Разработка bluetooth передатчика на 2.4 ГГц

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Выбор усилителя мощности

Усилитель мощности должен удовлетворять следующим требованиям: Uпит=3V, ценральная частота 2.4 ГГц, полоса пропускания с 1,0 МГц до 1,5 МГц.

Данным критериям удовлетворяет усилитель Т7023.

Т7023 - законченный монолитный SiGe усилитель мощности. Прибор специально разработан для применения в TDMA системах, таких как Bluetooth, DECT и других ISM системах, соответствующих рекомендациям 15 части FCC.

Прибору не требуется внешний коммутирующий транзистор, так как он имеет линейную регулировку мощности и очень малый ток потребления.

Его параметры указаны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - параметры СВЧ усилителя Т7023

Параметр	Значение
Напряжение питания	(2.7-4.6)В
Полоса пропускания	(2.4-2.5) ГГц
Диапазон регулировки усиления	33 Дб
Входное и выходное сопротивление	50 Ом
Рассеиваемая мощность	600 мВт
Коэффициент усиления по мощности, при Uпит=3B и Ucon=2B	30дБ
Температура хранения	(-55-150)оС
Ток потребления при Uпит=3B	10мА

Принципиальная схема усилителя показана на рисунке 1.1, схема составалена в соответствии с рекомендациями производителя, уровень напряжения на входах V1_PA, V2_PA, V3_PA равен 3В, на PA ramp 1,75В, согласно документации на данную микросхему:

Назначения используемых выводов микросхемы указаны в таблице 1.2



Рисунок1.1 - Принципиальная схема усилителя мощности

Таблица1.2 - Назначения выводов Т7023

№ вывода	Назначение
1	Земля
2	Вход усилителя
3	Земля
4	Земля
5	Земля
6	К источнику питания и сети для согласования выхода усилителя мощности
7	К источнику питания и сети для согласования выхода усилителя мощности
8	К источнику питания и сети для согласования выхода усилителя мощности
9	Земля
10	Земля
11	Управляющий вход линейного усилителя мощности
13	Земля
14	К источнику питания для усилителя мощности
15	К источнику питания для усилителя мощности
16	Напряжение питания для усилителя мощности
Slug	Земля



2. Расчет входной и выходной согласующих цепей усилителя

Ввиду рабочих частот дециметрового диапазона, узкополосного сигнала, а также экономии размеров устройства передатчика, схема согласования будет выполнена на микрополосковой линии.

Микрополосковая линия (МПЛ) состоит из узкой металлической полоски и заземляющей плоскости, разделенных слоем диэлектрической подложки (рисунок 2.1). При этом четвертьволновые отрезки микроволновых линий l₁ = l₂ являются трансформаторами сопротивлений.

Рисунок 2.1 - Микрополосковая линия.

Согласующие МПЛ будут подключены к усилителю в соответствии с рисунком 2.2:

Рисунок 2.2 - подключение согласующих МПЛ к усилителю.

Исходные данные для расчета:

Диапазон усиливаемых частот f=2402…2480 МГц; f₀=(f_нf_в)^1/2=2440 МГц.

Волновое сопротивление тракта с₀=50 Ом.

Входное сопротивление транзистора Z_вх =50 Ом.

(2.2)

2. Вычисляется волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора l₁

(2.3)

Из таблицы 2.1 для поликоровой подложки при с_вх=50 Ом (ближайшее значение) и t/h=0.1 будет е_эф=6.13 и b/h=0.9. Отсюда длина четвертьволнового отрезка МПЛ:

(2.4)

Ширина отрезка МПЛ l₁ при высоте подложки h=1 мм будет:

(2.5)

Таблица 2.1 - значения относительной ширины и эффективной диэлектрической проницаемости.

