Главная

Воронежский НИИ электронной техники информирует о новых разработках в области создания мощных СВЧ транзисторов для различных областей применения [1-3]. Познакомим специалистов и радиолюбителей с последними разработками группы СВЧ транзисторов КТ8197, КТ9189, КТ9192, 2Т9188А, КТ9109А, КТ9193 для подвижных средств связи с выходной мощностью от 0,5 до 20 Вт в диапазонах MB и ДМВ.

Ужесточение требований к функциональным и эксплуатационным параметрам современной аппаратуры средств связи предъявляет соответственно и более высокие требования к энергетическим параметрам мощных СВЧ транзисторов, их надежности, а также к конструктивному исполнению приборов.

Прежде всего, необходимо иметь в виду, что возимые и носимые радиостанции питаются непосредственно от первичных источников. Для этой цели используют химические источники тока (малогабаритные батареи элементов или аккумуляторов) с напряжением, как правило, от 5 до 15 В. Пониженное напряжение питания накладывает ограничения на мощностные и усилительные свойства генераторного транзистора. Вместе с тем мощные низковольтные СВЧ транзисторы должны обладать высокими энергетическими параметрами (такими, как коэффициент усиления по мощности К_уР и коэффициент полезного действия коллекторной цепи h _к во всем рабочем частотном диапазоне.

Учитывая тот факт, что выходная мощность генераторного транзистора пропорциональна квадрату напряжения основной гармоники на коллекторе, эффект * снижения уровня его выходной мощности с уменьшением питающего коллекторного напряжения может быть конструктивным путем скомпенсирован соответствующим увеличением амплитуды тока полезного сигнала. Поэтому при проектировании низковольтных транзисторов в сочетании с решением комплекса конструкторско-технологических задач должны быть оптимально решены вопросы, связанные одновременно с проблемой уменьшения напряжения насыщения коллектор—эмиттер и увеличения плотности критического тока коллектора.

Работа низковольтных транзисторов в режиме с более высокими плотностями тока по сравнению с обычными генераторными транзисторами (предназначенными для использования при Uпит = 28В и выше) усугубляет проблему обеспечения долговременной надежности из-за необходимости подавления более интенсивного проявления деградационных механизмов в токоведущих элементах и контактных слоях металлизации транзисторной структуры. С этой целью в разработанных СВЧ низковольтных транзисторах применена многослойная высоконадежная система металлизации на основе золота.

Хорошо известно, что для эксплуатации подвижных средств связи в реальных (полевых) условиях характерна нестабильность нагрузочной характеристики их антенно-фидерного тракта. Из-за постоянно меняющихся условий в режиме передачи и неконтролируемого отражения полезного сигнала (вплоть до обрыва антенны или ее замыкания на "землю") возникает необходимость предусматривать специальные меры защиты выходных ступеней усилителя мощности. В то же время введение дополнительных развязывающих устройств приводит к существенному удорожанию аппаратуры.

Отсюда возникает задача создания таких специальных СВЧ транзисторов, которые в выходных ступенях усилителя мощности радиостанций сохраняли бы свою работоспособность практически при неограниченном уровне рассогласования с нагрузкой. Разработанные и описываемые ниже транзисторы сохраняют свою работоспособность на уровне номинальной мощности до значения КСВн = °°. Столь высокая надежность обеспечена конструктивно-технологическими мерами - приборы имеют более чем трехкратный запас по рассеиваемой мощности в динамическом режиме.

Рассматриваемые в настоящей статье транзисторы спроектированы с учетом их основного применения в усилителях мощности в режиме класса С при включении по схеме с общим эмиттером. Вместе с тем допустима их работа в режиме классов А, В, и АВ под напряжением, отличном от номинального значения, при условии, что рабочая точка находится в пределах области безопасной работы и приняты меры, не допускающие входа в режим автогенерации.

Транзисторы работоспособны и при значении Uпит менее номинального. Но в этом случае значения электрических параметров могут отличаться от паспортных. Допускается работа транзисторов с токовой нагрузкой, соответствующей значению I_Kmax, если максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность коллектора в непрерывном динамическом режиме Р_{к.oр mах} не превышает предельного значения.

Благодаря тому, что кристаллы транзисторных структур рассматриваемых приборов изготовлены по базовой технологии и имеют общие конструктивно-технологические признаки, у всех транзисторов одинаковый уровень пробивного напряжения. В соответствии с ТУ на приборы область их применения ограничена значением максимально допустимого постоянного напряжения между эмиттером и базой U_{ЭБ mах} < 3В и максимально допустимого постоянного напряжения между коллектором и эмиттером U_{КЭ max} < 36В. При этом указанные значения пробивного напряжения справедливы для всего интервала рабочей температуры окружающей среды.

