РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО СВЧ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ. Разработка линейного свч усилителя мощности
 Скачать 1.03 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный аэрокосмический университет» им. академика М.Ф Решетнёва Кафедра Электронной техники и телекоммуникаций Реферат РАЗРАБОТКА ЛИНЕЙНОГО СВЧ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ Студента 2 курса, группы МСС13-01 дисциплина «Теория построения инфокоммуникационных сетей и систем» Шокиров Владислав Андреевич Реферат проверен «»2014г. Оценка. ДоцентПономарев Д.Ю. Красноярск 2014 СодержаниеВведение 3 Этапы разработки УМ 5 1.Изучение требований к усилителю мощности 7 2.Технологии изготовления транзисторов 11 3.Анализ транзистора 13 3.1.Входной и выходной импеданс 13 3.2.K фактор 14 4.Определение питания 16 5.Необходимость согласование СВЧ усилителя мощности 17 6.Создание топологии 24 7.Обмерение 25 8.Сравнение показателей требований 25 Используемая литература 27 ВведениеРазработку полупроводникового усилителя мощности можно описать, как создание электрической схемы, в которой решающим элементом служит транзистор (активный элемент), и его выбор осуществляется таким образом, чтобы необходимые параметры совпадали настолько, на сколько, это возможно к требованиям. Разработчик схемы не может повлиять на параметры транзистора. Они устанавливаются геометрией, точностью изготовления, и физикой проводников [1]. Обычно разработчик выбирает транзистор из каталога, руководствуясь и ограничиваясь представленными S-параметрами. В качестве примера, представлен на рисунке 1 транзистор TGF2023-2-01 – GaN однокаскадный транзистор, выполненный на Si по технологии ТВПЭ, (HEMT - High-electron-mobility transistor) с возможной полосой до 18 ГГц. Справа от топологии представлены основные параметры, по которым быстро и удобно ориентироваться в выборе транзистора.   а) б) Рисунок 1.Транзистор компании TriQuint TGA2023-2-01 На сегодняшний день разработка микрополосковых схем основывается на цифровом моделировании. И пока компьютер не заменил человеческий навыки, знания и опыт, разработчик должен уметь рассчитывать, оценивать и умело использовать модели, чтобы получить желаемый результат. Количество симуляторов постоянно увеличивается, тем не менее, вопрос универсальной модели, которая могла бы использоваться для моделирования всех транзисторов (кристаллов), остается открытым, потому что модели, используемые при проектировании обычно имеют ограничивающие факторы, в пределах которых модель показывает реальную картину. Разработчик часто сталкивается с выбором подходящей модели, которая поддерживается симулятором и лучше описывает определенный транзистор. Однако для того, чтобы это выполнить, необходимо правильно оценить и описать реальный транзистор. Данная работа посвящена знаниям, которыми должен обладать разработчик для того чтобы успешно выполнить работу по созданию усилителя мощности. Логической отправной точкой для разработки радиочастотного усилителя мощности должна быть определена с того, что такое в общем усилитель мощности (УМ). Усилитель мощности является неотъемлемым компонентом, имеющий ключевую роль в реализации микроволновых и миллиметровых длин волн [2]. УМ охватывают широкий спектр областей [3], среди которых телекоммуникации, радары [4-6], радиоэлектронная безопасность, отопление, медицина [5-6]. Независимо от физической реализации, задачей усилителя мощности является повышение уровня мощности входного сигнала в широком диапазоне частот до заданного уровня. Учитывая такие чрезвычайно различные области, специализированные УМ могут сильно различаться в операционных, технологических и конструкторских требованиях. Как следствие, УМ имеют огромную вариацию, от ламповых усилителей бегущей волны спутниковых системах до твердотельных усилителей для персональной беспроводной телекоммуникационной связи [2]. И главной движущей силой в выборе активного элемента, входящих в УМ, где используются его, выходные мощностные характеристики, является диапазон рабочих частот и необходимый уровень мощности. Разработанный УМ как правило является результатом компромисса, между нескольких противоречивых требований таких как линейность, эффективность и уровнем выходной мощности и уровнем искажений. Подход к решению должен выбираться в зависимости от рабочей частоты и пропускной способности, доступной технологией устройства и д.р. параметров. Таким образом разработка усилителя мощности является сложной комплексной задачей, требующей глубоких знаний в светотехнике, основ теории цепей, теория электромагних полей и волн, термодинамике и д.р. областей. Этапы разработки УМРазработка усилителя мощности, как и любая другая схема, разделяется на серию систематических шагов, начиная от определения требований к УМ до реальных измерений цепи и сравнения с требованиями [2, c. 51]. В данном случае речь пойдет о полупроводниковом транзисторе. Типичными шаги разработки представлены на Рисунок 2. Первый проход заключается в выборе технологии, которые будут приняты для проектирования и последующего выбора типа активного устройства (FET, MOSFET, MESFET, LDMOS, HEMT и д.