Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков: Учебное пособие

В.Л. Карякин

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СОПРОТИВЛЕНИЙ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ

«Рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникации в качестве учебного пособия» для студентов, обучающихся по направлению 654400 – Телекоммуникации и специальности 201100 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение

«РАДИО И СВЯЗЬ» МОСКВА 2002

УДК 621.396.61.001.2(075.8) ИБ № 3079 Рецензенты: д.т.н., профессор В.Ф. Дмитриков, к.т.н., доцент В.А. Глазунов Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков: Учебное пособие для вузов/ В.Л. Карякин.- М: Радио и связь, 2002.- 77с. ISBN 5-256-01660-1 Рассмотрены методы построения усилителей мощности радиопередатчиков. Приводятся схемы высокочастотных трансформаторов в транзисторных усилителях мощности. Основное внимание уделяется методам проектирования цепей согласования генераторов с внешним возбуждением на сосредоточенных элементах, в микрополосковом исполнении и на коаксиальных линиях. Разработаны методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001 при анализе и синтезе цепей согласования, а также методические указания к лабораторной работе «Исследование высокочастотных трансформаторов сопротивлений транзисторных усилителей мощности». Учебное пособие предназначено для студентов ВУЗов, обучающихся по направлению 654400 – Телекоммуникации и специальности 201100 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение. Ил. 55. Библ. 9 назв. Учебное издание Карякин Владимир Леонидович Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков Учебное пособие Компьютерное редактирование – Д.В. Карякин, В.В. Карякин Издательская лицензия № 010164 от 29.01.97 г. Подписано в печать 09.09.2002 ISBN 5-256-01660-1

© Карякин В.Л., 2002

2

Содержание Введение…………………………………………………………..………..

5

1.

Общие сведения о радиопередающих устройствах……...….……. 7

2.

Методы построения усилителей мощности радиопередатчиков……………………………………....……...….. 12

2.1.

Структурная схема усилителя мощности……….……..………….

12

2.2.

Активные элементы в УМ..……………………..………………….

15

2.3.

Методы построения принципиальных схем УМ...……….………

18

2.4.

Нагрузочные характеристики генератора с внешним возбуждением……………………..…………………….…………..

3.

25

Схемы высокочастотных трансформаторов в транзисторных усилителях мощности ………………………………..…..………...

28

3.1.

Требования, предъявляемые к цепям согласования………...……..

28

3.2.

Методы построения принципиальных схем высокочастотных трансформаторов сопротивлений.………….….

31

3.3. Конструкция микрополосковых цепей согласования транзисторных УМ...……………………………………….……..….

35

Методы проектирования цепей согласования…………......…….…

39

4.1. Аналитические методы расчета…………………………………..…

39

4.1.1.Согласующая Г-цепь………………………………………………....

39

4.1.2.Согласующая Т-цепь………………………………………………....

40

4.

4.1.3.Согласующая П-цепь………………………………………………… 43 4.1.4. Многозвенные согласующие цепи……………………………...….. 42 4.1.5. Согласующие цепи на микрополосковых линиях…………...…….

43

4.1.6. Широкополосные согласующие цепи на линиях………………….

43

3

4.2. Исследование цепей согласования с использованием пакета программ Microwave Office 2001…………………………

45

4.2.1. Методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001……………………………………...………

45

4.2.2. Исследование трехзвенной Г-цепи……………………………..….

49

4.2.3. Исследование Т-цепи…………………………………..…………...

58

4.2.4. Исследование П-цепи…………………………………..………..….

60

4.2.5. Исследование двухзвенной Г-цепи на микрополосках…….……..

63

4.2.6. Исследование широкополосной согласующей цепи на линиях………………………………………………..………….... 66 5.

Методические указания к лабораторной работе «Исследование высокочастотных трансформаторов сопротивлений транзисторных усилителей мощности»……..…...

74

Литература………………………………………………………….… 77

4

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Введение Прогресс в технике радиопередающих устройств за последние годы, возникновение новых технических направлений, появление новой элементной базы, широкое использование компьютеров в учебном процессе – все это приводит

к

постановки

необходимости принципиально

обновления новых

лабораторного

лабораторных

работ.

практикума, Кроме

того,

внедрение новых компьютерных технологий в учебный процесс изменяет подход к курсовому и дипломному проектированию. В этой связи публикация учебного пособия, посвященного новым технологиям

анализа

и

синтеза

высокочастотных

трансформаторов

сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков, чрезвычайно актуальна. Активный элемент усилителя мощности высокочастотных колебаний работает, как правило, в нелинейном режиме с отсечкой тока для повышения коэффициента

полезного

действия.

Эффективность

работы

усилителя

мощности во многом определяется согласованием входных и выходных сопротивлений активного элемента с источником возбуждения и нагрузкой в диапазоне

рабочих

частот.

Цепи

согласования

выполняют

функцию

высокочастотных трансформаторов сопротивлений, фильтрации высших гармоник в нагрузке. В качестве активного элемента в мощных усилителях используются транзисторы, генераторные лампы. В настоящее время для повышения конкурентоспособности отечественной аппаратуры разработчики широко внедряют зарубежную элементную базу, новые технологии в проектировании и изготовлении. Однако эти вопросы в учебной литературе освещены недостаточно полно. Методика проектирования радиопередатчиков на отечественной элементной базе наиболее полно изложена в [1], однако она не позволяет в полной мере реализовать Карякин В.Л.

5

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

возможности зарубежной элементной базы, а также не ориентирована на компьютерное моделирование. Эффективным способом решения задач проектирования

передатчиков

является использование пакета программ

Microwave Office 2001 [2]. Основными задачами учебного пособия являются внедрение в учебный процесс современных методов компьютерного моделирования элементов радиопередающих устройств, в частности, высокочастотных трансформаторов сопротивлений,

ознакомление

студентов

с

современной

технологией

проектирования генераторов с внешним возбуждением. Учебное пособие предназначено для студентов ВУЗов по специальностям «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», «Радиотехника», «Связь с подвижными объектами», а также бакалаврам и магистрам связи.

Карякин В.Л.

6

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

1. Общие сведения о радиопередающих устройствах Любая система радиосвязи включает в себя радиопередающее устройство, функции которого заключаются в преобразовании энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управление этими колебаниями.

Таким

образом,

в

радиопередатчиках

осуществляется

генерирования и формирование радиосигналов. Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров

которого

изменяются

(модулируются)

в

соответствии

с

передаваемым сообщением (информацией). Требуемая мощность колебаний, передаваемая в нагрузку, определяется при разработке радиосистемы и обычно считается заданной. В непрерывном режиме задаются средняя и пиковая мощности сигнала. В импульсном режиме указываются мощность в импульсе и параметры последовательности импульсов – длительность импульсов, их скважность или период повторения, способ модуляции, средняя мощность. В некоторых случаях оговаривается точность поддержания требуемой мощности. Спектр частот сигнала характеризуют: частота несущей; допустимая относительная нестабильность частоты несущей; занимаемая полоса частот; ширина зоны внеполосных излучений. Вид

модуляции

определяется

при

проектировании

радиосистемы.

Различают следующие виды модуляции: -амплитудную (АМ), применяемую в радиовещании, связи, телевидении (при передаче изображения). Модуляция импульсами используется в многоканальных системах связи с временным разделением каналов и в радиолокационных системах, а также в ряде оптических систем передачи информации;

Карякин В.Л.

7

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

-частотную (ЧМ), применяемую в высококачественном радиовещании, телевидении (звуковое сопровождение), в радиорелейных линиях с большим числом каналов в радиолокационных системах непрерывного и импульсного излучения. В системах частотной телеграфии (манипуляции) частота сигнала меняется скачком и может принимать два или несколько фиксированных значений; -фазовую модуляцию (ФМ), применяемую в радиосвязи. В системах фазовой телеграфии и при формировании сложных сигналов используется скачкообразное изменение фазы (фазовая манипуляция); -комбинированнную модуляцию. В большинстве радиотехнических систем энергия формируемого сигнала сосредоточена в узкой полосе частот вблизи несущей. Такой сигнал меняется во времени по закону, близкому к гармоническому, что позволяет существенно упростить анализ и расчет основных узлов передатчика. Обобщенная структурная схема современного радиопередатчика изображена на рис.1.1.

Рисунок 1.1. Обобщенная структурная схема радиопередатчика Рассмотрим генератор

(или

кратко назначение ее отдельных элементов. Задающий возбудитель)

(В)

Карякин В.Л.

генерирует

высокостабильные

8

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

радиочастотные колебания в заданном диапазоне частот. Далее эти колебания усиливаются в предварительных каскадах (ПК) и поступают на оконечный усилитель мощности (УМ). Часто предварительные каскады передатчика работают в режиме умножения частоты радиочастотных колебаний . Это облегчает требования к возбудителю и повышает устойчивость работы передатчика, поскольку усиление ведется на различных частотах. Усилитель мощности обеспечивает на выходе антенны (или фидера) заданную мощность радиочастотных колебаний. Антенная система (А) излучает радиочастотные колебания в пространство. Для управления высокочастотными колебаниями служит модуляционное устройство (М). Если передатчик работает с амплитудной модуляцией (АМ), то модуляционное устройство воздействует на оконечный или предоконечный каскады. Если передатчик работает с частотной модуляцией (ЧМ), то модуляция осуществляется в задающем генераторе. Устройство охлаждения (УО) поддерживает заданный тепловой режим передатчика, а устройство блокировки и сигнализации (УБС) дает информацию о режиме работы передатчика и обеспечивает его включение и выключение, безопасность обращения с ним обслуживающего персонала. Источники питания (ИП) необходимы для подачи заданных питающих напряжений на транзисторы передатчика. Радиопередатчики классифицируются: -по

назначению

–

связные,

радиовещательные,

телевизионные,

радиолокационные, радионавигационные, телеметрические и т.д.; -по мощности – маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 10 кВт), мощные (до 1000 кВт), сверхмощные (свыше 1000 кВт); -по

роду

работы

(виду

излучения)

–

телеграфные,

телефонные,

однополосные, импульсные и т.д.; -по способу транспортировки – стационарные и подвижные (переносные, автомобильные, корабельные, самолетные и т.д.);

Карякин В.Л.

