Высокочастотные монолитные усилители мощности фирмы MITSUBISHI

В. Лымарь, С. Ворса

    Фирма MITSUBISHI Electric Corp. давно и хорошо известна как один из ведущих мировых производителей обширной номенклатуры высококачественной полупроводниковой продукции различного назначения. Достойное место в списке продукции фирмы занимают малогабаритные радиочастотные усилительные модули, представляющие собой функционально законченные изделия, широко используемые в современной портативной и мобильной аппаратуре связи, работающей в различных стандартах (GSM, AMPS, DAMPS, ETACS, NMT и пр.), а также в ряде других сфер.
    Данная статья содержит краткую справочную информацию о номенклатуре, основных технических характеристиках и рекомендациях по применению мощных (до 60 Вт) высокочастотных (от 50 до 1660 МГц) монолитных кремниевых (Si) усилительных модулей фирмы MITSUBISHI Electric Corp. производства 1995–99 гг. Представленные сведения могут заинтересовать разработчиков связной (в том числе любительской), телекоммуникационной, навигационной, радиолокационной, медицинской, поисково-спасательной и другой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), работающей в разрешЈнных участках указанного диапазона частот.
    Применение монолитных высокочастотных (ВЧ) усилителей фирмы MITSUBISHI (далее — просто модулей) обеспечивает разработчикам РЭА целый ряд преимуществ. Так, к примеру, можно существенно уменьшить количество электронных компонентов, массу и габариты РЭА. Упрощается и ускоряется процесс проектирования, монтажа и настройки схемы. Содержащиеся в модулях оптимизированные цепи согласования по входу и выходу обеспечивают высокий коэффициент полезного действия (КПД), низкий уровень гармоник и шума, устойчивость к самовозбуждению, стабильность и повторяемость параметров изделий.
    Модули различаются по диапазону частот, выходной мощности, виду модуляции сигнала, назначению и многим другим важным параметрам.
    Модули с выходной мощностью (Po) до 7…8 Вт фирма MITSUBISHI рекомендует для применения в портативной РЭА, а с Po = 8 Вт — в мобильной РЭА.
    Модули предназначены для работы в диапазонах частот VHF (50…300 МГц), UHF (300…520 МГц ), 800 МГц (800…940 МГц) и 1,2 ГГц (1240…1660 МГц).
    Номенклатура и основные технические характеристики различных типов кремниевых модулей, производимых фирмой MITSUBISHI для применения в качестве ВЧ усилителей мощности в портативной и мобильной РЭА с частотной (FM), амплитудной (AM), фазовой (PSK) и однополосной (SSB) модуляцией сигнала, приведены в табл. 2 и 3.

Рис. 1. Габаритный чертеж модуля

    Модули изготавливаются в герметичных керамических корпусах с заземлЈнным теплоотводящим фланцем и имеют широкий (от -30 до +110°С) диапазон рабочих температур. В мощных модулях для мобильной РЭА применЈн улучшенный теплоотвод, выполненный на основе окиси бериллия (BeO).
    Основные сведения о форме и габаритных размерах наиболее распространЈнных типов корпусов ВЧ модулей MITSUBISHI представлены на рис. 1 и в табл. 1. При этом в табл. 3 в строке “суммарное количество выводов” приведено общее число выводов электродов модуля (т. е. число штыревых выводов плюс один заземляющий вывод корпуса — теплоотвод).

Таблица 1

Параметры модуля Тип корпуса модуля ВЧ усилителя MITSUBISHI
H2, H2R H3, H3R H11 H12 H13 H16 H18 H27, H27R H28 H46, H47 H50
Р
а
з
м
е
р
ы
,
мм		 L 66 66 60,5 45 45 56 67 42 90 30 45
K 52 52 50,2 35 35 42 54 30 70 21,2 35
N 23,5 23,5 14 14 12 23,3 20,6 10 34,5 10 12
M 22 22 11 11 9 22 17 7 29 6 9
P 12 12 5 10 10 12 7 10 16,5 4 12
H 9,8 9,8 6,3 6,3 6,3 9,8 8,8 5,5 11 5,5 6,3
h 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,6 1,5 3,5 1,5 2,3
D 4 4 3,2 3,2 3 4 3,6 3 5 3 3
d 0,5
0,8		 0,5
0,8		 0,45 0,4 0,4 0,5 0,7 0,4
0,5		 0,8 0,45 0,45
Суммарное количество выводов 5 6 6 6 6 6 8 6 6 5 5