b/h	еr=9.6
	t/h=0	t/h=0.01	t/h=0.1
	с	еэф	с	еэф	с	еэф
0.10	109.03	5.82	106.80	5.67	97.88	5.11
0.15	98.46	5.88	96.90	5.76	89.96	5.26
0.20	90.96	5.93	89.77	5.83	84.08	5.38
0.25	85.16	5.97	84.20	5.88	79.36	5.47
0.30	80.42	6.01	79.63	5.94	75.42	5.55
0.45	70.01	6.09	72.47	6.03	69.11	5.68
0.60	62.57	6.22	62.22	6.18	59.89	5.89
0.70	58.66	6.28	58.39	6.24	56.36	5.97
0.80	55.31	6.34	55.09	6.31	53.31	6.05
0.90	52.38	6.40	52.20	6.37	50.63	6.13
1.00	49.79	6.45	49.64	6.42	48.23	6.19
1.50	40.19	6.69	40.13	6.68	39.25	6.49
2.00	33.87	6.90	33.84	6.89	30.24	6.73
2.50	29.33	7.08	29.32	7.07	28.89	6.94
3.00	25.90	7.23	25.89	7.23	25.57	7.11
3.50	23.20	7.37	23.19	7.37	22.95	7.26
4.00	21.02	7.49	21.01	7.48	20.83	7.40
4.50	19.22	7.60	19.21	7.59	19.08	7.51

3. Синтезатор частот

Синтезатор частот должен удовлетворять следующим критериям:

-напряжение питания должно составлять 3,5B;

-формирование сетки частот диапазона 2.402-2.48ГГц;

Опираясь на эти критерии выберем интегральный программированный синтезатор частот ADF4107.

Таблица 3.1 - основные параметры ADF4107

Параметр	Значение
Напряжение питания	(3.2..3.6)В
Максимальная входная частота	7ГГц
Минимальная входная частота	1ГГц
Программируемый делитель частоты	8/9, 16/17, 32/33, 64/65
Способ программирования	SPI
Минимальный уровень логической “1”	1.4В
Максимальный уровень логического “0”	0.6В



Блок схема реализации синтезатора частоты на этой микросхеме представлен на рисунке 3.1:

Рисунок 3.1 - Блок схема синтезатора частот.

Петлевой фильтр будет строиться по следующей схеме на рисунке 3.2:

Рисунок 3.2- Петлевой фильтр

Генератор управляемый напряжением должен соответствовать следующим параметрам:

Напряжение питания 5В, диапазон генерируемых частот 2.29-2.48 ГГц. По эти параметрам подходит интегральный ГУН RQLA-2290-2485-1.

Для расчета всех узлов синтезатора на микросхеме серии ADF производитель микросхемы Analog Devices предлагает программу для PPL чипов - “ADIsimPLL”. С ее помощью рассчитываются опорная частота, петлевой фильтр, Rset, а также временные, частотные характеристики и характеристики ГУН.

Рассмотрим по шагам расчет параметров синтезатора в “ADIsimPLL”.

Первое что нам предлагает программа - это выбор модели синтезатора (рисунок 3.3а). Из выпадающего списка выберем модель, на которой я остановился ранее ADF 4107.

Далее проект предлагает выбрать условия начального моделирования (рисунок 3.3б). Выбираем следующие условия: Назначение синтезатора(The PLL has to) - формирование сигналов диапазоне частот (produce a range of equal spaced output frequencies); следует ли проверять работу синтезатора (Sim PLL should): на всех каналах (check that all channels canbe generated); какой тип синтезатора используется (The PLL is): c целочисленными коэффициентами деления частоты (an Integer-N PLL); я хочу задать (I want to specify the): частоту сигнала на входе фазового детектора, которая будет численно равна шагу частоты между соседними каналами при отсутствии внешнего предварительного делителя частоты (phase detector frequency).

В следующем шаге (рисунок 3.3в) задается нужный нам диапазон частот и шаг перестройки: (2.402..2.488)ГГц, 1MГц соответственно. Затем (рисунок 3.3г) задаем величину питания схемы накачки: 3В (максимальное 5.5В).

Следующее предложение проекта (рисунок 3.3д) - это выбор схемы петлевого фильтра. Зададимся схемой пассивного фильтра первого порядка.

Выбирается ГУН (VCO) (рисунок 3.3е). Для нашего диапазона и напряжения питания подходит ГУН RQLA-2290-2485-1. Его параметры показаны на рисунке 3.4:

Рисунок 3.4 - Характеристики RQLA-2290-2485-1.

Предлагается сделать выбор генератора и его частоты для тактирования синтезатора (рисунок 3.3ж). Выберем модель TCX012 частотой 12МГц.

Заключительный шаг (рисунок 3.3з) - выводится информация о полосе захвата ФАПЧ и о фазовом сдвиге между сигналами на входах фазового детектора. В нижней части окна становится доступной кнопка "Готово". Процесс ввода параметров для моделирования завершен.

