DE3324540A1

DE3324540A1 - Wide-band microwave amplifier

Info

Publication number: DE3324540A1
Application number: DE19833324540
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 8084 Inning Schwarz
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1983-07-07
Filing date: 1983-07-07
Publication date: 1985-01-17
Also published as: DE3324540C2

Abstract

Wide-band microwave amplifiers in microstrip technique for the GHz range are used both for low-noise receive amplifiers and power amplifiers in transmitter output stages of radar, microwave or satellite systems. Multi-stage arrangements are needed for high gains. It is proposed to achieve such a multi-stage wide-band microwave amplifier by providing two multi-stage amplifier branches, the amplifier stages (Vs1, Vs2) of which are connected to one another via transformation networks (Tz) and which, in turn, are connected at the input and output end via further transformation networks (Te, Ta) in each case to form a common input and output via a 3-dB coupler (K1, K2). <IMAGE>

Description

Breitbandiser MikrowellenverstärkerBroadband microwave amplifier

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 parallel amplifier branches representing field effect transistors, the input and output side via transformation networks are connected by 3 dB couplers to a common input and output.

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 predominant realized with GaAs FET semiconductor components. This allows both low-noise Receiving amplifier as well as power amplifier in transmitter output stages of radar, directional radio and build satellite systems. Larger reinforcements are thereby connected in series Amplifier stages realized.

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 very expensive, especially for broadband applications, to find suitable matching networks for the respective frequency range to develop both one over the entire Frequency range constant gain, as well as a large return loss on the Supply 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.Through the reference MSN: April / May 1976, pages 39 to 48 is it is known to have an amplifier stage for broadband applications of such microwave amplifiers through this to realize that two identical field effect transistors with input and output transformation networks on the input and output side each connected via a 3 dB coupler in the form of a quadrature hybrid will.

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 Verstärkeranordnung 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.Such an arrangement enables the transformation networks with regard to their adaptation to the inputs and outputs of the transistors only in Dimensioning in relation to the required frequency response. Are the two amplifier branches symmetrical, the reflected wave trains compensate each other in the 3 dB couplers. Such circuit arrangements can therefore be used over large frequency ranges achieve good adaptation properties with constant gain values. Must have Such an amplifier arrangement have a gain that does not come with a stage can be achieved are two or more such stages via a connecting element to switch one after the other. The technical manufacturing effort for two-stage and multi-stage Amplifier is considerable because the coupler structures are usually called interdigital couplers executed 3dB coupler require a very complex technology. Also arise for such multi-level arrangements relatively large dimensions of the overall arrangement, since each stage requires its own substrate for the circuit to be attached to it is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für 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 type described last to specify a further solution, which gets by with a significantly lower technical effort and beyond can also be produced 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 in the characterizing part of Claim 1 specified 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 aufbaut werden, wobei die die Feldeffekttransistoren in einem Verstärkerzweig miteinander verbindenden 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 Herstellkosten ergibt.As shown by extensive studies on which the invention is based can have, in an extremely advantageous manner, two-stage and multi-stage, broadband Microwave amplifier for the GHz range using GaAs FET elements can be achieved in that the two amplifier branches between the 3 dB couplers two-stage and multi-stage, each with a field effect transistor, wherein which connect the field effect transistors to one another in an amplifier branch Transformation networks in a simple manner from a short, appropriately sized Line piece can exist. In this way you can not just per further Saving level two 3db couplers, but also the overall arrangement on a single substrate, which results in a substrate saving of approx. 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 24V an die Unterbaugruppen abgeben. Kleinsignal-GaAs-FET-Verstärker benötigen lediglich Spannungen zwischen +3 und +5V. 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 Feldeffekttransistoren aufgeteilt werden kann.In a further development of the invention, it is also proposed that the field effect transistors an amplifier branch both in terms of AC voltage and DC voltage to be connected in series and thereby a mutual decoupling of direct and alternating current paths to undertake. As a rule, GaAs FET amplifiers are integrated into analog systems, which are fed centrally by power supply units and the voltages from E.g. deliver 12, 15 or 24V to the sub-assemblies. Small signal GaAs FET amplifier only need voltages between +3 and + 5V. The power requirement per amplifier stage can be in the order of 15 to 70 mA. Per amplifier stage results So here by the excessive operating voltage of the central power supply a not inconsiderable power loss, which is dissipated in the form of heat got to. When two or three field effect transistors are connected in series according to the invention this undesirable power loss can be avoided, since the operating voltage present here on two or three Field effect transistors can be divided.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten Fig. 1 das Blockschaltbild eines bekannten breitbandigen Mikrowellenverstärkers, Fig. 2 eine zweistufige Ausführung eines breitbandigen Mikrowellenverstärkers nach der Erfindung, Fig. 3 ein Schaltungseinzelheiten wiedergebendes Schaltbild eines zweistufigen Verstärkerzweigs nach Fig. 2, Fig. 4 die Aufsicht auf einen in Mikrostriptechnik realisierten Mikrowellenverstärker nach Fig. 2 und 3.Based on an embodiment shown in the drawing the invention will be explained in more detail below. In the drawing mean 1 shows the block diagram of a known broadband microwave amplifier, Fig. 2 shows a two-stage embodiment of a broadband microwave amplifier according to of the invention, FIG. 3 is a circuit diagram showing circuit details two-stage amplifier branch according to FIG. 2, FIG. 4 the plan view of a microstrip technology realized microwave amplifier according to FIGS. 2 and 3.

