Романюк_Приемопередающие_устройства

точник отрицательного напряжения исключают, а для замыкания цепи постоянного тока затвор - исток между затвором и истоком включают сопротивление большого номинала.

9.3. Согласующие цепи узкополосных

усилителей СВЧ

Рассмотрим простейшие узкополосные цепи согласования усилителей СВЧ. Узкопо-

лосными называются такие цепи, которые рассчитываются на одну частоту. При по-

строении усилителей возникает задача создать три типа согласующих цепей: 1) входные,

2) выходные, 3) межкаскадные.

Входные согласующие цепи СВЧ. Входная часть усилителя мощности СВЧ имеет вид, соответствующий схеме на рис.9.3, где Rист - внутреннее сопротивление источника, ρ

- волновое сопротивление линии, подводящей входные колебания к транзистору, Yвх = Gвх

+ jBвх - входной адмитанс транзистора.

Обычно внутреннее сопротивление источника и волновое сопротивление линии вы-

бираются стандартами: Rист = ρ = 50 Ом.

Построение узкополосной согласующей цепи можно свести к решению двух задач:

скомпенсировать мнимую часть Yвх;

Рис.9.3. Входная часть усилителя мощности

преобразовать действительную часть Gвх в сопротивление, равное ρ на входе согла-

сующей цепи. В этом случае питающая линия (фидер) работает в режиме бегущих волн и вся мощность источника проходит в согласующую цепь (если пренебречь потерями в ли-

нии).

Входную согласующую цепь можно построить следующим образом: для компенсации мнимой проводимости Ввх следует прямо к контактной площадке, с которой соединен вы-

вод затвора ПТШ, подвести отрезок линии, замкнутый или разомкнутый на конце, вход-

ная проводимость которого равна –Ввх. Оставшуюся часть Gвх нужно преобразовать в про-

61

водимость, равную 1 . Это можно сделать, например, с помощью четвертьволновой согла-

Возможны и другие способы построения входной согласующей цепи, например, при-

меняя одношлейфовый трансформатор сопротивлений. С этой целью нужно найти сече-

ние входной линии, в котором ее проводимость равна: Y л 1 j Bл .

В этом сечении следует параллельно входной линии включить шлейф замкнутый или разомкнутый на конце длиной l (м), входная проводимость которого равна –Вл. В этом случае в подводящей линии слева от шлейфа существует режим бегущих волн, а между шлейфом и затвором транзистора - режим смешанных волн. Рассмотренные варианты по-

строения входной согласующей цепи изображены на рис.9.4.

Рис.9.4. Входные согласующие цепи усилителей СВЧ: а - четвертьволновой преобразователь сопротивлений (Λ - длина волны в линии);

б - одношлейфовый преобразователь сопротивлений

Выходная согласующая цепь. Задача выходной согласующей цепи - преобразо-

вать стандартное сопротивление нагрузки Rн в комплексное сопротивление на выводах сток - исток, которое обеспечивает граничный режим работы транзистора и компенси-

рует мнимые сопротивления индуктивностей вывода транзистора и емкостей Сз - с, Сз - и.

С целью получения оптимального режима работы ПТШ на выводах генератора тока эквивалентной схемы транзистора должна быть комплексная проводимость:

Yг = 1/Rгр + jBг,

62

где Rгр - сопротивление, соответствующее граничному режиму работы; Bг - мнимая прово-

димость, компенсирующая влияние емкостей Сз - с, Сз - и и индуктивностей вывода (см.

рис.8.5).

Проектирование выходной согласующей цепи сводится к преобразованию сопротив-

ления нагрузки усилителем Rн в Yг. С этой целью можно поступить следующим образом:

1) соединить со стоком транзистора линию (разомкнутую или замкнутую), называе-

мую шлейфом, входная проводимость которой равна –Bг;

2) соединить со стоком вход четвертьволнового преобразователя сопротивлений, вы-

ход которого соединен с нагрузкой Rн, с таким волновым сопротивлением пр , чтобы 1/Rн

пересчитывалось в 1/Rгр.

В результате топологическая схема выходной согласующей цепи принимает вид, по-

казанный на рис.9.5.

Рис.9.5. Выходная согласующая цепь усилителя мощности на ПТШ

Межкаскадные согласующие цепи. Задача межкаскадной согласующей цепи состо-

ит в том, чтобы преобразовать входной адмитанс последующего каскада Yвх = Gвх + jBвх в

адмитанс предыдущего каскада Yэкв = Gэкв + jBэкв, обеспечивающий оптимальный режим работы транзистора этого каскада. Для выполнения этого целесообразно к стоку первого транзистора и к затвору второго транзистора подключить шлейфы, которые компенсиру-

ют мнимые части Bэкв и Bвх адмитансов. Далее следует между стоком первого транзистора и затвором второго транзистора включить четвертьволновый трансформатор, преобразующий Gвх в Gэкв (рис.9.6).

Рис.9.6. Межкаскадная согласующая цепь

63

9.4.Способы увеличения коэффициента усиления

иКПД усилителей мощности СВЧ

Коэффициент усиления мощности KP можно увеличить путем каскадировании одно-

каскадных усилителей. При большом числе каскадов возникает опасность самовозбужде-

ния. Для ее уменьшения возможно включать между каскадами ферритовые вентили либо осуществлять усиление на разных частотах (рис.9.7,а).

Рис.9.7. Способы увеличения KP

На рис.9.7,б изображен фрагмент функциональной схемы радиоприемника, в котором достигается весьма высокий KP.

Увеличение выходной мощности усилителя основано на последовательном примене-

нии делителей-сумматоров мощности, причем суммирование на выходе усилителя может быть осуществлено в пространстве путем применения фазированных антенных решеток.

Коэффициент полезного действия η усилителя можно увеличить путем формирования специальных зависимостей от времени токов и напряжения электродов транзистора. КПД можно записать в следующем виде:

1 Ррас ,

Р0

где Pрас - мощность, рассеиваемая в стоке транзистора; P0 - мощность, потребляемая от ис-

точника питания.

Легко видеть, что η стремится к 1, если Pрас уменьшается до 0. Как известно,

T

Pрас = T1 0 ic (t)uc (t)dt ,

где Т - период входных колебаний; ic (t),uc (t) - ток стока и напряжение сток - исток.

64

Таким образом, для увеличения η следует синтезировать такие формы ic (t) и uc (t) , при которых мгновенная рассеиваемая мощность Pрас (t) = стремится к 0. Достигнуть этого можно, если в каждый момент времени выполняется условие iс = 0 либо uс = 0, т.е. и

ток и напряжение имеют вид чередующихся импульсов c крутыми фронтами.

Импульсы тока стока легко получаются при работе транзистора в режиме с отсечкой.

Создание импульсов напряжения uс возможно, например, путем применения формирую-

щих отрезков линий.

65

10.Шумы в приемопередающих устройствах

Вприемниках напряжение полезного сигнала, наводимого в антенне, весьма мало, оно соизмеримо c помехами. На относительно низких частотах помехи внешние - это хаотиче-

ские напряжения, наводимые от промышленных установок. На СВЧ в основном помехами являются собственные шумы радиоприемника.

Типичные элементы, из которых состоит приемник - резисторы, конденсаторы, ка-

тушки индуктивности, диоды, транзисторы и др. Для анализа элементы радиоприемника целесообразно представить в виде соединения идеальных сопротивления, емкостей, кон-

денсаторов. Идеальные элементы полностью характеризуются своими параметрами R, C,

L и не имеют в составе эквивалентной схемы других параметров. Можно показать, что идеальные емкости и индуктивности не шумят, т.е. не являются источниками случайно меняющегося во времени напряжения или тока.

10.1. Шум сопротивления

Если резистор сопротивлением R включен в электрическую цепь с полосой пропуска-

ния f и эта цепь не соединена с источником питания, то на выводах резистора существует переменное напряжение, имеющее вид случайных колебаний. Среднее значение этих ко-

лебаний равно 0, а средний квадрат напряжения определяется формулой Найквиста:

uш2 4kTR f ,

где k = 1,38 10–23 - постоянная Больцмана, Дж/k; T - температура резистора, находящегося в тепловом равновесии с окружающей средой.

Случайное напряжение обусловлено хаотическим движением носителей электронов в резисторе, в результате чего в каждый момент времени существует разность зарядов на концах резистора, следовательно, и напряжение. Хаотическое движение электронов имеет место при абсолютной температуре Т > 0, поэтому шум называется тепловым. При анали-

зе шумов электрических цепей шумящий резистор представляется в виде эквивалентной схемы, состоящей из источника случайного напряжения шума uш2 и нешумящего резисто-

ра (рис.10.1,а).

Воспользовавшись формулой

iш2 = uш2 G ,

где iш2 - средний квадрат шумового тока; G = 1/R - проводимость резистора, можно запи-

сать iш2 = 4kTG f .

66

Эквивалентную схему шумящего резистора можно также представить в виде парал-

лельного соединения генератора шумового тока и нешумящей проводимости G

(рис.10.1,б).

Рис.10.1. Эквивалентные схемы шумящего резистора:

а- последовательная; б - параллельная

Вслучае последовательного соединения резисторов их шумовые свойства можно оце-

нить с помощью эквивалентной схемы, подобной изображенной на рис.10.1,а, где средний

квадрат шумового напряжения uш2 uш21 uш22 ... uш2n , а сопротивление R R1 R2 ... Rn .

Если резисторы соединены параллельно, то эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис.10.1,б, где iш2 iш21 iш22 ... iш2n ; G G1 G2 ... Gn .

10.2.Шум колебательного контура

Вколебательном контуре существуют потери, поэтому в его эквивалентную схему включают резисторы (см. рис.4.1). Импеданс параллельного контура

ставив сюда выражение (10.1), получим формулу для расчета шума колебательного кон-

тура:

uш2 4kTRpП f ,

где шумовая полоса колебательного контура

67

Обычно при анализе колебательного контура интересуются частотами вблизи резо-

нансной частоты, находящимися в полосе его пропускания. Как известно, границы полосы пропускания соответствуют частотам, на которых а = 1. Получим связь шумовой полосы контура с его полосой пропускания. С этой целью в (10.2) заменим переменную f на a. Ис-

пользуя выражения для а, получим

10.3. Шумовая температура приемной антенны

Шумовые свойства антенны можно проанализировать, представляя ее последователь-

ным включением двух сопротивлений - излучения Rизл и тепловых потерь Rпот. Сопротив-

ление излучения Rизл - это некоторый коэффициент пропорциональности между прини-

маемой мощностью и наведенным в приемной антенне напряжением амплитудой Uпр:

где температура Tизл отличается от температуры окружающей среды Т и зависит от диа-

граммы направленности антенны и ее ориентации в пространстве. Например, если диа-

грамма направленности узкая, то Tизл становится меньше T, при ориентации луча антенны на Солнце Tизл становится больше Т.

Шум сопротивления потерь Rпот также определяется формулой Найквиста, куда сле-

дует поставить температуру окружающей среды. Суммарный шум антенны:

4kTизлRизлП 4kTпотRпотП .

68

Средний квадрат суммарного шумового напряжения можно представить в виде:

4kП(TизлRизл TпотRпот ) .

Суммарное сопротивление антенны Rа Rизл Rпот .

Шум антенны может быть записан в виде

uш2.а 4kTа Rа П ,

где Tа TизлRизл TпотRпот - шумовая температура антенны.

Rизл Rпот

10.4. Коэффициент шума усилителя

Допустим, на входе усилителя имеется источник входного напряжения с внутренним сопротивлением Rист (рис.10.2).

Рис.10.2. Подключение источника колебаний к усилителю

Для максимальной передачи мощности от источника к усилителю требуется, чтобы его входной импеданс Zвх был равен внутреннему сопротивлению источника Rист. Для преобразования Zвх в Rист на входе усилителя ставят согласующую цепь. Если под источ-

ником колебаний понимать источник шума, то мощность шума, поступающего от сопро-

тивления Rист в усилитель, равна

u 2

Pш.вх ш.вх , Rист

где uш2.вх - средний квадрат шумового напряжения на входном сопротивлении согласую-

Если усилитель идеальный, нешумящий, то мощность шума на его выходе равна

Pш.вх K P , где KP - коэффициент усиления мощности. Реальный усилитель добавляет к это-

му значению собственный шум мощности Pш.соб . Поэтому мощность шума на выходе уси-

лителя равна:

69

(10.4)

Отношение мощности шума на выходе реального усилителя к мощности выходного

шума идеального, нешумящего, усилителя называют коэффициентом шума N:

В радиоприемниках часто используют величину сигнал/шум, т.е. отношение мощно-

сти сигнала к мощности шума. В связи с этим применяют другое определение коэффици-

ента шума:

10.5.Шумовая температура

Вмалошумящих устройствах коэффициент шума может быть весьма близок к 1. В

этом случае удобнее пользоваться понятием «шумовая температура». Запишем выражение для мощности собственного шума усилителя из (10.7) с учетом (10.3):

Рш.соб (N 1)kT Пш KP

или

Pш.соб = kTшПш KP ,

где шумовая температура устройства

70