Министерство высшего и среднего специального образования

Ленинградский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнический институт имени В.И.Ульянова (Ленина)

В.А.Богданович, А.О.Елистратов, В.И.Сиротинин

ПОСОБИЕ ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ «РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА»

Ленинград 1986

УДК 621.396.4

Богданович В.А., Елистратов А.О., Сиротинин В.И. Пособие по курсовому проектировании «Радиоприемные устройства»:Учеб. пособие/ ЛЭТИ.- Л., 1986.- 80 с.

Посвящено вопросам теории и расчета согласующих цепей, усилителей сверхвысокочастотного диапазона и усилителей промежуточной частоты с фильтрами на поверхностных акустических волнах. Рассматривается построение согласующих устройств и ба­лансных СВЧ-усилителей на микрополосковых линиях. Дается ме­тодика расчета параметров СВЧ-усилителей на основе матрицы рассеяния СВЧ-транзисторов. Рассматриваются такие вопросы пос­троения фильтров на поверхностных акустических волнах на двух аподизованных встречно-штыревых преобразователях. Приведена методика инженерного расчета фильтров с использованием ЭВМ.

Может быть использовано при курсовом проектировании по курсу «Радиоприемные устройства» и при дипломном проектирова­нии.

Предназначено для студентов 4-го и 5-го курсов РТФ и ФКЭА.

Ил. 34, табл. 7, библиогр.- II назв.

Резеденты: кафедра теоретических основ радиотехники Новоси­бирского электротехнического института; канд. техн. наук Б.С.Жигарев.

Утверждено редакционно-читательским советом ЛЭТИ в качестве учебного пособия.

© Ленинградский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнический институт

им. В.И.Ульянова (Ленина), 1986

ВВЕДЕНИЕ

Повышение надежности, увеличение эффективности и техно­логичности, снижение стоимости радиоэлектронных устройств при усложнении выполняемых ими функций - основные направления развития современной радиоэлектроники. Эти задачи не могут быть решены без комплексной миниатюризации аппаратуры.

Одной из самых сложных задач является миниатюризация сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств обработки сигналов, а также электрических фильтров. Все большее распространение по­лучают в настоящее время СВЧ-гибридные интегральные микросхе­мы (ГИС) на базе микрополосковой технологии. Эта технология позволяет получать миниатюрные, надежные и с высокой повторя­емостью характеристик устройства согласования и усиления сиг­налов в СВЧ-диапазоне.

Пути решения задачи построения частотно-избирательных устройств различны для каждого частотного диапазона, однако наиболее перспективные направления ее решения связаны с широ­ким использованием тех или иных свойств твердого тела. В на­стоящее время уже сложился ряд самостоятельных направлений в функциональной электронике: полупроводниковая электроника, акустоэлектроника, оптоэлектроника, магнитоэлектроника, опто-акустическая электроника, биомолекулярная электроника и т.д. При реализации устройств обработки и выделения сигналов наи­более широко используются устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), основанные на явлении возбуждения и приема высокочастотных акустических волн на поверхности твердого тела. Широкие исследования ПАВ начались в конце 50-х годов в СССР и несколько позже в США. В настоящее время известен ши­рокий класс различных функциональных элементов и устройств на ПАВ, начиная от простых линий задержек и кончая основными элементами сложных многофункциональных систем: согласованных фильтров, Фурье-процессоров, корреляторов и т.д. Особое место среди устройств на ПАВ занимают полосно-избирательные фильтры благодаря широким возможностям по реализации заданных частотных характеристик.

В учебном пособии рассматриваются вопросы теории и проектирования устройств согласования и балансных усилителей ПВЧ диапазона, а также полосно-избирательных фильтров на ПАВ.

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

1.1. Линейные свч-усилители.

В радиоприемных устройствах СВЧ-диапазона широко применяются для усиления радиосигналов высокой частоты линейные усилители на основе биполярных транзисторов (БТ) и полевых транзисторов с затвором Шотки (ПТШ) [1,2]. На частотах до 4 ГГц, как правило, используются БТ, на частотах выше 4 ГГц -ПТШ. В настоящее время ведутся исследования по созданию СВЧ-полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих струк­туру метал - окисел - полупроводник (МОП). МОП-приборы по­тенциально более высокочастотные по сравнению с ПТШ. Однако технологические трудности сдерживают их изготовление. Пo мере преодоления этих трудностей следует ожидать появления СВЧ-схем с МОП-приборами.

Линейные СВЧ- усилители выполняются в виде гибридных ин­тегральных схем (ГИС) с пассивными элементами на микрополосковых линиях (МПЛ). Наиболее простым является усилитель, со­держащий один транзистор (обычно бескорпусный) и согласующие цепи на входе и выходе транзистора. Однако наиболее широкое применение получили линейные балансные усилители, которые по сравнению с простейшими (небалансными) усилителями обладают рядом существенных преимуществ: малым КСВН входа и выхода; большим динамическим диапазоном; более высокой линейностью характеристик; независимостью согласования по КСВН и коэффициенту шума. Балансный усилитель обычно состоит из двух одинаковых (небалансных) усилителей, входного направленного ответвителя (НО), разделяющего усиливаемый сигнал на два сигнала, и выходного НО, в котором производится суммирование сигналов, поступающих от одиночных усилителей.

На рис.1.1 приведена структурная схема такого балансного усилителя. На этом рисунке НО1 - входной направленный ответвитель, Н02 - выходной направленный ответвитель, УС1 и УС2 -одиночное небалансные усилители. Структурная схема одиночного усилителя представлена на рис.1.2. Усилитель состоит на вход­ной согласующей цепи СЦ1, транзистора Т и выходной согласующей цепи СЦ2.