р.) соответственно и выбирается материал из которого сделан сам транзистор (Si, Ge, GaAs, GaN, 4H-SiC, InP) [2, c. 29].  Рисунок 2. Этапы разработки УМ Однако нужно заметить, что кристаллы выбирают не по технологии. В описании к активному элементу прилагается документация, в которой уже предоставлены в наглядной форме необходимые для проектирования параметры, и которые были измерены именно для предоставляемой модели. На следующем этапе рассматривают технологию, по которой будут осуществлять технологическую реализацию устройства. УМ может быть выполнен на гибридной (МИС, микрополосковая интегральная схема) или монолитной (ММИС, монолитная микрополосковая интегральная схема). Выбор осуществялется я в зависимости от применения, возможности изготовления и бюджета. МИС как правило служит для создания экспериментальных моделей, позволяя создавать небольшие платы с отдельными компонентами. Что позволяет проверить компонент на ошибки, и в случае ошибки легко ее обнаружить. На этапе когда выбран тип активного элемента и технология изготовления, следующим шагом определяется предварительная архитектура, требуемой для достижения электрических спецификаций. Данный шаг достаточно сложный, разработчик должен обладать опытом для того, чтобы предварительно правильно оценить возможность теплоотвода, габариты конечного устройства, реальные электрические параметры. После определения типа активного элемента, технологии, архитектуры начинается работа с активным элементом, где определяются входные и выходные импедансы активного устройства в малом и большом сигнале, частотное поведение, обеспечение выполнения условий стабильности [7]. Однако измерение в большом сигнале не всегда доступно, по той причине, что измерение данных параметров требует дополнительное дорогостоящее оборудование. Следующий этап обозначен как определение токов смещения и питания, однако их определяет не разработчик усилителя. В документации к активному элементу уже представлены необходимые значения токов и подаваемых напряжений для получения соответствующего усиления. Данный подход сильно упрощает работу разработчика УМ для инженера, ему лишь остается посмотреть величины токов и предусмотреть варианты подключения, чтобы обеспечить условия: цепи питания должны вносить минимальное влияние и обеспечивать прохождения тока. После чего создают согласующие цепи. Этот шаг является достаточно трудоемким и занимает большую часть разработки УМ, т.к. задание относится к задачам оптимизации. Для сокращения времени на согласование, используют компьютерные модели, где реализуют цепи и осуществляют оптимизацию. После того как у разработчика есть уже готовая модель активного элемента и цепей согласования, добавляются цепи питания. В следующей фазе разработчик определяет требования к плате, в основном для производственного процесса: количество слоев, расстояние между отверстиями, формы передающей линией и другие требования. После данного этапа конструкция УМ завершается и передается для ее физической реализации. После изготовления, производятся измерения, тестирования, анализ и сравнения с требованиями. У реальных моделей, особенно при работе с СВЧ приборами, при реализации присутствуют отклонения от расчетов, поэтому прибор подстраивают и используя уже полученные данные, осуществляют перевыпуск модели. Получается замкнутый цикл, который будет продолжаться до тех пор, пока полученное устройство не будет удовлетворять всем спецификациям и электрическим параметрам. Таким образом завершается работа по разработке усилителя мощности. Изучение требований к усилителю мощностиТехническое задание к усилителю мощности, или другому любому прибору, представляет и себя документ, в котором указаны все необходимые для разработки условия исполнения. В документе указываются не только необходимые электрические параметры усилителя, но и условия эксплуатации, условия окружающей среды, максимальные и предельные температуры отказа, предельные габариты, время на отказ (регламентируется гостом ГОСТ РВ 20.39.304-98). Требования по температуре, столь неважный на первый взгляд параметр, иной раз оказывается решающим при выборе элементов, входящих в усилитель мощности. Это связано с тем, что компоненты СВЧ чувствительны к изменениям окружающей среды. Элементы разрабатываемые для широкого температурного диапазона имеют большую стоимость, поэтому ко всем элементам СВЧ технике указываются диапазоны рабочих и предельных температур, которые нужно учитывать и делать окончательный выбор, который является компромиссом между электрическим параметрами, технологическими и ценой. Однако в первую очередь рассматриваются основные электрические требуемые параметры, указываемые в техническом задании: Диапазон рабочих частот. Указывает пределы частот, в которых способен работать усилитель мощности. Именно в этих пределах будут проводиться дальнейшие проверки усилителя. показывает S-параметры для уже согласованного транзистора (усилитель мощности HMC392LC4 компании Hittite) . Рабочая полоса определяется, как правило, по вводимым потерям (S21) по уровню -1дБ. Другими словами, частоты на которых коэффициент усиления упал на -1 дБ от максимального усиления, являются границами полосы.  