9

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

-по диапазону частот (от очень низких частот 3…30 кГц до крайне высоких частот 300…30000 мГц). Параметры любого радиопередающего устройства должны удовлетворять государственным стандартам. Одним из основных параметров передатчика, определяющего во многом дальность действия радиолинии, является его мощность. Исключительно важный параметр передатчика – стабильность его частоты. Современные передатчики имеют относительную нестабильность частоты около 10-6… 10-7. Высокая стабильность частоты передатчика повышает помехозащищенность радиолинии (поскольку позволяет сузить полосу пропускания приемного устройства), позволяет увеличивать число станций, работающих в заданном диапазоне без взаимных помех (улучшает электромагнитную

совместимость).

Существуют

международные

рекомендации на допустимые отклонения частоты радиопередатчиков всех категорий и назначений. Важным параметром передатчика является его коэффициент полезного действия (КПД) – отношение мощности в нагрузке к полной мощности, потребляемой от источника питания. Коэффициент полезного действия маломощных передатчиков определяет во многом его габаритные размеры и массу, а КПД сверхмощных передатчиков, кроме того, - стоимость их сооружения

и

эксплуатации.

Высокий

КПД

позволяет

повысить

экономичность системы охлаждения, а также увеличить надежность работы передатчика. Не

меньшее

значение

имеют

электроакустические

показатели

радиопередатчика, такие как требования к коэффициенту модуляции ( для передатчиков с АМ ), индексу модуляции (для передатчиков с ЧМ и ФМ), нелинейным искажениям, амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), уровню фона и шума и т.д.

Карякин В.Л.

10

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Значительного

повышения

качественных

показателей

современных

передатчиков, повышения оперативности и надежности их работы удается достигнуть повышением степени интеграции элементной базы, внедрением новых

технологий

в

проектирование

и

конструкторские

разработки,

применением микропроцессоров для автоматизации управления и контроля режимов работы.

Карякин В.Л.

11

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

2. Методы построения усилителей мощности радиопередатчиков Усилители мощности (УМ) в технике радиопередающих устройств принято называть также генераторами с внешним возбуждением (ГВВ). ГВВ является источником колебаний, которые создаются под воздействием колебаний другого, обычно менее мощного ГВВ или автогенератора (АГ). Автогенератор для создания колебаний нуждается лишь в источниках питания постоянного

тока,

генерируемых

мощность

колебаний,

которых

возникающих

преобразуется за

счет

в

достаточно

мощность сильной

положительной обратной связи. При этом часть генерируемой мощности затрачивается на обеспечение обратной связи, вызывающей самовозбуждение колебаний. Обратимся к рассмотрению методов построения усилителей мощности.

2.1.Структурная схема усилителя мощности Усилитель мощности при подаче на вход периодического сигнала произвольной формы с частотой основной гармоники f 0 вырабатывает на выходе близкое к гармоническому колебание с той же частотой. Амплитуда выходного колебания в общем случае не пропорциональна амплитуде входного. В этом отличие ГВВ от, например, усилителя низкой частоты радиовещания, на выходе которого стремятся получить увеличенную копию входного сигнала. В большинстве случаев единственным поводом называть ГВВ усилителем мощности является то обстоятельство, что уровень мощности основной частоты колебаний выходного сигнала существенно превышает уровень мощности колебаний той же частоты на входе. Линейную зависимость между амплитудами тока или напряжения основной гармоники на входе и выходе ГВВ требуется обеспечивать лишь в отдельных случаях, например в УМ однополосных передатчиков, при

Карякин В.Л.

12

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

усилении

модулированных

колебаний.

Выходные

мощности

УМ,

используемых в радиопередатчиках, лежат в пределах от десятков милливатт до мегаватт, а рабочие частоты — от десятков килогерц до сотен гигагерц, причем диапазон рабочих частот продолжает расширяться как вниз, так и вверх. Основными

энергетическими

характеристиками

УМ

являются

максимальная выходная мощность, коэффициент усиления по мощности K p и коэффициент полезного действия. Кроме того, усилитель характеризуется полосой пропускания, неравномерностью АЧХ и ФЧХ в этой полосе, степенью подавления нежелательных составляющих спектра,

видом

амплитудной характеристики, уровнем шумов и другими показателями. Структурная схема УМ (рис. 2.1) в общем случае содержит активный элемент (АЭ), входную

(ЦСвх) и выходную (ЦСвых) цепи согласования, а

также цепи блокировки по напряжению питания (ЦБП) и по напряжению смещения (ЦБС). Требования к усилителю по выходной мощности, коэффициенту усиления

K p и КПД выполняются в первую очередь выбором типа АЭ и его режима. Однако реализация режима, обеспечивающего необходимые K p , мощность, КПД, возможна лишь при правильном выборе типа и параметров ЦС. Рассмотрим функции выходной ЦС. В первую очередь ЦСвых обеспечивает трансформацию

сопротивления

нагрузки

усилителя

в

оптимальное

сопротивление нагрузки АЭ для основной частоты колебаний. Критерии оптимизации нагрузки могут быть различными, например достижение максимальной мощности, КПД или усиления. Обычно на практике стремятся найти компромиссное решение: получить заданную мощность при достаточно высоких значениях КПД и K p .

Карякин В.Л.

13

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Существенно повысить КПД ГВВ можно, обеспечив негармонические формы напряжения и тока на выходе АЭ, т. е. используя высшие гармоники в спектрах тока и напряжения. Для создания таких форм необходима определенная частотная характеристика ЦСвых. Таким образом, в ключевых усилителях удается повысить КПД до 90% и более.

Рисунок 2.1. Структурная схема генератора с внешним возбуждением Кроме того, ЦСвых частично решает задачу фильтрации гармоник на выходе.

Требования

к

уровню

побочных

составляющих

на

выходе

передатчика зависят от его назначения. В большинстве случаев допустимый уровень побочных составляющих спектра на выходе должен быть не хуже — 60 дБ. При очень жестких требованиях к фильтрации приходится после ЦСвых включать специальный

фильтр, дополнительно

ослабляющий

уровень

побочных излучений. Входная ЦСвх трансформирует входное сопротивление АЭ в оптимальное сопротивление нагрузки для источника возбуждения. Кроме того, от нее зависят формы входного напряжения и тока АЭ. От этого, в свою очередь, зависит форма выходного тока АЭ и, как следствие, энергетика и качественные показатели всего усилителя. Подробнее функции ЦС будут рассмотрены ниже.

Карякин В.Л.

14

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Цепи блокировки также имеют многоцелевое назначение. В одних схемах они предотвращают короткое замыкание по высокой частоте выхода и входа АЭ через источники напряжений питания (ИП) и смещения (ИС), в других— включение сопротивлений цепей питания последовательно с нагрузкой. Кроме того, они должны ослаблять паразитные связи между каскадами по общим цепям питания и смещения. В каскадах большой мощности дополнительные блокировочные конденсаторы защищают измерительные приборы в цепях питания от токов высокой частоты. Нагрузка выходного УМ передатчика в простейшем случае представляет собой входное сопротивление антенны. Выход передатчика значительной мощности обычно нагружен на фидерную линию, соединяющую передатчик с антенной. При испытаниях и настройке передатчика в качестве нагрузки может использоваться ее эквивалент, например, отдельный резистор. Каждый промежуточный УМ многокаскадного тракта нагружен на входное

сопротивление

АЭ

следующего

каскада.

Характерными

особенностями реальных нагрузок УМ являются их комплексный характер, зависимость от частоты, в ряде случаев нелинейность, что существенно усложняет задачу создания УМ, работающего в диапазоне частот и с разными уровнями амплитуд колебаний. Источником

возбуждения

УМ

в

многокаскадном

тракте

служит

предыдущий каскад, работающий чаще всего в режиме усиления мощности или умножения частоты.

2.2. Активные элементы в УМ Выбор активных элементов зависит от рабочих частот, мощности и назначения УМ. В диапазонах сверхдлинных (километровых) волн в

Карякин В.Л.

15

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

устройствах средней и большой мощности (от единиц до тысяч киловатт) применяются мощные тиристоры. В диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн в ГВВ средней и большой мощности широко используются электровакуумные приборы (лампы) — пентоды, лучевые тетроды и триоды. Единичные мощности вакуумных приборов достигают тысяч киловатт, что объясняется использованием в них высоких напряжений. Транзисторы, как полевые (ПТ), так и биполярные (БТ),—принципиально более низковольтные приборы. Увеличение их мощности за счет тока ограничено снижением входных и нагрузочных сопротивлений, затрудняющим согласование со стандартными нагрузками (50, 75 Ом и т. д.). Поэтому единичная мощность транзисторов обычно не превышает сотен ватт. В передатчиках малой мощности различных назначений и диапазонов лампы практически вытеснены транзисторами. На транзисторах часто выполняются и каскады средней мощности (до 10 кВт) с использованием мостовых систем сложения мощностей. Полевые транзисторы лишены ряда принципиальных присущих

биполярным

транзисторам.

В

БТ

недостатков,

существует

механизм

положительной тепловой обратной связи: рост температуры приводит к увеличению

тока транзистора, что,

в

свою

очередь,

вызывает

его

дополнительный разогрев и т. д. Эта температурная обратная связь способна вызвать тепловой пробой транзистора из-за рассеяния чрезмерной мощности. В многоэмнттерных структурах на сравнительно низких частотах для выхода транзистора из строя достаточно развиться тепловому пробою на небольшом участке («горячее пятно»). На высоких частотах при работе в режиме с отсечкой этот процесс за время протекания импульса тока развиться не успевает. Поэтому в технических условиях на мощные БТ, особенно СВЧ, указывается интервал рабочих частот. На частотах ниже минимально разрешенной применение прибора допускается лишь при резком снижении Карякин В.Л.

