Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с применением электронной диаграммы Смита (2008), страница 7

Движение от A к B выполняет последовательная емкость, имеющая сопротивление zC = − j1.21. Движение от B к Cпроизводитпараллельнаяиндуктивность,имеющаяадмитансy L = − j 0.6 − j 0.49 = − j1.09 (или z L = 1 / − j1.09 = j 0.917 ). Согласующая цепьпоказана на рис. 4.16(с).Рис. 4.17.

Проектирование последовательной C- параллельной L согласующейцепиЗадача 4.5Спроектировать согласующую цепь для трансформацииZ LOAD = 100 + j100 ом ко входному импедансу Z IN = 50 + j 20 ом.нагрузки65Решение. Используя нормализованную величину Z 0 = 100 ом, имеемz LOAD = Z LOAD / Z 0 = 1 + j и z IN = Z IN / Z 0 = 0.5 + j 0.2 . Рис. 4.18 показывает одноиз возможных решений для этой согласующей цепи. Движение от точки A кточкеBвыполняетсяпараллельнымконденсатором(ShuntC),нормализованный импеданс которого равен yC = j 0.86 − (− j 0.5) = j1.36 (илиzC = 1 / yC = − j 0.735 ).Тогда импеданс емкости равенZ C = 100 z C = 100(− j 0.735) = − j 73.5 Ом.Рис.

4.18. Согласующая цепь, согласующая комплексный импеданс Z INиспользуя параллельный C и последовательный L элементДвижение из точки B в точку C требует нормализации импеданса индуктивности имеющей нормализованный импеданс z L = j 0.2 − (− j 0.87 ) = j1.07 .ТогдаZ L = 100 z L = 100( j1.07 ) = j107 Ом.66Согласующая цепь, состоящая из Г-образного низкочастотного звена, показанана рис.

4.19.Рис. 4. 19. Согласование комплексной нагрузки к значению комплексногоимпеданса Z IN с помощью параллельной емкости и последовательнойиндуктивностиЗадача 4.6Низкочастотная согласующая схема, показанная на рис. 4.20, быласпроектирована для преобразования нагрузки 200 ом ко входномусопротивлению 20 Ом. Определить нагруженную добротность Q цепи.Рис. 4.20. Согласующая схема, согласующая 200 ом к сопротивлению 20 ОмРешение.

Из рис. 4.21, который показывает трансформацию цепи рис. 4.20,видим, что импеданс в точке B равен z B = 0.1 − j 0.3 Тогда добротностьQ в этомузле схемы равна Qn = 0.3 / 0.1 = 3 . Также, считая, что нормализованныйполучаем, чтоимпеданс в сторону источника равен z B = 0.1 + j 0.3 ,добротность Qn = 3 .67Поскольку в этой точке потери вызываются и со стороны нагрузки, и состороны источника, то по определению нагруженной добротности QL следует,чтоQ3QL = n = = 1.52 2и ожидаемая полоса равнаf 0 500 × 10 6BW ≈== 333.33 МГцQL1.5Частотная характеристика схемы, показанной на рис. 4.20 показывает,500что f 0 = 500 МГц и BW = 650 × 10 6 − 275 × 10 6 = 375 МГц. Тогда QL == 1.33375Эта величина согласуется с ожидаемой полосой и добротностью QL .Заметим, что чтобы получить высокое значение QL , Q в узле должно бытьвысокое.

Для низкочастотной согласующей цепи, характеристики затуханиядля частот выше f 0 должны быть лучше, чем для частот ниже чем f 0 . Дляполосовых случаев, затухание гармоник выше f 0 более важно, и фильтры типаELL будут обеспечивать затухание -12 дБ/октаву.Рис. 4.21. Траектория согласования от точки Z L =1 до точки Z IN =0.168Итак, в рассмотренных примерах было привлечено понятие добротности цепей и показано, как рассчитываются добротности и полоса пропускания межкаскадных согласующих цепей.695. Проектирование согласующих цепей СВЧусилителейЗадача 5.1Спроектировать микрополосковые согласующие цепи на входе и выходе дляусилителя, показанного на рис. 5.1, коэффициенты отражения которого вовходном и выходном сечении которого в 50-омной системе, равны Гs = 0.614∠160° и ГL = 0.682 ∠97° (рис.