Рисунок 3. S-параметры усилителя мощности TriQuint TGF2505. Выходная мощность – мощность, получаемая на выходе усилителя в заданной полосе частот при уровне указанной входной мощности. Может указываться для определенной входной мощности, либо же для полосы уровня мощности. График выходной мощности от входной выглядит следующим образом:  Рисунок 4. Зависимость выходной мощности от входной Из Рисунок 4 видно, что усилитель работает в линейном режиме при входной мощности от 0 до 40дБ. Точка компрессии по уровню 1дБ (Psat – русские обозначение, P1B1 – международное обозначение). Коэффициент усиления, определяемый как отношение выходной мощности к входной, в идеальном случае не имеет ограничений, однако реальные усилитель в зависимости от входной мощности начинает входить в насыщение. Точка в которой коэффициент усиления падает на 1дБ является точкой компрессии (Рисунок 5).  Рисунок 5. График выходной мощности в зависимости от входной мощности усилителя Однако точка компрессии является частотозависимой величиной, поэтому следующим логическим параметром будет зависимость точки компрессии от частоты (неравномерность Psat). Неравномерность Psat. Для примера представлены данные из описания на усилитель HMC441LC3B компании Hittite:       Предположим, что нас интересует полоса от 10 до 14 ГГц. Отмечаем максимальный уровень и минимальный, который находиться на границе нижней частоты 10 ГГц. Таким образом неравномерность Psat составляет 0,8 дБ. Неравномерность АЧХ (амплитудно-частотная характеристика). Здесь прежде, чем дать определение, необходимо сделать замечание, что на практике стараются делать полосу шире заданного диапазона частот. Это связано с тем, что при изготовлении частота сдвигается в сторону низких частот [8], поэтому целесообразно делать полосу шире не менее чем на 30%. Неравномерность оценивают в полосе заданных частот и определяется из графика S12, как разность между максимальным значением вводимых потерь к его минимальному значению. Только после изучения всех необходимых требований можно приступать к шагу выбора транзистора. На данный момент достаточно много компаний занимаются разработкой высокочастотных усилителей мощности и транзисторов: Eudyna, Nitronex, Сree, RFHIC, чуть позднее к ним присоединятся Toshiba, RFMD, TriQuint, OKI, NXP и ряд других компаний [9]. На счету каждой компании огромное количество разработок. Для того чтобы инженеру было удобно выбрать транзистор, компании создают каталоги, в которых указывают основные параметры, позволяющие сориентироваться в выборе для проектирования усилителя мощности в соответствии с требованиями. Рассмотрим основные параметры, которые указываются тля транзисторов. Диапазон рабочих частот. Показывает частоты на которых может работать транзистор. Однако нужно заметить, что протяженность полосы будет определять разработчик при согласовании транзистора с трактом СВЧ, именно в этом разница между диапазоном частот готового усилителя и полосой частот транзистора. Т fн ранзисторы в основном приобретаются зарубежные, поэтому все описания пишутся на английском и обозначаются по английским стандартом. Разделение диапазонов показаны в Таблица 1. Часто в описаниях к серии дается расшифровка названий усилителей, и как правило в названии входит диапазон частот, что создает некоторые удобства при поиске. Таблица 1. Разделение диапазонов в сооветствии с английскими стандартами, ГГц
Максимальный коэффициент усиления. Определяется как соотношение прямых потерь и обратных. Напряжения и токи смещения. В ходе работы будет показано, что разработчик не рассчитывает токи питания и смещения, они указываются в ознакомительном поле, тем самым уже определяя необходимый уровень. Технология. Здесь может говориться о материалах из которых выполняется кристалл с указанием толщины. Это скорее относится не к электрическим параметрам, а к техпроцессу, чтобы знать температуру пайки, материалы для пайки. Также нужно учесть, что некоторые компании обмеряют транзистор, с помощью дорогостоящих зондовых станций, непосредственно на входе и выходе транзистора. Однако на кристалле есть специальные площадки для подключения, которые вносят свой вклад. Он не значителен, однако, если необходимо точно проанализировать модель, то площадки должны быть учтены. Размеры чипа. Для разработчика данный параметр может помощь для оценки габаритов и возможной отводимой тепловой мощности транзистора. Технологии изготовления транзисторовРеализация высокомощного устройства требует особое внимание к выбору полупроводниковых материалов. Материалы должны обеспечить электрические параметры, устойчивость к температурным изменениям, возможность монтажа, посредством которого обеспечивается теплоотдача, и предотвращение перегрева с последующим саморазрушением. По началу для микрополновых устройств использовалcя кремний (Si), на ряду с ним использовали Арсенид Галия (GaAs). Кремний стоил дешево, GaAs был явно дороже, но арсенид галлия вскоре охватил микроволновые волны выше 2ГГц. Это произошло сначала в малошумящих принимающих устройствах [10]. Так или иначе, не смотря на серьезные материальные и вопросы надежности, которые решались десятилетие, GaAS позволял создавать устройства с пропускной способностью до 10-ов Ватт, тем самым частично замещая технологии ламп бегущей волны (ЛБВ) [10]. Все усложнялось тем, что полупроводниковые приборы выходили на большой объем потребительского товара, и требовало уменьшения стоимости полупроводниковых технологий, и кремний стал возвращать свои позиции. Высокая мощность, определяется требованиями сотовой базовой станции на 830 МГц и тактовой частотой 2 ГГц, и с этой задачей вполне могла справиться Si технология, которая не могла сравниться с GaAS на сверхвысоких частотах, используемые в военных целях и для спутников. Однако превосходно справлялась с задачей на низких частотах при меньшей стоимости. Самая недавняя разработка появившаяся для полупроводниковых усилителей в области СВЧ – усилители на нитрид галия (GaN ) [11], который обладает превосходными параметрами по температурной устойчивости, электрическим показателям. Транзисторы на GaN позволили качественно повысить коэффициент усиления и выходную мощность, что позволило уменьшить габариты и массу усилителей в сравнении с усилителями на арсениде галлия [12]. Основные структурные исполнение представлены на Рисунок 6. Усилитель мощности  Рисунок 6. Дерево семейства радиочастотных усилителей мощности BJT – Bipolar junction transistor (биполярный плоскостной транзистор) HBT –Heterojunction bipolar transistor (биполярный гетеротранзистор) FET - Field-effect transistor (полевой транзистор) MOSFET - The metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (Метал-оксид полупроводникой (МОП ) полевой транзистор) MESFET - metal semiconductor field-effect transistor (метал-полупроводниковый полевой транзистор) LDMOS - laterally diffused metal oxide semiconductor (смещенно диффузная МОП технология на основе кремния) HEMT - A High-electron-mobility transistor (Транзистор с высокой подвижностью электронов) P-HEMT – транзистор с высокой подвижностью электронов на основе псевдоморфных гетероструктур. M-HEMT - Metamorphic High Electron Mobility Transistor (HEMT на основе метаморфного гетероперехода) Большую часть рынка аналоговых технологий в настоящее время охватили биполярные транзисторы. Однако в цифровой технике – полевые транзисторы вытеснили биполярные транзисторы [13]. Переход с одной технологии на другую связаны с увеличением требований в радиопередаче, связанное со стремление использовать более высокие частоты. Исследования по использованию новых материалов продолжается, поэтому будут разрабатываться новые технологии более дешевые, технологичные. Выбор на какой технологии использовать транзистор зависит от стоимости, габаритов, характеристик. Здесь необходимо заметить, что разработчик усилителя не смотрит на какой технологии изготовлен усилитель, он смотрит на габаритные, электрические, термодинамические показатели транзистора. Поэтому в данной главе не будут подробно рассмотрены технологии исполнения, т.к. разработчика в первую очередь интересуют электрически параметры и их устойчивость в климатических условиях, которые представлены в удобном виде: графиков, таблиц, сводок. Именно таким образом выбирается транзистор, исходя из проверенных, измеренных данных, при этом инженеру не обязательно знать технологию исполнения, т.к. усилители изготовленные на основе одной технологии могут различаться по параметрам. Анализ транзистораВходной и выходной импедансВажным шагом в проектировании СВЧ компонентов является вопрос широкополосного согласования, а также коррекция частотной характеристики. В общем случае необходимо согласовать комплексные импеданса источника и нагрузки [14]. И первый вопрос, который возникает, где или как определить входной и выходной импеданс транзистора. Иногда, производитель указывает входной и выходной импеданс на одной частоте, при определённых условия, но эти данные больше играют ознакомительную роль. В этом случае можно получить усилитель согласованный только на одну частоту. Учитывая тот факт, что импеданс величина частотно зависимая, данные в документ с описанием не добавляют. Вместо этого предоставляют отдельный файл S-параметров в формате .s2p, а далее, с помощью специализированных программ (AWR Design Environment 10, Smith, CST studio и др.) переводят в импеданс, представляя его в удобном виде на диаграмме Вольперта-Смита [15]:  Рисунок 7. Входной и выходной импеданс транзистора TGF2023_2-01 на диаграмме Вольперта-Смита Входной импеданс (Zin) и выходной (Zout) через S-параметры определяются следующим образом [20]:  101\* MERGEFORMAT (.)