen-Verstärkers nach F i g. 1 entsprechende Mikrowellenverstärker nach Fi g. 2 ist eine zweistufige Ausfuhrung, die jedoch im Gegensatz zu bekannten zweistufigen Mikrowellenverstärkern dieser Art mit nur zwei 3dB-Kopplern Kl und Kl auskommt. Dies wird dadurch erreicht, daß anstelle der Verstärkerstufe VS pro Verstärkerzweig nach F i g. 1 zwei Verstärkerstufen VSt und VSl mit jeweils einem GaAs-FET-Element vorgesehen sind, die miteinander über das weitere Transformationsnetzwerk Tz in Serie geschaltet sind.

Das Schaltungsbeispiel nach F i g. 3 für einen aus zwei Verstärkerstufen bestehenden Verstärkerzweig ohne die Transformationsnetzwerke nach Fig. 2, weist in der ersten Stufe den Feldeffekttransistor FETl und in der zweiten Stufe den Feldeffekttransistor FETl auf. Die Betriebsgleichspannung Ub, die wechselstrommäßig über den Kondensator Co auf Masse liegt, wird über den Spannungsteiler Rl, Rl und Λ3 den gleichstrommäßig hintereinander geschalteten Feldeffekttransistoren an der Gateelektrode G zugeführt. Der Wechselstromeingang se ist über den Koppelkondensator Cl an die Gateelektrode G des Feldeffekttransistors FETl angeschaltet. Die beiden Feldeffekttransistoren FETl und FETl arbeiten in der sogenannten Source-Schaltung, wobei wechselspannungsmäßig die Source-Elektrode S auf Masse liegt. Dies wird durch die Kondensatoren C4 und C5 erreicht. Der Drainstrom ZDl des Feldeffekttransistors ,KETl ist gleich dem Drainstrom IDl des Feldeffekttransistors FETl und stellt einen beide Feldeffekttransistoren durchfließenden Querstrom dar. Die wechselstrommäßige Entkopplung wird hier durch die Drosseln Ll und Ll vorgenommen. Die Gleichstrom-Parameter für die zweistufige Verstärkerschaltung werden neben dem bereits erwähnten Spannungsteiler aus den Widerständen Rl, Rl und A3 noch durch den Widerstand RA festgelegt. Mit dem Widerstand A4, der von der Source-Elektrode S des Feldeffekttransistors FETl gegen Masse gelegt ist, wird der bereits erwähnte Querstrom Π>=Π)1=Π)1 eingestellt.

Die Realisierung des Mikrowellenverstärkers nach Fig. 2 in Mikrostripline-Technik ist auf einer Substratfläche von 39 x 40 mm angeordnet. Die entsprechende Ausfuhrung für zwei hintereinander geschaltete Stufen eines Mikrowellenverstärkers nach Fig. 1 würde zwei Substrate mit den Abmessungen von z. B. 30 x 40 mm erfordern. Weiterhin wäre ein zusätzliches Verbindungselement (MIC-Verbinder) zwischen den Einzelstufen erforderlich. Eine Ausführungsform eines solchen Mikrowellenverstärkers zeigt Fig. 4. Der Mikrowellenverstärker weist eine Verstärkung von 18 dB auf und ist für den Frequenzbereich von 3,5 bis 5,5GHz ausgelegt Als Feldeffekttransistoren FETl und FETl kommen GaAs-FET-Elemente vom Typ CFY12 zur Anwendung. Die Transformationsnetzwerke Π, TL und 73 sind jeweils Leitungsstücke. Breitbandige Leitungskurzschlüsse sind in Form von kreissektorförmigen Metallschichten verwirklicht. Die 3dB-Koppler Kl und Kl sind in Form von Interdigitalkopplern ausgeführt, deren feine Struktur jedoch in der Zeichnung nicht erkennbar ist. Die Widerstände bestehen aus Metallschichten, die als Strukturen auf dem Substrat integriert sind. Das Substrat SU ist ein Aluminiumoxyd AL,O₃.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Breitbandiger Mikrowellenverstärker für den GHz-Bereich in Mikrostripline-Ausführung, bestehend aus parallele Verstärkerzweige darstellenden Feldeffektransistoren, die eingangs- und ausgangsseitig über Transformationsnetzwerke hinweg durch 3dB-Koppler zu einem gemeinsamen Ein- und Ausgang verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der gleich aufgebauten Verstärkerzweige zwei- oder mehrstufig aufgebaut ist und hierzu pro Stufe (VSl, KS2)einen Feldeffekttransistor (FETl, FETl) aufweist, und daß die Feldeffekttransistoren eines Verstärkerzweiges über Transformationsnetzwerke (Ti) miteinander in Serie geschaltet sind.

2. Breitbandiger Mikrowellenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (FETl, FETT) eines Verstärkerzweiges sowohl wechselspannungsgemäß als auch gleichspannungsmäßig in Serie geschaltet sind und hierbei eine gegenseitige Entkopplung von Gleich- und Wechselstromweg vorgenommen ist.

3. Breitbandiger Mikrowellenverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Feldeffekttransistoren (FETl, FETl) in einem Verstärkerzweig miteinander verbinden Transformationsnetzwerke (Tz) jeweils aus einem kurzen Leitungsstück geeigneter Breite und Länge bestehen.