240

16.Усилители СВЧ

16.1.Основные параметры усилителей

Основное функциональное назначение усилителя (англ. – amplifier) – увеличение уровня (размаха колебаний, амплитуды или средней мощности) входного сигнала без искажений его формы, спектрального состава или ухудшения отношения сигнал/шум. Интеграция проектных параметров устройства и характеристик сигналов определяет типы используемых активных элементов – полупроводниковых различных модификаций или электровакуумных приборов. Выбор типа активного элемента зависит от области применения, вида усиливаемых сигналов, рабочей полосы частот, требуемой мощности. Потому большое значение имеет корректное определение технических параметров и классификация усилителей сигналов.

С точки зрения теории СВЧ цепей усилитель представляет собой четырехполюсник. Однако, при применении усилителей, их испытаниях и выдачи технических заданий на проектирование используется не непосредственно матрица рассеяния, которая характеризует усилитель как четырехполюсник СВЧ, а другие параметры, более удобные для практического использования. Эти параметры выражаются действительными числами, они могут быть вычислены на основании комплексных параметров матрицы рассеяния. Рассмотрим наиболее важные из них.

Под коэффициентом усиления по мощности (англ. – gain) kP понимается число, показывающее, во сколько раз выходная мощность Pвых больше мощности Pвх , поступающей на вход усилителя.

Для удобства расчетов и измерений коэффициент усиления выражают в децибелах, то есть

моделей усилителей как минимальная указывается нулевая частота, в этом случае k f теряет смысл и необходимо учитывать частотные свойства схем блоки-

рования и подключения питания.

Коэффициент усиления не является постоянной величиной, он зависит от входной мощности, частоты сигнала, электрического режима и некоторых других факторов. Для характеристики изменения усиления в рабочем диапазоне частот используется понятие перепад коэффициента усиления (неравномер-

ность усиления). Он показывает, на сколько максимальное усиление KP max отличается от минимального KP min в заданном диапазоне частот и выражается в децибелах:

Часто перепад коэффициента усиления представляют относительно среднего значения коэффициента усиления, тогда он имеет два знака. Например, коэффициент усиления характеризуют таким образом KP = (23±1,5) дБ.

При усилении полосового сигнала возможны линейные искажения, которые обусловлены неравномерностью усиления и отклонением от линейного за-

τгр = −dϕ/ dω (англ. – group delay) в рабочем диапазоне частот, которая выра-

жается в секундах.

Согласование усилителя с СВЧ-трактом численно характеризуется с помощью коэффициента отражения по входу s11 и по выходу s22 . Но наиболее

часто для характеристики согласования используется коэффициент стоячей волны напряжения на входе и на выходе:

Под выходной мощностью усилителя понимают мощность (непрерывную или импульсную), которая выделяется на согласованной нагрузке при усилении сигнала в рабочей полосе частот. Характер зависимости выходной мощности от

243

термодуляционные искажения оценивают при подаче на вход двух гармонических колебаний одинакового уровня с близкими частотами f1 и f2 . Спектр

мощности выходного сигнала содержит при этом следующие составляющие:

•интермодуляционные продукты более высоких порядков.

Уровень интермодуляционных продуктов третьего порядка, частоты ко-

торых лежат в рабочем диапазоне ( 2 f1 − f2 , f1 − 2 f2 ), оценивают значением такой входной мощности Pвх IP3 (IP3 – Intercept Point 3rd order), при которой

суммарная мощность была бы равна мощности основных компонент в отсутствие явления насыщения (на рис.16.2 точка В – пересечение пунктирных прямых). Вместо характерного уровня входной мощности Pвх IP3 обычно указывают

соответствующее значение выходной мощности Pвых IP3 = kP Pвх IP3 .

Указанные выше мощностные параметры выражают, как правило, в де- цибел-милливаттах. Децибел-милливатт (дБм) – это логарифмическая мера мощности по отношению к 1 мВт, то есть PдБм =10 lg(P /1 мВт) .

Для многооктавных усилителей применяется более сложная методика оценки уровня интермодуляционных компонент, которая предусматривает подачу на вход трех или четырех гармонических колебаний.