На данном этапе уже можно определить тип согласующей цепи и возможность согласования, это видно из диаграммы Смита. Сопротивления на частотах, которые ниже горизонтальной прямой, имеют емкостной характер т.к. из основ теории цепей известно, что отрицательным комплексным сопротивлением обладает емкость. Соответственно, на частотах сопротивление отмеченное на диаграмме Вольперта-Смита выше горизонтальной прямой имеет индуктивный характер. Далее эти данные будут использоваться на этапе согласования. K факторДо сих пор транзистор рассматривается как одностороннее устройство, другими словами сигнал проходит только от входа к выходу, но не в обратном направлении. Предположение, что устройство одностороннее, означает, что S12 равно нулю. S12 представляют обратную связь, количество энергии, которая проходит с выхода на вход, в связи с этим выход может «кормить» вход [1, с. 409]. Сигнал поступивший на вход с выхода повторно усиливается и снова отражается. Таким образом усилитель будет самогенерироть, такое транзистор по определению не стабилен. Поскольку во всех случаях S22 не равен нулю, то существует путь от выхода ко входу. И существует такая возможность, что коэффициенты отражения по входу и выходу будут больше единицы за счет усиления. Когда одно или оба эти условия возможны, транзистор называется потенциально нестабильным. На практике, как правило, для определения используют К-фактор, который не требует сложных построений графиков [1, с.409]. K-фактор определяют как:   Где  Усилитель безусловно стабилен при условии  Или эквивалентным выражением [вайт 324]  Где  Применим данный тест к транзистору TGF2023-2-02, используя AWR Design Environment 10. Результаты представлены в виде графика (Рисунок 8).  Рисунок 8. K-фактор, B1 для транзистора TGF2023-2-02 в диапазоне частот 6-15ГГц Из полученных данных видно, что усилитель потенциально не стабилен на частотах выше 9,7 ГГц. Для того чтобы это поправить необходимо добавить стабилизирующую цепь, или же другими словами понизить уровень мощности на высоких частотах, таким образом коэффициент усиления уменьшиться, но повыситься стабильность транзистора.  Рисунок 9. Шунтирование емкостью входную цепь питания  Рисунок 10. К-фактор и B1 до и после шунтирования Таким образом стабильность усилителя была повышена до 12ГГц. Практика показывает, что важно обеспечить полосу стабильности не менее чем на 30% в каждую из сторон. В противном случае есть большая вероятность того, что в результате технологических ошибок транзистор начнет самогенерировать, что приведет к самовыгоранию. Определение питанияНа данной точке предполагается, что мы будем рассматривать токи смещения и питания. Это необходимо чтобы обеспечить рабочую точку [16]. Здесь нужно обратить внимание на то, что предоставляемые S-параметры измеряются при уже заданных напряжениях, токах источника. Поэтому производитель уже указывает необходимые параметры по умолчанию (Рисунок 11.). Также указываются номиналы резисторов, которые нужно подключить по питанию.  Рисунок 11. Файлы S-параметров для транзистора TGF2023-2-02 Изучив необходимые уровни питания, заканчивается этап "Определения токов и напряжений смещения". Необходимость согласование СВЧ усилителя мощностиПожалуй после главного вопроса о выборе транзистора, на второе место для разработчика стоит поставить вопрос согласования. Данный этап является самым трудоемким для разработчика и требует тщательного подхода. Что же такое согласование? Первые результаты согласования двухпортового линейного радиочастотного усилителя получили Мэйсон [17] и Роллет [18]. То что было получено Мэйсоном и Роллет можно показать наглядно с помощью рисункаРисунок 12. Устройство представленные в виде двухпортовой матрицы S-параметров, имеет входное и выходные сопротивления, которое включает как активное, так и реактивное сопротивление, поэтому более корректно обобщая данные сопротивления говорить импеданс. Как и любой другой четырехполюсник, устройство обладает коэффициентом отражения. Коэффициенты отражения, приставленные к транзистору могут регулироваться с помощью отдельных элементов (например передающими линиями, конденсаторами, катушками) [11, c.2]. Таким образом, настраивают необходимый уровень отражения, усиления и уровень выходной мощности. Использование тюнеров как необходимое средство для достижения полезного усиления от СВЧ устройства часто является непосредственным источником замешательства для инженеров аналоговых устройств, привыкших работать с более низкими частотами. Почти тоже самое можно было бы сказать об установленных 50 Ом на микрополосковых передающих линий. Не каждый, даже опытный инженер знает, почему линии согласованы на 50 Ом, он это принимает как факт. Однако ответ на этот вопрос прост. Максимальный коэффициент передачи по мощности для передатчика наблюдается при сопротивлении 30 Ом, с учетом максимального напряжения пробоя. Наименьшее ослабление сигнала в коаксиальном кабеле достигается при 77Ом. Для приемных систем было принято как стандарт округленное значение —75 Ом. Таким образом оптимальное сопротивления для приема-передачи является 50 Ом. Однако активный элемент имеет собственное комплексное сопротивление т.