"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 7, 2008

оглавление

УДК 621.385.6
 

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕОТРАЖЕНИЙ  ВО ВХОДНОМ ТРАКТЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ  CВЧ СИГНАЛОВ НА ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

A.П. Венгер¹  ,  Г.Н. Ильин<sup>2

1</sup>САО РАН, г.Санкт-Петербург
²ИПА РАН, г.Санкт-Петербург

 

Получена 26 июня 2008 г.

 

            В работе представлены результаты исследования влияния входной цепи СВЧ отражательного транзисторного усилителя (OPTA - One Port Transistor Amplifier), с последовательной положительной обратной связью, на основные характеристики. Приводятся уточненные выражения для расчета коэффициентов передачи и шума. Используется новый теоретический подход к данному типу усилителей, определяющий условия режима усиления. Приводятся расчетные и экспериментальные данные, иллюстрирующие работу усилителя в дециметровом  диапазоне волн.

        

ВВЕДЕНИЕ

Как показывает практика работы с усилителями отражательного типа [1-5], очень важным моментом в проектировании подобного рода устройств, является понимание физических процессов, влияющих на конечные характеристики. В предыдущих работах мы делали акцент на исследование нового варианта схемы отражательного усилителя с положительной последовательной связью без учета переотражений во входной цепи, что справедливо только для идеального случая. В данной работе проведено рассмотрение влияния физических процессов для реального случая во входной части усилителя на коэффициенты передачи и шума, связь между этими параметрами, а также определение  более точных выражений  для них.

 

ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

В Электронике любой усилитель содержит два основных элемента: источник энергии (DC) и управляемый нелинейный элемент (NE), как показано на рис.1а. Обычно в качестве NE используется некое твердое тело, имеющее нелинейные характеристики в требуемом диапазоне, чаще всего это диод или транзистор.  

а

б

    

Рис. 1

 

Усилитель содержит два энергетических кольца (рис.1б): маломощное или управляющее кольцо (I) и мощное или управляемое кольцо (II). NE осуществляет связь между ними. Маломощное кольцо используется для переноса информации, в форме частотно-временного спектра электромагнитных колебаний S(t), на нелинейную проводимость NE. Производится модуляция этой проводимости. Мощное кольцо используется для преобразования  энергии DC источника в RF колебания согласно модулированной проводимости NE. Производится модуляция тока DC источника.  Для разделения постоянного тока и радиочастотных колебаний используются вспомогательные элементы: радиочастотный фильтр (BF)  и конденсатор (С). P_OUT есть выходная мощность, рассеиваемая в импедансе нагрузки. Если  в мощное кольцо вносится  комплексно-согласованная с NE, в некотором диапазоне, нагрузка (Z_L), то получаем проходной каскад усилителя, как показано на рис. 1б. Эта схема достаточно хорошо изучена и широко применяется.

Как известно,  каждый усилитель содержит положительную обратную связь (ПОС) между выходом и входом. В проходном варианте эта связь довольно слабая и используется, в основном, для коррекции коэффициента передачи. Принципиальным отличием отражательного усилителя является наличие в нем глубокой ПОС,  которая выполняет две основные функции: а) дополнительная модуляция энергии источника питания мощного кольца (II); б) перенос выходного сигнала на согласованную нагрузку. В зависимости от схемной реализации ПОС, могут быть два основных типа транзисторных отражательных усилителей: c параллельной [4], [5] или последовательной обратной связью.

Предметом данного исследования является отражательный транзисторный усилитель (OPTA) с последовательной ПОС (Рис. 2). В работах [1], [2], [3] выведены  выражения  для коэффициентов передачи и шума отражательного усилителя такого типа. Здесь мы  рассматриваем основные условия, ограничивающие их применение.

Рис. 2

 

OPTA содержит стандартный набор элементов: источник постоянного тока, нелинейным элементом служит FET транзистор (Т), реактивный элемент (X_L), циркулятор и радиочастотный фильтр. На рис. 3 представлена эквивалентная схема данного усилителя.

 

Рис. 3

 

Полевой транзистор содержит два синхронно работающих нелинейных элемента: D – управляющий элемент первого кольца усилителя, работающий в режиме варакторного диода, Y_ds – управляемый элемент второго кольца, работающий в режиме варисторного диода. Крутизна () вольт-амперной характеристики транзистора является связующим параметром для этих двух нелинейных элементов. Вместе с емкостью затвор-исток (С_gs) управляющего элемента, истоковая индуктивность (L_s) составляет последовательный резонансный контур. Для разделения входного и выходного сигналов в точке А устанавливается циркулятор. Принцип действия отражательного усилителя с последовательной ПОС состоит в следующем. С момента включения источника питания,  истоковая индуктивность запасает энергию в форме магнитного поля. Входное напряжение сигнала (V_s), с помощью управляющего элемента D, модулирует проводимость (Y_ds) канала транзистора, который в свою очередь модулирует постоянный ток источника питания. Промодулированный ток (I_Vs) взаимодействует  с запасенной энергией в L_s , в результате чего на концах  истоковой индуктивности образуется напряжение самоиндукции (V_FB), которое является источником последовательной ПОС. Со стороны входа транзистора, V_FB  создает  эффект  “отрицательного сопротивления“. Это напряжение также создает дополнительную модуляцию тока через канал транзистора (I_FB). В результате  на истоковой индуктивности вырабатывается  RF энергия, содержащая входную информацию на более высоком уровне мощности. Через последовательный резонансный контур (L_s, C_gs) RF сигнал поступает на вход усилителя и, через согласующие цепи и развязывающий циркулятор, выделяется в  нагрузке.

