LS-Sb90199
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
––––––––––––––––––––––––
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––
МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА
Электронные методические указания к курсовой работе
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2013
УДК 621.373.52
Микроволновая техника: Электронные методические указания к курсовой работе / Сост.: Д. А. Калиникос, А. А. Похвалин. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 38 с.
Соответствуют программе дисциплины «Микроволновая техника» и охватывают основные разделы курса: фильтры, усилители, мостовые уст-
ройства, автогенераторы. Рассматриваются методы проектирования данных устройств на основе использования современных программ моделирования СВЧ-трактов.
Предназначено для подготовки инженеров радиотехнических специ-
альностей, а также бакалавров и магистров по соответствующим направлениям.
Утверждено
редакционно-издательским советом университета в качестве электронных методических указаний
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013
Автогенераторы (АГ) широко используют в системах связи, радиолока-
ции, радионавигации, в измерительной и медицинской технике и т. д.
К основным характеристикам АГ относятся: частота генерируемых ко-
лебаний, выходная мощность, КПД, долговременная стабильность частоты, уровень фазовых шумов выходного сигнала.
Основными отличиями СВЧ-АГ от низкочастотных являются:
применение в конструкциях генераторов элементов с распределенны-
ми параметрами;
использование транзисторов на более высоких частотах по отношению к их верхней рабочей частоте;
более сложные схемы и конструкции.
Для стабилизации частоты СВЧ-АГ могут использоваться различные
типы резонаторов:
на основе отрезков линий передач (полосковых, коаксиальных, волно-
водных);
диэлектрические резонаторы;
резонаторы на эффектах поверхностных (ПАВ) либо объемных (ОАВ)
акустических волн;
резонаторы с использованием сфер из монокристаллов ЖИГ (железо-
иттриевого граната);
резонаторы на основе магнитостатических волн (МСВ).
Последние два типа резонаторов удобно использовать в перестраивае-
мых АГ с широким диапазоном изменения частоты.
1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОЕКТИРУЕМОГО АГ
При построении транзисторных СВЧ-автогенераторов используются схемы как с параллельной, так и с последовательной обратной связью
(рис. 1.1).
При этом в силу сильного влияния паразитных параметров транзистора (проходной емкости, индуктивности общего вывода и др.) в схеме неизбежно присутствуют оба вида обратной связи.
Проектируемый АГ предлагается выполнять по схеме с параллельной обратной связью, изображенной на рис. 1.2, где УМ – усилитель мощности, НО – направленный ответвитель, Ф – фильтр, ЛЗ – линия задержки.
3
|
|
|
|
ОС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вх. |
|
|
|
|
|
|
Вых. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цепь |
|
|
|
|
|
|
цепь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вх. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вых. |
|
|
|
|
ОС |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
цепь |
|
|
|
|
|
|
|
|
цепь |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
Рис. 1.1. Схемы АГ с параллельной (а) и последовательной (б) обратной связью
Отдельные узлы генератора, отвечающие за различные характеристики,
при проектировании представляются в виде самостоятельных устройств, работающих в тракте с определенным волновым сопротивлением (обычно рав-
ным 50 Ом). На практике такое представление позволяет проектировать эти
узлы отдельно друг от друга и отлаживать их с помощью стандартной изме- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рительной аппаратуры. При проекти- |
|
|
УМ |
|
|
|
|
|
НО |
|
ровании мощных АГ такой подход по- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
зволяет быстро и гарантированно по- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лучить хороший результат. Также эта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схема по сравнению со стандартными |
|
|
|
|
|
|
ЛЗ |
|
Ф |
|
|
трехточечными схемами |
позволяет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
существенно уменьшить |
отрицатель- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Рис. 1.2. Схема проектируемого АГ |
ное влияние инерционности транзи- |
||||||||||
|
стора на характеристики АГ. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Каждый узел АГ отвечает за те или иные его характеристики: |
|||||||||||
|
|
УМ определяет энергетические характеристики АГ, такие как выход- |
||||||||||
|
ная мощность и КПД; |
|
|
фильтр в значительной степени определяет стабильность частоты АГ;
коэффициент ответвления направленного ответвителя подбирается так, чтобы баланс амплитуд выполнялся на требуемом уровне выходной
мощности Pвых ;
линия задержки подбирается таким образом, чтобы баланс фаз выполнялся на требуемой частоте.
Порядок проектирования узлов АГ. Для работы АГ требуется вы-
полнение условий баланса амплитуд и фаз. Поскольку выполнение этих ус-
ловий осуществляется подбором коэффициента ответвления НО (баланс амплитуд) и фазового набега в ЛЗ (баланс фаз), их проектирование выполняется после расчета УМ и фильтра.
