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

На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

Microwave Office

LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

Genesys
фирмы Eagleware

Примеры 
Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Метод моментов

 

Нелинейные искажения в СВЧ приборах и устройствах

Ряды Вольтерра  

 

Эскизное проектирование СВЧ систем

  Динамический диапазон

Мощность насыщения

Шумы  

Теория
автономных четырех-
полюсников

Синтез СВЧ устройств

 

10. Выбор структуры и расчет параметров согласующих цепей

 В зависимости от диапазона частот согласующие цепи реализуются либо в виде дискретных элементов, либо в виде элементов с распределенными параметрами. Наиболее общим методом решения является синтез согласующих цепей, стоящий из следующих этапов:

аппроксимация требуемой частотной характеристики аналитической функцией с заданной точностью,
расчет элементов низкочастотного прототипа,
выполнение преобразования Нортона для получения требуемого трансформации импедансов,
абсорбция реактивных частей согласуемых импедансов,
реализация полученных элементов на СВЧ.

Выполнение этого алгоритма в полном объеме гарантирует получение равномерной частотной характеристики согласующих цепей. Однако особенности расчета согласующих цепей для транзисторных CВЧ усилителей - частотная зависимость импедансов, спад усиления с увеличением частоты усложняет аналитический расчет согласующих цепей. Поэтому наибольшее распространение получил в настоящее время метод, основанный на проведении параметрического синтеза на компьютере.

Проведение синтеза на компьютере требует ввода начальной структуры и параметров согласующих цепей, причем, чем точнее это начальное приближение будет, тем большая вероятность достижения глобального экстремума при проведении оптимизации и, соответственно, более точного решения.

Для нахождения начальной топологии и величин элементов и согласующей цепи можно применить алгоритм расчета, приведенный в табл 9.12. Кроме того, согласующие цепи, рассчитанные по этому алгоритму, можно использовать и без последующей оптимизации параметров для построений усилителей с умеренной полосой пропускания порядка 15 ... 20 %, а также при отработке макетов транзисторных СВЧ усилителей и испытании СВЧ транзисторов на конкретных частотах.

Выбор структуры согласующих цепей осуществляется в зависимости от требуемой трансформации импедансов. Как правило, чем больше отношение согласуемых импедансов, тем более сложную структуру нужно выбирать, чтобы обеспечить требуемый коэффициент трансформации. Рекомендуется просчитать несколько вариантов согласующих цепей, с тем, чтобы окончательный выбор сделать при отработке топологии всего усилителя.

для следующих исходных данных :
                                    fн
=5,6 ГГц,  fв=6,2 ГГц, R L = R ист =50 Ом,
рассчитаем согласующие цепи типа А - С по алгоритму, приведенному в табл. 9.12. Входной и выходной импеданс транзистора определяются по следующим формулам:

                                                                     (9.45)

и для рассчитываемого каскада равны

Zвх =12,174 (Ом) - j48,495 (Ом) ,    Zвых=39,198 (Ом)- j 34,733 (Ом),

что соответствует следующим схемам замещения входной и выходной цепи транзистора.

Входная цепь:

: Выходная цепь

Табл. 9.12. Расчет согласующих цепей транзисторного СВЧ усилителя на дискретных элементах.

СТЦ

R1 / R L

Схема согласующей цепи

Формулы для расчета элементов

 

А

 

R1< RL

 

B

 

R1 <<RL

C

 

R1 <<RL

R1 >>RL

 

D

 

R1 <<RL

 

E

 

R1 » RL

 

Вспомогательные параметры

                                              

                    

Результаты расчета по табл. 9.12 сведем в следующую таблицу.

Табл.9.13. Реализация согласующих цепей в виде дискретных элементов

Схема

Входная согласующая цепь

Выходная согласующая цепь

L1

C1

C 2

L1

C1

C2

нГ

пФ

пф

нГ

пФ

пФ

А

4,54

0,12

0,12

11,46

0,08

0,06

В

5,12

0,23

0,95

130,1

0,07

0,28

С

4,54

0,33

6.44

11,46

0,13

11,73

D

не реализуется

не реализуется

Е

0,83

1,29

2,58

0,35

3,79

4,48

Анализ полученных значений величин элементов согласующих цепей показывает, что не всякая схема может быть легко реализована, в частности с трудом поддается реализация малых емкостей. Для приведенных вариантов схем наиболее подходит схема Е. Реализация согласующих схем на СВЧ может быть выполнена по формулам, приведенным в табл. 9.14.

Табл.9.14. Реализация дискретных элементов на СВЧ

а/ ПЕЧАТНЫЕ ИНДУКТИВНОСТИ

Реализация в виде:

Вид и размеры

Формулы для расчета L[нГ],

размеры - мм, С [пФ]

Диапазон величин

Отрезок МПЛ

,

1...20 нГ

Меандровая линия

,

n - число элементов меандра,

Cn -под табл. внизу

10...100 нГ

 

 

Спиральная индуктивность

,

,

n - количество витков.

