Таблица № 4.2 Значения коэффициента шума транзистора

Зададимся для первого каскада следующим режимом работы:В; В; мА. 

Используя ЭВМ проверяем выполнение условия устойчивости усиления в рабочем диапазоне частот. График коэффициента устойчивости К показан на рис. 4.8.

Как видно из графика на рис.4.8 коэффициент устойчивости К  меньше единицы, т.е транзистор является неустойчивым.

Возможны следующие варианты повышения устойчивости с использованием резистивной нагрузки, включенной во входную или выходную цепь (рис 4.9).

В данном случае выберем схему, изображённую на рис 4.9,в, так как для выбранного транзистора эта схема обеспечивает наименьший уровень шума по сравнению с другими схемами при выполнении условий безусловно устойчивой работы. Номинал резистора подбирается с помощью ЭВМ и в данном случае равен R1 = 40 Ом. График коэффициента устойчивости   после   стабилизации    транзистора    показан  на  рис. 4.10.   Как видно из этого

Рис. 4.8. Зависимость коэффициента устойчивости К  от частоты

графика условия безусловной устойчивости в диапазоне рабочих частот

,

выполняются, т.е теперь транзистор является безусловно устойчивым.

При этом в схеме с общим истоком на частотах  МГц коэффициент шума и усиления соответственно равны: дБ;  дБ.

Рис. 4.9. Варианты резистивной нагрузки транзистора для повышения коэффициента устойчивости

Рис 4.10. Зависимость коэффициента устойчивости К  и  вспомогательного коэффициента от частоты

Коэффициент шума всего усилителя на верхней частоте диапазона без учёта потерь в схемах согласования и возможного изменения режима работы транзисторов в последующих каскадах:

   ;  GA = ;

 или дБ

Требуемое число каскадов усиления:

где –  требуемый коэффициент усиления МШУ;

       – максимальный коэффициент усиления МШУ на верхней частоте рабочего диапазона.

.

Значение входной проводимости транзистора на частоте  МГц составляет:

 См

Эта проводимость соответствует параллельному соединению резистивной gвх и реактивной bвх проводимостей. Так как реактивная составляющая входной проводимости имеет положительный знак, то она носит ёмкостной характер. Для ПТШ N76038а резистивная проводимость gвх будет более плавно зависеть от частоты, чем реактивная проводимость bвх. Поэтому входное сопротивление представим в виде последовательной RC цепи (рис 4.11).

;     ;       ;

 См2;

Ом;

Ом;

;   пФ.

Рис 4.11. Преобразование паралельного соединения элементов входного сопротивления в последова-тельное соединение

Для согласования усилителя по входу с сопротивлением Ом вычислим  полосу усилителя и декремент затухания.

Полоса частот усилителя:

;    или 15,4%

Значение декремента затухания:

; 

Так как , то усилитель является широкополосным. В качестве согла-сующего звена на входе усилителя используем трёхрезонаторную согласующую цепь (согласующий  трансформатор  для  широкополосных усилителей)  изображённую  на   рис. 4.5.

По графикам, изображённым на рис 4.6  для  определяем элементы чебышевских согласующих цепей:

Определяем параметры инверторов схемы согласования входа транзистора для волнового сопротивления подводящей линии Ом:

 Ом ;

 Ом ;

 нГн ;

 См ;

 См ;

 пФ ;

 Ом ;

 Ом ;

Длина волны в линии составляет:

 м,

где  - скорость распространения ЭМВ.

  мм ( или );

 мм (или );

  мм  (или );

  мм ( или );

 мм ( или )

Для короткозамкнутого шлейфа  с волновым сопротивлением  Ом:

 мм (или  ).

Для компенсации входной ёмкости на центральной частоте требуется индуктивность:

 нГн;

Реальная индуктивность на входе транзистора:

 нГн.

Длина этой индуктивности при выполнении её в виде МПЛ с волновым сопротивлением  Ом составит:

 мм ( или ).