Рис.1.1. Структурная схема балансного усилителя

В составе балансного усилителя СЦ1 и СЦ2 выполняют функцию согласования транзистора Т соответственно с направленными ответвителями НО1 и НО2. Сигнал подается на выводы 1 и снимается с выводов 3'. Приведенные полные сопротивления источника сигнала и нагрузки равны характеристичес­кому сопротивлению Rо направленных ответвителей.

Рис.1.2. Структурная схема одиночного усилителя

Благодаря этому обеспечивается согласование источника сигнала и на­грузки с усилителем. К выводам 4 и 2' подключены нагрузочные резисторы, равные Rо.

В балансных усилителях обычно применяются трехдецибельные НО. При использовании таких НО входной сигнал с амплитудой Uвх делится HО1 на два сигнала с амплитудами Uвх/√2, ко­торые снимаются с выводов 2 и 3. Фаза сигнала на выводах 3 отличается на угол π/2 от фазы сигнала на выводах 2. Сиг­налы, поступающие с выводов 2 и 3, раздельно усиливаются УС1 и УС2 с равными коэффициентами передачи Кu и подаются на выводы 1'и 4' НО2. Усиленные сигналы имеют одинаковые амплитуды KuUвх/√2 и тот же сдвиг по фазе, что и сигналы на выводах 2 и 3. Сигнал, поданный на выводы 1', делится НО2 на два сигнала с одинаковыми амплитудами KuUвх/2. Один из них поступает на выводы 2' с дополнительным сдвигом по фазе на угол π/2 , а второй - на выводы З' с дополнительным сдвигом по фазе на угол π.

Сигнал, поданный на выводы 4', также делится HО2 на два сигнала с одинаковыми амплитудами KuUвх/2, причем сигнал на выводах З' имеет дополнительный сдвиг по фазе на угол π/2 , а на выводах 2'- на угол π. Отметим, что HO1 и HО2 обеспечи­вают указанные амплитудно-фазовые соотношения между сигналами только в том случае, когда по каждому из четырех выводов они нагружены на сопротивления, равные характеристическому сопро­тивлению НО.

Итак, на каждый из выводов 2'и 3'поступает по паре сиг­налов с равными амплитудами, причем сигналы на выводах 2' противофазны, а на выводах З' синфазны. В результате сложения этих сигналов напряжение на выводах 2'оказывается нулевым, а на вы­водах 3' равным КuUвх. Тем самым, балансный усилитель имеет тот же коэффициент передачи Кu , что и одиночный усилитель. Одна­ко его динамический диапазон примерно на 3 дБ больше по срав­нению с динамическим диапазоном одиночного усилителя вслед­ствие того, что каждый из усилителей УС1, УС2 увиливает сигнал половинной мощности.

В балансном усилителе рассмотренного типа трехдецибельные НО выполнят не только функцию деления сигналов с необходимыми амплитудно-фазовыми соотношениями, но и обеспечивают развязку УС1 и УС2 друг от друга. Это достигается за счет развязки выводов 2 и 3 у HO1 и выводов 1'и 4' у НО2.

Коэффициент шума балансного усилителя близок к коэффици­енту шума одиночного усилителя, так как половина мощности шу­мов каждого из усилителей УС1, УС2 выделяется на выводах 2' и рассеивается в виде тепла нагрузочным резистором Ro. На вы­водах 4' половинные мощности шумов УС1 и УС2 складываются вследствие независимости шумов усилителей, и суммарная мощ­ность выходного шума оказывается равной мощности шума одиноч­ного усилителя.

В табл. 1. 1, заимствованной из [1], приведены параметры современных СВЧ-усилителей на БТ и ПТШ. В этой таблице Кр- коэффициент усиления мощности, Ш - коэффициент шума, Lз -длина затвора ПТШ.

Принципиальная и топологическая схемы балансного усилите­ля на БТ представлены на рис.1.3. На рис.1.4 даны аналогичные схемы усилителя на ПТШ. Усилители состоят из двух одиночных усилителей на транзисторах VT1 и VT2 , согласующих цепей Г-образного типа, обозначенных буквой П с соответствующими инде­ксами, и двух НО шлейфного типа в микрополосковом исполнении.

б)

Рис.1.4. Схемы балансного СВЧ-усилителя на БТ: :

а- принципиальная, б- топологическая

б)

Рис.1.4. Схемы балансного СВЧ-усилителя на ПТШ : а- принципиальная, б- топологическая

Таблица 1.1

Параметры современных СВЧ-усилителей

f, ГГц	БТ		ПТШ
	Кр, дБ	Ш, дБ	Lз =1 мкм		Lз= 0,5 мкм
			К, дБ	Ш, дБ	Ш, дБ
2	12	1,7	—	—	—
4	10	2.8	15,2	1.8	—
6	6	3,4	-	2,о	—
8	3	4.6	13	2.9	2,2
10	—	--	11	3.6	-
12	—	—	9,5	4,1	2.9
14	—	—	-	4.5	—
17	—	—	4.6	5.0	—

Резисторы R1 и R2 являются нагрузочными для НО1 и НО2 и имеют значения, равные характеристическому сопротивлению Ro направленных ответвителей. В усилителях на МПЛ характеристическое сопротивление Rо обычно совпадает с волновым сопротивлением подводящих линий и равно 50 Ом. Отрезки П9 и П10 четвертьволновой длины на pиc.1.3 служат для подачи смещения на базы транзисторов VT1 и VT2 . На pиc.1.4 через отрезки П9 и П10 подается постоянное напряжение на стоки транзисторов VT1 и VT2 . Остальные резисторы и конденсаторы обеспечивают режим по постоянному току, разделение цепей по переменному и постоянному токам и фильтрацию по переменному току.