4
2.ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
2.1.Выбор транзистора
Усилители мощности для АГ проектируются на базе транзисторов. В курсовом проекте предлагается использовать полевые транзисторы фирмы
Excelics – полевые транзисторы с гетеропереходом типа PHEMT (Psevdomorfic High Electron Mobility Transistor).
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
Параметры транзисторов ф. Excelics |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Модель |
P1дБ, |
KP , |
fтест , |
Uс.и , |
Iс , |
Тип корпуса |
|
дБм |
дБ |
ГГц |
В |
мА |
|
EPA018A-70 |
20.0 |
11.0 |
18 |
6 |
30…80 |
70 |
EPA025A-70 |
21.5 |
8.0 |
18 |
6 |
40…105 |
70 |
EPA030C-70 |
22.0 |
8.0 |
18 |
6 |
50…130 |
70 |
EPA040A-70 |
23.5 |
7.0 |
18 |
6 |
70…160 |
70 |
EPA060B-70 |
25.5 |
9.0 |
12 |
6 |
110…250 |
70 |
EPA080A-70 |
25.5 |
7.0 |
12 |
5 |
130…320 |
70 |
EPA080A-100P |
27.5 |
8.5 |
12 |
8 |
130…320 |
100P |
EPA120B-100P |
29.5 |
11.0 |
12 |
8 |
220…500 |
100P |
EPA160A-100P |
31.0 |
11.5 |
12 |
8 |
290…660 |
100P |
EPA240B-100P |
32.5 |
10.0 |
12 |
8 |
440…940 |
100P |
EPA240D-100P |
33.0 |
20.0/14.5 |
2/4 |
8 |
440…940 |
100P |
EPA480C-CP083 |
35.5 |
17.5/12.5 |
2/4 |
8 |
880…1880 |
CP083 |
EPA480C-180F |
36.0 |
18.0/13.0 |
2/4 |
8 |
880…1880 |
180F |
EPA240D-CP083 |
32.5 |
17.5 |
2 |
8 |
440…940 |
CP083 |
Выбор транзистора осуществляется по требуемой величине частоты ге-
нерации и выходной мощности. Основные параметры, необходимые для выбора транзистора, сведены в табл. 2.1, где:
P1дБ – максимальная отдаваемая транзистором мощность в режиме ком-
прессии коэффициента усиления транзистора на 1 дБ;
KP – соответствующий этому режиму коэффициент усиления мощности;
fтест – частота, на которой заданы параметры;
Uс.и – напряжение сток–исток, при котором производились измерения;
Ic – ток стока, при котором производились измерения.
Часть отдаваемой транзистором мощности ответвляется в цепь обратной связи и еще некоторое ее количество теряется в выходной согласующей цепи. Поэтому максимальная отдаваемая мощность транзистора для проекти-
5
руемого АГ должна быть на 1…1.5 дБ больше требуемой выходной мощно-
сти генератора.
Пример. Рассмотрим пример выбора транзистора по техническим дан-
ным на курсовой проект. Допустим, что требуется спроектировать автогенератор с параметрами из табл. 2.2. Все приводимые далее примеры будут рас-
смотрены применительно к данному автогенератору.
Таблица 2.2 |
Отдаваемая транзистором мощность |
||
Параметры проектируемого АГ |
равна P 10lg 0.9Вт 0.001Вт 29.5 дБм, |
||
Частота, ГГц |
4 |
а с учетом необходимого запаса в 1 дБ |
|
Выходная мощность, Вт |
≥ 0.9 |
||
P 29.5 1 30.5дБм. |
|||
КПД, % |
≥ 35 |
Данному требованию удовлетворяет транзистор EPA160A-100P, кото-
рый способен отдать на частоте 12 ГГц мощность 31 дБм.
2.2. Составление модели транзистора
Сейчас при проектировании СВЧ-устройств широко пользуются средст-
вами компьютерного моделирования, которое дает разработчику возможность на этапе проектирования учесть существенно больше эффектов по сравнению с простым инженерным расчетом и поэтому позволяет получить на практике результат, более близкий к расчетному.
Успех проектирования определяется не только заложенными в программе методами расчета электрических цепей, но и наличием в ней моделей элементов СВЧ-устройств (транзисторов, диодов, RLC- элементов, отрезков линий передачи и их неоднородностей).
При проектировании полупроводниковых усилителей, автогенераторов, умножителей частоты и других нелинейных устройств важно располагать адекватной компьютерной моделью используемого нелинейного элемента (транзистора, диода и пр.). Обычно фирмы-производители полупроводнико-
вых приборов предлагают такие модели своих изделий.
