71223

Разработка узкополосного малошумящего усилителя

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Изучить получение оценок характеристик модели усилителя Изучить средства оптимизации и настройки параметров схемы. Осуществить оптимизацию параметров МШУ. Используя средства настройки схемы определить влияние параметров элементов согласующих цепей на характеристики МШУ.

Русский

2014-11-03

924.5 KB

5 чел.

Anwendung C

Лабораторная работа

Разработка малошумящего усилителя

Тема: «Разработка узкополосного малошумящего усилителя»

Объект исследования: узкополосный малошумящий усилитель мощности сигнала.

Цель лабораторной работы: Получить навыки моделирования малошумящего усилителя средствами пакета Microwave Office 2002.

Задачи лабораторной работы:

  1.  Ознакомиться с основными средствами пакета Microwave Office.
  2.  Получить навыки синтеза схемы малошумящего усилителя.
  3.  Изучить получение оценок характеристик модели усилителя
  4.  Изучить средства оптимизации и настройки параметров схемы.

План работы:

  1.  Ознакомиться с основными средствами пакета Microwave Office.
  2.  Синтезировать схему МШУ.
  3.  Определить исследуемые характеристики.
  4.  Осуществить оптимизацию параметров МШУ.
  5.  Получить оценки характеристик и сделать выводы в соответствии с полученными результатам.
  6.  Используя средства настройки схемы, определить влияние параметров элементов согласующих цепей на характеристики МШУ.

Ход работы

  1.  Ознакомление с основными средствами пакета Microwave Office

Главное окно MWO (рис. 1) по вертикали разделено на две части. В левой части содержатся средства управления. Правую сторону главного окна MWO называют рабочим полем. В рабочем поле располагаются окна, где представлены схемы, диаграммы, графики и другие окна.

Рисунок 1 - Главное окно MWO

Средства управления проектом распределены по четырем группам, и каждая группа помещена на отдельную вкладку.

Каждая из четырех вкладок в Менеджере AWR_DE имеет свое собственное имя: Project (проект), Elements (элементы), Variables (переменные), Layout (топология)

Все вкладки Менеджера AWR_DE отображают состояние всего проекта. Они обеспечивают доступ ко всем элементам схем цепей и блокам диаграмм систем, они управляют параметрами элементов и состоянием параметров, показывают все геометрию макета и структуру его расслоения.

Предназначение каждой вкладки и ее содержание требуют внимательного изучения и постепенного освоения.

Вкладка Project (Менеджер проекта)

- Текстовый редактор.

В текстовом редакторе могут быть записаны заметки разработчика по поводу проекта

- Параметры проекта

- Глобальные определения

Специальный редактор глобальных определений позволяет вводить в проект глобальные переменные и затем их использовать в качестве синхронно изменяемых значений для многих параметров элементов схем, блоков диаграмм и других.

- Файлы данных

Специальная папка для хранения импортируемых файлов параметров элементов. Импортированные файлы данных должны иметь общепринятый формат представления параметров СВЧ цепей.

 - Схемы цепей.

Многофункциональный узел, где все схемы цепей, доступные проекту, можно хранить и управлять ими.

 - Электромагнитные структуры.

Еще один многофункциональный узел. В данном узле хранят электромагнитные структуры здесь хранят, отсюда управляют их свойствами.

- Выходные данные. 

Узел хранения и управления. Здесь определяют выходные данные типа вычисляемых переменных, сохраняемых после сеанса работы в Среде проектирования AWR_DE.

 - Графики.

Узел управления и хранения графиков. На графиках представлены результаты расчетов и характеристики.

 - Цели оптимизации

Критерии или цели оптимизации создаются и сохраняются в этом узле. Настройка режимов оптимизации производится в специальном окне диалога, вызываемого из этого узла.

 - Цели статистического анализа.

 - Выходные файлы

В выходных файлах можно сохранять какие-либо выходные данные в специальных форматах.

 

Программные средства для синтеза фильтров, анализа переменных нагрузок и др.

Инструменты создания сценариев

Вкладка Elem (Менеджер элементов)

Элементы цепей сгруппированы по следующим классам.

  - Копланарные элементы;

  - Общие элементы;

  - Переходные соединения;

  - Линейные устройства;

  - Дискретные элементы;

  - Измерительные приборы;

  - Микрополосковые линии;

  - Нелинейные устройства;

  - Порты;

  - Источники тока и напряжения;

  - Полосковые элементы;

  - Металлодиэлектрические подложки;

  - Линии передачи;

Кроме этого в проекте возможно использование:

  - Библиотек моделей в формате Spice;

  - Доступных подсхем;

  - Библиотек моделей в формате Touchstone;

  - Библиотеки элементов в формате XML.