По схемной реализации отражательный усилитель довольно близок к классу генераторных схем. Так в работе [6] автор рассматривает  генератор как случай отражательного усилителя и на базе этого анализа производится проектирование реального генераторного устройства. Мы рассматриваем обратную задачу: режим отражательного усилителя как вариант работы генератора. Если взять за основу схему транзисторного генератора, то основные условия его работы, в референсной плоскости входа транзистора, должны быть следующими: а) амплитуда напряжения ПОС должна быть больше амплитуды входного запускающего сигнала

V_{FB m} > V_{s m}                                                                                (1)

б) фаза напряжения  в случае последовательной обратной связи должна быть

,                                                       (2)

здесь  - фаза входного напряжения, в качестве которого может быть как некий внешний запускающий сигнал, так и собственный шум в случае автогенератора.

Эти условия являются необходимыми и для отражательного усилителя, но не достаточными для устойчивой работы. Рассмотрим, какое дополнительное условие необходимо.

В работе [3] было выведено выражение для коэффициента передачи (G) отражательного усилителя с последовательной ПОС:

         (3)

Это выражение было рассчитано для случая идеального циркулятора, т.е. когда резистивные потери и коэффициент отражения  равны нулю. В реальном случае, циркулятор всегда имеет какие-то резистивные потери и конечную величину коэффициента отражения. Влияние отражений на параметры усилителя можно найти в [7], [8], [9].  В проходном усилителе, при хорошем согласовании, эти процессы имеют значения второго порядка. Другая ситуация  в отражательном усилителе. Переотражения выходного сигнала на неоднородностях между транзистором и  плечом циркулятора могут вносить значительный вклад в результирующие параметры усилителя. Чтобы оценить величину влияния рассмотрим графическую иллюстрацию этого процесса  (рис.4) в предположении, что тракт достаточно хорошо согласован и основные отражения происходят от плеча циркулятора.

 -  фазовый сдвиг между Р_s и выходным сигналом (“-“ 180^о – сдвиг; “+” - 360^о – сдвиг)

Рис. 4

 

В результате переотражений  величина  входной мощности сигнала на затворе транзистора может быть представлена в следующем виде:

        (4)

 

              (5)

 

Выражение (5) представляет собой математический ряд вида , в котором . При , этот ряд является сходящимся и имеет  предел (рис.5). Для примера: при х=0.5 предел для данной последовательности составляет 0.66, т.е. сигнал на затворе транзистора составляет 0.66Р_s. Величина электрической длины между циркулятором и затвором транзистора выбирается вблизи   для центральной волны.

 

Рис. 5

 

Когда первые два члена ряда равны, выходная мощность становится равной нулю, т.е. перенос информации о входном сигнале прерывается. Обрыв входного сигнала происходит в точке:

               или                                      (6)

Из (6) получаем третье обязательное условие для устойчивой работы схемы отражательного усилителя в режиме переноса информации:

                                                                                   (7)

Окончательное выражение для коэффициента передачи входного сигнала может быть представлено в следующем виде:

               (8)

здесь: Z – импеданс входной цепи, Z_in - импеданс со входа транзистора.

 Иллюстрация этого выражения представлена на рис. 6. Здесь приведены расчетные и экспериментальная кривые коэффициента передачи усилителя описанного в [3]. Относительно большое различие между расчетом и экспериментом объясняется  потерями во входной цепи, содержащей резонансные согласующие цепи.

Рис.6

 

Процесс переноса информации о собственных шумах отражательного усилителя имеет существенное отличие. Известно, что основные источники шума, определяющие общую шумовую температуру любого усилителя,  сосредоточены в I управляющем кольце (рис.1б). В случае отражательного усилителя, половина мощности шума поступает непосредственно на выход, а вторая половина усиливается и также поступает на выход. В отличие от проходной схемы, здесь возможно, с помощью ПОС, создание фазового сдвига между шумовыми сигналами для  их взаимной нейтрализации. В хорошо настроенном усилительном каскаде, шумы определяются резистивными потерями в области затвор-исток полевого транзистора (R_g, R_g-s, R_s). Эта область, в первом приближении являющаяся точечным источником шума (P_n), излучает квазигармонические, когерентные колебания и характеризуется некоторой величиной   эквивалентной  температуры  (Т_n). На рис. 7 представлена графическая иллюстрация процесса переотражения собственного шумового излучения транзистора во входной цепи ОРТА. Для простоты, резистивные потери и коэффициенты отражения в согласующей реактивной цепи не берутся в расчет.

