Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с использованием диаграммы Смита (2008) (1186352), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В4) носит индуктивный характер и соответствует индуктивности L=X/2πf = 60.9 нГ.Согласующую цепь надо построить так, чтобы трансформировать импедансантенны, равный 228 +j544 Ом, в импеданс, комплексно сопряженный импедансу чипа.Рис. В.5. Траектория движения по точкам согласующей цепи, междуантенной и чипом на электронной диаграмме Смита. Эта траекторияучитывает емкость чипа 0.23 pF. Точка 1 – антенна, (ZL) точка 3 – чип(фактически генератор, сопротивление которого находится в центредиаграммы Смита)Согласно информации, данной производителем чипа UCODE HSL (UltraHigh frequency Smart Label), импеданс чипа равен 35 –j850 Ом (что означает,что входной импеданс носит емкостной характер и конкретно C=Xc/2πf = 0.214пФ, рис. В5).
Для обеспечения комплексного сопряжения антенны с чипом, импеданс антенны нужно трансформировать в импеданс 35+j850 Ом. Эту операцию и выполняет диаграмма Смита.11Последовательность работы на программе электронной диаграммы Смитаследующая. Сначала выбирается опорное сопротивление, которое используетсядля нормирования импедансной диаграммы Смита. По команде Change Zo вменю Options, появляется диалог (рис. В.6).Рис.
В.6. Установка опорного импедансаВ нём устанавливаем 35 ом, относительного которого будут нормироватьсяS-параметры и значения реальных и мнимых частей электронной диаграммыСмита (это значение при проектировании обычных каскадов часто устанавливается равным 50 Ом).1. Нажимаем на кнопку Datapoint. Появляется диалог рис. В.7, в которомРис. В.7. Кнопки выбора метода ввода данныхвыбирается способ ввода данных: с помощью мыши, с клавиатуры, а такжевводом с графика (для чего сначала нужно ввести файл S параметров).Нажимаем на Keyboard и в диалоге рис. В.7. Появляется диалог рис. В.8.Рис. В.8. Диалог ввода данных Data PointРис.
В.9. Диалог ввода элементов12Вносим значения комплексного импеданса. После нажатия на OK на электронной диаграмме Смита появляется точка 1 (рис. В.5).Теперь, при добавлении элементов схемы, дискретных или элементов с распределенными параметрами, точка смещается по диаграмме Смита, образуятраекторию согласования.Элементы вызываются, нажимая на значок элемента в диалоге Toolbox (рис.В.9).В этом диалоге входят 4 последовательных (Series) и 4 параллельных элемента, а также трансформатор, отрытые и короткозамкнутые шлейфы. В процессе согласования, т.е.
соединения двух точек на электронной диаграммеСмита с разными комплексными импедансами, можно предложить большоеколичество траекторий согласований.Самая простая траектория состоит из трех точек, и соответственно наиболеепростыми согласующими цепями можно считать Г-образную согласующуюструктуру из двух элементов.В нашем случае в виде первого элемента введем параллельную емкость (нажимаем на Shunt C).
Двигая перекрестие курсора по появившейся полуокружности, достигаем точку, при которой входное сопротивление достигает значении 1 (в нормированном виде, т.е. 37 Ом в разнормированном виде).Нажатие на точке на электронной диаграмме Смита тут же дополняет схему вокне Schematic и в таблице данных Data Point. На схеме появляется символпараллельного элемента и его значение. Далее выбираем последовательнуюиндуктивность и доводим курсор до центра электронной диаграммы Смита.Отметим однако, что на этом последнем этапе нужно разбить последовательный элемент так, чтобы он состоял из последовательной емкости 0.23 пФ(емкость, присущая чипу) и искомой индуктивности 157 нГ.Электронная диаграмма Смита, кроме этого, может обрабатывать данные, рассчитанные или измеренные с помощью измерительных приборов, устройств,или полученные на других программах.13Рис.
В.10. Интерфейс электронной диаграммы Смита в режиме « S-Plot»Для такого расчета в интерфейсе программы Smith Chart выбирается режим'S-Plot' в меню 'Mode'.(рис. В10). Затем загрузите файл с S-параметрами четырехполюсника с помощью браузера в формате Touchstone (обычно с расширением *.s2p).Параметры S11 и S22 наносятся на импедансной диаграмме Смита, а параметры S12 и S21 в полярной системе координат. После ввода S-параметров, вокнах выводятся таблица данных, рассчитанные параметры Gp max (максимальный коэффициент передачи по мощности), Gp max stabil (максимальныйстабильный коэффициент передачи по мощности MSG), коэффициент устойчивости K и частотные зависимости Gp max (для K>=1) и Gp max stabil (дляK<1).
