Усилитель свч своими руками

Обновлено: 15.05.2024

Предисловие редактора перевода

Эта книга, написанная известными специалистами в области СВЧ-электро-
ники, посвящена разработке твердотельных СВЧ мощных усилителей. В про-
цессе проектирования, разработки и производства авторам пришлось изучить
широкий круг областей СВЧ-электроники, что помогло им выработать систем-
ный подход к решению конкретных задач разработки усилителей мощности
в СВЧ-диапазоне. Кроме традиционных вопросов проектирования усилителей,
начиная с построения моделей активных приборов на большом уровне сигнала
и заканчивая способами суммирования мощности и всех основных этапов про-
ектирования, в книге широко освещены такие темы, как физика активных при-
боров, фазовые шумы, схемы питания и тепловое проектирование.
Ранние этапы развития СВЧ-техники связаны с вакуумными приборами,
такими как клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны. Однако по мере
развития полупроводниковых приборов и твердотельных усилителей на их
основе они постепенно стали конкурировать с вакуумными приборами. СВЧ-
усилители являются одной из ключевых составляющих СВЧ-систем. Преиму-
ществом твердотельных усилителей являются их более высокая надежность,
существенно меньшие габаритные размеры и весовые показатели при улучше-
нии рабочих параметров и снижении стоимости. Все это делает их весьма при-
влекательными для разработчиков СВЧ-систем, таких как радары, системы ра-
диоэлектронной борьбы, телекоммуникационное оборудование. Эти системы
не могут быть созданы без усилителей мощности СВЧ-диапазона.
При изложении материала авторы придерживаются фундаментального под-
хода, что обеспечивает его актуальность на долгое время. Книга будет полезной
не только специалистам, но и широкому кругу читателей, особенно студентам
старших курсов соответствующих специальностей, желающим глубоко изучить
вопросы разработки твердотельных мощных СВЧ-усилителей.
При рассмотрении активных приборов авторы больше внимания уделяют
полупроводникам А3В5 и транзисторам на их основе; их способность работать
на высоких частотах, благодаря высокой подвижности и пиковой скорости
электронов, является главным фактором, определяющим их выбор.
Среди полупроводников А3В5 наиболее успешным до сих пор остается арсе-
нид галлия, технология изготовления полевых транзисторов и монолитных ин-
тегральных схем на его основе в настоящее время находится на высоком уровне.
Однако появляются и новые полупроводниковые материалы, которые в бли-
жайшие годы поднимут параметры СВЧ-усилителей на новый уровень.
Полевые транзисторы как основной активный элемент усилителей мощ-
ности используются на пределе физических характеристик полупроводников
и технологии их изготовления. Знание этих пределов и физических процессов,
их определяющих, очень важно для проектирования и создания усилителей
с высокими параметрами и надежностью.
Авторам известно, что разработчики изделий СВЧ-техники имеют дело
с постоянно меняющимся потоком новых приборов, технологий, материалов,
но базовые принципы, лежащие в основе разработок, меняются мало. Поэтому
понимание этих принципов поможет разработчикам делать правильный выбор
в этом многообразии.

В значительной степени появление данной книги связано с нашей совмест-
ной работой в компании Microwave Power Inc. (MPI), которая занимается про-
ектированием, разработкой и производством твердотельных СВЧ-усилителей
мощности. Мы создали эту компанию в 1986 году, и совместно управляли ей
на протяжении более двадцати лет. Работа в небольшой компании является от-
личным средством против специализации в какой-то одной узкой области —
в процессе работы постепенно мы начали понимать, что многие проблемы, свя-
занные с СВЧ-усилителями мощности, невозможно решить в рамках какой-то
одной области, так как они носят интердисциплинарный характер. Именно
этой точки зрения мы и придерживались при создании данной книги. Здесь
рассмотренны все традиционные вопросы, связанные с разработкой усилите-
лей мощности, начиная от получения моделей приборов на большом сигнале
и заканчивая обсуждением сумматоров мощности и методов проектирования.
Однако при этом больший, чем в других книгах, объем был посвящен рассмо-
трению физических основ приборов, фазовых шумов, схем смещения и тепловому проектированию.
На протяжении всей книги особое внимание уделяется рассмотрению фун-
даментальных принципов. Мы считаем, что это единственный способ борьбы
с быстрым устареванием знаний в отрасли, которая находится в состоянии по-
стоянного развития. Рассматривая логику и принципы, которые стоят за раз-
личными методами проектирования, стараемся подтолкнуть читателя к их
использованию в будущих проектах. Изучая фундаментальные принципы, ко-
торые лежат в основе используемых сегодня приборов, помогаем лучше понять
устройства следующего поколения.
Также надеемся, что особое внимание к основам и широкий диапазон рас-
сматриваемых тем поможет привлечь внимание более широкой аудитории. На-
пример, хотя в книге не рассматриваются специально технологии беспроводной
передачи данных, многие рассматриваемые в ней вопросы представляют осо-
бый интерес для специалистов, которые занимаются разработкой усилителей
мощности для базовых станций сотовой связи. В особенности это относится
к рассмотрению моделей на больших сигналах, проблемы, связанные с фазо-
выми шумами, методы проектирования усилителей мощности, специальные
конструкции усилителей мощности, и тепловое проектирование. Также мы на-
деемся, что данная книга может послужить в качестве справочного пособия при
углубленном изучении СВЧ-устройств.
Так как в самом начале упоминалась компания Microwave Power, то хоте-
лось бы поблагодарить всех сотрудников компании, с которыми мы работали
на протяжении многих лет и которые внесли свой вклад в самых различных
областях. Также хотелось бы поблагодарить Тима Хейбоера, который являет-
ся в данный момент менеджером компании MPI, а также сотрудников компа-
нии AML Communications доктора Тибби Мазилу, Эда МакЭвой, Якоба Инбара
и Гленна Накао за помощь и поддержку в создании данной книги — в особенно-
сти при измерении фазовых шумов и при создании некоторых из иллюстраций.
В заключение также хотелось бы отметить конструктивную критику и предло-
жения со стороны рецензентов издательства Artech House.

