Часть 1: Транзисторные ВЧ-усилители мощности создают проблемы проектирования, отличные от тех, которые встречаются при работе с вакуумными лампами. Однако эти проблемы решаемы. Эта серия из трех частей показывает, как экспериментатор может «создать свой собственный» усилитель.
Автор: Ричард К. Олсен, N6NR
Как бы кому-то ни было неприятно это признавать, влияние вакуумных ламп на проектирование ВЧ-усилителей мощности значительно уменьшилось. Благодаря усилиям таких пионеров в области твердотельных технологий, как Хелге Гранберг (Helge Granberg), OH2ZE, мечта о транзисторном усилителе мощностью в киловатт стала реальностью. Твердотельное проектирование, в сочетании с достижениями в микрополосках и сложных многослойных линиях передачи, породило новое поколение УКВ и СВЧ портативных мобильных трансиверов, которые значительно меньше и эффективнее своих ламповых предшественников. Также стоит упомянуть доступные дополнительные усилители, которые позволяют превратить портативную рацию в мобильную, просто поместив ее в специальный корпус. Сколько людей помнят портативные трансиверы, две трети которых составляли 4.5 кг батарей?
Эта новая технология, естественно, создала новые «правила» проектирования усилителей мощности, с которыми во многих случаях экспериментатор еще не сталкивался. Однако эта технология не сложнее ламповой, и есть мнение (с которым я согласен), что в большинстве случаев проектирование твердотельных усилителей мощности проще.
В этой серии статей мы исследуем мир твердотельных технологий — от транзистора до антенного разъема. Мы рассмотрим диаграмму Смита и ее роль в ВЧ-проектировании, а также научимся использовать ее как инструмент для проектирования и анализа. Мы изучим, как работать с технической документацией на транзистор, как выбрать подходящее устройство для конкретной задачи и как извлечь необходимые данные для проектирования усилителя. Затем мы пройдем через весь процесс проектирования от начала до конца, охватывая теоретическое и практическое проектирование, тестирование и оценку. К тому времени, как мы закончим, у вас будет достаточно материалов для использования базовых инструментов проектирования, чтобы создать усилитель, соответствующий вашим собственным требованиям.
Критерии проектирования и техническое описание
Первое, что вам нужно сделать при проектировании усилителя, — это определить ваши цели или «критерии проектирования». Это поможет вам выбрать подходящий транзистор для работы и уточнить минимальные требования, которым усилитель должен соответствовать во время тестирования и оценки.
В этом тексте мы займемся проектированием портативного трансивера для диапазона 450 MHz. Вопросы, на которые необходимо ответить, включают уровень входного сигнала, выходную мощность, напряжение питания, частоту и рабочую полосу. На основании этих вопросов можно составить список требований, которые должны быть выполнены при проектировании. Они следующие:
- Доступный уровень входного сигнала = 1–2 W
- Минимальная выходная мощность = 10 W
- Напряжение питания = 12.5–13.6 V
- Частота и полоса = 430–450 MHz
Теперь нам нужно выбрать подходящий транзистор для нашего применения. Почти все крупные производители полупроводников имеют техническую документацию (Datasheets), в которых перечислены их устройства по напряжению питания, диапазону частот, выходной мощности и коэффициенту усиления.
После изучения списка устройств мы нашли транзистор MRF618, произведенный компанией Motorola. В техническом описании указано, что минимальный коэффициент усиления на частоте 470 MHz составляет 6 dB при выходной мощности 15 W и напряжении питания 12.5 V. Это устройство наиболее подходит для наших нужд. Затем мы получаем техническое описание и извлекаем из него все динамические и электрические характеристики, необходимые для нашего проектирования.
На рисунке 1 показан график зависимости выходной мощности от частоты при напряжении 12.5 V для нескольких уровней входной мощности. Поскольку 450 MHz — это верхний предел нашей полосы использования, мы видим, что при входной мощности 2 W выходная мощность составляет около 11 W, что соответствует нашим требованиям к выходной мощности при минимальном напряжении питания.
Рисунки 2 и 3 полезны для получения приблизительной оценки того, какую выходную мощность можно достичь при различных уровнях напряжения питания и входной мощности.
Рисунок 4 это часть диаграммы Смита, которая описывает входные Zin и выходные ZOL импедансы в диапазоне частот от 400 до 500 MHz. На данный момент нас интересует таблица в правом нижнем углу. Эта таблица показывает, что на частоте 450 MHz:
- Zin примерно равно 3.0+ j5.5 Ohm,
- ZOL (Zout) примерно равно 3.0+ j2.5 Ohm
Эта информация крайне важна, так как она является отправной точкой для проектирования входных и выходных трансформационных цепей.