е. он обладает не только активной составляющей, но и реактивной. Максимальная мощности достигается при согласованном входе и выходе, а согласование достигается посредством установки комплексно-сопряженного сопротивления [1, с.40]. Соответственно для того чтобы получить максимальную выходную мощность, необходимо поставить две согласующие цепи (СЦ1, СЦ2, Рисунок 12). Согласующие цепи представляют собой что-то вроде трансформатора, где СЦ1 трансформирует входное сопротивление 50 Ом во входное сопротивление активного элемента, а СЦ2 трансформирует выходное сопротивление активного элемента в сопротивление выходной линии (Рисунок 12).  Рисунок 12. Схема двухпортового усилителя мощности с входной и выходной согласующими цепями Для согласования СВЧ компонентов необходимо знать теорию фильтров [19]. В частности необходимо понимать, что такое активное сопротивление, комплексное сопротивлении и как их согласовывать. Подробная теория по согласованию СВЧ компонентов изложена в источнике [25], а также примеры моделирования и расчетов [1, с.399-482, 2, c.71-81,24, 11, c.92-102, ]. Принцип согласования заключается в последовательном изменении сопротивления от нагрузки 50 Ом к входному импедансу усилителя, при этом нужно учесть тот факт, что компенсация комплексной составляющей должна быть как можно ближе к входу усилителя. Согласующая цепь должна быть достаточно широкой у входа/выхода усилителя, чтобы обеспечить проход мощности до и после усиления и при этом не выгореть. Создание схемы электрической принципиальной согласующих цепей начинается с установкой комлпесно-сопряженных сопротивлений по входу или выходу [1, c.417]. Реализация основана на свойствах микрополосковой линии. Если линии нагружена на разные сопротивления, то мнимая часть комплексного входного сопротивления линии сложным образом зависит от длины:  Рисунок 13. Мнимая часть комплексного сопротивления а) последовательно подключенного трансформатора, б) параллельно подключенного трансформатора Варьируя длиной полосковой линии, мнимая составляющая комплексного входного сопротивления, меняется от -∞ до + ∞. Таким образом инженер обладает полным набором реактивных сопротивлений. Альтернативный вариант использовать эквивалентные схемы элементам со средоточенными параметрами. Элементы схемы с распределенными параметрами, с помощью которых можно всегда создать несколько вариантов согласующих цепей.  Рисунок 14. Элементы с распределенными параметрами и их эквиваленты Немаловажным элементом в согласовании является четвертьволновый трансформатор:  а) б) в) Рисунок 15. Трансформатор: а) одиночный четверть волновой трансформатор б) двухсекционный четвертьволновый трансформатор в) конический трансформатор Четверть волновые трансформаторы используют для согласования активного сопротивления. Одноячеечный трансформатор (Рисунок 15, а) позволяет согласовать на одну частоту. Добавление звеньев расширяет полосу (см. Рисунок 15, б), но согласно утверждению Бора и Фано величина полосы пропускания и уровня коэффициента заграждения взаимозависимые величины. При увеличении полосы, увеличивается коэффициент отражения и наоборот [20]. Четверть волновые трансформаторы занимают достаточно много места на плате, что накладывает ограничения по их использованию. Поэтому выбор количества ступеней четвертьволновых трансформаторов является компромиссом между электрическими параметрами и габаритными параметрами. Существует еще одно логическое продолжение для многоступенчатых четвертьволновых трансформаторов – конический трансформатор (Рисунок 15, в). Если несколько четвертьволновых трансформаторов разделены каскадно, шаги ширины стыков весьма малы, то они могут быть сглажены, чтобы дать постепенный переход сопротивления линии входа к выходной линии. Это, как правило, дает эффект отдаления частотной характеристики в область высоких частот. Знания теории фильтров позволяют лишь оценить приближение к реальной модели, используя приближенные выражения, без учета потерь, погрешностей. Более точно вычисления выполняются на цифровых вычислительных машинах, которые позволяют быстро рассчитывать параметры цепей по сложным емким выражениям. В первую очередь собирается линейная модель СЦ. В виде схемы электрической принципиальной (Рисунок 16Error: Reference source not found). Затем генерируется топология модели в виде микрополосков (Рисунок 17). Входная СЦ Выходная СЦ   Цепь питания по входу Цепь питания по выходу Рисунок 16. Схема электрическая принципиальная для усилителя TGF2023-2-10 в программе AWR Design Environment 10.  