16

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

рабочих токов и напряжений. Положительный температурный коэффициент тока

БТ

осложняет

Технологический

также

разброс

параллельное

параметров

включение

приводит

к

приборов.

неравномерному

распределению токов параллельно включенных приборов, а положительный температурный коэффициент усугубляет это явление. В отличие от БТ температурный коэффициент тока ПТ отрицателен. Это облегчает задачу создания более мощных ПТ, их параллельное включение, применение в широкополосных усилителях, рабочая полоса которых захватывает сравнительно низкие частоты, а также в усилителях, работающих в режиме класса А, наиболее опасном для мощных СВЧ БТ. Другое важное преимущество ПТ—отсутствие процессов накопления и рассасывания зарядов—повышает быстродействие ПТ по сравнению с БТ. Поэтому предельные рабочие частоты ПТ в несколько раз выше. В ключевых усилителях ПТ имеют меньшее время переключения. Емкости переходов БТ существенно зависят от приложенных напряжений, что приводит к явлению амплитудно-фазовой конверсии, т. е. зависимости фазы выходного колебания от амплитуды. Кроме того, нелинейности емкостей могут вызывать паразитные параметрические эффекты, например самовозбуждение колебаний на частоте, вдвое меньшей рабочей. Полевые транзисторы обладают более линейными характеристиками. Их емкости значительно слабее зависят от приложенных напряжений. Поэтому они предпочтительнее для использования в линейных усилителях, применяемых, например, в качестве мощных каскадов передатчиков однополосных систем. Это же свойство ПТ при применении их в автогенераторах позволяет уменьшить нестабильность частоты. К недостаткам ПТ следует отнести более существенную по сравнению с БТ зависимость входного сопротивления от частоты (на низкой частоте входное сопротивление ПТ практически бесконечно). Это приводит к усложнению цепей связи в широкополосных усилителях на ПТ. Карякин В.Л.

17

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

На сравнительно невысоких частотах (до нескольких гигагерц) шумы БТ ниже, чем ПТ. Считается, что на частотах до 4 ГГц БТ будут применяться чаще, чем ПТ, а выше 4 ГГц предпочтительнее оказываются ПТ. Полевые транзисторы обладают меньшей

электрической прочностью в

случаях превышения допустимых напряжений, в частности, при воздействии статических зарядов, всплесков напряжений в цепях питания и возбуждения.

2.3. Методы построения принципиальных схем УМ Рассмотрим типовую схему резистивного усилителя класса А на транзисторах (рис. 2.3) с точки

зрения

требований, предъявляемых к мощным

высокочастотным каскадам. Эта схема находит широкое применение

Рисунок 2.2. Резистивный усилитель мощности на биполярных транзисторах

Рисунок 2.3. Узкополосный усилитель мощности в усилителях низкой частоты, а также используется в маломощных усилителях высокой частоты. Однако такой усилитель нецелесообразно использовать в качестве выходного каскада радиопередающего устройства,

Карякин В.Л.

18

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

работающего непосредственно на антенну, и в сравнительно мощных промежуточных каскадах из-за плохих энергетических характеристик, так как результирующий КПД получается менее 10%. Кроме низкого КПД крупным недостатком схемы, приведенной на рис. 2.2, является отсутствие трансформирующих цепей как на входе и выходе, так и между каскадами, что не позволяет реализовать максимальное усиление мощности. Это Особенно сказывается на высоких частотах, где коэффициент усиления по току транзисторов не только меньше статического h21Э, но и может оказаться меньше единицы. Для повышения КПД необходимо: 1) свести к минимуму число резисторов в схеме, заменив их индуктивными элементами (дроссели, контурные катушки, трансформаторы); 2) принять меры для устранения высокочастотного напряжения на оставшихся резисторах; 3) поставить АЭ в режим с отсечкой тока для повышения электронного КПД; 4) ввести

согласующие

трансформаторы,

позволяющие

создать

такое

сопротивление нагрузки АЭ, при котором достигается максимум электронного

КПД.

Введение

согласующих

трансформаторов

является

одновременно способом увеличения усиления мощности. На рис. 2.3 показан вариант узкополосного усилителя мощности, выполненный

с

соблюдением

указанных

рекомендаций.

Транзисторы

работают с автоматическим смещением от тока эмиттера в классе С, т. е. с отсечкой

коллекторного

шунтированных

тока. В резисторах цепей автосмещения,

блокировочными

(конденсаторами,

не

теряется

высокочастотная мощность. Возникающие в классе С высшие гармоники коллекторного тока фильтруются параллельным контуром, который, кроме того, выполняет функцию трансформатора связи с нагрузкой. Постоянный ток коллектора проходит через контурные катушки, не создавая в них потерь

Карякин В.Л.

19

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

мощности источника Ек, так как их сопротивление постоянному току практически равно нулю. К моменту построения схемы должен быть решен вопрос о выборе варианта включения АЭ (для транзистора - общий эмиттер, общая база). В соответствии с общей структурой УМ он должен иметь ЦС на входе и выходе. Способы подключения источников питания и смещения к транзистору могут быть различными. На рис. 2.4 показан один из способов подачи напряжений коллекторного питания Ек и смещения Ес. Необходимость включения дросселей (или заменяющих их элементов) вызвана тем, что в АЭ по переменному напряжению может быть заземлен только один из электродов, в данном случае—эмиттер. Непосредственное подключение источника Eк к коллектору означало бы короткое замыкание участка коллектор—эмиттер по переменному току. Аналогично обстоит дело и с входной цепью. Непосредственное подключение источника Ес к базе транзистора означало бы короткое замыкание источника возбуждения на землю, т. е. равенство нулю амплитуды напряжения на входе АЭ. Дроссели Др1, и Др2, имеющие практически нулевое сопротивление для постоянного тока, позволяют подать напряжения Eк и Eс на транзистор и не влияют на прохождение первых гармоник токов базы и коллектора, представляя собой в идеале разрыв для токов высокой частоты. К цепям питания относятся также конденсаторы Cp1 и Ср2, называемые разделительными. Их включают с целью предотвратить возможное короткое замыкание источников Ек и Ес через элементы ЦС. Емкости Cp1 и Ср2 выбираются достаточно большими, чтобы падение переменных напряжений на них было мало по сравнению с Uб и UK (приблизительно на два порядка меньше). В идеальном случае бесконечных сопротивлений Др1 и Др2 переменному току конденсаторы Сбл1 и Сбл2, называемые блокировочными, были бы не нужны.

Карякин В.Л.

20

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Однако, поскольку реальные дроссели имеют конечное сопротивление переменному току, часть переменного тока коллектора и базы ответвляется в

Рисунок 2.4. Схема подачи питающих напряжений через дроссели

Рисунок 2.5. Усилитель мощности с параллельным питанием них, а при отсутствии блокировочных конденсаторов и в источники Ек и Ес. Реальные источники питания могут иметь заметное сопротивление переменному току и, кроме того, быть удалены от усилителя и подключены к нему проводами питания, имеющими значительное и к тому же обычно неизвестное сопротивление. Так как от общего источника, как правило, питаются и другие каскады, появляется опасность возникновения неконтролируемой связи по переменному току между каскадами. Эта связь может вызвать изменение режима и самовозбуждение усилительного тракта. Включение блокировочных конденсаторов Сбл1 и Сбл2 достаточно большой емкости позволяет создать путь переменному току, минуя источники Ек и Ес, и устранить таким образом нежелательные связи между каскадами.

Карякин В.Л.

21

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Использовав в качестве цепей связи параллельные контуры с неполным включением (см. рис. 2.3) и построив цепи питания в соответствии с рис. 2.4, получим схему УМ (рис. 2.5). Будем считать для определенности, что это — выходной каскад передатчика, нагруженный через согласованную фидерную линию на антенну. Далее везде заменим вход фидерной линии эквивалентным сопротивлением

Rн.

Если

передатчика, то под

УМ

является

промежуточным

каскадом

Rн следует понимать входное сопротивление

следующего каскада. Схему УМ можно существенно упростить, исключив дроссели. В этом случае напряжения Ек и Ес подаются на транзистор через контурные катушки L1, и L2; (рис. 2.6). Через них протекают постоянные токи базы и коллектора. Схема подачи питания Ек или смещения Ес на транзистор через контурную индуктивность,

которая

в

этом

случае

оказывается

включенной

по

постоянному току последовательно с транзистором, называется схемой последовательного питания. В отличие от этого схему (см. рис. 2.5), в которой питание

осуществляется

через

дроссели,

принято

называть

схемой

параллельного питания. При выбранных ЦС в виде параллельных контуров схема последовательного питания (см. рис. 2.6) оказалась проще. При ЦС других типов этого упрощения может не быть.

Рисунок 2.6. Усилитель мощности с последовательным питанием

Карякин В.Л.

22

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 2.7. Распределение

постоянных напряжений в УМ с параллельным питанием

Рисунок 2.8. Распределение переменных напряжений в УМ с параллельным питанием В отличие от маломощных усилителей, в которых, как правило, при выборе элементов схемы не возникает жестких ограничений по допустимым напряжениям и токам, в усилителях мощности эти ограничения играют существенную допустимым

роль. токам,

Для

правильного

напряжениям

и

выбора

реактивным

элементов

схемы

мощностям

по

следует

представлять себе, какие напряжения действуют на различных элементах усилителя и какие токи через них протекают. Распределение постоянных Карякин В.Л.

23

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

напряжений в схеме параллельного питания показано на рис. 2.7. Нули стоят рядом с элементами, между концами которых постоянное напряжение равно нулю. Распределение переменных напряжений видно из рис. 2.8, а пути протекания переменных токов - из рис. 2.9. Ток в выходном контуре Iконт является самым большим током схемы. На рис. 2.9 показано ответвление тока в дроссели, связанное с конечностью их сопротивлений на рабочей частоте (штриховая линия). Высшие гармоники коллекторного тока замыкаются преимущественно через

конденсаторы

С3, С4 имеющие

тем меньшее

для

гармоники

сопротивление, чем выше ее номер.

Рисунок 2.9. Пути протекания токов в УМ

Рисунок 2.10. Эквивалентная схема УМ для токов и напряжений первой гармоники На основании распределения переменных напряжений и токов в схеме УМ (см. рис. 2.8 и 2.9) можно построить его эквивалентную схему (см, рис. 2.10) для токов и напряжений первой гармоники. При составлении этой схемы дроссели заменяются разрывами, поскольку переменные токи в них малы, а Карякин В.Л.

24

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

блокировочные и разделительные конденсаторы — проводниками с нулевым сопротивлением, так как переменные напряжения на них малы. Схема, показанная на рис. 2.10, позволяет, пользуясь законами Кирхгофа и Ома, рассчитать переменные токи, напряжения и мощности для первой гармоники в УМ. 2.4. Нагрузочные характеристики генератора с внешним возбуждением Рассмотрим зависимости токов АЭ, напряжений на нем и энергетических показателей

от

сопротивления

нагрузки

при

неизменных

значениях

напряжений питания, т. е. нагрузочные характеристики. Они используются при настройке усилителя мощности и оценке влияния на его режим изменений параметров фидера и антенны. Примем пока, что сопротивление нагрузки вещественное: Zн==Rн. При изменении Rн меняется амплитуда напряжения на коллекторе: Uн=RнIк1.

Амплитуда Iк1, в свою очередь, зависит от Uн. Каждой точке этой

зависимости соответствует свое значение Rн==Uн/Iк1. Принимая Rн за аргумент,

строим

зависимости

Iк1(Rн)

и

Uн(Rн),

т.

е.

нагрузочные

характеристики для тока Iк1 (рис. 2.11а) и напряжения Uн (рис. 2.116). С ростом сопротивления нагрузки Iк1 сначала медленно убывает, а АЭ работает в недонапряженном режиме (точки 1, 2 на рис.2.11а). При Rн=Rн.кр (точка 3) наступает критический режим. При дальнейшем увеличении Rн>Rн.кр (точки 4, 5) Uн превышает Uн.кр и медленно растет, АЭ переходит в перенапряженный режим, в импульсе коллекторного тока появляется провал и Iк1 падает. Как видно из рис. 2.11а, ток Iко меняется пропорционально первой гармонике Iк1 поскольку коэффициент формы g1() в недонапряженном режиме постоянен, а в перенапряженном режиме

медленно уменьшается. Ток Iб1

растет в перенапряженном режиме с увеличением нагрузки Rн. В области недонапряженного режима токи Iк1, Iко, а в перенапряженном режиме напряжение Uн меняются слабо. Карякин В.Л.

25

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

По графикам на рис. 2.11 построим зависимости мощностей P0, P1, Pрас от Rн (рис.2.12а). Поскольку Eк=const, зависимость P0(Rн)=EкIк0(Rн) повторяет по форме Iко(Rн). Полезная мощность P1=0,5UнIк1, как видно из рис. 2.12а, возрастает примерно пропорционально Rн в области, где Rн
Рисунок 2.11. Нагрузочные характеристики

Рисунок 2.12. Энергетические характеристики усилителя мощности от нагрузки Карякин В.Л.

26

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Поведение Ррас как функции от Rн определяется формулой Pрас=P0-P1. При Rн=0 вся мощность, потребляемая от источника, рассеивается на выходном электроде АЭ. С ростом Rн она убывает быстро при RнRн.кр. При расстроенной нагрузке, когда P1=0, АЭ может оказаться в тяжелом тепловом режиме. Поэтому каскад настраивают при пониженных значениях Uвх и Eк. График g(Rн) (рис. 2.12б) повторяет зависимость Uн(Rн) в ином масштабе, так

как

g=Uн/Eк

и

Eк=const.

Коэффициент

формы

g1=Iк1/Iк0

в

недонапряженном режиме можно считать постоянным, так как угол отсечки из-за реакции коллектора меняется мало. В перенапряженном режиме g1 убывает с ростом Rн из-за появления провала в импульсе тока, но значительно медленнее, чем Iк1, поскольку Iко, тоже уменьшается. Поэтому КПД, как и на рис. 3.1, имеет весьма тупой максимум, лежащий в области перенапряженного режима. Как видно из рис. 2.12в, в области недонапряженного режима Кр возрастает почти пропорционально Rн. В перенапряженном режиме Кр убывает быстрее, чем P1, из-за роста мощности возбуждения Pб1 (см. рис. 2.12а). Анализ

нагрузочных

характеристик

подтверждает

сделанное

ранее

заключение о том, что критический режим является оптимальным для АЭ по полезной мощности P1, КПД и коэффициенту усиления по мощности Кр.

Карякин В.Л.

27

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

3. Схемы высокочастотных трансформаторов сопротивлений в транзисторных усилителях мощности Пассивные

высокочастотные

отмечалось во второй

трансформаторы

сопротивлений,

как

главе, выполняют функции цепей согласования в

усилителях мощности. Вначале на конкретном примере рассмотрим основные требования, которые предъявляются к цепям согласования.

3.1. Требования, предъявляемые к цепям согласования Пассивные цепи согласования, входящие в состав УМ, условно можно разделить на входные, межкаскадные и выходные. В качестве примера рассмотрим двухкаскадный генератор с внешним возбуждением, структурная схема которого приведена на рис.3.1. Основными требованиями, предъявляемыми к цепям согласования, будут следующие: 1) трансформировать на основной частоте ω комплексное сопротивление нагрузки Zн( ω ) в такое в общем случае комплексное сопротивление Zвх( ω ), которое является оптимальным (близким или равным Rэкв) для ЭП. В противном случае генератор будет работать в невыгодном режиме, при этом возможны снижения его выходной мощности и КПД, а также возникновение искажений передаваемого сигнала. В частности, если второй каскад является оконечным

каскадом

передатчика,

то

его

нагрузкой

может

быть

непосредственно входное сопротивление антенны Zа( ω ) либо входное сопротивление фидера Zф( ω )

или согласующего устройства Zсу ( ω ),

которые включаются перед антенной, либо входное сопротивление выходной

Карякин В.Л.

28

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

колебательной системы, устанавливаемой на выходе передатчика для заданного подавления высших гармоник.

Рисунок 3.1. Структурная схема двухкаскадного УМ В межкаскадных цепях нагрузкой служит входное сопротивление ЭП последующего каскада Zвх.эп( ω ), которое должно трансформироваться в Zвх( ω ), оптимальное (близкое или равное Rэкв) для ЭП предыдущего каскада. Входная цепь первого усилительного каскада должна обеспечивать Zвх( ω ), близкое к оптимальной нагрузке для задающего генератора или его буферного каскада либо возбудителя или синтезатора частоты передатчика. На рис. 3.1 они представлены в виде генератора Uг( ω ) с внутренним сопротивлением Zг( ω ); 2)

обеспечивать

определенные

входные

сопротивления

выходных

и

межкаскадных ЦС на частотах высших гармоник Zвх(n ω ) и аналогично выходные сопротивления для межкаскадных и входных ЦС Zвых(n ω ).Это связано с тем, что в мощных каскадах ЭП, как правило, работают в нелинейных режимах. 3) задерживать (отфильтровывать) высшие гармоники в нагрузке (на входе следующего каскада, антенны или ее согласующего устройства для оконечного каскада) так, чтобы их мощность не превосходила допустимого значения;

Карякин В.Л.

29

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

4) вносить незначительные потери мощности, т. е. обеспечивать высокий КПД ЦС на основной частоте; 5) выдерживать в широкодиапазонных генераторах заданные характеристики в рабочем диапазоне частот. В частности, при их построении необходимо учитывать увеличивающиеся с ростом рабочей частоты проводимости входных и выходных емкостей ЭП и сопротивления индуктивностей их выводов. Кроме того, в широкодиапазонных ЦС может предусматриваться компенсация снижения от частоты коэффициента усиления по мощности ЭП; 6) предусматривать работу при заданном уровне колебательной мощности, токах и напряжениях. Кроме перечисленных требований предъявляются также требования к стоимости, габаритным размерам, массе, надежности и др. Так как невозможно одинаково хорошо удовлетворить все перечисленные требования, то в зависимости от конкретных условий некоторые из них приходится считать главными, а другие — второстепенными. В частности, при построении ЦС предварительных и предоконечного каскадов основными являются требования трансформации сопротивления нагрузки Zн( ω ) к заданному значению Zвх( ω ) на основной частоте. При этом правильное их проектирование позволяет достигнуть одновременно достаточное подавление высших гармоник на входе следующего каскада. Здесь не требуется, чтобы ЦС

обеспечивали

высокий

КПД,

поскольку

все,

вместе

взятые,

предварительные и предоконечный каскады обычно потребляют мощность, значительно меньшую, чем потребляемая выходным каскадом. При

построении

выходной

ЦС

оконечного

каскада

добавляются

противоречивые требования, касающиеся получения высокой степени фильтрации высших гармоник в нагрузке при сохранении заданной полосы пропускания (или диапазона рабочих частот), максимального КПД и возможности работы при высоком уровне колебательной мощности. Поэтому

Карякин В.Л.

30

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

здесь часто задачу фильтрации высших гармоник перекладывают на отдельно устанавливаемую и проектируемую выходную колебательную систему передатчика.

