В. М. Міннебаев, В. В. Краснов

* ГУП НПП “Пульсар”

105187, Москва, Росія, Окружний пр., 27 факс: 095-366-55-83, e-mail: root (8) _pulsar. msk. su ** ФІАН ім. П. Н.Лебедева 119991, ГСП-1, Москва, В-333, Росія, Ленінський пр. 53 E-mail: postmaster@lebedev.ru


Анотація Представлені результати проектування і виготовлення охолоджуваних малошумящих підсилювачів (МШУ) 13-мм і 8-мм діапазонів довжин хвиль на базі дискретних польових транзисторів (ПТ) і монолітних інтегральних схем (МІС), а також порівняння їх СВЧ характеристик, надійності та відтворюваності пристроїв на їх основі. Виготовлені для використання в приймачах РТ-22 ФІАН охолоджувані МШУ мають при ТПрокр = 20К наступними параметрами: 1) робоча смуга частот 3338ГГц, ТШ<80К, КуР= 36 дБ, 2) робоча смуга частот 2125ГГц, ТШ<30К, КуР= 27 дБ.

I. Введення

Рис. 1. Виміряні та розрахункові характеристики однокаскадний ГІС охолоджуваного МШУ

Робота проводиться в рамках модернізації приймального комплексу РТ-22 ФІАН, зокрема приймачів, охолоджуваних микрокриогенной системою замкнутого циклу водневого рівня. Шумові характеристики знаходяться в експлуатації з початку 90-х років МШУ [1], виготовлених на основі дискретних GaAs FET, вже не відповідають сучасним вимогам до приймальної апаратури радіоастрономічного комплексу. В даний час розроблені і введені в експлуатацію охолоджувані МШУ 13-мм і 8-мм діапазонів. На заключному етапі модернізації буде здійснено перехід до багатоканального прийому інформації при спектральних спостереженнях в 8 мм діапазоні.

II. Проектування і виготовлення охолоджуваних МШУ

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

Відмінною особливістю проектування охолоджуваних малошумящих пристроїв є відсутність паспортних даних про шумових і S-параметрах активного елемента в умовах кріотемператур. Тому необхідно проведення цілого ряду параметрів транзистора при робочій температурі навколишнього середовища і подальше відновлення шумовий еквівалентної схеми активного елементу [2].

Для відновлення використана шумова модель Поспешальского, широко застосовувана при проектуванні малошумящих кріоусілітелей на основі ПТ і включає в себе два джерела шуму: шумовий джерело в затворі з температурою Тз і шумовий джерело в стоці Тз [3]. Мінімальна шумова температура (ТМин) кристала ПТ, описувана пропонованої шумовий моделлю, може бути апроксимована наступним спрощеним виразом:

де fрабочая частота,

ft = Gn/(2^-C3n) частота відсічення,

Gm крутизна транзистора.

Значна кількість експериментів показує, що шумова температура в затворі Тз еквівалента

лентна температурі навколишнього середовища Токр [4], а шумовий джерело стоку може бути апроксимовані виразом тз «300 + 6-Токр [5].

Для виготовлення МШУ діапазону 13-мм використаний GaAs НЕМТ ЕС2612 (ф. UMS). Проведені розрахунки показали, що даний НЕМТ не є стійким в робочому діапазоні частот, тому для забезпечення його стійкої роботи в складі ГІС використовувалася конструктивна індуктивність зворотного зв’язку в джерелі. Розрахункові та виміряні параметри однокаскадний ГІС представлені на рис.1. Проведені експерименти показали необхідність використання вентилів на вході і виході МШУ, а також між секціями. Отримані при Токр = 20К результати трехкаскадного криогенного МШУ з вхідними вентилями представлені на рис. 2.

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

При проектуванні МШУ 8-мм діапазону не вдалося знайти конструктивних рішень, здатних забезпечити стійку роботу НЕМТ ЕС2612 при збереженні достатнього рівня Кур. Тому МШУ був реалізований на базі GaAs МІС СНА2094Ь (ф. UMS). Виміряні параметри МШУ, включає дві МИС, а також вхідний і вихідний хвилеводні вентилі при Токр = 20 К представлені на рис. 3.

III. Застосування

З січня 2001 р. трехкаскадного МШУ на НЕМТ працює в охолоджуваному спектральному приймачі

13 – мм діапазону РТ-22 ФІАН. Підсилювач встановлений у вхідному кріоблоке приймача замість транзисторного підсилювача на ВЩЛ, шумова температура якого в робочій смузі не перевищувала 115 К [1]. Робочий діапазон приймача: 22,0 … 24,5 ГГц визначається широкополосностью перемикача, розташованого перед МШУ, який здійснює перемикання діаграми спрямованості телескопа. Застосування МШУ на НЕМТ з шумами не більше 30 К в робочій смузі частот, дозволило знизити шумову температуру приймача майже на 100 К. Шумова температура системи РТ-22 на хвилі 13 мм з МШУ на НЕМТ становить 120 К (ясна погода, зеніт), що майже в два рази менше, ніж при використанні підсилювачів на польових транзисторах.

З лютого 2003р. МШУ на базі МІС СНА2094Ь працює в охолоджуваному спектральному приймальнику 8-мм діапазону РТ-22 ФІАН. Підсилювач встановлений у вхідному кріоблоке приймача замість транзисторного підсилювача на хвилеводно-щілинних лініях, де в якості активного елементу використовувалися FET транзистори. Застосування МШУ на базі МІС СНА2094Ь з шумами менше 80К в робочій смузі частот, дозволило знизити шумову температуру приймача на 50 К. Шумова температура системи РТ-22 на хвилі 8-мм з МШУ на базі МІС становить Тих сист <200К (ясна погода, зеніт).

IV. Література

[1] В. В. Краснов, А. А. Максяшева / / XXV Радіоастрономічна конференція. Пущино, 20-24 сент. 1993. Сб.тез.докп. Пущино: ОНТИ Пущинського наукового центру РАН. С. 266.

[2] В. В. Краснов, В. М. Міннебаев. «Охолоджуваний гібридний малошумливий підсилювач діапазону 13мм» «Радіотехніка та електроніка», 2002, том 47, № 1, стор.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. Виміряні 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


Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.