Усилитель радиосигналов

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет -Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Автор изобретения Ю. В. Гуляев Ордена Трудового Красного Знамени институт радистехники и электроники АН СССР(54) УСИЛИТЕЛЬ РАДИОСИГНАЛОВ Изобретение относится к устройствам для усиления радиосигналов и может быть использовано в СВЧ-электронике и радиотехнике.Известны твердотельные усилители 5 радиосигналов - транзисторы и электронно-акустические усилители (ЭАУ).В биполярном транзисторе эффект усиления достигается эа счет того, что напряжение во входной (эмиттерной) цепи, инжектируя неосновные носители заряда в область коллектора, меняет сопротивление выходной (коллекторной) цепи и тем самым влияет на протекание тока в ней. В униполярном (полевом) транзисторе влияние входного напряжения на выход. ную цепь осуществляется с помощью эффекта поля. Важным достоинством транзистора является низкое напря 20 жение питания и возможность работы в непрерывном режиме.Однако такие транзисторы характеризуются относительно малым коэффициентом усиления и трудностью прод 25 вижения в области высоких частот, так как, например, в биполярном транзисторе инерционность самого эффекта определяется временами жизни неосновных носителей заряда (10- 10 9 с).о В электронно-акустическом усилителе входной радиосиГнал сначала преобразуется взвук с помощью электро- механического преобразователя (ЭМП), затем усиливается сверхзвуковым дрейфовым потоком электронов обычно в пьезополупроводнике или в слоистой структуре пьезодиэлектрик-полупроводник, а на выходе вновь с помощью ЭИП преобразуется в.радиосигнал. Достоинством этого усилителя является большой коэФфициент усиления. Однако в усилителе имеются значительные потери на двойное преобразование сигнала в звуке и обратно (в лучшем случае 6-10 дБ). и повышенный уровень шума, связанный с усилением звуковых Флуктуаций, Кроме того, необхо- димС использовать высокие напряжения для придания электронам сверхзвуковой скорости на большой длине пути порядка 1 см, с чем связана трудность получения непрерывного режима усиления.Цель изобретения - повышение коэффициента усиления при одновременном уменьшении напряжения питания,Это достигается тем, что усилитель выполняют на основе пьезоэлектрического полупроводника или слоис40127той структуры пьезодиэлектрик-полу-проводник, причем батарею пИтания и нагрузку присоединяют к пластине с помощью двух неинжектирующих контактов, например, в виде гребенок, расПоложенных на противоположных плоскостях пластины.5 Входной радиосигнал, как и в ЭАУ,преобразуется в звук с помощью ЭПИи вводится в пьезополупроводник илив слоистую структуру пьезоэлектрик - Ополупроводник.Как известно, в проводящей средезвук создает сгустки концентрацииэлектронов (волну объемного заряда),бегущие вместе с ним. Эти сгусткипробегают через цепь коллектора имодулируют сопротивление этой цепис частотой сигнала, что позволяетполучить при соответствующих условиях усиление сигнала.Таким образом, предлагаемый уси"литель соединяет в себе элементыЭАУ и транзистора: входной радиосигнал, преобразуясь сначала в звук,как в ЭАУ, и создавая сгустки объемного заряда, меняет затем с помощьюэтих сгустков сопротивление цепиколлектора, как в транзисторе.На фиг, 1 показана принципиальнаясхема предложенного усилителя; наФиг. 2 - прибор, выполненный на основе пленки; на фиг. 3 - прибор,выполненный на,снове слоистых структур,Схема содержит электромеханичес-,кий преобразователь 1, бегущие сгуст ки 2 концентрации электронов, неинжектирующие контакты 3 и 4, батарею 5 коллекторной цепи и сопротивление б нагрузки цепи коллектора.Звук, в который преобразовался 40входной радиосигнал, как бы инжектирует сгустки концентрации электроновв пространство между контактами 3 и4 цепи коллектора, меняя тем самымсопротивление этого участка цепи. 45При наличии батареи это вызывает всопротивлении нагрузки переменныйток с частотой сигнала. Путем выборапараметров цепей коллектора и эмиттера получают усиление мощности входного радиосигнала. Для уничтоженияотраженных звуковых сигналов в режиме бегущеи волны можно использоватьзаглушку. Однако прибор может работать и с использованием стоячей звуковой волны,55Мощность звукового потока связана с амплитудой механического смещения Уе соотношением.