20...1000 нГ

n

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Cn

2.76

3.92

6.22

7.6

9.7

10.92

13.38

14.92

16.86

18.46

20.36

б/ ПЕЧАТНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Пластинчатые

(параллельно земле)

0.5 ...3 пФ

Зазор

(последовательная)

 

0.1 ...0.5 пФ

Гре-

бенчатый

 

(последовательная)

m - число выступов на одной стороне,

h- толщина подложки, мм, d- зазор, мм

0.2 ... 5 пФ

В диапазоне частот выше 2 ГГц чаще всего согласующие цепи реализуют на элементах с распределенными параметрами. Алгоритм расчета согласующих цепей со структурами, обеспечивавшими согласование любых импедансов, приведены в табл. 9.15.

Табл.9.15. Расчет согласующих цепей транзисторного СВЧ усилителя на элементах с распределенными параметрами

Имя

Схема

Порядок расчета параметров согласующей цепи

А

RL < Re (Z2)

 

 

 

 

___________

B

R L < Re(Z2)

 

 

 

 

 

 

___________________ 

1. Преобразовать Z2 в параллельно соединенные
 R и X по формулам:

  ,                 ,             
     где
Z2=r+jx

2. Найти длину компенсирующего шлейфа по формулам: 
для короткозамкнутого шлейфа:

для разомкнутого шлейфа

3. Вычислить волновое сопротивление r трансформирующей 
линии по формуле:

С

R L > Re(Z2)

 

 

 

 

___________

D

R L > Re(Z2)

 

 

 

 

___________

E

 

 

___________________

 

___________________

 

1. Найти длину отрезка линии по формуле

, где

G1=1/RL.

2. Вычислить для найденной линии l реактивную составляющую её входной проводимости

3. Найти длину компенсирующего шлейфа по формулам: для короткозамкнутого

,

для разомкнутого

.

Замечание. В схемах А и В исходными данными являются: согласуемые импедансы Z2 и RL, волновое сопротивление шлейфа, которое выбирается из конструктивных соображений.
В схемах С
Е исходными данными являются: согласуемые импедансы Z2 и RL, волновые сопротивления шлейфов и отрезка МПЛ, которые выбираются из конструктивных соображений.
В схеме Е длина
l может быть произвольной и выбрана из соображений удобства подвода мощности.

Т. к. при расчете таких согласующих цепей некоторые параметры задаются первоначально из конструктивных соображений, то возможны несколько вариантов согласующих цепей. Результаты расчета цепи, согласующей входной импеданс Zвх = 12,174 - j48,495 Ом сведем в следующую таблицу:

(Все размеры в мм, в скобках указаны волновые сопротивления МПЛ).

схема

l1

W1

l2

W2

l3

W3

А

 

 

 

3.68

0,13 (100 W )

12.11 5.21

0.95 (50 W )

-

-

3.68

0,13 (100 W )

12.12

5.22

0.36 (75 W )

-

-

3.68

0,13 (100 W )

12.1 5.2

2.33 (30 W )

-

-

3.68

0,13 (100 W )

2.85

0.95 (50 W )

-

-

В

 

 

 

3.68

0,13 (100 W )

2.35

0.36 (75 W )

-

-

3.68

0,13 (100 W )

4.00

2.33 (30 W )

-

-

0.98

7.88

0.95 (50 W )

11.19 4.29

0.95 (50 W )

-

-

С

 

 

 

 

0.98

7.88

0.95 (50 W )

11.61 4.21

0.36 (35 W )

-

-

0.98

7.88

0.95 (50 W )

10.7 3.8

2.33 (30 W )

-

-

0.75

7.65

0.36 (75 W )

11.02 4.12

0.95 (50 W )

-

-

0.98

7.88

0.95 (50 W )

1.84 8.74

0.95 (50 W )

-

-

D

 

 

 

0.98

7.88

0.95 (50 W )

7.25

0.36 (75 W )

 

 

 

 

0.98

7.88

0.95 (50 W )

2.33

9.23

2.33 (30 W )

-

-

0.98

7.88

0.36 (75 W )

8.63

0.95 (50 W )

-

-

Е

0.98

7.88

0.95 (50 W )

11.19 4.29

0.95 (50 W )

люб.

0.95 (50 W )

0.98

7.88

0.95 (50 W )

11.61 4.71

0.36 (75 W )

люб

0.95 (50 W )

0.98

7.88

0.95 (50 W )

10.7

3.8

2.33 (75 W )

люб

0.95 (50 W )

0.75

7.65

0.36 (75 W )

11.02 4.12

0.95 (50 W )

люб.

