Декомпозиционные модели анализа и синтеза входных согласующих цепей оконечных каскадов мощных транзисторных радиопередатчиков
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
ПресСто
Авторы:
Булгаков Олег Митрофанович, Зыбин Дмитрий Георгиевич, Петров Семен Александрович, Печенин Евгений Александрович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 160
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-6048659-3-4
Артикул: 803018.01.99
В монографии рассмотрены методы проектирования согласующих цепей оконечных каскадов мощных ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей, факторы, приводящие к дополнительным потерям входной мощности в согласующих
цепях оконечных каскадов ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей и модели, описывающие в аналитическом виде механизмы потерь мощности на согласование. Предложены алгоритмы синтеза входных согласующих цепей ВЧ транзисторных усилителей мощности на основе декомпозиционного подхода по критерию минимизации потерь мощности в полосе согласования. Проанализированы направления разработки конструктивные решений, обеспечивающих снижение потерь мощности во входных согласующих цепях ВЧ транзисторных усилителей мощности.
Для разработчиков ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов и РЭА, в том числе в аппаратуры связи специального назначения и систем навигации, преподавателей вузов, аспирантов и студентов соответствующих специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 11.04.01: Радиотехника
- 11.04.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
- ВО - Специалитет
- 11.05.02: Специальные радиотехнические системы
- 11.05.04: Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ИСПОЛНЕНИЯ НАКАЗАНИЙ федеральное казенное образовательное учреждение высшего образования воронежский институт фсин россии О. М. Булгаков, Д. Г. Зыбин, С. А. Петров, Е. А. Печенин Декомпозиционные моДели анализа и синтеза вхоДных согласующих цепей оконечных каскаДов мощных транзисторных раДиопереДатчиков Монография Воронеж 2022
УДК 621.382 ББК 32.852 Б90 Утверждено советом по научно-исследовательской и редакционно-издательской деятельности Воронежского института ФСИН России 23 марта 2022 г., протокол № 3. Р е ц е н з е н т ы : доктор технических наук, доцент А. И. Климов; кандидат технических наук, доцент Р. Н. Андреев. Булгаков О. М. Декомпозиционные модели анализа и синтеза входных согласующих цепей оконечных каскадов мощных транзисторных радиопередатчиков : монграфия / О. М. Булгаков, Д. Г. Зыбин, С. А. Петров, Е. А. Печенин. – Воронеж : Воронежский институт ФСИН России, 2022. – 160 с. ISBN 978-5-6048659-3-4 В монографии рассмотрены методы проектирования согласующих цепей оконечных каскадов мощных ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей, факторы, приводящие к дополнительным потерям входной мощности в согласующих цепях оконечных каскадов ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей и модели, описывающие в аналитическом виде механизмы потерь мощности на согласование. Предложены алгоритмы синтеза входных согласующих цепей ВЧ транзисторных усилителей мощности на основе декомпозиционного подхода по критерию минимизации потерь мощности в полосе согласования. Проанализированы направления разработки конструктивные решений, обеспечивающих снижение потерь мощности во входных согласующих цепях ВЧ транзисторных усилителей мощности. Для разработчиков ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов и РЭА, в том числе в аппаратуры связи специального назначения и систем навигации, преподавателей вузов, аспирантов и студентов соответствующих специальностей. УДК 621.382 ББК 32.852 © Булгаков О. М., Зыбин Д. Г., Петров С. А., Печенин Е. А., 2022 © ФКОУ ВО Воронежский институт Б90
введение В настоящее время техническими службами различных подразделений МВД России применяется оборудование по определению координат и состояния подвижных объектов. Для решения этих задач используются глобальные (орбитальные) и локальные системы нави- гации и контроля состояния объектов, использующие мощные СВЧ радиопередающие устройства. Усложнение электромагнитной обста- новки за счет увеличения количества и повышения мощности радио- передающих ретранслирующих устройств коммерческого назначения приводит к необходимости использовать более мощные и широкопо- лосные средства связи для обеспечения деятельности подразделений правоохранительных органов. Помехозащищенность каналов радиосвязи определяется качест- вом передаваемого сигнала, т. е. мощностью полезного сигнала от- носительно мощности помех (отношение «сигнал-шум») [11, 25], в значительной мере лимитируемой мощностью радиопередатчика Рвых. Наряду с мощностью транзисторов оконечного каскада радио- передатчика на величину Рвых оказывают влияние потери мощности на согласование активной составляющей выходного сопротивления оконечного каскада усилителя мощности (ОКУМ) Rвых с входным со- противлением передающей антенны, сопротивлением волновода, ка- беля и др., характеризуемые значением коэффициента стоячей волны в нагрузке Kсвн, а также потери мощности на согласование выходного сопротивления предоконечного каскада с входным сопротивлением ОКУМ Rвх [28, 57]. Потери мощности такого рода возрастают по мере увеличения ширины полосы частот передаваемого сигнала (полосы рабочих частот радиопередатчика) Df и Pвых [20], поэтому проек- тирование ОКУМ основывается на оптимизации частотной зависи- мости коэффициента передачи мощности KР(f) в полосе частот Df . В качестве параметров оптимизации при заданных значениях Df и Рвых обычно выбираются минимальное значение интегральных потерь мощности в полосе рабочих частот D D P f ( ) и минимальное значение неравномерности KР(f) в полосе рабочих частот [11, 13]: D = D D (дБ) 10lg(max{ ( )}) / min{ ( )}; p p a K f K f
