Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 34 )

Рис. 5.19. Внешний вид усилителя с выходной мощностью 80 Вт для диапазона частот 2 — 30 МГц

Наибольший объем, как видно, занимают фильтры и каскады усиления, что объясняется сосредоточением в этих узлах наиболее громоздких и трудно поддающихся миниатюризации элементов — катушек индуктивности, электромагнитных реле, трансформаторов, конденсаторов, предназначенных для работы на больших уровнях сигнала. В этой связи миниатюризация элементов электронной тех­ники и на сегодняшний день продолжает оставаться одним из эффек­тивных направлений снижения габаритов радиопередающих устройств. Важнейшими задачами в этом направлении на современ­ном этапе являются: расширение номенклатуры существующих и создание новых малогабаритных безвыводных конденсаторов на большие реактивные мощности; создание малогабаритных электрон­ных коммутаторов, способных коммутировать большие мощности не только на высоких, но и на низких частотах; расширение диапазона частот, увеличение мощности и повышение степени интеграции мо­нолитных модулей усилителей; создание единой унифицированной большой интегральной схемы цепи автоматики.

Однако решение этих задач даст значительный эффект в основ­ном при конструировании усилителей с небольшой выходной мощ­ностью — до 15 Вт. С увеличением выходной мощности, а следова­тельно, и мощности рассеивания эффективность рассматриваемого направления постепенно снижается из-за увеличения объема системы ствола тепла.

Наиболее простой путь решения тепловых вопросов заключается в сокращении времени непрерывной работы передатчика и увеличе­нии длительности интервалов между включениями. Процесс охлаж­дения в таких устройствах состоит в использовании теплоемкости небольшого радиатора с последующим излучением тепла (конвекцией, теплоотдачей и частично лучеиспусканием) в окружающее простран­ство. Совершенствование этого направления привело к использова­нию заполненных плавящимся веществом (например, стеариновой кис­лотой, азотнокислым никелем, эвтектикой на основе висмута, олова, свинца и кадмия) радиаторов, которые за счет скрытой теплоты плавления - увеличивают длительность непрерывной работы.

При необходимости очень продолжительной непрерывной рабо­ты, например в течение суток, такой параметр, как теплоемкость, отступает на задний план, а первостепенным становится тепловое сопротивление корпус транзистора — окружающая среда. Это сопро­тивление, в свою очередь, состоит из трех последовательно включен­ных: сопротивления «корпус транзистора — радиатор», сопротивления растекания тепла по радиатору и сопротивления «радиатор — окру­жающая среда». Первое определяется чистотой обработки теплоотво-дяшей поверхности транзистора, обработкой радиатора и зазором между транзистором и радиатором. Этот зазор обычно заполняется пастой КПТ-8, снижающей тепловое сопротивление.

Тепловое сопротивление, связанное с растеканием тепла по ра­диатору, зависит от его материала и размеров. Обычно используе­мые материалы — это алюминий и его сплавы, реже — медь. Из раз­меров радиатора наиболее важна площадь его сечения в плоскости, перпендикулярной направлению теплового потока. Чем она больше, тем ниже рассматриваемое тепловое сопротивление.

Самый сложный вопрос — излучение тепла в окружающее про­странство. Оно осуществляется, как правило, естественной конвек­цией или принудительным воздушным либо жидкостным охлажде­нием. При естественной конвекции габариты радиатора существенно превышают габариты электрической части усилителя. Так, усилитель на 50 Вт диапазона 120 — 180 МГц, предназначенный для непрерыв­ной круглосуточной работы, с радиатором игольчатого типа зани­мает объем 5 дм3, в то же время как объем его электрической части не превышает 0,65. При принудительном охлаждении габариты получаются меньшими, однако такое охлаждение не всегда возмож­но. 3 этой связи проблема повышения эффективности отвода тепла выступает на первый план в решении задачи дальнейшей миниатю­ризации усилителей с выходной мощностью более 15 Вт.

Решение этой проблемы представляется целесообразным вести параллельно со снижением мощности рассеивания, что при неизмен­ной выходной мощности обеспечивается только путем повышения КПД усилителей. Такой путь, как отмечалось, реализуется схемо­техническими решениями, опирающимися на ключевой режим рабо­ты, одинаково пригодный как для усиления сигналов с неизменной или коммутируемой аплитудой, так и для усиления амплитудно-мо­дулированных, в частности однополосных, сигналов. Для развития этого направления необходимы специальные ключевые приборы с большими значениями предельно допустимых токов и напряже­ний, характеризующиеся малой длительностью переходных процес­сов при включении и выключении, что особенно важно на высоких частотах. В этой связи, несмотря на значительные успехи в созда­нии мощных ВЧ транзисторов, решивших проблему полной транзи-сторизации передающей аппаратуры практически с любым уровнем выходной мощности (по крайней мере, до десятков киловатт), про­должают оставаться актуальными вопросы разработки более мощ­ных и в то же время более высокочастотных и широкополосных по­лупроводниковых приборов.

Итак, в настоящей главе, посвященной применению мощных транзисторов, были рассмотрены как общие вопросы, касающиеся основных характеристик, схем построения, вида используемых тран­зисторов и режимов работы усилительных устройств, так и спе­циальные, касающиеся главным образом применения транзисторов в ВЧ усилителях мощности. Более того, усилителям мощности как одному из наиболее распространенных классов преобразователей энергии, сочетающему в себе все многообразие характеристик устройств этого типа, была посвящена значительная часть материа­ла. В частности, было показано, что усилители мощности могут строиться по двум направлениям: прямому покаскадному усилению мощности и получению требуемой мощности сразу — от мощного автогенератора, управляемого усиливаемым сигналом с помощью си­стемы фазовой автоподстройки частоты. Отмечено, что уеилители, использующие второе направление, эквивалентны узкополосным элек­тронно-перестраиваемым мощным усилителям с высокой селективно­стью, которая необходима для качественной «очистки» сформирован­ного ВЧ сигнала от посторонних сопутствующих сигналов, в том числе и шума. Отмечена также целесообразность использования это­го направления при построении усилителей по методу раздельного усиления, позволяющая за счет введения корректирующей обратной связи по фазе сигнала наряду с отрицательной обратной связью по его амплитуде получить низкий уровнь комбинационных искажений. В то же время показано, что усилители на основе управляемых авто­генераторов, за исключением некоторых частных случаев, уступают усилителям прямого усиления по энергетическим, массогабаритным и стоимостным характеристикам.

При анализе усилителей большое внимание уделялось рассмот­рению путей получения высоких значений энергетических характери­стик, особенно при работе на изменяющуюся нагрузку; изучению путей снижения уровней нежелательных колебаний, возникающих в усилителе под действием помех из тракта формирования сигнала, источника питания и антенны радиопередатчика; обеспечению ши­рокой полосы частот; определению минимального уровня входного сигнала по величине шума на выходе и устойчивости усилителя; обеспечению высокой надежности работы усилителя путем соответ­ствующих устройств деления и суммирования мощности, а также мер по защите транзисторов и автоматическому регулированию ре­жима работы. Отмечено большое влияние на качество работы уси­лителя его конструкции и связанных с ней вопросов теплоотвода. Приведены примеры построения усилителей с выходной мощностью от 1,5 до 80 Вт, предназначенных для работы в различных участках диапазона частот от 2 до 150 МГц.

При освещении всех этих вопросов обращалось внимание на связь параметров используемых транзисторов с основными характе­ристиками устройств. В частности, отмечено, что эти характеристики получаются тем выше, чем меньше барьерная емкость коллекторно­го перехода Ск, поризведение r6' Ска, паразитные индуктивности выводов и корпуса прибора, отклонение выходных характеристик от горизонтальных прямых, длительность переходных процессов при переключении и уровень собственного шума. В этой связи, безуслов­но, целесообразно проведение дальнейших работ по созданию мощ­ных ВЧ транзисторов с улучшенными значениями этих параметров, а также с более высокими предельно допустимыми токами и напря­жениями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  3. Мощные транзисторы. — М.: Энергия, 1969. — 280 с,

2.  Кремниевые планарные транзисторы/ Под ред. . — М.: Советское радио, 1973. — 336 с.

3.  Трутко расчета транзисторов. — М.: Энергия,. 1971. — 272 с.

4.  Van Vliet К. М. Theories of the p-n junction in the charge neutra­lity approximation. — Solid State Electronics, 1966, v 9, № 3r p. 185 — 201.

5.  Кремниевые мощные меза-планарные транзисторы с мощностью-рассеяния 30 — 60 Вт и предельной частотой более 200 МГц/ Е. 3. Мазель и др. — Электронная техника. Сер. 2, 1966, вып. 2Г с. 203 — 212.

6.  Кэрли, Макджаф и О. Брайен. Многоэмиттерный транзистор. — Электроника, 1965, № 17, с. 15 — 22.

7.  Chen J. Т. С., Snapp С. P. Bipolar microwave linear power tran­sistor design. — IEEE Transactions, 1979, v. 27, № 5, p. 423 — 430,

8.  Шаффт. Вторичный пробой. — ТИИЭИР, 1967, 8 с. 33 — 51.

9.  Hower P. L., Reddi V. G. K. Avalanche injection and second break­down in transistors. — IEEE Transactions, 1970, v. ED-17, № 4,

10. Пат. 3358197 (США). Semiconductor device/ Scarlett R. M. И. Пат. 4157561 (США). High power transistor/ Yochiaki Nawata et al.

12.  Мощные высокочастотные транзисторы для аппаратуры связи KB и УКВ диапазонов/ Е. 3. Мазель, , -ников, . — Электронная техника. Сер. 2, 1983,-вып. 3, с. 162.