г. (Р, = -(О,) (3) где Я - площадь пОперечного сечениязвукового потока;С - модуль упругости кри:талла; Чи - скорость и волновое числозвука ( Ю : ф фДля простоты считаем задачу одномерной, имея в виду, что для объемных волн выбором ориентации кристалла этого обычно можно добиться (в случае поверхностных звуковых волн вместо Б и С фигурируют некие эфФективные величины, определяемые конфигурацией задачи).Амплитуда механического смещения Уе однозначно связана с амплитудой переменной концентрации электронов в поле звуковой волны 4)Я ц.ьп: -(4) ч(эффективный) пьекристалла (или слоструктуры);заряд электрона;Т уд- максвелловское че"п,1 время релаксации идебаевский радиус; Ео и т - электропроводность,диэлектрическаяпроницаемость итемпература (вэнергетических единицах) кристала;- подвижностьи равновесная концентрация электронов (вслучае слоистойструктуры эти данные относятся кпроводящему слою); Здесь зомодульистой Р= пр; 54туры пьезодиэлектрик - полупроводник) составляет01 . 4Р=РЬ И. (1)Если поглощение звука на пути отЭМП до контактов 3 и 4 составляет АдБ (при наличии усиления звука в рабочем элементе40), то мощность звукового потока под контактами 3 и 4 следующая:е ЧД тронов стране элеаспр) и олуКомбинаем след бк РЕсли на вход кий преобразова менный электрич тотой со и мощно иа преобразован ЭМП составляют ность звукового бочего элемента вого кристалла и ной электромеханичестель подается перееский сигнал с часстью Р , а потери 60 ие сигнала в звук в дБ, то полная мощпотока на входе ра(пьезополупроводниколи слоистой струк" ="( ч)Якорость дрейфнаправленииия звука.Уя формулы (2щую связь ьпР(6) В=В,+ли,3 бах 54012Сопротивление рабочего элементамежду контактами 3 и 4 составляет где Ве - сопротивление в случае отсутствия звука;ЬВ - амплитуда переменной добавки,; вызванной наличием сгустков концентрации электронов. Если продольный размер контактов (или, по крайней мере, одного из них) порядка или меньше половины длины волны звука Я , тог Я Ыз, (7)д пдогде численный множитель Х порядка 15 единицы и определяется конкретной геометрией контактов, Кроме того, всегда можно написатьй = --о аК 20 где И, - положительный фактор размерности длины, также определяемый геометрией контактов.Если (дК Йо,то амплитуды переменной составляющей тока через на грузочное сопротивление и переменного напряжения на нем Коэффициент усиления ЗИТ по мощности в децибелах соответственноГ = ЮОЕКр, (14) Формулы (13) и (14,) решают поставленную задачу в общем виде. Максимиэируя выражейие для)(рпо отношению к параметрам коллекторной цепи, легко увидеть,что последний множитель в формуле (1 З достигает максимума приЯ = - ф2 м ко (15) и Равен 27 В Ь 0,103 Я, . Под 256ставляя это в формулу (13) и исполь- эуя выражение (8) и выражение дляф-, , получаем Г+,гК ) Я з 0241)Х 10гормакг м ф юг+(Гфо )М. У В .аие е.г8 ч Т(16)ЙСчитая далее дрейфовое усиление звука отсутствующим (И Ы ), а также расстояние от ЭМП до контактов 3 и 4 достаточно коротким, так что затуханием звука (. можно пренебречь по сравнению с потерями на преобразование д 1 , максимизируем выражение (16) по частоте сигнала. Видно, что предпоследний множитель достигает своего максимума на той же частоте Гор( , что и линейный коэффициент усиления звука 4(18)асто 5 так та ( фузии, вует в ф с О 19) Наоко ой част ательно су 1 для х ХГО фо(а ерх рейфовсеакдостнния на тойсимальноголучаем Если усил гает же ч коэф Подст юда ент вляя эффи но по ем РаМ агу х КР)наКС( МОКСИр= г(,м, )чРМ,М о (11) .5 омеханиили, вводяческой связи онстанту электл С С я;. гар ха+д +д )2 1 Й 6 Н М 0 внутреннее сопрот ние и ЭДС коллект батареи. мулы (7) - (9) для ;переменного тока опротивлении В. ти, которая выхоакт с входным) Комбинируя фор выходной мощности выделяющейся на с(т. е. для мощнос дит в выходной тр сопротивлением В", в утазываемая диффузионнаяЭ "; - . - коэффициентТэлектронов). Это соотвлновому числу звука имеет место еще и ние звука, то так максимального энастоте и 4 ьГ.для м ициента усиления1 С)0 7 где сГ 0- -ф) соч,Из формул (20) и (21) видно, чтусиление прибора тем больше, чебольше подвижность электроновЭДС батареи.Е и величина (1, корая по существу характеризует лнейный размер контактов 3 и 4.ление растет с увеличением контрации звуковой энергии (т, е.уменьшением 8 ), а также с пожением температуры (до некотор401275 диэлектрика 13, полупроводниковуюпленку или тонкую пластинку 14.В случае ЬИЬО.+ Я 1 при Т300 КФ а 1200 смг"Вс, ,: 5 10 см г0 р 37 р б: 10 Смсм у 1 ор(=ф 260 МГц, 6 = 6,7 мкм, с:3 мкм, 4,=5 мкм, .: 0,5 см,Ф: 10, Е : 30 В,Йн - 100 Ом, р+Х5 дБ.