Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона - Дипломная работа

Дипломная работа посвящена рассмотрению основ проектирования и построения усилителей мощности СВЧ диапазона. Актуальность данной работы обусловлена в первую очередь высокой перспективностью работы на СВЧ: ширина этого диапазон частот в 105 раз превышает сумму всех диапазонов, используемых «обычной» радиотехникой и электротехникой. Роль диапазона СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием самых разнообразных областей науки и техники - радиолокации, радиоуправления, связи, телевидения, промышленной электроники. В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются различные системы передачи информации СВЧ диапазона: радиорелейные линии, системы космической связи «Орбита», «Экран», «Москва» и тому подобное, системы непосредственного телевещания диапазона 12ГГЦ, системы космической навигации, службы погоды и так далее. Цель исследования: выявить область применения и возможные ограничения для транзисторных усилителей мощности СВЧ диапазона с управляемым коэффициентом усиления, построенных по принципиально различным схемам.В данной главе рассмотрен модуль усиления мощности СВЧ, построенный по схеме с возможностью регулировки коэффициента усиления посредством изменения коэффициента передачи аттенюатора на выходе усилителя, т. е. изменения затухания усиленного сигнала (Рис № 3). Такая схема построения модуля усиления СВЧ получила наиболее широкое распространение ввиду ряда важных достоинств: 1. так как управление коэффициентом усиления происходит на выходе усилителя, входной аттенюатор, сам усилитель и устройство управления находятся в одной рабочей точке, что позволяет не использовать широкодиапазонные приборы. 2. в ходе работы схемы не сказываются нелинейные свойства усилителя и блока управления входным сигналом, так как схема используется только в одной рабочей точке. 3. часть мощности на выходе усилителя подается на устройство управления, которое управляет коэффициентом передачи входного аттенюатора.Прослеживается прямая связь отдельных этапов исследования устойчивости: требования теории, выраженные в форме критериев устойчивости, определяют вид модели (структурная, бесструктурная, физическая, экспериментальная) и требовании к точности ее параметров и, следовательно, к экспериментальной методике. При формулировании требований теории приходится учитывать и экспериментальные возможности здесь имеется следующая (назовем е обратной) связь: экспериментальные исследования позволят представить реальное устройство в виде определенной модели в определенном диапазоне частот, с определенной точностью; устойчивость модели, описанной таким образом, может быть исследована с помощью того или иного критерия; таким образом, модель обуславливает выбор критерия устойчивости. Данный критерий предлагает рассматривать устойчивость при изменении одного или нескольких параметров системы, что в свою очередь ведет к изменению ее характеристического уравнения. Пусть точка N с координатами (CN1, CN2, CN3) соответствует уравнению, имеющему решение (PN1,PN2,PN3), точка M с координатами (CM1 ,CM2 ,CM3) соответствует уравнению, имеющему решение (PM1, PM2, PM3). При изменении какого-либо параметра САУ коэффициенты характеристического уравнения будут изменяться, при этом точка в пространстве коэффициентов, соответствующая данному уравнению будет перемещаться по некоторой траектории, например из положения N в положение M.Шумы возникают в различных элементах устройств - в резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Согласно Джонсону и Найквисту среднеквадратическое значение напряжения холостого хода на любом проводнике может быть выражено как (1.18) где k=1/3805·10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура источника шума в кельвинах; R - сопротивление проводника в Омах; - полоса частот в герцах. В отличие от спектра шумов дробового эффекта, спектр этих шумов не зависит от частоты. Экспериментально показано, что спектральная плотность фазовых шумов, возникающих в усилителях и умножителях частоты (остаточных шумов), изменяется по закону 1/f на частотах от 1 Гц до 5 КГЦ и что шумы этого типа являются результатом непосредственной фазовой модуляции высокочастотного колебания, проходящего через устройство, в активных элементах последнего. Величина отношения мощности одной боковой полосы частот шумов к мощности несущей определяется уровнем входной мощности, уровнем собственных тепловых шумов и коэффициентом шума устройства.В данной главе рассмотрен модуль усиления мощности СВЧ, построенный по схеме с возможностью регулировки коэффициента усиления посредством изменения коэффициента передачи аттенюатора на входе усилителя, т. е. изменения затухания входного сигнала (Рис № 2). Недостатки схемы, описанной в предыдущей главе (возможность получения уровня мощности выходного сигнала ниже необходимого уровня), могут быть устранены путем уменьшения диапазона перестройки ослабления выходного управляющего аттенюатора на фиксированную величину в децибелах с параллельным увеличением на эту величину диапазона перестройки входного по

