20368

СВЧ ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГВВ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

СВЧ ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГВВ 13. СВЧ транзисторный генератор балансного типа 13. Линейный режим работы транзисторного СВЧ генератора 13. Режим перелива мощности в транзисторных СВЧ генераторах 13.

Русский

2013-07-25

97.5 KB

15 чел.

Лекция 13. СВЧ ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГВВ

13.1. СВЧ транзисторный генератор балансного типа

13.2. Линейный режим работы транзисторного СВЧ генератора

13.3. Режим «перелива» мощности в транзисторных СВЧ генераторах

13.4. Контрольные вопросы

13.1. СВЧ транзисторный генератор балансного типа

СВЧ транзисторный генератор балансного типа, структурная схема которого приведена на рис. 13.1, состоит из двух одинаковых СВЧ усилителей и двух мостовых устройств квадратурного типа, с подключенными к ним балластными нагрузками (БН). В схеме происходит суммирование мощностей двух одинаковых транзисторов.

Рис. 13.1. Схема СВЧ транзисторного генератора балансного типа.

Конструкции СВЧ мостового устройства, два типа которого - со шлейфами и на связанных несимметричных МПЛ - представлены на рис. 13.2. Каждый из четырех входов мостового устройства связан с двумя другими и развязан с третьим. При подведении сигнала к одному из входов устройство является делителем мощности, при одновременном возбуждении двух входов с соблюдением определенного фазового соотношения - сумматором мощностей сигналов. В мостовых устройствах, приведенных на рис. 13.2, попарно развязаны по два входа: 1 - 2 и 3 - 4.

Рис. 13.2. Конструкции СВЧ мостового устройства.

Сигнал, подведенный ко входу 1, поровну делится между входами 3 и 4. Причем на входе 3 он сдвинут по фазе на 90°, а на входе 4 - на 180° по отношению к сигналу на входе 1 (см. рис. 13.2, а - векторы амплитуд сигналов). Разница в сдвиге фаз на 90° и обусловливает название устройства как квадратурного. При подведении ко входам 1 и 2 двух одинаковых сигналов равной мощности Р1, сдвинутых по фазе на 90°, на входе 3 или 4 появится суммарный сигнал мощностью 2Р1. Мостовое устройство относится к цепям взаимного типа, что означает сохранение его свойств при изменении номера входа, к которому подводится сигнал.

В схеме на рис. 13.2 мостовое устройство на входе усилителей используется как делитель мощности сигнала в два раза, на выходе - как сумматор двух сигналов. При рассогласовании по входу транзисторов отраженные сигналы попадают в балластную нагрузку БН-1. Данное свойство, а также независимая работа обоих СВЧ усилителей повышают устойчивость работы всего тракта усиления СВЧ сигнала радиопередатчика.

Мостовые устройства сохраняют свои свойства в определенной полосе частот, подразделяясь на узко- и широкополосные. Так, устройство со шлейфами (рис. 13.2, а) является узкополосным, со связанными линиями (рис. 13.2, б) - широкополосным.

При нормальной работе к балластной нагрузке сумматора подводятся два сигнала в противофазе, и поэтому рассеиваемая в ней мощность равна нулю. Но при выходе из строя одного из усилителей в балластную нагрузку БН-2 (рис. 13.1) начнет поступать мощность, равная 0,5Р1. На такое же значение уменьшится мощность сигнала в полезной нагрузке, которая также станет равной 0,5Р1. Таким образом, при выходе из строя одного из усилителей происходит уменьшение мощности в полезной нагрузке в четыре раза по сравнению с нормальным режимом работы, т.е. с 2Р1 до 0,5Р1, где Р1 - мощность одного транзистора.

13.2. Линейный режим работы транзисторного СВЧ генератора

Об одновременном усилении множества сигналов. В СВЧ системах радиосвязи, одновременно обслуживающих множество абонентов, широко используется частотный метод разделения сигналов. По отношению к радиопередатчику ретранслятора сигналов это означает одновременное усиление в общем тракте большого числа сигналов с разными частотами несущих колебаний.

Пример сотовой радиосвязи. В любой соте одновременно могут выходить на радиосвязь N абонентов - каждый на своей частоте несущей (рис. 13.3). Радиосигналы от абонентских радиостанций поступают на общую базовую радиостанцию, расположенную в центре соты, усиливаются и переизлучаются. При таком способе организации радиосвязи в общем усилительном тракте базовой радиостанции одновременно усиливается множество СВЧ сигналов. Подобная же картина имеет место в космических системах радиосвязи с частотным разделением при использовании на борту спутника ретранслятора «прозрачного» типа.