5.1).Решение. Проект 1. Блок-схема усилителя показана на рис. 5.2.Нормированные импедансы и адмитансы, связанные с Гs и ГL ,можно прочитатьиз диаграммы Смита, а именно:ys =11== 2.8 − j1.9z s 0.245 + j 0.165yL =11== 0.4 − j1.05 .z L 0.325 + j 0.83иРис. 5.1. Блок-схема усилителяДля того чтобы рассчитать входную согласующую цепь, помещаем ys на диаграмму Смита. Пусть согласующие цепи с микрополосковом исполнении имеют Г-образную структуру. Тогда траектория движения будет соответствоватьрис. 5.2.

Самая короткая длина микрополосковой линии получается прииспользовании параллельного шлейфа с открытым концом длиной 0.159λсдвинутой от начала координат (т.е. 50 ом) к точке А на диаграмме Смита.70Затем используем длину линии передачи в 0.099λ для движения от точки А доточки ys.Рис. 5.2.

Проектирование входной согласующей цепиВыполним согласование на выходе. Для этого нанесем точку yL (рис. 5.3) надиаграмму Смита и согласуем эту проводимость с помощью шлейфа. В этомслучае, наиболее короткая длина микрополосковой линии получается прииспользовании КЗ шлейфа с длиной шлейфа 0.077 λ , чтобы перейти от центрадиаграммы к точке B. Затем эта последовательно включенная линия длиной0.05 λ используется для сдвига от точки B к y L .71Рис. 5.3. Диаграммасогласующей цепиСмита,показывающаясогласованиевыходнойВся схема включает транзистор, согласующую схему на микрополосковыхлиниях и цепи смещения по постоянному току, показанные на рис. 5.4.

Характеристические сопротивления всех микрополосковых линий равны 50 Ом.Рис. 5.4. Схема всего усилителя.микрополосковых линий равны 50 омХарактеристическиеимпедансы72Конденсаторы СA являются разделительными емкостями. Типичные вели-чиныдля бескорпусных конденсаторов лежат в пределах от 200 до1000 пФ, cвысокой добротностью. Блокировочные емкости СB (бескорпусные конденсаторы от 50 до 500 пФ) обеспечивают КЗ по ВЧ для линии длиной 0.077 λ ичетвертьволнового λ /4 короткозамкнутого шлейфа. Этот λ /4 шлейф с КЗ черезСB на высокоимпедансной линии (обозначенный Z 0 >> ), обеспечивает путь дляподачи смещения на базу.

Он также обеспечивает разрыв для сигнала ВЧ поцепи смещения на базу транзистора. Наиболее практичная линия (т.е. с большим Zo) представляет собой λ /4 короткозамкнутый шлейф.Для минимизации взаимного влияния между параллельным шлейфом и линиейпередачи, параллельные шлейфы обычно сбалансированы вдоль линийпередачи. Схема усилителя, использующая сбалансированные параллельныешлейфы показана на рис. 5.5.Рис.

5.5. Общая схема усилителя, использующая сбалансированныепараллельные шлейфы. Характеристические импедансы микрополосковыхлиний равны 50 ОмЭта схема также показывает, что с обоих сторон шлейфов были добавленыотрезки линий для моделирования площадок для пайки емкости CA.На рис. 5.5, два параллельных шлейфа должны обеспечить тот же самый импеданс как один шлейф на рис.

5.4. Таким образом, адмитанс каждой стороны73балансного шлейфа дает общий импеданс. Для примера, каждая сторонавходного балансного шлейфа должен иметь адмитанс y = j1.55 / 2 = j 0.775 .Используя диаграмму Смита, мы получаем, что длина каждой стороны шлейфадолжна быть равна 0.105 λ . Обратим внимание, что длина параллельного шлейфа на рис. 5.4 не равна общей длине балансных шлейфов на рис. 5.5. Простаяпроверка показывает, что адмитансы, в сечении со стороны линии передачиравны в обоих случаях.Если используется материал «RT/Duroid» с проницаемостью ε r = 2.23 и толщиной h = 0.7874 мм, то характеристический импеданс 50 ом получается, еслиW = 2.42 мм и ε 'эфф = 1.91 .Длина микрополосковой линии в этом случае равна λ = λ0 / 1.91 = 0.723λ0 ,где λ0 = 30 cм на частоте f = 1ГГц.

