Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методические указания к расчётно-графической работе «Проектирование микрополосковых устройств». Учебно-методическое пособие
.pdf
31
ЗАДАНИЕ №5 "ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДВУХКАНАЛЬНОГО
ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ СВЧ МОЩНОСТИ "
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Освоение методики расчета переключателя СВЧ
мощности в микрополосковом исполнении.
2. ЗАДАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Для заданных: центральной частоты– fо, волнового сопротивления на
входе и выходе Zo, типе СВЧ диода Nd и переходного затухания Lpr,
рассчитать:
- двухканальный переключатель (см. пример рис.5.1);
-необходимое количество диодов в каналах;
- потери обусловленные диодами;
- нормированную мощность, поступающую в каналы;
- входное сопротивление открытого и закрытого каналов, со стороны общего
входа (см. Рис.5.3);
- и рассчитать шлейф для компенсации реактивности диода.
Номер варианта расчёта определяется порядковым номером студента в
журнале группы, а сами исходные данные находятся в файле «Исходные
данные» в формате «Microsoft Word ».
3. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ СВЧ МОЩНОСТИ НА МИКРОПОЛОСКОВЫХ
ЛИНИЯХ
Рисунок 5.1 - Двухканальный переключатель
В качестве управляющих элементов в переключателях СВЧ мощности
используются р-i-n диоды, структурная и эквивалентная схема которых
показана, для двух состояний, на рис.5.2. Коэффициент передачи
однодиодного выключателя СВЧ мощности при условии, что реактивная
составляющая диода скомпенсирована, определяется следующим
образом. При отсутствии управляющего напряжения (состояние открыто)
[4,9]:
32
. (5.1)
Рисунок 5.2 – P-I-N диод и его схемы замещения
Где Rd, Cd, - параметры диода в закрытом состоянии, rd – сопротивление
диода в открытом состоянии.
При подаче управляющего напряжения (состояние закрыто):
. (5.2)
Здесь Rd = rd(fkp/fo)2, fkp – критическая частота заданного диода.
Необходимое количество диодов для обеспечения требуемого значения
переходного затухания Lpr определяется из соотношения:
, (5.3)
Полученное значение округляется до ближайшего целого числа.
Если принять, что вся мощность из плеча 1 в переключателе (см. Рис.5.1)
передаётся в плечо 2 (плечё 3 закрыто), то потери, обусловленные скомпенсированными диодами определяются так:
(5.4)
При этом нормированная (по отношению к входу) мощность, поступившая в
эти каналы, будет определяться так:
,
. (5.5)
Если выполнить условие тогда мощность поступающая в
открытый канал будет максимальна, а в закрытом минимальна.
, где k – качество диода Rd/rd/
Входное сопротивление в точке А (см. Рис.5.3) , со стороны открытого
диода равно:
, (5.6)
33
Рисунок 5.3 – Топология двухканального переключателя
со стороны закрытого диода определяется следующим образом:
. (5.6)
Вся мощность поступает в то плечё в котором диод закрыт, (см. Рис.5.3).
Для компенсации реактивности, вначале определяется реактивная
проводимость в точке А:
, (5.7)
и рассчитывается длина шлейфа:
. (5.8)
Здесь
- длина волны в МПЛ для заданного волнового
сопротивления и рабочей частоты. Как рассчитывается длина волны в линии
рассматривалось в предыдущих разделах. По завершению расчётов
составляется топологои переключателя.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое СВЧ переключатели мощности и их назначение?
2. Что является управляющим элементов в СВЧ переключателях и его
основные параметры?
3. Как рассчитывается необходимое число переключающих диодов?
4. Для чего необходимо согласование диода в линии передачи?
5. Как влияет несогласованность диодов на параметры переключателя?
6. Какие факторы влияют на потери вносимые переключателем?
7. Назовите основные параметры переключающих диодов.
34
ЗАДАНИЕ №6 "ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО
ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ "
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Освоение методики расчета транзисторного
усилителя СВЧ мощности.
2. ЗАДАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Для заданных параметров: центральной частоты – fо, волнового
сопротивления на входе и выходе - Zo, и однокаскадного транзисторного
усилителя СВЧ, рис.6.1:
- проверить условие абсолютной устойчивости;
-рассчитать входное и выходное
сопротивление транзистора;
- вычислить коэффициент усиления;
- рассчитать согласующие цепи со стороны входа и выхода транзистора.
Рисунок 6.1 – Структурная схема однокаскадного усилителя
3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ СВЧ УСИЛИТЕЛИ
Транзисторы СВЧ обычно описываются экспериментально полученной
S-матрицей и представляются в виде четырехполюсника, рис.6.2, [4,7,9].
Рисунок 6.2 – К определению параметров транзистора
При этом предполагается, что транзистор согласован со стороны генератора и
нагрузки. Что на практике часто не выполняется.
Условиями абсолютной устойчивости усилителя являются:
и
. (6.1)
35
При выполнении этих условий входное и выходное сопротивление усилителя
положительно при любых пассивных нагрузках и возможность самовозбуждения исключается. Если существуют такие нагрузки, при которых
усилитель возбуждается, то такой усилитель считается условно устойчивым.
Максимальный коэффициент усиления абсолютно устойчивого усилителя
достигается при комплексно-сопряженном согласовании ZBX и Z
ВЫХ
транзистора при помощи специальных согласующих цепей. При S12→0 связь
между выходом и входом практически отсутствует, и такие усилители
называют вентильными. Максимальный коэффициент усиления вентильного
усилителя равен:
(6.2)
Простейшие согласующие цепи могут быть выполнены с использованием
двух способов согласования:
- согласование при помощи реактивного шлейфа («L», «Т», «П» - звеньев),
рис.6.3;
- согласование при помощи четвертьволнового трансформатора.
