Усилители СВЧ

1. Усилители СВЧ

1

2. Усилители мощности

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
Усилители мощности (УМ) являются
каскадами радиопередающего устройства.
Поэтому
одним
из
основных
применений
транзисторов
являются
усилители мощности.
2

3. Структурная схема транзисторного УМ

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРНОГО УМ
вход Рвх
Ср1
ЦС1
Рвх.Т
Э
Рвых.
к(с) iвых I
б(з)
i1вх
С p2
ЦС2
0
P0
T
э(и)
ЦП
выход
iн,Pн
Z н Rн jxн
Цсм
3

4. Роль основных функциональных элементов схемы

РОЛЬ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
СХЕМЫ
Транзистор –
это активный элемент, преобразующий 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 сопротивление транзистора в сопротивление нагрузки.
Цепь питания содержит источник питания и
блокировочные элементы, разделяющие цепи по
постоянному и переменному токам.
4

5. Роль основных функциональных элементов схемы

РОЛЬ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
СХЕМЫ
Цепь смещения состоит из источника смещения
или цепи автосмещения и блокировочных элементов.
Разделительные
емкости
разделяют
цепи
переменного и постоянного токов
5

6. Основные параметры и характеристики УМ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УМ
Основные параметры
Математическое представление
(формулы, графики)
Мощность, выделяемая в
сопротивлении нагрузки ,
при z = RH
Pн 0,5 I н2 Rн ,
I – амплитуда тока, протекающая в
н
нагрузке
Максимальная мощность
первой гармоники,
отдаваемая транзистором
P1 0,5I1U1,
U1 и I1 - амплитуды первой гармоники тока и
напряжения
Потребляемая мощность
P0 I 0U 0 ,
U0 и I0 - постоянные составляющие тока и
напряжения
6

7.

КПД транзистора по первой
гармонике
КПД выходной
согласующей цепи
КПД усилителя мощности
Р1
1
Р0
РH
K
Р1
РH
1 K
Р0
Коэффициент усиления по
мощности УМ
РH
Kp
Рвх
Коэффициент усиления по
мощности транзистора
Р1
K pT
Рвх T
Мощность, действующая на
входе транзистора
PвхT 0.5I1вхU1вх ,
I1вх и U1вх – первые гармоники тока и
напряжения,
транзистора
действующие
на
входе
7

8.

!
Коэффициент ослабления
побочных составляющих
Pi
Li 10 lg
[dB]
Pн
Pi- мощность i - ой гармоники на выходе
транзистора
Диапазон рабочих частот
f f max f min
Амплитудные
характеристики УМ
Рн Рвх , K p Рвх и Рвх
Точка компрессии Р1дБ
Точка на амплитудной характеристике
Рвых( Рвх) , в которой коэффициент
усиления меньше на 1 дБ коэффициента
усиления идеального усилителя.
Параметр IP3
Данный параметр представляет собой
пересечение идеальных амплитудных
характеристик основного Рн.ид( Рвх) и
интермодуляционного Ри.ид( Рвх)
сигналов
Амплитудно-частотные
характеристики УМ
Рн f , K p f
и
f
8

9. Точка компрессии Р1дБ

ТОЧКА КОМПРЕССИИ Р1ДБ
Точка компрессии Р1дБ - точка на амплитудной
характеристике Рвых( Рвх) , в которой коэффициент усиления
меньше на 1 дБ коэффициента усиления идеального
усилителя.
9

10. Параметр IP3

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.
10

11. Амплитудно-частотные характеристики УМ

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УМ
К амплитудно-частотным характеристикам относят
зависимости мощности, коэффициента усиления и КПД от
частоты
11

12. Цепи питания и смещения

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.
12

13. Цепь питания

ЦЕПЬ ПИТАНИЯ
13

14. Определение блокировочных элементов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БЛОКИРОВОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Величины Lбл и Ср выбирают из условий:
Lбл
Rк ,
1
Сбл
Rк
либо из приближенных равенств:
Lбл 10Rк
1
0,1Rк
Сбл
где ω = 2πf, f - рабочая частота, Rк - сопротивление
нагрузки, пересчитанное к выходу транзистора
14

15. Цепи смещения

ЦЕПИ СМЕЩЕНИЯ
Цепь смещения от фиксированного источника
смещения
Цепь автосмещения
Упрощенная схема автосмещения
Схема смещения током эмиттера
15

