Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №12

Электродинамическое моделирование микрополоскового транзисторного СВЧ-усилителя

Курушин Александр


На основе строгого электродинамического метода с использованием программы FEKO выполнено моделирование и оптимизация транзисторного СВЧ-усилителя в корпусе с поглощающей поверхностью. СВЧ-транзистор, описанный своими S-параметрами, включается в СВЧ-структуру так, что во время расчета учитывается связь между входной и выходной согласующей структурой. Цель статьи — показать возможности точного моделирования активной СВЧ-схемы электродинамическим методом.

Электродинамический расчет СВЧ-структур, в которые внедрены активные элементы, открывает широкие возможности как для улучшения характеристик традиционных структур, так и для создания таких уникальных структур, как, например, волноводный многотранзисторный СВЧ-усилитель.

Одной из задач, которую можно решить с помощью электродинамического подхода, является проектирование транзисторного усилителя СВЧ (ТУ СВЧ) в корпусе. Известно, что от размера экранирующего корпуса зависит устойчивость его к самовозбуждению, а также его шумовые и усилительные свойства, включая частотную характеристику и согласование в широком диапазоне частот [12]. Цель данной работы — электродинамическое моделирование ТУ СВЧ в корпусе и повышение устойчивости его к самовозбуждению.

Выбор метода анализа СВЧ-структуры с активными элементами

Рассмотрим типичный однокаскадный ТУ СВЧ (рис. 1). Он выполнен в виде микрополоскового усилителя с дискретными элементами, включая транзисторы. Как показала практика, ТУ СВЧ в микрополосковом исполнении хорошо работают до миллиметрового диапазона волн.

Фотография однотранзисторного СВЧ-усилителя на диэлектрической подложке

Рис. 1. Фотография однотранзисторного СВЧ-усилителя на диэлектрической подложке c согласующе-трансформирующими цепями (СТЦ) на входе и выходе

ТУ СВЧ в волноводном исполнении [8] предпочтительно применять начиная с 50 ГГц, когда потери микрополосковых линий возрастают и начинают вносить значительный вклад в коэффициент шума.

Метод Олинера [1] для моделирования распределенных СВЧ-элементов, включаемых вместе с дискретными активными СВЧ-элементами в схему усилителя, использует формулы расчета модели распределенных цепей и не учитывает связь по ближнему полю между отдельными элементами, входящими в структуру. Такой расчет выполняется, например, с помощью широко распространенной в практике проектирования программы Microwave Office [3], в которой расчет ведется в схемном и топологическом представлении (рис. 2).

а) Топология транзисторного СВЧ-усилителя, созданная в MWO; б) схема транзисторного СВЧ-усилителя, составленная из узлового включения распределенных элементов

Рис. 2. а) Топология транзисторного СВЧ-усилителя, созданная в MWO; б) схема транзисторного СВЧ-усилителя, составленная из узлового включения распределенных элементов

Внедрение электродинамического метода расчета, реализованного в EMSight MWO, требует обязательного экранирования этой структуры [3]. Для удаления боковых стенок от портов применяется операция разгерметизации. Порты-перемычки, реализованные в этой программе, должны быть обязательно соединены с «земляной» платой. Все это накладывает ограничения при построении сложных СВЧ-структур с активными элементами.

Современный подход предполагает электродинамический расчет всей конструкции ТУ СВЧ. Численные методы анализа электромагнитного поля состоят в том, что вся конструкция разбивается на автономные блоки и решение уравнений Максвелла сводится к решению системы линейных уравнений. Вся электромагнитная структура в этом случае рассматривается как единая, а взаимная связь входной и выходной согласующей структуры учитывается автоматически.

Применим для расчета программу FEKO компании EM Software [4]. В FEKO реализован метод моментов [56]. В этом случае транзистор будет включен во внутренние порты, созданные в разрыве микрополосковой линии. В транзисторном СВЧ-усилителе используем транзистор фирмы NEC N700. Его параметры в формате Touchstone показаны в таблице.

Таблица. Параметры СВЧ-транзистора N700

№ п/п S11 S21 S12 S22
1 0,964–20,52 4,82–160,76 0,032–78,26 0,345–21,71
2 0,961–26,26 4,502–157,35 0,037–73,92 0,335–24,17
3 0,933–38,84 4,324–147,62 0,054–67,19 0,326–36,08
4 0,896–50,81 4,114–138,19 0,068–61,39 0,317–46,29
5 0,859–62,88 3,88–129,07 0,08–55,08 0,305–57,68
6 0,826–74,02 3,641–120,74 0,09–50,16 0,297–67,64
7 0,794–84,09 3,403–113,12 0,098–45,62 0,287–75,73
8 0,768–93,82 3,176–105,99 0,105–41,69 0,283–83,76
9 0,747–102,69 2,958–99,36 0,111–38,36 0,279–90,05
10 0,725–109,21 2,71–93,75 0,116–35,96 0,274–95,59

Модель транзистора, заданная в виде таблицы S-параметров, включается в структуру усилителя СВЧ в виде четырехполюсника. Этот четырехполюсник (на СВЧ четырехполюсник реализуется как двухпортовая структура) называется неизлучающей цепью и подключается к портам, заданным в структуре.