Вкладка Var (Менеджер переменных)

Вкладку Variables (Переменные) называют Менеджером переменных. Он обеспечивает просмотр значений переменных, редактирование значения переменных или управление их состоянием. Параметры элементов схем и блоков систем называют "переменные", они могут иметь три состояния:

T - изменение значения переменной в реальном времени, (тюнер)

O - оптимизация переменной по заданному функционалу цели

C - режим ограничения диапазона изменения переменной.

Вкладка Layout (Менеджер макета)

Вкладка Layout - это Менеджер макета. Он отображает расслоение макета и содержит средства организации информации о конструкции проекта и управления библиотеками ячеек макета.

Верхнюю часть вкладки Менеджера макета занимает узел Layer Setup (Начальные установки слоев). Здесь помещены общие установки для работы с макетом Layer Setup (Настройка Слоев). Дерево библиотек Cell Libraries (Библиотеки Ячеек) содержит по одному узлу на каждую библиотеку ячеек. Библиотека может содержать много ячеек.

В нижней части приведена таблица управления слоями макета. Первый слева столбец содержит кнопки активации слоя. Органом управления видимостью слоя служит кнопка с видом лампы накаливания. Если она "светится" желтым светом, то слой макета виден в окне макета. Выключение видимости слоя дает возможность лучше рассмотреть детали изображения. Включение видимости позволяет рассмотреть совмещение границ или наложение проводников.

 Работа в Менеджере макета требует большой подготовки, как минимум должна быть создана схема, содержащая элементы, для которых в MWO созданы заранее ячейки.

  1.  Моделирование МШУ

  1.  Задание

Разработать модель усилителя и получить оценки характеристик на основе следующих требований:

  1.  Усилитель необходимо выполнить на базе малошумящего полевого транзистора.
  2.  Полоса усиления усилителя должна находиться в пределах 1.300-1.385 ГГц.
  3.  Коэффициент передачи |S21| должен быть более 12 дБ на частоте 1.342 ГГц (середина полосы усиления).
  4.  Коэффициент шума усилителя должен быть минимальным и находиться в пределах 1 дБ.
  5.  Согласующие цепи выполнить на основе МПЛ.
  6.  Входное и выходное сопротивление усилителя должно составлять 50 Ом.

  1.  Начальные установки и диапазон частот проекта

Значения частот устанавливают в окне диалога, которое открывают двойным щелчком левой клавишей мыши на узле Project Options (Параметры проекта).

Для задания диапазона частот в группе элементов Modify Range необходимо задать значения

Start – 1 ГГц  - начальная частота;

Stop – 2 ГГц - конечная частота;

Step – 0,01 ГГц - шаг сетки частот.

Для подтверждения изменения диапазона частотнеобходимо нажать кнопку Apply.

  1.  Синтез схемы МШУ

Для создания схемы выполните следующие действия:

а) Нажмите правой клавишей мыши на пункт Circuit Schematics и выберите New Schematic, либо выберите в главном меню Project > Add Schematic.

Появится диалоговое окно Create New Schematic.

б) Введите название схемы, например “LNAmp” и нажмите ОК. Появится пустое окно схемы в рабочем поле.

Далее необходимо добавить элементы схемы. Для добавления элементов выполните следующие действия:

а) Нажмите на вкладку Elem.

б) Для размещения необходимого элемента нажмите на элемент и перетащите его в окно схемы, поместите его в нужное место и нажмите на левую кнопку мыши.

Для данного проекта потребуются следующие элементы:

- модель транзистора –  Data>HP>FET> F351434D;

- порты – Ports>Port;

- конденсаторы – Lumped Elemenst>Capasitor>Cap

- Микрополосковые линии –

- Microstrip>Lines>MLIN;

- Microstrip>Lines>MLEF;

- Microstrip>Junctions>MTEE$;

-Заземление – Interconnections>GND;

- Металлодиэлектрическая подложка – Substrates>MSUB.

- отверстие в подложке – Interconnections>VIA

Синтезированная схема должна соответствовать схеме, изображенной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема модели МШУ

На схеме входная согласующая цепь включает в себя МПЛ TL1  и параллельный реактивный разомкнутого шлейф длиной TL3.  