max{ ( )} K f p D и min{ ( )} K f p D – соответственно максимальное и ми- нимальное значения KР(f) в полосе частот Df . Проектирование мощных ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей в составе радиопередающей аппаратуры, в особенности – ОКУМ, в основном заключается в определении конструкции и расчете согла- сующих LC-цепей и выборе конструктивных решений для их реали- зации [1. 2, 11]. Основное назначение согласующих цепей – транс- формация активной составляющей входного (выходного) импеданса мощного ВЧ транзистора в сопротивление входного эквивалентного генератора (нагрузки) в заданной полосе частот. Методы проектирования высокочастотных LC трансформаторов импедансов сформировались в 60–70-е годы XX в. и основаны на синтезе фильтров лестничного типа (Чебышева, Батерворта, Кайзера). Исходными данными для синтеза являются: диапазон частот, сопротивления транзистора и генератора, допустимые потери мощности в полосе согласования, выражающиеся предельным уровнем неравномерности частотной зависимости коэффициента передачи мощности в полосе трансформации. Увеличение Рвых ОКУМ приводит к уменьшению значений Rвых и Rвх, поэтому для моделирования и обеспечения требуемых усилительных и частотных свойств ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей мощности все более важное значение и приобретают индуктивности их эквивалентных схем, а также зависящие от них малосигнальные и энергетические параметры [12, 31]. Возрастание Рвых сопровождается увеличением количества соединенных параллельно по входу и выходу и конструктивно идентичных модулей (транзисторных ячеек), каждый из которых включает в себя ВЧ(СВЧ) транзисторную структуру с входной согласующей LC-цепью [90, 91]. Усложнение конструкций ВЧ и СВЧ транзисторных усилительных каскадов затрудняет расчеты их эквивалентных параметров и проектирование согласующих LC-цепей. В результате индукционного взаимодействия рабочих токов ОКУМ имеет место увеличение неоднородности электрических параметров усилительных модулей, в частности – индуктивностей первых звеньев их входных согласующих LC-цепей и активных составляющих входных импедансов Rвхi. Эти изменения приводят к дополнительным Введение
потерям мощности на согласование, сложным образом зависящим от конструктивных параметров ОКУМ. Широкополосные входные согласующие цепи оконечных каскадов мощных ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей представляют наибольшие трудности для синтеза ввиду малых (единицы и десятые доли ома) значений Rвхi, уменьшающихся по мере увеличения Р1, и усложнения конструктивной реализации согласующих LC-звеньев [1, 2. 23 26, 85]. В контексте данных проблем приобретают актуальность разработки методик расчета потерь мощности на согласование в ОКУМ ВЧ и СВЧ транзисторных радиопередатчиках, а также алгоритмов синтеза согласующих цепей ОКУМ, обеспечивающих минимальные потери мощности в полосе согласования. В монографии последовательно рассмотрены следующие вопросы: 1) методы проектирования согласующих цепей оконечных каскадов мощных ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей; 2) факторы, приводящие к дополнительным потерям входной мощности в согласующих цепях оконечных каскадов ВЧ и СВЧ транзисторных усилителей и модели, описывающие в аналитическом виде механизмы потерь мощности на согласование; 3) алгоритмы синтеза входных согласующих цепей ВЧ транзисторных усилителей мощности на основе декомпозиционного подхода по критерию минимизации потерь мощности в полосе согласования; 4) конструктивные решения, обеспечивающие снижение потерь мощности во входных согласующих цепях ВЧ транзисторных усилителей мощности. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования техники генерирования и усиления сигналов на ВЧ и СВЧ, в том числе в аппаратуре связи специального назначения и системах навигации. Введение
