Глава 13 . Свч транзисторные гвв

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. 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.

Рис. 13.3. Пример сотовой радиосвязи.

На рис. 13.4а,б приведены «идеальные» характеристики, соответствующие линейному режиму работы генератора; на рис. 13.4в,г - реальные, при которых возникают нелинейные искажения.

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

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:

.

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 t_i:=0,01i

ud_i:=u(t_i) sd_i:=s(t_i) cd_i:=c(t_i) Ad_i:=A(t_i) d_i:=(t_i)

Р езультаты 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.

Р ис. 13.6. Пример комбинационного спектра двухчастотного сигнала.

Спектральные составляющие следуют с интервалом F=f₂–f₁. Наибольшими по амплитуде комбинационными составляющими в этом спектре обычно являются составляющие с частотами f_к3=2f₂–f₁ и f_к3=2f₁–f₂, 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.