Методика расчета режима транзистора мощного СВЧ умножителя частоты

3.2. Методика расчета режима транзистора мощного СВЧ умножителя частоты

В промежуточных каскадах радиопередающих устройств СВЧ применяют умножители частоты о выходной мощностью до сотен милливатт. Такие СВЧ-умножители являются уже мощными. Умножение частоты в них достигается выделением нужной n-й гармоники из импульса коллекторного тока. При расчете режима транзистора, работающего на частотах 108... 109 Гц (сотни МГц), используют кусочно-линейную модель транзистора. При этом дополнительно учитывают индуктивности выводов транзистора, емкость закрытого эмиттерного перехода и потери в материале коллектора. Предполагают, что транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ) и возбуждается от генератора гармонического тока. Схема ОБ обеспечивает лучшие энергетические параметры мощного умножителя СВЧ, чем схема с общим эмиттером (ОЭ). В схеме ОЭ за счет обратной связи через емкость Ск импульс коллекторного тока деформируется и имеет малые коэффициент формы gn(θ), ΰ следовательно, и КПД, и мощность в нагрузке.

Выходная мощность умножителя ограничена несколькими факторами. К ним относятся предельно допустимые значения обратного напряжения на эмиттерном переходе Uбэ доп и мощности рассеяния, а также критический коллекторный ток Iкр.

При выборе угла отсечки надо учитывать следующее. Пиковое обратное напряжение Uбэ пик увеличивается при уменьшении угла отсечки θ, что может ограничить мощность, отдаваемую умножителем частоты. При больших углах отсечки уменьшается КПД и растет рассеиваемая мощность Рк, что может привести к нереализуемости режима транзистора. Если при оптимизации мощности умножителя частоты опираться только на ограничения по коллекторному току, считая максимальный iк max=Iкр, то оптимальным углом отсечки при n=2 оказывается θ=60°, а при n=3 — θ=40°. Οри этих углах отсечки КПД будет достаточно высоким, но надо не допустить превышения Uбэ доп. Поэтому часто угол отсечки и для n=2, и n=3 выбирают равным θ=60°.

Расчет режима транзистора ведут на заданную выходную мощность транзистора Pвых n на рабочей частоте nf, определенную по выходной мощности умножителя Pвых n и КПД его выходной согласующей цепи h к вых: Рвых n=Рвых/h к вых.

Для расчета используем методику, которая имеет в своей основе следующие допущения:

интервал рабочих частот соответствует неравенствам: , ;

транзистор возбуждается от генератора гармонического тока;

крутизна по переходу Sп считается вещественной;

напряжение на коллекторе — гармоническое;

схема включения транзистора — ОБ;

влиянием индуктивности общего вывода транзистора Lб пренебрегают.

Исходя из заданных Pвых n и nf по справочникам выбирается транзистор с учетом выполнения условий и . Вследствие больших потерь в материале коллектора на верхних частотах транзистора целесообразно выбирать транзистор с запасом по выходной мощности Pвых n примерно в 2,0… 2,5 раза. Параметры выбранного транзистора рекомендуется свести в таблицу в следующем порядке:

, Вт;

, МГц;

, В;

Uкэ доп, В;

Uбэ доп, В;

, В;

Iкр, А;

Tп, °С;

Sгр, А/В;

fгр, МГц;

Ск, пФ;

rб, Ом;

rэ, Ом;

rк, Ом;

Lб, нГн;

Lэ, нГн;

Lк, нГн.

Напряжение питания Uк0 принимается равным или близким к , в типовом режиме транзистора. Угол отсечки целесообразно выбрать для n=2 и n=3 θ=60°. Οо табл. 3.1 [1] определяют для выбранного θ коэффициенты α0, α1, α2, γ1, γn.

Расчет ведут в следующем порядке (режим работы принимают граничным).

1. Сопротивление потерь коллектора в параллельном эквиваленте:

.

2. Напряженность граничного режима

,

где .

3. Амплитуда напряжения и тока n-й гармоники, приведенные к эквивалентному генератору:

; .

4. Сопротивление коллекторной нагрузки:

.

5. Амплитуда n-й гармоники, высота импульса тока эквивалентного генератора, постоянная составляющая коллекторного тока соответственно:

; ; .

