...ПОПОВ...ЛОСЕВ...СИФОРОВ...КОТЕЛЬНИКОВ...   русские ученые подвижники

                           

На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Анализ радио-
технических систем

Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS 

ADS

Ptolemy

IE3D

FIDELITY

SERENADE

 MOMENTUM

XFDTD

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы 

Синтез СВЧ структур

Расчет микро-
полосковых антенн сотовых телефонов

 Расчет мощности поглощаемой в голове пользователя сотового телефона

 

 

 «РАДИОТЕХНИКА»,  1981 г., т. 36, № 8             УДК 621.391.832.4


А.   А.   КУРУШИН,   В.   Б.   ТЕКШЕВ


РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА 
МНОГОКАСКАДНОГО
СВЧ   УСТРОЙСТВА


Важным параметром СВЧ устройства   (СВЧУ)  является динамический диапазон
(ДД)  [3]

 

,                                              (1)

где  — мощность насыщения, т. е. максимальная величина номинальной мощности источника сигнала,

при которой нелинейные искажения по заданному критерию еще допустимы; F — коэффициент шума СВЧУ; 
D
коэффициент различимости сигнала на фоне шума по мощности.

В большинстве случаев СВЧУ можно представить каскадным соединением нескольких нелинейных каскадов
 с известными
 и F. По этим параметрам определим ДД всего СВЧУ (для случая НЧ приемника эта задача 
решена в [1]). Полагаем, что отдельные каскады СВЧУ согласованы между собой. Исходя из описания отдельного
 каскада СВЧУ как инерционного нелинейного четырехполюсника
[2]  и обширного экспериментального материала,
опубликованного в отечественной и зарубежной печа­
ти, для области малых допустимых нелинейных искажений 
(практически наиболее
интересный случай для приемных СВЧУ) запишем зависимости параметров каскада от мощности,
 поглощаемой на его  входе Р вх:

коэффициент передачи по мощности

изменение фазы коэффициента передачи по напряжению

                                                   
мощность продуктов интермодуляционных искажений m-го порядка  на выходе СВЧ узла

                                               
где
u i ,  m I,  G mi  — коэффициенты,  рассчитанные    или    найденные  экспериментально; 
Goi
 — малосигнальный коэффициент передачи по мощности.

Поскольку для СВЧУ с малыми допустимыми нелинейными искажениями  

                                    ,      

  проведя несложные вычисления для всего СВЧУ, получаем
                                
 

где N — количество отдельных узлов в СВЧУ; 
Р нас.1
 — мощность отдельного
i-го узла. Величина Р нас.ос равна мощности всего СВЧУ, 
если источник сигнала согласован с его входом, и равна поглощаемой входом СВЧУ мощности 
при рассогласовании.

Для определения Рнас по интермодуляционным искажениям m –го порядка удобно пользоваться 
понятием  условной мощности насыщения (УМН) Р нас
ym , обозначаемой в зарубежной литературе 
«
intercept point» [2] и широко используемой в практике последние годы. Однако в отличие от [2] воспользуемся
 величиной Р нас
ym  СВЧУ по входному сигналу, так как ДД приемных устройств определяется, как правило,
 по входу. Определяем ее при пересечении экстраполированной из малосигналькой области линейной 
зависимости основной гармоники на выходе и зависимости  мощности продуктов интермодуляционных 
искажений от входной мощности. В области малого сигнала     .

                                     
при Р  вых.1 = 
P вых.m   входная мощность равна УМН (Р вх = Р нас.ym), откуда  

        или      .
    
Тогда при произвольном уровне двухтонового испытательного сигнала мощность продуктов интермодуляции
 на выходе СВЧУ равна   , а отношение полезного сигнала к Р вых
m

                              

Так как Рнас однозначно связана с УМН, то, определяя последние для многокаскадного СВЧУ, можем найти и 
величину Рнас  при заданном требовании на нелинейность. При расчете УМН полагаем, что продукты 
интермодуляционных искажений, образовавшиеся в каком-либо каскаде, линейно усиливаются последующими
 каскадами, а продукты
m-го порядка на выходе складываются по мощности. Тогда после несложных вычислений
 получаем

                                                     (2)

Из (2) получаем условие наименьшего уменьшения УМН при каскадировании двух СВЧ узлов. Если для каждого
 каскада известны значения УМН и малосигнального
G oi, то для получения СВЧУ с максимальной величиной 
УМН необходимо первым поставить каскад с наименьшим  (эту величину по аналогии
 с мерой шума Мш [3], используемой при решении задачи об оптимальной  последовательности шумящих усилителей
 для достижения минимума
F, можно назвать мерой нелинейности СВЧ узла). Определив для всего СВЧУ
                                               
находим ДД многокаскадного СВЧУ
               
                          (3)

Отсюда следует, что для получения СВЧУ с максимальным ДД необходимо первым поставить каскад с наименьшей
 величиной

                                      ,
которую можно назвать мерой ДД.  