глава 1 алгоритмы синтеза вхоДных согласующих цепей и осоБенности их в реализации оконечных каскаДах транзисторных раДиопереДатчиков 1.1. методы и процедуры синтеза входных согласующих цепей вч и свч усилительных каскадов В транзисторных усилительных каскадах радиопередающих устройств применяются неперестраиваемые широкополосные схемы, обеспечивающие требуемый уровень выходной мощности Рвых в полосе рабочих частот f D . При этом возникают трудности реализации относительной ширины полосы рабочих частот 0 / f f D в октаву и более 0 ( / 0,667), f f D ≥ обусловленные большими значениями на высоких частотах и при высоких уровнях Рвых реактивных составляющих входного Im{Zвх} и выходного Im{Zвых} импедансов транзистора, а также малыми активными составляющими Rвх ∫ Re{Zвх} и Rвых ∫ Re{Zвых} – десятые доли ома и единицы ома соответственно. С одной стороны, развитие элементной базы – появление на рынке транзисторов и усилительных микросхем, обеспечивающих большие значения коэффициента усиления по мощности KУР ≥ 10, – обеспечивает предельно простые схемотехнические решения высокочастотных усилителей мощности, сводя количество усилительных каскадов при Рвых ≥ 200 Вт до двух, с другой стороны увеличение KУР транзисто- ра приводит к увеличению разницы между его входным и выходным сопротивлением [12, 38] и требует усложнения цепей межкаскадного согласования, в особенности для согласования Rвх оконечного каска- да с выходным сопротивлением предоконечного каскада в требуемой полосе частот [25, 54, 37]. При разработке ВЧ широкополосных транзисторных ОКУМ возникает ряд трудностей, связанных с расчетом Rвх, определением потенциальной (предельной, максимальной реализуемой) ширины полосы рабочих частот [1, 2, 12], проектированием и реализацией со-
гласующих цепей (СЦ), выполняющих в ряде случаев, наряду с согла- сованием Zвх и Zвых с сопротивлениями эквивалентного входного гене- ратора RГ и нагрузки Zн, функции коррекции частотной зависимости коэффициента усиления транзистора по мощности KУР(f) в полосе f D [14, 57]. Для ОКУМ радиопередатчика нагрузкой является входное сопро- тивление согласующего устройства передающей антенны, излучате- ля, фидера и т. п., а сопротивлением эквивалентного входным генера- тором – выходной импеданс предоконечного усилительного каскада, волновое сопротивление кабеля, волновода. Основным требованием, предъявляемым к СЦ, является трансформация RГ и Zн, соответствен- но в Zвх и Zвых. При невыполнении этого условия снижаются отдава- емая в нагрузку мощность Рвых и КПД, возникают искажения переда- ваемого сигнала. Помимо трансформации сопротивлений СЦ должны обеспечивать требуемые АЧХ и ФЧХ в полосе частот f D и устойчи- вость работы усилительного каскада к изменению параметров нагруз- ки и режима усиления. Эти требования, а также коэффициент трансформации Kтр = RГ / Rвх (или Kтр = Re{Zн} / Rвых), центральная рабочая частота f0, коэффициент перекрытия по частоте Kf = fв / fн, где fв, fн – соответственно верхняя и нижняя границы f D , в основном определяют схему и практическую реализацию СЦ. Теоретически невозможно построить СЦ на сосредоточенных ли- нейных элементах, выполняющих названные функции в произволь- ном диапазоне частот [1]. Поэтому проектирование широкополосных ОКУМ начинается с определения их предельной ширины полосы ра- бочих частот max f D , лимитируемой максимальной рабочей частотой fmax транзисторов, входящих в состав усилителя, с целью выявления принципиальной возможности построения ОКУМ в заданном диа- пазоне частот. В [2] приводится решение задачи определения max f D на основе решения системы неравенств Фано методом численного интегрирования. Реализация полной системы ограничений [1] на АЧХ и ФЧХ в полосе согласования требует наличия бесконечного числа элемен- тов в СЦ. В связи с этим в [1,3,4] рассмотрены двухконтурные СЦ,
обеспечивающие max 0,5 f f D > D при приемлемых для практики поте- рях. Синтез двухконтурных СЦ на сосредоточенных элементах [4] позволяет решить эту задачу лишь для простых (с одним реактивным элементом) нагрузок с небольшой добротностью, при этом остаются сложности реализации СЦ на СВЧ. В этой связи представляют интерес методы расчета СЦ на отрез- ках предающих линий. В [5–7] рассматривается согласование в точке, причем в [5] анализируется согласование одним и двумя отрезками линий минимальной длины, а в [6] для согласования в полосе пред- лагается использовать параметрическую оптимизацию на ЭВМ двух- ступенчатых трансформаторов. В [8] решение задачи согласования осуществляется методом разложения Zвх в ряд по малому параметру – относительной расстройке частоты, а в [9] предложена простая методика для моделирования СЦ мощных СВЧ полевых транзисторов, основанная на замене системы связанных линий на керамике с высокой диэлектрической проницаемостью системой эквивалентных независимых микрополосков. Для микрополосковой топологии в целях повышения точности и адекватности анализа СЦ путем учета потерь в трактах, дисперсии и неоднородностей приведены результаты, полученные по разработанной программе согласования произвольных импедансов, и примеры аналитического и машинного синтеза входных СЦ широкополосных ОКУМ. В [10] предложена методика расчета межкаскадной широкополосной согласующей цепи ОКУМ ВЧ- и СВЧ-диапазонов, основанная на решении системы компонентных уравнений. Получены нормированные величины элементов цепи в зависимости от полосы согласования и требуемой неравномерности АЧХ. Узкодиапазонные трансформирующие цепи с Kf £ 1,1…1,2 выполняют на основе простейших согласующих Г- , Т- и П-цепочек в виде ФНЧ, когда в продольных ветвях включаются индуктивности, а в поперечных – емкости (табл. 1.1). L- и С-элементы достаточно просто реализуются, в виде сосредоточенных (на частотах приблизительно до 1,5 ГГц) или распределенных (на частотах от 100…300 МГц) элементов на отрезках полосковых линий.
