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

11 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

40565. Расчёт пространственного одноэтажного промышленного здания 1.31 MB
  Расстояние от оси подкрановой балки до оси колоны l1B1hBa75 B1 – размер части кранового моста выступающей за ось рельса 75мм – зазор между краном и колонной l1300100050075=875 мм l1 должен быть кратным 250 мм значит l1=1000 мм Высота сечения нижней части колонны hH=l1a hH= 1000500=1500 мм Пролёт мостового крана lк =l 2 l1 =3000021000=28000 Сечения верхней части колонны назначаем сплошного сечения двутавровым нижней сквозным.8 Тип фермы Пролет фермы L = 300 м Высота фермы H = 315 м Количество панелей верхнего пояса 10...
40567. Качество ПО 586.5 KB
  Эффективность Ошибки анализа необходимого количества ресурсов обычно проявляются только в определенных ситуациях Задачи обеспечения качества Обеспечение качества Измерение оценка качества программы Применение методов повышения качества Повышение качества Обнаружение ошибок и неудовлетворительных мест в программе Исправление ошибок и другие изменения программы Необходимость оценки качества Контроль текущего прогресса Оценка эффективности затрат на повышение качества Выбор наиболее эффективных методов повышения качества Основа...
40568. Управление приложением пользователя 4.61 MB
  Для организации эффективной работы пользователя целесообразно создать целостное приложение предметной области, в котором все его компоненты должны быть сгруппированы по функциональному назначению. При этом необходимо обеспечить удобный графический интерфейс, чтобы пользователь мог решать задачи
40569. Введение в предмет АИС 29 KB
  Н 3 курс дисциплина АИС Занятие № 1 Тема: Введение в предмет АИС 1. Задачи АИС АИС являются широко распространенными в настоящее время развития общества когда информатика информационные технологии компьютеры сопровождают человека во всех сферах деятельности. Задачами АИС на данном этапе развития являются: изучение современных методов и средств проектирования информационных систем...
40570. Работа с данными таблицы 678 KB
  Достаточно часто возникает необходимость быстрого нахождения и редактирования заданных записей в больших массивах информация. Для этого важно быстро выбрать по некому шаблону записи и отсортировать их. Данная задача решается с помощью фильтрации записей в режиме таблицы или формы.
40571. СТРУКТУРА АИС 59.5 KB
  3курс дисциплина АИС Занятие №3 Тема: СТРУКТУРА АИС Типы обеспечивающих подсистем Структуру информационной системы составляет совокупность отдельных ее частей называемых подсистемами. Подсистема это часть системы выделенная по какомулибо признаку. Общую структуру информационной системы можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. В этом случае говорят о структурном признаке классификации а подсистемы называют обеспечивающими.
40572. Классификация автоматизированных информационных систем 58 KB
  В файлсерверных ИС база данных находится на файловом сервере а СУБД и клиентские приложения находятся на рабочих станциях. В клиентсерверных ИС база данных и СУБД находятся на сервере а на рабочих станциях находятся клиентские приложения. twotier ИС всего два типа звеньев: сервер баз данных на котором находятся БД и СУБД bckend и рабочие станции на которых находятся клиентские приложения frontend. Типичный пример применения многозвенности современные вебприложения использующие базы данных.
40573. ВАРИАНТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГОГО ТЕЛА КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ С ТРЕЩИНОЙ 1.75 MB
  Рассмотрена задача о нахождении напряженно-деформированного состояния (НДС) в поврежденном трещиной теле конечных размеров. Трещина моделируется физическим разрезом с характерной толщиной и материальным слоем на его продолжении. Напряженное состояние слоя описывается средними по толщине и граничными напряжениями, связанными условиями равновесия