DE3324540C2

DE3324540C2 - Broadband microwave amplifier

Info

Publication number: DE3324540C2
Application number: DE19833324540
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 8084 Inning Schwarz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-07-07
Filing date: 1983-07-07
Publication date: 1986-08-28
Also published as: DE3324540A1

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.Broadband microwave amplifiers in microstripline technology for the GHz range are used for low-noise reception amplifiers as well as power amplifiers in transmitter output stages of radar, radio relay or satellite systems. Multi-stage arrangements are required for high reinforcements. It is proposed that such a broadband microwave amplifier be implemented in several stages by providing two multi-stage amplifier branches whose amplifier stages (Vs1, Vs2) are connected to one another via transformation networks (Tz) and which in turn are input and output via further transformation networks (Te, Ta ) are each connected to a common input and output via a 3 dB coupler (K1, K2).

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.The invention relates to a broadband microwave amplifier for the GHz range in microstripline design, consisting of field effect transistors representing parallel amplifier branches, the input and on the output side via transformation networks through 3 dB couplers to one common input and output are connected.

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.Microwave amplifiers for frequencies above 2GHz are predominantly made with GaAs FET semiconductor components realized. This means that both low-noise receiving amplifiers and power amplifiers can be used in transmitter output stages of radar, radio relay and satellite systems. Bigger reinforcements are implemented by series-connected amplifier stages.

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. Because of the unfavorable input and output impedances of the GaAs FET elements, it is mainly used for broadband applications very complex to develop suitable matching networks for the respective frequency range, both a constant gain over the entire frequency range and a large one Provide reflection attenuation at the input and output of the amplifier stage. This fact is of particular importance when connecting such amplifier stages in series.

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.From the reference MSN: April / May 1976, pages 39 to 48, it is known for broadband applications To realize such a microwave amplifier an amplifier stage in that two identical field effect transistors with input and output transformation networks on both the input and output sides via a 3 dB coupler in the form of a quadrature hybrid are interconnected. Such an arrangement enables the transformation networks with respect to their adaptation to the inputs and outputs of the transistors only with respect to the required Dimensioning the frequency response. If the two amplifier branches are symmetrical, they compensate each other reflected wave trains in the 3dB couplers. So it can be over with such circuit arrangements large frequency ranges achieve good matching properties with constant gain values. Got to such a reinforcement arrangement have a gain that cannot be achieved with one stage can, are two or more such stages via a connecting element to switch one after the other. The manufacturing effort for two-stage and multi-stage Amplifier is considerable because the coupler structures are usually designed as interdigital couplers 3dB couplers require a very complex technology. This also results in such multi-level arrangements relatively large dimensions of the overall arrangement, since each stage has its own substrate to be attached to it Circuit is required.

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.The invention is based on the object for a two-stage and multi-stage amplifier arrangement of the last described type to specify a further solution, which with a much lower technical effort and can also be manufactured with smaller dimensions.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the features indicated in the characterizing part of claim 1 Features solved.

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.How extensive studies on which the invention is based have shown can be extraordinary Advantageously, two-stage and multi-stage, broadband microwave amplifiers for the GHz range can be realized using GaAs FET elements in that the two amplifier branches built between the 3 dB couplers in two or more stages, each with a field effect transistor The transformation networks connecting the field effect transistors to one another in an amplifier branch can consist in a simple manner of a short, suitably sized piece of line. In this way, not only can two 3 dB couplers be saved for each additional stage, but more also apply the entire arrangement to a single substrate, which results in a substrate saving of about 30% in addition to the significantly reduced manufacturing costs.

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-In a further development of the invention, it is also proposed that the field effect transistors of an amplifier branch to connect in series both in terms of AC voltage and DC voltage and this make a mutual decoupling of direct and alternating current paths. As a rule, namely GaAs FET amplifiers integrated in analog systems that are centrally fed by power supply units and the voltages of e.g. B. deliver 12.15 or 24 V to the sub-assemblies. Small signal GaAs FET amplifier only require voltages between +3 and +5 V. The power requirement for each amplifier stage can be in the order of 15 to 70 mA. Thus, for each amplifier stage, the excessive operating voltage of the central power supply results in a not inconsiderable power loss, which in Form of heat must be dissipated. In the inventive Series connection of two or three field effect transistors can make this undesirable Avoid power loss, as the existing operating voltage is reduced to two or three field

effekttransistoren aufgeteilt werden kann.Effect transistors can be split.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch notier erläutert werden. In der Zeichnung bedeutetUsing an exemplary embodiment shown in the drawing the invention is to be explained in the following notier. In the drawing means

F i g. 1 das Blockschaltbild eines bekannten breitban- s digen Mikrowellenverstärkers.F i g. 1 the block diagram of a known broadband microwave amplifier.