3.2.Методы построения принципиальных схем высокочастотных трансформаторов сопротивлений В современных передатчиках, и в первую очередь в транзисторных, межкаскадные цепи строят в виде Г-, П- и Т-образных контуров. Согласующие Г-, Т-, П-цепочки выполняются в виде ФНЧ: в продольных ветвях включаются индуктивности, в поперечных — емкости (рис. 3.2). При этом обеспечивается лучшая фильтрация гармоник и одновременно выходные емкости и индуктивности выводов транзисторов сравнительно просто включаются в соответствующие LC-элементы либо образуют отдельные согласующие звенья. Наконец, такие колебательные цепи довольно легко реализуются в виде как сосредоточенных элементов на частотах до 10...18 ГГц (при небольших уровнях токов, напряжений и реактивной мощности), так и распределенных на основе коротких отрезков длинных линий на частотах свыше 100...300 МГц. Согласующая Г-цепочка обеспечивает заданную трансформацию резистивных сопротивлений R2 в R1 на заданной частоте ω (на рис. 3.2а R1 > R2).

Согласующие

Т-

и

П-цепочки

(рис.З.2б,в)

строятся

в

виде

последовательного соединения двух Г-образных цепочек, поэтому допускается произвольное соотношение сопротивлений (R1 больше или меньше R2). Правая цепочка трансформирует R2, в некоторое сопротивление R0, а левая R0 - в R1. В П-цепочке R(п)0 выбирается меньше меньшего из R1 и R2, наоборот, в Т-цепочке R(т)0 - больше большего из R1 и R2 (см. рис. 3.2д). Таким образом, Т- и П-цепочки трансформируют «скачкообразно» R2 в R0 и затем R0 в R1, в отличие от одной или от двух последовательно включенных Г-цепочек, у которых промежуточное сопротивление R(г)0 можно выбирать близким к

Карякин В.Л.

31

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

среднегеометрическому R(г)0= R1R 2 (см. рис. 3.2д). Поскольку потери в Г-цепочке минимально возможные и пропорциональны коэффициенту трансформации r= R1/R2, то переход от Г- к П-или Тцепочке

ведет

к

значительному

возрастанию

потерь

относительно

минимальных (в 3...5 раз и более). Поэтому переход от Г- к П- и Т-цепочкам целесообразен только с целью повышения фильтрации высших гармоник, удобства настройки и перестройки, необходимости учета емкостей и индуктивностей выводов транзисторов и ламп в L и С-элементах их согласующих цепей. В частности, при уменьшении R(п)0 в П-цепочке или увеличении R(т)0 в Т-цепочке ценой увеличения в них потерь возрастают их резонансные свойства, сужается полоса пропускания, но увеличивается фильтрация высших гармоник.

Рис. 3.2. Согласующие цепочки на реактивных LC-элементах : а — Г-цепочка; б — Т-цепочка; в — П-цепочка: г — Г-цепочка с увеличенной индуктивностью; д — диаграмма трансформации сопротивлений В каскадах ламповых передатчиков широко используются П-цепочки. Входные и выходные емкости ламп учитываются в емкостях (или образуют емкости) П-цепочки. В транзисторных каскадах наряду с П-цепочками часто применяют Г- и Т-цепочки. Индуктивности выводов транзистора и паразитные

индуктивности

других

элементов

схемы

(резисторов,

разделительных конденсаторов) и монтажа учитываются в индуктивностях

Карякин В.Л.

32

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

(или образуют индуктивности Г- и Т-цепочек). Пример использования в качестве

межкаскадной

колебательной

цепи

двух

последовательно

включенных Г-образных цепочек приведен на рис. 3.3д. Две цепочки последовательно трансформируют резистивную составляющую входного сопротивления

второго

транзистора

в

оптимальное

нагрузочное

сопротивление для первого транзистора. Часто генератор (одно- или многокаскадный) выполняется в виде отдельного законченного блока (модуля). В этом случае на входе первого каскада

устанавливаются

цепочки

для

согласования

с

волновым

сопротивлением кабеля, подключающего возбудитель, а на выходе последнего каскада ставят цепочку для согласования с кабелем, идущим к нагрузке. Примеры построения таких цепочек показаны на рис. 3.3 б,в.

Рисунок 3.3- Схемы входных, межкаскадных и выходных цепей связи транзисторных УМ Согласующие Г-,Т-, П-цепочки трансформируют произвольные нагрузочные сопротивления на одной частоте. Практически полоса пропускания в генераторах с такими цепочками. может составлять 10...20%. При более широкой полосе, когда коэффициент перекрытия по частоте Кf =fв/fн

Карякин В.Л.

33

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

>1….1,2, ЦС выполняют в виде НЧ фильтров — ФНЧ-трансформаторов, которые представляют (рис. 3.4) последовательное соединение нескольких Гцепочек.

Этот

трансформацию

трансформатор резистивных

также

обеспечивает

сопротивлений

Rн

в

Rвх

произвольную с

некоторым

допустимым отклонением ∆Z вх относительно Rвх в рабочей полосе частот от ω н до ω в) и одновременно фильтрацию на частотах ω > ω в. Чем больше (или

меньше) коэффициент трансформации r =Rвх /Rн отличается от единицы, чем меньше допустимое отклонение ∆Z вх и чем больше коэффициент перекрытия по частоте Кf тем требуется большее число Г-цепочек, т. е. сложнее получается ФНЧ- трансформатор и труднее его настраивать. Поэтому практически ФНЧ-трансформаторы применяют при r < 10 или r > 0,1 и Кf< 2...3. При этом число LC-элементов ФНЧ-трансформатора не должно превышать 6 — 8. Примером использования ФНЧ-трансформатора может служить схема на рис. 3.3а. С ростом частоты уменьшаются требуемые индуктивности согласующих цепочек, что затрудняет их практическую реализацию, особенно при L < 10...20

нГн.

Можно

увеличивать

индуктивности

до

конструктивно

выполняемой величины L ∑ . При этом дополнительную индуктивность Lдоп= L ∑ -Lрасч надо скомпенсировать последовательно включенным конденсатором с емкостью Сдоп = 1/ ω 2Lдоп, настроенным в резонанс с ней. Очевидно, что чем больше Lдоп ,тем меньше Сдоп, ярче выражены резонансные свойства и лучше фильтрация высших гармоник, но уже полоса пропускания и больше потери.

Рисунок 3.4. Схемы ФНЧ-трансформаторов

Карякин В.Л.

34

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Благодаря низким питающим напряжениям и большим рабочим токам транзисторов и, как следствие этого, небольшим входным и нагрузочным сопротивлениям (десятки, единицы и даже доли ом) колебательные системы на сосредоточенных LC-элементах выполняют на частотах до 1...2 ГГц, а в микроминиатюрном исполнении—до 10...18 ГГц.

3.3. Конструкция микрополосковых цепей согласования транзисторных УМ Конструктивно индуктивностями

транзисторы выводов

и

в

выполняют первую

очередь

с —

минимальными с

наименьшей

индуктивностью общего вывода. Для этого часто эмиттерный вывод в схеме с ОЭ (или базовый в схеме с ОБ) соединяют непосредственно с корпусом прибора, а остальные выводы делают в виде широких полосок. При этом межэлектродные емкости и индуктивности выводов транзистора относительно просто компонуются с остальными LC-элементами колебательной системы, выполненными в виде «полосок». На относительно низких частотах (до 3...30 МГц), например в схеме на рис. 3.3а, при расчете емкости С1, достаточно учитывать выходную емкость первого транзистора: С1действ = С1расч - Свых при расчете индуктивности L2— индуктивность базового вывода второго транзистора: L2действ =L2расч- Lвыв. На частотах выше 30...100 МГц при расчетах выходной ЦС необходимо также учитывать индуктивность коллекторного вывода, а при расчете входной ЦС — емкость между базовым выводом и корпусом, т. е. требуется учитывать Гцепочки, образованные «внутри» транзистора. Более того, выпускаются специальные транзисторы, предназначенные для работы на УКВ и СВЧ, внутри корпуса которых (см. рис. 3.3г) во входной цепи добавлено специально несколько LC-элементов, образующих ЦС в виде ФНЧ-трансформатора и повышающих входное сопротивление транзистора до 0,5... 1,0 Ом в диапазоне

Карякин В.Л.

35

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

рабочих частот 100...200 МГц и выше. У ряда СВЧ транзисторов аналогичные ЦС устанавливаются в коллекторной цепи. Как отмечалось, колебательные цепи ламповых генераторов выполняются на сосредоточенных LC-элементах на частотах до 30... 100 МГц, а на более высоких — с применением объемных резонаторов на базе коаксиальных линий.

Хотя

в

транзисторных

генераторах

колебательные

цепи

на

сосредоточенных LC-элементах реализуются на частотах до 1...2ГГц, а в отдельных случаях до 10...18ГГц, начиная с частот 100...300 МГц их часто также выполняют частично или полностью на распределенных LC-элементах, главным образом на отрезках несимметричных полосковых линий. Это объясняется тем, что при реализации LC-элементов на длинных линиях можно более точно выдержать значения их параметров и тем самым получить более точные характеристики проектируемых ЦС. Однако из-за потерь в диэлектрике полосковых линий получаемые LC-элементы оказываются с меньшей добротностью. При

построении

колебательных

цепей

транзисторных

генераторов

индуктивности выполняют в виде отрезков Длинных линий на частотах выше 300 МГц, а емкости - на частотах выше 1000 МГц. В качестве отрезков длинных линий используют несимметричные полосковые линии Для этого на металлическом

основании,

которое

одновременно

может

являться

радиатором, крепится диэлектрическая пластина (фторопласт, ситал, поликор, кварцевая пластина и др.) толщиной 0,5...2мм, фольгированная с двух сторон. Путем травления на верхней стороне оставляют отрезки линий: узкие с наибольшим

волновым

сопротивлением

Zс=150

Ом

для

реализации

индуктивностей и широкие с наименьшим волновым сопротивлением Zс=10...20 Ом для реализации емкостей. Небольшая регулировка (в процессе настройки генераторов) индуктивностей в сторону больших значении и емкостей в сторону меньших значений осуществляется уменьшением ширины

Карякин В.Л.