Рис. 13.3. Пример сотовой радиосвязи.

Усилительный СВЧ тракт содержит большое число каскадов, в большинстве случаев полупроводниковых, и разнообразных электрических цепей. Поскольку тракт усиления по мощности СВЧ сигнала является нелинейным устройством, то проходящие через него сигналы начинают взаимодействовать между собой, создавая взаимные помехи, уровень которых не должен превышать определенного значения.

Причина таких искажений обусловлена нелинейным характером процесса взаимодействия потока носителей заряда с электромагнитным полем во всех электронных приборах при усилении сигнала по мощности. Вся комбинация разнообразных нелинейных эффектов приводит к нелинейности амплитудной характеристики и зависимости фазы сигнала от амплитуды, называемой амплитудно-фазовой конверсией. Совокупность двух характеристик - амплитудной  и фазоамплитудной  – в одночастотном режиме работы позволяют комплексно оценить нелинейные свойства СВЧ генератора. На рис. 13.4а,б приведены «идеальные» характеристики, соответствующие линейному режиму работы генератора; на рис. 13.4в,г - реальные, при которых возникают нелинейные искажения.

Тестовым сигналом для проверки линейных свойств СВЧ генераторов, являющихся основой усилительного тракта радиопередатчика, является двухчастотный сигнал:

,  (13.1)

где A(t) - амплитуда; (t) - фаза суммарного сигнала.

;   (13.2)

,    (13.3)

где  - отношение амплитуд сигналов.

При р=1 выражение (13.1) принимает вид:

.

Рис. 13.4. «Идеальные» характеристики, соответствующие линейному режиму работы генератора.

Согласно (13.1) - (13.3) двухчастотный сигнал есть сигнал с амплитудной и фазовой модуляцией. Программа на языке Mathcad по расчету функций А(t) и θ(t) двухчастотного сигнала имеет следующий вид:

U0:=1  f:=10  р:=0,99999  F:=0,2

  

 

i:=1 …1000   ti:=0,01i

udi:=u(ti) sdi:=s(ti) cdi:=c(ti) Adi:=A(ti) di:=(ti)

Результаты расчета по программе на языке Mathcad при р=1, т.е. при равных по амплитуде сигналах, приведены на рис. 13.5.

Рис. 13.5. Результаты расчета функций А(t) и θ(t) двухчастотного сигнала.

Из построенных графиков следует, что фаза суммарного колебания θ(t) (в программе θd) в течение одного периода колебаний с разностной частотой F меняет знак. Причем при р=1 фаза меняется по пилообразному закону со скачком, равным π, а глубина амплитудной модуляции составляет 100%.

Самым удобным является спектральный метод оценки нелинейных свойств СВЧ генератора. При таком методе на его вход подастся двухчастотный сигнал (13.1). По спектру выходного сигнала, называемого комбинационным и определяющим так называемые интермодуляционные искажения (ИМИ), судят о линейных свойствах генератора или всего СВЧ усилительного тракта. Пример комбинационного спектра приведен на рис. 13.6.

Рис. 13.6. Пример комбинационного спектра двухчастотного сигнала.

Спектральные составляющие следуют с интервалом F=f2f1. Наибольшими по амплитуде комбинационными составляющими в этом спектре обычно являются составляющие с частотами fк3=2f2f1 и fк3=2f1f2, наиболее близко расположенные к основным составляющим и называемые ИМИ 3-го порядка. Их уровень в многочастотных системах должен быть, как правило, ниже уровня основных составляющих не менее чем на 25…30 дБ.

Для выполнения данного требования мощный СВЧ усилитель должен быть линейным устройством, вносящим очень малые нелинейные искажения в усиливаемый многочастотный сигнал. Добиваются такого качества усилителя применением специальных мощных СВЧ полевых транзисторов, работающих в режиме класса А, (угол отсечки θ=180°)

В линейном режиме КПД генератора оказывается весьма низким - не превышающим 15–20%. Однако ради получения линейных свойств СВЧ генератора приходится идти на ухудшение данного параметра. Пример зависимости ИМИ, определяемых уровнем комбинационных составляющих 3-го порядка в двух частотном режиме работы, от мощности выходного сигнала для мощного СВЧ генератора линейного типа приведен на рис. 13.7,а.

Рис. 13.7. Зависимость ИМИ, от мощности выходного сигнала.