Из технического описания также видно, что это устройство способно выдерживать нагрузку с КСВН 20 к 1 при любых фазовых углах, при номинальной выходной мощности и напряжении питания. Это означает, что транзистор MRF618 может передавать номинальную мощность на любую нагрузку, будь то емкостная, индуктивная или смешанная, соответствующую КСВН 20:1, без повреждений. Это важно учитывать при проектировании, так как в повседневной эксплуатации усилителя возможны ситуации, например, забытое подключение антенны.
Другие аспекты, которые мы рассмотрим позже, включают механические характеристики. Они важны при проектировании физической компоновки усилителя.
еперь мы готовы создать ещё один список, который мы будем использовать в нашем проектировании.
Тестовые параметры:
Напряжение питания VCC = 12.5 V dc и 13.6 V dc
Pout относительно Pin при входной мощности 1 и 2 W
Pin относительно Pout при выходной мощности 15 и 10 W
Тестовая частота = 450 MHz
Zin = 3.0+j5.5 Ohm
ZOL = 3.0+j2.5 Ohm
Есть ещё много информации, которую можно извлечь из технического описания. Она будет обсуждена позже в тексте.
Техники отображения
Одним из самых важных инструментов, используемых в проектировании ВЧ-цепей, является диаграмма Смита. Она отлично работает как «дорожная карта» для построения направления и величины трансформации импеданса при проектировании или анализе компонентов ВЧ-цепи. Чтобы эффективно использовать диаграмму, сначала необходимо изучить её механику и научиться интерпретировать множество данных, которые можно из неё извлечь.
Импеданс в эквиваленте последовательной цепи
Прежде всего, тип диаграммы Смита, представленный во многих публикациях, отображает координаты импеданса для эквивалентной последовательной цепи. Рисунок 5 показывает пример последовательной цепи, содержащей определённое сопротивление (RS) и индуктивную или емкостную реактивность (jXS). Взаимосвязь для импеданса (ZS) эквивалентной последовательной цепи может быть математически выражена формулой:
ZS = RS ± jXS (Уравнение 1)
Маленький «j», или оператор j, просто является символом, который используется для указания значения реактивной компоненты в комплексном импедансе. Знак плюс (+) или минус (−) указывает, является ли реактивность индуктивной или ёмкостной, где
- плюс (+) указывает на индуктивную реактивность
- минус (−) — на ёмкостную.
Компоненты R и jX объединяются, чтобы представлять то, что называется «комплексным импедансом».
Рисунок 6 — это версия диаграммы Смита, где удалены все окружности, кроме тех, которые представляют ZS = 50+j50 Ом. Центральная линия диаграммы представляет чистое сопротивление от нуля до бесконечности Ом, отображаемое сверху вниз. Периметр окружности представляет чистую индуктивную и ёмкостную реактивность в Омах, отображаемую от 0 в верхней части до бесконечности в нижней. Полная окружность, пересекающая точку 50 Ом на шкале сопротивления, является графиком всех точек диаграммы, где ZS = 50+jX Ом. Проще говоря, это означает, что вдоль окружности этой меньшей окружности резистивная составляющая импеданса ZS остается постоянной на уровне 50 Ом. Поэтому она называется «круг постоянного сопротивления».
Две полуокружности, которые пересекают точки 50 Ом снаружи диаграммы, являются графиками всех точек, где ZS = RS ± j50 Ом. Точки на правой полуокружности представляют постоянную реактивность +j50 Ом. Если бы эти полуокружности были нарисованы для всех точек за пределами диаграммы, они также представляли бы полные окружности и поэтому называются «кругами постоянной реактивности».
Теперь мы можем использовать упрощенную диаграмму для определения или нахождения определенного значения комплексного импеданса. В данном случае мы хотим определить точки A и B, которые находятся по обе стороны от центральной линии. Начиная с RS = 50 Ом и двигаясь влево, мы замечаем, что пересекаем линию, представляющую -j50 Ом, в точке A. Эта точка определяется как ZS = 50 - j50 Ом. Начиная с RS = 50 Ом снова, но двигаясь вправо, мы пересекаем линию, представляющую +j50 Ом, в точке B. Таким образом, точка B определяется как 50 + j50 Ом. Это базовая процедура для определения или нахождения любого эквивалентного последовательного импеданса (ZS) на диаграмме Смита.