Рисунок 3.3а Рисунок 3.3б

Рисунок 3.3в Рисунок3.3г

Рисунок 3.3д Рисунок 3.3е



Рисунок 3.3ж Рисунок 3.3з

Принципиальная схема синтезатора, построенная программой, с рассчитанным петлевым фильтром, показана на рисунке 3.5

Рисунок 3.5 - Принципиальная схема синтезатора частоты.



Характеристики, просчитанные в результате моделирования, показаны на рисунках 3.6-3.14:

Рисунок 3.6 - а) зависимость значения выходной частоты от времени при переходе с канала на канал, б) зависимость ошибки фазы на выходе фазового детектора от времени.

Рисунок 3.7 - а) зависимость значения ошибки выходной частоты от времени, б)диаграмма режима Lock Detect Output.

Рисунок 3.8 - Зависимость выходного тока фазового детектора от времени



Частотные характеристики:

Рисунок 3.9- а) АЧХ и ФЧХ синтезатора при разомкнутой петле ФАПЧ, б)АЧХ и ФЧХ при замкнутой петле ФАПЧ.

Рисунок 3.10 - Зависимость фазового шума от частоты.

Рисунок 3.11 - а)отклик фильтрации от расстройки частоты б)

Xарактеристики генератора, управляемого напряжением:



Рисунок 3.12 - а)зависимость частоты на выходе ГУН от напряжения б) зависимость крутизны характеристики ГУН от напряжения управления

Рисунок 3.13 - Зависимость фазового шума ГУН от расстройки частоты.

Рисунок 3.14 - Зависимость фазового шума от расстройки частоты при частоте 12МГц.



Назначение используемых выводов ADF4107 указаны в таблице 3.2:

Таблица 3.2 - назначение выводов:

Название вывода	Назначение
AVDD	Питание аналоговых цепей. Можно подавать 3.2 - 3.6В. Развязывающие конденсаторы к шине аналоговой земли необходимо размещать как можно ближе к этому выводу.
DVDD	Питание цифровой части. Можно подавать 3.2 - 3.6В. Развязывающие конденсаторы к шине аналоговой земли необходимо размещать как можно ближе к этому выводу.
Vp	Питание схемы поддержания заряда. Должно быть больше или равно DVDD. В системах с DVDD=3.3В Vp может быть равна 5В для управления ГУН с диапазонам управления до 5В.
RFINA	Вход ВЧ-прескалера. Этот сигнал для малых сигналов. Подключается к выходу ГУНа
RFINB	Комплементарный вход для ВЧ-прескалера. Необходимо соединить с шиной земли с помощью проходного конденсатора (100пФ).
REFIN	Вход опорной частоты. Это КМОП вход с порогом VDD/2 и эквивалентным сопротивлением 100кОм. Входной сигнал может быть ТТЛ/КМОП-уровней или синусоидальным, через конденсатор.
CE	Вход вкл.-выкл. микросхемы. Низкий логический уровень выключает микросхему и переводит выход схемы поддержания заряда в высокоомное состояние. Высокий логический уровень включает микросхему, в зависимости от состояния разряда отключения F2.
LE	КМОП-вход разрешения загрузки. Высокий уровень загрузки данных, хранящиеся в регистрах сдвига, в один из четырех регистров-защелок, которые выбираются с помощью разрядов управления.
DATA	Последовательный вход данных. Данные загружаются старшими разрядами вперед, с двумя младшими в качестве контрольных. Высокоомный КМОП-вход.
CLOCK	Вход тактовой частоты. Тактовая частота используется для тактирования последовательно ввода данных в регистры. Данные запоминаются в 21-разрядном регистре сдвига по фронту тактового импульса.
RSET	Подключение резистора между этим выходом и CPGND устанавливает максимальный ток схемы поддержания заряда. Номинальное напряжение на выходе RSET составляет 0.66В. Зависимость:
GND	Земля.
CPGND	Земля схемы поддержания заряда.
MUXOUT	Выход мультиплексора. Позволяет вывести наружу либо сигнал захвата, либо приведенную частоту опорного колебания, либо приведенную частоту ГУН.
CP	Выход схемы поддержания заряда. При включении обеспечивает выходной ток ±Icp для внешнего петлевого фильтра, который управляет внешним ГУН.

