ОХЛАЖДАЕМЫЕ МШУ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

June 21, 2012 by admin Комментировать »

В. М. Миннебаев , В. В. Краснов

* ГУП НПП “Пульсар”

105187, Москва, Россия, Окружной пр., 27 факс: 095-366-55-83, e-mail: root(8)_pulsar. msk. su ** ФИАН им. П. Н.Лебедева 119991, ГСП-1, Москва, В-333, Россия, Ленинский пр. 53 E-mail: postmaster@lebedev.ru


Аннотация Представлены результаты проектирования и изготовления охлаждаемых малошумящих усилителей (МШУ) 13-мм и 8-мм диапазонов длин волн на базе дискретных полевых транзисторов (ПТ) и монолитных интегральных схем (МИС), а также сравнение их СВЧ характеристик, надежности и воспроизводимости устройств на их основе. Изготовленные для использования в приемниках РТ-22 ФИАН охлаждаемые МШУ обладают при ТОкр=20К следующими параметрами: 1) рабочая полоса частот 3338ГГц, ТШ<80К, КуР=36 дБ; 2) рабочая полоса частот 2125ГГц, ТШ<30К, КуР=27 дБ.

I. Введение

Рис. 1. Измеренные и расчетные характеристики однокаскадной ГИС охлаждаемого МШУ

Работа проводится в рамках модернизации приемного комплекса РТ-22 ФИАН, в частности приемников, охлаждаемых микрокриогенной системой замкнутого цикла водородного уровня. Шумовые характеристики находящихся в эксплуатации с начала 90-х годов МШУ [1], изготовленных на основе дискретных GaAs FET, уже не отвечают современным требованиям к приемной аппаратуре радиоастрономического комплекса. В настоящее время разработаны и введены в эксплуатацию охлаждаемые МШУ 13-мм и 8-мм диапазонов. На заключительном этапе модернизации будет осуществлен переход к многоканальному приему информации при спектральных наблюдениях в 8 мм диапазоне.

II.    Проектирование и изготовление охлаждаемых МШУ

Fig. 1. Measured and calculated characteristics for one-stage coolable LNA MIC

Отличительной особенностью проектирования охлаждаемых малошумящих устройств является отсутствие паспортных данных о шумовых и S-параметрах активного элемента в условиях криотемператур. Поэтому необходимо проведение целого ряда параметров транзистора при рабочей температуре окружающей среды и последующее восстановление шумовой эквивалентной схемы активного элемента [2].

Для восстановления использована шумовая модель Поспешальского, широко применяемая при проектировании малошумящих криоусилителей на основе ПТ и включающая в себя два источника шума: шумовой источник в затворе с температурой Тз и шумовой источник в стоке Тс [3]. Минимальная шумовая температура (ТМин) кристалла ПТ, описываемая предлагаемой шумовой моделью, может быть аппроксимирована следующим упрощенным выражением:

где fрабочая частота,

ft = Gn/(2^-C3n) частота отсечки,

Gm крутизна транзистора.

Значительное количество экспериментов показывает, что шумовая температура в затворе Тз эквива-

лентна температуре окружающей среды Токр [4], а шумовой источник стока может быть аппроксимирован выражением тс «300 + 6 -Токр [5].

Для изготовления МШУ диапазона 13-мм использован GaAs НЕМТ ЕС2612 (ф. UMS). Проведенные расчеты показали, что данный НЕМТ не является устойчивым в рабочем диапазоне частот, поэтому для обеспечения его устойчивой работы в составе ГИС использовалась конструктивная индуктивность обратной связи в истоке. Расчетные и измеренные параметры однокаскадной ГИС представлены на рис.1. Проведенные эксперименты показали необходимость использования вентилей на входе и выходе МШУ, а также между секциями. Полученные при Токр=20К результаты трехкаскадного криогенного МШУ с входными вентилями представлены на рис. 2.