ГЛАВА 1
Введение
1.1. Предмет данной книги

Усилители являются основными компонентами многих СВЧ-систем, а их тех-
нические характеристики часто определяют построение всей разрабатываемой
электронной системы. В самом начале развития СВЧ-техники для создания уси-
лителей в основном использовались электронные лампы, такие как клистроны,
магнетроны или лампы бегущей волны ( TWT — Traveling-Wave Tubes), однако
стремительное развитие твердотельной электроники значительно ослабило до-
минирование электровакуумныхприборов. Причиной являются такие преиму-
щества твердотельных электронных устройств, как надежность, возможность
эксплуатации в неблагоприятных условиях, рабочие характеристики, размер
и стоимость, таким образом, при появлении полупроводниковых аналогов они
немедленно завоевывают признание у разработчиков СВЧ-устройств. Если по-
строить график зависимости мощности от частоты (см. рис. 1.1, на котором пока-
зана такая зависимость для узкополосных усилителей), то можно заметить, что
вместе с развитием технологий производства полупроводниковых электронных
устройств они захватывают на подобных графиках все большую площадь. Элек-
тровакуумные устройства постепенно утрачивают долю рынка, сохраняя лишь
свои позиции в области все более высоких частот и более высоких мощностей.
Области, выделенные серым цветом и обозначенные как 1989 и 2009, отобра-
жают неопределенность в информации для этих двухгодов. Также на данном
графике показаны те диапазоны мощности и рабочих частот, которые соответ-
ствуют мобильным телефонам. Любой подобный график в лучшем случае носит
общий и приблизительный характер. Всегда существуют особенности, которые
связаны со стоимостью, техническими характеристиками или же необходимо-
стью поддержки существующих систем, которые могут передвигать границу
между полупроводниковыми и электровакуумными устройствами.
Данная книга рассматривает только твердотельные (полупроводниковые)
усилители мощности ( SSPA — Solid-State Power Amplifi ers), уделяя основное
внимание тому максимальному уровню мощности, который можно обеспечить
при помощи полупроводниковых приборов. Если рассматривать широкопо-
лосные устройства (с полосой в несколько октав), то речь пойдет о мощности
в несколько ватт, в случае узкополосных усилителей мощность может достигать
сотен ватт. Если вновь обратиться к рис. 1.1, то можно сказать, что нас интере-
суют те уровни мощности, которые невозможно было обеспечить 20 лет назад.
Естественно, это не означает, что те методы и принципы проектирования, об-
суждаемые в данной книге, не могут применяться к усилителям с более низ-
кими мощностями, единственное, что больше внимания уделяется вопросам
суммирования мощности и отвода тепла. Выбор примеров также будет соответ-
ствовать области интересов этой книги.
Основное внимание будет уделяться таким областям применения, как рада-
ры, средства радиоэлектронной борьбы, телекоммуникационное оборудование
и специальное испытательное оборудование. Достаточно много публикаций
уже посвящено усилителям для мобильных телефонов и прочих беспроводных
устройств [1−6], поэтому рассматриваться подробно они не будут, однако под-
робно будут рассмотрены мощные усилители, которые используются в базовых
станциях. Также будут подробно рассмотрены полупроводниковые приборы
на сложных полупроводниках. Достаточно большое количество превосходных
книг, обзоров и технической документации [7—9] уже посвящено низкочастот-
ным мощным, кремниевым МОП транзисторам, которые за последние годы зна-
чительно улучшили свои характеристики (чего нельзя сказать о кремниевых
биполярных транзисторах) [10—12]. Однако именно биполярные транзисторы
еще в 60-х годах прошлого века первыми достигли диапазона СВЧ. Они и се-
годня достаточно широко используются, благодаря низкой стоимости и хоро-
шим фазовым шумам, однако их использование в усилителях ограничивается
частотой 4—5 ГГц в особенности при высоких уровнях мощности. Способность
полупроводниковых приборов работать на более высоких частотах в основном
связана со скоростью электронов, и известно несколько полупроводниковых
материалов, которые обладают более высокой подвижностью электронов и бо-
лее высокой максимальной скоростью по сравнению с кремнием. До сих пор
широко используется арсенид галлия, благодаря сочетанию различных факто-
ров. Сегодня это хорошо развитая технология, для которой основным стимулом
в начале ее развития являлся такой крупный рынок, как оптические электрон-
ные устройства (такие как светодиоды LED (Light-Emitting Diode) и полупро-
водниковые лазеры). Другим важным свойством подобных материалов являет-
ся относительно широкая запрещенная зона, что обеспечивает их достаточно
высокое удельное сопротивление. Благодаря этому они пригодны (хотя и не
являются оптимальными ) в качестве подложки для передачи СВЧ-сигналов,
и это объясняет их успешное применение в качестве материалов для СВЧ моно-
литных интегральных схем (MMIC — Monolithic Microwave Integrated Circuits ).
Однако сейчас появляются новые материалы, и далее будут рассмотрены наи-
более важные из них.
Судя по названию книги, она затрагивает необычайно большое количество
областей, связанных с физикой полупроводников и активных приборов, и такой
объем может показаться чрезмерным для некоторых читателей. Чтобы облег-
чить им процесс чтения, основные вопросы по физике полупроводников были
собраны в главе 3, и если какие-то из рассматриваемых там вопросов неинтерес-
ны или уже знакомы читателю, то он может пропустить эту главу. Такой подход
основывается на нашем опыте, который свидетельствует о том, что для эффек-
тивной разработки мощных полупроводниковых приборов основным условием
является понимание физики полупроводников. Полупроводниковый прибор,
используемый в усилителе мощности часто работает на, пределе возможностей
данного материала и технологии. Знание этих предельных возможностей и фи-
зических основ, которыми определяются эти возможности, важно для создания
надежного устройства с высокими параметрами. В СВЧ-электронике постоян-
но появляются новые типы приборов, новые технологии и материалы, однако
базовые принципы, на которых развивается СВЧ-электроника, остаются не-
изменными. Понимание этих основных принципов позволяет понять логику
и непрерывность развития.
Рассматривается весь диапазон от 1 до 50 ГГц, но основное внимание будет
уделяться широкополосным усилителям и более высоким частотам (тем, на ко-
торых можно получить достаточно высокую мощность). Именно эти области,
по нашему мнению, представляют особый интерес для будущего развития.
Хотя можно было бы привести множество доводов для подобного выбора, одной
из основных причин также является то, что именно этот диапазон связан с об-
ластью наших профессиональных интересов, и обладанием достаточно высокой компетентностью.

1.1.1. Перспективы развития

Потребность в более мощных твердотельных усилителях достаточно высока
для всех областей их применения, и основной тенденцией является повыше-
ние мощности и рабочей частоты. Для достижения данной цели существует два
основных пути : разработка методов эффективного суммирования мощности
и повышение мощности активных приборов.
В большинстве твердотельных усилителей мощности, и в особенности с вы-
соким уровнем мощности, используются методы суммирования мощности
отдельных активных приборов. Считается, что новые методы суммирования
с малыми потерями перспективны. Основным преимуществом такого метода
повышения выходной мощности является более эффективное распределение
рассеиваемой мощности. В качестве примера в главе 7 рассмотрим усилители
мощности на основе планарных радиальных сумматоров, в которых усилители
мощности равномерно распределены по периферии сумматора, чем достигается
равномерное распределение тепла. Сегодня многие сумматоры высокой мощ-
ности с низким уровнем потерь накладывают ограничения на рабочую полосу.
Однако считается, что развитие технологий позволит создать широкополосные
сумматоры, которые сохранят свои преимущества в отношении рассеиваемой мощности.
Если говорить об уровне мощности активного прибора, то сегодня наиболь-
шие ожидания связаны с новыми полупроводниковыми материалами с широ-
кой запрещенной зоной, в особенности это относится к нитриду галлия GaN
(Gallium Nitrid). Если активные слои GaN наращиваются на карбиде кремния
SiC (Silicon Carbide), то высокая теплопроводность подложки обеспечит хоро-
ший теплоотвод, и в этом случае выходная мощность может в пять раз пре-
вышать уровень выходной мощности для современных приборов на арсениде
галлия (GaAs, Gallium Arsenide). Развитие в этой области идет настолько высо-
кими темпами, что любые публикации быстро устаревают. В данной книге эта
проблема решалась тем, чтобы основное внимание уделялось основным, фун-
даментальным принципам, в надежде на то, что читатель сможет применить
их для разработки усилителей с применением приборов и материалов, которые
появятся в будущем.

ГЛАВА 2
УСИЛИТЕЛИ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ

2.1. Области применения и технические характеристики

2.2. Активные приборы

ГЛАВА 3
ФИЗИКА АКТИВНЫХ ПРИБОРОВ

Как уже говорилось ранее, многие из характеристик усилителей мощности
определяются рабочими характеристиками используемых активных приборов.
Сегодня, в особенности на высоких частотах и мощностях, в качестве актив-
ных приборов в большинстве случаев используются транзисторы, чаще всего
из семейства полевых транзисторов. В данной главе будет подробно рассмотре-
на их работа и уделено особое внимание наиболее широко используемым ти-
пам из этого семейства. Однако существуют и такие применения, где особенно
важны те преимущества, которыми обладают биполярные транзисторы, напри-
мер низкий уровень фазового шума. По этой причине будут также рассмотрены
характеристики самого современного представителя биполярных транзисто-
ров — гетеробиполярного транзистора (HBT — Heterojunction Bipolar Transistor).
Даже для такого краткого и общего обзора, который представлен в данной
главе, необходимо понимание ряда основных концепций физики полупровод-
никовых устройств. Здесь не будут рассмотрены эти концепции подробно,
но краткий обзор, который будет представлен далее, поможет читателю луч-
ше ориентироваться в данной области. Существует большое количество книг,
которые рассматривают данную область науки на самых различных уровнях
[1—5]. Если читатель обладает определенными знаниями в данной области, то
он может пропустить раздел 3.2.

3.2. Основные концепции физики полупроводников

Одним из фундаментальных принципов, введенных квантовой механикой, яв-
ляется дуализм волна/частица для электронов и фотонов. Каким образом будет
Эти две переменные связаны между собой принципом неопределенности, ко-
торый утверждает, что неопределенность для положения частицы будет обрат-
но пропорциональна неопределенности значения импульса. В общем случае
частицу можно представить в виде волнового пакета: при точно заданном поло-
жении в пространстве (короткий импульс, который в предельном случае может
быть представлен точкой или частицей) пакет содержит большое количество
длин волн. В обратном случае, когда имеется дело с одной определенной дли-
ной волны, объект представляет собой волну, для которой нельзя определить
положение. Аналогичным образом короткий радиочастотный импульс будет
иметь очень широкий диапазон частот. Математическое описание будет анало-
гичным, хотя физическое понятие волны имеет несколько иной смысл: частица
представляется при помощи функции состояния, которая позволяет определить
вероятность любого свойства, относящегося к данной частице. В частности,
возведенное в квадрат значение модуля волновой функции определяет вероят-
ность того, что частица будет находиться в данной точке пространства. Законы
Ньютона (или, вернее, формулировка Гамильтона для законов классической
механики) заменяются уравнением Шредингера

СМ. УРАВНЕНИЕ (3.1)

Название разделов
Источники питания В данном разделе собраны конструкции иточников питания. Рассмотены способы преобразования и получения электрической энергии
Реклама на ВРТП Реклама на вртп.

Мы предлагаем вам два вида интернет рекламы:
- контекстная реклама
- баннерная реклама

Это наиболее продуктивные средства рекламы, позволяющие ускорить раскрутку сайта и улучшить узнаваемость бренда.

Предпочтение отдается технической тематике рекламы или теме HI-TECH.

- Баннер слева сайта: ширина 180 пикселей, высота от 100 до 250 пикселей. При большей высоте баннера цена оговаривается

отдельно.
Сквозное размещение рекламного баннера на главной странице — в левой колонке сайта. Размещение статическое. Стоимость

- Баннер внизу сайта: ширина от 150 до 250 пикселей, высота 150 пикселей.
При большей ширине баннера цена оговаривается отдельно
сквозное размещение рекламного баннера в нижней части центральной колонки. Размещение статическое. Стоимость — 3000р в

Баннерная реклама должна быть в формате GIF или FLASH.

В данной статье описывается процедура проектирования СВЧ усилителей мощности класса A, базируясь только используемых транзисторов. Для разработки используются две программы: система моделирования СВЧ схем общего назначения (Microwave Office) и специализированная программа для проектирования СВЧ линейных усилителей (MultiMatch). Использование пакета Microwave Office обусловлено наличием в нем интегрированного модуля электромагнитного анализа топологий.

Метод проектирования по мощностным параметрам

При разработке усилителей класса A для вычисления значения оптимальной передачи и возвратных потерь по входу/выходу измеренные в рабочей точке транзистора. Если для транзистора в комбинации доступны шумовые параметры, то тогда проект может быть выполнен для достижения оптимального коэффициента шума (NF, Noise Figure) и коэффициента усиления по мощности (Ganopt). Максимальная выходная мощность усилителей класса А обычно определяется как значение выходной мощности, при котором значение коэффициента передачи по мощности падает на 1 дБ относительно линейного малосигнального режима — P1dB. сами по себе не позволяют контролировать эту выходную мощность P1dB, получаемую в каждом отдельном каскаде разрабатываемого усилителя. Поэтому, аналогично тому, как шумовые параметры транзистора используются для обеспечения шумовых характеристик усилителя, для обеспечения точки P1dB нужны кокие то мощностные параметры.

Одним из методов проектирования и анализа точки P1dB является использование нелинейных моделей транзисторов и системы моделирования нелинейных схем на основе метода гармонического баланса. Главная проблема здесь кроется в том, что нелинейные модели используемых транзисторов не всегда доступны проектировщикам. Производители транзисторов очень редко предоставляют клиентам нелинейные модели, так как оборудование и программное обеспечение для их экстракции, как правило, достаточно дороги, и лишь немногие компании могут позволить себе такую роскошь. То же самое можно сказать про метод, использующий тюнеры для получения оптимального входного и выходного импедансов или нагрузочных контуров постоянной мощности транзистора. Разумеется, все эти методы неизбежны, если усилитель работает в глубоком нелинейном режиме, или требуется информация о нелинейных искажениях проходящего через усилитель сигнала.

Криппс (Cripps) в своей обычной манере использования обыкновенного здравого смысла представил в литературе [2], [3] и [4] разработанный им подход оценки максимально достижимой мощности каскадов усиления, работающих в режиме с малой нелинейностью (Class A). При таком подходе, транзистор аппроксимируется очень простой эквивалентной моделью, содержащей внутренний управляемый напряжением источник (генератор), а также паразитные выходные параллельно включенный конденсатор и последовательно включенную индуктивность. Слабая нелинейность игнорируется, и крутизна характеристики транзистора рассматривается как линейная выше точки отсечки и ниже точки насыщения. При всех описанных выше допущениях Криппс разработал линейное математическое выражение, связывающее нагрузочную линию и пределы тока и напряжения на генераторе с внешней нагрузкой и передаваемой в эту нагрузку мощностью. Он показал, что соотношение между внутренней нагрузочной линией и внешним импедансом может быть представлено на диаграмме Смита в виде контуров с одинаковой выходной мощностью (load-pull).

Описанный подход стал очень популярным, так как был достаточно простым и позволял получить удовлетворительные результаты в большинстве практических случаев. Простая эквивалентная модель из трех элементов может быть легко получена, когда полная линейная эквивалентная схема согласуется с набором конкретного транзистора. Тем не менее, такой подход не всегда бывает достаточным. Некоторые его ограничения связаны с тем, что он не позволяет учитывать обратную связь или потери в транзисторе. В статье [3] Криппс указывает, что нет никаких проблем включить представленное в статье уравнение в любой линейный симулятор, чтобы рассчитывать мощностные характеристики так, как сейчас это делается для расчета коэффициента шума. Кроме того, он показал, что, будучи слегка модифицированным, его метод может учитывать и обратные связи.

