Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

С.Д. Дмитриев, В.Т. Комаров, В.А. Романюк

Лабораторный практикум по курсу «Приемопередающие устройства»

Утверждено редакционно-издательским советом института

в качестве методических указаний

Москва 2006

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Лабораторная работа № 1. Передающий модуль АФАР

Цель работы: изучить электрическую схему, топологию и конструкцию передающего модуля активной фазированной антенной решетки (АФАР) и измерить параметры и

характеристики входящих в его состав усилителей мощности СВЧ на биполярных транзисторах.

Продолжительность работы - 4 часа.

Теоретические сведения

Состав и характеристики передающего модуля

Передающий модуль (ПМ) АФАР (рис.1) представляет собой четырехканальный блок с общим входом (ХС1). Он предназначен для

ХС2

Рис.1. Структурная схема передающего модуля АФАР

усиления сигнала до требуемого уровня излучения, деления выходного сигнала на четыре канала (выходы ХС4 - ХС7) и управления фазой излучаемых сигналов, что обеспечивает формирование диаграммы направленности (ДН) АФАР. Попарно каждые два выхода ХС4 и ХС5; ХС6 и ХС7 являются зависимыми по фазе выходного сигнала и управляются общим фазовращателем. В состав ПМ входят: оконечный усилитель мощности (ОУ) - 4; предварительный усилитель мощности (ПУ) - 1; двухканальный делитель мощности (:2) - 3; юстировочный фазовращатель (ЮФ) - 4; ферритовый вентиль (ФВ) - 2; управляемый фазовращатель (УФ) - 2; стабилизатор фазовращателя (С) - 2.

ПМ обеспечивает выполнение следующих технических требований: выходная мощность не менее 0,1 Вт (на выходе каждого канала); КПД не менее 17,5%; разброс электрической длины каждого канала не более ±23°;

разброс выходной мощности по каналам 0 + 2 дБ; подавление паразитных составляющих в спектре выходного сигнала не менее 60 дБ и в

полосе приемной АФАР не менее 90 дБ; коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) входа ПМ не более 1,5; температура окружающей среды +40 ÷ –55 °С;

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

полоса пропускания не менее 100 МГц; управление фазовым сдвигом (0 - 315°) с дискретом 45°; 22,5°; диапазон рабочих частот 4480 ÷ 4550 МГц.

Предварительный и четыре оконечных усилителя мощности модуля одинаковы (рис.2), в них применены транзисторы 2Т640А, включенные по схеме с общей базой.

Двухканальные делители мощности выполнены в виде кольцевых делителей (гибридных тройников). Юстировочные фазовращатели - отражательного типа с квадратурным делителем мощности. Для подбора требуемой электрической длины каналов достаточно установки двух короткозамкнутых перемычек, благоприятно влияющих на КСВН входа усилителей мощности ПМ.

Рис.2. Функциональная схема предварительного и оконечных

усилителей мощности

Входная и выходная согласующие цепи (СЦ) каждого усилителя настроены таким образом, чтобы обеспечить оптимальные режимы работы транзисторов на рабочей частоте. К эмиттеру транзистора каждого усилительного каскада через резистор

автосмещения R1 подключается источник регулируемого смещения Eсм .

Усилитель мощности

Структурная схема усилителя мощности (УМ) на биполярном транзисторе приведена на рис.3. На частотах более 1 ГГц транзистор, как правило, включают по схеме с общей базой, чтобы получить больший коэффициент усиления мощности, чем в схеме с общим эмиттером.

Lбл1

Есм

Сбл1

Рис.3. Структурная схема транзисторного усилителя мощности СВЧ: Cбл1, Сбл2, Lбл1, Lбл2 - блокировочные емкости и индуктивности

Наиболее важными параметрами УМ являются:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

∙рабочая полоса частот fmin ÷ fmax;

∙выходная мощность Pвых;

η= Рвых

∙коэффициент усиления мощности KP = Рвых Pвх (где Рвх - входная мощность). Для оценки качества УМ используют характеристики:

∙амплитудную Рвых (Рвх);

∙амплитудно-частотную KР(f) (где f - частота колебаний).

По амплитудной характеристике могут быть определены максимальные Рвых и KР, а по амплитудно-частотной - полоса частот, в пределах которой KР падает не ниже заданной величины.

настоящей работе изучается узкополосный УМ.

Режимы работы транзистора

В УМ СВЧ транзистор работает с отсечкой выходного тока и гармоническим выходным напряжением (классы АВ, В или С). Тот или иной режим работы транзистора устанавливается в зависимости от конкретных значений трех электрических величин: входной мощности Рвх, напряжения смещения на эмиттере Есм, эквивалентного сопротивления коллекторной нагрузки транзистора Rк. Предполагается при этом, что

напряжение коллекторного питания Епит выбрано исходя из условия наиболее полного

использования транзистора по коллекторному напряжению, т.е. Епит < 0,5Uк доп, где Uк доп - максимально допустимое мгновенное напряжение на коллекторе транзистора.