Выходная цепь питания  Входная согласующая цепь  Входная цепь питания Выходная цепь согласования   линия передачи с разделительной емкостью  Кристалл TGF2023-2-10  Er=3.38 H=0.254 мм Er=9.8 H=0.127мм Рисунок 17. Топология согласованного транзистора TGF2023-2-10 с цепями согласования и питания в программе AWR Design Environment 10.  Рисунок 18. S-параметры согласованного транзистора TGF2023-2-10. Создание топологии является отдельной точкой в создании согласующих цепей. Под топологией понимается конечная картинка согласующих цепей в виде реальных элементов. На данный момент область разрабоки СВЧ технологий достаточно хорошо обеспечена программным обеспечением. Существует множество программ как платных (AWR Design Environment 10, CST Studio, MultiMatch Amplifier Design Wizard, HFSS Ansoft, Sonnet Software, Agilent IC-CAP и д.р.) так и бесплатных (Smith v 2.02, Line), которые представляют собой универсальные программные решения для разработки СВЧ устройств. Одной из основных особенностей платных программ заключается в том, что они обладают механизмом автоматического создания топологии по схеме принципиальной [8]. Это упрощает и ускоряет работу разработчика т.к. это автоматизирует и заменяет ручную работу по расчету цепей усилителя. Помимо этого, программы оснащены инструментом 3D моделирования, которые позволяют более точно оценить корректность линейных моделей. Возможно возникнет вопрос, почему тогда сразу не используют 3D моделирование? Ответ заключается в том, что 3D модели требуют больше ресурсов компьютера, время расчета значительно увеличивается в сравнении с линейными моделями. Линейное моделирование позволяет оценить первоначальное приближение с высокой расчетной скоростью, после чего, когда схема принципиальная создана, создается 2D топология, которая переноситься в 3D-модель для коррекции [8]. Пример представлен на Рисунок 19 [8]. Где представлена выходная согласующая цепь для транзистора Mitsubishi MGF909A в виде схемы электрической принципиальной под а, 2D топологией б и последующей коррекции в среде электромагнитного моделирования AWR Design Environment 10 .  а)  б)  в) Рисунок 19. Синтезированная выходная согласующая цепь а) схема электрическая принципиальная б) топология в) откорректированная посредством 3D-моделирования. Чтобы ограничить потребление энергии, активные устройства как правило работают в режимах больших сигналов, где возникает нелинейность. В стремлении получить большой коэффициент усиления, приходится увеличивать питание, необходимо увеличивать пропускную способность проводников, что влечет за собой увеличение габаритов и пагубного влияния. Поэтому приходится изощряться, добавлять дополнительные элементы, чтобы уменьшить влияние от цепей питания. Нет необходимости говорить об актуальности и важность габаритных размерах элементов устройства, учитывая тенденцию к уменьшения [21, 22]. В заключение можно сказать, что создание согласующей цепей, есть ни что иное как поиск компромисса электрических параметров, а также габаритов габаритами Создание топологииНа этом этапе основная работа разработчика заключается в установлении необходимых конструкторских требований. Разработчик должен максимально кратно, ясно и точно определить и изложить требования к исполнению усилителя. А также предусмотреть необходимые инструменты для дальнейшей проверки и настройки. В документе должно быть четко изложены требования по установке транзистора, монтажу элементов, размер возможных зазоров, габариты, разрешенные материалы, подвод зазеления, допуски. Помимо этого для конструктора излагаются требования по устойчивости к вибрации, температуре. Р Транзистор с основанием азработчик должен предусмотреть возможность проверки усилителя по всем пунктам технического задания. Если измерения будут проводиться непосредственно на анализаторе спектра, то необходимо разработать оснастку для подключения к разъемам анализатора спектра (Error: Reference source not found,а), если же посредством зондовой станции, то нужно предусмотреть соответствующие площадки заземления под щупы (Рисунок 20Error: Reference source not found,б) [23].  