Используемое программное обеспечение

Расчет мощностных параметров может быть реализован в любой системе моделирования линейных схем, но в настоящое время он доступен только в программе MultiMatch Amplifier Design Wizard. Программа MultiMatch является специализированной программой, предназначенной для разработки усилителей и генераторов. Она комбинирует возможности системы линейного моделирования схем в частотной области с функциями итерационного синтеза пассивных цепей. В процессе работы программы могут быть получены два типа пассивных цепей. Первый тип представляет цепей модифицирующые транзистора — модифицирующие цепи, как они определенны в программе MultiMatch. Модифицирующие цепи обычно содержат резисторы, представляющие собой или нагрузку, или параллельную или последовательную обратную связь, или и то, и другое одновременно. Другой тип синтезируемых цепей представляет собой реактивные цепи согласования без потерь. В исходный набор данных, необходимых для синтеза пассивных цепей, входят: коэффициент передачи, возвратные потери, коэффициент стабильности, коэффициент шума, точка компрессии P1dB, стартовая частота генератора, диапазон перестройки частоты и так далее. То есть конечной целью проектирования являются именно усилитель или генератор, а не просто пассивная цепь.

Программа MultiMatch дает возможность эффективно разрабатывать линейные СВЧ усилители мощности, но для получения качественного результата с первого раза, как показано в литературе [6] особое внимание следует уделить неоднородности цепей согласования СВЧ транзисторов. Это может быть достигнуто благодаря использованию программы MultiMatch в связке с программным пакетом, включающим модуль электромагнитного моделирования топологических структур. Также как и в статье [7], для проектирования усилителя был выбран пакет Microwave Office, так как он представляет собой достаточно мощную систему моделирования, имеющую дружественный пользовательский интерфейс и поддерживающую прикладной интерфейс API, дающий возможность взаимодействия с другими программными средствами. В случае с программой MultiMatch был реализован следующий способ взаимодействия: в процессе экспорта создавался специальный в процессе выполнения которого в среде Microwave Office выполнялось преобразование файла схемы MultiMatch в файл схемы Microwave Office.

Постановка задачи

В описываемом ниже примере требовалось разработать 5 Вт класса А усилитель мощности диапазона 2.1 – 2.2 ГГц и коэффициентом передачи 10 – 11 дБ, который в последствии будет использоваться в качестве плеча балансного усилителя на 10 Вт. В усилителе использован транзистор Mitsubishi MGF909A, имеющий точку компрессии P1dB минимум 37 дБм в рабочей точке 10 В и 1.3 А, для которого имелся набор в данной рабочей точке, но не имелось никакой нелинейной модели или нагрузочных данных.

Процедура проектирования

Процесс проектирования начитается в программе MultiMatch. Задается диапазон рабочих частот проекта 2.075 – 2.225 ГГц с шагом 25 МГц, параметры подложки и другие необходимые данные, после чего выполняется команда начала модифицирования транзистора (рис. 1).

Рис. 1. Начальное окно процедуры модифицирования транзистора.

Первым делом при проектировании усилителя для обеспечения требуемой точки компрессии P1dB является подгонка линейной модели транзистора под его На рисунке 2 изображено предназначенное для этих целей диалоговое окно. Измеренные и параметры, ассоциированные с линейной моделью после такой подгонки, показаны на рисунке 3. Обратите внимание на рисунке 2 на средства оптимизации и возможности отображения вспомогательных характеристик. В этом же окне задается рабочая точка по постоянному току и границы вольтамперной характеристики. После того, как выполнена подгонка модели и заданы границы нагрузочной кривой, программа MultiMatch может рассчитать мощностные параметры и оценить значение P1dB.

Рис. 2. Средства подгонки модели транзистора.

Рис. 3. Диаграмма Смита, показывающая результат подгонки модели

Следующим шагом является общая оценка возможностей транзистора. Анализ показывает, что наилучшее значение точки компрессии P1dB по выходу может достигать 38 дБм и при согласовании выхода для достижения этого максимального значения передача может составить 13 дБ. Зависимости коэффициента устойчивости от частоты показывают, что транзистор безусловно устойчив в диапазоне частот выше 1.8 ГГц и становится менее устойчивым по мере снижения частоты. На этом этапе можно заставить программу MultiMatch синтезировать модифицирующые цепи по входу, состоящие из резисторов, которые дополнительно стабилизировали бы транзистор, выравнивали зависимость коэффициента передачи от частоты и выполняли предварительное согласование транзистора. В некоторых случаях, когда транзистор имеет слишком малый входной импеданс, подобная цепь может оказаться трудно реализуемой физически из дискретных компонентов для поверхностного монтажа. Поэтому было решено сначала выполнить синтез выходных и входных цепей согласования, а уже затем на вход усилителя добавить цепь, обеспечивающую требуемый коэффициент устойчивости на низких частотах.

Следующим действием был запуск команды начала синтеза выходной цепи отдельного транзисторного каскада. Программа MultiMatch Amplifier Design Wizard через последовательность диалоговых окон руководит действиями пользователя по заданию всех необходимых параметров. Диалоговое окно для задания контуров с одинаковой выходной мощностью в точке компрессии P1dB показано на рисунке 4. Сами контуры показаны на рис. 5. Следующие далее диалоговые окна с подобными таблицами позволяют выбрать значения импеданса, которое требуется для обеспечения точки компрессии P1dB. Следует помнить, что при перемещении по контуру выходная мощность остается постоянной, но другие параметры схемы будут варьироваться.