Выходная согласующая цепь представлена в виде отрезка МПЛ TL10 и параллельного реактивного короткозамкнутого шлейфа TL8.

Волновое сопротивление вышеописанных МПЛ составляет 50 Ом.

Элемент TL2 – высокоомный четвертьволновый отрезок, короткозамкнутый на частоте сигнала с помощью конденсатора С1, предназначен для подачи напряжения смещения. С2, С4 – разделительные конденсаторы.

  1.  Установка исследуемых характеристик МШУ

Для установки исследуемых характеристик первоначально создаются графики, где и будут изображаться исследуемые характеристики.

Для создания графика:

а) Нажмите правой кнопкой мыши на пункт Graphs в Менеджере среды и выберите Add Graph, или выберите в главном меню Project > Add Graph.

б) Введите имя создаваемого графика. Выберите тип графика – Rectangular. Нажмите ОК.

Следующим этапом является добавление измерения (исследуемой характеристики) к каждому графику.

Для добавления нового измерения необходимо:

а) Нажмите правой кнопкой мыши на один из уже созданных графиков и выберите Add Measurement, либо выберите в главном меню Project > Add Measurement.

б) Выберите необходимый тип измерения (Meas. Type) и измерение (Measurement) . Задайте параметры для измерения и нажмите ОК.

Таким образом, необходимо создать три графика, которые включают в себя измерения (табл. 1).

Таблица 1 - Описание графиков

Имя графика

Описание

Тип. измерения

Измерение

Параметр измерения

S21_S11

Коэффициент передачи и

Port Parameters

S

To Port: 2

From Port:1

Коэффициент отражения

Port Parameters

S

To Port: 1

From Port:1

Noise Factor

Коэффициент шума

Noise

NF

Ku

Коэффициент стабильности

Linear

K

  1.  Установка значений параметров, определение параметров оптимизации

Для установки значений параметров удобно пользоваться вкладкой Var. Нажмите на данную вкладку, и в левой нижней части появится список всех переменных схемы.

В поле Value задайте значения для параметров. Для параметров, которые будут подвергаться оптимизации, необходимо нажать на кнопку О во втором столбце и задать начальные значения (см. табл. 2).

Таблица 2 - Параметры Элементов

Element

Name

Value

Оптимизировать

TL1

W

3.1

TL1

L

30

да

TL3

W

3.1

TL3

L

30

да

TL8

W

3.1

TL8

L

30

да

TL10

W

3.1

TL10

L

30

да

TL2

W

3.1

TL2

L

42

C1

C

100

C2

C

100

C3

C

100

C4

C

100

SUB1

Er

2,2

SUB1

H

1

SUB1

T

0,05

SUB1

Rho

0,958

SUB1

Tand

0,0005

SUB1

ErNom

2,2

  1.  Оптимизация параметров элементов

  1.  Задание целей оптимизации

Для добавления и дальнейшей настройки цели оптимизации необходимо:

а) Нажать правой кнопкой мыши на Optimization Goals, далее выбрать Add Opt, либо выбрать Project>Add Opt Goal.

б) Настроить каждую из трех целей оптимизации. Настройки приведены в табл. 3

Таблица 3 Настройки целей оптимизации

Measurement

Goal Type

Range

Goal

LNAmp: DB(|S[21)])

Meas>Goal

Start 1.3 GHz

Stop  1.385 GHz

12

LNAmp: DB(|S[11)])

Meas<Goal

Start 1.3 GHz

Stop  1.385 GHz

-5

LNAmp: DB(NF)

Meas<Goal

Start 1.3 GHz

Stop  1.385 GHz

1

  1.  Осуществление оптимизации

Для осуществления оптимизации выберите Simulate > Optimize. Появится диалоговое окно.

В данном окне выберите метод оптимизации Random (Local) и нажмите ОК.

  1.  Получение оценок характеристик

Для получение оценок характеристик нажмите кнопку , либо выберите Simulate>Analyze. На графиках появятся характеристики.

Рисунок 3 - Пример зависимости значений параметров S11 и S22 от частоты

Рисунок 4 - Пример зависимости коэффициента шума от частоты.

Сделайте выводы в соответствии с полученными результатами

  1.  Исследование усилителя на устойчивость

Завершающим этапом разработки МШУ является исследование его на устойчивость.

