Влияние переотражений во входном тракте отражательного усилителя сверхвысокочастотных сигналов на его основные характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

САО РАН

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕОТРАЖЕНИЙ ВО ВХОДНОМ ТРАКТЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ CВЧ СИГНАЛОВ НА ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

A.П. Венгер

Г.Н. Ильин

В работе представлены результаты исследования влияния входной цепи СВЧ отражательного транзисторного усилителя (OPTA - One Port Transistor Amplifier), с последовательной положительной обратной связью, на основные характеристики. Приводятся уточненные выражения для расчета коэффициентов передачи и шума. Используется новый теоретический подход к данному типу усилителей, определяющий условия режима усиления. Приводятся расчетные и экспериментальные данные, иллюстрирующие работу усилителя в дециметровом диапазоне волн.

Как показывает практика работы с усилителями отражательного типа [1-5], очень важным моментом в проектировании подобного рода устройств, является понимание физических процессов, влияющих на конечные характеристики. В предыдущих работах мы делали акцент на исследование нового варианта схемы отражательного усилителя с положительной последовательной связью без учета переотражений во входной цепи, что справедливо только для идеального случая. В данной работе проведено рассмотрение влияния физических процессов для реального случая во входной части усилителя на коэффициенты передачи и шума, связь между этими параметрами, а также определение более точных выражений для них.

ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

В Электронике любой усилитель содержит два основных элемента: источник энергии (DC) и управляемый нелинейный элемент (NE), как показано на рис.1а. Обычно в качестве NEиспользуется некое твердое тело, имеющее нелинейные характеристики в требуемом диапазоне, чаще всего это диод или транзистор.

Усилитель содержит два энергетических кольца (рис.1б): маломощное или управляющее кольцо (I) и мощное или управляемое кольцо (II). NE осуществляет связь между ними. Маломощное кольцо используется для переноса информации, в форме частотно-временного спектра электромагнитных колебаний S(t), на нелинейную проводимость NE. Производится модуляция этой проводимости. Мощное кольцо используется для преобразования энергии DC источника в RF колебания согласно модулированной проводимости NE.

Рис. 1

Производится модуляция тока DC источника. Для разделения постоянного тока и радиочастотных колебаний используются вспомогательные элементы: радиочастотный фильтр (BF) и конденсатор (С). POUT есть выходная мощность, рассеиваемая в импедансе нагрузки. Если в мощное кольцо вносится комплексно-согласованная с NE, в некотором диапазоне, нагрузка (ZL), то получаем проходной каскад усилителя, как показано на рис. 1б. Эта схема достаточно хорошо изучена и широко применяется.

Как известно, каждый усилитель содержит положительную обратную связь (ПОС) между выходом и входом. В проходном варианте эта связь довольно слабая и используется, в основном, для коррекции коэффициента передачи. Принципиальным отличием отражательного усилителя является наличие в нем глубокой ПОС, которая выполняет две основные функции: а) дополнительная модуляция энергии источника питания мощного кольца (II); б) перенос выходного сигнала на согласованную нагрузку. В зависимости от схемной реализации ПОС, могут быть два основных типа транзисторных отражательных усилителей: c параллельной [4], [5] или последовательной обратной связью.

Предметом данного исследования является отражательный транзисторный усилитель (OPTA) с последовательной ПОС (Рис. 2). В работах [1], [2], [3] выведены выражения для коэффициентов передачи и шума отражательного усилителя такого типа. Здесь мы рассматриваем основные условия, ограничивающие их применение.

Рис. 2

OPTA содержит стандартный набор элементов: источник постоянного тока, нелинейным элементом служит FET транзистор (Т), реактивный элемент (XL), циркулятор и радиочастотный фильтр. На рис. 3 представлена эквивалентная схема данного усилителя.

Рис. 3

Полевой транзистор содержит два синхронно работающих нелинейных элемента: D - управляющий элемент первого кольца усилителя, работающий в режиме варакторного диода, Yds - управляемый элемент второго кольца, работающий в режиме варисторного диода. Крутизна () вольт-амперной характеристики транзистора является связующим параметром для этих двух нелинейных элементов. Вместе с емкостью затвор-исток (Сgs) управляющего элемента, истоковая индуктивность (Ls) составляет последовательный резонансный контур. Для разделения входного и выходного сигналов в точке А устанавливается циркулятор. Принцип действия отражательного усилителя с последовательной ПОС состоит в следующем. С момента включения источника питания, истоковая индуктивность запасает энергию в форме магнитного поля. Входное напряжение сигнала (Vs), с помощью управляющего элемента D, модулирует проводимость (Yds) канала транзистора, который в свою очередь модулирует постоянный ток источника питания. Промодулированный ток (IVs) взаимодействует с запасенной энергией в Ls , в результате чего на концах истоковой индуктивности образуется напряжение самоиндукции (VFB), которое является источником последовательной ПОС. Со стороны входа транзистора, VFB создает эффект “отрицательного сопротивления“. Это напряжение также создает дополнительную модуляцию тока через канал транзистора (IFB). В результате на истоковой индуктивности вырабатывается RF энергия, содержащая входную информацию на более высоком уровне мощности. Через последовательный резонансный контур (Ls, Cgs) RF сигнал поступает на вход усилителя и, через согласующие цепи и развязывающий циркулятор, выделяется в нагрузке.

