Создание современных полупроводниковых приемопередающих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Тенденцией развития современных полупроводниковых приемопередающих систем является непрерывное продвижение в верхнюю часть СВЧ диапазона, повышение требований к уровню преобразуемой мощности, ширине полосы рабочих частот, надежности и технологичности при одновременном уменьшении веса и габаритов. Этому в значительной мере способствовал прогресс твердотельной технологии, который привел к созданию новых типов электронных приборов и к возможности проектирования новых схем и систем в гибридно-интегральном и полупроводниковом исполнении. При этом анализ и синтез разрабатываемых интегральных схем ВЧ и СВЧ диапазона, а также устройств и систем на их основе, неизбежно должны быть более детальными и точными, поскольку их изготовление обходится дорого и требует больших затрат времени. В связи с этим их изменение и корректировку следует рассматривать как крайнее средство.

Важной частью общей проблемы создания современных полупроводниковых приемопередающих систем является проблема широкополосного согласования произвольных иммитансов источника сигнала и нагрузки в произвольном электрическом элементном базисе. Она является сложной в теоретическом плане, но в то же время ее решение представляет большую практическую значимость, так как позволяет обеспечить оптимальное построение широкополосных ВЧ и СВЧ приемопередающих трактов на этапе проектирования, то есть с минимальными затратами, за счет наилучшего построения и использования внутренней структуры устройств.

1. Принципы согласования линии передачи с нагрузкой

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Z_н = R_н + jХ_н удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки R_н должна равняться волновому сопротивлению линии R_н = W, а реактивная часть нагрузки Х_н должна равняться нулю: Х_н = 0.

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям, то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

увеличение электрической прочности линии;

увеличение КПД линии;

устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.

Установлено, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения [1].

Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к K_св на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.

Для согласования комплексных нагрузок используются различные согласующие устройства, которые по соображениям сохранения высокого КПД тракта выполняются чаще всего из реактивных элементов.

2. Способы узкополосного согласования

Узкой принято считать полосу частот 2f, составляющую единицы процентов от средней частоты f₀. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования K_св<K_{св доп}. Типичный график зависимости K_св тракта от частоты представлен на рис. 1. Конкретное значение K_{св доп} определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02... 2.

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются следующие устройства: четвертьволновый трансформатор, последовательный шлейф, параллельный шлейф, два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Такие согласующие устройства используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.

Рисунок 1 - Типичная зависимость K_св тракта от частоты

2.1 Четвертьволновый трансформатор

Это устройство представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением W_тp W, включенным в разрыв основной линии передачи. Принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:

Z_вх(z₀)Z_вх(z₀ + _л / 4) = W²_тp, (2.1)

где Z_вх(z₀) - входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки Z_н, в месте подключения трансформатора z₀ (рис. 2);

Z_вх(z₀ + _л / 4) - входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении (z₀ + _л / 4) с подключенным к нему отрезком линии длиной z₀, нагруженной сопротивлением нагрузки Z_н.

Рисунок 2 - Согласование линии с нагрузкой с помощью четвертьволнового трансформатора

Условия согласования (1.1), (1.2) требуют, чтобы Z_вх(z₀+_л/4) = W, т.е. Z_вх(z₀)W = W²_тp. Отсюда следует, что Z_вх(z₀)должно быть чисто действительной величиной: Z_вх(z₀) = R_вх(z₀).

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии z₀, в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, где напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения и его волновое сопротивление определяется соотношением:

 (2.2)

В максимумах напряжения R_вх = WK_св, поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление W_тp > W. В минимумах напряжения R_вх=W/K_св, поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения W_тp < W. Таким образом, выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это, в свою очередь, определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.

На рис. 3 представлены варианты исполнение четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант W_тp < W. На рис. 4 представлены эпюры напряжения в линии без согласующего устройства и с согласующими четвертьволновыми трансформаторами W_тp > W и W_тp < W.

Рисунок 3 - Четвертьволновые трансформаторы: а) - на двухпроводной линии б) - на коаксиальном волноводе



Рисунок - 4. Эпюры напряжения в линии: а - с комплексной нагрузкой; б - с комплексной нагрузкой и трансформатором W_тp>W; в - с комплексной нагрузкой и трансформатором W_тp<W

2.2 Последовательный шлейф

Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной l_ш, с волновым сопротивлением W, который включается в разрыв одного из проводов линии (рис. 5).