0.36 (75 W )

Результаты расчета цепей, согласующих выходной импеданс Zвых = 39,198 - j34,733 Ом

схема

l1

W1

l2 (шл)

W2 (шл)

l3

W3

А

3.5

0.66 (59.2)

5.66

0.95 (50)

-

-

3.5 .

0.66 (59.2)

5.43

0.36 (75)

-

-

3.5

0.66 (59.2)

5.84

2.33 (30)

-

-

В

3.5

0.66 (59.2)

3.89

0.95 (50)

-

-

3.5

0.66 (59.2)

3.00

0.36 (75)

-

-

3.5

0.66 (59.2)

5.79

2.33 (30)

-

-

С

7.29

0.36 (75)

12.07 5.17

0.95 (50)

-

-

7.41

0.95 (50)

5.86

0.36 (75)

-

-

7.41

0.95 (50)

5.40

0.95 (50)

-

-

7.41

0.95 (50)

11.76 4.86

2.33 (30)

-

D

7.29

0.36 (75 )

2.78

0.95 (50)

-

-

7.41

0.95 (50)

3.32

0.36 (75)

-

-

7.41

0.95 (50)

3.20

0.95 (50)

-

-

7.41

0.95 (50)

3.06

2.33 (30)

-

-

E

2.71

0.95 (50)

0.88 7.78

4.14 (20)

люб.

0.95

2.39

.95 (50)

1.93 8.83

2.33 (30)

люб.

0.95

1.93
8.83

0.36 (75)

1.72 8.62

1.45 (40)

люб.

0.36 (75)

8.58

0.36 (75)

2.37 9.27

1.17 (45)

люб.

0.36 (75)

Если в одной клетке находятся 2 цифры, то это означает, что с равным успехом можно использовать оба размера. Следует, однако, иметь ввиду, что меньший размер обеспечивает большую широкополосность согласующих цепей. Надпись "люб." означает, что длина этой линии может быть любой. Такие согласующие цепи, таким образом, лучше подходят для составления топологии на подложке с уже выбранными размерами.

Приведенные согласующие цепи рассчитаны для подложки толщиной 1 мм с e =9.8. 

II. Расчет элементов, обеспечивающих режим транзистора по постоянному току

Существует несколько способов обеспечения смещения по постоянному току транзисторного каскада на полевом транзисторе: схема с фиксированным смещением, схема с автосмещением, схема с нулевым смещением и др.

Рассмотрим расчет схемы с фиксированным смещением, как наиболее подходящую для СВЧ схем на полевом транзисторе, работающих с одним источником питания.

Назначением схемы смещения по постоянному току является получение заданного тока стока и поддержание этого значения в рабочем диапазоне температур. Исходным для расчета схемы смещения является семейство статических характеристик, снятых а рабочем диапазоне температур. На рис. 9.14 приведены входные статические характеристики транзистора ЗПЗ21 для температур -50°, +20° и +50°. На них указан диапазон допустимых изменений тока стока I c мин , I с макс. Затем через точки пересечения статических характеристик с границами области А и В проводится прямая, которая пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей напряжению затвора относительно нулевой точки. Формула для расчета элементов схемы приведены справа от рис. 9.14. Расчет проводим в следующем порядке:

1) Определяем Rи, исходя из допустимого изменения тока стока

 

Ом (9. 46 )

 

2) Находим координаты точки пересечения прямой с осью абсцисс (рис.9.14)

(9.47)

3) Определяем R2 исходя из тока утечки затвора, который для ЗП321 равен 8 мкА (50°С)

(9.48)

4) Определяем R1 по формуле

(9.49)

5) Определяем сопротивление в цепи стока (U c.0 выбрано ранее в качестве напряжения в рабочей точке)

 

(9.50)

6) Величина емкости в цепи истока выбирается так, чтобы постоянная времени цепи была в 5 раз больше периода СВЧ сигнала Си Rи ³ 5 / 2p fв. Тогда

(9.51)

Ряд промышленных емкостей начинается с величины 2.2, 2.7, 2.9 пФ. Поэтому выбираем Cи = 2,2 пФ

7) Емкость блокировочного конденсатора необходимо выбрать из условия отсутствия СВЧ сигнала в цепи питания. Так как внутреннее сопротивление источника обычно намного меньше Rи, то емкость блокировочного конденсатора можно выбрать равной Си. Тогда Сб =2,2пФ.

Рис.9.14. Входные статические характеристики транзистора

Рис. 9.15. Схема каскада транзисторного СВЧ усилителя
на полевом транзисторе ЗП321.

Рис.9. 16. Топология СВЧ усилителя в поле проекта программы Microwave Office.

 

Замечания,  предложения по улучшению сайта, а также запросы на полные описания программ на русском языке, шлите  по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июля 31, 2000