36

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

линий. Блокировочные и разделительные конденсаторы обычно выполняют сосредоточенными, но специальной конструкции. Выводы конденсаторов представляют собой металлизированные полоски на их корпусе. Это позволяет уменьшать до минимума индуктивности выводов конденсаторов и легко соединять с остальными элементами схемы. Блокировочные дроссели выполняют сосредоточенными или в виде отрезков длинных линий длиной lэ = λ /4. Входное сопротивление четвертьволновой короткозамкнутои линии (Zн =0) равно бесконечности, а потому такой дроссель не шунтирует ВЧ цепи генератора на данной частоте. На рис 3.5а представлена электрическая схема УКВ — СВЧ транзисторного генератора, в которой емкости и индуктивности входной и выходной ЦС, а также блокировочные дроссели выполняются на отрезках длинных линий. Пример конструкции УКВ — СВЧ транзисторного генератора показан на рис. 3.56. На металлическом основании (радиаторе) укреплены транзистор и две диэлектрические металлизированные с двух сторон пластинки. На каждой из них путем соответствующего травления оставлены полоски — отрезки линий, на которых реализуются емкости, индуктивности, блокировочные дроссели, а также 50-омные подводящие линии. Кроме того, на пластинках оставлены контактные площадки для подключения разделительных и блокировочных конденсаторов, выводов транзисторов, источника постоянного тока и для соединения с корпусом «нижних» выводов Lбл1 и Сбл1.

Карякин В.Л.

37

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 3.5. Электрическая схема и эскиз конструкции (топологии) УКВ-СВЧ транзисторного усилителя мощности

Карякин В.Л.

38

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

4. Методы проектирования цепей согласования При

проектировании входных, межкаскадных и выходных цепей

согласования на первое место выступает требование к трансформации нагрузочных

сопротивлений

при

достаточно

простой

конструктивной

реализации даже ценой некоторого снижения требований по КПД цепи согласования и к фильтрации побочных составляющих. Функции составляющих

трансформации решают

в

сопротивлений современных

и

фильтрации

передатчиках

в

побочных

независимых

устройствах. Поэтому можно рассматривать самостоятельно проектирование трансформирующих цепей и цепей фильтрации. При расчетах полагаем, что компенсация

входных

и

выходных

реактивных

сопротивлений

осуществляется независимо от проектируемой цепи согласования. 4.1.Аналитические методы расчета 4.1.1. Согласующая Г-цепь Рассматриваемая

цепь

согласования,

представленная

на

рис.4.1а,

трансформируют сопротивление R2 в R1 на заданной частоте f

Рисунок 4.1 - Схема согласующей Г-цепи

Карякин В.Л.

39

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Расчетные формулы имеют следующий вид:

X L = R2

XC =

R1 −1 ; R2

R1 R1 −1 R2

;

R1 > R2

4.1.2.Согласующая Т-цепь Согласующая Т-цепь (рис. 4.2) строится путем последовательного соединения двух Г-цепей. Она допускает произвольное соотношение между сопротивлениями R1 и R2 . Правая Г-цепь трансформирует R2 в некоторое сопротивление R0, а левая Г-цепь - R0 в R1 причем R0 должно быть больше, чем R1 и R2. Практически должно выполняться условие: R0 = (2….5)R1, R2.

Рисунок 4.2 - Схема согласующей Т-цепи Расчетные формулы имеют следующий вид: X L1 = R1

R0 −1 ; R1

Карякин В.Л.

40

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

R0 −1 ; R2

X L 2 = R2

XC =

R0 > R1 ;

R0

;

R0 −1 + R1

R0 −1 R2

R0 > R 2 ;

R1 >< R2 .

4.1.3. Согласующая П-цепь Согласующая

П-цепь (рис. 4.3) строится путем последовательного

соединения двух Г-цепей. Она допускает произвольное соотношение между сопротивлениями R1 и R2 . Правая Г-цепь трансформирует R2 в некоторое сопротивление R0, а левая Г-цепь - R0 в R1 причем R0 должно быть меньше, чем R1 и R2. Практически должно выполняться условие: R0 = R1, R2/(2….5).

Рисунок 4.3 - Схема согласующей П-цепи Расчетные формулы имеют следующий вид:

X C1 =

R1 R1 −1 R0

Карякин В.Л.

;

41

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

X C2 =

R2 R2 −1 R0

 R X L = R0  1 − 1 +  R0

R0 < R1 ;

R0 < R 2 ;

;

R2  − 1 ; R0 

R1 >< R2 .

Расчетные соотношения даны в предположении, что добротность LCэлементов выше 30….50. 4.1.4. Многозвенные согласующие цепи Недостатком рассмотренных выше простейших цепей согласования является их узкополосность. С увеличением коэффициента трансформации сопротивлений уменьшается диапазон рабочих частот согласующих цепей, в котором обеспечивается работоспособность схемы. Расширение диапазона рабочих частот достигается увеличением числа последовательно включенных простейших звеньев. Однако при этом несколько увеличиваются потери полезной мощности в трансформаторах сопротивлений, т.е. уменьшается КПД цепей согласования. На практике в транзисторных усилителях мощности наибольшее применение нашли трех, четырехзвенные цепи согласования. Методика аналитического расчета элементов схемы заключается в оценке необходимого коэффициента трансформации для каждого из последовательно включенных звеньев, рассмотренных в предыдущих разделах. Расчет осуществляется по приведенным выше формулам.

Карякин В.Л.

42

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

4.1.5. Согласующие цепи на микрополосковых линиях На частотах выше 100….300 МГц реактивные элементы, и в первую очередь индуктивности выполняются на отрезках длинных линий, главным образом на несимметричных полосковых линиях (рис. 4.4). При реализации LC-элементов трансформирующих цепочек

на отрезках

длинных линий электрическая длина последних не должна превышать 20…300, т.е. lэ< λ /18….. λ /12. Это конструктивно выполнимо на частотах ниже 0,5….2 ГГц, когда геометрическая длина линии

получается достаточно

большой. На более высоких частотах используют трансформаторы на

отрезках линий длиной lэ= λ /4. Рисунок 4.4. Схема согласующей цепи на микрополосковой линии 4.1.6. Широкополосные согласующие цепи на линиях Для современных мощных генераторных транзисторов характерны низкие входные и нагрузочные сопротивления, составляющие единицы или даже доли Ома. Для трансформации столь низких сопротивлений в диапазоне частот 0,1…1000 МГц и выше используют трансформаторы на отрезках длинных

линий.

При

построении

трансформатора

с

коэффициентом

трансформации, отличным от 1:1, используют N линий, включаемых параллельно и последовательно по входу и по выходу в различных комбинациях. Обычно ограничиваются включением линий с одинаковыми

Карякин В.Л.

43

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

волновыми

ZC

сопротивлениями

параллельно

с

одной

стороны

и

последовательно – с другой. Предполагается, что линии достаточно разнесены в пространстве и между их проводниками не образуется дополнительных магнитных и электрических связей. В этом случае, чтобы каждая линия была нагружена на согласованное сопротивление, необходимо выполнить условие

R Н = NZ С . Откуда

R=

ZC

N

и

Z С = RВХ RН .

Из приведенных соотношений следует, что коэффициент трансформации сопротивлений может принимать дискретные значения 1:1, 1:4, 1:9, 1:16 и т.д.

Таким

образом,

в

трансформаторах

на

линиях

коэффициент

трансформации сопротивлений оказывается дискретным.

Карякин В.Л.

44

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

4.2. Исследование цепей согласования с использованием пакета программ Microwave Office 2001 Современные

технологии

исследования

радиотехнических

устройств

основаны на широком использовании компьютерного моделирования. В предыдущем разделе учебного пособия приведены аналитические соотношения, необходимые для расчета элементов принципиальных схем согласующих устройств. Однако не всегда есть возможность воспользоваться готовыми аналитическими соотношениями. Приведенные аналитические соотношения для расчета элементов схемы не позволяют оценить степень согласования в диапазоне рабочих частот, что особенно важно в многозвенных цепях согласования. При использовании в качестве цепей согласования микрополосковых устройств расчет элементов схемы и анализ ее работы

аналитическими методами является

сложной и трудоемкой задачей. Одним

из

наиболее

эффективных

методов

исследования

сложных

радиотехнических устройств, в частности, высокочастотных трансформаторов сопротивлений транзисторных усилителей мощности является моделирование на основе использования

компьютерное

пакета программ Microwave

Office

2001. 4.2.1. Методические указания по использованию пакета Microwave Office 2001 Запуск программы Microwave Office 2001 Для того чтобы начинать работу с Microwave Office 2001, щелкните кнопку Пуск на панели задач Windows. Выберите команду Программы Microwave Office. Щелкните название программы Microwave Office. На экране монитора появится заставки.

Карякин В.Л.

45

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.5

Рисунок 4.6 Для просмотра следующего совета по работе с программой нажмите кнопку Next Tip. Что бы заставка больше не появлялись при старте программы, уберите флажок у Show tips at startup. Для перехода к программе нажмите Close. Появится главное окно программы Microwave Office 2001.

Карякин В.Л.

46

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.7 Главное окно содержит линейку всех необходимых компонентов данной среды проектирования. File - файл, Project - проект, Simulate - моделирование, Options -параметры, Windows - окно, Help - справка.

Рисунок 4.8 Ниже расположены кнопки. Назначение активных кнопок можно узнать из всплывающих подсказок, подведя курсор мыши и задержав на несколько секунд.

Карякин В.Л.

47

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Главное окно содержит также четыре закладки: Закладка Proj (Project View) - окно просмотра проекта расположено в левой части Главного окна и имеет полную законченную иерархическую структуру Проекта: - Design Notes - простой текстовый редактор, позволяет создавать пояснительную записку к Проекту. Вызывается двойным щелчком мыши на Design Notes. - Project Frequency - установка диапазона рабочих частот. - Global Equations - глобальные уравнения. Может содержать любые уравнения или функции. - Data Files - файлы данных. Содержит список файлов данных добавленных к этому проекту. - Schematics - схемы и параметры к ним. - EM Structures - EM структуры и соответствующие параметры. - Conductor Materials - свойства материала проводника. - Output Equations - выходные уравнения. - Graphs - графики. Возможны 5 типов графиков: антенные чертежи, прямоугольная система координат, диаграмма Смита, полярная система координат, табличная форма. - Optimization Goals - цели оптимизации. - Yield Goals -цели выхода. - Output Files - файлы с выходными значениями величин. Закладка Elem (Element Browser) - просмотр элементов. Карякин В.Л.

48

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Закладка Var (Variable Browser) -просмотр величин элементов. Закладка Layout (Layout Browser) - топология. Перейдем к пошаговому рассмотрению методики проектирования с помощью программных средств Microwave Office 2001 на примере трехзвенной Г-цепи

4.2.2. Исследование трехзвенной Г-цепи Исходными

данными

для

анализа

согласующей

цепи

является

принципиальная схема, элементы которой рассчитываются аналитическим путем, рассмотренным в разделе 4.1. Шаг 1: Начать новый Проект Из меню File (файл) выбрать New Project (новый проект). Далее выберите Save Project As и задайте имя проекту, например, G1 и нажмите кнопку Сохранить.

Шаг 2: Создать новую схему Открыть меню Project (проект), Add Schematic (добавить схему), выбрать команду New Schematic (новую схему)

Рисунок 4.9

Карякин В.Л.

49

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

В форме Create New Schematic можно оставить Untitled 1, либо ввести название для новой схемы. Далее нажмите OK. Шаг 3: Активизация окна просмотра элементов Щелкните на закладке Elem. Шаг 4: Размещение элементов схемы - Щелкните + Lumped Element, Inductor. Схватите и перетащите на окно Untitled 1 три элемента IND. Щелкните Capacitor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 три элемента CAP. - Щелкните Resistor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 элемент RES. Шаг 5: Добавление портов и земли Добавить к схеме порт и землю можно несколькими способами. Например, на основной панели найдите кнопку Add Port и щелкните ее. Присоедините изображение порта к схеме. Найдите кнопку Add Ground и щелкните ее. Присоедините изображение земли к схеме. Шаг 6: Перемещение поясняющего текста в схеме Для лучшего восприятия схемы пояснительный текст можно перемещать по схеме. Для этого достаточно щелкнуть на тексте и перетащить его в нужное место. Шаг 11: Поворот элементов Подведите курсор к элементу схемы, нажмите правую клавишу мыши и щелкните на Rotate, чтобы повернуть элемент на угол в 90-градусов. Шаг 12: Соединение элементов схемы

Карякин В.Л.

50

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Соедините элементы схемы между собой и введите номиналы элементов, рассчитанные по приведенным в 4.1 формулам. Ваша схема будет иметь следующий вид:

Рисунок 4.10 Шаг 13: Задание диапазона частот Для задания рабочего диапазона частот, сначала перейдите обратно в Проект нажимая на закладку Proj расположенную внизу основного окна. Наведите курсор мышки на Project Freqyency (частота проекта), вверху окна и дважды щелкните. Появиться форма Frequency Range:

Карякин В.Л.

51

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.11 Введите начальную частоту Start 350 MHz, конечную частоту Stop 450 MHz и шаг 1 MHz. Щелкните на кнопке Apply (применить). В окне Current Range появится заданный диапазон. Нажмите OK. Шаг 14: Добавление графика Для построения зависимости входного сопротивления Z11 от частоты в диапазоне 350…450 МГц в проект нужно добавить график. На основной панели найдите кнопку Add Graph (добавить график) и щелкните ее. Появиться окно Create Graph (формат графика)

Рисунок 4.12

Карякин В.Л.

52

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Установите Smith Chart (диаграмма Смита) и в окно Graph name введите заголовок графика Graph 1. Нажмите OK. График имеет следующий вид.

Рисунок 4.13 Шаг 15: Выбор расчетных величин Задайте расчетные величины для первого графика, щелкните правой клавишей на строке Graph 1 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Карякин В.Л.

53

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.14 В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Untitled 1. Нажмите Apply (применить). Нажмите OK. Шаг 16: Анализ работы цепи Начните расчет, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии. Построится график подобный графику изображенному ниже.

Карякин В.Л.

54

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.15 Стрелки на годографе указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения. На частоте 400 МГц годограф проходит точку 1.0, соответствующую входному сопротивлению согласующей цепи Z11=r11=50 Ом (x11=0). На частотах выше и ниже 400 МГц входное сопротивление носит комплексный характер. График позволяет дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Шаг 17: Синтез принципиальной схемы цепи Пакет программ позволяет провести параметрический синтез принципиальной схемы. Для того чтобы выбрать оптимальные параметры элементов схемы, нажмите на кнопку Tune Tool, которая похожа на отвертку. Затем, используйте ее как указку, пометьте нужные параметры и они попадут в Тюнер, например С1, С2, С3. Для выхода из этого режима достаточно нажать клавишу Esc.

Карякин В.Л.

55

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Каждый параметр элемента схемы, выбранный для регулирования, становится синим. При нажатии на клавишу Tune создаются движки в окне Variable Tuner (тюнер переменных).

Рисунок 4.16 Перемещая движки вверх или вниз, наблюдайте за изменениями графика Z11. Компьютерное моделирование реальной схемы позволяет установить чувствительность настройки элементов согласующего устройства, выявить качественную и количественную связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. Добившись оптимальных параметров схемы согласования, щелкните кнопку Sweep. Закройте Тюнер нажав кнопку Close. Шаг 18: Пояснительная записка Создайте пояснительную записку к этому проекту. Вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите, например, «Трехзвенная Г-цепь согласования».

Карякин В.Л.

56

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.17 Шаг 19: Сохранение всего проекта Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как). Перейдем к

исследованию цепей согласования, которые находят

широкое применение в технике радиопередатчиков. При анализе работы высокочастотных трансформаторов сопротивлений и их параметрическом синтезе будем учитывать возможное реактивное сопротивление нагрузки.

Карякин В.Л.

57

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

4.2.3. Исследование Т-цепи В

схеме

использован

50-омный

порт,

моделирующий

источник

возбуждения. Сопротивление нагрузки комплексное (в данном случае активное сопротивление R1=10 Ом и реактивность в виде индуктивности L1=1.0 нГн) моделирует входное сопротивление активного элемента. Трансформация сопротивлений осуществляется Т-цепью, которая состоит из двух Г-звеньев.

Рисунок 4.18 Параметры

звеньев,

обеспечивающие

оптимальную

трансформацию

сопротивлений на частоте 400 МГц, представлены на рис.4.18. Исследование проведено на комплексной плоскости (Рис.4.19) в диапазоне частот от 350 до 450 МГц. Стрелки на годографе указывают направление,

Карякин В.Л.

58

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

Рисунок 4.18

Карякин В.Л.

59

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.19 На частоте 400 МГц годограф проходит точку 1.0, соответствующую входному сопротивлению согласующей цепи

Z11=r11=50 Ом (x11=0). На

частотах выше и ниже 400 МГц входное сопротивление носит комплексный характер. График (рис.4.19) позволяет дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Синтез параметров схемы проведен с учетом реактивной составляющей нагрузки. Исследование позволило убедиться в работоспособности схемы, кроме того, выявлена качественная и количественная связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. В частности, при уменьшении числа Г-звеньев до двух точность работы согласующего устройства в том же диапазоне частот несколько ухудшилась. 4.2.4. Исследование П-цепи В

схеме

использован

50-омный

порт,

моделирующий

источник

возбуждения. Сопротивление нагрузки комплексное (в данном случае Карякин В.Л.

60

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

активное сопротивление R1=10 Ом и реактивность в виде индуктивности L1=1.0 нГн) моделирует входное сопротивление активного элемента. Трансформация сопротивлений осуществляется П-цепью, которая состоит из двух Г-звеньев.

Рисунок 4.20 Параметры

звеньев,

обеспечивающие

оптимальную

трансформацию

сопротивлений на частоте 400 МГц, представлены на рис.4.20. Исследование проведено на комплексной плоскости (Рис.4.21) в диапазоне частот от 350 до 450 МГц. Стрелки на годографе указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

Карякин В.Л.

61

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.21

Рисунок 4.22 На частоте 400 МГц годограф проходит точку 1.0, соответствующую входному сопротивлению согласующей цепи Карякин В.Л.

Z11=r11=50 Ом (x11=0). На 62

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

частотах выше и ниже 400 МГц входное сопротивление носит комплексный характер. График (рис.4.22) позволяет дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Синтез параметров схемы проведен с учетом реактивной составляющей нагрузки. Исследование позволило убедиться в работоспособности схемы, кроме того, выявлена качественная и количественная связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. В частности, при уменьшении числа Г-звеньев до двух точность работы согласующего устройства в том же диапазоне частот несколько ухудшилась. 4.2.5. Исследование двухзвенной Г-цепи на микрополосках В

схеме

использован

50-омный

порт,

моделирующий

источник

возбуждения. Сопротивление нагрузки комплексное (в данном случае активное сопротивление R1=10 Ом и реактивность в виде индуктивности L1=1.0 нГн) моделирует входное сопротивление активного элемента. Трансформация сопротивлений осуществляется (рис.4.23) двумя Г-звеньями выполненными с использованием микрополосков(МП). Параметры

звеньев,

обеспечивающие

оптимальную

трансформацию

сопротивлений на частоте 400 МГц, представлены на рис.4.23. Исследование проведено на комплексной плоскости (Рис.4.24) в диапазоне частот от 350 до 450 МГц. Стрелки на годографе указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

Карякин В.Л.