16. Цепь смещения от фиксированного источника смещения

ЦЕПЬ СМЕЩЕНИЯ ОТ ФИКСИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА
СМЕЩЕНИЯ
16

17. Достоинства и недостатки цепи 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.
17

18. Цепь автосмещения

ЦЕПЬ АВТОСМЕЩЕНИЯ
к
Ср
б
э
Lбл
Сбл
R см
Цепь автосмещения
В данной схемеРис.4.7.
вместо источника
смещения включен резистор Rсм.
Смещение происходит за счет протекания тока Iб0 через резистор Rсм
Напряжение смещения равно :
U см I б1Rсм
!
18

19. Упрощенная схема автосмещения

УПРОЩЕННАЯ СХЕМА АВТОСМЕЩЕНИЯ
Данная схема используется, если Rвх<<Rсм.
В этой схеме смещение, также, происходит за счет протекания тока Iб0 через сопротивление Rсм.
19

20. Схема смещения током эмиттера

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:
U см I эо Rсм ,
где
I эо I ко Iбо
20

21. Смещение с помощью резистивного делителя

СМЕЩЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ РЕЗИСТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ
21

22. Расчет напряжения смещения

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ
В схеме напряжение смещения на базе транзистора
равно
U см Еп I1R1 ,
где
I1 I бо I 2 ; I 2 5I бо ; I 2 U см R2
Если
известны
величины
сопротивлений
делителя, определим напряжение смещения:
R2
R1R2
U см Eп
Iб 0
R1 R2
R1 R2
22

23. Реализация цепей питания и смещения на СВЧ

РЕАЛИЗАЦИЯ ЦЕПЕЙ ПИТАНИЯ И СМЕЩЕНИЯ НА СВЧ
23

24.

В коллекторной цепи транзистора включены два
отрезка линий: узкий - длиной 1/4 (отрезок 2) и
разомкнутый широкий - длиной 2/4 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 1030 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
24

25. Цепи согласования

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.
*
*
Zвх Zвыхсц
,
Z
Z
1
вых
вхсц 2
25

26. простейшие цепи согласования

ПРОСТЕЙШИЕ ЦЕПИ СОГЛАСОВАНИЯ
Г-образная согласующая цепь
Инвертирующие цепи (Т и П - образные цепи ).
Трансформирующие цепи.
26

27. Г-образная согласующая цепь (R, >R)

,
Г-ОБРАЗНАЯ СОГЛАСУЮЩАЯ ЦЕПЬ (R >R)
jx
R
-jx
R
Рис.4.13. Г образная согласующая цепь
27

28. Соотношения между R’, X’, R, X и Q

СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ R’, X’, R, X И Q
R / R Q 2 1
2
x / x 1 1/ Q ,
Q x / R R / x
Q- добротность последовательной или эквивалентной
ей параллельной цепи.
28

29. Методика расчета Г-образной цепи

МЕТОДИКА РАСЧЕТА Г-ОБРАЗНОЙ ЦЕПИ
по известным сопротивлениям R и R′ определим
добротность цепи Q
R
1
R
из условия Х=RQ определим Х и величину
индуктивности L
,
,
x
из условия Х =R /Q определим Х
емкости C
1
x
,
и величину
29

30. инвертирующие цепи

ИНВЕРТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
Согласующую цепь называют инвертирующей, если
выполняется соотношение:
Zвх 2 / Zн ,
где
Z вх Rвх jX вх - входное сопротивление согласующей цепи;
Z н Rн jX н
- сопротивление нагрузки
Особенности инвертирующей цепи состоят в следующем:
входное сопротивление изменяется обратно пропорционально
сопротивлению нагрузки;
знаки Xвх и Xн противоположны; активное сопротивление
30
преобразуется в активное сопротивление.