Параллельный эквивалент проводимости
Теперь мы знаем, как оценивать последовательные компоненты в ВЧ-цепи, но что насчёт параллельные компоненты? Диаграмма Смита также может быть использована для оценки параллельных компонентов, но для этого нам нужно изменить наше представление и использовать понятие параллельной проводимости вместо импеданса. Поскольку проводимость YP является обратной величиной импеданса, мы можем определить её математически:
Yp = 1 / Zp (Eq. 2)
Таким образом, если у нас есть параллельный эквивалент импеданса 50 Ом, то параллельная эквивалентная проводимость будет равна 1 / 50 Ом или 20 миллисименс. Используя обозначение YP, мы теперь можем снова выразить проводимость в аддитивной форме:
Yp = Gp ± jBp (Eq. 3)
G это проводимость, обратная сопротивлению, а B это восприимчивость, обратная реактивности. Знак перед оператором j теперь имеет новое значение: положительное для ёмкостной восприимчивости и отрицательное для индуктивной. Следующие уравнения иллюстрируют переход от эквивалентного последовательного импеданса к параллельной эквивалентной проводимости:
Рисунок 8 похож на рисунок 6, но в этот раз окружности представляют Yp=20±j20 миллисименс. Причина, по которой диаграмма выглядит перевёрнутой, станет понятной немного позже. На этой диаграмме Gp отображается вдоль центральной линии, а Bp — на периферии диаграммы. Центральная окружность — это круг постоянной проводимости, а внешние дуги — это круги постоянной восприимчивости. Точка A, таким образом, может быть определена так же, как и на рисунке 6, и равна 20+j20 миллисименс. Точка B определяется как 20−j20 миллисименс. Теперь у нас есть способ определять как последовательные, так и параллельные элементы в цепи.
Если наложить рисунок 8 на рисунок 6 и добавить большинство или все оставшиеся окружности, мы получим рисунок 9.
Это очень популярная форма диаграммы, используемая проектировщиками ВЧ-цепей (форма ZY-01-N, Analog Instruments Company, Inc.). Центральная линия теперь содержит значения Rs и Gp, а периметр содержит значения не только Xs и Bp, но и длины волн к генератору и от него.
Анализ цепи
Прежде чем двигаться дальше, мы должны сначала понять значение нормализованного импеданса. Нормализованный импеданс (Zn) определяется как фактический импеданс устройства (Zs), делённый на системный импеданс (Za). Математически:
Zn = Zs / Za (Eq. 6A) Далее:
Rn = Rs / Za (Eq. 6B) и
Xn = Xs / Za (Eq. 6C)
Системный импеданс можно просто определить для нашего использования как импеданс, представленный центральной точкой на линии ZS-GP.
Преимущество диаграммы, подобной рисунку 9, заключается в том, что её можно использовать для цепей с любым системным импедансом. Поскольку мы будем использовать систему на 50 Ом, наша центральная точка (которая была определена на рисунке 6 как 50 Ом) будет равна 50/50 или 1.0. Центральная точка на рисунке 9 как раз равна 1.0. Отсюда название «Нормализованные координаты импеданса и проводимости».
Рисунок 10A показывает типичную схему входного преобразования, состоящую из разъема, параллельного конденсатора, последовательной индуктивности и базы транзистора. Поскольку это гипотетический случай, давайте предположим, что входной импеданс для цепи равен 50+j0 Ом, а Zin транзистора равен 10+j0 Ом. C1 и L1 на рисунке 10 выполняют необходимое преобразование импеданса между этими двумя импедансами. Теперь, когда у нас есть данные об импедансе, схема может быть перерисована, как показано на рисунке 10B, где коаксиальный входной порт представляет генератор, а Zin устройства является нагрузкой.
На этом этапе я хотел бы отметить, что наиболее общепринятая конвенция для проектирования и оценки с использованием методов отображения диаграммы Смита состоит в том, чтобы начинать с нагрузки и двигаться в сторону генератора (по верхней части диаграммы). Используя уравнения 6B и 6C, мы можем построить нашу начальную точку Zin на диаграмме Смита, как показано на рисунке 11. Построенное значение составляет 0.2+j0 Ом. Наше значение ZG равно 50 Ом, построено как 1.0+j0 Ом. Теперь мы можем рассчитать, сколько реактивности нам нужно для каждого компонента, C1 и L1.