Das Blockschaltbild eines bekannten breitbandigen Mikrowellenverstärkers wie er beispielsweise durch die eingangs genannte Literaturstelle bekannt geworden ist, besteht aus zwei zueinander parallelen Verstärkerstufen VS, die jeweils mit einem GaAs-FET-Element verwirklicht sind.The block diagram of a well-known broadband microwave amplifier as he became known, for example, from the literature cited at the beginning consists of two mutually parallel amplifier stages VS, each with a GaAs FET element.

Die Verstärkerstufen VS sind eingangsseitig über die Transformationsnetzwerke Te mit zwei Ausgängen des 3dB-Kopplers Kl verbunden, dessen Eingang e den Eingang des Verstärkers darstellt und dessen vierter Anschluß über den Abschlußwiderstand Z mit Masssepotential verbunden ist. In gleicher Weise sind die Verstärkerstufen VS ausgangsseitig über die Transformationsnetzwerke Ta mit zwei Eingängen der 3dB-Kopplers K2 verbunden, dessen dritter Anschluß den Ausgang a 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 dargestellten Art über ihre freien Koppleranschlüsse miteinander in Serie zu schalten.The amplifier stages VS are input via the transformation networks Te connected to two outputs of the 3 dB coupler Kl, the input e of which is the input of the amplifier and its fourth connection via the terminating resistor Z is connected to ground potential. The amplifier stages are in the same way VS on the output side via the transformation networks Ta with two inputs of the 3 dB coupler K2 connected, the third terminal of which forms the output a and its fourth terminal is in turn connected to ground potential via the terminating resistor Z. Will Gain values are required that cannot be achieved with an amplifier stage VS can, so are amplifier stages of the type shown in Fig. 1 on their free To connect coupler connections with one another in series.

Der in seinem Aufbau dem Aufbau des Mikrowellenverstärkers nach Fig. 1 entsprechende Mikrowellenverstärker nach Fig. 2 ist eine zweistufige Ausführung, die jedoch im Gegensatz zu bekannten zweistufigen Mikrowellenverstärkern dieser Art mit nur zwei 3dB-Kopplern K1 und K2 auskommt. Dies wird dadurch erreicht, daß anstelle der Verstärkerstufe VS pro Verstärkerzweig nach Fig. 1 zwei Verstärkerstufen VS1 und VS2 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 Fig. 2 is a two-stage design, However, in contrast to known two-stage microwave amplifiers this one Art gets by with only two 3 dB couplers K1 and K2. This is achieved in that instead of the amplifier stage VS per amplifier branch according to FIG. 1, two amplifier stages VS1 and VS2 are each provided with a GaAs FET element that connects to each other are connected in series via the further transformation network Tz.