31. Т и П - образные цепи (инвертирующие цепи)

Т И П - ОБРАЗНЫЕ ЦЕПИ (ИНВЕРТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ)
Т-образная цепь
П-образная цепь
Данные схемы позволяют преобразовывать сопротивления
при выполнении следующих условий:
X1 X 2 X 3 и X
31

32. Трансформирующие цепи

ТРАНСФОРМИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
Согласующая цепь называется трансформирующей, если
выполняется условие:
Zвx n2 Zн
В даной схеме величины элементов выбираются согласно
соотношению:
1
1 x1 x2 n 1 x3 nx4
n
32

33. Особенности трансформирующих цепей:

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.
33

34. Примеры реализации цепей согласования на СВЧ

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕПЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ НА СВЧ
В качестве согласующих цепей полупроводниковых
усилителей мощности СВЧ используют согласующие
транcформаторы;
Простейшие трансформаторы
одношлейфный трансформатор;
четвертьволновый трансформатор.
34

35. Одношлейфный трансформатор

ОДНОШЛЕЙФНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Одношлейфный трансформатор представляет собой
соединение отрезка линии передачи длиной l и шлейфа
длиной lш .
35

36. Методика расчета одношлейфного трансформатора

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:
1
1 2 l
Y
j
tg
н
л 1
Y1
jB
1
2 l
jYнtg
где
!
л
ρ - волновое сопротивление линии;
λл- длина волны в линии;
B-реактивная составляющая проводимости в точке
подключения шлейфа.
36

37.

2 этап :
Компенсируем реактивную проводимость -jB
реактивной проводимостью шлейфа Yш = jB.
Определяем lш из условия:
2 lш
1
B
tg
ш
ш
В результате получаем суммарную проводимость
в точке подключения шлейфа:
Y Y1 Yш
1
jB jB
1
37

38. Четвертьволновый трансформатор

ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Данный трансформатор представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением , к
которому подключены линии с волновыми сопротивлениями
1 и 2, нагруженные на сопротивления Zвх= ρ1 и Zн= ρ2,
ρ выбирается из условия ρ2=ρ1ρ2
38

39. 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.
39

40. Структурная схема синфазного моста В синфазном мостовом устройстве сложение колебаний происходит в фазе

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИНФАЗНОГО МОСТА
В СИНФАЗНОМ МОСТОВОМ УСТРОЙСТВЕ СЛОЖЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ
ПРОИСХОДИТ В ФАЗЕ
Rвх1 = Rвх2 = Rн =R, Rб=2 R.
40

41. Синфазный мост, реализованный на LC - элементах

СИНФАЗНЫЙ МОСТ, РЕАЛИЗОВАННЫЙ НА LC - ЭЛЕМЕНТАХ
В данной схеме использованы две П-образные цепочки,
причем L = 1/ С = X=R√2.
41

42. Синфазный мост в микрополосковом исполнении

СИНФАЗНЫЙ МОСТ В МИКРОПОЛОСКОВОМ ИСПОЛНЕНИИ
В данную схему включены четвертьволновые отрезки
микрополосковой линии с волновым сопротивлением:
Rн 2
42

43. Квадратурный мост !

КВАДРАТУРНЫЙ МОСТ
!
В квадратурном мостовом устройстве сложение
колебаний происходит в квадратуре или со сдвигом
фаз в 900
Rвх1 = Rвх2=Rн=Rб
43

44. Реализация моста на сосредоточенных элементах

РЕАЛИЗАЦИЯ МОСТА НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Индуктивности и емкости выбираются из соотношений:
ωL2 1 / ωC2 Rн / 2
ωL1 1 / ωC1 Rн
44

45. Реализация моста в микрополосковом исполнении !

РЕАЛИЗАЦИЯ МОСТА В МИКРОПОЛОСКОВОМ
ИСПОЛНЕНИИ
!
U1
W1 ,l 1
Rб
W2 ,l 2
Rн
U2
Рис.4.24. Квадратурный мост в микрополосковом исполнении
Волновые
сопротивления
отрезков
линий
в
микрополосковом мостовом устройстве соответствуют:
ρ1 Rн , ρ2 Rн / 2
45

46. Малошумящие усилители

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.
46

47. Структурная схема МШУ

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МШУ
Характеристические сопротивления подводящих линий
равны 01 и 02; стрелками на рисунке отмечены
коэффициенты отражения Гi.
Назначение цепей СЦ1, СЦ2 состоит в согласовании
транзистора по входу и выходу с подводящими линиями.
47

48. Обеспечение устойчивой работы транзистора в МШУ

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 сопротивлений Zг, Zн ), либо в области потенциальной устойчивости (ОПУ).
Транзистор находится в ОБУ, если выполняются условия:
2
S12 S21 1 S11 ,
2
S12 S21 1 S 22 ;
2
2
2
1 S11 S22 S
Ky
1.
2 S12 S21
S S11S22 S12 S21
48

49.

