Расчет или подбор цепей связи

Условия согласования генератора с комплексной нагрузкой

Известно из [5], что генератор с внутренним сопротивлением Z ₀ = r ₀ + jx ₀ отдает в нагрузку Z = r + jx максимальную мощность, если сопротивление нагрузки является величиной, комплексно сопряженной по отношению к внутреннему сопротивлению генератора: r = r ₀ и x = – x ₀. В общем случае для цепей связи из сосредоточенных или распределенных элементов без потерь должны выполняться условия, приведенные на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Условия согласования

На рис. 3.14 показано, что входное сопротивление транзистора Z_ВХ (при условии согласования транзистора по выходу) и внутреннее сопротивление эквивалентного генератора Z *, приведенное к входным зажимам транзистора, должны быть комплексно сопряженными. Точно также должны быть комплексно сопряженными коэффициенты отражения в сторону транзистора S*_ВХ и в сторону генератора GM 1. Это условие сопряженности должно выполняться в любом сечении цепи связи. Аналогично для выходной цепи связи должны быть сопряженными выходное сопротивление транзистора Z_ВЫХ и входное сопротивление цепи связи Z *’.

Расчет характеристик цепей связи

В режиме полного согласования на входе и выходе (на одной частоте) требуемые коэффициенты отражения согласующих цепей с генератором Г ₁ и нагрузкой Г ₂ (см. п. 3.2, соотношения (3.6), (3.7)) вычисляются в среде AWR. Причем коэффициент отражения Г ₁ в AWR обозначен как GM 1, а Г ₂ — как GM 2.

Для расчета GM 1 необходимо добавить новый график командой Add Graph, назвать его Graph 2, затем выполнить команду Project\Add Measurement. Выберите в левом поле Measurement Type строку Linear, а в центральном поле Measurement строку GM 1 – коэффициент отражения в сторону генератора. В правом поле Data Source Name из раскрывающегося списка выберите строку с именем Schematic 1. В нижнем поле Complex Modifier установите точку Mag (рис. 3.15). Нажмите кнопку ОК.

Рис. 3.15. Установка рассчитываемой величины GM 1

Затем повторите те же действия, но в нижнем поле Complex Modifier установите точку Angle – расчет фазы коэффициента отражения.

Нажмите кнопку Analyze на панели инструментов. На рис. 3.16 знаком «» отмечен график Ang(GM 1) и знаком «» — | GM 1|.

Рис. 3.16. Зависимости модуля и фазы коэффициента отражения GM 1

Для частоты 6 ГГц с помощью AWR получены численные значения модуля коэффициента отражения в сторону генератора | GM 1| = 0,9126 и его фазы Ang(GM 1) = 160,4°.

Подбор цепи связи

В качестве цепи связи можно использовать схему, изображенную на рис. 3.17. Эта схема является по существу частью схемы (см. рис. 3.4), ранее рассчитанной аналитически.

Рис. 3.17. Структура цепи связи

Подбирая длину двух шлейфов, включенных параллельно источнику сигнала, нужно получить значение модуля | S ₂₂| = | GM 1| = 0,9126. Затем, подбирая длину линии, подключенной к транзистору, получить фазу
Ang(GM 1) = Ang(S ₂₂) = 160,4°.

Для подбора длин линий:

– создайте новую схему Schematic 2;

– установите на поле два порта Р1 и Р2;

– откройте в Менеджере элементов Transmission Lines;

– выделите подгруппу Physical;

– выделите элемент TLINP, который будет моделировать отрезок L трансформирующей линии. Перенесите его в окно схемы и совместите с выводом порта Р2;

– затем выделите элемент TLОCP, который будет моделировать отрезок разомкнутого шлейфа. Перенесите его дважды в окно схемы и установите, как показано на рис. 3.18. В зависимости от условий задачи могут потребоваться как разомкнутые, так и замкнутые шлейфы.

Рис. 3.18. Схема входной цепи связи

Для анализа цепи:

– добавьте новый график командой Add Graph и введите название Graph4;

– рассчитайте S ₂₂-параметр (коэффициент отражения в сторону генератора). В правом поле Data Source Name из раскрывающегося списка выберите строку с именем Schematic 2. В нижнем поле Complex Modifier установите точку Mag (рис. 3.19);

– затем повторите эти действия, установив в нижнем поле Complex Modifier точку Angle – расчет фазы коэффициента отражения.

 

Рис. 3.19. Установка рассчитываемой величины S ₂₂

На рис. 3.20 знаком «» отмечен график Ang(S ₂₂) и знаком
«» – | S ₂₂|.

 

Рис. 3.20. Расчет S ₂₂

Как следует из рис. 3.20, значения | S ₂₂| = 0,97858 и Ang(S ₂₂) = -35,64° далеки от требуемых для согласования. Необходимо изменить длины линий так, чтобы получить необходимые значения. Для этого выберем Variable Browser, проставим галочки в полях, показанных на рис. 3.21, нажмем кнопки Apply и , появится окно регулировок Variable Tuner (см. рис. 3.22).

Регулируя длины линий TL1, TL3 и TL4, необходимо получить значения
| S ₂₂| = 0,9126 и Ang(S ₂₂) = 160,4°. Для этого пришлось установить длины разомкнутых шлейфов TL4L = TL1L = 6,48 мм, а длину отрезка TL3L = 2,15 мм (см. рис. 3.23). Общая длина шлейфа TL4L+TL1L+ширина линии TL3L составит около 16 мм.

 

Рис. 3.21. Установка регулируемых параметров

Рис. 3.22. Исходные значения длин линий

Рис. 3.23. Подбор длин линий входной цепи для согласования с транзистором

Точно также нужно решить задачу подбора линий выходной цепи
(рис. 3.24, 3.25, 3.26).

Рис. 3.24. Схема выходной цепи

Рис. 3.25. Зависимости модуля и фазы коэффициента отражения GM 2

Рис. 3.26. Подбор длин линий выходной цепи для согласования с нагрузкой

Для этого пришлось установить длины разомкнутых шлейфов
TL7L = TL6L = 5,97 мм, а длину отрезка TL5L = 3,5 мм (рис. 3.26). Общая длина шлейфа TL7L+TL6L+ширина линии TL5L составит около 15 мм.

Теперь можно объединить входную и выходную цепи со схемой транзистора (рис. 3.27) и рассчитать его частотные характеристики (см. рис. 3.28).

Рис. 3.27. Схема усилителя

 

Рис. 3.28. Характеристики усилителя

Схема, изображенная на рис. 3.27, может быть представлена, например, в таком виде (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Рассчитанная схема усилителя

Пример моделирования конструкции усилителя

После оценки реализуемости устройства результатами моделирования схемы с идеализированными элементами следует этап создания его виртуального макета.

Макетирование является практически неизбежным этапом процесса проектирования радиоэлектронных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов. Часть макетов требует переделок, что в групповом производстве микроэлектронных устройств сопряжено с большой трудоемкостью. Поэтому виртуальное макетирование в среде проектирования AWR DE может стать средством экономии ресурсов труда и времени.

Виртуальный макет отображает электромагнитные свойства материалов и геометрические размеры элементов, расслоение диэлектрических подложек на слои масок, подслои высокой адгезии и др.

На этом этапе выясняется обоснованность выбранного схемного решения уже с учетом свойств реальных элементов и взаимодействий между ними. Для этого в схему вносятся соответствующие им модели.