Провести проверку выполнения условия . Если условие не выполняется, то следует сменить транзистор, так как из-за уменьшения частоты fгр нельзя получить заданную мощность.

6. Амплитуда тока возбуждения и коэффициент передачи по току в схеме ОБ:

, .

7. Пиковое обратное напряжение на эмиттере:

.

8. Напряжение смещения:

,

где ; ; ; .

9. Диссипативная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора:

;

.

10. Мощность источника питания, КПД:

; .

11. Коэффициент усиления по мощности:

.

12. Мощность возбуждения:

.

13. Мощность рассеяния:

.

14. Диссипативная и реактивная составляющие сопротивления нагрузки, приведенной к внешнему выводу коллектора, в параллельном эквиваленте:

;

.

4. Результаты расчетов

4.1. расчет усилителя мощности

4.1.1. расчет режима работы активного прибора (транзистора)

Выбор транзистора, расчет его режима работы и энергетических параметров выполнен на ЭВМ с помощью программы PAMP1, разработанной на каф. 406, и реализующей методику, описанную в п. 3.1.

Исходные данные:

ЧАСТОТА fвх И МОЩНОСТЬ P1 УСИЛИТЕЛЯ, ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА (2Т934А)

fвх=0,25 ГГц;

P1=0,0614 Вт;

F1=1 ГГц;

R1=3 Ом;

R2=6 Ом;

R3=0,1 Ом;

C1=7 пФ;

C2=2 пФ;

C3=40 пФ;

L1=1,3 нГн;

L2=3,1 нГн;

L3=2,5 нГн;

H=80;

T=160 

U1=60 В;

U2=4 В;

U3=0,7 В;

U4=1,2 В;

P2=7 Вт;

S1=0,17;

F2=0,4 ГГц;

K1=10;

P3=3 Вт;

U0=19 В.

Результаты расчета:

2Т934А, ОБЩИЙ ЭМИТТЕР, fвх=0,25 ГГц;

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Выходная мощность 0,0614 Вт;

Мощность возбуждения 8,07 мВт;

Коэффициент усиления KУМ=7,60825;

Потребляемая мощность 61,501 мВт;

Мощность потерь 8,1711 мВт;

Коэффициент полезного действия (электронный КПД) ηэ=99,83%.

РЕЗЕРВЫ ТРАНЗИСТОРА

По напряжению на коллекторе 1,582314;

По напряжению на базе 2,439582;

По рассеиваемой мощности 856,669;

Допустимая температура корпуса транзистора 159,8599 °С.

ЦЕПЬ КОЛЛЕКТОРА

Напряжение питания E0=19 В;

Амплитуда напряжения 18,91915 В;

Напряженность режима 0,9957449;

Амплитуда коллекторного тока 6,872006 мА;

Постоянная составляющая коллекторного тока I0к=3,236894 мА;

Диссипативная составляющая сопротивления коллекторной нагрузки R1вых УМ=166,933 Ом;

Реактивная составляющая сопротивления коллекторной нагрузки X1вых УМ=5,44388 Ом.

ЦЕПЬ БАЗЫ

Напряжение смещения по базе E0б=1,2 В;

Амплитуда тока возбуждения 0,1756269 А;

Угол отсечки 34,69754 

Диссипативная составляющая входного сопротивления Zвх R1вх УМ=0,5232769 Ом;

Реактивная составляющая входного сопротивления Zвх X1вх УМ=4,491888 Ом.

Похожие работы

Проектирование модуля АФАР

Скачать

13918

0

0

... АФАР дециметрового диапазона волн на полупроводниковых приборах, построенные на основе транзисторного усилителя мощности и последующего умножителя частоты, имеют генераторную часть. Обычно при проектировании генераторной части модуля АФАР с умножением частоты бывают заданы Pвых, fвых, fвх, а также значение Pвх. В результате проектирования определяется число умножительных и усилительных каскадов в ...

Основы радиосвязи

Скачать

65484

0

33

... если направления векторов  и  в пространстве могут быть определены в любой момент времени. Если же направления  и  изменяются во времени случайным образом, то волна называется неполяризованной. Для радиосвязи естественно использовать поляризованные волны, что даёт возможность эффективного приёма радиосигналов при известном законе изменения  и  в пространстве. Виды поляризации различаются законом ...