Напряжение питания E0 и ток, который отбирается от источника I0 , ха-

рактеризуют энергопотребление усилителя. Для оценки экономичности усилителей используется значение коэффициента полезного действия – КПД (англ. –

где P0 = E0 I0 – мощность, которая потребляется от источника питания.

При прохождении сигнала через усилитель к нему добавляются собственные шумы усилителя и, соответственно, отношение мощности сигнала Pc к

мощности шума Pш на выходе меньше, чем на входе. Шумовые свойства уси-

лителя наиболее часто характеризуют коэффициентом шума. Коэффициент шума (англ. – Noise Figure, NF) для указанной частоты определяется как соотношение сигнал/шум на входе, отнесенное к такому же соотношению на выходе

244

при условии, что шум на входе и внутренний шум является белым. Коэффициент шума выражают в относительных единицах или в децибе-

лах. Если четырехполюсник не шумит, то kш =1 (Kш = 0 дБ).

Разделим числитель и знаменатель выражения (16.8) на мощность сигнала на входе Pс вх , тогда получим

где учтено, что kP = Pс вых / Pс вх .

Если усилитель идеальный, то Pш вых = Pш вх kP , а kш =1. Другими словам,

коэффициент шума характеризует степень возрастания шума на выходе за счет внутренних шумов усилителя.

Шум на выходе усилителя Pш вых содержит две составляющие. Первая составляющая – это усиленная мощность шума источника kT0∆f kP , а вторая – собственный шум усилителя Pшус. . Потому выражение (16.9) можно переписать

следующим образом (считая, что причиной шума на входе является тепловой шум источника при нормальной температуре T0 ):

где k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T0 = 293 К – нормальная температура; ∆f – полоса частот.

Выражение (16.11) лежит в основе официального определения коэффициента шума, принятого международным Институтом инженеров по электротех-

нике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE).

Практически коэффициент шума усилителя в диапазоне частот не остается постоянным: он минимален в рабочей полосе частот и увеличивается за ее пределами.

Часто удобнее шумовые свойства усилителей характеризовать шумовой температурой. Исходя из того, что слагаемое Pшус. в (16.11) можно трактовать

как результат повышения температуры источника шума на величину Tш –

Кельвинах), на которую нужно дополнительно подогреть согласованное сопро-

245

тивление на входе идеального усилителя, чтобы на его выходе мощность шумов была такой же, как у реального усилителя с согласованным входным сопротивлением при нормальной температуре T0 .

При известном kш шумовую температуру можно вычислить следующим образом:

Для каскадного усилителя шум, поступающий на вход вместе с сигналом, усиливается всеми каскадами. Шум, вносимый отдельным каскадом, усиливается последующими каскадами. Суммируя все мощности шумов и приводя их к мощности шума реального усилителя, получим формулу для оценки коэффициента шума каскадного усилителя (формула Фриисса)

Величину (kш2 −1) / kP1 в этом уравнении называют эффектом второго каска-

да. Если усиление первого каскада велико, то эффект второго каскада будет незначительным. Потому приемник с высокой чувствительностью практически всегда начинается с усилительного каскада с большим коэффициентом усиления.

Выражение (16.15) можно переписать для шумовых температур

где Tш1,...,TшN – шумовые температуры каскадов.

Следует помнить, что коэффициент шума выражает шумовые свойства относительно входного источника шума, то есть он не является абсолютной мерой шума. Таким образом, для сравнения устройств по шумам необходимо иметь эталон. Поскольку при согласовании Pш вх = kT0∆f , то по рекомендации

IEEE принято определять коэффициент шума для источника при эталонной

(– 174 дБм/Гц). При других температурах используется эксплуатационный (реальный) коэффициент шума.

В зависимости от области применения усилителя, другими важными параметрами усилителя являются сопротивления входной и выходной цепей, коэффициент обратного прохождения, время готовности, коэффициент «самозащиты», время восстановления после действия мощных импульсов, зависимость параметров от режима работы (напряжения питания, температуры, вибрации, радиации и др.), массогабаритные, возможность каскадирования и др.