Основной концептуальной идеей, позволившей сделать еще один шаг в области создания мощных низковольтных транзисторов в миниатюрном исполнении, стала разработка новых оригинальных конструктивно-технологических решений при создании серий бескорпусных транзисторов КТ8197, КТ9189, КТ9192 Сущность идеи состоит в создании конструкции транзистора на основе керамического кристаллодержателя из окиси бериллия и ленточных металлизированных выводов на гибком носителе - полиимидной пленке.

Ленточный носитель со специальным фотолитографическим рисунком в виде выводной рамки служит единым проводящим элементом, на котором одновременно формируют контакт к многоячеистой транзисторной структуре и внешние выводы прибора. Все элементы внутренней ленточной арматуры герметизируют компаундом. Размеры основания металлизированного керамического держателя - 2,5-2,5 мм. Монтажная поверхность кристаллодержателя и выводы покрыты слоем золота. Вид и габариты транзистора представлены на рис. 1,а. Для сравнения заметим, что наиболее миниатюрные зарубежные транзисторы в металлокерамическом корпусе (например, CASE 249-05 фирмы Motorola) имеют круглое керамическое основание диаметром 7 мм.

Конструктивное исполнение транзисторов серий КТ8197, КТ9189, КТ9192 предусматривает их установку на печатную плату методом поверхностного монтажа. В соответствии с рекомендациями по применению этих транзисторов пайку внешних выводов необходимо производить при температуре 125...18СГС в течение не более 5с.

Благодаря реализации запасов по электрическим и теплофизическим параметрам удалось существенно расширить область потребительских функций бескорпусных СВЧ транзисторов. В частности, для транзисторов серии КТ8197 с номинальным значением напряжения Uпит = 7,5В и серий КТ9189, КТ9192 (12,5В) граница области безопасной работы в динамическом режиме расширена до Uпит mах = 15 В. Увеличение питающего напряжения относительно номинального значения позволяет поднять уровень выходной мощности портативного передатчика и соответственно увеличить дальность радиосвязи. Транзисторы способны работать без снижения рассеиваемой мощности в непрерывном динамическом режиме во всем рабочем температурном интервале.

В целом, при разработке этих транзисторов принципиальным образом, были решены вопросы не только миниатюризации, но и снижения стоимости. В результате транзисторы оказались примерно в пять раз дешевле зарубежных аналогичного класса в металлокерамическом корпусе. Разработанные миниатюрные СВЧ транзисторы могут найти самое широкое применение как при традиционном использовании в виде дискретных компонентов, так и в составе гибридных микросхемных усилителей ВЧ мощности. Очевидно, что наиболее эффективно их применение в носимых портативных радиостанциях.

Выходные ступени мобильных передатчиков обычно питают непосредственно от автомобильной аккумуляторной батареи. Транзисторы для выходных ступеней рассчитаны на номинальное напряжение питания Uпит = 12,5 В. Параметрические ряды транзисторов для каждого связного диапазона построены с учетом обеспечения разрешенного максимального уровня выходной мощности для возимых передатчиков Рвых = 20 Вт [4]. Разработка мощных низковольтных СВЧ транзисторов (с Рвых >10 Вт) сопряжена с более сложными конструкторскими задачами. Дополнительно здесь возникают проблемы сложения динамической мощности и отвода тепла от больших кристаллов СВЧ структур.

Рис.1.

Топология кристалла мощных транзисторов имеет весьма развитую эмиттерную структуру, характеризующуюся малым импедансом. Для обеспечения требуемой частотной полосы, упрощения согласования и повышения коэффициента усиления по мощности в транзисторы встраивают LC-цепь внутреннего согласования по входу. Конструктивно LC-цепь выполнена в виде микросборки на основе МДП-конденсатора и системы проволочных выводов, выполняющих роль индуктивных элементов.

В развитие мощностного ряда ранее разработанных транзисторов серии 2Т9175 для применения в УКВ диапазоне [2] созданы транзисторы 2Т9188А (Рвых = 10 Вт) и КТ9190А (20 Вт). Для диапазона ДМВ разработаны транзисторы КТ9193А (Рвых = 10 Вт) и КТ9193Б (20 Вт). Транзисторы выполнены в стандартном корпусе КТ-83 (см. рис. 1 ,б).

Использование этого металлокерамического корпуса в свое время позволило создать высоконадежные транзисторы двойного назначения для РЭА с повышенными требованиями к внешним факторам и с возможностью эксплуатации в жестких климатических условиях. С целью обеспечения гарантированной надежности при температуре корпуса от +60°С применительно к транзисторам с выходной мощностью Рвых = 10 Вт, а с Рвых = 20Вт - от +40 до +125°С максимально допустимую среднюю рассеиваемую мощность в непрерывном динамическом режиме необходимо линейно уменьшать в соответствии с формулой -

Рк.ср. mах = (200 - Tкopп)/R_Тп-к где:

• Ткорп. - температура корпуса, °С;
• R_Тп-к - тепловое сопротивление перехода переход-корпус, °С/Вт).

