RU2226307C2

RU2226307C2 - High-power microwave transistor

Info

Publication number: RU2226307C2
Application number: RU2001101644/28A
Authority: RU
Inventors: В.Л. Аронов; В.И. Диковский
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2004-03-27

Abstract

FIELD: designing and producing high-power microwave transistors. SUBSTANCE: proposed transistor has case incorporating internal sectionalized collector electrode that mounts resistors connected in series with its adjacent sections and external collector electrode with collector lead connected thereto. It also has transistor chips, at least one per section of internal collector electrode, matching capacitor with one of its electrodes mounted on metal base between internal and external collector electrodes of transistor; this metal base is connected to common electrode of transistor. Other electrode of capacitor, external collector electrode, and collector lead connected to the latter are coaxially divided into at least to sections with series resistors inserted between adjacent sections of capacitor electrode. EFFECT: enhanced resistance to transverse electromagnetic waves at output voltage rise. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструированию и производству особо мощных СВЧ-транзисторов, использующихся при создании источников СВЧ-мощности в передающих устройствах (в системах связи, радиолокации, опознавания) оборудования для дефектоскопии, СВЧ-нагрева в бытовых, промышленных и медицинских целях.The invention relates to the design and manufacture of particularly powerful microwave transistors used to create microwave power sources in transmitting devices (in communication systems, radar, recognition) of equipment for flaw detection, microwave heating for domestic, industrial and medical purposes.

Известен мощный СВЧ-транзистор с элементами внутреннего согласования в выходной цепи [1]. Недостатком такой конструкции транзистора является то, что при попытке увеличения выходной мощности путем увеличения включаемых параллельно транзисторных структур в транзисторе такой конструкции возникает электрическая неустойчивость, связанная с возникновением поперечных электромагнитных колебаний.Known powerful microwave transistor with elements of internal matching in the output circuit [1]. The disadvantage of this design of the transistor is that when you try to increase the output power by increasing parallel connected transistor structures in a transistor of this design, an electrical instability occurs due to the occurrence of transverse electromagnetic waves.

Известен мощный СВЧ-транзистор, в котором выходная мощность может быть повышена вдвое. Это фактически двойной транзистор, электрическая устойчивость которого достигается внешней схемой мостового сложения мощности. Как правило [2] две половины такого транзистора используются в режиме противофазного возбуждения. Однако в этом случае проблема с электрической неустойчивостью возникает в каждой половине транзистора при попытке дальнейшего повышения выходной мощности.A powerful microwave transistor is known in which the output power can be doubled. This is actually a double transistor, the electrical stability of which is achieved by an external bridge power addition circuit. As a rule [2], two halves of such a transistor are used in antiphase excitation mode. However, in this case, a problem with electrical instability occurs in each half of the transistor when trying to further increase the output power.

