На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

 

Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы  

 

Лабораторная работа № 3

 

РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ И УСИЛЕНИЯ
СВЧ УСИЛИТЕЛЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

 

Цель работы:

Изучить методику расчета однокаскадного транзисторного СВЧ усилителя по заданным S-параметрам.

Домашнее задание:

По заданным S- параметрам на одной частоте, в соответствии с Вашим вариантом, рассчитайте:

– инвариантный коэффициент устойчивости k,

– центры и радиусы окружностей устойчивости на плоскостях Г1 и Г2

– Г1опт и Г2опт , обеспечивающие условие сопряженного согласования.

– максимальный коэффициент усиления в условиях сопряженного

согласования.

Исходные данные:

S-параметры транзистора 3П321 в полосе частот от 5.0 до 7.1 ГГц

Вариант

F(ГГц)

|S11|

Ð S11

|S21|

Ð S21

|S12|

Ð S12

|S22|

Ð S22

1

5.0

.672

-80.3

1.518

99.9

.048

69.9

.749

-46.7

2

5.3

.643

-85.3

1.500

95.6

.049

74.9

.738

-49.5

3

5.6

.614

-90.3

1.482

91.3

.052

80.4

.728

-52.5

4

5.9

.585

-95.3

1.464

87.2

.055

86.0

.718

-55.5

5

6.2

.558

-100.5

1.445

83.1

.061

91.1

.709

-58.5

6

6.5

.531

-105.7

1.427

79.1

.068

95.2

.699

-61.7

7

6.8

.507

-111.0

1.408

75.1

.076

98.3

.690

-65.0

8

7.1

.480

-115.0

1.400

72.0

.084

101.5

.680

-68.0

 

Задание в лаборатории:

1. Используя программу Touchstone, проверьте вычисления, сделанные в рамках домашнего задания.

2. Рассчитайте частотные характеристики тестового усилителя.

Критерием является совпадение рассчитанных дома характеристик и полученных в ходе выполнения расчета.

 

Теоретическое введение

Инвариантный коэффициент устойчивости четырехполюсника равен:

. (3.1)

 

 

Максимальный коэффициент передачи (существует только при k >1, при k <1 максимальный коэффициент передачи равен ¥ )

(3.2)

и достигается при коэффициентах отражения в плоскости транзистора:

, (3.3)

 

, (3.4)

где:

, (3.5)

,                         (3.6)

,             (3.7)

,                             (3.8)

.                             (3.9)

Окружности устойчивости на плоскости имеют:

центр окружности (расстояние от центра и угол), (3.10)

радиус окружности (величина). (3.11)

Аналогичны выражения для окружностей устойчивости на плоскости , с учетом замены индексов. В ходе выполнения домашнего задания Вам необходимо построить на плоскости и (диаграмме Смита) окружности устойчивости и отметить точки и , обеспечивающие получение максимального коэффициента передачи.

Задание в лаборатории

  1. Введите S-параметры транзистора в файл в расширением .S2P в диапазоне частот 5… 7.1 ГГц.
  2. Напишите программу для расчета окружностей устойчивости этого транзистора, включенного в 50-омный тракт.
  3. Напишите программу для расчета максимального коэффициента передачи и и .
  4. Введите программу расчета однокаскадного усилителя (согласно Приложения или собственного усилителя) и рассчитайте частотные характеристики.

 

Приложение

Ниже излагаются принципы расчета устойчивости и передаточных характеристик на программе Touchstone. Выберите из материала все необходимое для расчета (GMAX) и и (GM1 и GM2 в обозначениях программы), составьте программу и проведите расчет.

Пример расчета окружностей устойчивости

В следующем примере рассчитываются окружности устойчивости четырехполюсника с именем “NEC700”. Для того чтобы увидеть окружности устойчивости, выберите размер диаграммы Смита SC3 на панели вывода.