4. Расчет коэффициентов деления синтезатора частот и его настройка

Для правильной работы синтезатора, кроме расчета петлевого фильтра и подбора генератора опорного напряжения необходимо правильно настроить микросхему ADF4107. Настройка осуществляется путем загрузки по протоколу SPI соответствующих данных при включении питания или во время работы микросхемы для изменения рабочих параметров.

Подбор коэффициентов деления частоты:

Частота на входе VCO составляет следующее значение:

(4.1)

Где Р - предварительный модуль деления (8/9, 16/17);

В - коэффициент деления (3..8191);

А - смещение по частоте (0..63);

R - шаг перестройки или дискрет частоты (1..16,383).

Общий коэффициент деления

N=BP+A.

Дискрет частоты высчитывается следующим образом:

(4.2)

Где df - ширина канала передатчика ( для протокола Bluetooth 1 МГц);

f_refin - частота опорного генератора;

Так как мы задались шагом 1МГц, то из формулы:

(4.3)

На выходе делителя частоты должна быть частота ниже 300МГц, из условия устойчивости работы счетчиков, стоящих после делителя. Поэтому, исходя из этого условия выберем коэффициент деления прескалера синтезатора. Возьмем значение P=16, тогда

Частота на выходе прескалера:

(4.4)

Так как частота на выходе прескалера меньше 300МГц, что удовлетворяет условию устойчивости работы, то примим P=16.

Найдем остальные коэффициенты деления из условия, что минимальная частота равна 2402МГц:

(4.5)

Обозначим

Тогда, найдем значение B

(4.6)

Так как В должно быть целое число, то примим В=150.

Но тогда частота получится:

(4.7)

Отсюда найдем A:

(4.8)

Для перестройки частоты нужно менять А в диапазоне 2ч63.

Проверим, подойдет ли делитель B=213 для верхней частоты fmax=2480МГц:

(4.9)

Видно, что после частоты 2463 МГц необходимо изменить коэффициент В, чтобы достичь требуемой максимальной частоты. Найдем следующее значение B. Должно выполняться следующее условие:

(4.10)

Из этого неравенства следует, что В должно быть не менее 152. Возьмем B=152. Тогда

Найдем максимальное значение А для того чтобы максимальная частота соответствовала заданной.

(4.11)

Минимальное значение A`min должно соответствовать частоте 2464МГц:

Таким образом для частот диапазона (2402 ч2463)МГц: B=150, A=(2ч63).

Для частот диапазона (2464ч2480)МГц: B=152, A=(32ч48)

Шаг перестройки 1МГц.

Настройка ADF4108

Для работы микросхемы в нужном режиме ей нужно передать 4 слова, размером по 23 бита, в которых будет содержаться информация о режиме работы, коэффициентах деления, дискрета частоты и другие служебные данные. Эти данные передаются по протоколу SPI.

Для перестройки частоты, процессору необходимо посылать соответствующие слова, отвечающие за коэффициенты деления, или дискрет частоты. При расчете было принято, что у нас будет меняться коэффициент деления.

Производитель предлагает следующий формат слов, представленный на рисунке 4.1:

Рисунок4.1 - Формат слов.

Слово формата REFERENCE COUNTER LATCH, показанное в таблице 4. 1, (DB1 и DB0 равно 00) задает дискрет частоты R (14-bit reference counter), количество циклов фазовой задержки по 15нс (lock detect precision), тестовый или нормальный режим работы(test mode bits), соотношение ширины импульса обратной связи(anti backlash width).

Запишем следующие параметры:

Нормальный режим работы (DB19-DB18: 00), R=12 (DB15-DB2: 00000000001100), три цикла фазовой задержки (DB20: 0), ширина импульса обратной связи 2.9нс (DB17-DB16:00).

Таблица 4.1 - слово reference counter latch.

Следующее слово N COUNTER LATCH MAP, показанное в таблице 4.2, (DB1 и DB0 равно 00) задает делитель А (6-bit a counter), делитель B (13-bit B counter), настройка схемы подержания заряда (CP Gain).

Для параметров A=2 (DB7-DB2: 000010), B =150 (DB20-DB8: 0000010010110), схема поддержания заряда работает во втором режиме (ток 5мА) (DB21:1):

Таблица 4.2 - слово N counter latch

Для изменения частоты, в этом слове необходимо изменять коэффициенты А и B, согласно расчетам.

