Усилители СВЧ презентация

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
Усилители мощности (УМ) являются каскадами радиопередающего устройства.
Поэтому одним из основных применений транзисторов являются усилители мощности.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРНОГО УМ

РОЛЬ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ
Транзистор – это активный элемент, преобразую-щий энергию постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний.
Входная согласующая цепь преобразует внутреннее сопротивление источника сигнала во входное сопротивление транзистора, а выходная преобразует оптимальное выходное сопротив-ление транзистора в сопротивление нагрузки.
Цепь питания содержит источник питания и блокировочные элементы, разделяющие цепи по постоянному и переменному токам.

Цепь смещения состоит из источника смещения или цепи автосмещения и блокировочных эле-ментов.
Разделительные емкости разделяют цепи переменного и постоянного токов
РОЛЬ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УМ

ТОЧКА КОМПРЕССИИ Р1ДБ
Точка компрессии Р1дБ - точка на амплитудной характеристике Рвых( Рвх) , в которой коэффициент усиления меньше на 1 дБ коэффициента усиления идеального усилителя.

ПАРАМЕТР IP3
Параметр IP3 - точка пересечения идеальных амплитудных характеристик основного сигнала Рн.ид( Рвх) и интермодуляционного Ри.ид( Рвх) .
Как правило, на 10-15 дБ.

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УМ
К амплитудно-частотным характеристикам относят зависимости мощности, коэффициента усиления и КПД от частоты

ЦЕПИ ПИТАНИЯ И СМЕЩЕНИЯ
Режим работы транзистора по постоянному току в усилителе мощности обеспечивают цепи питания и смещения.
Цепь питания включается со стороны выхода транзистора и содержит источник постоянного напряжения и блокировочные элементы.

ЦЕПЬ ПИТАНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЛОКИРОВОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Величины Lбл и Ср выбирают из условий:
либо из приближенных равенств:
где ω = 2πf, f - рабочая частота, Rк - сопротивление нагрузки, пересчитанное к выходу транзистора

ЦЕПИ СМЕЩЕНИЯ
Цепь смещения от фиксированного источника смещения
Цепь автосмещения
Упрощенная схема автосмещения
Схема смещения током эмиттера

ЦЕПЬ СМЕЩЕНИЯ ОТ ФИКСИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА СМЕЩЕНИЯ

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЦЕПИ СМЕЩЕНИЯ ОТ ФИКСИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА СМЕЩЕНИЯ
Достоинства схемы: получение напряжений любой полярности как положительной, так и отрицательной.
Недостаток схемы: необходимость применения дополнительного источника напряжения.
Выбираются элементы Lбл, Сбл в цепи смещения, так же как и в цепи питания. Только в этом случае сравнение сопротивлений элементов происходит со входным сопротивлением транзистора Rвх. Часто величины блокировочных элементов выбираются такими же, как и в цепи питания.

ЦЕПЬ АВТОСМЕЩЕНИЯ
В данной схеме вместо источника смещения включен резистор Rсм. Смещение происходит за счет протекания тока Iб0 через резистор Rсм
Напряжение смещения равно :
!

УПРОЩЕННАЯ СХЕМА АВТОСМЕЩЕНИЯ
Данная схема используется, если Rвх<
В этой схеме смещение, также, происходит за счет про-текания тока Iб0 через сопротивление Rсм.

СХЕМА СМЕЩЕНИЯ ТОКОМ ЭМИТТЕРА
Смещение транзистора в этой схеме осуществляется за счет протекания тока эмиттера через сопротивление Rсм, установленное в цепи эмиттера.
Напряжение смещения равно:
где

СМЕЩЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ РЕЗИСТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ
В схеме напряжение смещения на базе транзистора равно
Если известны величины сопротивлений делителя, определим напряжение смещения:
где

РЕАЛИЗАЦИЯ ЦЕПЕЙ ПИТАНИЯ И СМЕЩЕНИЯ НА СВЧ

В коллекторной цепи транзистора включены два отрезка линий: узкий - длиной λ1/4 (отрезок 2) и разомкнутый широкий - длиной λ2/4 отрезок (1). В точке B входное сопротивление практически равно нулю, а в точке A - бесконечности.
Для сохранения малого входного сопротивления отрезка 1 и большого сопротивления отрезка 2 волновое сопротивление отрезка 1 выбирают малым (порядка 10-30 Ом), а отрезка 2- большим (порядка 80-100 Ом). При этом увеличивается и полоса частот, в которой работает цепь блокировки, состоящая из этих двух отрезков.
Организация подачи напряжения смещения в базовую цепь осуществляется аналогичным образом

ЦЕПИ СОГЛАСОВАНИЯ
Структурная схема УМ по переменному току
Для реализации оптимального режима к выходу транзистора подключают некоторое сопротивление нагрузки, которое отличается от реального сопротивления нагрузки Zн.

ПРОСТЕЙШИЕ ЦЕПИ СОГЛАСОВАНИЯ
Г-образная согласующая цепь
Инвертирующие цепи (Т и П - образные цепи ).
Трансформирующие цепи.

Г-ОБРАЗНАЯ СОГЛАСУЮЩАЯ ЦЕПЬ (R, >R)

СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ R’, X’, R, X И Q
Q- добротность последовательной или эквивалентной ей параллельной цепи.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА Г-ОБРАЗНОЙ ЦЕПИ
по известным сопротивлениям R и R′ определим добротность цепи
из условия Х=RQ определим Х и величину индуктивности
из условия Х ,=R , /Q определим Х , и величину емкости

ИНВЕРТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
Согласующую цепь называют инвертирующей, если выполняется соотношение:
где
Особенности инвертирующей цепи состоят в следующем:
входное сопротивление изменяется обратно пропорционально сопротивлению нагрузки;
знаки Xвх и Xн противоположны; активное сопротивление преобразуется в активное сопротивление.
- входное сопротивление согласующей цепи;
- сопротивление нагрузки

Т И П - ОБРАЗНЫЕ ЦЕПИ (ИНВЕРТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ)
Т-образная цепь
П-образная цепь
Данные схемы позволяют преобразовывать сопротивления при выполнении следующих условий:
и

ТРАНСФОРМИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
Согласующая цепь называется трансформирующей, если выполняется условие:
В даной схеме величины элементов выбираются согласно соотношению:

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ:
Входное сопротивление изменяется пропорционально изменению сопротивления нагрузки;
Знак мнимой части Żвх совпадает со знаком мнимой части Żн;
При Xн = 0 мнимая часть Xвх=0.
Трансформирующая цепь образуется каскадным соединением Г-образных звеньев.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕПЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ НА СВЧ
В качестве согласующих цепей полупроводниковых усилителей мощности СВЧ используют согласующие транcформаторы;
Простейшие трансформаторы
одношлейфный трансформатор;
четвертьволновый трансформатор.

ОДНОШЛЕЙФНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Одношлейфный трансформатор представляет собой соединение отрезка линии передачи длиной l и шлейфа длиной lш .

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОДНОШЛЕЙФНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Пусть требуется преобразовать проводимость нагрузки Ỳн в волновую проводимость линии Y0, тогда данная задача решается в 2 этапа:
1 этап : выбор точки подключения
Определим длину отрезка l из условия:
!
где ρ - волновое сопротивление линии;
λл- длина волны в линии;
B-реактивная составляющая проводимости в точке подключения шлейфа.

2 этап :
Компенсируем реактивную проводимость -jB реактивной проводимостью шлейфа Yш = jB.
Определяем lш из условия:
В результате получаем суммарную проводимость в точке подключения шлейфа:

ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Данный трансформатор представляет собой четверть-волновый отрезок линии с волновым сопротивлением ρ, к которому подключены линии с волновыми сопротивлениями ρ1 и ρ2, нагруженные на сопротивления Zвх= ρ1 и Zн= ρ2,
ρ выбирается из условия ρ2=ρ1ρ2

Сложение мощностей СВЧ усилителей в мостовых устройствах
Мостовым устройством называют многополюсник, с помощью которого осуществляется совместная взаимонезависимая работа двух (и более) источников колебаний на общую нагрузку.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИНФАЗНОГО МОСТА
В СИНФАЗНОМ МОСТОВОМ УСТРОЙСТВЕ СЛОЖЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ПРОИСХОДИТ В ФАЗЕ
Rвх1 = Rвх2 = Rн =R, Rб=2 R.

В данной схеме использованы две П-образные цепочки, причем ωL = 1/ωС = X=R√2.
СИНФАЗНЫЙ МОСТ, РЕАЛИЗОВАННЫЙ НА LC - ЭЛЕМЕНТАХ

СИНФАЗНЫЙ МОСТ В МИКРОПОЛОСКОВОМ ИСПОЛНЕНИИ
В данную схему включены четвертьволновые отрезки микрополосковой линии с волновым сопротивлением:

КВАДРАТУРНЫЙ МОСТ
!
В квадратурном мостовом устройстве сложение колебаний происходит в квадратуре или со сдвигом фаз в 900
Rвх1 = Rвх2=Rн=Rб

РЕАЛИЗАЦИЯ МОСТА НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Индуктивности и емкости выбираются из соотношений:

РЕАЛИЗАЦИЯ МОСТА В МИКРОПОЛОСКОВОМ ИСПОЛНЕНИИ
!
Волновые сопротивления отрезков линий в микрополосковом мостовом устройстве соответствуют:

МАЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ
Малошумящие усилители используются в преселекторах радиоприемных устройств. Поэтому одним из основных применений транзисторов являются малошумящие усилители.
В диапазоне СВЧ для расчета МШУ используются матрицы рассеяния S.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МШУ
Характеристические сопротивления подводящих линий равны ρ01 и ρ02; стрелками на рисунке отмечены коэффициенты отражения Гi.
Назначение цепей СЦ1, СЦ2 состоит в согласовании транзистора по входу и выходу с подводящими линиями.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В МШУ
При проектировании МШУ необходимо обеспечить его устойчивость (отсутствия самовозбуждения). В зависимости от значений S-параметров транзистор находится либо в области безусловной устойчивости (ОБУ, т.е. отсутствуют самовозбуждения при подключении произвольных сопротивле-ний Zг, Zн ), либо в области потенциальной устойчивости (ОПУ). Транзистор находится в ОБУ, если выполняются условия:

Kу - инвариантный коэффициент устойчивости. Если Kу > 1, то возможно двустороннее согласование транзистора. Если хотя бы одно из условий не выполняется, то транзистор потенциально устойчив и следует тщательно подбирать сопротивления Zг и Zн.
Транзисторы должны находятся в области безусловной устойчивости. Если транзистор находится в ОПУ, то его следует перевести в ОБУ, включив последовательно или параллельно стабилизирующий резистор Rст . Параллельное включение Rст, если транзистор теряет устойчивость в режиме, близком к холостому ходу, а последовательное - в режиме, близком к короткому замыканию.

УЛУЧШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ
Параллельное включение Rст
Последовательное включение Rст

РАСЧЕТ РЕЗИСТОРА RСТ
Транзистор со стабилизирующим резистором рассматри-вают как составной транзистор
Задаются желаемым инвариантным коэффициентом устой-чивости составного транзистора КуТ, например, в пределах 1,03...1,1.
Рассчитываем величину Rст для параллельного включения:
Рассчитываем величину Rст для последовательного включе-ния:

S-ПАРАМЕТРЫ СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА
Рассчитаем S-параметры составного транзистора, состоящего из соединения транзистора и стабилизи-рующего резистора:
где D=1-S22S11ст;
Sij - параметры транзистора;
Sij ст –параметры резистора

реализуемый коэффициент передачи по мощности
коэффициент отражения от генератора
коэффициент отражения от нагрузки
Абсолютно устойчивый транзистор можно согласовать как по входу, так и по выходу.

РЕЖИМЫ УСИЛЕНИЯ
Режим экстремального усиления
Режим минимального коэффициента шума

РЕЖИМ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ (1)
При этом
В основном выражении знак «минус» берется при B1(2) >0, а знак «плюс»
из B1(2) <0

ОПТИМАЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА И КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ
По полученным данным Гг опт и Гн опт можно рассчитать значения :
где ρ0 - стандартное характеристическое сопротивление, при котором измерены S-параметры транзистора.
В этом режиме экстремум коэффициента передачи номинальной мощности транзистора достигается при KуТ > 1 и соответствует
где знак “минус” –соответствует режиму работы транзистора, находящегося в ОБУ. Знак “плюс” –режиму работы транзистора, находящегося в ОПУ.

КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА
Гг - коэффициент отражения от генератора в стандартном тракте;
Kmin - минимальный коэффициент шума усилителя, который достигается при некотором значении Гг= Гг ш опт
Шумовые свойства СВЧ транзистора полностью описываются параметрами , Гг ш опт и Kш0.