Индуктивность шлейфа:

 нГн ;

Длина этого шлейфа  с волновым сопротивлением  Ом  составит:

 мм ( или );

После подключения элементов входной согласующей цепи получим следующие значения доступного коэффициента усиления  и коэффициента шума  для одного каскада усилителя, которые изображены на рис.4.12.

Рис. 4.12. Частотная зависимость коэффициента усиления  и коэффициента шума  для  

                  одного каскада МШУ, согласованного по входу

Велиничина коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот равна: =13,5…11,9 дБ, а коэффициента шума =1,03…1,14 дБ.

Наибольшая шумовая температура каскада МШУ в рабочем диапазоне составит:

;

где   T0 = 290 K – cтандартная температура;

        - максимальный коэффициент шума усилительного каскада;

 К,

что не превышает требуемой температуры МШУ  К.

Так как коэффициент усиления с увеличением рабочей частоты уменьшается и неравно-мерность усиления составляет 1,6 дБ, то для выравнивания АЧХ коэффициента усиления выполним согласование транзистора по выходу на верхней частоте диапазона:

 МГц.

Выходная проводимость на этой частоте составит:

 См

Эта проводимость соответствует параллельному соединению резистивной gвх и реактивной bвх  проводимостей. Так как реактивная составляющая входной проводимости имеет положи-тельный знак, то она носит ёмкостной характер.

Поэтому выходное сопротивление как и входное сопротивление представим в виде последовательной RC цепи, параметры которой определяются ниже:

;     ;      

 См2;

Ом ;       Ом.

Для компенсации выходной ёмкости на частоте необходимо последовательно с ней подключить индуктивность, значение которой определяется из условия последовательного резонанса:

 нГн;

Длина этой индуктивности в микрополосковом исполнении с волновым сопротивлением  Ом  составит:

 мм  ( или ),

где   м – длина волны на верхней частоте рабочего диапазона;

Коэффициент отражения по выходу составит:

  ;

А коэффициент бегущей волны:

.

Полученное значение КБВ полностью удовлетворяет режиму согласования, поэтому применение четвертьволнового трансформатора для согласования резистивной составляющей выходного сопротивления транзистора с нагрузкой  50 Ом не требуется.

Номинал сопротивления = 103 Ом и волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора l2 , равное  Ом подобраны с учётом получения как можно меньшей неравномерности усиления, которая в данном случае составит 0,3 дБ.

Для дальнейшего уменьшения неравномерности усиления а также коэффициента шума с помощью ЭВМ была проведена корректировка параметров элементов входной и выходной согласующих цепей, значения которых приведены в таблице 4.3.

                                    Таблица№4.3 Расчётные и скорректированные значения элементов СЦ.

После корректировки значений параметров согласующих цепей c помощью инструмента Tune программы МicroWave Office 4.02 получаем коэффициент  усиления и шума одного каскада, частотные характеристики которых изображены на  рис. 4.13.

     Рис. 4.13. Частотная зависимость коэффициента усиления  и коэффициента шума   одного

                 каскада МШУ, согласованного по входу и выходу

Как видно из АЧХ на рис. 4.13, коэффициент усиления в диапазоне рабочих частот равен = 12 дБ, неравномерность усиления полностью отсутствует, коэффициент шума изменяется в пределах  дБ, что соответствует диапазону шумовых температур  К.

Принципиальная электрическая схема одного каскада усилителя представлена на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Принципиальная электрическая схема одного каскада усилителя

4.5. Составление топологической схемы усилителя

Под топологией подразумевается рисунок пассивной  схемы, которая наносится на под-ложку из диэлектрика и на которую монтируют навесные элементы. Расчёт и проектирование топологической структуры гибридной ИМС должны быть направлены на получение оптимальной конструкции схемы, обеспечивающей высокую надёжность при минимальных технологических затратах.

В качестве материала подложки выберем поликор с диэлектрической проницае-мостью. Толщину подложки выберем равной мм, а толщину токонесущего проводника МПЛ выберем равным  мм.