К малошумящим усилителям (МШУ) СВЧ предъявляются жесткие и противоречивые требования. Они должны обладать малым коэффициентом шума и высоким коэффициентом усиления, большим динамическим диапазоном, равномерной АЧХ и линейной ФЧХ в широкой полосе частот.

МШУ должны быть пригодны для установки вблизи облучателя антенны, хорошо согласованы с антенно-фидерным трактом, просты в эксплуатации и обладать высокой надежностью. Современные транзисторы СВЧ позволяют создавать усилители с такими требованиями в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. На частотах до 7 ГГц используются и биполярные, и полевые транзисторы, на более высоких частотах - полевые транзисторы с затвором Шотки (ПТШ) или транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ).

По численным оценкам, полевые транзисторы в будущем могут быть созданы для работы в диапазоне частот до 10 3 ГГц, при этом коэффициент шума на частоте 200 ГГц составит 4 дБ. Современные лучшие полевые транзисторы имеют коэффициент шума 1,3 дБ на частоте 12 ГГц и 4 дБ на частоте 30 ГГц при коэффициенте усиления соответственно 11 дБ и 5 дБ.

Для того чтобы транзистор СВЧ обеспечивал заданные электрические характеристики, он должен быть соответствующим образом нагружен. На рисунке 3.23 приведена структурная схема однокаскадного СВЧ усилителя, состоящего из активного элемента (АЭ) и согласующих цепей (СЦ1 и СЦ2).

Согласование в усилителях СВЧ возможно в двух вариантах. В первом варианте входное и выходное сопротивления транзистора согласуют со стандартным волновым (характеристическим) сопротивлением СВЧ тракта ро. Обычно ро=50 Ом. На рисунке 3.23 цепи СЦ1 и СЦ2 согласуют входное и выходное сопротивления транзистора с подводящими линиями, имеющими волновое сопротивление ро. Подводящие линии полагаются согласованными с источником сигнала (R_H=po) и нагрузкой (R_H=po) усилителя. Преимущества такого подхода в том, что согласование комплексного сопротивления с нагрузкой, не содержащей реактивных составляющих, легче проконтролировать и, следовательно, реализовать. При построении многокаскадных усилителей в виде конструктивно законченных каскадов на отдельных подложках это преимущество становится особенно очевидным.

Недостатком данного подхода является избыточность элементов, требующихся для раздельного согласования входа и выхода. Применяется он преимущественно в профессиональной аппаратуре.

Другой подход сводится к взаимному согласованию двух комплексных нагрузок - выходной предыдущей цепи и входной последующего каскада. Реализация этих цепей актуальна в многокаскадных усилителях, выполненных конструктивно как одно целое (на одной подложке). Контроль усиления каждого каскада в таких усилителях осуществлять технически трудно, поэтому одно из важных преимуществ первого способа отпадает. Главное достоинство таких согласующих цепей - вдвое меньшее число реактивных элементов.

Согласующие цепи в диапазоне 0,3. 3 ГГц можно выполнить как на сосредоточенных, так и на распределенных элементах. На частотах выше ЗГГц они выполняются, как правило, на элементах с распределенными параметрами.

На рисунках 3.24 и 3.25 для примера приведены принципиальные схемы однокаскадных малошумящих усилителей на биполярном и полевом транзисторах.

Рисунок 3.24 - Схема усилителя СВЧ на биполярном транзисторе

В приведенных схемах согласующие цепи СЦ1 и СЦ2 выполнены на отрезках микрополосковых линий (МПЛ) длиной 1, 1_Ш, /2, /_ш 2.

Четвертьволновый отрезок МПЛ 1 является трансформатором сопротивлений. Он трансформирует активную составляющую входного сопротивления транзистора Rbx в стандартное волновое сопротивление ро=50 Ом. Шлейф /_ш 1 компенсирует реактивную составляющую входного сопротивления транзистора. Для этого входное сопротивление шлейфа должно иметь реактивность противоположную реактивности входного сопротивления транзистора.

Рисунок 3.25 - Схема усилителя СВЧ на полевом транзисторе

Аналогично шлейф /_ш2 компенсирует реактивную составляющую выходного сопротивления транзистора, а четвертьволновый отрезок МПЛ /₂ трансформирует активную составляющую выходного сопротивления транзистора в стандартное волновое сопротивление тракта СВЧ р₀.

На рисунке 3.24 транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Режим по постоянному току обеспечивается резисторами Rj, R2, R3, конденсаторы С2 и С3 - блокировочные. Короткозамкнутые (через С2 и С3) шлейфы 1_Ш1 и 1_ш2 одновременно служат для подачи питания на электроды транзистора.

На рисунке 3.25 транзистор включен по схеме с общим истоком. Автоматическое смещение на затворе образуется в результате падения напряжения на резисторе Rj при протекании через него тока истока. Конденсатор С2 шунтирует Rj, чтобы устранить отрицательную обратную связь по переменному току. Короткозамкнутый шлейф 1_ш) служит также для закорачивания затвора транзистора на корпус по постоянному току, а через короткозамкнутый (с помощью блокировочного конденсатора С3) шлейф 1_ш2 подается питающее напряжение на сток транзистора.

Важнейшим условием нормальной работы транзисторного усилителя СВЧ является его устойчивость в смысле отсутствия самовозбуждения. Самовозбуждение возможно в случае, когда активная составляющая входного и/или выходного сопротивления транзистора становится отрицательной, причем входное сопротивление зависит от его нагрузки, а выходное - от сопротивления источника сигнала, пересчитанного к его входным зажимам.