При этом комплексное сопротивление нагрузки z
Г
= zBX для входной цепи и
z
H
= z
BЫХ
для выходной согласующей цепи, где:
,
. (6.3)
Рисунок 6.3 – Принципиальная схема СВЧ усилителя с согласующими цепями
Для подачи питания на транзистор обычно используют высокоомные
четвертьволновые шлейфы, закороченные по СВЧ при помощи навесных
конденсаторов. Развязка СВЧ входа и выхода по постоянному току выполняется при помощи блокировочных конденсаторов.
Вначале, на основе исходных данных, определяются нормированные
входная
и выходная
проводимости транзистора. После этого можно
рассчитать длину отрезка МПЛ для подключения шлейфов со стороны вода и
36
выхода транзистора:
, (6.4)
Zo,fo), (6.5)
где Yi – нормированная входная проводимость транзистора со стороны входа
или выхода, n- 0,1,2… . По формуле (6.4) определяется нормированное
значение длины отрезка, поэтому найденное значение длины необходимо
умножить на длину волны в линии передачи (ф.6.5). Следующий этап это
нахождение проводимости согласующего шлейфа:
. (6.6)
На последнем этапе определяется длина шлейфа, в соответствии с
найденным значением компенсирующей проводимости (
):
Zo,fo), (6.7)
Zo,fo) .
Здесь
– длина разомкнутого или короткозамкнутого
согласующего шлейфа.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое усилители СВЧ мощности и их назначение?
2. Какие типы СВЧ транзисторов нашли широкое применение в настоящее
время?
3. Что такое S-матрица транзистора СВЧ?
4. Для чего необходимо согласование транзистора СВЧ?
5. Что означают понятия абсолютно устойчивый и условно устойчивый
усилитель?
37
Заключение
В пособии рассмотрены методы проектирования различных СВЧ узлов. Для
каждого устройства приведены краткие теоретические сведения и дана
поэтапная методика расчёта конструктивных размеров и основных
параметров проектируемого устройства.
7. Литература
1. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и
цепи связи/Перевод с англ.Под ред. Л.В.Алексеева и Ф.В.Кушнира,т.1.- М.:
Связь, - 1971. - 439с.
2. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и
цепи связи/Перевод с англ.Под ред. Л.В.Алексеева и Ф.В. Кушнира,т.2.- М.:
Связь, - 1972. - 495с.
3. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчёт СВЧ элементов на
полосковых линиях – М.: Советское Радио, - 1972. – 233с.
4. Конструирование и расчёт полосковых устройств/Голубев В.И., Кузнецов
Е.Г. и др.; под ред. И. С. Ковалёва. –М.: Советское Радио, 1974. – 296с.
5. Фуско В. СВЧ цепи (Анализ и автоматизированное проектирование
)/Перевод с англ. Под ред. В.И. Вольмана,- М.: Радио и связь, -1990. -288с.
6. Гупта К., Гарджа Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ
устройств/Перевол с англ.Под ред. В.Г. Шейнкмана. –М.: Радио и связь,
-1987. – 430с.
7. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам
волноводной техники. –М.: Советское радио, - 1966. -652с.
8. М.А.Р. Ганстон Справочник по волновым сопротивлениям фидерных
линий СВЧ. –М.: Связь, 1976.
9. Микроэлектронные устройства СВЧ/Егоров Е.Н., Алёхин Ю.Н. и др..; под
ред. Г.И. Веселова. –М.: Высшая школа, 1988. -280с.
38
ПРИЛОЖЕНИЕ А РАСЧЁТ ВОЛНОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
СВЯЗАННЫХ МПЛ
39
Lambda x1 x2 ( ) k1
ep
c 377
aa D
x1
h
1
x1
h
1+
2
−
c1 2 k1 aa
c2 8 D
k1
x2
x1
1+
cp k1
x1
h
cf k1
2.7
log
4 h
t
cd k1
2.7
log
4 x2
t
co cp 0.5c1+ 0.5cf+ 0.5c2+ 0.5cd+
ac
1
1
c1 c2+( ) 1
1
ep
−
2 co( )
+
al
1
1 ac ac ep 1−( )+
Loe
0
c 103
al 100
f
0.5+
100
c4 k1 F
F
1 x1
0.25
x2
+
+
c5 k1 D
x1
h
D
x1
h 1 0.25
x1
x2
+
+ 2
D
1
x1
h
+
2
−
c6 cp 0.5c1+ 0.5cf+ 0.5c4+ 0.5c5+
al
1
1
c1 c5+( ) 1
1
ep
−
2 c6( )
+
al
1
1 al al ep 1−( )+
Loe
1
c 103
al 100
f
0.5+
100
Loo
Loe0Loe
1
+
2
round Loo( )
=
40
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РГР
Практическая работа (РГР) должна содержать:
- теоретические сведения по проектируемому СВЧ узлу (устройство, принцип
действия, назначение, возможные варианты исполнения);
- теорию конструктивного расчета и сам расчет;
(если при этом, использовались какие-то программы, то нужно привести
исполняемый файл или саму программу, а так же руководство пользователя);
- по конструктивным размерам составить топологию и провести
электромагнитный анализ разработанного СВЧ узла.
Последний пункт выполняется с помощью специальных программ по
электромагнитному моделированию СВЧ устройств. Список некоторых
прилагается.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]