    Можно отметить, что самые большие габариты имеют модули в корпусе типа Н28 (без учЈта длины выводов размеры корпуса вместе с теплоотводом составляют 90ґ35ґ11 мм), предназначенные для использования в составе мобильной РЭА с выходной мощностью до 60 Вт. Наименьшие габариты (30ґ10ґ5,5 мм) — у модулей в корпусах Н46 и Н47, используемых в портативной РЭА с выходной мощностью до 10 Вт. Корпус Н47 отличается от корпуса Н46 реверсивным расположением выводов. Другие типы корпусов модулей с реверсивным расположением выводов имеют в своЈм обозначении букву R.
    Во всех модулях MITSUBISHI применяется одинаковая схема подключения выводов. Первый по счЈту вывод обычно является ВЧ входом, последний (штыревой) вывод — выходом, а остальные выводы (кроме вывода теплоотвода, который всегда подключается к массе) служат для подачи питающих напряжений.
    Важнейшими параметрами ВЧ модулей являются полоса рабочих частот F и гарантируемые в ней значения выходной мощности Po, коэффициента усиления Gp, КПД ht и коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) rin. Именно эти параметры, измеренные при рекомендуемых номинальных значениях мощности на входе модулей Pin, напряжений питания их каскадов Vcc и цепей базового смещения Vвв, и приведены (для случая согласованных сопротивлений источника сигнала ZG и нагрузки ZL) в табл. 2 и 3. Величины согласованных сопротивлений источников сигнала и нагрузки одинаковы для всех рассматриваемых модулей и составляют ZG = ZL = 50 Ом. Реальные значения указанных пара-метров могут быть лучше гарантируемых в среднем на 10…30%. В качестве примера на рис. 2 приведены типовые зависимости выходной мощности Po и эффективности ht модулей MITSUBISHI новых серий от частоты F.

Подробные данные по модулям ВЧ усилителей мощности фирмы MITSUBISHI для портативной РЭА можно получить здесь

    Электропитание модулей осуществляется по однополярной схеме. При этом напряжение питания модулей, предназначенных для использования в мобильной аппаратуре, из-за необходимости обеспечения достаточно высокой выходной мощности составляет, как правило, Vcc = 12,5 В. Ряд модулей, предназначенных для использования в портативной РЭА, также имеет напряжение питания Vcc = 12,5 В. Вместе с тем, благодаря применению в современных модулях для портативной РЭА полевых MOS FET транзисторов, наметилась явная тенденция снижения их напряжения питания до 9,6 В, 7,2 В, а в последних разработках (М68710, М68712 и М68742) — даже до 6 В. При этом максимально допустимые уровни напряжения питания и выходной мощности ВЧ модулей MITSUBISHI обычно на 20…40% выше приведенных в табл. 2 и 3 номинальных значений.

Подробную информацию по модулям ВЧ усилителей мощности фирмы MITSUBISHI для мобильной РЭА можно получить здесь

    Регулировка уровня выходной мощности модулей может осуществляться различным образом. Одним из распространЈнных способов является изменение (уменьшение) напряжения питания коллекторных цепей одного или нескольких каскадов усиления модуля. Однако, этот способ требует адекватных по мощности управляющих схем и из-за значительной нелинейности применяется, в основном, в простой FM аппаратуре. Более эффективным способом управления уровнем выходной мощности модуля является подача напряжения смещения Vвв в цепь базы транзистора (для полевых MOS FET транзисторов — в цепь затвора). В этом случае требуемая мощность управляющей схемы сравнительно невелика, ниже уровень гармоник и лучше обеспечивается линейный режим работы каскадов, что весьма желательно при использовании таких видов модуляции как АМ и SSB, а также в высококачественной FM и PSK аппаратуре.
    С этой целью в большинстве модулей, предназначенных для работы в портативной РЭА, и во многих модулях для мобильной аппаратуры предусмотрены выводы для подачи соответствующего управляющего напряжения смещения Vвв.
    Коэффициент усиления модуля зависит от числа используемых в нЈм каскадов (от 2 до 5) и для большинства изделий в среднем составляет Gp = 20…30 дБ. При этом имеются серии с Gp = 35…40 дБ и более, прекрасно подходящие для применения в малогабаритной РЭА.
    Модули, предназначенные для работы в режиме SSB, отличаются более линейными усилительными свойствами и малым уровнем гармоник 2fo и 3fo. В связи с этим они являются универсальными и могут успешно использоваться в РЭА с другими видами модуляции сигнала.
    Ширина полосы рабочих частот модулей производства 1995–97 гг. не превышала DF = 15…20 МГц в диапазоне VHF и 20…30 МГц в диапазоне UHF. В 1998–99 гг. для диапазона VHF начали выпускаться модули с DF, расширенной до 40 МГц (серия М68776), а для диапазона UHF — с DF = 50…70 МГц (серии М67760, М67776, М68732 и М68757).

Рис. 2. Зависимость выходной мощности PO и эффективности nt модулей MITSUBISHI от частоты F

    Эффективность модулей за последние годы также существенно возросла — с 35…40% (в 1995–97 гг.) до 45…50% (в 1998–99 гг.). Вместе с тем по понятным причинам эффективность модулей в диапазоне VHF в целом продолжает оставаться более высокой, чем в диапазоне UHF.
    Направлениями дальнейшего развития ВЧ модулей MITSUBISHI являются повышение выходной мощности, коэффициента усиления и КПД, уменьшение габаритов и создание миниатюр-ных модулей (например, серия М68758) в корпусах SMD для поверхностного монтажа на печатные платы, расширение полосы рабочих частот, снижение цен при постоянном совершенствовании других важных характеристик.
    Для обеспечения устойчивой работы модулей MITSUBISHI (как и любой ВЧ техники) требуется соблюдение ряда стандартных условий, в частности, использование блокирующих конденсаторов в цепях электропитания и максимально коротких внешних схемных соединений, защита корпуса модуля от сильных ударов и недопущение нештатных (по питанию, сопротивлениям нагрузки и температуре) режимов функционирования.