Усилитель считается безусловно (абсолютно) устойчивым в заданном диапазоне частот, если он не возбуждается в этом диапазоне при подключении к транзистору любых комплексных сопротивлений с

положительными активными составляющими. Если существуют значения сопротивлений Zj, Z2 при которых усилитель способен самовозбудиться, он является потенциально (условно) устойчивым.

При разработке усилителей СВЧ стремятся использовать транзисторы, находящиеся в области безусловной устойчивости. Если транзистор находится в области потенциальной устойчивости, то его переводят в область абсолютной устойчивости последовательным или параллельным включением стабилизирующего резистора R_CT в выходную цепь (рисунки 3.24, 3.25). Этот резистор компенсирует отрицательную действительную часть выходного сопротивления во всем частотном диапазоне, вследствие чего эквивалентный АЭ становится абсолютно устойчивым. Параллельное включение R_CT применяется, если транзистор теряет устойчивость в режиме, близком к холостому ходу (рисунок 3.25), а последовательное - в режиме, близком к короткому замыканию (рисунок 3.24).

Для формирования АЧХ узкополосных МШУ можно использовать фильтры сосредоточенной избирательности на входе или на выходе, аналогичные тем, которые применяются в тракте промежуточной частоты.

ФСИ на входе усилителя ослабляет действие помех и предотвращает связанные с ними нелинейные явления типа перекрестной и взаимной модуляции, но вместе с тем повышает коэффициент шума, внося дополнительные потери.

Поскольку коэффициент усиления транзистора уменьшается с ростом частоты, вопросы согласования в широкополосных усилителях решаются не на центральной, а на верхней частоте рабочего диапазона. Возникающее при этом избыточное усиление на нижних частотах устраняется выравнивающими цепями.

В многокаскадных МШУ первым включают усилитель, рассчитанный на минимум коэффициента шума, а последующие - на максимальный коэффициент усиления по мощности. Противоречие между согласованием по мощности и рассогласованием по шумам в одном каскаде преодолевается в балансном усилителе.

На рисунке 3.26 приведена схема балансного усилителя, который содержит два квадратурных трёхдецибельных направленных ответвителя HOI, Н02 и две идентичные усилительные структуры. Н01 делит пополам мощность входного сигнала и подаёт её на входы двух одиночных транзисторных каскадов. В Н02 усиленные мощности суммируются в общей нагрузке.

В рассматриваемой схеме в качестве делителя и сумматора мощности применены двухшлейфовые НО, образованные из четвертьволновых отрезков микрополосковых линий. В плечах 3 и 4 сигналы сдвинуты по фазе на 90°, в плечах 2, куда теоретически мощность сигнала поступать не должна, включены согласованные балластные сопротивления ро. Усиленные сигналы суммируются в плече 1 направленного ответвителя Н02.

Коэффициент усиления балансного усилителя такой же, как у небалансного, но динамический диапазон почти в 2 раза шире.

Принципиальная схема балансного усилителя на полевых транзисторах, построенная на основе усилительных структур рисунка 3.25, показана на рисунке 3.27.

Рисунок 3.26 - Балансный усилитель

Отрезки микрополосковых линий lp..lg образуют согласующие цепи, при этом короткозамкнутые шлейфы 1] и I4 служат для закорачивания затвора транзистора на корпус по постоянному току, а через короткозамкнутые шлейфы lg и lg подаются питающие напряжения на стоки транзисторов. Транзисторы работают с автосмещением (резисторы Rj, R2, заблокированные конденсаторами Q, С2).

Достоинства балансных усилителей: они позволяют совместить режим максимального усиления и минимального шума, обладают широкой полосой пропускания (0,3. 0,8)fo, высокой стабильностью АЧХ и ФЧХ, повышенным динамическим диапазоном (почти в два раза большим по сравнению с одиночным усилителем). Характеристики балансных усилителей не критичны к разбросу параметров транзисторов. У них обеспечивается необходимая устойчивость без применения развязывающих цепей. У балансных усилителей меньший уровень нелинейных искажений, т.к. мощность на каждом транзисторе в два раза меньше, чем в небалансном усилителе. Балансный каскад обладает большой надежностью, т.к. при выходе из строя одного транзистора работоспособность усилителя сохраняется, хотя и с худшим качеством. В балансных усилителях достигается хорошее согласование по входу и выходу, что облегчает создание многокаскадных усилителей.

Анализ и расчет усилителей СВЧ (на частотах выше 0,3 ГГц) проводится с использованием параметров матрицы рассеяния, или S- параметров. В системе S-параметров транзистор представляется в виде четырехполюсника, включенного в линию с волновым сопротивлением ро, согласованную с источником сигнала и нагрузкой (рисунок 3.28). На входе и выходе четырехполюсника имеются падающие и отраженные волны напряжения Uj_nafl, Uj_oxp (i = 1 для входа, i = 2 для выхода), связь между

которыми определяется соотношениями

Рисунок 3.27 - Принципиальная схема балансного усилителя

Параметры матрицы рассеяния

- коэффициенты отражения напряжения на входе и выходе четырехполюсника при согласовании соответственно на его выходе

(И2_Пад = 0 ) и вх °Д е (^пал =°);

- коэффициенты прямой и обратной передачи напряжения, определенные при тех же условиях.

Транзистор находится в области безусловной устойчивости, если выполняются условия

Рисунок 3.28 - Транзистор в системе S-параметров

где А - Sj 1S22 — S21 S^2 ?