В конце файла данных могут быть добавлены шумовые параметры.Электронная диаграмма Смита, с помощью которой обрабатываютсяизмеренные сигнальные и шумовые параметры, прилагается в настоящее времяк каждому современному прибору (например AppCAD фирмы Agilent, рис.В11).14Рис. В11. Интерфейс программы AppCAD, с электронной диаграммой СмитаВ предлагаемом задачнике рассматриваются вопросы проектирования транзисторных СВЧ усилителей, моделирование которых начинается в первую очередь c задания S-параметров, шумовых параметров и параметров, оценивающихнелинейные свойства, такие, как мощность насыщения по сжатию усиления на1 дБ. Выполнение анализа параметров активных элементов на диаграмме Смитапозволяет выявить потенциальные характеристики каскада на этом транзисторе. Всего в сборнике находятся 50 задач, из них больше половины имеетполное исчерпывающее решение.
Основная литература, которая рекомендуется, это книга Р. Карсона «Высокочастотные усилители» изданная впереводе в 1991 году. Книга Ф. Смита «Круговые диаграммы в радиоэлектронике», «Связь» М., 1976 г. Фундаментальной книгой является книга G.Gonzales“Microwave Transistor Amplifiers”N.-Y., 506 pp. К сожалению, эта английскаякнига является редкостью в России. Определенная часть задач была взята изэтих источников. Другая часть задач состоит из предлагаемых на зачётах иэкзаменах МЭИ. Надеемся, что основная часть примеров в настоящем пособии,которая приведена с решениями и пояснениями, поможет для освоениястудентами этой трудной дисциплины. В процессе решения рекомендуетсявыполнить решение с помощью приводимых формул, а также повторитьрешение с помощью электронной диаграммы Смита.151.
Диаграмма СмитаЗадача 1.1Показать на диаграмме Смита точки, соответствующие следующим нормированным импедансам и адмитансам:z1 = 1 + j1 ,z 2 = 0.4 + j 0.5 ,z3 = 3 − j 3 ,z 4 = 0.2 − j 0.6 ,z5 = 0y1 = 1 + j1 ,y 2 = 0.4 + j 0.5 ,y3 = 2 − j1.4 , y 4 = 0.5 − j 0.2 ,y5 = ∞РешениеВеличины z и y показаны на рис. 1.1. Диаграмма Смита на рис. 1.1 обычноиспользуется как Z диаграмма Смита (рис.
1.1), или как Y диаграмма Смита(рис. 1.2).Рис. 1.1. Z диаграмма Смита с указанными в задаче импедансами16Преобразование нормированного импеданса z в нормированную проводимость y может быть легко выполнено на диаграмме Смита, поскольку1+ Г(1.1)z=1− Ги1 1− Г(1.2)y= =z 1+ Гjπоткуда видно, что при вращении Г на угол e мы получаем новую величину z(обозначаемую z') равную1 + Ге jπ 1 − Г(1.3)z′ ==1 − Ге jπ 1 + Гчто идентично величине проводимости y. Другими словами, численная величина импеданса z' равна величине адмитанса y = 1/z.Рис.1.2.Y-диаграммаСмитасуказаннымиточкамиадмитанса17Задача 1.2Найти адмитанс y, соответствующий импедансу z = 1 + j1, используядиаграмму Смита.Рис.
1.3. Преобразование величины z в величину y на диаграмме СмитаРешение. Поместим точку z = 1 + j1 на рис. 1.3. Пересчитаем z в величину Г .Вращая Г на угол 180° (т.е. e jπ ), рассмотрим результат в точке z', численноезначение которой равно y. Эта величина y читается как 0.5 - j0.5, чтосогласуется с расчетом:y=11== 0.5 − j 0.5z 1 + j1(1.4)Импедансы, имеющие отрицательную реальную часть имеют модуль коэффициента отражения, больший единицы. Эти импедансы, таким образом, находятся вне диаграммы Смита.
Рис. 1.4 показывает сжатую диаграмму Смита,которая включает диаграмму Смита (т.е. Г ≤ 1) плюс часть области с отрицательным импедансом.18Рис. 1.4. Сжатая диаграмма Смита (заштрихована обычная диаграммаСмита)Другой путь получения отрицательных сопротивлений (т.е. Г >1) состоит внанесении на диаграмму Смита величины 1/ Г и прочтением величин сопротивлений как отрицательных и реактанса по отмеченной окружности.Задача 1.3Найти импеданс, при котором коэффициент отражения равен Г =2.236∠26.56°.Решение. Если на диаграмму Смита, показанную на рис.
1.5, наноситсявеличина1= 0.447∠26.560(1.5)*Гто в результате по диаграмме Смита получаем нормированный импеданс z = -2+ j1. Теперь можно сделать проверку расчета:Г=− 2 + j1 − 1= 2.236∠26.56 0− 2 + j1 + 1Правила использования диаграммы Смита для расчета линии передачи следуетиз выражений19Г IN ( d ) = Г o e − j 2 βde j βd + Г o e − j βdV (d )= Z o jβdI (d )e − Г o e − jβdZ − ZoГo = LZL + ZoС учетом нормировки z = Z L Z o , можем записать эти уравнения в удобнойформеZ IN (d ) =Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