Содержание

Список сокращений

Введение

1. Исследование схемы с управляющим входным аттенюатором

1.1 Исследование устойчивости схемы

1.2 Исследование шумовых характеристик

Выводы

2. Исследование схемы с управляющим входным аттенюатором

2.1 Построение усилителей мощности на основе ИМС

2.2 Пример расчета транзисторного полосового усилителя мощности СВЧ диапазона

Заключение

Список использованной литературы

Список сокращений

Дипломная работа посвящена рассмотрению основ проектирования и построения усилителей мощности СВЧ диапазона. Стимулом к разработке данной темы послужил тот факт, что к настоящему времени техника СВЧ обладает наибольшими перспективами развития в самых разнообразных отраслях науки и производства.

Актуальность данной работы обусловлена в первую очередь высокой перспективностью работы на СВЧ: ширина этого диапазон частот в 105 раз превышает сумму всех диапазонов, используемых «обычной» радиотехникой и электротехникой. Роль диапазона СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием самых разнообразных областей науки и техники - радиолокации, радиоуправления, связи, телевидения, промышленной электроники.

Сверхвысокочастотные приборы широко используются в ракетной и атомной технике и во многих областях физических исследований. Освоение космического пространства, нарастающее использование электроники СВЧ в ряде областей народного хозяйства и медицине потребуют в будущем еще более широкого применения техники и приборов сверхвысоких частот.

В настоящее время разработаны и успешно эксплуатируются различные системы передачи информации СВЧ диапазона: радиорелейные линии, системы космической связи «Орбита», «Экран», «Москва» и тому подобное, системы непосредственного телевещания диапазона 12ГГЦ, системы космической навигации, службы погоды и так далее.

Важными компонентами этих систем являются широкополосные усилители (ШУ), работающие в качестве предварительных усилителей, усилителей промежуточных частот (ПЧ), видеоусилителей и т.д.

Объектами исследования являются транзисторные усилители мощности СВЧ диапазона, построенные по различным схемам.

Цель исследования: выявить область применения и возможные ограничения для транзисторных усилителей мощности СВЧ диапазона с управляемым коэффициентом усиления, построенных по принципиально различным схемам.

Реализации данной цели способствует решение следующих задач: · Рассмотреть различные схемы построения транзисторных модулей усиления мощности СВЧ диапазона;

· Сравнить рассмотренные схемы по параметрам устойчивости;

· Сравнить рассмотренные схемы по шумовым характеристикам.

Согласно перечисленным задачам, исследование состоит из двух глав, каждая из которых посвящена детальному рассмотрению конкретной схемы построения модуля усиления мощности СВЧ диапазона. Каждая из глав имеет введение с описанием области применения и некоторых характерных особенностей рассматриваемой схемы; в первой главе первый параграф посвящен исследованию с позиций устойчивости; во втором параграфе производится исследование с позиций шумовых характеристик(обусловленных в основном внутренними шумами СВЧ транзисторов); вывод, в котором суммируются полученные сведенья и подчеркиваются ее основные достоинства и недостатки.

В первой главе рассмотрена схема усилительного модуля с управляющей обратной связью и двумя регулируемыми аттенюаторами на входе и выходе устройства: Модуль усиления мощности СВЧ диапазона с регулировкой коэффициента усиления выходным аттенюатором

Рис. № 1

Во второй главе рассмотрена более простая схема с одним управляемым аттенюатором на входе устройства: Усилитель мощности СВЧ диапазона с регулировкой коэффициента усиления входным аттенюатором

Рис. № 2

По результатам исследования можно будет судить о целесообразности промышленного производства рассмотренных устройств, возможностях их применения в тех или иных отраслях радиотехники, применимости их в других научных сферах.