На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS 

ADS

IE3D

FIDELITY

SERENADE

 MOMENTUM

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы 

 

Синтез СВЧ структур

 

 

 

На этой странице мы предполагаем показать несколько базовых статей, которые помогут Вам разобраться в расчете шумовых характеристик СВЧ устройств.

ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ”, № 2, 1982 стр. 57-60

УДК 621.354.76

А. А. Курушин, В. Б. Текшев

ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

Введение. Повышение требований к характеристикам малошумящих СВЧ транзисторных усилителей для приемных трактов систем передачи вызывает необходимость полного и точного определения сигнальных и шумовых параметров транзистора. При этом надо стремиться как к уменьшению этапа эскизного проектирования, так и к сокращению этапа оптимизации усилителя на ЭВМ, что можно достичь рациональным выбором системы описания СВЧ транзистора. Известные соотношения [1| для расчета шумовых характеристик СВЧ транзисторов по физическим эквивалентным шумовым схемам и следующие из них выводы получены при использовании упрощенных эквивалентных схем и ряда допущений, приводящих при расчетах шумовых характеристик СВЧ транзисторных усилителей к большим погрешностям. Экспериментальное определение первичных шумовых параметров СВЧ транзисторов в системе S-параметров [2] достаточно трудоемко и может быть проведено с относительно большой погрешностью, достигающей 40%, что ограничивает практическое использование этих параметров. Рассмотрим другой возможный способ описания первичных шумовых параметров СВЧ цепей, методику их измерения и расчета по полной эквивалентной схеме, найдем взаимосвязь параметров в различных схемах включения транзистора. Шумовые свойства транзистора будем характеризовать теоретическим коэффициентом шума F и мерой шума Мш [31.

Шумовые параметры транзистора. СВЧ транзистор как автономный четырехполюсник может быть описан волновыми параметрами, из которых наибольшее практическое применение получили S-параметры (рассеяния) и T-параметры (передачи). Описание СВЧ транзистора в системе S-параметров подробно рассмотрено в [2, 4]. T-параметры реже используются на практике, хотя, как будет показано ниже, их использование для анализа свойств СВЧ транзисторов значительно упрощает расчет шумовых характеристик усилителей. Некоторые вопросы применения Т-параметров для расчета передаточных характеристик рассмотрены в [5].

Уравнение автономного четырехполюсника в системе нормированных T-параметров имеет вид

здесь соответственно комплексные действующие значения падающих и отраженных волн; Т i,j, — нормированные неавтономные параметры передачи; — автономные параметры.

При расчетах шумовых характеристик СВЧ цепей запись всех формул упрощается, если использовать элементы нормированной матрицы спектральных плотностей

 ,

 где индекс (+) означает эрмитово сопряженную матрицу. Элементы t i,j являются первичными шумовыми параметрами СВЧ автономного четырехполюсника в системе T-параметров.

Расчет шумовых характеристик. Рассмотрим шумовые характеристики транзистора при подключении к нему источника сигналов с коэффициентом отражения Гг и произвольной нешумящей нагрузки. Исследуя пути прохождения шумовых волн в цепи, получим выражение для коэффициента шума

                                                                                         (1)

которое легко преобразуется к виду

                                                                             (2)

Соотношение (2) есть уравнение окружности постоянного значения коэффициента шума на плоскости Гг с центром

                                                      (3)

и радиусом

                     .

Приравнивая радиус Rш к нулю, получим минимальное значение коэффициента шума Fмин и соответствующее ему значение оптимального коэффициента отражения источника сигнала Гг.ш.:

                                    ;

                                   

Для расчета меры шума учтем, что [3]

                                 ,

где

                                                     (4)

номинальный коэффициент передачи по мощности, здесь . Подставив (1) и (4) в (3), получим координаты центра и радиус окружности постоянного значения меры шума:

               

           

где ; . Приравнивая радиус Rм к нулю, получим величину минимальной меры шума

 

и оптимальное значение коэффициента отражения генератора сигналов

                .

 Определение шумовых параметров. Из вышеприведенных соотношений следует, что, определив экспериментально величины Fмин, Гг.ш и коэффициент шума транзистора в стандартном тракте Гo, т. е. при Гг=0, можно рассчитать искомые шумовые параметры

                ;

            ;

;

 Так как коэффициенты шума могут быть измерены с малой погрешностью, точность измерения параметров ti,j полностью определяется погрешностью измерения величины ГГ.Ш, которая практически может быть снижена до 5—10%. Поэтому точность экспериментального определения первичных шумовых t-параметров значительно выше, чем при измерении шумовых параметров в 5-системе. При использовании транзистора на высоких частотах в схеме с общим эмиттером (ОЭ) можно считать [8], где коэффициент отражения от входа транзистора в стандартном тракте. Использование этого приближенного значения значительно упрощает процесс экспериментального определения первичных шумовых t-параметров.

В ряде случаев при расчете СВЧ транзисторных усилителей на ЭВМ предпочтительней использовать полную физическую эквивалентную схему транзистора, которая может быть представлена по [б], шумовые источники учитываются обычным способом [6]. На первом этапе такого расчета проще определить параметры транзистора в Y-системе, т. е. вычислить Y-параметры и элементы матрицы шумовых токов короткого замыкания [Iш], после чего найти искомые параметры в Y-системе по соотношениям

,

 где Rо — сопротивление нормировки; Yi,j — нормированные по Rо Y-параметры транзистора.