Для каждого типа полупроводниковых элементов существует множество различных типов моделей, различающихся количеством учитываемых физических эффектов, а следовательно, областью применения и степенью адек-
ватности. По этой причине нужно иметь четкое представление об используемой модели, чтобы корректно применять ее в своих расчетах.
Современные программы располагают большим набором библиотек электронных компонентов. Но случается и так, что нужного элемента в биб-
6
лиотеке нет. Тогда модель элемента приходится формировать вручную, внося параметры, предоставляемые производителем, в имеющуюся в программе базовую модель элемента. Именно такой случай будет рассмотрен нами далее.
Формирование компьютерной модели транзистора. При проектиро-
вании усилителя в курсовом проекте предлагается использовать транзисторы фирмы Excelics (www.excelics.com).
|
|
|
|
CP3 |
|
|
|
|
|
|
|
VT |
LPD |
LP1 |
RP |
Затвор |
RP |
LP1 |
LPG |
|
|
Сток |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CP1 |
|
CP2 |
|
LPS |
CP2 |
CP1 |
LP2
Исток Рис. 2.1. Схема электрической модели транзистора
После выбора типа транзистора необходимо создать его компьютерную модель, включающую в себя нелинейную модель бескорпусного транзистора (кристалла) и эквивалентную схему, отражающую паразитные параметры корпуса. Схема модели изображена на рис. 2.1, а номиналы элементов эквивалентной схемы для различных типов корпусов даны в табл. 2.3.
|
|
|
|
Таблица 2.3 |
|
Параметры эквивалентной схемы корпусов транзистора |
|||||
|
|
|
|
|
|
Параметр |
|
Тип корпуса |
|
||
70 |
100P |
180F |
CP083 |
||
|
|||||
CP1, пФ |
0.038 |
0.05 |
0.78 |
0.52 |
|
CP2, пФ |
0.13 |
0.2 |
0.57 |
0 |
|
LP1, нГн |
0.25 |
0.5 |
0.61 |
0.56 |
|
RP, Ом |
0.7 |
0.8 |
0 |
0 |
|
CP3, пФ |
0.006 |
0 |
0 |
0 |
|
LPG, нГн |
0.3 |
0.14 |
0.34 |
0.06 |
|
LPD, нГн |
0.2 |
0.1 |
0.2 |
0.2 |
|
LPS, нГн |
0.028 |
0 |
0.017 |
0.018 |
|
LP2, нГн |
0.065 |
0.03 |
0 |
0 |
|
|
|
7 |
|
|
Пример. Рассмотрим создание модели транзистора EPA160A-100P в про-
грамме AWR MicroWave Office (MWO). С основами работы в данной про-
грамме можно ознакомиться в [3]1.
Откроем проект в программе MWO.
Создадим новую схему, которую назовем EPA160A100P.
|
|
|
ID=EPA160A |
IND |
RES |
P=2 |
||
|
|
|
PORT |
|||||
PORT |
RES |
IND |
CURTICE3 |
IND |
L=LP1 |
|
||
IND |
|
L=LPD |
R=RP Z=50 |
|||||
P=1 |
R=RP |
L=LP1 |
L=LPG |
2 |
|
|
|
|
Z=50 |
|
|
|
|||||
|
|
|
1 |
3 |
|
|
|
|
|
CAP |
|
CAP |
|
CAP |
|
CAP |
|
|
|
|
|
|
||||
|
C=CP1 |
|
C=CP2 |
|
|
C=CP2 |
|
C=CP1 |
|
|
|
IND |
|
|
CP1=0.05 |
RP=0.8 |
|
|
|
|
L=LP2 |
|
PORT |
CP2=0.2 |
LPG=0.14 |
|
|
|
|
|
|
LP1=0.5 |
LPD=0.1 |
||
|
|
|
|
|
P=3 |
LP2=0.03 |
|
|
|
|
|
|
|
Z=50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.2. Схема электрической модели транзистора EPA160-100P
Нарисуем схему модели транзистора с учетом паразитных параметров корпуса (рис. 2.2). Для этого перетащим из закладки библиотек Elements на схему элементы и соединим их, как это показано на рисунке.
Пути к моделям элементов следующие:
резистор: Elements → Lumped Element → Resistor → RES;
конденсатор: Elements → Lumped Element → Capacitor → CAP;
индуктивность: Elements → Lumped Element → Inductor → IND;
транзистор: Elements → Nonlinear → FET → CURTICE3;
порт: Elements → Ports → PORT.
Номиналы сосредоточенных элементов берутся из таблицы для корпу-
са типа 100P. Для удобства представления номиналы были заданы через переменные (см. рис. 2.2), которые можно сформировать на схеме с помощью команды Draw→Add Equation (либо с помощью соответствующей кнопки на панели инструментов). Номиналы емкости CP3 = 0, поэтому она была ис-
1 Дмитриев Е. Е. Основы моделирования в Microwave Office 2009. Электронное по-
собие. 2011. URL: http://www.eurointech.ru/products/AWR/ Dmitriev_mwo_2009_1.pdf; Доп. материалы по Microwave Office см.: http://www.eurointech.ru.
8
Рис. 2.3. Окно редактирования параметров элемента CURTICE3
ключена из схемы (см. рис. 2.2). Индуктивность LPS = 0, поэтому этот элемент был заменен коротким замыканием.
Параметры модели кристалла транзистора CURTICE3 берутся из таблицы, приведенной в прил. А. Чтобы задать параметры нелинейной модели транзистора, необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши (ЛКМ2) по символу элемента CURTICE3. В открывшемся окне (рис. 2.3) необходимо перейти к закладке Parameters и нажать кнопку Show Secondary, после чего ввести параметры из таблицы прил. А.
Особое внимание следует обратить на различие единиц измерения некоторых параметров модели транзистора, используемых в программе и ука-
занных в таблице.
Нумерация портов должна строго соответствовать указанной на рис. 2.2, чтобы не возникало путаницы при рассмотрении последующих примеров моделирования.
Чтобы использовать созданную модель транзистора в дальнейших проектах, рекомендуется выполнить экспортирование его схемы (рис. 2.2) на же-
сткий диск. Для этого в папке Circuit Schematics отыщите схему с моделью транзистора, нажмите на нее правой кнопкой мыши (ПКМ) и в контекстном меню выберите команду Export Schematic. Сохраните схему с моделью транзистора на жесткий диск. Экспортированному файлу будет присвоено расширение .sch.
9
2.3. Определение напряжения питания и смещения.
Определение оптимального сопротивления нагрузки
и входного сопротивления транзистора
Для мощного автогенератора одними из основных параметров считают уровень выходной мощности и КПД. Известно, что в этом случае наиболее подходящим является граничный либо слабо перенапряженный режим работы транзистора с углами отсечки тока стока 60…120°. При этом напряжение питания следует выбирать исходя из рекомендаций, приводимых производителем транзистора. Для выбора значения напряжения смещения на затворе Eз , от которого зависит угол отсечки, нужно выполнить моделирование ра-
боты транзистора в статическом режиме (на постоянном токе).
Пример. Рассчитаем выходные вольт-амперные характеристики для транзистора EPA160A100P. Для этого создадим новый проект. Импортируем в проект схему с моделью транзистора, созданную ранее, для чего нажмем ПКМ на пункте Circuit Schematics и выберем команду Import Schematic.
SUBCKT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Создадим еще одну схему |
|||||||||||
ID=S1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(рис. 2.4) из следующих элементов: |
|||||||||||
NET="EPA160A_100P_MWO" |
|||||||||||||||||||||
IVCURVE |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
элемент для моделирования стати- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
ID=IV1 |
|
|
|
|
|
|
|
ческих |
вольт-амперных характери- |
||||||||||||
VSWEEP_start=0 V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
VSWEEP_stop=10 V |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
стик: Cicuit Elements → MeasDevice |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
VSWEEP_step=0.2 V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
VSTEP_start=-1.6 V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
→ IV → IVCURVE; |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
VSTEP_stop=0 V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VSTEP_step=0.2 V |
Swp |
Step |
|
3 |
|
|
|
|
земля: |
Circuit Elements → Inter- |
|||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
connects → GND (либо кнопка на па- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нели меню); |
||
Рис. 2.4. Схема для моделирования |
|
||||||||||||||||||||
вольт-амперных характеристик |
модель транзистора подключается |
с помощью элемента подцепи: Circuit Elements → Subcircuits → SUBCKT.
Для более наглядного представления модели транзистора на схеме рекомендуется сменить символ для элемента SUBCKT. Нажмем ЛКМ2 по символу элемента SUBCKT и в закладке Symbol выберем символ с именем
FET@system.syf (рис. 2.5).
Далее создадим новый график с помощью нажатия ПКМ на пункте Graphs закладки Project и выбора команды New Graph. На созданный график добавим характеристику зависимости тока стока от напряжения сток– исток. Это можно сделать, нажав ПКМ на графике и выполнив команду Add Measurement. В открывшемся окне (рис. 2.6) выберем Nonlinear → Current → IVCURVE.
10