Первоначально необходимо оценить коэффициент устойчивости Кu. Если его значение в области усиления меньше единицы, то усилитель является потенциально устойчивым, следовательно, требуется дальнейшее исследование.

Для этого необходимо создать новый график (тип Smith Chart). Для данного графика необходимо создать четыре измерения (табл. 4)

Таблица 4 - Создание графика для оценки устойчивости

Meas. Type

Measurement

Circles

SCIR1

Circles

SCIR1

Port Parameters

S11

Port Parameters

S22

После этого необходимо задать новую сетку частот для данного проекта:

Start: 1.3

Stop: 1.4

Step: 0.05

Рисунок 5 - Окружности устойчивости и зависимости сопротивлений транзистора от частоты

Теоретические сведения об оценке устойчивости усилителя рассмотрены в лит. 1.

Содержание отчета

  1.  Тема работы, цель, задачи и план выполнения.
  2.  Схема модели МШУ.
  3.  Полученные характеристики модели.
  4.  Выводы.

Контрольные вопросы

  1.  Каким образом длины МПЛ в согласующих цепях влияют на характеристики усилителя?
  2.  Почему волновое сопротивление шлейфа lшл3 должно быть предельно малым?
  3.  Почему коэффициент передачи усилителя не всегда может быть выбран как максимально возможный?
  4.  Влиет ли значение параметров S11 и S22 на устойчивость усилителя? Ответ поясните.
  5.  Назовите критерии устойчивости усилителя.

Литература

1. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. – М.: Радио и связь, 1987. – 200с


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84762. Коммуникационный протокол IPv4 640.04 KB
  Длина заголовка 4 бита задает значение длины заголовка пакета измеренной в 32 битовых 4 байтовых словах. Тип сервиса Туре of Service ToS 8 битовое поле предназначенное для оптимизации транспортной службы содержащее: 3 битовое поле Приоритет принимает 8 значений: от 0 нормальный приоритет...
84763. Транспортные протоколы стека TCP/IP 237.33 KB
  Транспортные протоколы ТСР и UDP стека протоколов TCP IP обеспечивают передачу данных между любой парой прикладных процессов выполняющихся в сети и предоставляют интерфейс для протокола IP путем демультиплексирования нескольких процессов использующих в качестве адресов транспортного уровня порты.
84764. Общие принципы организации сетей. Основные понятия и определения 672.2 KB
  Средства вычислительной техники (СВТ) реализуют обработку данных и представляют собой совокупность ЭВМ, вычислительных комплексов и вычислительных систем различных классов. ЭВМ (электронная вычислительная машина, компьютер) совокупность технических средств, предназначенных для организации ввода...
84765. Требования к организации компьютерных сетей 439.39 KB
  Открытость возможность добавления в сеть новых компонентов узлов и каналов связи средств обработки данных без изменения существующих технических и программных средств; 2 гибкость сохранение работоспособности при изменении структуры сети в результате сбоев и отказов отдельных...
84766. Сетевые топологии 697.36 KB
  Следует различать физическую и логическую топологию сети. Физическая структурная топология отображает структурную взаимосвязь узлов сети. Логическая функциональная топология определяется функциональной взаимосвязью узлов сети то есть отображает последовательность передачи данных между узлами сети.
84767. Маршрутизация 495.88 KB
  Маршрутизация одна из основных функций компьютерной сети определяющая эффективность передачи данных. Проблема маршрутизации в компьютерных сетях аналогична проблеме организации автомобильного движения по улицам города и состоит в выборе в каждом узле сети направления передачи данных выходного...
84768. СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ 599.62 KB
  Для передачи электрических и оптических сигналов применяются электрические ЭЛС и волоконно-оптические ВОЛС линии связи соответственно. Передача электромагнитных сигналов осуществляется через радиолинии РЛС и спутниковые линии связи СЛС.
84769. Модуляция и кодирование данных 654.93 KB
  На основе непрерывного аналогового высокочастотного синусоидального сигнала называемого несущей аналоговая модуляция; на основе дискретного цифрового сигнала в виде импульсов импульсная или цифровая модуляция. Процесс преобразования дискретных данных представляемых дискретными первичными сигналами...
84770. Кабельные линии связи. Классификация кабельных линий связи 692.46 KB
  Классификация кабельных линий связи При организации компьютерных сетей широко используются кабельные линии связи. Кабельная линия связи КЛС линия связи состоящая из кабеля кабельной арматуры и кабельных сооружений туннели колодцы распределительные шкафы кабельные столбы.