Их значения записываются в двоичном виде. Регистры А DB7 - DB2, регистры B DB20 - DB8.

Основные настройки FUNKTION LATCH MAP(DB1-DB0: 01), показанные в таблице 4.3: делитель прескалера (preskaler value), ток схемы поддержания заряда (current setting), задержка работы таймера (timer counter control), режим fastlock, режим схемы заряда(charge pump output), полярноcть фазового детектора (phase detector polarity) назначение выхода MUXOUT (MUXOUT CONTROL), режим работы (спящий, основной) (power down).

Установим следующие параметры: делитель прескалера 16/17(DB23-DB22:00), ток схемы поддержания заряда 5mA при резисторе Rset=5,1кОм (DB20-DB15: 111111), задержка работы таймера минимальная - 3 такта (DB14-DB11:0000), режим fast lock выключен (DB10-DB9: 0х), режим схемы заряда нормальный (DB8: 0).

Полярность фазового детектора положительная (DB7:1), работа счетчика в нормальном режиме (DB2:1). Программированный выход нам не нужен, поэтому заводим на его ногу землю (DB6-DB4: 111), режимом энергопотребления будет управлять процессор, подавая высокий или низкий уровень на пин СЕ, поэтому установим синхронный режим, то есть спящий режим при 0 на CE и рабочий - при 1 (DB21,DB3: 11).

Таблица 4.3 - слово function latch.

Слово INITIALIZATION LATCH MAP (DB1-DB0:) имеет такие же биты как и FUNKTION LATCH. Отличие лишь в том, что INITIALIZATION LATCH MAP отправляется при инициализации (начальные установки), а FUNKTION LATCH - во время работы микросхемы, для изменения каких-либо установок, если это потребуется.

Все наборы битов, соответствующих конкретным значениям и режимам работы, были подобраны из справочника на микросхему.

5. Расчет автогенератора

Для тактирования синтезатора, необходим генератор частоты 12МГц. В справочнике на микросхему, тактовый генератор должен удовлетворять следующим условиям:

-выходная частота: 12МГц;

-уровень выходного сигнала: ТТЛ, КМОП, не ниже 1.75(В)

-Форма сигнала: прямоугольная или синусоида, через разделительный конденсатор.

Выберем автогенератор с кварцем в цепи положительной обратной связи. Основное его достоинство в том, что автогенератор работает на частоте равной последовательной резонансной частоты кварца, стабильность частоты составляет порядка 10^-6. Еще одно достоинство, можно получить на выходе мощность, в десятки раз превышающую мощность кварца. Принципиальная схема автогенератора представлена на рисунке 5.1:

Рисунок 5.1 - Принципиальна схема автогенератора.



Назначение элементов схемы:

VT1 - активный элемент автогенератора;

XT1 - кварц, обеспечивает стабилизацию частоты;

катушка индуктивности L3, емкости С3, С2, С1 - колебательный контур;

Делитель R1, R2 и резистор Rб - задают рабочую точку транзистора;

Rд, XT1 - обеспечивают положительную обратную связь генератора;

Сбл1 - блокирует попадание ВЧ в источник питания;

Rэ - местная отрицательная ОС транзистора;

Сбл2 - блокирует местную ООС транзистора на переменном токе;

R - нагрузка транзистора по постоянному току, Задает ток коллектора покоя;

Сбл3 - блокирует попадание постоянной составляющей в кварц;

Ссв - разделительный конденсатор для связи с нагрузкой.

Выбор транзистора.

Транзистор должен удовлетворять следующим условиям:

Малая инерционность:

(5.1)

Выходная мощность транзистора:

(5.2)

Где - КПД контура для обеспечения стабильности частоты, - мощность, потребляемая нагрузкой. Зная входное сопротивление нагрузки и амплитуду колебаний, подаваемых в нагрузку (1.75В), определим потребляемую мощность:

(5.3)



Тогда

(5.4)

По данным критериям подходит транзистор КТ331. Его параметры показаны в таблице 5.1:

