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

26097. Культурология как наука: междисциплинарные связи, предмет, объект, содержательная область и проблемные поля, структура 19.48 KB
  Лесли Элвин Уайт Открытие культуры когданибудь встанет в истории науки в один ряд с гелиоцентрической теорией Коперника или открытием клеточной основы всех форм жизни. проясняет природу и смыслы культуры раскрывает ее роль в общественной жизни А. помогает прояснить то подлинное значение культуры которое присутствует в трудах выдающихся мыслителей как прошлого так и настоящего вскрывает причины искажений в их теоретических позициях С. предлагает иную интерпретацию взаимоотношений культуры и природы которая коренным образом...
26098. Происхождения термина 21.88 KB
  написал трактат о земледелии перевод названия которого по латыни звучит примерно так: агрокультура. Отсюда первоначально слово культура применялось как агротехнический термин обработка земли возделывание почвы. В значении самостоятельного понятие культура появилось в трудах немецкого юриста С.
26099. Философские и научные основания постижения культуры 13.42 KB
  Имеет смысл лишь в границах определенной культуры философские идеи свойством культурной уникальности и самобытности философ же пытается постичь его в прямой и непосредственной связи с человеческой субъективностью всегда культурно обусловленной Смотреть философскими глазами на мир значит смотреть на него как на мир культуры своей культуры видеть в нем отражение собственной исторически и общественно сформированной индивидуальности. Восприятие через призму культуры философия как знание о мире не выходит за культурный горизонт своей...
26100. Культура как система 20.17 KB
  Однако такое восприятие культуры утвердилось далеко не сразу. Начало системному рассмотрению культуры было положено Эдуардом Бернеттом Тайлором в работе Первобытная культура. На основе изучения большого этнографического материала автор описывает и анализирует конкретные элементы первобытной культуры на фоне культуры мировой и формулирует целостное видение культуры первобытности в контексте теории анимизма специфической веры первобытного человека в одушевленность всей природы которая связывала в единую целостность весь его практический...
26101. Методология, методы и методика исследования культуры 13.43 KB
  Методология система базовых мировоззренческих принципов исследования включающая методы методики способы и средства реализации поставленных целей и задач. Методология исследования культуры: Феноменологические Функционализм Структурализм Постструктурализм Системный Синергетический Постмодернизм Диалектический Семиотический Органицизм Диффузионизм Цивилизационный Аксиологический и др. Методология: Универсалистская Индивидуалистическая Конструктивистская Метод последовательность шагов действий которые необходимо...
26102. Основные подходы в изучении культуры 17.67 KB
  Ценности нормы и значения Предметные и организационные формы Главная функция Креативная творение бытия человеком или для человека Адаптация и воспроизводство жизненною уклада людей Латентность поддержание образца и социализация Воспроизводство и обновление самой деятельности Приоритетный метод исследования Диалектический Эволюционный Структурнофункциональный Системнодеятельностный Философский подход дает самую широкую панораму видения культуры предполагая изучение фундаментальных оснований человеческого бытия глубин самосознания...
26103. Проблема типологии культуры: основные принципы построения 17.54 KB
  Этническая культура совокупность черт культуры касающихся преимущественно обыденной жизни бытовой культуры. Этническая культура включает орудия труда нравы обычаи нормы обычного права ценности постройки одежду пищу средства передвижений жилище знания верования виды народного искусства. Национальная культура имеет соционормативную структуру которая обеспечивает координацию поведения и деятельности людей объединенных в рамках данной общности; предохраняет от распада и способствует адаптации членов общества к внешним и...
26104. Культура как способ самореализации человека 14.83 KB
  Человек выступает одновременно и как субъект культуры ее творец и как объект ее воздействия. Воспитание определенного типа личности главная цель в функционировании духовной культуры. В основе функционирования всей духовной культуры лежит деятельность по производству и воспроизводству духовных ценностей а также деятельность по овладению этими ценностями.
26105. Понятие затрат, издержек и расходов. Классификация затрат для принятия управленческих решений 48 KB
  Например: швейной фабрикой был закуплен материал на 100 тыс руб. Однако находится предприятие которое согласно купить изделия из этого материала за 300 тыс руб. при этом дополнительные затраты на изготовление этой продукции составят 260 тыс руб. целесообразно ли принимать заказ Затраты в сумме 100 тыс руб произведены и не будут изменяться в зависимости от выбранного варианта решения.