Известна [3] конструкция транзистора, показанная на фиг.1, являющаяся прототипом предлагаемого изобретения. В ней предусмотрены некоторые элементы, подавляющие поперечные электромагнитные колебания. В этом транзисторе внутренний коллекторный электрод 1 разделен на две секции 1а. Транзисторные кристаллы 2 расположены поровну в каждой секции внутреннего электрода. С помощью индуктивных элементов 3 выходной согласующей цепи каждая секция 1а соединена с электродом 5 выходного согласующего конденсатора 4, смонтированного другим электродом на металлическом основании 6, соединенном с общим электродом транзистора. С помощью проводников 7 электрод 5 конденсатора соединен с внешним коллекторным электродом 8, к которому присоединен коллекторный вывод 9. Вблизи места разделения внутреннего электрода на каждой его секции 1а смонтированы резисторы 10, объединенные проводниками 11. Таким образом внутренний коллекторный электрод оказывается электрически объединенным в одну цепь с последовательно включенными в его середине резисторами. Существуют условия оптимизации при выборе номинала резисторов для определенной конструкции транзистора и диапазона его рабочих частот. Однако, при необходимости существенного повышения величины выходной мощности транзистора, т.е. при увеличении количества включаемых параллельно транзисторных структур, транзистор, выполненный в конструкции описанного прототипа, становится все же электрически неустойчивым по отношению к возникновению поперечных электромагнитных колебаний, поскольку поперечная электрическая неустойчивость может развиваться внутри каждой секции. Простое разделение внутреннего коллекторного электрода на большее количество секций оказывается недостаточно эффективным.Known [3] the design of the transistor shown in figure 1, which is the prototype of the invention. It provides some elements that suppress transverse electromagnetic waves. In this transistor, the internal collector electrode 1 is divided into two sections 1a. Transistor crystals 2 are located equally in each section of the internal electrode. Using inductive elements 3 of the output matching circuit, each section 1a is connected to the electrode 5 of the output matching capacitor 4 mounted by another electrode on a metal base 6 connected to a common electrode of the transistor. Using the conductors 7, the capacitor electrode 5 is connected to the external collector electrode 8, to which the collector terminal 9 is connected. Close to the separation point of the internal electrode, resistors 10 are mounted on each of its sections 1a, connected by the conductors 11. Thus, the internal collector electrode is electrically combined into one circuit with resistors connected in series in its middle. There are optimization conditions when choosing the value of resistors for a particular transistor design and its operating frequency range. However, if necessary, a significant increase in the output power of the transistor, i.e. with an increase in the number of transistor structures connected in parallel, the transistor made in the construction of the described prototype nevertheless becomes electrically unstable with respect to the occurrence of transverse electromagnetic waves, since transverse electrical instability can develop inside each section. Simply dividing the internal collector electrode into a larger number of sections is not effective enough.

Целью изобретения является создание конструкции мощного СВЧ-транзистора, позволяющей сохранить его высокую устойчивость к поперечным электромагнитным колебаниям при существенном повышении величины его выходной мощности путем увеличения количества включенных параллельно транзисторных структур.The aim of the invention is to create the design of a powerful microwave transistor that allows you to maintain its high resistance to transverse electromagnetic waves with a significant increase in its output power by increasing the number of transistor structures connected in parallel.

Для решения поставленной задачи предлагается мощный СВЧ-транзистор, включающий в себя корпус с внутренним, разделенным на секции коллекторным электродом, с резисторами, смонтированными на нем и включенными последовательно между соседними секциями внутреннего электрода, с внешним коллекторным электродом и коллекторным выводом, присоединенным к нему, транзисторные кристаллы, смонтированные по крайней мере по одному в каждой секции внутреннего коллекторного электрода, согласующий конденсатор, смонтированный одним из электродов между внутренним и внешним электродами транзистора на металлическом основании, соединенном с общим электродом транзистора, отличающийся тем, что другой электрод конденсатора, внешний электрод и присоединенный к нему вывод соосно разделены по крайней мере на две секции, между соседними секциями электрода конденсатора смонтированы и включены к ним последовательно резисторы.To solve this problem, a powerful microwave transistor is proposed, which includes a housing with an internal collector electrode divided into sections, with resistors mounted on it and connected in series between adjacent sections of the internal electrode, with an external collector electrode and a collector output connected to it, transistor crystals mounted at least one in each section of the internal collector electrode, a matching capacitor mounted by one of the electrodes between internal and external electrodes of the transistor on a metal base connected to a common electrode of the transistor, characterized in that the other capacitor electrode, the external electrode and the output connected to it are coaxially divided into at least two sections, between adjacent sections of the capacitor electrode are mounted and connected to them in series resistors.

В том числе предлагается транзистор изложенной конструкции, отличающийся тем, что вывод разделен в виде прорезей длиной не менее 1 мм каждая, считая от края внешнего электрода транзистора. Минимальная длина области разделения коллекторного вывода диктуется необходимостью ограничить уменьшение индуктивности цепи, шунтирующей внутренние цепи с потерями. Верхней границы области частичного разделения вывода не устанавливается, т.к. возможно и полное разделение вывода. Однако при большом количестве отдельных полностью разделенных секций вывода его будет неудобно монтировать на металлизацию внешней согласующей платы.Including the proposed transistor of the stated design, characterized in that the output is divided in the form of slots with a length of at least 1 mm each, counting from the edge of the outer electrode of the transistor. The minimum length of the separation area of the collector output is dictated by the need to limit the decrease in the inductance of the circuit shunting the internal circuits with losses. The upper boundary of the region of partial separation of the output is not set, because a complete separation of the output is possible. However, with a large number of separate fully separated output sections, it will be inconvenient to mount it on the metallization of the external matching board.