Неизлучающая цепь добавляется в модель CADFEKO, как показано на рис. 3. Многополюсник GeneralNetwork может быть определен в терминах S-, Y- или Z-параметров, импортирован как внешний файл Touchstone или вручную задан в CADFEKO.

Подключение S-параметров транзистора (GeneralNetwork1)

Рис. 3. Подключение S-параметров транзистора (GeneralNetwork1) к внутренним портам Port2 и Port4 транзисторного СВЧ-усилителя в диалоге программы FEKO

Опорные импедансы портов будут определены в файле S-параметров. Если параметры задаются вручную в CADFEKO, то можно использовать максимум четыре порта, и для каждого из них должны быть определены опорные импедансы.

Для моделирования транзисторного СВЧ-усилителя в случае классического крепления транзистора на микрополосковой плате применим порты Edge port на ребре. Такие порты создаются между двумя наборами фасок (рис. 4).

Порты, между которыми включается  активный элемент

Рис. 4. Порты, между которыми включается активный элемент

Заметим, что ребро, на котором задается порт, не обязательно должно быть прямым: порт может быть создан на срезе цилиндра, который разбивается на сетку треугольников. Микрополосковая линия создается на верхней поверхности параллелепипеда, который заполняется диэлектрическим материалом. Нижняя поверхность параллелепипеда объединяется с «земляной» платой. Боковые стенки этого параллелепипеда удаляются. Граничный порт (рис. 4а) создается командой Geometry Create port Edge port. Положительная и отрицательная фаски порта на ребре — это верхняя и нижняя вертикальные фаски, на которые разрезается параллелепипед по горизонтальной плоскости посредине (рис. 4б) [45].

Транзисторный СВЧ-усилитель на диэлектрической подложке

Расчет электродинамическим способом в программе FEKO (в отличие от MWO, где для моделирования отдельных частей согласующей структуры (СТЦ1 и СТЦ2) нужно создавать отдельные экранирующие боксы) выполняется на полной структуре, в которую включаются активные элементы (рис. 5). Таким образом, связи между согласующими структурами учитываются.

Структура микрополоскового усилителя на транзисторе на диэлектрической подложке

Рис. 5. Структура микрополоскового усилителя на транзисторе на диэлектрической подложке, рассчитываемая как открытая электродинамическая структура в FEKO

Пусть ширина линий согласующей структуры, расположенной на подложке толщиной 1 мм (диэлектрическая проницаемость подложки — 10), равна 1 мм. Выполним расчет в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц. Этот же расчет транзисторного СВЧ-усилителя (рис. 5) выполним с помощью программы MWO.

Если длину шлейфов выбрать очень маленькой, то это будет означать, что транзистор включен в микрополосковую линию с характеристическим сопротивлением 50 Ом, и в этом случае коэффициент усиления равен G = |S21|2 [2].

Это можно проверить, используя моделирование электродинамическим методом и методом теории цепей, рассчитывая простейшую структуру, состоящую из транзистора, включенного в линию с характеристическим сопротивлением 50 Ом. Результаты совпадения можно видеть на рис. 6.

Частотные характеристики транзисторного СВЧ-усилителя

Рис. 6. Частотные характеристики транзисторного СВЧ-усилителя с согласующими структурами в виде микрополосковых линий и шлейфов (расчет с помощью MWO и FEKO)

Представив согласующие структуры усилителей в виде отрезков микрополосковых линий и шлейфов, в результате расчета получаем частотные характеристики, показанные на рис. 6, на которые нанесена также частотная характеристика одного транзистора (синяя линия).

На рис. 6 приводятся характеристики усилителя без корпуса. Расчет на FEKO и MWO приводит к близким результатам. Однако учет связи по ближнему полю можно выполнить, только применяя 3D-программу электродинамического расчета FEKO.