Формулы (2) и (3) справедливы для случая малых рассогласований между отдельными узлами СВЧУ. 
Их экспериментальная проверка осуществлялась с помощью нескольких усилителей на транзисторах малой и
 средней мощности со значением КСВн входа и выхода не более 2. Были измерены Рнас по изменению
Go  на 
1 дБ и УМН по мощности комбинационных продуктов 3-го порядка. Из этих каскадов были составлены различные 
комбинации усилителей, которые также были проверены экспериментально. Расчетные и экспериментальные 
значения Рнас и УМН отличались не более чем на 2 дБ.  

Рассмотрим один из простых способов увеличения ДД СВЧУ — выбор оптимального значения проводимости
 источника сигнала, реализуемого с помощью входной согласующе-трансформирующей цепи. При изменении
 этого сопротивления изменяется мощность, поглощаемая входом СВЧУ, и его
F. Поэтому, очевидно, существует 
 
такая величина проводимости генератора, при которой ДД СВЧУ максимален. Если для данного СВЧУ Рнасо  
известно, то номинальная мощность источника сигнала определяется из соотношения

,

где Гвх и ГГ — соответственно коэффициенты отражения от входа СВЧУ и генератора в стандартном тракте. 
Тогда (1) принимает вид

                                                    (4)

Коэффициент  шума  СВЧУ удобно  представить в  системе  шумовых  t-параметров [4]

                                                                     (5).

t -параметры выражаются через величины, легко и точно измеряемые экспериментально:

             t 11 = Fo –1,   t22 = (F oF min)/|Г ш.min| 2  - (F min – 1),   t21 = (F oF min)/|Г ш.min| .  

где F min   и F o  — соответственно минимальный F и коэффициент шума в стандартном тракте;
  Г ш.
min — коэффициент отражения от источника сигнала, соответствующий минимальному F.  
Подставив (5) в (4) после преобразований, получаем, что линии равного значения нормированного ДД 
                      

           
н
а плоскости ГГ  есть окружности с координатами центра         

                                                                                                       (6)
                 
               

и радиусом окружности      
              (7)

Приравнивая радиус окружности к нулю, получаем максимальное значение ДД СВЧУ при изменении
 сопротивления генератора сигнала
                                            (8)

Расчеты по ф-лам (6)—(8) показывают, что при ш  min|<0.3 величина Nmax превосходит значение ДД 
при реализации минимума
F на 2—3 дБ. Однако с увеличением | Г ш  min | выигрыш в ДД может быть 
значительным. Отметим, что малые значения | Г ш 
min | характерны для СВЧ транзисторов, работающих 
при малых токах эмиттера
I э <3 мА; при больших токах | Г ш  min | может достигать значений 0,6— 0,8 [4,5]
 и при этом выигрыш в ДД получается до 15—20 дБ.
В некоторых случаях расчетная величина N max  
получается отрицательной, т. е. максимальный ДД реализуется при Г| > 1. В этом случае, а также при 
наличии дополнительных ограничений на величины
F и Gо СВЧУ необходимо на плоскости ГГ построить 
окружности равных значений
F, Gо и ДД [по формулам (6) и (7)] и выбрать то значениеГГ, при котором 
выполняются требования на характеристики СВЧУ.

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

 1. Голубев В. Н. Эффективная избирательность радиоприемных устройств. М.: Связь, 1978.

2. Heiter G.L. IEEE Trans., 1973, .v. МТТ-21, № 12.

3. X а у с Г., Адлер Р. Теория линейных шумящих цепей. М.: ИЛ, 1963.

4. Курушин А. А., Текшев В. Б. Труды МЭИ, 1979, вып. 418.

5. Текшев В. Б. Радиотехника, 1980, т. 35, № 2.

6. К л и ч С. М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М.: Сов. радио, 1973.

Статья поступила 13 июля 1980 г. 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: сентября 26, 2002