Предложенная конструкция реализована при разработке мощного СВЧ-транзистора. Схематически его конструкция изображена на фиг.2.The proposed design is implemented in the development of a powerful microwave transistor. Schematically, its design is depicted in figure 2.

В транзисторе внутренний коллекторный электрод 1 разделен на четыре секции 1а. На каждой секции смонтировано по два транзисторных кристалла 2. Индуктивные элементы 3 присоединены к секциям 5а электрода 5 согласующего конденсатора 4, которые, в свою очередь, с помощью проводников 7 соединены с соответствующими секциями 8а внешнего коллекторного электрода 8. К этим секциям присоединены соответствующие секции 9а вывода 9. Вблизи места разделения внутреннего электрода на секции 1а смонтированы резисторы 10, включенные последовательно между соседними секциями 1а с помощью проводников 11. Электрод 5 конденсатора 4 также разделен на четыре секции 5а. Конструктивно конденсатор 4 состоит из четырех МОП конденсаторов 4а, включенных параллельно и расположенных встык друг к другу. Каждая секция 5а расположена на диэлектрической поверхности конденсатора 4. На той же поверхности сформированы тонкопленочные нихромовые резисторы 12, контактирующие одним концом к смежному краю секции 5а, а другим концом - к контактной площадке 13. Проводники 14 через контактные площадки 13 соединяют последовательно смежные резисторы. Таким образом, четыре секции 5а электрода конденсатора 4 оказываются объединенными через последовательно включенные резисторы 12 во всех трех областях разделения электрода 5 конденсатора 4 на секции 5а.In the transistor, the internal collector electrode 1 is divided into four sections 1a. Two transistor crystals 2 are mounted on each section. Inductive elements 3 are connected to sections 5a of the electrode 5 of the matching capacitor 4, which, in turn, are connected using the conductors 7 to the corresponding sections 8a of the external collector electrode 8. The corresponding sections 9a are connected to these sections output 9. Near the place of separation of the internal electrode on section 1a, resistors 10 are mounted, connected in series between adjacent sections 1a using conductors 11. Electrode 5 of capacitor 4 is also a section n 5a into four sections. Structurally, the capacitor 4 consists of four MOS capacitors 4a connected in parallel and located end-to-end to each other. Each section 5a is located on the dielectric surface of the capacitor 4. Thin film nichrome resistors 12 are formed on the same surface, contacting one end to the adjacent edge of section 5a, and the other end to the contact pad 13. Conductors 14 are connected in series through contact pads 13 to adjacent resistors. Thus, the four sections 5a of the electrode of the capacitor 4 are combined through series-connected resistors 12 in all three areas of separation of the electrode 5 of the capacitor 4 into sections 5a.

В данном примере области разделения всех четырех видов соосны, включая и области разделения внутреннего электрода, хотя соосность с последними необязательна. В приведенном примере коллекторный вывод посередине разделен полностью для удобства монтажа, а две крайние области его разделения - частичные и выполнены в виде прорезей шириной 0,5 мм и длиной (вдоль вывода) 1 мм.In this example, the areas of separation of all four types of coaxial, including the area of separation of the internal electrode, although alignment with the latter is optional. In the above example, the collector terminal in the middle is completely divided for ease of installation, and the two extreme areas of its separation are partial and made in the form of slots with a width of 0.5 mm and a length (along the terminal) of 1 mm.