Для характеристического импеданса 100Ом в λ /4 линии, ширина должна быть W = 0.7 мм. Длины линий на рис. 5.5равны0.105λ = 2.28 cм0.099λ = 2.15 cм0.051λ = 1.10 cм0.129λ = 2.80 cмλ / 4 = 5.43 cмПроект 2: Этот метод реализации согласующих цепей использует микрополосковые линии с различными характеристическими импедансами, как показано на рис. 5.6.Рис. 5.6. Структура микрополосковых согласующих цепей (шлейф ХХ длявходной СТЦ и КЗ для выходной СТЦ)74В этой задаче требуется трансформация сопротивления 50 ом в проводимость, равную YS = (2.8 − j1.9 ) / 50 = 0.056 − j 0.038 Сим. Для трансформацииимпеданса 50 ом в сопротивление 1 / 0.056 = 17.86Ω может быть использованчетвертьволновый трансформатор. Характеристический импеданс такогочетвертьволнового трансформатора равенZ 01 = 50(17.86) = 29.9 ОмРазомкнутый параллельный шлейф может использоваться для полученияадмитанса -j0.038 Сим.

Таким образом, как показано на рис. 5.6, параллельныйшлейф с открытым концом длиной 3 λ /8 выглядит как параллельная индуктивность имеющая импеданс –jY02. Приравнивая -jY02 величине -j0.038 Сим, мынаходим, что характеристический импеданс Zo2 будет равенZ o2 =11== 26.32 Ом.Yo 2 0.038Если проектирование выполнено используя короткозамкнутый параллельновключенный шлейф (см. рис.

5.1),его длина должна быть равна λ /8 и Zo2 = 26.3Ом.Аналогично, для выходной согласующей цепи [YL = (0.4 -j1.05)/50 = 0.008 -j0.021См], характеристический импеданс λ/4 линииZ o1 = 50(125) = 79.1 Омтрансформирует нагрузку 50 ом в сопротивление величиной 1/0.008 = 125 ом.Разомкнутый параллельный шлейф длиной 3 λ /8 и с характеристическимимпедансом Zo2 = l/Yo2 = 1/0.021 = 47.6 Ом дает требуемый адмитанс - j0.021См.Общая схема усилителя в Проекте 2 приведена на рис. 5.7.Рис.

5.7. Расчет согласующей микрополосковой цепи используя микрополосовыелинии с различными характеристическими импедансами75На рис. 5.8 показывается усилитель, использующий балансные параллельныешлейфы длиной 3λ/8 для минимизации включаемой длины микрополосковойлинии. Отметим, что длины балансных шлейфов имеют длины той же величины 3λ/8, но характеристический импеданс будет удвоен. Для примера, на рис.5.6 каждая половина встроенного балансного шлейфа имеет адмитанс -j0.038/2(поскольку каждая половина дает вклад половину в общий адмитанс). Такимобразом, величина Zo2 для балансных шлейфов равна на входе Zo2=2/0.038 =52.6 ом.Рис.

5.8. Структура согласующей цепи на балансных шлейфахЗадача 5.2Спроектировать микрополосковую согласующую цепь для трансформациинагрузки ZL = 75 - j60 Ом во входной импеданс величины ZIN = 15 + j30 ом.Решение. В этом расчете, выберем Zo отличным от 50 ом, например Zo = 75ом. С учетом опорного сопротивления Zo = 75 ом, согласующая цепь выполняет трансформацию нормализованной нагрузки ZL=ZL/Zo=1-j0.8 (что можновидеть на XY диаграмме Смита) в нормализованный входной импеданс ZIN =ZIN/Zo = 0.2 + j0.4 ом. Установим на Y диаграмме Смита две точки: точку yL =0.61 + j0.49 и точку y IN = 1 − j 2 и проанализируем, как с помощью структурысогласующей цепи рис. 5.9, выполнить шаги проектирования. Они показаны нарис.

5.10.76Рис. 5.9. Выходная согласующая цепь, реализованная в виде двух длинных линийРис. 5.10. Диаграмма Смита, на которой показано проектирование на Yдиаграмме Смита, используя Zo = 75 ОмИз рис. 5.10 видим, что импеданс параллельного шлейфа, требующийся длясдвига от YL к точке A, равен j1.5 - j0.49 = j1.01. Этот адмитанс в точке A равенy a = 0.61 + j1.5 . Реактивный входной адмитанс j1.01 имеет разомкнутыйшлейф с длиной l1 = 0.126λ .Последовательная линия с длиной l2 = 0.313λ − 0.164λ = 0.149λ сдвигаетвеличину адмитанса вдоль окружности постоянного радиуса Г , от точки A кточке с y IN .77Задача 5.3Спроектировать микрополосковую согласующую цепь на рис.