Коаксиальный переход Основа оснастки Стенка оснастки а) Площадки заземления для щупов зондовой станции  Транзистор Пьедестал Перемычки б) Рисунок 20. Приспособления для а) для подключения к анализатору спектра непосредственно б) посредством зондовой станции. Здесь необходимо обратить внимание на то, что оснастка требует дополнительные линии связи, которые будут вносить свои изменения на показатели усилителя. Для того чтобы их исключить, выполняют калибровку с учетом искажений и потерь в данных линиях и разъемах. ОбмерениеНезависимо от того, насколько уверен инженер в разработке, изделие должно быть проверено и измерено. На данном этапе производить снятие измерений по всем пунктам технического задания. Все измеренные данные сохраняются для дальнейшего анализа. Сравнение показателей требованийНет такой модели в СВЧ технологиях, которая точно могла бы показать реальную картину. Это связано не с тем, что не могут создать такую модель, а с тем, что СВЧ технологии чувствительны к погрешностям производства, которые неизбежно возникают в результате изготовления. Как результат, показатели расчетной и реальной модели расходятся. Именно для этого на этапе проектирования полосу пропускания и уровень усиления рассчитывают с небольшим запасом. В том случае, если модель правильно построена, то реальная характеристика будет отличаться незначительно, тогда сразу можно перейти к этапу «завершее». В другом случае модель потребует корректировки. В случае большого расхождения расчетных и реальных данных, производят анализ для определения ошибки. Ошибки устраняются посредством подстройки. После подстройки повторяются измерения. Данный цикл будет повторяться до тех пор, пока усилитель не будет удовлетворять всем требования. После выявления ошибок, производят перевыпуск изделия и повторяют этапы измерения, сравнения. Когда показатели совпадут, разработка линейного аналогового полупроводникового усилителя мощности завершается. Используемая литератураWhite J.F., High frequency techniques : an introduction to RF and microwave engineering /JFW Technology, Inc - p. 2 Paolo Colantonio, Franco Giannini, Ernesto Limiti. High efficiency RF and microwave solid state power amplifiers.// Paolo Colantonio, Franco Giannini, and Ernesto Limiti Department of Electronic Engineering, University of Roma, Tor Vergata. Italy, 2009 - p.1 K. Misra, Radio-Frequency And Microwave Communication Circuits Analysis And Design, John Wiley & Sons,Inc., 2002 – p.34 F.H. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P.B. Kenington, Z.B. Popovic’, N. Pothecary, J.F. Sevic, N.O. Sokal. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave’/IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol. 50, N. 3, March 2002, pp. 814–826 M. Iwamoto, A. Williams, P.-F. Chen, A.G. Metzger, L.E. Larson, P.M. Asbeck. An extended Doherty amplifier with high efficiency over a wide power range’/ IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol. 49, N. 12, Dec. 2001, pp. 2472–2479. K. Bumman, K. Jangheon, K. Ildu, C. Jeonghyeon. The Doherty power amplifier/ IEEE Microwave Mag., Vol. C. Kyoung-Joon, K. Wan-Jong, K. Jong-Heon, S.P. Stapleton. Linearity optimization of a high power Doherty amplifier based on post-distortion compensation’/IEEE Microwave Wireless Compon. Lett., Vol. 15, N. 11, Nov. 2005, pp. 748–750. И. Бошнаков. Разработка СВЧ усилителей мощности класса А за один цикл проектирования, используя только S-параметры [Электронный ресурс]/ Chip News #10 (93), 2004. Пер. Ю.Потапова А.А. Кищинский. Твердотельные СВЧ усилители мощности на нитриде галлия - состояние и перспективы развития.//Материалы 19 Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, 2009 г. М.Лаврентьев, Д.Гелерман. Новое поколение твердотельных усилителей мощности GаN HEMT в системах спутниковой связи и вещания.В.#3/2013 Cripps, Steve C. RF power amplifiers for wireless communications.—2nd ed.//Artech House microwave library. - p 15 М. Лаврентьев, руководитель департамента технического развития, Qtech. GaN-усилители мощности от Advantech Wireless[Элекронный ресурс]/ Advantech Wireless. Егоров А. Применение MOSFET транзисторов NXP Semiconductors в электронике// Компания Гамма Санкт-Петербург. Дорофеев, С.Ю. Структурно-параметрический синтез шорокополосных согласующей-корректирующеих цепей СВЧ устройств на основе морфологического и-или дерева и генетического алгоритма [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.12.07)// Леонид Иванович Бабак, ТУСУР. – Томск. 2007. – c. 7 19. Ф.Смитю Круговые диаграммы в радиоэлектронике. «Связь», М., 1976, стр. 142 Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers, Analysis and Design, 2nd ed., Cripps, S. C., Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design/Norwood, MA: Artech House, 2002 Kenington, P. B., High Linearity RF Amplifier Design/Norwood, MA: Artech House, 2000. Маттей Д.Л. Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ. Согласуещие цепи и цепи связи. 1972г. том I. 222. Маттей Д.Л. Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ. Согласуещие цепи и цепи связи. 1972г. том I. 222. Я.М. Перцель, Е.Г. Абрамова, Н.П. Пахомов. Особенности проектирования и технологии изготовления многослойных печатных плат для СВЧ устройств на основе жидкокристаллического полимера (LCP) серии Ultralam 3000// ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения» Корякова З.В.,к.т.н.,нач отдела ОАО «ЦКБ РМ». Керамические материалы в СВЧ-технике/ «Компоненты и технологии» №5 2011 г. Peter Aaen, Jaime Pl´a and John Wood, Modeling and Characterization of RF and Microwave Power FETs/ Cambridge University Press, 2007 – p.39 |