 

CKT

S2PA 1 2 0 NEC7000

DEF2P 1 2 NEC700

OUT

NEC700M SB1

NEC700M SB2

FREQ

SWEEP 2 18 8

Рис.3.1. Окружности устойчивости транзистора NEC70000

Те же результаты, но в таблице:

FREQ-GHZ DB[S21] NF[A] MAG[SB1] ANG[SB1] RAD[SB1]

PAR[SB1] MAG[SB2] ANG[SB2] RAD[SB2] PAR[SB2]

 

2.0 11.053 3.512 1.102 35.867 0.287

1.000 4.870 76.193 4.54 1.000

10.0000 7.121 5.779 1.481 113.754 0.591 1.000 2.406 76.100 1.588 1.000

18.0000 3.580 3.071 1.508 143.554 0.479 1.000 1.808 89.240 0.770 1.000

Пример расчета окружностей коэффициентов передачи усилителя

DIM

FREQ GHZ / RES OH / IND NH / CAP PF / LNG MIL TIME PS / COND /OH / ANG DEG (косая черта означает начало со следующей строки)

! Схема модели транзистора

CKT

RES 1 2 R=2.38

RES 2 3 R=2.95

CAP 1 6 C=.086

CAP 2 6 C=.052

CAP 3 6 C=.026

RES 5 6 R=5

RES 7 8 R=.17

CAP 6 7 C=.2

BIP 3 6 8 A=.99 T=7.2 F=24.5 CC=0.03 GC=0.0001 RB=.84 LB=0.2 &

CE=2.73 RE=1.18 LE=0.2 //модель биполярного транзистора

из библиотеки

DEF3P 1 5 7 Q1

IND 1 2 L=.05

TLIN 2 3 Z=66 E=3.375 F=12

IND 3 4 L=.3

CAP 3 8 C=.04

CAP 3 5 C=.03

IND 5 6 L=.2

!TRL 5 7 Z=25 P=10MIL K=6.6

TLIN 5 7 Z=25 E=0.5625 F=12

IND 7 11 L=.02

CAP 5 8 C=.03

TLIN 8 9 Z=65 E=5.90625 F=12

IND 9 10 L=.05

Q1 4 8 6

DEF3P 1 10 11 TRAN

TRAN 1 2 3

RES 3 0 R=0.1

DEF2P 1 2 USIL !Имя усилителя

FREQ

STEP .8

OUT

USIL K GR1 ! Вывод коэффициента устойчивости на GR1

USIL GA ! Вывод окружностей номинального Kp

USIL GP ! Вывод окружностей фактического Kp

GRID

Рис.3.2. Окружности равного номинального (на плоскости Г1)
и фактического коэффициента передачи (на плоскости Г
2).

 

В результате расчета на Touchstone Вы получаете:

  1. На входной плоскости - максимальный номинальный коэффициент передачи GA, равный 23.199 dB и шесть окружностей, соответствующих 22, 21, 20, 19, 18, и 17 dB. Максимальный коэффициент передачи достигается при Г1 = 0.758 < 167.312° .
  2. На выходной плоскости - максимальный коэффициент передачи по мощности GP, равный 23.199 dB (достигается при Г2 = 0.751< 28.503° ) и шесть окружностей равных коэффициентов передачи 22, 21, 20, 19, 18 и 17 dB.

Данная схема является абсолютно устойчивой, поскольку K = 1.071 > 1, оба максимальных коэффициента усиления равны, и равны максимальному коэффициенту передачи в режиме сопряженного согласования.

Использование окружностей усиления

После расчета окружностей равного номинального (располагаемого) коэффициента передачи Вы должны сделать следующее:

1. Выберите точку на окружности равного коэффициента передачи. Эта точка (т.е. значение ) может определять компромисс между усилением и коэффициентом шума.

2. Перезапустите схемный файл с выбранным так коэффициентом отражения , установленным в блоке TERM и рассчитайте коэффициент отражения S22.

3. Спроектируйте входную согласующую цепь для трансформации сопротивления источника (50 ом или другого, заданного в блоке TERM ключевым словом ZO) до величины коэффициента отражения, заданного в п. 1; а также выходную согласующую цепь для трансформации нагрузки (50-омной или заданной в блоке TERM ключевым словом ZO) и .

Окружности равного коэффициента передачи по мощности также служат для перехода от выходной плоскости коэффициента отражения к плоскости коэффициента отражения по входу. Т.о. Вы можете выбрать точку на окружности равного усиления, задав коэффициент передачи по мощности. Перезапустите схему и рассчитайте входной коэффициент отражения S11, соответствующий заданному коэффициенту отражения на плоскости выходного коэффициента отражения. Затем рассчитываются согласующие цепи по величинам и .

