Интерактивный метод расчета реактивных согласующих цепей для СВЧ-устройств

В докладе рассматривается метод расчета простых реактивных согласующих цепей, входящих в состав многокаскадных СВЧ усилителей, на основе применения ДМС и интерактивной визуальной методики синтеза пассивных цепей.

Ключевые слова: СВЧ-усилитель, согласующая цепь, визуальный метод синтеза, области допустимых значений

При проектировании СВЧ полупроводниковых устройств (ППУ) одним из эффективных подходов является декомпозиционный метод синтеза (ДМС), предложенный Бабаком Л. И. [1]. При этом СВЧ ППУ представляется в виде блоков, часть из которых заданы (например, активные элементы, цепи питания по постоянному току и др.), а структуру и значения элементов других (согласующие и\или корректирующие цепи (СКЦ), двухполюсные цепи коррекции и ОС — корректирующие двухполюсники (КД) и пр.) нужно определить, исходя из заданных требований к характеристикам устройства. Для примера на рис.1 показана структурная схема 2-х каскадного СВЧ усилителя, на которой выделены транзисторы Т ₁ и Т ₂ , четырехполюсные СКЦ и двухполюсные цепи ОС и коррекции — L _{s 1} , L _{s 2} Z _{g 2} , Z _{d 2} и Z _{p 2} .

Рис. 1. Структурная схема СВЧ усилителя

Решение задачи проектирования СВЧ ППУ на основе ДМС включает в себя два основных этапа [1]:

1) построение областей допустимых значений (ОДЗ) на комплексной плоскости параметров СКЦ или КД на заданных частотах в полосе рабочих частот, которые соответствуют заданному комплексу требований к характеристикам устройства (например, коэффициент усиления, входное\выходное сопротивление, коэффициент шума, устойчивости и др.);

2) синтез СКЦ (КД) (определение структуры и значений элементов) по полученным ОДЗ.

Методы и алгоритмы получения ОДЗ для линейных СВЧ усилителей можно найти в [1–3] и др. Для решения 2 этапа может применяться интерактивный визуальный метод синтеза [2, 4, 5], когда разработчик одновременно на экране компьютера видит цель проектирования в виде ОДЗ и годографа СКЦ (или КД). По расположению ОДЗ на комплексной плоскости входного иммитанса СКЦ (КД) можно выбрать ее структуру [2]. После выбора структуры СКЦ (КД) разработчик в режиме реального времени может управлять формой годографа с помощью интерактивных инструментов, тем самым определяя значения элементов цепи. Цель — добиться попадания точек годографа на заданных частотах в советующие ОДЗ. Данная задача для случая двухполюсной КЦ или реактивной СКЦ, нагруженной с одной стороны на резистор, описана в [2, 4, 5].

а) б)

Рис. 2. Межкаскадная СКЦ (а) в усилителе, реактивная СКЦ с комплексными нагрузками (б)

Однако при проектировании многокаскадных усилителей межкаскадная СКЦ работает при комплексных импедансах со стороны входа и выхода (см. рис. 2). Применение методики [4,5] в этом случае вызывает определенные затруднения. Поэтому предлагается расширить методику интерактивного визуального синтеза [2, 4, 5] для случая реактивной СКЦ при комплексных нагрузках со стороны входа и выхода (рис.2,б).

Межкаскадную СКЦ представим в виде Т- или П-образной реактивной цепи (см рис. 3),

а)б)

Рис. 3. Т-образная (а) и П-образная (б) межкаскадная СКЦ

.

Входное ( Z _L ) или выходное ( Z _S ) сопротивление СКЦ нагруженной на комплексные импедансы Z _in = R _in + jX _in и Z _out = R _out + jX _out можно найти по формулам

; .(1)

Если на некоторой опорной частоте ( ₀ ) задать желаемое сопротивление СКЦ со стороны выхода Z _S ( ₀ ) = , то можно рассчитать два импеданса из трех в матрице Z _c , решив систему из двух уравнений, которые получаются из (2), после выделения реальной и мнимой частей.

. (2)

; .

Аналогичные формулы можно получить, если зафиксировать в СКЦ импеданс X ₁ или Х ₂ . Двухполюсники Х ₁ , Х ₂ и Х ₃ представляют собой реактивный элемент — катушку индуктивности или конденсатор, величину которого легко найти, зная частоту  ₀ : L _i = X _i / ₀ и

С _i = –1/( X _i  ₀ ).

Если задать желаемое значение сопротивление СКЦ со стороны входа Z _L ( ₀ ) = , то все формулы для расчета Х _i будут верны при замене , , ,

Методика интерактивного проектирования СКЦ состоит в следующем:

1) на плоскости входного Z _L и выходного Z _S импедансов СКЦ на ряде фиксированных частот  _k строятся ОДЗ, которые соответствуют заданным требованиям к усилителю или коэффициенту передачи СКЦ. Методы построения ОДЗ для реактивных согласующих цепей и СКЦ в составе линейных СВЧ усилителей представлены, например в [1–4];

2) выбираем опорную частоту  ₀ и желаемый импеданс со стороны входа ( ) или выхода ( ) внутри одной из ОДЗ соответственно на плоскости Z _L или Z _S ;

3) задаем один из элементов СКЦ и определяем его импеданс на опорной частоте ( Х ₁ , Х ₂ или Х ₃ ), далее рассчитываем два оставшихся элемента СКЦ, по полученным формулам;

4) рассчитываем годографы входного и выходного импедансов СКЦ Z _L ( _k ) и Z _S ( _k ) на частотах  _k по формуле (1);

5) визуально проверяем попадание точек годографа на этих частотах внутрь соответствующих ОДЗ на плоскостях Z _L и Z _S ;

6) если точки годографа на каких-то частотах не попадают в соответствующие ОДЗ, можно управлять формой годографов, изменяя положение опорной точки внутри выбранной ОДЗ или варьируя значения элементов Х ₁ , Х ₂ или Х ₃ с помощью тюнеров;

При этом весь процесс нахождения элементов СКЦ происходит в режиме реального времени, тем самым реализуется интерактивная визуальная методика, подобная [4,5].

В текущей статье рассмотрен метод расчета простых реактивных согласующих цепей, которые входят в состав многокаскадных СВЧ усилителей, на основе применения ДМС и интерактивной визуальной методики синтеза пассивных цепей.

Литература:

1. Бабак Л. И. Теория, методы и алгоритмы автоматизированного синтеза СВЧ транзисторных усилителей на основе декомпозиционного подхода: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Томск: ТУСУР, 2012. 360 с.
2. Черкашин М. В. Интерактивное «визуальное» проектирование транзисторных СВЧ усилителей на основе декомпозиционного метода синтеза: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск: ТУСУР, 2006. 316 с
3. Бабак Л. И., Поляков А. Ю. Автоматизированное проектирование малошумящих транзисторных СВЧ усилителей с реактивными согласующими цепями. // Доклады ТУСУР. Томск: ТУСУР, 1997. Т. 1.№ 1. С. 94–108
4. Бабак Л. И., Черкашин М. В., Зайцев Д. А. «Визуальное» проектирование корректирующих и согласующих цепей полупроводниковых СВЧ устройств. Часть 1. Описание процедуры проектирования // Доклады ТУСУР. Томск: 2006. № 6 (14).С. 11–23
5. Бабак Л. И., Черкашин М. В., Зайцев Д. А. «Визуальное» проектирование корректирующих и согласующих цепей полупроводниковых СВЧ-устройств. Часть 2. Программная реализация и примеры
6. Доклады ТУСУР. Томск: 2007. № 1 (15). С. 10–19.