Куз = 1680, Гр32 дБ.Полный ток н коллекторной цепи 79 мА,сплотность тока под штрихом гребенкиг25 А/см , выделяемая джоулева мощность во всем элементе 1,8 Вт, чтовполне возможно в непрерынном режиме.В случае Ь 1 ИЬОЗ+Се при Т: 77 К,Р - 510 смг/В с, П: 10см э,бо: 8 10" См "/см , Я: 0,37, 1 ор 1 =72 Мгц, Ь : 25 мкм, д : 10 мкм,с 1 = 5 мкм, А. = 0,5 см, Лl = 10,Я,: 3 В, Ян - 0,4 ,кОм, ъ +д. : 5 дБполучаем Кр: 364, Гр = 25,6 дБ.Полный ток в цепй коллектора 18 мАплотность тока под штрихом гребенки17,2 А/см , выделяемая;джоуленагмощность 4 мВт, что возможно в непрерывном режиме.В случае использования СЙЯ прикомнатной температуре=-И= 24 мГц, Я: 300 В,2 ХК: 62, Гр,- 10 1 ХР = 18 дБ,Таким образом, предложенный приборможет быть использован для эффективного усиления радиосигналов в диапазоне СВЧ.В другом назначении коллекторнаячасть прибора может быть использована как активный приемник звука,частично или полностью компенсирующий потери линии задержки (которойфактически являетдя входная частьприбора), Таким образом, прибор посуЩеству представляет собой активную линию задержки, в которой потери не только могут быть уменьшены,но может быть получено и усилениезадерживаемого сигнала,Если в активном элементе прибораимеется усиление звука сверхзвуковым дрейфовым потоком электронов, тоусиление прибора в децибелах складывается с этим усилением.Возможны и другие выполнения прибора, например, с точечными контак-тами, с запорным слоем и т. д. Ха-,рактерной особенностью прибора является то, что при его работе звук, вкоторый превратился входной радиосигнал, инжектирует электроны вколлекторную область, изменяя темсамым сопротивление коллекторнойцепи55 формула изобретения Усилитель радиосигналов в диапазоне СВЧ, работа которого основана на промежуточном преобразовании радиосигнала в звук, выполненный,предела, определяемого проводимостьюкристалла, иначе величинав знаменателе формул (20) и (21) начинает возрастать).В качестве материала для прибораследует брать полупроводник с большой подвижностью электронов, а н качестве пъезоэлектрика - материал свозможно большим пьезомодулем. Лучше всего использовать поверхностныезвуковые волны, ибо н них звуковаяэнергия концентрируется сильнее. Кро ме того, так как коэффициент усиления пропорционален размеру контакта а , этот контакт целесообразновыполнять в виде гребенки, вполнеидентичной по параметрам и расположенной параллельно гребенке входногоэлектромеханического преобразователяЭМП.Наиболее выгодно применять дляприбора поверхностные звуковые волны в слоистых структурах пьезодиэлектрик - полупроводник, где имеютсягораздо большие возможности оптимального выбора полупроводника с высокойподвижностью и пьезоэлектрика с большим пьезомодулем. Например, в качестве полупроводника можно брать Ое,Я 1, СаАэ, ЭпЯЬ, СЙЯ, СЙЯе и т. д., ан качестве пьезодиэлектрика Ь 114 ЬОг lВ 1 ц ОеОпьезокерамики, кварц, ЕпО, 30СЙЯ, Сс 1 Яе и др.Так как некоторые полупроводники,такие как СаАз, СЙЯ, обладают довольно сильными пьезосвойствами, ихможно использовать в приборе и непосредственно без сочетания с пье 35з оэлек триком.Например прибор (см.4 й:с.2), вы-,полненный на основе пленки 7 СаАз/выращенной на сильнолегированнойподложке 8 из СаАз, служащей однонременно контактом, содержит гребенчатый ЭМП 9 с длиной штрихов Ь, шириной Р и расстоянием между ними лРколлекторный контакт 10 в виде гребенки, вполне идентичной гребенке 45входного ЭМП (число штрихов И),коллекторную батарею 11 и нагрузку12.Типичные параметры материала и конструкции следующие; Т = 77 К Р = 5010 смг/Вс, И: 2 10 см з, 8=3,2 См /см , Гор( = 3 ГГц, Ь: 1,1мкм, 8 : 0,5 мкм, д : 20 мкм,0,5 см,Ю= 100,0,3 В,йн1,23 10 Ом,3 +,( - 10 дБ,Из формулы (20) получаемКр: 1620, Гр = 31 дБПолный ток и коллекторной цепи равен61 А, плотность тока вблизи, каждогоштриХа гребенки составляет Ь 10 А/смг60а выделяемая джоулева мощность равна 15,8 Вт, что также может быть внепрерынном режиме.Прибор (см, фиг. 3), выполненныйна основе слоистых структур ЬЬИЬОд +Я 1 и Ь 1 ИЬО+ Се, имеет брусок пьезо 401275 10например, на основе пластины изпьезоэлектрического полупроводника,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью ,уовышения коэффициента усиления при одновременном уменьшении напряжения питания, на противоположных плоскостях пластины расположеныдва неинжектирующих контакта, например,в виде гребенок,для подсоединениянагрузки и батареи питания.