LS-Sb90199

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

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

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).

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.

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).

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.

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.

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.

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