Созданный транзистор на частоте 1,5 ГГц в радиоимпульсном режиме с t_имп=30 мкс и Q=50 отдает в нагрузку 350 Вт при усилении выше 6 дБ и коэффициенте полезного действия коллекторной цепи выше 40%. Этот транзистор полностью свободен от паразитных поперечных электромагнитных колебаний.The created transistor at a frequency of 1.5 GHz in a radio-pulsed mode with t _imp = 30 μs and Q = 50 gives 350 W to the load with amplification above 6 dB and a collector circuit efficiency of more than 40%. This transistor is completely free from spurious transverse electromagnetic waves.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышенное противодействие возникновению паразитных поперечных электромагнитных колебаний в предлагаемой конструкции мощных СВЧ-транзисторов, что позволяет создавать более мощные СВЧ-транзисторы, свободные от неустойчивости к таким колебаниям, без использования внешнего ресурса, каковым является мостовое сложение мощности.The technical result of the invention is an increased counteraction to the occurrence of spurious transverse electromagnetic waves in the proposed design of high-power microwave transistors, which allows you to create more powerful microwave transistors, free from instability to such oscillations, without using an external resource, which is a bridge power addition.

В то же время дополнительно используемое мостовое сложение позволяет выйти на более высокий уровень выходной мощности в источниках СВЧ-мощности.At the same time, the optional bridge addition allows you to reach a higher level of output power in microwave power sources.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что в конструкцию мощного СВЧ-транзистора введены дополнительно активные потери для тока поперечной электромагнитной волны, создаваемые в электроде выходного согласующего конденсатора, и для повышения эффективности этих потерь увеличено индуктивное сопротивление цепочки, практически не содержащей потерь и шунтирующей цепь электрода конденсатора с потерями.The novelty of the invention lies in the fact that the design of a powerful microwave transistor introduces additional active losses for the current of the transverse electromagnetic wave generated in the electrode of the output matching capacitor, and to increase the efficiency of these losses, the inductive resistance of the circuit, which is practically free of losses and shunts the electrode circuit, is increased lossy capacitor.

Технический результат изобретения реализуется лишь при совокупном использовании его отличительных признаков.The technical result of the invention is realized only with the combined use of its distinguishing features.

Неочевидность изобретения можно проиллюстрировать тем, что, например, разделение внешнего электрода и коллекторного вывода на участке транзистора, не содержащем потерь во внутренних цепях объединения выводов транзисторных структур, может вызвать неустойчивость транзистора к поперечным электромагнитным колебаниям, а не способствовать ее подавлению.The non-obviousness of the invention can be illustrated by the fact that, for example, the separation of the external electrode and the collector terminal in a section of a transistor that does not contain losses in the internal circuits of combining the terminals of transistor structures can cause transistor instability to transverse electromagnetic waves, and not contribute to its suppression.

Источники информацииSources of information

1. Родионов А.В. и др. Технический отчет по НИР ″Практика″, регистр. № 33-490 от 16.06.1987 г.1. Rodionov A.V. et al. Technical report on research ″ Practice ″, register. No. 33-490 of June 16, 1987

2. J.J. Jonson and D.S. Wisherd ″Solid State Power for L-Band Radar″ Microwave Journal. August 1980, p.p. 51-54.2. J.J. Jonson and D.S. Wisherd ″ Solid State Power for L-Band Radar ″ Microwave Journal. August 1980, p.p. 51-54.

3. Диковский В.И., Евстигнеев А.С. Патент РФ № 1153767 от 01.07.1981 г. Мощный биполярный генераторный СВЧ-транзистор.3. Dikovsky V.I., Evstigneev A.S. RF patent No. 1153767 dated July 1, 1981. Powerful bipolar microwave generator transistor.

Claims

1. Powerful microwave transistor, which includes a housing with an internal collector electrode divided into sections, with resistors mounted on it and connected in series between adjacent sections of the internal collector electrode, with an external collector electrode and a collector output connected to it; transistor crystals mounted at least one in each section of the internal collector electrode; a matching capacitor mounted by one of the electrodes between the internal and external collector electrodes of the transistor on a metal base connected to a common electrode of the transistor, characterized in that the other capacitor electrode, the external collector electrode and the collector terminal connected to it are coaxially divided into at least two sections, between adjacent sections of the capacitor electrode, resistors are mounted and connected to them in series.

2. The powerful microwave transistor according to claim 1, characterized in that the collector terminal is divided into slots with a length of at least 1 mm each, counting from the edge of the outer collector electrode of the transistor.