Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
?я можно проводить как для обычного однотактного каскада с ОИ. В этом случае значения индуктивностей, включенных между двумя симметричными параллельными каналами, следует удвоить.
Для нормального режима работы двухтактных усилителей необходимо применять на входе и выходе 180-градусные кольцевые направленные ответвители. Эти ответвители вносят дополнительные потери и имеют размеры, значительно превышающие размеры кристалла, на котором размещены остальные элементы усилителя. Входной пассивный направленный ответвитель можно заменить дифференциальным усилителем с парафазным выходом (рис. 11), имеющим большую широкополосность и дополнительно усиливающий сигнал. В дифференциальном каскаде используются ПТШ с шириной затвора 600 мкм, в генераторе тока с шириной затвора 900 мкм.
Входное сопротивление дифференциального усилителя при закороченном по высокой частоте затворе транзистора VT2 приблизительно в два раза выше, чем каскада с ОИ. Следовательно, индуктивности L1 и L2 входной согласующей цепи рассчитываются как для каскада с ОИ на ПТШ с шириной затвора 300 мкм. Индуктивность L4 совместно с емкостью сток -исток транзистора генератора тока образуют параллельный резонансный контур, что приводит к увеличению сопротивления по переменному току в цепи истоков дифференциальной пары ПТШ. Парафазный усилитель размещался на кристалле размером 2,0X2,4 мм. Для сравнения укажем, что размер подложки, на которой изготавливались направленные ответвители, 12,5X12,5 мм. Коэффициент усиления 6 дБ.
Парафазный дифференциальный усилитель
Рис. 11.
Схема трехкаскадного усилителя мощности с согласованием на коротких отрезках микрополосковых линий
Рис. 12.
Необходимость применения на выходе двухтактных усилителей направленного ответвителя для получения однофазного выходного сигнала ограничивает их использование. Но в ряде случаев эти усилители могут оказаться полезными именно из-за парафазного сбалансированного выхода (например, для возбуждения дипольных антенн).
На рис. 12 приведена схема трехкаскадного усилителя мощности с согласованием на отрезках микрополосковых линий, имеющих волновое сопротивление 80 Ом (ширина полоска 37 мкм). Емкость всех конденсаторов 8 пФ. Ширина затвора транзисторов VT1 и VT2 равна 300 мкм, а ПТШ в выходном каскаде 1,2 мм. Длины отрезков линий на схеме даны в относительных единицах (нормированы к длине волны при частоте 9,5 ГГц).
Для повышения выходной мощности необходимо увеличивать ширину затвора ПТШ. При непосредственном параллельном соединении большого числа идентичных маломощных транзисторов для увеличения суммарной ширины затвора возникает ограничение на их число из-за появления разности фаз во входных и выходных сигналах отдельных транзисторов и снижения эффективности сложения мощности. Поэтому определенный интерес представляют усилители, состоящие из нескольких параллельных согласованных секций, объединенных по две. Схема такого усилителя, состоящего из четырех секций, приведена на рис. 13 изображена только половина схемы, вторая половина аналогична первой. Следует отметить, что метод непосредственного сложения мощностей позволяет увеличить верхнюю рабочую частоту, но применим только в узком диапазоне частот (20% от центральной частоты) и является малоэффективным для широкополосных усилителей.
Четырехтранзисторный усилитель с параллельным сложением мощности
Рис. 13.
2.2 Пример расчета транзисторного полосового усилителя мощности СВЧ диапазона
При разработке выходных каскадов ПУМ основными являются требования получения максимальной выходной мощности в нагрузке, максимального КПД и максимального коэффициента усиления в заданной полосе рабочих частот. Указанные требования обуславливают выбор структуры каскадов и режимов их работы. Транзисторы выходных каскадов ПУМ работают, как правило, в режиме с отсечкой коллекторного тока с использованием стабилизаторов напряжения базового смещения. Формирование амплитудно-частотных характеристик ПУМ осуществляется с помощью корректирующих цепей (КЦ), устанавливаемых между выходными каскадами. Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы Ом. Поэтому при работе ПУМ на стандартный антенно-волноводный тракт с сопротивлением Rн равным 50 или 75 Ом между выходным транзистором ПУМ и входом антенно-волноводного тракта устанавливается трансформатор сопротивлений, обеспечивающий реализацию оптимального сопротивления нагрузки выходного транзистора Rопт. Исходя из вышесказанного, функциональная схема выходных каскадов ПУМ может быть представлена в виде, приведенном на рис. 14.
Функциональная схема выходных каскадов ПУМ
Рис.14
Используемые в настоящее время методы проектирования ПУМ передатчиков систем радиосвязи диапазона метровых и дециметровых волн основаны на применении однонаправленной модели мощных биполярных транзисторов. Согласно этой модели входной и выходной импедансы транзистора описываются RC - и RL - цепями (рис. 15), а его коэффициент усиления по мощности в режиме двухстороннего согласования падает с ростом частоты со скоростью 6 дБ на октаву, то есть выражается формулой :
(1)
где fmag - частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования равен единице; f - текущая частота.
Значение fmag рас