Ку_СТ - коэффициент устойчивости, инвариантный в том смысле, что он не

зависит от системы матричных параметров, в которых определяется. Реализуемый коэффициент усиления мощности

- коэффициенты отражения линий со стороны входных и выходных зажимов.

Современные усилители СВЧ позволяют получить коэффициент усиления на каскад 5. 10 дБ, динамический диапазон 80. 90 дБ, коэффициент шума 2. 6 дБ (шумовая температура 170. 180 К). Усилители на ПТШ, охлажденные до температуры жидкого водорода, имеют шумовую температуру 30. 50 К (коэффициент шума 0,4. 0,7 дБ). Однако применение криогенной системы ухудшает массогабаритные показатели приемников, ведет к повышению стоимости и потребления энергии, снижению надежности.

1. До частот порядка 6-7 ГГц в УРЧ возможно применение как полевых, так и биполярных транзисторов, хотя лучше полевые вследствие их известных достоинств. На частотах свыше 7 ГГц применяются только полевые транзисторы с затвором Шотки (ПТШ) или полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ).
2. На СВЧ особенно важно согласование АЭ со входной и выходной внешней цепью или с волновым (характеристическим) сопротивлением тракта СВЧ(ро).Обычноро=50Ом.
3. На СВЧ усилитель может быть безусловно (абсолютно) устойчивым, или условно (потенциально) устойчивым. Если транзистор находится в области потенциальной устойчивости, то его переводят в область абсолютной устойчивости включением стабилизирующего резистора Rev.
4. Первым включают транзистор в режиме минимума коэффициента шума, последующие в режиме максимального усиления по мощности. Компромисс между согласованием по максимуму коэффициента усиления по мощности и минимума шума достигается в балансном усилителе.
5. Анализ и расчет усилителей СВЧ проводится с использованием матрицы рассеяния.

ЗЛО Полосовые усилители промежуточной частоты

Как следует из структурной схемы супергетеродинного приемника (рисунок 1.6, в), УПЧ работают на фиксированной частоте f_np, обеспечивая

усиление принимаемого сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы демодулятора, а также формируя АЧХ линейного УТ, определяющую его избирательность по соседнему каналу. Для повышения помехоустойчивости приема установлен международный ряд значений f_np,

которые запрещается использовать в качестве несущих. Например, в радиовещательных приемниках сигналов с AM обычно f_np = 465 кГц, с ЧМ

10,7 МГц, в РпрУ радиорелейных и спутниковых систем связи 70 МГц.

Исходя из функционального назначения УПЧ, их основными качественными показателями являются: коэффициент усиления по напряжению К, полоса пропускания П, обычно по уровню 3 дБ (Пд 7),

определяемая допустимыми частотными искажениями принимаемого сигнала, избирательность по соседнему каналу Se (или коэффициент прямоугольности к_Пу). По относительной ширине полосы пропускания УПЧ подразделяют на узкополосные (n/f_np 0.05). На частоте f_np значение модуля коэффициента усиления УПЧ Kq в зависимости от назначения РпрУ может составлять 10 . 10 . Типовые полосы пропускания составляют в радиовещательных приемниках AM сигналов 8. 10 кГц, в приемниках ЧМ сигналов 250 кГц, в РПрУ систем радиорелейной и спутниковой связи 12. 34 МГц. В приемниках СВЧ, в которых в качестве первых каскадов используются диодные ПЧ, предъявляются также достаточно жесткие требования к шумовым параметрам УПЧ (см. § 1.5).

Поскольку аналоговый УПЧ представляет собой многокаскадный усилитель, содержащий частотно-избирательные цепи, его можно реализовать двумя способами. В УПЧ с распределенной избирательностью (рисунок 3.29, а) в каждом каскаде кроме УП имеется своя избирательная цепь (ИЦ), т.е. происходит постепенное покаскадное накопление усиления и избирательности. В качестве ИЦ используются цепи межкаскадной связи в виде одиночных колебательных контуров или связанных контуров на основе LC-элементов, применяются и активные RC-цепи, не содержащие индуктивных элементов.

Усилители с сосредоточенной избирательностью (рисунок 3.29, б) содержат обычно апериодический или слабо избирательный многокаскадный усилитель и фильтр сосредоточенной избирательности (ФСИ); таким образом, функции усиления и избирательности оказываются разделенными. В качестве ФСИ используются многозвенные LC-фильтры, АИ.СФ, пьезоэлектрические фильтры на объемных (ОАВ) и поверхностных (ПАВ) акустических волнах, а также электромеханические. В УПЧ с распределенной избирательностью более полно используется усилительный потенциал, что позволяет обеспечивать необходимое усиление меньшим числом каскадов. Однако такие усилители сложнее в настройке и эксплуатации, менее технологичны, чем УПЧ с сосредоточенной избирательностью, обладающие кроме того более высокой стабильностью характеристик.

Если РПрУ должно работать в условиях большого уровня внешних помех, что часто имеет место в диапазонах умеренно высоких частот, избирательность УПЧ необходимо обеспечить возможно ближе к входу, чтобы предотвратить нелинейные искажения в нем. В таких случаях целесообразно использовать схему с сосредоточенной избирательностью, включая ФСИ непосредственно на выходе ПЧ. В приемниках СВЧ, где вероятность появления сильных помех относительно мала, могут применяться УПЧ с распределенной избирательностью.

Особое место в современных РпрУ занимают УПЧ на основе дискретных и цифровых фильтров.

Рассмотрим сначала основные особенности УПЧ с распределенной избирательностью.

Читайте также: