Это история о том, как я попытался сделать усилитель на полтора гигагерца (диапазон GPS) на отечественных транзисторах и добился вдохновляющих на подвиг и борьбу результатов (нет).
Начало
Мне понадобилось сделать усилитель на частоту 1575,42 МГц (частота канала L1 системы GPS). Всякий нормальный разработчик пойдет в магазин и купит готовый МШУ типа BGA616 производства Infineon, однако, как не сложно догадаться, это не путь воина. Сперва я подумал выпаять транзисторы из лежавшего в коробке с барахлом селектора каналов СК-В-41. Но в селекторе стоят КП327А, у которых усиление 12дБ на 800 МГц, а потому ожидать от них сколько-нибудь адекватной работы на 1600 МГц глупо. Затем я наткнулся на продававшиеся за копейки КТ3101АМ, у которого заявлена граничная частота более 4 ГГц и усиление 6…9,8 дБ на2.25 ГГц.
Отечественная версия
Поскольку spice-модели для транзисторов я составлять не умею, а строить усилитель на такой диапазон надо в полосковом виде – я взял модель BFR93 производства Ifineon Inchange Semiconductor, сравнительно похожую по параметрам.
Проектировал в AWR Microwave office (далее AWR).
Сперва рассчитал цепи питания и смещения, отрисовав топор, подведя к нему линию с вдвое большим волновым сопротивлением и подстроив ее длину до достижения как можно большего сопротивления на центральной частоте.
Как можно видеть из картинки, проблема в том, что габариты развязывающей линии весьма внушительные: полосок длиной 20мм и топор не меньшего диаметра.
Поэтому сделал загогулину с более тонким микрополоском.
Входное сопротивление такой штуки оказалось получше:
Затем построил модель одиночного каскада и подобрал согласующие шлейфы по максимуму усиления.
В отечественных источниках не нашел доходчивой инструкции, как залить Spice-модель транзистора в AWR. Поэтому вкратце объясню, может кому пригодится.
Пока крутил все параметры – выяснил, что оптимально поставить в коллектор небольшую последовательную индуктивность.
Больше 8 дБ почти не выжать – приходится поступиться коэффициентом отражения по входу.
Затем рассчитал резонатор. Чем он шире – тем уже полоса и наоборот. Чем шире зазор между резонатором и линиями связи по бокам = чем уже полоса но больше потери и наоборот. Нашел компромиссный вариант – полоса по половинной мощности почти 300 МГц. В реальности хотя бы резонансная частота совпала.
Собрал все в кучу.
Убедился, что усиление в норме и составил топологию.
Как видно из представленного графика, пришлось пойти на некоторый компромисс между усилением и КСВ по входу, поскольку при оптимальном согласовании сужалась полоса и не получалось уложиться в приемлемые габариты.
Нарисовал топологию.
Импортировал в dwg, отрисовал в Компасе.
Хороший совет алчущим потравить тонкие микрополоски с перегибами по 90 градусов, как это хорошо получается в AWR – выбирается скругленный поворот, ибо при толщине 0,5 уголок не пропечатывается.
С помощью утюга и такой-то матери вытравил, насверлил дырочек для соединения земляных полигонов, набрал разъемов от старых плат.
Отдельно следует заострить внимание на методике изготовления резонаторов. Перед травлением замазал щели, которые перенеслись на текстолит весьма неровно, перманентным маркером, после чего по линейке провел черту скальпелем. После травления там осталась также рваная медь. Также аккуратно прорезал эту щель острием скальпеля.
Под транзисторы в плате высверлил отверстия, чтобы вывод красиво ложился прямо на полосок (до этого я делал усилители на 2-сантиметровый диапазон, что определенным образом сформировало мышление – привыкаешь, что шлейф длиной 5мм или крупная капля припоя – это мощный инструмент настройки).
Покупать чип-индуктивности я не хотел (это же надо в центр ехать, в Чип и Дип). Поэтому нашел провод 0,3 мм и на сверле 1 мм намотал по 10 витков. (потом пошел более классическим путем – взял 7,5 см провода 0,3 (четверть длины волны, трансформирующая КЗ по ВЧ (в виде планарного конденсатора) в ХХ) и намотал на ручке надфиля).В момент включения получилась картинка, которая радовала только тем, что усиление отличается от нуля. Как я не пытался, три КТ3101АМ выдавали дружно не больше 7 дБ.
ВАЦ уехал в поверку, поэтому снял характеристику на спектраче - подавал с генератора -20 дБм, качал от 500 МГц до 4ГГц. С учетом потерь в кабелях порядка децибелла КУ как раз 6 дБ. Попытки подстроить катушками, шлейфами и конденсаторами из обрезков фольги приводили к более или менее очевидным ухудшениям.
Кроме того, выяснилось, что КТ3101 еще и хорошо горят даже не на максимально разрешенном токе.
Купил BFR540. Напаял с помощью навесных огрызков медной фольги. Усиление стало почти 12 дБ (в четыре раза больше).
Китайская версия
После этого я решил отказаться от архитектурных излишеств в виде зигзагообразного шлейфа – он плохо вытравливается из-за многочисленных перегибов и прекрасно может быть заменен непосредственно катушкой - и сделать 4 каскада. Транзисторы тоже отечественные, но отечество не совсем мое.
Сперва смоделировал один каскад – почти никаких отличий:
Пытливый читатель может заметить, что можно было бы поставить в цепь смещения базы такую же индуктивность. Но никакого практического результата это не дает.
Собрал все в кучу. Схема носит также общеознакомительнй характер.
Результаты измерил и на ВАЦ и на спектраче.
Усиление получилось 19-16 дБ. Напряжение питания – 3,3 В. Самовозбуждений нет.
Выводы
В общем, предложенную схему нельзя называть идеальной и рекомендованной к повторению, но она как-то работает с учетом того, что в нее вставлены китайские транзисторы по 50 рублей, а плата вытравлена на коленке с использованием детского труда (моя трехлетняя дочь закидала меня игрушками с криками, что она – папина помощница, после чего 20 минут шкрябала текстолит наждачкой, а затем раскрашивала обратную сторону платы перед травлением маркером-краской), а главное – в сочетании с готовым выносным МШУ обеспечит необходимые мне 30 дБ усиления по входу. Для таких конструкций еще не надо заказывать прецизионную печать на Резоните, но транзисторы лучше покупать не до 2-6 ГГц, как это сделал я, а с нормированными до 10 и выше параметрами.
В следующий раз расскажу про результаты сборки смесителя и испытания в сборе с трактом ПЧ.