Отметим, что полученные выше формулы для коэффициента шума и меры шума проще соответствующих формул в системе S-параметров, а экспериментальное определение первичных шумовых t-параметров менее трудоемко и более точно. Но особенно заметно преимущество использования параметров в T-системе сказывается при анализе и параметрическом синтезе многотранзисторных СВЧ усилителей (каскодных и многокаскадных), так как для каскадного соединения N четырехполюсников общая T-матрица усилителя определяется в виде

                                 ,

а автономные параметры

                    
Эти соотношения содержат лишь операции сложения и умножения, что приводит к сокращению требуемого машинного времени при упрощении алгоритма расчета. Аналогичные формулы в системе
S-параметров [7] более громоздки и неудобны при машинном анализе сложных соединений шумящих СВЧ цепей. Целесообразность использования шумовых t-параметров подтверждают результаты исследования шумовых свойств СВЧ балансных усилителей [9].

Естественно, что практически можно использовать и смешанную систему параметров, т. е. неавтономные параметры описывать в S-системе, а автономные — шумовыми t-параметрами. В этом случае при экспериментальном определении всех параметров транзистора может быть достигнута наибольшая точность расчетов, так как эти параметры определяются экспериментально с наибольшей точностью.

Взаимосвязь шумовых параметров транзистора в различных схемах включения. Так как наибольшее распространение в СВЧ диапазоне получила схема включения транзистора ОЭ, то выразим шумовые параметры

транзистора в схемах с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК) через параметры схемы ОЭ. Для этого случая были получены соотношения:

где ,

, параметры Тi,j определены для схемы ОЭ. При выводе этих соотношений не использовались какие-либо допущения, поэтому они справедливы для любого частотного диапазона. Отметим, что аналогичные соотношения в системе S-параметров настолько громоздки, что практически не используются.

Из анализа (5) и (6) следует, что шумовые параметры транзистора в различных схемах включения отличны друг от друга. Поэтому при произвольной проводимости источника сигнала коэффициенты шума транзистора в схемах ОЭ, ОБ и ОК не равны. Однако можно найти условия, определяющие области равенства коэффициентов шума этих схем. Так, свойства схем ОЭ и ОБ примерно равны, если

.

Соответственно коэффициенты шума схем ОЭ и ОК равны, если . Расчеты показывают, что эти условия выполняются лишь на относительно низких для данного транзистора частотах.

Рис. 1.Зависимости первичных шумовых параметров от тока эмиттера

По предложенной методике были измерены шумовые t-параметры ряда отечественных СВЧ транзисторов. На рис. 1 приведены зависимости t-параметров от тока эмиттера 1Э на частоте 3,6 ГГц для транзистора КТ391 [б],

 

Рис.2. Зависимости минимального коэффициента шума от тока эмиттера в трех схемах включениях

на рис. 2 — зависимости минимального значения коэффициентов шума транзистора КT391 для трех схем включения на частотах 1 ГГц (сплошные линии), 3,6 ГГц (пунктирные линии) и 5 ГГц (штрих-пунктирные линии).

Выводы: 1. Использование параметров СВЧ транзистора в T-системе значительно упрощает экспериментальное определение первичных шумовых параметров и анализ шумовых характеристик многокаскадных усилителей.
2. Полученные соотношения позволяют оценить шумовые свойства транзистора в различных схемах включения, что облегчает выбор схемы усилителя при заданных требованиях на шумовые характеристики.
3. Применение T-параметров транзисторов позволило при параметрическом синтезе многокаскадного усилителя на элементах с распределенными постоянными сократить на 40% машинное время по сравнению со случаем использования S-пара-метров.

ЛИТЕРАТУРА

1.Ван-дер-Зил А. Шум. Описание, источники, измерение: Пер. с англ. / Под ред. А. К. Нарышкина.—М.: Связь, 1973.

2. Щепеткин Ф. В., Данич Ю. С. Шумовые свойства транзисторного усилителя дециметрового диапазона. — Электросвязь, 1973, № 2.

3. Х а у с Г., Адлер Р. Теория линейных шумящих цепей: Пер. с англ. /Под ред. Л. А. Биргера.—М.: ИИЛ, 1963. -

4. Щ е п е т к и н Ф. В. Предельное значение шумового числа транзисторного усилителя СВЧ. — Изв. вузов СССР, серия “Радиоэлектроника”, 1971, т. XIV, № 5.

5. О н и щ у к А. Г. Методика расчета транзисторного усилителя диапазона СВЧ.— Электросвязь, 1978, № 12.

6.Корнильев Г. Э., Кузьмин В. В. Кремниевый малошумящий СВЧ транзистор КТ391.—В сб.: Микроэлектроника и полупроводниковые приборы, вып. 2, 1977.

7. Т о л с т о й А. И. Шумовые свойства многокаскадных СВЧ усилителей.— Электросвязь, 1978, № 10.

8. Жалуд В., Кулешов В. Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. / Под общей ред. А. К. Нарышкина. Совместное советско-чешское издание. — М.: Сов. радио, 1977.

9. П е т р о в Г. В. Анализ шумовых свойств ГИС балансных усилителей. — Микроэлектроника, 1979, т. 8, вып. 2.

Статья поступила в редакцию 19 ноября 1979 г.

60 “ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ”, № 2, 1982

 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: февраля 04, 2002