Билет №7. Вопрос №1.

Транзисторный усилитель может обеспечить заданные электрические характеристики, если транзистор правильно нагружен, т. е. если сопротивления источника сигнала и нагрузки в плоскости транзистора имеют вполне определенные значения. Сопротивления же реальных источника сигнала и нагрузки, как правило, равны 50 Ом, поэтому усилитель должен включать в себя согласующие цепи. осуществляющие трансформацию сопротивлений. В соответствии с этим структурная схема усилителя может быть представлена в виде, изображенном на рис.

Рисунок 1

Здесь СЦ1 и СЦ2 - согласующие цепи на входе и выходе усилителя, причем СЦ1 трансформирует сопротивление реального источника сигнала в сопротивление , в плоскости транзистора, а СЦ2 трансформирует в .

Кроме того, ЦС должны обеспечивать заданные частотные характеристики усилителя. К цепям межкаскадной связи обычно не предъявляются особые требования по фильтрации. Исключение составляют выходные цепи умножителей частоты, которые во избежание нарушения нормальной работы последующих каскадов должны подавлять субгармонические составляющие выходного напряжения умножителя. Если требования к допустимому уровню кратных гармоник на выходе невысоки (порядка 25 ... 30 дБ), функции трансформации сопротивления антенны и подавления гармоник могут выполняться простейшими выходными ЦС, среди которых наибольшее распространение получили так называемые "Г","Т" и "П" образные ЦС. В противном случае используют дополнительные фильтры.

Т.о. основными электрическими требованиями, предъявляемыми к ЦС являются: обеспечение требуемой трансформации сопротивлений; малые потери мощности при ее передачи; требуемая полоса пропускания частот; необходимый уровень фильтрации высших гармоник; подавление внеполосных колебаний.

Электрические характеристики ЦС в достаточной мере определяются ее добротностью Q с учетом нагрузки. При уменьшении добротности в ЦС легче получить высокий кпд и большую полосу пропускания, но ухудшаются требования хорошей фильтрации высших гармоник. Поэтому при проектировании ЦС должна быть обеспечена такая добротность, чтобы удовлетворить некоторые компромиссные требования.

Схемы ЦС транзисторных каскадов могут быть построены из элементов с сосредоточенными па­раметрами, таких как, катушки индуктивности, конденсаторы и рези­сторы (реактивные элементы). В частотном диапазоне до 1-2 ГГц эти элементы имеют малые размеры и достаточно высокую добротность. В схемах, предназначенных для работы на частотах выше 2 ГГц, применяются элементы с распределенными параметрами в виде отрезков несиммет­ричных полосковых линий. Выполнение полосковой линии на подлож­ке из диэлектрического материала с высокой относительной диэлект­рической проницаемостью (ε>7) позволяет существенно умень­шить размеры схемы.

Полосковые элементы обычно выполняются в виде отрезков регу­лярной несимметричной линии передачи различной длины. Широко используются четвертьволновые трансформаторы активных сопротивлений. В ряде практических случаев целесообразно использовать отрезки нерегулярной линии передачи, волновое сопротивление ко­торой меняется вдоль ее длины, например, по линейному или экспо­ненциальному закону. Это позволяет обеспечить трансформацию со­противлений при меньшей их геометрической длине и получить более широкую полосу пропускания частот цепи, чем отрезки регулярной линии. Примером нерегулярной линии передачи может также служить ступенчатая цепь из двух и более четвертьволновых отрезков регуляр­ной линии с различными волновыми сопротивлениями.

Для согласования линии передачи к ней присоединяются отрезки линии, короткозамкнутые или разомкнутые на конце, позволяющие создать в определенном месте линии различное сопротивление высо­кочастотному току. Такие элементы получили название шлейфов. Наиболее часто применяются шлейфы длиной l≤λ/4 (λ − длина волны в линии). Шлейфы длиной более λ/4 применяются реже ввиду их большей геометрической длины и узкополосности. Для создания реактивных сопротивлений используются шлейфы длиной l<λ/4. Четвертьволновые шлейфы, разомкнутые на конце, служат для по­лучения малого сопротивления высокочастотному току, например для улучшения фильтрации нежелательных гармоник, а короткозамкну­тые − для создания большого сопротивления высокочастотному току, например для реализации блокировочного дросселя в цепи генерато­ра. Наиболее распространенной согласующей цепью является одношлейфовый трансформатор, представляющий отрезок линии переда­ви с подключенным к нему шлейфом.

Методика расчета полосковых элементов основана на соотноше­ниях, вытекающих из теории длинных линий. При составлении экви­валентной схемы СВЧ цепи генератора отрезок линии длиной l заме­няется сопротивлением, равным его входному сопротивлению , здесь ρ − волновое сопротивление линии; k=2π/λ − волновое число. В случае, когда отрезок линии длиной l≤λ/4 короткозамкнут (к.з.) или разомкнут (х.х.) на одном конце, его входное сопротивление и входная про­водимость определяются соотношениями , , , . Входное сопротивление отрезка регулярной линии длиной λ/4, нагружен­ной на активное сопротивление r_н, чисто активное: z_вх=r_вх=ρ²/r_н.

На рис.21 приведены две схе­мы одношлейфового трансформатора, отличающиеся типом шлейфа (короткозамкнутый или разомкнутый) и местом его подключения к линии. Получить входное сопротивление трансформатора, нагруженного на сопротивление z₂, близким или равным требуемому со­противлению z₁ в общем случае можно, меняя длину линии l, длину шлейфа l_ш и волновые сопротивления линии ρ и шлейфа ρ_ш. Варьируя параметрами l и ρ согласовуют активные части сопротивлений, изменением же l_ш и ρ_ш согласовывают (компенсируют) реактивные составляющие сопротивление. При этом, входная проводимость КЗ шлейфа является отрицательно, а разомкнутого шлейфа - положительной. Поэтому, КЗ шлейф подключают к сечению линии где реактивная составляющая проводимости положительная, а разомкнутый - отрицательная. КЗ шлейф часто более удобен, поскольку его можно использовать для подачи постоянного напряжения на электрод транзистора, к тому же потери в нем меньше, чем в разомкнутом шлейфе.

Рисунок 21

Решение такой задачи согласования не является однозначным. Поэтому при решении можно искать некоторый оптимальный вариант цепи. В тех случаях, когда оптими­зация не обязательна, требуемое входное сопротивление может быть получено подбором l и lш. Волновые сопротивления ρ и ρш выбирают по конструктивным соображениям или исходя из удобства сое­динения их с другими СВЧ цепями.

В некоторых случаях более удоб­но задать длину линии l и определить требуемое волновое сопротив­ление линии ρ и параметры шлейфа. Однако может оказаться, что полученное значение ρ конструктивно труднореализуемо.

Такое опасение чаще всего встречается при попытке согласовать сопротивления лишь используя один микрополосковый отрезок линии передачи, без шлейфа. В таком варианте у нас лишь две степени свободы (вместо четырех) - возможна изменение длины l и ширины линии (волнового сопротивления ρ).