Puc. 2. Измеренные при TOkp=20K характеристики МШУ Fig. 2. Measured characteristics of LNA at T=20 К

При проектировании МШУ 8-мм диапазона не удалось найти конструктивных решений, способных обеспечить устойчивую работу НЕМТ ЕС2612 при сохранении достаточного уровня Кур. Поэтому МШУ был реализован на базе GaAs МИС СНА2094Ь (ф. UMS). Измеренные параметры МШУ, включающего две МИС, а также входной и выходной волноводные вентили при Токр=20 К представлены на рис. 3.

III.   Применение

С января 2001 г. трехкаскадный МШУ на НЕМТ работает в охлаждаемом спектральном приемнике

13-         мм диапазона РТ-22 ФИАН. Усилитель установлен во входном криоблоке приемника вместо транзисторного усилителя на ВЩЛ, шумовая температура которого в рабочей полосе не превышала 115 К [1]. Рабочий диапазон приемника: 22,0…24,5 ГГц определяется широкополосностью переключателя, расположенного перед МШУ, который осуществляет переключение диаграммы направленности телескопа. Применение МШУ на НЕМТ с шумами не более 30 К в рабочей полосе частот, позволило снизить шумовую температуру приемника почти на 100 К. Шумовая температура системы РТ-22 на волне 13 мм с МШУ на НЕМТ составляет 120 К (ясная погода, зенит), что почти в два раза меньше, чем при использовании усилителей на полевых транзисторах.

С февраля 2003г. МШУ на базе МИС СНА2094Ь работает в охлаждаемом спектральном приемнике 8-мм диапазона РТ-22 ФИАН. Усилитель установлен во входном криоблоке приемника вместо транзисторного усилителя на волноводно-щелевых линиях, где в качестве активного элемента использовались FET транзисторы. Применение МШУ на базе МИС СНА2094Ь с шумами менее 80К в рабочей полосе частот, позволило снизить шумовую температуру приемника на 50 К. Шумовая температура системы РТ-22 на волне 8-мм с МШУ на базе МИС составляет Тш сист<200К (ясная погода, зенит).

IV. Литература

[1] В. В. Краснов, А. А. Максяшева //XXV Радиоастрономическая конференция. Пущино, 20-24 сент. 1993. Сб.тез.докп. Пущино: ОНТИ Пущинского научного центра РАН. С. 266.

[2] В. В. Краснов, В. М. Миннебаев. «Охлаждаемый гибридный малошумящий усилитель диапазона 13мм» «Радиотехника и электроника», 2002, том 47, № 1, стр.120-125.

[3] М. Pospieszalski. “Modeling of Noise Parameters of MESFET’s and MODFET’s and Their Frequency Dependence”, 1989, IEEE MTT Trans., vol. MTT-37, pp.1340-1350.

[4] M. Pospieszalski, E. Wollack. “Ultra-Low-Noise Field Effect Transistor Amplifiers for Radio Astronomy Receivers”, GAAS’2000, Paris.

[5] S. Weinreb, T Gaier, E. Fernandes, N. Erikson, J. Weilgus. “Cryogenic MMIC Low Noise Amplifiers”, GAAS’2000, Paris.

Рис. 3. Измеренные при Токр=20К характеристики МШУ

MILLIMETER-WAVE COOLABLE LNAs

V. M. Minnebaev*, V. V. Krasnov**

SRI “Pulsar"

105187, Moscow, Russia, Okrugnoi pr., 27 Jax: 095-366-55-83, e-mail: rootfcbpulsar.msk.su FIAN, 119991, Moscow, Russia, Leninsky pr., 53 e-mail: postmaster@lebedev.ru

Abstract Presented here are the results of design and production of cooled low-noise amplifiers for 13-mm and 8-mm bands on the basis of discrete FETs and monolithic ICs. LNAs fabricated for RT-22 FIAN receivers have the following parameters: 1) AF=33-38GHz, Tn<80K, Gain=36dB; 2) AF=21-25GHz, TN<30K, Gain=27dB.

Fig. 3. Measured characteristics of LNA at T=20 К


Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты