Пример использования транзисторов свч

(усилители мощности на ПТ СВЧ)

Усилители мощности на полевых транзисторах СВЧ – один из наиболее распространенных элементов радиопередающих устройств. Современные полевые транзисторы на арсениде галлия успешно используются вплоть до частоты 30 ГГц.

На рис. 7 изображена функциональная схема транзисторного усилителя. В его состав входят активный элемент (полевой транзистор), входная и выходная согласующие цепи (СЦ), цепи питания и смещения. Кроме того, реальный усилитель мощности может содержать антипаразитные цепочки, элементы стабили­зации режима работы транзистора по постоянному току.

Рис. 7. Функциональная схема транзисторного усилителя мощности

Актив­ный элемент (АЭ) преобразует мощность источника питания U₀ в мощность колебаний, усиливая входную мощность. Входная СЦ трансформирует входное сопротивление транзистора в сопротивление, равное внутреннему сопротивлению источника входной мощности. Выходная СЦ трансформирует сопротивле­ние нагрузки усилителя в некоторое оптимальное сопротивление на выходных электродах транзистора, при котором транзистор работает в наиболее выгодном энергетическом режиме. Цепи питания и смещения служат для подачи постоянных напряжений на электроды транзистора и блокировки источников питания U₀ и смещения U_см от мощности СВЧ. Кроме того, СЦ формируют колебания напряжения и тока определенной формы, соответ­ствующие оптимальному режиму работы АЭ. Согласующие цепи обычно выполняют в виде шлейфовых трансформаторов на МПЛ. Цепи питания и смещения − это, как правило, ФНЧ и полосно-заграждающие фильтры.

Для оценки качества усилителей мощности диапазона СВЧ применяют следующие параметры: коэффициент передачи мощ­ности К_P = Р_вых/Р_вх; коэффициент полезного действия η = Р_вых/(Р_вх + Р₀) или η = (Р_вых − Р_вх)/Р₀, где Р_вх, Р_вых − входная и выходная мощности усилителя; P₀ − мощность, потребляемая от источника питания. Кроме того, усилители характеризуются полосой рабочих частот, задаваемой верхней f_в и нижней f_н граничными частотами.

В зависимости от ширины полосы пропускания Δf = f_в − f_н различают узкоплосные и широкополосные усилители мощности. В узкополосных усилителях относительная ширина полосы Δf/f_ср, где f_ср = (f_в + f_н)/2, составляет единицы процентов, в ши­рокополосных она достигает ~60%.

Наибольшее распространение получил метод покаскадного проектирования усилителей мощности. В этом случае произво­дят расчет каждого усилительного каскада в предположении, что источник входной мощности имеет стандартное внутреннее сопротивление 50 Ом, а сопротивление нагрузки усилителя ак­тивно и также равно стандартному значению 50 Ом.

Чтобы спроектировать каскад усилителя мощности, нужно, выбрав транзистор, рассчитать оптимальный режим его работы и внешние цепи. Расчетный режим может быть реализован, если к транзистору подвести определенную входную мощность Р_вх, обеспечить расчетные значения напряжений источников питания и смещения и так выполнить выходную СЦ, чтобы действитель­ная и мнимая части ее входного сопротивления Z_н имели на рабочей частоте (или в заданной полосе) оптимальные значе­ния. Критерием оптимальности режима обычно выбирают мак­симум коэффициента передачи мощности К_Р. Иногда выбирают более сложные критерии, учитывающие такие параметры усили­теля, как Р_вых, К_Р, КПД.

В результате расчета режима работы транзистора становит­ся известными усредненное по первой гармонике рабочей часто­ты входное сопротивление транзистора , где , − комплексные амплитуды напряжения и тока на входном электроде транзистора, и оптимальное сопротивление его нагрузки .

Далее рассчитывают согласующие цепи. Предварительно выбирают структуру СЦ, а затем вычисляют геометрические размеры ее элементов. При этом предполагается, что входная СЦ нагружена на сопротивление и на центральной частоте должна иметь чисто активное и равное 50 Ом входное сопротив­ление, выходная СЦ нагружена на сопротивление 50 Ом и должна иметь входное сопротивление , обеспечи­вающее оптимальный режим работы транзистора.

Затем производится расчет цепей питания, смещения, подав­ления паразитных колебаний и др.