Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
Этот факт обусловлен тем, что современные усилители рассчитываются на согласованную нагрузку 50 Ом (стандартное сопротивление соединительных кабелей), и если нагрузка не является согласованной, возникает отраженный от нее сигнал. Этот сигнал, беспрепятственно проходя в усилитель и складываясь с входным сигналом, может сместить равновесие системы в сторону неустойчивости. Тогда как в схеме, исследованной выше, отраженный сигнал испытывает ослабление до 70 дБ в выходном аттенюаторе и уже не представляет серьезной угрозы. Следовательно, сфера применения прибора, построенного по такой схеме, ограничена случаями, когда необходимо получить большую мощность на выходе, а стабильность уровня мощности и линейность преобразования сигнала не играют большой роли.
Замечание
В настоящий момент рассмотренные схемы усилительных модулей СВЧ выполняются на микросхемах, расчет которых сложен и имеет громоздкие вычисления, поэтому он выполняется при использовании компьютерного моделирования и машинных методов обработки.
Расчет собственно усилителя для обеих рассматриваемых схем принципиально не отличается и поэтому будет рассмотрен в общем случае ниже.
2.1 Построение усилителей мощности на основе ИМС
Микросхемы усилителей мощности (УМ) предназначены в основном для использования в РЛС на активных фазированных антенных решетках, состоящих из большого числа идентичных приемопередающих модулей, а также в различных системах связи и передачи информации. Особенностью этих усилителей является сравнительно высокий уровень выходной мощности (более 0,5 Вт) при относительно большом КПД (около 15 ... 20%). При таком режиме работы напряжения и токи на электродах прибора могут меняться от минимальных до максимальных значений. В этом случае нелинейные зависимости характеристик транзистора от- амплитуды сигнала приводят к возникновению нелинейных искажений на выходе усилителя, которые проявляются в появлении гармоник основного сигнала.
При наличии на входе УМ нескольких сигналов с различными частотами на выходе устройства появляются сигналы с частотами, представляющими собой линейные комбинации частот входных сигналов (интермодуляционные искажения - ИМИ). Обычно рассматривают ИМИ третьего порядка, попадающие в рабочую полосу частот усилителя. Эти искажения в СВЧ усилителях на ПТШ рассчитываются по его эквивалентной схеме, учитывающей нелинейную зависимость элементов от мощности сигнала.
Интермодуляционные искажения в СВЧ усилителях мощности можно уменьшать технологическими и схемотехническими методами, а также выбором режима смещения по постоянному току. Исследования показали, что профиль легирования активного слоя прибора может быть оптимизирован для получения минимальных ИМИ. Ионная имплантация позволяет формировать такие профили.
К схемотехническим методам относится согласование транзистора с нагрузкой на минимум ИМИ. В некоторых случаях удается уменьшить уровень ИМИ на 20...30 дБ при незначительном уменьшении коэффициента усиления. Использование балансных усилителей также позволяет снизить искажения, так как на каждый транзистор подается сигнал с уровнем мощности, равным половине мощности входного сигнала. Так, в случае кубической зависимости интермодуляционного сигнала от входной мощности уровень ИМИ в каждом каскаде усилителя на 9 дБ ниже, чем при использовании в тех же условиях одиночного каскада. На практике фазы интермодуляционных сигналов, как правило, различаются даже в транзисторах с одинаковыми характеристиками. В результате уровень ИМИ в балансном усилителе по сравнению с уровнем в одиночном каскаде ниже более чем на 6 дБ.
Рассмотрим некоторые микросхемы усилителей мощности. На рис. 10 приведена схема УМ, состоящего из двухтактных каскадов. Выходной каскад содержит пару ПТШ с шириной затвора 1,2 мм, а во входном используются транзисторы с шириной затвора 0,6 мм. Согласующие цепи на входе (выходе) усилителя рассчитаны для подключения к двум 50-омным линиям передачи или к одной балансной линии с волновым сопротивлением 100 Ом.
Двухкаскадный двухтактный усилитель мощности
L1=0.9 нГн; L2=L3=0.8 нГн; L4=4 нГн; L6=L7= 0.3 нГн; L8= 1.5 нГн; C1=C2=1 пФ
Рис. № 10
Применение двухтактных каскадов в СВЧ усилителях мощности имеет два преимущества. Первое связано с тем, что в обычном однотактном УМ, где ширина затвора ПТШ достигает нескольких миллиметров, входное сопротивление мало и возникает проблема с проектированием цепей согласования, обеспечивающих большой коэффициент трансформации. Входное сопротивление двухтактного каскада, транзисторы которого имеют ту же суммарную ширину затвора, что и однотактного, выше. В данном случае действительная часть входного сопротивления возрастает с 3 (ширина затвора 2,4 мм) до 6 Ом (2x1,2 мм).
Второе преимущество заключается в том, что ток СВЧ сигнала с основной частотой, как видно из рис. 10, следует непосредственно от истока одного транзистора двухтактного каскада к истоку второго. Следовательно, если транзисторы находятся в одинаковых условиях по согласованию и по режиму работы, расположены рядом и их истоки соединены в верхней стороне кристалла, лишь незначительная часть сигнала основной частоты проходит через металлизацию на обратной стороне кристалла и влияние паразитной индуктивности в цепи истоков значительно уменьшается.
Поскольку транзисторы двухтактного каскада симметричны относительно общей шины, расчет цепей согласован