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.
49

50. Улучшение устойчивости

УЛУЧШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ
Параллельное включение Rст
Последовательное включение Rст
50

51. Расчет резистора Rст

РАСЧЕТ РЕЗИСТОРА RСТ
Транзистор
со стабилизирующим резистором рассматривают как составной транзистор
Задаются желаемым инвариантным коэффициентом устойчивости составного транзистора КуТ, например, в пределах
1,03...1,1.
Рассчитываем величину Rст для параллельного включения:
Rст
2
2
0 1 S22 S11 S
;
2 K y Т K y S12 S21
Рассчитываем величину Rст для последовательного включе-
ния:
Rст
2W0 K y Т K y S12 S 21
2
1 S 22 S11 S
2
,
51

52. S-параметры составного транзистора

S-ПАРАМЕТРЫ СОСТАВНОГО ТРАНЗИСТОРА
Рассчитаем S-параметры составного транзистора,
состоящего из соединения транзистора и стабилизирующего резистора:
S11 Т S11 S12 S21S11 ст D ;
S12 Т S12 S12 ст D ;
S21 Т S21S21 ст D ;
S22 Т S22 ст S12 ст S22 S21 ст D ,
где
D=1-S22S11ст;
Sij - параметры транзистора;
Sij ст –параметры резистора
S21Т S12Т S21 S12
52

53.

реализуемый коэффициент передачи по мощности
K p
S21
2
1 Гг
2
1 Гн
2
1 S11 Гг S Г г Г н S22 Г н
2
,
коэффициент отражения от генератора
Гг Zг 0 Zг 0
коэффициент отражения от нагрузки
Гн Zн 0 Zн 0
Абсолютно устойчивый транзистор можно
согласовать как по входу, так и по выходу.
53

54. режимы усиления

РЕЖИМЫ УСИЛЕНИЯ
Режим экстремального усиления
Режим минимального коэффициента шума
54

55. Режим экстремального усиления (1)

РЕЖИМ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ (1)
*
*
( Zвых СЦ 1 ZвхТ
; ZвыхТ Zвх
СЦ 2 )
При этом
Г г опт
Г н опт
B1 B12 4 C1
2
;
2C1
B2 B22 4 C2
2
2C2
*
C1 S11Т S22
Т SТ ,
*
C2 S22 Т S11
Т SТ ;
2
2
2
2
2
2
В1 1 S11Т S22 Т S Т ,
В2 1 S22 Т S11Т S Т .
В основном выражении знак «минус» берется при B1(2) >0, а знак «плюс»
из B1(2) <0
55

56. Оптимальные сопротивления транзистора и коэффициент усиления

ОПТИМАЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА И КОЭФФИЦИЕНТ
УСИЛЕНИЯ
По полученным данным Гг опт и Гн опт можно рассчитать значения :
Z вхТ 0
1 Г г*опт
1 Г г*опт
Z выхТ 0
;
1 Г н* опт
1 Г н* опт
где 0 - стандартное характеристическое сопротивление, при котором
измерены S-параметры транзистора.
В этом режиме экстремум коэффициента передачи номинальной
мощности транзистора достигается при KуТ > 1 и соответствует
K p ном экстр
S21
K yТ
S12
K 2 yТ 1
где знак “минус” –соответствует режиму работы транзистора,
находящегося в ОБУ. Знак “плюс” –режиму работы транзистора,
находящегося в ОПУ.
56

57. Коэффициент шума

КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА
K ш K ш min
K ш 0 K ш min Г г Г г ш опт
,
Г г ш опт
2
1 Гг
2
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.
57

58. Режим минимального коэффициента шума

РЕЖИМ МИНИМАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА
В этом случае минимальный коэффициент шума усилителя
достигается в режиме оптимального рассогласования по входу. В
этом режиме выходное сопротивление СЦ1 должно быть равно:
Zвых СЦ 1 0 1 Гг ш опт
1 Гг ш опт
ZвыхТ 0 1 Г2 1 Г2
Г 2 S22 Т
S12 Т S21Т Гг ш опт
1 S11Т Гг ш опт
Г2 - коэффициент отражения от транзистора по выходу в
тракте со стандартным характеристическим сопротивлением 0
58