Э К

СэΣ Ск

rб

Lб

Б

Рис.4. Эквивалентная схема биполярного транзистора

При определенных сочетаниях перечисленных величин режим работы транзистора может быть оптимальным. Критерии оптимальности различаются в зависимости от места рассматриваемого каскада в структурной схеме ПМ. Если усилитель является выходным каскадом, то оптимальным следует считать режим, позволяющий получить наибольшие выходную мощность Рвых и КПД при достаточно высоком коэффициенте усиления KР. В

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

случае, когда усилитель - промежуточный каскад, наиболее важным его параметром является коэффициент усиления KР, поскольку с увеличением KР сокращается общее число каскадов, а следовательно, повышается устойчивость работы, надежность, уменьшаются габариты.

Для анализа возможных режимов работы транзистора и нахождения оптимального режима используется теория, основанная на следующих предпосылках:

1)транзистор представлен моделью в виде эквивалентной схемы на сосредоточенных параметрах (рис.4);

2)входным воздействием на транзистор является гармонический управляющий заряд,

аименно, заряд на суммарной емкости эмиттерного р - n-перехода Сэ∑ (диффузионной и барьерной);

3)применена кусочно-линейная аппроксимация нелинейных зависимостей,

связывающих управляющий заряд с напряжением на эмиттерном переходе и выходным током.

При таких предпосылках временные зависимости управляющего заряда qу(ωt), тока емкости iсэ(ωt), напряжения на эмиттерном р - n-переходе uэп(ωt), тока генератора эквивалентной схемы iк(ωt) и напряжения на генераторе тока uк(ωt) изображены на рис.5. Знание этих зависимостей позволяет рассчитать энергетические параметры УМ: выходную мощность, коэффициент усиления мощности, КПД.

Выходная мощность

Рвых = Р1Kвых,

где Kвых - коэффициент передачи выходной цепи; Р1 - мощность, отдаваемая генератором тока iк(qу) во внешнюю цепь

Должно выполняться условие Ррас < Рдоп, где Рдоп - максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Электронный КПД транзистора

КПД усилителя мощности

η = η1 Kвых.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

ωt

Рис.5. Зависимости от времени управляющего заряда, напряжений

и токов в биполярном транзисторе

Максимальная выходная мощность

Рассмотрим условия, при которых обеспечивается наибольшая выходная мощность УМ. Из (1) следует, что при заданных Iк1 и Uк1 генератор тока iк (qу) отдает во внешнюю цепь максимальную мощность, если φк = π. Для обеспечения этого условия нужно, чтобы нагрузка генератора тока была чисто резистивна, т.е. выходная согласующая цепь (с учетом реакции входной цепи) должна быть настроена в резонанс с частотой возбуждения. Если Rк - резонансное сопротивление выходной цепи в точках подключения генератора тока, то

Амплитуда первой гармоники тока

Iк1 = α1(Θ)iк max,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

где α1(Θ) - нормированный коэффициент ряда Фурье импульсов тока, изображенных на рис.3; Θ - угол отсечки тока; iк max - максимальное мгновенное значение тока.

Наибольшие значения α1 = 0,5 соответствуют углам отсечки, равным 90 - 180°. Установив iк max = 0,8 iк доп (где iк доп - максимально допустимый мгновенный коллекторный ток), получим

Аналогично рассчитывается постоянная составляющая тока

Iк0 = α0(Θ) iк max.

Режим работы транзистора, помимо угла отсечки Θ, определяется напряженностью

ξ = Uк1/Eпит,

причем важно сравнение ξ с напряженностью граничного режима

ξгр = 1 – iк max/(Sгр Eпит),

где Sгр - крутизна линии граничных режимов на выходных ВАХ транзистора.

Режим называют недонапряженным, если ξ < ξгр, граничным - при ξ = ξгр и перенапряженным - в случае ξ > ξгр. Максимальная выходная мощность соответствует граничному и слегка перенапряженному режимам. Поэтому целесообразно установить

Максимальный электронный КПД

Из (2), (4) и (6) следует, что электронный КПД

= 90° Iк1Iк0 = π/2; Θ = 180° Iк1Iк0 = 1.

Как видно из (11), для увеличения η1 следует уменьшать угол отсечки и увеличивать напряженность режима.

Максимальный коэффициент усиления мощности

Коэффициент усиления мощности KP = Pвых Pвх достигает наибольшего значения в недонапряженном режиме при Θ = 180°. Изменяя входную мощность Рвх, напряжение смещения на эмиттере Есм, эквивалентное сопротивление нагрузки на генераторе тока Rк,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com