За максимальный уровень (0 дБ) на графике принята мощность СВЧ генератора в режиме насыщения амплитудной характеристики в радиочастотном режиме работы (рис. 13.7,б).

Из графика следует, что для получения ИМИ, равным –25 дБ, следует снизить мощность СВЧ генератора в одночастотном режиме на 3…4 дБ относительно режима насыщения.

13.3. Режим «перелива» мощности в транзисторных СВЧ генераторах

Линейный режим работы СВЧ генераторов в многочастотных системах радиосвязи иногда приходится совмещать с так называемым режимом «перелива» мощности между сигналами с разными частотами несущих колебаний, например, в многолучевых системах космической радиосвязи.

Пример. Пусть передача информации через общий ретранслятор в системе радиосвязи одновременно осуществляется на двух частотах: f1 и f2 (рис. 13.6). Для каждой частоты ретранслятор имеет свою передающую антенну. Обозначим мощность, излучаемую ретранслятором на частоте f1 через P1A, а на частоте f2 - через Р1B. Сумма этих мощностей:nP1A1B1=const, где Р1 - мощность ретранслятора (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Передача информации через общий ретранслятор на двух частотах.

Условия работы в системе непрерывно меняются: то больший объем информации передается на частоте f1, то - на частоте f2. При большем объеме информации требуется большая мощность ретранслятора, поэтому мощность Р1 следует все время перераспределять или «переливать» между сигналами с частотами f1 и f2.

Данная задача может быть выполнена с помощью схемы генератора с двумя усилителями и двумя квадратурными устройствами (рис. 13.10), СВЧ генератора балансного типа. В схеме сигнал с частотой f1 подводится ко входу 1, а с частотой f2 - ко входу 2 входного мостового устройства квадратурного типа. Затем каждый из сигналов «расщепляется», усиливается в обоих СВЧ усилителях и поступает на два входа выходного мостового устройства квадратурного типа.

Рис. 13.10. Схема генератора с 2 усилителями и 2 квадратурными устройствами для перелива мощности.

Тот из выходов этого «моста», к которому сигналы поступят с одинаковой фазой и сложатся, станет их общим выходом. Для сигнала с частотой f1 таким выходом является выход «моста» под номером 4, а с частотой f2 - под номером 3 (рис. 13.10). К каждому из них сигналы поступают, сдвинутыми по фазе на величину: φобщ=270°+φу, где 270° - сдвиг по фазе за счет мостовых квадратурных устройств φу - за счет СВЧ усилителя. Таким образом, антенна А будет излучать только сигнал с частотой f1, а антенна В - f2.

Усилители СВЧ в схеме должны работать в линейном режиме, чтобы сигналы с частотой f1 и f2 не взаимодействовали между собой. При таких усилителях, изменяя мощность на их входе, перераспределяют мощность ретранслятора между сигналами с частотой f1 и f2, осуществляя режим «перелива» мощности из одного частотного канала в другой. Из-за не идентичности СВЧ усилителей и расхождения их фазовых характеристик происходит частичное проникновение сигналов в соседний канал. Расхождение по фазе должно быть<20°, чтобы проникновение было - <–15 дБ.

Составив на входе и выходе схемы матрицу из четырех мостовых квадратурных устройств, с помощью четырех СВЧ усилителей можно осуществить «перелив» мощности ретранслятора в 4 частотных каналах (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Устройства для «перелива» мощности ретранслятора в 4 частотных каналах.

В схеме на рис.13.11 сигнал с частотой f1, попадает в выходной канал А, с частотой f2 - в канал В, с частотой f3 - канал С, с частотой f4 - канал D. Только в эти каналы соответствующие сигналы, пройдя через четыре мостовые устройства, с разных усилителей приходят с одной и той же фазой φобщ=(540°+φу) и суммируются.

При матрице из 12 мостовых устройств и 8 СВЧ усилителях возможен «перелив» мощности ретранслятора в 8 частотных каналах и т.д. Рассмотренные схемы генераторов с «переливом» мощности между частотными каналами используются в бортовых ретрансляторах многолучевых систем космической радиосвязи. При этом имеется возможность большую мощность ретранслятора направлять в тот луч, через который передается наибольший объем информации.

13.4. Контрольные вопросы

1. Нарисуйте схему генератора балансного типа. В чем состоят ее преимущества?

2. Когда необходим линейный режим работы СВЧ генератора? Как он реализуется?

3. Как экспериментально по двухчастотному сигналу оцениваются линейные свойства СВЧ генератора?

4. Каким образом осуществляется режим «перелива» мощности в СВЧ генераторах?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84243. КОМПЕНСАТОРНО-ПРИСПОСОБИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ 26.51 KB
  Регенерация восстановление структурных элементов ткани взамен погибших. В биологическом смысле регенерация представляет собой приспособительный процесс выработанный в ходе эволюции и присущий всему живому. Регенерация кровеносных сосудов протекает неоднозначно в зависимости от калибра.
84244. ЛИМФОИДНАЯ СИСТЕМА. МАКРОФАГИ 25.4 KB
  К центральным органам иммуногенеза относятся тимус и костный мозг в которых во внутриутробном периоде возникают первоначальные полустволовые лимфоидные клетки. Неактивные малые лимфоциты клетки приблизительно 8 10 мкм в диаметре с малым объемом цитоплазмы и сферическим ядром занимающим почти всю клетку. После стимуляции активации определенным антигеном Тлимфоциты преобразовываются в большие активно делящиеся клетки названные трансформированными Тлимфоцитами или Тиммунобластами из которых затем возникает исполнительное звено...
84245. ИММУНОГЛОБУЛИНЫ. КОМПЛЕМЕНТ 23.82 KB
  Производство антител начинается после активации Вклеток антигеном. Непрерывное присутствие свободного антигена поддерживает ответ до тех пор пока увеличение уровня антител не приведет к усиленному удалению антигена и таким образом прекращению стимуляции Вклеток. Огромное количество Тклеток распознает огромное количество разнообразных антигенов. Тлимфоциты также имеют рецепторы для антигенов и популяции Тклеток имеют подобную степень разнообразия.
84246. Характеристики иммунного ответа. Толерантность к собственным антигенам. Антигены. Типы иммунного ответа 30.58 KB
  Механизмы распознавания недостаточно изучены они зависят от характера типа антигена пути проникновения его в организм и т. Выделяется четыре различных типа гиперчувствительности. Гиперчувствительность I немедленного типа.
84247. ОТТОРЖЕНИЕ ТРАНСПЛАНТАНТА 24.04 KB
  При пересадке бессосудистых трансплантантов реакция иммунологического отторжения не появляется так как отсутствие кровообращения в трансплантанте предотвращает контакт иммунных клеток с антигенами а для развития иммунного ответа необходимо соприкосновение антигена с клетками иммунной системы Трансплантационные антигены антигены гистосовместимости. Иммунологическая реактивность против пересаженных клеток может быть направлена против большого количества антигенов на поверхностной мембране клеток. Антигены на поверхности клеток тканей: ...
84248. АУТОИММУННЫЕ БОЛЕЗНИ 22.55 KB
  Механизмы вовлеченные в процессы повреждения клеток при аутоиммунных болезнях включают II III и IV типы гиперчувствительности. II тип цитотоксический гиперчувствительности механизм ответственный за большое количество органоспецифических болезней типа аутоиммунной гемолитической анемии и простой пузырчатки. Тклеточная прямая цитотоксичность является доминирующим механизмом повреждения клеток даже при наличии антител против фолликулярных клеток в крови которые вероятно способствуют некрозу клеток путем активации II типа...
84249. НЕДОСТАТОЧНОСТЬ ИММУННОГО ОТВЕТА 24.98 KB
  Диагноз может подтверждаться соответствующими иммунологическими тестами которые включают в себя: определение уровней иммуноглобулинов сыворотки и уровня комплемента; изучение периферических лимфоцитов крови; изучение биопсийного материала лимфатических узлов. При аплазии агенезии тимус отсутствует полностью при гипоплазии размеры его уменьшены деление на кору и мозговое вещество нарушено число лимфоцитов резко снижено. Тяжелый комбинированный иммунодефицит ТКИ характеризуется дефектом стволовых лимфоидных клеток что приводит к...
84250. Микроскопические грибы, их особенности 34.9 KB
  Ранее считали что грибы занимают промежуточное положение между царствами растений и животных так как ряд признаков сближает их как с растениями так и с животными. В настоящее время грибы выделены в отдельное царство Mycot которое насчитывает около 100 тыс. Грибы широко распространены в природе.
84251. Размножение грибов 113.72 KB
  Строение высших грибов: а оидии; б хламидоспоры. В этом случае на определенном этапе вегетативного размножения грибов образуются специальные плодоносящие гифы воздушного мицелия. У низших грибов споры формируются внутри шаровидных мешочков спорангиев внутри которых формируются внутренние споры эндоспоры.