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию z_ш и длины шлейфа l_ш. Найдем z_ш и l_ш из условия согласования линии в сечении z_ш. В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа jX_ш(l_ш) включено последовательно с входным сопротивлением линии Z_вх(z_ш) = R_вх(z_ш) + jX_вх(z_ш). Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии: Z_вх(z_ш) + jX_ш(l_ш) R_вх(z_ш) + jX_вх(z_ш) + jX_ш(l_ш) = W.

Отсюда находим:

R_вх(z_ш) = W; (2.3)

X_вх(l_ш) = - X_вх(z_ш). (2.4)

Из (2.3) можно найти z_ш, а из (2.4) - длину l_ш. Расчетные соотношения могут быть представлены в виде:

z_ш = (l/)arctg; (2.5)

l_ш = (l/)arctg; (2.6)

= 2/. (2.7)

Из этих соотношений следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа следует подбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа.

Рисунок 5 - Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф

Недостаток такого способа согласования состоит в том, что при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

2.3 Параллельный шлейф

Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рис. 6. Как и в предыдущем случае, согласование достигается подбором места включении шлейфа z_ш в линию и длины шлейфа l_ш. Условие согласования имеет вид:

Y_вх(z_ш) + jB_ш(l_ш) = 1/W,

где Y_вх(z_ш) = 1/Z_вх(z_ш) = G_вх(z_ш) + jB_вх(l_ш) - входная проводимость линии в месте подключения шлейфа;

G_вх, B_вх - активная и реактивная части входной проводимости линии; B_ш(l_ш) - реактивная проводимость шлейфа длиной l_ш. Отсюда находим:

G_вх(z_ш) = 1/W; (2.7)

B_ш(l_ш) = -B_вх(z_ш). (2.8)

Из (2.7) можно найти г_ш, а из (2.8) - длину l_ш. Расчетные соотношения могут быть представлены в виде:

z_ш - z_max = (l/) arctg; (2.9)

l_ш =(l/)arctg; = 2/_л, (2.10)

где z_max - расстояние от нагрузки до первого максимума натяжения.

Таким образом, из (2.8) и (2.9) следует, что параллельный шлейф нужно включать в таком сечении линии, в котором активная часть входной проводимости линии равна волновой проводимости, а длину шлейфа следует выбирать так, чтобы его реактивная проводимость компенсировала реактивную часть входной проводимости линии.



Рисунок 6 - Согласующий параллельный короткозамкнутый шлейф

Недостатки параллельного шлейфа такие же, как и у последовательного: при изменении нагрузки изменяются длина шлейфа и место его включения в линию. В экранированных линиях менять место включения шлейфа конструктивно неудобно. Поэтому в качестве согласующего устройства применяют два и три последовательных или параллельных шлейфов. Однако в двухпроводной линии параллельный шлейф может быть сделан подвижным, т.е. перемещающимся вдоль линии.

2.4 Два и три последовательных или параллельных шлейфа

Двухшлейфовые согласующие устройства показаны на рис. 7. Принцип работы, например, двухшлейфового последовательного согласующего устройства, состоит в том, что, изменяя длину первого шлейфа l_ш1 добиваются того, чтобы активная часть входного сопротивления линии в месте включения второго шлейфа стала равной волновому сопротивлению линии. Подбирая длину второго шлейфа l_ш2, компенсируют реактивную часть входного сопротивления линии. Аналогично работает параллельное двухшлейфовое согласующее устройство. Однако объяснение принципа работы следует провести в терминах входных проводимостей.

Недостатком двухшлейфовых согласователей является то, что они могут обеспечить согласование не всех возможных нагрузок. Например, схема рис. 7, a обеспечивает согласование нагрузок при R_н < W, а схема рис. 2.7, б - при R_н > W. Для устранения этого недостатка используют трехшлейфовые согласующие устройства (рис. 8). В согласовании участвуют два из трех шлейфов. Конкретная конструкторская реализация согласующих устройств на основе шлейфов определяется типом используемой линии передачи.