Согласующая Г-цепочка (табл. 1.1, рис. 1) трансформирует сопротивление R2 в сопротивление R1 на заданной частоте f. Входное сопротивление Г-цепочки, нагруженной на сопротивление R2: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 (1 4 ) 1 ( ) . 1 (1 4 ) (2 ) 2 2 C R j f L f LC CR Z f f LC fCR j fC j fC R p p p p p p È ˘ + - - Î ˚ = = - + + + (1.1) Принимая Re{ZC(f)} = R1, и Im{ZC(f)} = 0 на данной частоте w , получим систему двух уравнений для нахождения емкости и индуктивности: 1 2 1 1 / 1; 2 С R R fR p = - (1.2) 2 1 2 / 1 2 R L R R f p = - ; 1 2 R R > . (1.3) Т- и П-цепочки (табл. 1.1, рис. 2, 3) строят путем последовательного соединения двух Г-цепочек, что обеспечивает лучшую фильтрацию высших гармоник. В табл. 1.1 на схемах 4 и 5 приведены Г- и Т-цепочки, широко используемые в качестве межкаскадных цепей: Г-цепочку устанавливают в коллекторной цепи транзистора, где L2 и С3 включают вместо блокировочного дросселя и разделительного конденсатора; Т-цепочку устанавливают на входе транзистора: в L1 входит индуктивность вывода транзистора, а подстроечные С1 и С2 позволяют изменять Kтр. Расчетные соотношения для L- C-элементов Г-, П- и Т-цепочек в таблице.1.1 даны в приближении отсутствия потерь в реактивных элементах, что допустимо при их добротности выше 30…50. При Kf > 1,1...1,2 применяют ФНЧ-трансформаторы, которые обеспечивают трансформацию любых резистивных сопротивлений в полосе f D при нормированных отклонениях входного сопротивления Zвх от номинального Rвх ном. Каждая Г-цепочка содержит продольную индуктивность и параллельную емкость, что обеспечивает эффективную фильтрацию на частотах выше fв. ФНЧ-трансформатор по структуре совпадает с обычным ФНЧ, но нижняя граница н 0 f f D - π и в поло-
Таблица 1.1 № п/п Схема Расчетные формулы 1 2 1 2 / 1; L X R R R = - 1 1 2 1 2 1 ; / 1 C X R R R R R = > - 2 1 2 0 1 / 1 L X R R R = - ; 2 2 0 2 / 1 L X R R R = - ; 0 0 1 0 2 ; / 1 / 1 C R X R R R R = - + - 0 1 0 2 1 2 ; ; R R R R R R < > > > 3 1 2 1 2 1 0 2 0 ; ; / 1 / 1 C C R R X X R R R R = = - - 0 1 0 2 0 ( / 1 / 1); L X R R R R R = - + - 0 1 0 2 1 2 ; ; R R R R R R < > < < 1 1 2 / 1; L X R R R = - 2 1 2 1 2 1 ; / 1 C X R R R R R = > - 5 2 0 2 1 2 1 2 1 / 1; ; / 1 L C X R R R X R R R = - = - 0 2 0 1 2 0 2 0 1 ; / 1 / 1 C R X R R R R R R R = > > - - - се f D он обеспечивает трансформацию сопротивлений Rвх.ном. £ Rн.ном. [11–13]. Предельные значения Kтр зависят от отношения значений рядом расположенных индуктивностей (или емкостей) в продольных и парал- лельных ветвях исходной полосовой цепи. Это отношение растет по мере уменьшения Kf и увеличения неравномерности АЧХ. Кроме того,