F i g. 2 eine zweistufige Ausführung eines breitbandigen Mikrowellenverstärkers nach der Erfindung,F i g. 2 shows a two-stage embodiment of a broadband microwave amplifier according to the invention,

Fig. 3 ein Schaltungseinzelheiten wiedergebendes Schaltbild eines zweistufigen Ventärkerzweigs nach Fig. 2,3 shows a circuit diagram showing circuit details of a two-stage ventilator branch according to FIG Fig. 2,

Fig. 4 die Aufsicht auf einen in Mikrostriptechnik realisierten Mikrowellenverstärker nach Fig. 2 und 3.4 shows the plan view of a microwave amplifier according to FIGS. 2 and 3 implemented using microstrip technology.

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.The block diagram of a known broadband microwave amplifier as it has become known, for example, from the reference cited at the beginning, consists of two mutually parallel amplifier stages VS, each implemented with a GaAs FET element. The amplifier stages VS are connected on the input side via the transformation networks Te to two outputs of the 3 dB coupler Kl , the input of which is ede !! Represents the input of the amplifier and the fourth terminal of which is connected to ground potential via the terminating resistor Z. In the same way, the amplifier stages VS are connected on the output side via the transformation networks Ta to two inputs of the 3 dB coupler Kl , the third terminal of which forms the output α and the fourth terminal of which is in turn connected to ground potential via the terminating resistor Z. If gain values are required which cannot be achieved with an amplifier stage VS , then amplifier stages of the type shown in FIG. 1 are to be connected in series with one another via their free coupler connections.

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. The structure of the structure of the microwave amplifier according to FIG. 1 corresponding microwave amplifier according to Fi g. 2 is a two-stage version which, in contrast to known two-stage microwave amplifiers of this type, manages with only two 3 dB couplers Kl and Kl. This is achieved in that instead of the amplifier stage VS per amplifier branch according to FIG. 1 two amplifier stages VSt and VSL are provided, each with a GaAs FET element, which are connected in series with one another via the further transformation network Tz.

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.The circuit example according to FIG. 3 for a two-stage amplifier branch amplifier without the transformation networks according to Fig. 2, comprises in the first stage of the field effect transistor FETL and in the second stage, the field effect transistor FETL. The DC operating voltage Ub, which is connected to ground via the capacitor Co as an alternating current, is fed to the field effect transistors connected in series with direct current at the gate electrode G via the voltage divider Rl, Rl and Λ3. The alternating current input se is connected to the gate electrode G of the field effect transistor FET1 via the coupling capacitor C1. The two field effect transistors FET1 and FET1 work in what is known as the source circuit, with the source electrode S connected to ground in terms of alternating voltage. This is achieved through capacitors C4 and C5. The drain current ZDl of the field effect transistor, KETl is equal to the drain current IDl of the field effect transistor FETl and represents a cross current flowing through both field effect transistors. The alternating current decoupling is carried out here by the chokes Ll and Ll . The direct current parameters for the two-stage amplifier circuit are determined by the resistor RA in addition to the voltage divider already mentioned from the resistors R1, R1 and A3. With the resistor A4, which is connected to ground by the source electrode S of the field effect transistor FET1, the aforementioned cross current Π> = Π) 1 = Π) 1 is set.

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.The implementation of the microwave amplifier according to FIG. 2 in microstripline technology is arranged on a substrate area of 39 × 40 mm. The corresponding embodiment for two series-connected stages of a microwave amplifier according to FIG. 1 would have two substrates with the dimensions of, for. B. require 30 x 40 mm. Furthermore, an additional connecting element (MIC connector) would be required between the individual stages. An embodiment of such a microwave amplifier is shown in FIG. 4. The microwave amplifier has a gain of 18 dB and is designed for the frequency range from 3.5 to 5.5 GHz . GaAs FET elements of the CFY12 type are used as field effect transistors FET1 and FET1. The transformation networks Π, TL and 73 are each line pieces. Broadband line short circuits are implemented in the form of metal layers in the shape of a sector of a circle. The 3 dB couplers Kl and Kl are designed in the form of interdigital couplers, the fine structure of which, however, cannot be seen in the drawing. The resistors consist of metal layers that are integrated as structures on the substrate. The substrate SU is an aluminum oxide AL, O ₃ .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Broadband microwave amplifier for the GHz range in microstripline design, consisting of field effect transistors representing parallel amplifier branches, which are connected on the input and output side via transformation networks through 3 dB couplers to a common input and output, characterized in that each of the same constructed amplifier branches is constructed in two or more stages and for this purpose per stage (VSl, KS2) has a field effect transistor (FETl, FETl) , and that the field effect transistors of an amplifier branch are connected in series with one another via transformation networks (Ti).

2. Broadband microwave amplifier according to claim 1, characterized in that the field effect transistors (FETl, FETT) of an amplifier branch are connected in series both in terms of AC voltage and DC voltage, and in this case a mutual decoupling of DC and AC paths is made.

3. Broadband microwave amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the field effect transistors (FETl, FETl) in an amplifier branch connect the transformation networks (Tz) each consist of a short line piece of suitable width and length.