 На топологической схеме все индуктивности и согласующие трансформаторы выполнены в виде МПЛ с соответствующими значениями волновых сопротивлений и размеров. В качестве материала токонесущего проводника выберем алюминий, который обладает хорошей адгезией к подложке и хорошей электропроводностью.

Расчёт геометрических размеров МПЛ произведён с помощью программы TXLINE 2001, входящей в состав пакета программ моделирования СВЧ схем MicroWave Office 4.02.

Результаты расчёта приведены в таблице 4.4.

                                                        Таблица №4.4. Результаты расчёта элементов на МПЛ

Cоединяя каскадно три усилителя, получим частотную характеристику коэффициента усиления и коэффициента шума всего МШУ, изображённую на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Частотная зависимость коэффициента усиления  и коэффициента шума трёхкаскад-ного МШУ 

Как видно из АЧХ на рис. 4.15, коэффициент усиления в диапазоне рабочих частот равен = 36…35,1 дБ, неравномерность усиления составляет 0,9 дБ, коэффициент шума изменяется в пределах  дБ, что соответствует диапазону шумовых температур  К.

Проведя корректировку длины элементов , , , ,  в месте соединения  каскадов с помощью инструмента  Tune  программы  MicroWave   Office  4.02  получим  частот-

ную характеристику, изображённую на рис.4.16.

Как видно из АЧХ на рис. 4.16, коэффициент усиления в диапазоне рабочих частот изменяется в пределах = 35,6…35,3 дБ, неравномерность усиления составляет 0,3 дБ, коэффициент шума изменяется в пределах  дБ, что соответствует диапазону шумовых температур  К.

Таким корректировка межкаскадных связей усилителя привела к уменьшению неравно-мерности коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот от 0,9 дБ до 0,3 дБ.

Рис. 4.16. Частотная характеристика коэффициента усиления  и коэффициента шума  для

                  трёхкаскадного МШУ

Таким образом можно сказать, что требования, предъявляемые к МШУ по значениям коэффициента шума  и коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот выполнены, поэтому оптимизация по данным параметрам не требуется.

4.5.1. Резисторы

В качестве резистивных сопротивлений применены тонкоплёночные резисторы прямоугольной формы (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Конструкция тонкоплёночного резистора прямоугольной формы

Для изготовления плёночных резисторов используют разные материалы: металлы, сплавы, соединения,  керметы,  удовлетворяющие  требованиям  по  металлургической  совместимости, адгезии, технологичности и стабильности.

Сопротивление плёночного резистора:

,

где– удельное поверхностное сопротивление материала плёнки, Ом/□;

      l,w – длина и ширина резистивной плёнки соответственно, мм.

 Результаты расчёта резистивных сопротивлений и  при использовании в качестве резистивной плёнки нихрома с  Ом/□ сведены в таблицу 4.5.

                                       Таблица № 4.5 Результаты расчёта резистивных сопротивлений

4.5.2. Kонденсаторы

В гибридных ИМС применяют тонкоплёночные и толстоплёночные конденсаторы с простой прямоугольной формой. Плёночный конденсатор представляет собой многослойную структуру, нанесённую на диэлектрическую подложку (рис. 4.17).  Для её получения на подложку 1 последовательно наносят три слоя: проводящий 2, выполняющий поль нижней подкладки, слой диэлектрика 3 и проводящий слой 4, выполняющий роль верхней обкладки конденсатора.

Рис. 4.17.  Конструкция плёночного конденсатора  с обкладками прямоугольной формы

Конструкция конденсатора, изображенная на рис. 4.17 предназначена для реализации конденсаторов повышенной ёмкости (сотни – тысячи пикофарад). Поэтому данную конструк-цию конденсатора будем использовать при расчёте конденсаторов С1 и С2 , соединяющих по СВЧ заземлённую сторону платы, а также разделительного конденсатора С3 .

Значение ёмкости плёночного конденсатора определяют по формуле:

, пФ,

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

      S – площадь перекрытия диэлектрика обкладками, мм2;

      d – толщина диэлектрика, мм.

Ёмкость  С конденсатора удобно выражать через удельную ёмкость:

,

где  - значение удельной ёмкости на единицу площади обкладок.

В качестве материала диэлектрика выберем двуокись кремния (SiO2) c ε = 4…5 и   при толщине плёнки равной d = 0,2 мкм.

Тогда для реализации ёмкости номиналом С1 = С2 =C3 = 1000 пФ необходимое значение площади перекрытия диэлектрика обкладками составит:

мм2.

Длина и ширина обкладки соответственно составят:

мм,  мм

Для реализации конденсатора малой величины ёмкости С23 = 0,17 пФ используем сосредоточенную последовательную ёмкость, которая может быть образована зазором в линии передачи, изображённую на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Конструкция сосредоточенной последовательной ёмкости

Такая ёмкость обычно невелика (единицы пикофарад) и может быть расчитана из формулы:

В нашем случае известно что:

 мм,  Ом,  мм, С23 = 0,17 пФ, . Тогда:

 мм

Итак, определены все элементы топологической схемы, геометрические размеры которых приведены в табл.4.6.

   Таблица №4.6. Геометрические размеры элементов топологии трёхкаскадного МШУ

На рис. 4.19 представлена топологическая схема одного каскада МШУ, а на рис. 4.20 – всего МШУ, состоящего из трёх каскадов.

Рис. 4.19. Топологическая схема одного каскада МШУ

Рис. 4.20. Топология трёхкаскадного МШУ

Вывод

Эта работа была посвящена разработке структурной и функциональной схем приёмного СВЧ тракта земной станции спутниковой системы связи, а также расчёту одного из элементов этого тракта – малошумящего усилителя на основании требований по обеспечению заданного коэффициента шума и усиления. Как показали результаты расчёта  с помощью пакета прикладных программ моделирования СВЧ схем MicroWave Office 4.02, МШУ обеспечивает заданные требования по значениям коэффициента усиления, коэффициента шума, неравномерности усиления.  Функциональная схема разработанного СВЧ тракта  довольно проста, но она достаточно чётко отражает процесс преобразования аналогового ЧМ сигнала.

Перечень ссылок

1. Спутниковая связь и вещание: Справочник. – 3-е изд./Под. ред. Л. Я. Кантора. – М.: Радио и связь, 1997.-528 с.

2. Справочник по учебному проектированию приёмно-усилительных устройств.- К.: Вища школа, 1972.

3. Радиоприёмные устройства. Проектирование на ИМС. – М.: Радио и связь, 1989.

4. Системы спутниковой связи / А. М. Бонч-Бруевич, В.Л. Быков, Л. Я. Кантор и др; Под ред. Л. Я. Кантора: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1992. – 224 с.: ил.

5. Мордухович Л. Г., Степанов А. П. Системы радиосвязи. Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1987. – 192 с.: ил.

6. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Л. Г. Гассанов, А. А. Липатов,             В. В. Марков, Н. А. Могильченко. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.: ил.

7.  Проектирование интегральных устройств СВЧ: Справочник / Ю. Г. Ефремов,               В. В. Конин, Б. Д. Солганик и др. – К.: Техника, 1990. – 159 с.

8. Микроэлектронные устройства СВЧ: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов/ Г. И. Веселов, Е. Н. Егоров, Ю. Н. Алёхин и др.; Под ред. Г. И. Весе-лова. – М.: Высш. шк., 1988. – 280 с.: ил.

9. Интегральные устройства СВЧ телекоммуникационных систем / М. Е. Ильченко,         А. А. Липатов, Н. А. Могильченко, Т. Н. Нарытник, А. В. Савельев, Ю. И. Якименко. – К.: Техника, 1998. – 110 с.

10. Брагин А.С. Методические рекомендации для расчётных  занятий по учебной дисциплине „Радиотелекоммуникационные системы”. – К: НТУУ „КПИ”, 2002, - 49 с.

11. MicroWave Office 4.02

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6