В настоящее время в России создается федеральная сеть радиосвязи по стандарту NMT-450i (на частоте 450 МГц). Разработанная серия приборов КТ9189, 2Т9175, 2Т9188А, КТ9190А может практически полностью покрыть потребность в рассматриваемом секторе рынка аппаратуры на отечественной транзисторной элементной базе.

Кроме этого, уже начиная с 1995 г. в России разворачиваются федеральная сеть сотовой системы подвижной абонентной связи в рамках стандарта GSM (900 МГц) и сотовая система для региональной связи по американскому стандарту AMPS (800 МГц). Для создания указанных сотовых систем радиосвязи в ДМВ могут быть использованы малогабаритные транзисторы серии КТ9192 с выходной мощностью 0,5 и 2Вт, а также серии КТ9193 с выходной мощностью 10 и 20Вт.

Решение задачи миниатюризации аппаратуры и, соответственно, ее элементной базы коснулось не только носимых портативных радиопередатчиков. В ряде случаев и для возимой аппаратуры радиосвязи, а также аппаратуры специального назначения возникает потребность в уменьшении массогабаритных показателей мощных СВЧ низковольтных транзисторов.

Таблица 1.

Для этих целей разработана модифицированная бесфланцевая конструкция корпуса на базе КТ-83 (рис.1,в), в котором выпускают транзисторы 2Т9175А-4-2Т9175В-4, 2Т9188А-4, КТ9190А-4, КТ9193А-4, КТ9193Б-4. По электрическим характеристикам они аналогичны соответствующим транзисторам в стандартном конструктивном исполнении. Эти транзисторы монтируют низкотемпературной пайкой кристаллодержателя непосредственно к теплоотводу. Температура корпуса в процессе пайки не должна превышать +150°С, а суммарное время нагревания и пайки - 2 мин.

Для этих целей разработана модифицированная бесфланцевая конструкция корпуса на базе КТ-83 (рис. 1,в), в котором выпускают транзисторы 2Т9175А-4 - 2Т9175В-4, 2Т9188А-4, КТ9190А-4, КТ9193А-4, КТ9193Б-4. По электрическим характеристикам они аналогичны соответствующим транзисторам в стандартном конструктивном исполнении. Эти транзисторы монтируют низкотемпературной пайкой кристаллодержателя непосредственно к теплоотводу. Температура корпуса в процессе пайки не должна превышать +150°С, а суммарное время нагревания и пайки - 2 мин.

Основные технические характеристики рассматриваемых транзисторов представлены в табл. 1. Коэффициент полезного действия цепи коллектора всех транзисторов - 55 %. Значения максимально допустимого постоянного тока коллектора соответствуют всему интервалу рабочей температуры.

Рис.2.

На рис. 2,а изображена полная схема транзисторов 2Т9188А, КТ9190А, а на рис. 2,6 - транзисторов серий КТ8197, КТ9189, КТ9192, 2Т9175 L - расстояние от границы пайки до клеевого шва герметизирующей крышки или герметизирующего покрытия кристаллодержателя.

Это расстояние регламентировано в рекомендациях по применению СВЧ транзисторов в ТУ на них и обязательно учитывается при расчете реактивных элементов транзисторов. Параметры реактивных элементов, показанных на схемах, сведены в табл. 2. Эти параметры необходимы для расчета согласующих цепей усилительного тракта разрабатываемых устройств.

Таблица 2.

Разработка новой транзисторной элементной базы открывает широкую перспективу как создания современной профессиональной коммерческой, а также любительской аппаратуры радиосвязи, так и совершенствования уже разработанной с целью улучшения ее электрических параметров, снижения массы, габаритов и стоимости.

Материал подготовили В. Кожевников, В. Асессоров, А. Асессоров, В. Дикарев

Литература:

1.Асессоров В., Кожевников В., Косой А. Научный поиск российских инженеров. Тенденция развития мощных СВЧ транзисторов. - Радио, 1994, № 6, с. 2,3.

2. Асессоров В., Кожевников В., Косой А. Новые транзисторы СВЧ. - Радио, 1996. № 5. с. 57, 58.

3.Асессоров В., Асессоров А., Кожевников В., Матвеев С. Линейные СВЧ транзисторы для усилителей мощности. - Радио, 1998, № 3, с. 49-51.

4. Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. ГОСТ 12252-86 (СТ СЭВ 4280-83).

Р10-1999

Главная