Рисунок 7 - Двухшлейфовые согласующие устройства с последовательными (а) и параллельными (б) шлейфами

Рисунок 8 - Трехшлейфовые согласующие устройства с последовательными (а) и параллельными (б) шлейфами

Например, в трехшлейфовом согласующем устройстве с последовательными шлейфами (рис. 8, а) при R_н < W используются первый и второй шлейфы, как при двухшлейфовом согласовании. Третий шлейф "отключается", т.е. его длина берется равной _л/2. При этом входное сопротивление такого шлейфа нулевое, и он не влияет на процессы, происходящие в линии. Если R_н > W, то используются второй и третий шлейфы, а длина первого берется равной _л/2. Аналогично работает трехшлейфовое согласующее устройство с параллельными шлейфами (рис. 8, б). Причем при R_н > W работе участвуют первый и второй шлейфы, а при R_н < W - второй и третий.

3. Способы широкополосного согласования

На практике применяются сочленения и элементы тракта, предназначенные для работы в полосе частот 10% и более. Такую полосу частот принято называть широкой, а устройства, работающие в такой полосе, - широкополосными. Задача широкополосного согласования возникает, например, при необходимости стыковки линий передачи с различными размерами или формами поперечных сечений, а также при работе тракта с широкополосными сигналами, например, линейно-частотномодулированными или шумоподобными.

Основными широкополосными согласующими устройствами являются:

широкополосные частотные компенсаторы;

ступенчатые трансформаторы;

плавные переходы или неоднородные линии.

Рассмотрим принцип работы каждого из этих устройств.

3.1 Принцип частотной компенсации

Состоит во взаимной компенсации частотных изменений сопротивления нагрузки и согласующих элементов. Его можно осуществить за счет подбора необходимого закона частотного изменения сопротивления согласующих элементов. Рассмотрим широкополосное согласование комплексных сопротивлений с помощью одного шлейфа (рис. 9, а). Предположим, что график проводимости согласуемой нагрузки Y_н = 1/Z_н = G_н + jВ_н имеет вид, изображенный на рис. 9, б. На этом же рисунке представлен график входной реактивной проводимости согласующего шлейфа В_ш, (рис. 9, в), включенного по схеме рис. 9, а. Наклон кривой В_ш подобран примерно равным наклону кривой В_н с обратным знаком. Поэтому суммарная реактивная проводимость В_н + В_ш уменьшается и меньше изменяется с частотой, чем реактивная проводимость нагрузки. В соответствии с (1.23) входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа определяется соотношением

Рисунок 9

Z_вх(z_ш) = jX_ш = jW_шtg(l_ш).

Найдем входную проводимость этого шлейфа:

Y_вх.ш = 1/Z_вх.ш = jB_ш = (-j/W_ш)сtg(l_ш).

Учитывая, что = /_ф =2f/_ф, получаем:

B_ш = (-1/W) сtg(2fl_ш/_ф).

Таким образом, подбором величины волнового сопротивления шлейфа и его длины можно изменять наклон кривой В_ш и полосу частот, в которой реактивная проводимость изменяется в допустимых пределах.

Активная составляющая проводимости нагрузки при необходимости может быть согласована с помощью четвертьволнового трансформатора.



3.2 Ступенчатые трансформаторы

Ступенчатые трансформаторы применяются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Например, согласование при сочленении двух линий передачи с различными волновыми сопротивлениями достигается с помощью промежуточного нерегулярного отрезка линии, называемого трансформатором или переходом. Ступенчатые трансформаторы представляют собой каскадное включение отрезков линий передачи с различными волновыми сопротивлениями (рис. 10.), но имеющими одинаковую длину l. Волновые сопротивления соседних ступенек отличаются на небольшую величину, и отражения от них невелики. Принцип работы ступенчатого трансформатора заключается в том, что всегда найдется хотя бы пара ступенек, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания Ступенчатый длиной ступеньки l и отношением трансформатор волновых сопротивлений соседних ступенек. Свойства трансформатора описываются его частотной характеристикой, которая представляет собой зависимость рабочего затухания L от частоты. Под рабочим затуханием понимают величину:

L = P_вх/P_вых или L = 10lg(P_вх/P_вых) [дБ],

где Р_вх, Р_вых - мощность на входе и выходе трансформатора соответственно. Затухание в трансформаторе определяется отражениями от его входа в полосе частот. При этом в качестве аргумента функции рабочего затухания L берут величину =2l/ = 2l/c, где с скорость света в вакууме. Поэтому частотная характеристика трансформатора представляет собой зависимость рабочего затухания L от электрической длины ступеньки.

