8. Линейные усилители свч

Современные усилители СВЧ выполняются на транзисторах (ТР). Хотя ТР является нелинейным устройством, при малых уровнях усиливаемого сигнала его можно считать линейным. Это приближение позволяет использовать для его расчета теорию цепей СВЧ. ТР в линейном режиме описывается МР в виде таблицы значений ее элементов на разных частотах. С точки зрения теории цепей ТР представляет собой четырехполюсник. На стр. 2 получено выражение для волны , выходящей из входного порта: . Мощность, поступающая в четырехполюсник, равна . Мощность, поступающая в нагрузку . Тогда коэффициент передачи (КП) по мощности . Это выражение получено в предположении произвольной нагрузки и внутреннего сопротивления источника равного (волновое сопротивление ЛП, подсоединенных к входу и выходу). Если согласовать вход, то обратится в ноль, и . КП по мощности могут иметь разный смысл. Ниже приведены 3 выражения:

Здесь , ‒ коэффициент отражения от нагрузки; ‒ коэффициент отражения от входа четырехполюсника, к выходу которого подсоединено сопротивление ; ‒ коэффициент отражения от источника; ‒ коэффициент отражения от выхода четырехполюсника, к входу которого подсоединено сопротивление ; ‒ выходное сопротивление четырехполюсника, вход которого нагружен на сопротивление ; ‒ волновое сопротивление, для которого определены элементы МР; ‒ входное сопротивление четырехполюсника, нагруженного на сопротивление ; ‒ сопротивление нагрузки на выходе четырехполюсника; ‒ собственное (внутреннее) сопротивление источника сигнала. Понятие доступной мощности означает значение мощности, которую источник может отдавать (источник отдает максимальную мощность в нагрузку, комплексно согласованную с его собственным сопротивлением, при этом в нагрузку поступает половина мощности, вторая половина рассеивается на вещественной части собственного сопротивления). Если четырехполюсник абсолютно устойчив во всем диапазоне частот (коэффициент устойчивости ), то максимальный КП можно получить комплексно-сопряженным согласованием входа и выхода. Коэффициент устойчивости определяется только МР транзистора: . Здесь .

9. Параметрические устройства свч

Параметрические устройства (ПУ) ̶ цепи, параметры которых изменяются внешним управляющим сигналом, вне зависимости от входного сигнала. К ним относятся ключи, переключатели, преобразователи частоты входного сигнала (ПЧ). ПУ линейны по входному сигналу.

9.1. Теоретические сведения

9.1.1. Идеальный ключевой преобразователь частоты

Р

Рис. 9.1

ассмотрим схему, изображенную на рис. 9.1. Источник гармонического напряжения V1 через трансформатор Т1 питает цепь из последовательно соединенных ключа J1 и сопротивления R1. При замкнутом ключе сигнал без какого-либо ослабления поступает на сопротивление. Коэффициент передачи цепи при этом равен единице. Если ключ разомкнут, то сигнал на сопротивлении отсутствует и коэффициент передачи цепи равен нулю. Пусть ключ замыкается на время с периодом . Тогда его коэффициент передачи будет иметь вид последовательности однополярных прямоугольных импульсов длительностью с периодом . Эту последовательность можно представить в виде разложения в ряд Фурье: . Пусть источник V1 генерирует гармонический сигнал вида , тогда напряжение на сопротивлении : .

В этом выражении первое слагаемое представляет составляющую входного сигнала, поступившую на нагрузку (сопротивление R1) при замыкании ключа, сигналы внутри фигурных скобок называются «комбинационными» составляющими n-порядка. Амплитуда этих составляющих зависит от отношения и значения . При преобразовании частоты обычно используются комбинационные составляющие первого порядка ( .

Для них максимальное значение получается при , при котором значение функции . Тогда их абсолютная амплитуда равна , а относительная (относительно амплитуды ) равна или ‒ 9.943 дБ. Эта величина называется потерями преобразования. Относительно большие потери объясняются тем, что часть мощности входного сигнала выделяется в нагрузке при замкнутом ключе. Величина потерь определяется постоянной составляющей разложения функции в ряд Фурье. Очевидно, что устранить это прохождение можно с помощью функции , не имеющей постоянной составляющей. Такая функция есть двуполярный меандр с максимумом, равным 1, и минимумом ‒1. Так как есть коэффициент передачи ключевой цепи, то приходим к выводу, что в течение половины периода Т коэффициент передачи должен быть положительным, в течение другой половины – отрицательным (что означает поворот фазы входного сигнала на 180°). При этом амплитуды всех нечетных комбинационных частот удваиваются (четные обращаются в ноль) и потери преобразования для комбинационных частот первого порядка будут равны или –3.9224 дБ. В таком преобразователе входной сигнал поступает в нагрузку все время, и вся его мощность преобразуется в мощность комбинационных составляющих. Другим достоинством ключевых схем является отсутствие в спектре выходного сигнала составляющих с частотой (опорной или гетеродинной частотой). Р еализовать такую схему можно с помощью трансформатора с дифференциальной вторичной обмоткой ( в качестве фазовращающей цеп

Рис. 9.2

и) и двух ключей, работающих по очереди, как показано на рис. 9.2. Такие преобразователи, в выходном спектре которых отсутствуют компоненты входного и опорного сигналов, называют двухбалансными. В качестве ключей могут использоваться как СВЧ преобразовательные диоды, так и биполярные или полевые транзисторы. Диодные ПЧ имеют потери преобразования порядка ‒5-6 дБ, транзисторные ПЧ дают небольшое усиление, однако они сложнее диодных ввиду необходимости подавать напряжение питания транзисторов.