Рис. 3.3. Окружности равного номинального и фактического коэффициента передачи

 

Пример программы на Touchstone

! AMP6-18 : Однокаскадный СВЧ усилитель от 6 до 18 GHZ

 

Рис. 3. 4. Схема анализируемого усилителя

DIM !Блок размерности

FREQ GHZ !размерности частоты - в ГГц

RES OH !размерность резисторов - в Омах

IND NH !размерность индуктивностей - в нГн

CAP PF !размерность емкостей - в пФ

LNG MIL !размерность длины - в МИЛАХ (1 mil=0.0254 мм)

TIME PS !размерность времени - в пСек

COND /OH !размерность проводимости - в 1/Ом

ANG DEG !размерность угла - в градусах

VAR !Блок описания переменных

F1 = 18 !переменная F1 = 18

Zmax = 100 !переменная Z1=100

CKT !Блок описания схемы

TLOC 1 0 Z^Zmax E\60.35369 F^F1

TLSC 1 0 Z=70 E=141 F^F1

TLIN 1 2 Z^Zmax E=23 F^F1

S2PA 2 3 0 NEC70000

TLIN 3 4 Z^Zmax E=16 F^F1

TLSC 4 0 Z#40 49.52070 100 E=70 F^F1

DEF2P 1 4 AMP !определение имени четырехполюсника

OUT !Блок вывода результатов

AMP DB[S21] GR1 !вывести параметр S21 в дБ на сетку GR1

AMP DB[S11] GR2 !вывести S11 в дБ на сетку GR2

AMP DB[S22] GR2 !вывести S22 на сетку GR2

AMP DB[S12] GR2 !вывести S12 на сетку GR2

AMP ANG[S21] GR3 !вывести S21 на сетку GR3

AMP S11 !вывести S11 на диаграмму Смита

AMP S22 !вывести S22 на диаграмму Смита

AMP NF[A] GR1 !вывести коэффициент шума на сетку GR1

FREQ !Блок задания частотного диапазона

SWEEP 2 20 1 !от 2 ГГц до 20 ГГц через 1 ГГц

GRID !Блок описания координатных сеток

RANGE 4 20 1 !по координате x - от 4 до 20 ГГц через 1 ГГц

GR1 0 9 0.5 !по координате y - от 0 до 9 дБ

GR2 -30 0 5 !по координате y - от -30 до 5 дБ

GR3 -180 180 30 !по координате y - от -180 до +180 градусов

! GR4 0 10 0.5 !по координате y - от 0 до 10 через 0.5

OPT !Блок оптимизации

RANGE 6 18 !оптимизировать в диапазоне 6-18 ГГц

AMP DB[S21] < 7.75 !так, чтобы S21 в дБ был меньше 7.75 дБ

AMP DB[S21] > 7.5 !и одновременно был больше 7.5 дБ

Литература

1. Шварц Н.З. Транзисторные СВЧ усилители. М. Радио и связь, 1980.

2. Ф. Смит. Круговые диаграммы в радиоэлектронике. М.,“Связь”, 1976, 142 с.

Контрольные вопросы

  1. Какой смысл имеет инвариантный коэффициент устойчивости?
  2. Какая связь между расположением окружностей устойчивостями на входной и на выходной плоскостях?
  3. Как определяются области устойчивой и неустойчивой работы каскада?
  4. Какая связь и разница между понятиями “потенциальная устойчивость” и “потенциальная неустойчивость”, “безусловная устойчивость” и “абсолютная неустойчивость” каскада.
  5. Определение номинального коэффициента передачи.
  6. Определение реализуемого коэффициента передачи.
  7. Определение фактического коэффициента передачи.
  8. Докажите, что максимальный номинальный и максимальный фактический коэффициент передачи равны для однонаправленного четырехполюсника.
  9. Найти условия для получения максимального коэффициента передачи четырехполюсника.
  10. Как рассчитать окружности равного номинального коэффициента передачи на программе Touchstone?
  11. Последовательность проектирования однокаскадного усилителя по заданному коэффициенту передачи.
 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июня 22, 2000