По схемной реализации отражательный усилитель довольно близок к классу генераторных схем. Так в работе [6] автор рассматривает генератор как случай отражательного усилителя и на базе этого анализа производится проектирование реального генераторного устройства. Мы рассматриваем обратную задачу: режим отражательного усилителя как вариант работы генератора. Если взять за основу схему транзисторного генератора, то основные условия его работы, в референсной плоскости входа транзистора, должны быть следующими: а) амплитуда напряжения ПОС должна быть больше амплитуды входного запускающего сигнала

VFB m > Vs m

б) фаза напряжения в случае последовательной обратной связи должна быть. сверхвысокочастотный транзисторный усилитель шум

,

здесь - фаза входного напряжения, в качестве которого может быть как некий внешний запускающий сигнал, так и собственный шум в случае автогенератора. Эти условия являются необходимыми и для отражательного усилителя, но не достаточными для устойчивой работы. Рассмотрим, какое дополнительное условие необходимо.

В работе [3] было выведено выражение для коэффициента передачи (G) отражательного усилителя с последовательной ПОС:

Это выражение было рассчитано для случая идеального циркулятора, т.е. когда резистивные потери и коэффициент отражения равны нулю. В реальном случае, циркулятор всегда имеет какие-то резистивные потери и конечную величину коэффициента отражения. Влияние отражений на параметры усилителя можно найти в [7], [8], [9]. В проходном усилителе, при хорошем согласовании, эти процессы имеют значения второго порядка. Другая ситуация в отражательном усилителе. Переотражения выходного сигнала на неоднородностях между транзистором и плечом циркулятора могут вносить значительный вклад в результирующие параметры усилителя. Чтобы оценить величину влияния рассмотрим графическую иллюстрацию этого процесса (рис.4) в предположении, что тракт достаточно хорошо согласован и основные отражения происходят от плеча циркулятора.

Рис. 4

В результате переотражений величина входной мощности сигнала на затворе транзистора может быть представлена в следующем виде:

Выражение (5) представляет собой математический ряд вида , в котором . При , этот ряд является сходящимся и имеет предел (рис.5). Для примера: при х=0.5 предел для данной последовательности составляет 0.66, т.е. сигнал на затворе транзистора составляет 0.66Рs. Величина электрической длины между циркулятором и затвором транзистора выбирается вблизи для центральной волны.

Рис. 5

Когда первые два члена ряда равны, выходная мощность становится равной нулю, т.е. перенос информации о входном сигнале прерывается. Обрыв входного сигнала происходит в точке:

Из (6) получаем третье обязательное условие для устойчивой работы схемы отражательного усилителя в режиме переноса информации:

Окончательное выражение для коэффициента передачи входного сигнала может быть представлено в следующем виде:

здесь: Z - импеданс входной цепи, Zin - импеданс со входа транзистора.

Иллюстрация этого выражения представлена на рис. 6. Здесь приведены расчетные и экспериментальная кривые коэффициента передачи усилителя описанного в [3]. Относительно большое различие между расчетом и экспериментом объясняется потерями во входной цепи, содержащей резонансные согласующие цепи.

Рис.6

Процесс переноса информации о собственных шумах отражательного усилителя имеет существенное отличие. Известно, что основные источники шума, определяющие общую шумовую температуру любого усилителя, сосредоточены в I управляющем кольце (рис.1б). В случае отражательного усилителя, половина мощности шума поступает непосредственно на выход, а вторая половина усиливается и также поступает на выход. В отличие от проходной схемы, здесь возможно, с помощью ПОС, создание фазового сдвига между шумовыми сигналами для их взаимной нейтрализации. В хорошо настроенном усилительном каскаде, шумы определяются резистивными потерями в области затвор-исток полевого транзистора (Rg, Rg-s, Rs). Эта область, в первом приближении являющаяся точечным источником шума (Pn), излучает квазигармонические, когерентные колебания и характеризуется некоторой величиной эквивалентной температуры (Тn). На рис. 7 представлена графическая иллюстрация процесса переотражения собственного шумового излучения транзистора во входной цепи ОРТА. Для простоты, резистивные потери и коэффициенты отражения в согласующей реактивной цепи не берутся в расчет.

Рис. 7

Результирующее шумовое излучение на выходе усилителя (), с учетом (5), может быть описано следующим выражением:

Выражение (9) показывает, что результирующее шумовое излучение ОРТА зависит не только от резистивных потерь в схеме, но и от коэффициентов передачи и отражений между транзисторным входом и плечом циркулятора. Коэффициент шума отражательного усилителя, с учетом потерь во входном плече циркулятора и в согласующих цепях (Тс), имеет вид:

При инженерных расчетах можно использовать с достаточной точностью следующее выражение [1]:

В (11) используются только два первых члена ряда . При достаточно высоком коэффициенте передачи () и малых потерях в согласующих цепях, результирующие шумы усилителя стремятся к нулю. Имеет место эффект фазового подавления шумового излучения точечного источника резистивных потерь затвор-истокового перехода транзистора. При достижении равенства между G и возникает лавинообразный процесс нарастания собственного шумового излучения. Усилитель переходит в режим автогенератора.

Для примера, на рис.8 с помощью выражений (8), (11) представлены результаты расчета коэффициентов передачи и шума резонансного отражательного усилителя, использующего транзистор типа NE332 с рабочими параметрами Id=3.2 mA (Ym=40 mS) , Vgs=-0.5v.

Рис.8

Иллюстрацией выражений (8), (11) может служить экспериментально полученный график зависимости коэффициентов передачи и шума от тока канала транзистора (рис.9). В этом эксперименте также использован усилитель, описанный в [3]. На графике, в области I, где выполняются условия (1), (2), (7) устройство работает как устойчивый усилитель с малым уровнем собственных шумов. В случае, когда вместо (7), выполняется условие (6), устройство переходит в режим подавления внешнего сигнала и генерации (усиления) собственного шумового излучения (область II на графике).

Приведенные здесь результаты относятся к схеме отражательного усилителя с последовательной ПОС. Для случая усилителя с параллельной схемой ПОС, результаты могут существенно отличаться. Это связано с другими фазовыми соотношениями между напряжениями входного сигнала и ПОС.

Рис. 9

Заключение

Данная работа является продолжением изучения и объяснения экспериментальных результатов, полученных с помощью новой схемы отражательного усилителя с последовательной положительной обратной связью. Определены и представлены граничные условия функционирования схемы. Эти условия позволяют разделить режимы усилителя и генератора. Показано как переотражения во входной части усилителя влияют на его параметры. Выведены более точные выражения для коэффициентов передачи и шума. При этом было получено, что величина собственных шумов на выходе зависит не только от резистивных потерь в схеме, но и от коэффициента передачи и переотражений во входной цепи. Экспериментальные результаты, полученные в [1], [2], [3] и в этой работе показывают, что ОРТА, использующий только один транзистор, способен обеспечить достаточно высокие параметры и новые схемотехнические возможности. Очень важными достоинствами данной схемы есть его простота, и, следовательно, надежность, а также низкое энергопотребление [2], [3].

Литература

[1] A.P.Venguer, J.L.Medina, R.A.Chбvez, A. Velбzquez, “Low Noise One - Port Microwave Transistor Amplifier”, Microwave and Optical Technology Letters, vol 33, no.2, pp. 100-104, April 20, 2002.

[2] A.P.Venguer, J.L.Medina, R.A.Chбvez, A.Velбzquez, “A New Microwave One - Port Transistor Amplifier with High Performance for L- Band Operation”. WSEAS International Conferences, Cancъn Mйxico, CD-ROM Proceedings, pp. 2061-2066, May 12-16, 2002.

[3] A.P.Venguer, J.L.Medina, R.A.Chбvez, A.Velбzquez, A.Zamudio, G.N.Il'in “The Teoretical and Experimental Analysis of Resonant Microwave Reflection Amplifiers” Microwave Journal, vol. 47, no. 10, pp. 80-93, October, 2004.

[4] H.Tohyama, H.Mizuno, “23-GHz Band GaAs MESFET Reflection Type Amplifier”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-27, no.5, May, pp. 408-411, 1979.

[5]. P.Gardner and D.K. Paul, “Aspects of the design of low noise, negative resistance reflection mode transistor amplifiers”, IEEE Trans Microwave Theory Tech., pp. 1869-1875, Nov. 1991.

[6] John W.Boyles, “The Oscillator as a Reflection Amplifier: an Intuitive Approach to Oscillator Design” Microwave Journal, pp. 83-98, June, 1986

[7] С.В. Переслегин, Н.Н. Юрокин. “Оценка составляющих паразитной модуляции в модуляционном СВЧ - радиометре”. Вопросы Радиоэлектроники, серия Общетехническая, н. 24, стр. 42-50, 1964

[8] V. Adamian, A. Uhlir. “Simplified noise evaluation of microwave receivers”. IEEE Trans. Instrum. and Meas., 33, no. 2, pp. 136-140, 1984

[9] G.F. Engen. “A new method of characterizing amplifier noise performance”. IEEE Trans. Instrum. and Meas., vol. IM-19, no.4, pp.344-349, Nov.1970

Размещено на Allbest.ru