Das Schaltungsbeispiel nach Fig. 3 für einen aus zwei Verstärkerstufen bestehenden Verstärkerzweig ohne die Transformationsnetzwerke nach Fig. 2, weist in der ersten Stufe den Feldeffekttransistor FET1 und in der zweiten Stufe den Feldeffekttransistor FET2 auf. Die Betriebsgleichspannung Ub, die wechselstrommäßig über den Kondensator Co auf Masse liegt, wird über den Spannungsteiler R1, R2 und R3 den gleichstrommäßig'hintereinander geschalteten Feldeffekttransistoren an der Gateelektrode G zugeführt. Der Wechselstromeingang se ist über den Koppelkondensator Cl an die Gateelektrode G des Feldeffekttransistors FET1 angeschaltet. Die beiden Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 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 1D1 des Feldeffekttransistors FET1 ist gleich dem Drainstrom ID2 des Feldeffekttransistors FET2 und stellt einen beide Feldeffekttransistoren durchfließenden Querstrom dar.The circuit example according to FIG. 3 for one of two amplifier stages existing amplifier branch without the transformation networks according to FIG. 2 in the first stage the field effect transistor FET1 and in the second stage the field effect transistor FET2 on. The DC operating voltage Ub, the alternating current across the capacitor Co is connected to ground, the voltage divider R1, R2 and R3 are used to direct current one behind the other switched field effect transistors at the gate electrode G supplied. The AC input se is via the coupling capacitor Cl to the gate electrode G of the field effect transistor FET1 switched on. The two field effect transistors FET1 and FET2 work in the so-called source circuit, with the source electrode S lies on ground. This is achieved through capacitors C4 and C5. The drain current 1D1 of the field effect transistor FET1 is equal to the drain current ID2 of the field effect transistor FET2 and represents a cross current flowing through both field effect transistors.

Die wechselstrommäßige Entkopplung wird hier durch die Drosseln Ll und L2 vorgenommen. Die Gleichstromparameter für die zweistufige Verstärkerschaltung werden neben dem bereits erwähnten Spannungsteiler aus den Widerständen R1, R2 und R3 noch durch den Widerstand R4 festgelegt.The alternating current decoupling is here by the chokes Ll and L2 made. The DC parameters for the two-stage Amplifier circuit are made from the resistors in addition to the voltage divider already mentioned R1, R2 and R3 still set by resistor R4.

Mit dem Widerstand R4, der von der Source- Elektrode S des Feldeffekttransistors FET1 gegen Masse gelegt ist, wird der bereits erwähnte Querstrom ID=ID1=ID2 eingestellt.With the resistor R4 from the source electrode S of the field effect transistor FET1 is connected to ground, the aforementioned cross current ID = ID1 = ID2 is set.

Die Realisierung des Mikrowellenverstärkers nach Fig. 2 in Mikrostripline-Technik ist auf einer Substratfläche von 39 x 40 mm angeordnet. Die entsprechende Ausführung für zwei hintereinander geschaltete Stufen eines Nikrowellenverstärkers nach Fig. 1 würde zwei Substrate mit den Abmessungen von z.B. 30 x 40 mm erfordern.The implementation of the microwave amplifier according to FIG. 2 in microstripline technology is arranged on a substrate area of 39 x 40 mm. The corresponding execution for two stages of a microwave amplifier connected in series according to Fig. 1 would require two substrates with dimensions of e.g. 30 x 40 mm.

Weiterhin wäre ein zusätzliches Verbindungslement (MIC-Verbinder) zwischen den Einzelstufen erforderlich. Eine Ausführungsform eines solchen Mikrowellenverstärker 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 FET1 und FET2 kommen GaAs-FET-Elemente vom Typ CFY12 zur Anwendung. Die Transformationsnetzwerke T1, T2 und T3 sind jeweils Leitungsstücke. Breitbandige Leitungskurzschlüsse sind in Form von kreissektorförmigen Metallschichten verwirklicht. Die 3dB-Koppler K1 und K2 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 AL203. Furthermore, an additional connection 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 type CFY12 are used as field effect transistors FET1 and FET2. The transformation networks T1, T2 and T3 are each line pieces. Broadband short circuits are implemented in the form of metal layers in the shape of a sector of a circle. The 3 dB couplers K1 and K2 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 AL203.

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Claims

Claims broadband microwave amplifier for the GHz range in microstripline design, consisting of parallel amplifier branches Field effect transistors, the input and output side via transformation networks are connected across 3 dB couplers to a common input and output, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that each of the identically structured amplifier branches is constructed in two or more stages and for this purpose one field effect transistor per stage (VS7, VS2) (FET1, FET2), and that the field effect transistors of an amplifier branch are connected in series with one another via transformation networks (Tz).

2. Broadband microwave amplifier according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the field effect transistors (FET1, FET2) one Amplifier branch both in terms of AC voltage and DC voltage in Are connected in series and here a mutual decoupling of equal and AC path is made.

3. Broadband microwave amplifier according to claim 1 or 2, d a D u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the field effect transistors (FET1, FET2) in an amplifier branch interconnecting transformation networks (Tz) each consist of a short piece of pipe of suitable width and length.