Как показано на рисунке 10, мы стремимся добавляем индуктивную реактивность (L1) последовательно с Zin, чтобы преобразовать импеданс в 50 Ом (нормализованное значение 1.0). Мы представляем это на диаграмме Смита (рис. 11), нанося значение 0.2+jXS Ом, где XS представляет индуктивную реактивность L1, как показано на диаграмме рис. 10B. Изначально мы не знаем этого значения для XS, но мы знаем, что построенный импеданс будет лежать где-то на окружности постоянного сопротивления 0.2.
Поскольку C1 является элементом, включённым параллельно с Zg, мы должны рассматривать комбинированный импеданс (C1 и Zg) как проводимость. Применяются следующие уравнения:
Yn = Yp / Ya (Eq. 7A)
Gn = Gp / Ya (Eq. 7B)
Bn = Bp / Ya (Eq. 7C)
Где Yn представляет нормализованную проводимость, а Ya — системную проводимость (1/50 или 0.02 в данном случае). Из этого комбинированная проводимость C1 и Zg равна 1.0+jBP миллисименс, где Bp представляет ёмкостную восприимчивость C1, также показанную на рис. 10B.
Изначально мы не знаем этого значения, но мы знаем, что построенная проводимость будет находиться где-то на окружности постоянной проводимости 1.0. Решение нашей задачи может быть найдено с помощью диаграммы Смита, определив пересечение окружности постоянного сопротивления 0.2 и окружности постоянной проводимости 1.0.
Итак, начиная с Zn, равного 0.2+j0 Ом, на центральной линии, мы движемся к области +jXs, как показано стрелкой на рисунке 11, к окружности, представляющей постоянную проводимость 1.0. Это происходит в точке A. Поскольку C1 является параллельным элементом, мы отображаем его преобразование, следуя окружности постоянной проводимости, и движемся к области +jBp, как показано второй стрелкой на рисунке.
Таким образом, мы приходим к Zg = 1.0+j0 Ом, что является значением ZG. Следовательно, схема правильно преобразована с указанными на диаграмме значениями компонентов в точке A.
Мы определяем правильные значения компонентов цепи, сначала считав нормализованные значения импеданса и проводимости с диаграммы Смита в точке A. Импеданс можно считать как 0.2+j0.4 Ом, где 0.4 представляет нормализованную индуктивную реактивность L1. Из уравнения 6C, где 0.4 соответствует Xn, мы можем определить, что требуемая индуктивная реактивность (Xs) составляет 20 Ом. А из обычного уравнения реактивности мы можем определить необходимую индуктивность для нашей рабочей частоты.
Как только что показано, нормализованный импеданс L1 в последовательном соединении с входным импедансом Q1 равен 0.2+j0.4 Ом. Но поскольку C1 является параллельным элементом, нам нужно преобразовать этот импеданс в проводимость. Это можно сделать, просто считав координаты проводимости в точке A на рисунке 11, 1.0-j2.0 миллисименс. Это значение представляет параллельный эквивалент проводимости L1 и последовательного входного импеданса Q1, как показано на рисунке 10A. Цель C1 заключается в том, чтобы компенсировать восприимчивость -j2.0 миллисименс этого параллельного эквивалента, так что нормализованная ёмкостная восприимчивость C1 становится равной +j2.0 миллисименс (Bn) 7C, требуемая восприимчивость для C1 (BP) составляет 0.04 сименс. Мы можем преобразовать параллельную восприимчивость (Bp) в параллельную реактивность (Xp), просто взяв обратное значение: 1/0.04 = 25 Ом. Из уравнения для реактивности мы можем определить требуемую ёмкость для C1 на нашей рабочей частоте. В результате этого процесса мы определили, что индуктивная реактивность 20 Ом для L1 (на рисунке 10A) и ёмкостная реактивность 25 Ом для C1 обеспечат правильное согласование входа цепи с импедансом 50 Ом к входному импедансу транзистора.
Если вы продолжите этот пример и рассчитаете значения, необходимые для L1 и C1 на частоте 450 MHz, могут возникнуть трудности с подбором реальных компонентов. Эта проблема может быть решена с использованием преобразования микрополоски, что будет рассмотрено во второй части этой серии. Вторая часть появится в следующем выпуске QST.
Список литературы:
Adam, Microwave Theory and Applications, Prentice-Hall, 1969.
Anderson, "S-Parameter Techniques for Faster, More Accurate Network Design," Application Note 95-1, Hewlett Packard Corporation.
Becciolini, "Impedance Matching Networks Applied to RF Power Transistors," Application Note AN-721, Motorola SPD.