Рис. 7

 

Результирующее шумовое излучение на выходе усилителя (), с учетом (5), может быть описано следующим выражением:
 

           (9)                                        

Выражение (9) показывает, что результирующее шумовое излучение  ОРТА  зависит не только от резистивных потерь в схеме, но и от коэффициентов передачи и отражений между транзисторным входом и плечом циркулятора. Коэффициент шума отражательного усилителя, с учетом потерь во входном плече циркулятора и в согласующих цепях (Т_с), имеет  вид:  

                    (10)

При инженерных расчетах можно использовать с достаточной точностью  следующее выражение [1]:
 

                  (11)

В (11) используются только два первых члена ряда . При достаточно высоком коэффициенте передачи () и малых потерях в согласующих цепях, результирующие шумы усилителя стремятся к нулю. Имеет место эффект фазового подавления шумового излучения точечного источника резистивных потерь затвор-истокового перехода транзистора. При достижении равенства  между G и возникает лавинообразный процесс нарастания собственного шумового излучения. Усилитель переходит в режим автогенератора.

Для примера, на рис.8 с помощью  выражений (8), (11) представлены результаты расчета коэффициентов передачи и шума резонансного отражательного усилителя, использующего транзистор типа  NE332 с рабочими параметрами I_d=3.2 mA (Y_m=40 mS) , V_gs=-0.5v.

Рис.8

 

Иллюстрацией выражений (8), (11) может служить экспериментально полученный  график зависимости коэффициентов передачи и шума от тока канала транзистора (рис.9). В этом эксперименте также использован усилитель, описанный в [3]. На графике, в области I, где выполняются условия (1), (2), (7) устройство работает как устойчивый усилитель  с малым уровнем собственных шумов. В случае, когда вместо (7), выполняется условие (6), устройство переходит в режим подавления внешнего сигнала и генерации (усиления) собственного шумового излучения  (область II на графике).

Рис. 9

 

Приведенные здесь  результаты относятся к схеме отражательного усилителя с последовательной ПОС. Для случая усилителя с параллельной схемой ПОС, результаты могут существенно отличаться. Это связано с другими фазовыми соотношениями между напряжениями входного сигнала и  ПОС.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа является продолжением изучения и объяснения экспериментальных результатов, полученных с помощью новой схемы отражательного усилителя с последовательной положительной обратной связью. Определены и представлены граничные условия функционирования схемы. Эти условия позволяют разделить  режимы усилителя и генератора. Показано как переотражения во входной части усилителя влияют на его параметры. Выведены более точные выражения для коэффициентов передачи и шума. При этом было получено, что величина собственных шумов на выходе зависит не только от резистивных потерь в схеме, но и от коэффициента передачи и переотражений во входной цепи. Экспериментальные результаты, полученные в [1], [2], [3] и в этой работе  показывают, что ОРТА, использующий только один транзистор, способен обеспечить достаточно высокие параметры и новые схемотехнические возможности. Очень важными достоинствами данной схемы есть его простота, и, следовательно, надежность, а также низкое энергопотребление [2], [3]. 

 

ЛИТЕРАТУРА  
[1] A.P.Venguer, J.L.Medina, R.A.Chávez, A. Velázquez, “Low Noise One – Port Microwave Transistor Amplifier”, Microwave and Optical Technology Letters, vol 33, no.2, pp. 100-104, April 20, 2002.

[2] A.P.Venguer, J.L.Medina, R.A.Chávez, A.Velázquez, “A New Microwave One – Port Transistor Amplifier with High Performance for L- Band Operation”. WSEAS International Conferences, Cancún México, CD-ROM Proceedings, pp. 2061-2066, May 12-16, 2002.

[3] A.P.Venguer, J.L.Medina, R.A.Chávez, A.Velázquez, A.Zamudio, G.N.Il’in “The Teoretical and Experimental Analysis of Resonant Microwave Reflection Amplifiers”  Microwave Journal, vol. 47, no. 10,  pp. 80-93,  October, 2004.

[4] H.Tohyama, H.Mizuno, “23-GHz Band GaAs MESFET Reflection Type Amplifier”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-27, no.5, May, pp. 408-411, 1979.

 [5]. P.Gardner and D.K. Paul, “Aspects of the design of low noise, negative resistance reflection mode transistor amplifiers”, IEEE Trans Microwave Theory Tech., pp. 1869-1875, Nov. 1991.

[6] John W.Boyles, “The Oscillator as a Reflection Amplifier: an Intuitive Approach to Oscillator Design” Microwave Journal, pp. 83-98, June, 1986

[7] С.В. Переслегин, Н.Н. Юрокин. “Оценка составляющих паразитной модуляции в модуляционном СВЧ – радиометре”. Вопросы Радиоэлектроники, серия Общетехническая, н. 24, стр. 42-50, 1964

[8] V. Adamian, A. Uhlir. “Simplified noise evaluation of microwave receivers”. IEEE Trans. Instrum. and Meas., 33, no. 2,  pp. 136-140, 1984

[9] G.F. Engen. “A new method of characterizing amplifier noise performance”. IEEE Trans. Instrum. and Meas., vol. IM-19, no.4, pp.344-349, Nov.1970