Таблица 5.1 - Параметры транзистора КТ331

Параметр	Значение
Ft	250 МГц
Сk	5 пФ
Сэ	8 пФ
Фос	120 пс
Uотс	0.6 В
Uкб	15 В
Uбэ	3 В
Pк	15 мВт
Sгр	20 ма/В
Ik	20 мА
h21э	20

Рассчитаем характеристики транзистора. Граничные частоты

(5.5)

(5.6)

Ток коллектора

(5.7)

Выходная емкость

(5.8)



Сопротивление базы транзистора:

(5.9)

Выбор кварца. Так как необходима частота 12МГц, то выбираем кварц с основной частотой 12МГц. Параметры кварца указаны в таблице 5.2:

Таблица 5.2 - Параметры кварца

Fкв	12МГц
Rкв	12Ом
Со	4пФ
Qкв	150
Pкв	2мВт

(5.8)

Зададимся углом отсечки и=50⁰ и находим по таблице 5.3 коэффициенты б₀(и), г₀(и), г₁ (и):

Таблица5.3 - Значение коэффициентов б₀(и), г₀(и), г₁ (и).

Из таблицы 2.3 б₀(и)=0.183, г₀(и)=0.339, г₁ (и)=0.121.

Аппроксимированные параметры транзистора:

Крутизна по переходу

(5.9)

Сопротивление рекомбинации

(5.10)

Крутизна аппроксимированной проходной характеристики

(5.11)

Граничная частота по крутизне

(5.12)

Проверка условия безынерционности транзистора:

(5.13)

(5.14)

Условие выполняется - транзистор безынерционный, поэтому крутизна S - действительная крутизна, ц_s=0.

Параметры режима работы транзистора.

Постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники коллекторного тока, постоянная составляющая тока базы:



(5.15)

(5.16)

(2.17)

Амплитуда напряжения возбуждения и напряжение смещения на базе:

(5.18)

(5.19)

Сопротивление делителя:

(5.20)

Мощности: рассеиваемая на сопротивлениях делителя, элементах контура и колебательная:

(5.21)

(5.22)

(5.23)

Мощности: подводимая к транзистору от источника питания, рассеиваемая мощность на транзисторе:

(5.24)

(5.25)



Проверяем условие допустимой рассеиваемой мощности транзистора:

(5.26)

Условие выполняется, транзистор можно использовать при данных параметрах. Амплитуда коллекторного напряжения:

(5.27)

Проверяем условие на согласование уровня колебания:

(5.28)

Условие выполняется, амплитуды выходных колебаний достаточно.

Резонансное сопротивление коллекторного контура:

(5.29)

Параметры элементов колебательного контура:

Коэффициент ч=С1/С2. Значение ч должно быть в интервале 0.2..1.

(5.30)

Задаем характеристическое сопротивление контура с в пределах 50..500Ом и находим индуктивность и емкость контура.

(5.30)

Общая емкость контура:



(5.31)

(5.32)

Сопротивление емкости С1:

(5.33)

Где

(5.34)

Q_нен выбирается из промежутка 50..100, тогда

(5.35)

Емкости контура:

(5.36)

Ближайшая стандартная емкость 536пФ

(5.37)

Стандартное значение 187 пФ

Сопротивление емкости С₂

(5.38)

Проверка выполнения условия отсутствия паразитных колебаний:

(5.39)

(5.40)

Условие выполняется, поэтому паразитные колебания возникать не будут.

Емкость С3 желательно делать переменной в пределах 30% для точной настройки частоты колебаний.

Емкость Ссв,определяться:

(5.41)

(5.42)

(5.43)

Допустим R`_н=500 кОм, тогда

Вносимая емкость в контур:

(5.44)

Для точной настройки частоты необходимо С_св делать подстроечной.

Расчет блокировочных емкостей.

Шунтирующая местную ООС транзистора по переменному току емкость Сбл2:

(5.45)

(5.46)

Выберем С_бл2=1.6нФ

Зададимся шунтирующим сопротивлением X_cбл1 ?0.1Ом блокировочной емкости для источника питания С_бл1, тогда

(5.47)

Сопротивление емкости С_бл3 должно быть маленьким для частоты генерации, поэтому примем

Расчет элементов цепи питания и смещения.

Выбираем значения сопротивлений R_б, Rэ и R из соотношений:

(5.48)



Стандартное значение 68 Ом

Выберем

Начальное напряжение смещения:

(5.49)

Ток и сопротивления делителя в цепи базы:

(5.50)

(5.51)

Стандартное значение 4.7 кОм

(5.52)

Стандартное значение 1.8кОм

Потребляемая мощность генератора от источника питания, мощности резисторов делителя базы и резисторов R_б, R_э, R:

(5.53)

(5.54)

(5.55)

(5.56)

(5.57)

(5.58)

6. Расчет ФСС

Ввиду того, что передатчик работает в диапазоне СВЧ и требуется получить полосу пропускания фильтра в несколько десятков мегагерц, оптимальнее будет использовать фильтр на полосковых линиях в качестве ФСС. Из-за достаточной громоздкости и большого объема, вычисления будут вестись с помощью программы "AWR Design Environment"

Исходные данные для расчета фильтра:

1 Нижняя частота 2402 МГц; 2 Верхняя частота 2480 МГц

В программе AWR Design Environment

1. Выбираем тип и топологию фильтра (рисунок 6.1а)

2. Задаем частотные параметры (рисунок 6.1б)

3. Задаем параметры материала (6.1в)

4. Задаем параметры синтезирования(6.1г)

Результаты показаны на рисунке 6.2

Рисунок 6.1 а) выбор топологии и типа фильтра, б) задание частотных параметров фильтра,



Рисунок 6.2 Топология и значения фильтра, синтезированные программой

Амплитудно- и фазо- частотные характеристики показаны на рисунках 6.3а,б:

Рисунок 6.3 а) Амплитудно - частотная характеристика фильтра, б) Фазо - частотная характеристика фильтра

7. Расчет смесителя

Ввиду СВЧ диапазона частот, смеситель будет выполнен на микрополосковых линиях и СВЧ смесительных диодах. Будем использовать балансный смеситель, так как он хорошо подавляет шумы синтезатора, напряжение синтезатора не попадает в нагрузку и во входную цепь.

1 Выбор смесительных диодов.

Средняя рабочая частота f₀=2044, длина волны составляет .

Возьмем диод 3А111Б. Он имеет следующие параметры:

Могут работать на волне длиной л3.2 см;

Потери преобразования L_прб не более 5.5дБ;

Выходное сопротивление r_выхСД =(300-560) Ом;

Нормированный коэффициент шума F_норм =5дБ;

КСВ К=1.7;

Мощность синтезатора Р_г=3мВт;

Максимальная рассеиваемая мощность Р_расmax=50мВт;

Максимальная импульсная мощность Р_{и max}=550 мВт.

2 Расчет смесительной секции.

Смесительная камера представляет собой СВЧ устройство, содержащая смесительный диод, на который вводятся мощности сигнала и гетеродина, а на его выходе выделяется преобразованное напряжение промежуточной частоты. Секция выполнена на микрополосковых линиях, которые обеспечивают: согласование импеданса диода с импедансом подводящей линии передачи; развязку между цепью СВЧ и цепями промежуточной частоты и тока; замкнутую цепь на корпус для токов промежуточной частоты и тока со стороны вывода диода, ближайшего к свч входу в неволноводных секциях; короткое замыкание для токов СВЧ одного из выводов диода с заземленным проводником линии в неволноводных секциях.

Смесительная камера показана на рисуке 7.1:

Рисунок 7.1 - Смесительная камера. 1-низкоомный разомкнутый шлейф.



Линия длиной l₁ необходима для согласования входного сопротивления диода с волновым сопротивлением подводящего тракта, которое равно 50 Ом. Входно сопротивление диода имеет значение 10 - 20 Ом. Зададимся сопротивлением 20Ом. Тогда волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора:

(7.1)

Будем использовать подложку из поликора. Для нее из таблицы, при ближайшим значении сопротивления четвертьволнового трасформатора , находим: е_эф=6.73, b/h=2.

Длина волны в линии:

(7.2)

Длина линии:

(7.3)

При толщине подложки h=1мм, ширина проводника:

(7.4)

Коротко замкнутый шлейф длиной l_шл нужен для компенсирования реактивной состовляющей сопротивления диода. Емкость диода состовляет порядка С=0.02 - 0.7 пФ.

Возьмем значение 0.7пФ. Тогда реактивное сопротивление диода:



(7.5)

Для волнового сопротивления из таблицы находим е_эф=6.13, b/h=0.9.

Длина волны в линии:

(7.6)

Длина шлейфа:

(7.7)

Ширина шлейфа при высоте подложки h=1мм:

(7.8)

Сопротивление отрезка l₃ компенсирует реактивную составлющую выходного импеданса диода, при значении его активного сопротивления 50 - 100Ом. Зададимся выходным сопротивлением 80Ом, емкостью 0.5пФ. Тогда емкостное сопротивление диода:

(7.9)

Для волнового сопротивления из таблицы находим е_эф=5.47, b/h=0.25.

Длина волны в линии:



(7.10)

Длина линии:

(7.11)

Ширина шлейфа при высоте подложки h=1мм:

(7.12)

Линия после отрезка l₃ согласует его сопротивление с сопротивлением низкоомного разомкнутого шлейфа, значение которого порядка 20 Ом.

Волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора:

(7.13)

По таблице е_эф=6.49, b/h=1.5. Длина волны в линии:

(7.14)

Длина линии:

(7.15)

При толщине подложки h=1мм, ширина проводника:

(7.16)



Для низкоомного разомкнутого шлейфа 1, при его сопротивлении с=20 Ом, из таблицы е_эф=7.4, b/h=4.

Длина волны в линии:

(7.17)

Длина линии:

(7.18)

При толщине подложки h=1мм, ширина проводника:

(7.19)

Сопротивление следующего отрезка после шлейфа 1 должно состовлять около 50Ом, тогда для него е_эф=6.13, b/h=0.9.

Длина волны в линии:

(7.20)

Длина линии:

(7.21)

При толщине подложки h=1мм, ширина проводника:

(7.22)



Расчет СВЧ моста.

Так как полоса рабочих частот сигнала состовляет 75Мгц, что соответствует относительной полосе 4% для меньших потерь оптимальнее использовать двухшлейфный мост, топология которого показана на рисунке 7.2:

Рисунок 7.2 - топология СВЧ двухшлейфного моста.

Волновое сопротивление основной линии:

(7.23)

Из таблицы е_эф=6.49, b/h=1.5.

Волновое сопротивление шлейфов:

(7.24)

Из таблицы е_эф=6.13, b/h=0.9.

Длина волны в основной линии:

(7.25)

Длина линии

(7.26)



При толщине подложки h=1мм, ширина проводника:

(7.27)

Длина волны шлейфа:

(7.28)

Длина шлейфа:

(7.29)

При толщине подложки h=1мм, ширина проводника:

(7.30)

4 Расчитываем полные потери в основной линии и шлейфе моста. Из таблицы 7.1 находим удельную проводимость золота (материал проводников) у=4.1*10⁷См/м, толщину скин-слоя:

(7.31)

Таблица 7.1 - Проводимости и ширина скин слоя проводников



Поверхносное сопротивление проводника:

(7.32)

Погонные потери основной линии:

(7.33)

Погонные потери шлейфа:

(7.34)

Потери проводимости отрезка основной лини и шлейфа соответственно:

(7.35)

(7.36)

Диэлектрические потери моста основной линии и шлейфа:

(7.37)

(7.38)

Где - тангенс потерь подложки из поликора



Таблица 7.2 - Характеристики диэлектриков.

Полные потери шлейфа и основной линии моста равны:

(7.39)

(7.40)

КСВ входных плеч моста:

(7.41)

Развязка изолированного плеча:

Потери моста:

(7.43)

Расчет параметров смесителя

Определяем разброс параметров диодов в паре. Пологаем, что диоды в паре имеют разброс:

(7.44)

И разбросом при котором L'=0.5дБ.

Выходные сопротивления диодов, включенных параллельно по промежуточной частоте:

(7.45)

Потери преобразования смиесителя:

(7.46)

Для относительной полосы 4% разбаланс амплитуд состовляет около д=0.12%.

Рассчитываем величину:

(7.47)

усилитель мощность передатчик частотный

Рисунок 7.3 - Зависимость коэффициента подавления шума синтезатора частоты от разбаланса амплитуд.



Необходимая мощность синтезатора, пологая, что оптимальная мощность P_гопт=Р_г=3мВт, равна:

(7.48)

В результате топология смесителя будет иметь вид, показанный на рисунке 5.5:

Рисунок 7.5 - Топология смесителя.

Размещено на Allbest.ru

...