63

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.23

Рис.4.24

Карякин В.Л.

64

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.25 На

частоте

400

МГц

годограф

(рис.4.25)

проходит

соответствующую входному сопротивлению согласующей цепи

точку

1.0,

Z11=r11=50

Ом (x11=0). На частотах выше и ниже 400 МГц входное сопротивление носит комплексный характер. График (рис.4.25) позволяет дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения. Синтез параметров схемы проведен с учетом реактивной составляющей нагрузки. Исследование позволило убедиться в работоспособности схемы, кроме того, выявлена качественная и количественная связь параметров звеньев и точность работы согласующего устройства в заданном диапазоне рабочих частот. Компьютерное

моделирование

схемы

показало

эффективность

использования микрополосковой техники с точки зрения согласования в заданном диапазоне частот. Схема при простоте конструкции обладает лучшими характеристиками по сравнению с П- и Т –цепями. Карякин В.Л.

65

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Переход от электрических характеристик микрополосков к физическим характеристикам осуществляется также с помощью пакета программ Microwave Office 2001.

4.2.6. Исследование широкополосной согласующей цепи на линиях Из приведенных в разделе 4.1 соотношений следует, что коэффициент трансформации сопротивлений согласующих цепей на линиях может принимать дискретные значения результаты

исследований

1:1,

схемы

1:4,

1:9, 1:16 и т.д.

трансформатора

Рассмотрим

сопротивлений

при

различных коэффициентах трансформации. На рис.4.26 представлена схема высокочастотного трансформатора 1:4.

Рисунок 4.26

Карякин В.Л.

66

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

В

схеме

возбуждения.

использован

50-омный

Сопротивление

порт,

нагрузки

моделирующий

активное

R=

источник

50 = 12.5 Ом 4

моделирует входное сопротивление активного элемента. Высокочастотный трансформатор выполнен на двух коаксиальных линиях, включенных по выходу параллельно и последовательно по входу. Волновое сопротивление линий Z C = 12.5 ⋅ 50 =25Ом. Параметры линий, обеспечивающие трансформацию сопротивлений в диапазоне частот от 350 до 450 МГц, представлены на рис.4.26. Исследование проведено на комплексной плоскости (рис.4.27).

Рисунок 4.27 Из рис. 4.27 следует, что коэффициент трансформации сопротивлений в диапазоне рабочих частот от 350 до 450 МГц неизменный - 1:4. Коэффициент передачи G21 также не зависит от частоты (рис.4.28).

Карякин В.Л.

67

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.28 На рис.4.29 представлена общая картина компьютерного моделирования трансформатора сопротивлений с коэффициентом 1:4.

Рисунок 4.29

Карякин В.Л.

68

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Схема высокочастотного трансформатора 1:9 представлена на рис.4.30

Рисунок 4.30 В

схеме

возбуждения.

использован

50-омный

Сопротивление

порт,

нагрузки

моделирующий

активное

R=

источник

50 = 5.555 Ом 9

моделирует входное сопротивление активного элемента. Высокочастотный трансформатор выполнен на трех коаксиальных линиях, включенных по выходу параллельно и последовательно по входу. Волновое сопротивление линий Z C = 5.555 ⋅ 50 =16.666 Ом. Параметры линий, обеспечивающие трансформацию сопротивлений в диапазоне частот от 350 до 450 МГц, представлены на рис.4.30. Исследование проведено на комплексной плоскости (рис.4.31).

Карякин В.Л.

69

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.31 Из рис. 4.31 следует, что коэффициент трансформации сопротивлений в диапазоне рабочих частот от 350 до 450 МГц неизменный - 1:9. Коэффициент передачи G21 также не зависит от частоты (рис.4.32).

Рисунок 4.32

Карякин В.Л.

70

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

На рис.4.33 представлена общая картина компьютерного моделирования трансформатора сопротивлений с коэффициентом 1:9.

Рисунок 4.33 Схема высокочастотного трансформатора 1:9 представлена на рис.4.34

Рисунок 4.34 Карякин В.Л.

71

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

В

схеме

возбуждения.

использован

50-омный

Сопротивление

нагрузки

порт,

моделирующий

активное

R=

источник

50 = 3.125 Ом 16

моделирует входное сопротивление активного элемента. Высокочастотный трансформатор выполнен на трех коаксиальных линиях, включенных по выходу параллельно и последовательно по входу. Волновое сопротивление линий Z C = 3.125 ⋅ 50 =12.5 Ом. Параметры линий, обеспечивающие трансформацию сопротивлений в диапазоне частот от 350 до 450 МГц, представлены на рис.4.34. Исследование проведено на комплексной плоскости (рис.4.35).

Рисунок 4.35 Из рис. 4.35 следует, что коэффициент трансформации сопротивлений в диапазоне рабочих частот от 350 до 450 МГц неизменный - 1:16. Коэффициент передачи G21 также не зависит от частоты (рис.4.36).

Карякин В.Л.

72

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Рисунок 4.36 На рис.4.37 представлена общая картина компьютерного моделирования трансформатора сопротивлений с коэффициентом 1:16.

Рисунок 4.37

Карякин В.Л.

73

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

5. Методические указания к лабораторной работе «Исследование высокочастотных трансформаторов сопротивлений

транзисторных усилителей мощности» Цель работы

Изучение основ компьютерного моделирования с помощью пакета программ

Microwave

Office

2001.

Получение

практических

навыков

моделирования трансформаторов сопротивлений транзисторных усилителей мощности на основе Microwave Office 2001 . При

конструировании

сложной

радиотехнической

аппаратуры

компьютерное моделирование существенно сокращает время натурного эксперимента,

повышает

надежность

работы

устройства,

значительно

уменьшает риск выхода из строя транзисторов в процессе настройки усилителей мощности радиопередатчиков. Литература Электронное методическое пособие к данной лабораторной работе. Подготовка к работе Изучить методическое пособие к данной лабораторной работе. Подготовить ответы на контрольные вопросы. Контрольные вопросы 1. Для каких целей используется пакет программ Microwave Office 2001? 2. Расскажите о возможностях Microwave Office 2001.

Карякин В.Л.

74

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

3. Какие основные этапы работ требуется выполнить для моделирования высокочастотного трансформатора сопротивлений (согласующей цепи)? 4. С какой целью в усилитель мощности (генератор с внешним возбуждением) ставится согласующая цепь? 5. В чем заключается анализ согласующей цепи? 6. На какие параметры следует обращать внимание при анализе согласующей цепи? 7. Поясните принцип параметрического синтеза согласующей цепи. 8. Какими могут быть входные и выходные сопротивления Методические указания к выполнению работы 1.По заданию преподавателя необходимо выбрать схему согласующего устройства, диапазон рабочих частот. 2. Рассчитать или задаться параметрами схемы, сопротивлением нагрузки согласующей цепи. Нагрузкой цепи является входное (выходное) сопротивление активного элемента генератора с внешним возбуждением. В общем случае нагрузка цепи согласования носит комплексный характер. Исходные данные по нагрузке для компьютерного

моделирования

задаются

из

справочной

литературы

по

транзисторам или из результатов натурных экспериментов, проводимых с помощью измерителя комплексных сопротивлений. 3. В соответствии с методическими указаниями, изложенными в 4.2.1. по использованию пакета Microwave Office 2001 осуществить запуск программы. Провести анализ схемы. В результате анализа получить зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления исследуемой

цепи в

диапазоне рабочих частот.

Карякин В.Л.

75

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

5. Провести параметрическую оптимизацию (синтез) цепи, установив на средней частоте активное входное сопротивление 50 Ом. 6.

Оценить точность согласования в диапазоне рабочих частот, которая

зависит от вида используемой схемы, алгоритма настройки элементов цепи. 7.

Сделать выводы по лабораторной работе, сформулировать рекомендации

по выбору схемы согласования для решения конкретной технической задачи. 8. Подготовить отчет по проделанной работе в электронном варианте.

Карякин В.Л.

76

Компьютерные технологии анализа и синтеза высокочастотных трансформаторов сопротивлений в усилителях мощности радиопередатчиков

Литература 1. Проектирование радиопередатчиков: Учеб. Пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна.4-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 2000,- 656 с. 2. Карякин В.Л., Карякин В.В. , Карякин Д.В. Современные технологии проектирования телевизионных передатчиков с использованием программного обеспечения «Microwave Office» .//Тезисы докладов VIII Российской научной конференции./Самара, ПГАТИ, 2001, с.105-106. 3. Http://www.semiconductors.philips.com 4. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для вузов/ Л.А. Белов, В.М. Богачев, М.В. Благовещенский и др.; Под ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1994.-416 с. 5. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1996.-560 с. 6. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. – М.: Изд. «Мир»,1990.-256 с. 7. Радиопередающие устройства/ М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, А.В. Журиков и др. ; Под ред. О.А. Челнокова.- М.: Радио и связь, 1982.-256 с. 8. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.И. Либ и др. ; Под ред. В.И. Вольмана.- М.: Радио и связь, 1982.-328 с. 9. Проектирование и техническая эксплуатация радиопередающих устройств/ М.А. Сиверс, Г.А. Зейтленок, Ю.Б. Несвижский и др.:Учеб. Пособие для вузов.М.: Радио и связь, 1989.-368 с. Карякин В.Л.

77