Определение структуры трансформатора по заданным полосе частот 2f и допустимому рассогласованию K_св.доп является задачей синтеза согласующего устройства. Решение этой задачи рассмотрено, например, в монографии Кац Б.М. и др. "Оптимальный синтез устройств СВЧ с Т-волнами" / Под ред. В.П. Мещанова. - М.: Радио и связь, 1984. - 288 с.

Наибольшее распространение на практике имеют трансформаторы с частотными характеристиками двух типов: 1) чебышевская характеристика; 2) максимально плоская характеристика. Чебышевская характеристика описывается полиномами Чебышева и имеет вид:

L = l + h²T_n²(tcos),

где h, l - масштабные коэффициенты;

Т_n - полином Чебышева первого рода n-го порядка;

n - число ступенек трансформатора.

Типичный график чебышевской характеристики при n = 3 представлен на рис. 11, a, где b_п - затухание в полосе пропускания 2_п, b₃ - затухание в полосе заграждения 2_з. Характерным для чебышевских характеристик является наличие равноамплитудных осцилляции, число которых n + 1 на единицу превышает число ступенек трансформатора.

Максимально плоская характеристика описывается функцией вида

L = l + h²(tcos)²ⁿ.

График максимально плоской характеристики показан на рис. 2.11, б. Следует отметить, что основное отличие трансформаторов с чебышевской и максимально плоской характеристиками состоит в том, что при одинаковых параметрах перехода (b_п, b_з) трансформатор с максимально плоской характеристикой имеет большую длину, но более линейную фазочастотную характеристику.

Из выражений, определяющих функции рабочего затухания L, следует, что относительно аргумента они периодические с периодом . Практически используется лишь первый период функции, для которого длины ступенек получаются наименьшими.

Рис. 11. Частотные характеристики ступенчатых трансформаторов: а - чебышевская, б - максимально плоская

Плавные переходы используются также для согласования активных нагрузок и могут рассматриваться как предельный случай ступенчатого перехода при увеличении числа ступенек п до бесконечности и неизменной длине перехода. Частотные характеристики плавных переходов непериодические. Наиболее часто употребляются на практике экспоненциальный переход, чебышевский переход и вероятностный переход, являющийся предельным случаем ступенчатого перехода с максимально плоской характеристикой.

Плавный переход, по существу, является нерегулярной двухпроводной линией передачи, в которой погонные параметры и волновое сопротивление - функции продольной координаты. При этом эквивалентная схема элементарного участка такой линии длиной dz имеет вид, как и для регулярной линии. Поэтому остаются справедливыми телеграфные уравнения (1.2). Все входящие в эти уравнения величины зависят от z. В частности, для двухпроводной экспоненциальной линии при увеличении z растет |Z₁|, а |Y₁| уменьшается.

Это обусловлено увеличением погонной индуктивности L₁ и уменьшением погонной емкости С₁ вызванными увеличением расстояния между проводами. Можно подобрать геометрию линии так, чтобы оставалась постоянной вдоль линии величина k = . Можно показать, что волновое сопротивление в такой линии изменяется по экспоненциальному закону:

W = W₀e^bz, b 0,

где W₀ - волновое сопротивление в начале линии;

b - коэффициент, определяющий скорость изменения волнового сопротивления вдоль линии. Подбирая значения W₀ и b, можно обеспечить широкополосное согласование. Эффективность согласования зависит от скорости изменения волнового сопротивления вдоль линии. Чем медленнее изменяется W, тем шире полоса согласования и больше длина перехода.

Недостатком плавных экспоненциальных переходов является их большая длина при значительных перепадах волнового сопротивления. Например, при W(z=l) /W₀ = е^bl = 7,4 и допуске на рассогласование |Г_max| 0,05 длина перехода l 3. При этом длина оптимального че-бышевского перехода в 34 раза меньше. Среди плавных переходов при одинаковых перепадах волновых сопротивлений, нижней граничной частоте и допуске на рассогласование наименьшую длину имеют чебышевские переходы.

Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире. При повышенных требованиях к электрической точности плавный переход предпочтительнее ступенчатого. Снижение электрической прочности последнего объясняется концентрацией электромагнитного поля в местах стыков отдельных ступенек. Следует отметить, что существует теоретическое ограничение на ширину полосы согласования, которое устанавливается теоремой Фано:

2f/f = /(Q ln|Г|),

где Q - добротность нагрузки, определяемая как отношение реактивной мощности, накапливаемой в нагрузке на средней частоте f₀, к мощности тепловых потерь. Согласование невозможно также на частотах, соответствующих бесконечно большим реактивным сопротивлениям или проводимостям нагрузки.

4. Согласующие устройства в линиях передачи СВЧ

Рассмотрим согласующие устройства в линиях передачи СВЧ, наиболее распространенные на практике.

В волноводных, коаксиальных и полосковых трактах СВЧ применяются следующие типы согласующих устройств:

четвертьволновые трансформаторы;

последовательные и параллельные шлейфы;

ступенчатые и плавные переходы.

Кроме того, в волноводных трактах в качестве согласующих устройств используются диафрагмы и реактивные штыри. На рис. 2.13. представлены варианты волноведного исполнения четвертьволновых трансформаторов. При переходе от волновода, заполненного диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью _r к пустому волноводу может быть использован трансформатор. Трансформатор длиной _в/4 частично заполнен диэлектриком и имеет волновое сопротивление, равное среднему геометрическому волновых сопротивлений соединяемых волноводов:

W_тр = , W = .

В частности, для волноводов с различными размерами узких стенок размер b_тр определяется из условия: b_тр = , а для волноводов с различными размерами широких стенок согласование обеспечивается при .

Для целей согласования в трактах СВЧ используются короткозамкнутые реактивные шлейфы. Варианты исполнения шлейфов представлены на рис. 12.



Рис. 12. Шлейфы: а - параллельный волноводный; б - последовательный волноводный; в - параллельный коаксиальный; г - параллельный полосковый разомкнутый; д - параллельный полосквый короткозамкнутый; е - последовательный полосковый; ж - эквивалентная схема последовательного полоскового шлейфа

трансформатор шлейф частотный компенсация

Последовательный полосковый шлейф и его эквивалентная схема показаны на рис. 12, е, ж. Параметры эквивалентной схемы определяются из соотношений:

, .

Четвертьволновые трансформаторы и шлейфы являются узкополосными согласующими устройствами. К широкополосным согласующим устройствам относятся ступенчатые и плавные переходы. Диафрагмы и реактивные штыри, применяемые для согласования в волноводных факта, также являются узко-полосными устройствами.

Диафрагмой называется тонкая металлическая перегородка, частично закрывающая поперечное сечение волновода. Различают диафрагмы емкостные, индуктивные и резонансные. Нормированные значения проводимости емкостной и индуктивной диафрагм определяются приближенными соотношениями

В_С = (4b/_в) ln(cosec(d/2b)cosec (у₀/b));

В_L = -(_в/a) ctg²(d/2a)(l + sec(d/2a)ctg²(x₀/a)).

Резонансная диафрагма образуется наложением емкостной и индуктивной диафрагм. Резонансная частота диафрагмы определяется приближенным соотношением

,

где с = 3 10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

Недостаток емкостной и резонансной диафрагм состоит в том, что они значительно снижают электрическую прочность тракта.

На практике находят применение сложные многощелевые диафрагмы. Они имеют многоконтурную эквивалентную схему. Подбирая размеры и количество щелей, удается создать требуемую частотную характеристику диафрагмы.

Реактивный штырь представляет собой металлический цилиндр небольшого диаметра, размещаемый в поперечном сечении волновода параллельно или перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В зависимости от расположения штыря в поперечном сечении волновода и его размеров на эквивалентной схеме он может быть представлен индуктивностью пли емкостью. Значения номиналов элементов эквивалентных схем штырей определяются по формулам, имеющимся в справочной литературе. При неглубоком погружении штыря в волновод параллельно силовым линиям электрического поля он эквивалентен емкости. Такие штыри используются в перестраиваемом согласующем устройстве, эквивалентном трехшлейфовому согласователю. Недостаток емкостных штырей состоит в том, что они снижают электрическую прочность тракта.

Размещено на Allbest.ru

...