Известно, что усилитель работает в корпусе не так, как без корпуса. Верхняя крышка может привести к возбуждению усилителя. Поэтому после окружения усилителя металлическим корпусом (рис. 7) выполним расчет ТУ СВЧ в корпусе. Как показал расчет, в этой структуре характеристики усиления получаются более изрезанными в диапазоне частот. Изрезанность частотной характеристики показывает влияние высших типов волн, которые могут распространяться в волноводной среде транзисторного СВЧ-усилителя. Однако обсуждение влияния высших типов волн на характеристики транзисторного СВЧ-усилителя в корпусе выходит за рамки этой статьи.

Модель транзисторного СВЧ-усилителя в корпусе

Рис. 7. Модель транзисторного СВЧ-усилителя в корпусе (в срезе)

Анализ работы транзисторного СВЧ-усилителя в корпусе

При проектировании ТУ СВЧ очень важно обеспечить устойчивость его работы в широком диапазоне частот. Устойчивость работы структуры, в которую включен активный элемент (например, транзистор), оценивается инвариантным коэффициентом устойчивости:

где ΔS = S11S22–S21S12.

Расчет по этой формуле для транзистора, S-параметры которого приведены в таблице, дает коэффициент устойчивости, меньший единицы. Это означает, что должны быть предприняты специальные условия, чтобы увеличить устойчивость работы усилителя. Одной из таких возможностей является установка поглощающей крышки в транзисторном СВЧ-усилителе. Для оценки устойчивости ТУ СВЧ в корпусе также используем формулу инвариантного коэффициента устойчивости (1).

Для моделирования ТУ СВЧ в корпусе охватываем микрополосковую плату проводящим боксом, свойства которого могут меняться от идеально проводящей до среды с сильным поглощением.

Расчет на программе FEKO микрополоскового усилителя в корпусе показал, что высота положения крышки незначительно влияет на частотную характеристику транзисторного СВЧ-усилителя. Применяя поглощающее покрытие, удалось увеличить коэффициент устойчивости до величины, большей единицы, в анализируемом диапазоне частот (рис. 8). Параметры поглощающего покрытия выбираются соответственно (рис. 9).

Частотная зависимость коэффициента устойчивости транзистора

Рис. 8. Частотная зависимость коэффициента устойчивости транзистора, используемого в ТУ СВЧ

Параметры диэлектрического покрытия с потерями

Рис. 9. Параметры диэлектрического покрытия с потерями (материал σ = 100 Cм/м)

В реальном усилителе кроме внутренней обратной связи действует внешняя обратная связь. Для увеличения коэффициента устойчивости и устойчивого усиления можно выполнить оптимизацию конструкции корпуса, как его размеров, так и свойств покрытия.

Таким образом, были проанализированы характеристики транзисторного СВЧ-усилителя в корпусе в режимах:

  1. Крышка с потерями.
  2. Открытая крышка.
  3. Крышка без потерь.

И получено, что при наличии крышки без потерь коэффициент устойчивости усилителя снижается при уменьшении высоты над подложкой. Поэтому в общем случае нужно применять поглощающее покрытие, что, как показано, увеличивает устойчивость работы усилителя. Закрытая крышка обеспечивает больший коэффициент устойчивости.

Выводы

Современные программы электродинамического моделирования открывают широкие возможности для электродинамического моделирования СВЧ-структур с внедренными в них активными элементами — диодами и транзисторами, что показано на примере транзисторного СВЧ-усилителя. Учет влияния крышки корпуса с нанесенным поглощающим материалом, а также обратные связи между входным и выходным портом в этом случае учитываются автоматически. Такой подход можно считать перспективным для проектирования волноводных транзисторных СВЧ-усилителей, активных антенн и антенных решеток и структур, которые играют роль согласующих и излучающих элементов одновременно.

Литература

  1. Карсон Р. Высокочастотные усилители. М.: Радио и связь, 1981.
  2. Шварц Н. З. Транзисторные СВЧ-усилители. М.: Радио и связь, 1980.
  3. Разевиг В. Д., Потапов Ю. В., Курушин А. А. Проектирование СВЧ-устройств с помощью Microwave Office. М.: СOЛОН-Пресс, 2003.
  4. http://www.feko.info
  5. Банков С. Е., Курушин А. А. Расчет излучающих структур с помощью FEKO. М.: Родник, 2007.
  6. Eleftheriades G. V., Mosig J. R. On the Network Characterization of Planar Passive Circuits Using the Method of Moments //IEEE Trans. MTT. Vol. 44. No. 3. March 1996.
  7. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. М.: Радио и связь, 1987.
  8. Ченакин А. В., Скачко В. И. Волновод транзисторных усилителей // 5-й международный симпозиум по последним достижениям в технике СВЧ. Киев, 1995.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке