Мощные транзисторные умножители на СВЧ

Умножители частоты на мощных СВЧ биполярных транзисторах, эффект умножения в которых основан на нелинейности характеристики транзистора (за счет отсечки тока), работают в диапазоне частот от 100 МГц до 1000 МГц. На этих частотах необходимо учитывать индуктивности выводов, емкость закрытого эмиттерного перехода и потери в материале коллектора.

Мощные СВЧ-транзисторы обеспечивают выходную мощность от 0,1 Вт до 2 Вт при умножении на 2 и от 0,01 Вт до 0,1 Вт при умножении на 3. Коэффициент полезного действия невелик и составляет (25…40)%.

Если коэффициент умножения n=2, то мощность в режиме умножения уменьшается в 2…3 раза по сравнению с режимом усиления, а при n=3 снижение усиления еще более значительное – в 10…20 раз. Применение более мощных транзисторов в умножителях частоты нецелесообразно из-за больших потерь энергии и малых коэффициентов усиления по мощности. Поэтому транзисторные умножители частоты применяют в промежуточных каскадах передатчиков. Причем кратность умножения для мощных каскадов необходимо выбирать меньшей (обычно n=2) и повышать для маломощных (n=3).

Схема мощного умножителя частоты приведена на рисунке 4.1. Элементы С1, С2, и L1 обеспечивают возбуждение транзистора гармоническим током.

- сопротивление автоматического смещения при отрицательном напряжении смещения база / эмиттер; и , – элементы фильтров, соответственно, в цепях подачи смещения и питания; – разделительный конденсатор. Элементы , , , – цепь на выходе умножителя, обеспечивающая трансформацию (понижение) сопротивления нагрузки умножителя (обычно сотни Ом) для согласования с относительно низкоомным потребителем, а также возбуждение следующего каскада гармоническим током.

Рис. 4.1. Мощный умножитель частоты по схеме ОБ

Методика расчёта мощных транзисторных умножителей основана на следующих допущениях:

1. Транзистор возбуждается от источника гармонического тока.

2. Интервал рабочих частот удовлетворяет условиям

ƒ > (3f_T/H₂₁), nf < f_T,

где ƒ – это рабочая частота входного колебания; f_T, H₂₁ – граничная частота и статистический коэффициент усиления тока транзистора в схеме с ОЭ; n – коэффициент умножения частоты.

3. Напряжение на коллекторе – гармоническое.

4. Напряжение на индуктивности общего электрода мало по сравнению с амплитудой напряжения на коллекторе: U_Lобщ<<Uк

Вследствие обратной связи через ёмкость коллекторного перехода с_к транзисторный умножитель, выполненный по схеме с ОЭ, имеет низкие энергетические показатели: малую выходную мощность Р_вых и коэффициент усиления мощности k_р. Обратная связь через с_к приводит к ухудшению коэффициента формы импульса коллекторного тока, а следовательно, и к уменьшению коэффициента полезного действия η.

При включении транзистора по схеме с ОБ обратная связь через при возбуждении транзистора генератором тока отсутствует и выходное напряжение не влияет на форму выходного тока. При этом энергетические показатели умножителя Р_вых, k_р и η значительно повышаются.

Поэтому мощные транзисторные умножители на СВЧ целесообразно выполнять по схеме с ОБ. Ниже рассматривается методика расчёта умножителя частоты на заданную мощность при включении транзистора по схеме с ОБ [1].

РАСЧЁТ МОЩНОГО СВЧ-УМНОЖИТЕЛЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

Исходные данные.

1. Выходная мощность Р_вых .

2. Коэффициент умножения n.

3. Угол отсечки коллекторного тока θ.

4. Частота сигнала на выходе умножителя ƒ.

5. Параметры транзистора (см. банк данных в программе расчёта).

ПОРЯДОК РАСЧЁТА УМНОЖИТЕЛЯ

1. Угол отсечки тока коллектора θ при умножении на 2, а также на 3 выбирается равным 60 .

2. Коэффициенты гармоник α₀, α₁, α_n , γ₀, γ₁, γ_n .

γ₀=(sinθ – θ cos θ)/π; γ₁=( θ – sin θ cos θ)/π;

(4.1)

γ₂=2 /3π; γ₃ = cosƟ; α_n = γ_n /(1 - cos θ); n=0,1,2,…

Для их вычисления можно воспользоваться таблицами [1].

3. Сопротивление потерь коллектора приводим к параллельному эквиваленту относительно входа транзистора

=1/[ ].

4. Коэффициент использования транзистора по напряжению источника питания

= [1+ ],

где S_кр - крутизна линии критического режима; Е_n- напряжение источника питания.

5. Напряжение n-й гармоники тока коллекторного напряжения = .

Необходимо проверить выполнение условия + .

6. Амплитуда n-ой гармоники тока коллектора .

7. Сопротивление нагрузки относительно коллекторного перехода

.

Если условие не выполняется, то необходимо взять более мощный транзистор (с большим током).

8. Амплитуда n-ой гармоники тока эквивалентного генератора

= ) .

9. Амплитуда импульса тока коллектора I_kmax = I_гn / α_n(ϴ); .

Если условие не выполняется, то необходим более мощный транзистор.

10. Постоянная составляющая коллекторного тока .

11. Амплитуда тока эмиттера

,

где - граничная частота транзистора в схеме с ОЭ.

12. Коэффициент усиления тока .

13. Пиковое обратное напряжение база-эмиттер

; .

14. Параметры транзистора: крутизна по переходу S_p, сопротивление рекомбинации неосновных носителей в базе r_β и статическая крутизна транзистора S вычисляются по формуле (2.1),(2.2),(2.3).

15. Напряжение смещение, необходимо для обеспечения заданного угла отсечки:

+ E’ .

16. Если Е_см<0, то его можно реализовать с помощью резистора в цепи эмиттера

17. Входное сопротивление в последовательном эквиваленте:

активное –

,

реактивное –

18. Входная проводимость в параллельном эквиваленте

.

19.Потребляемая мощность .

20. Коэффициент полезного действия η = / .

21. Коэффициент усиления по мощности

22. Мощность возбуждения на входе умножителя .

23. Мощность, рассеиваемая в транзисторе: .

24. Допустимая мощность, рассеиваемая в транзисторе:

где , – допустимая температура перехода и температура корпуса транзистора соответственно; - сопротивление переход-корпус. Температура корпуса транзистора определяется температурой окружающей среды :

+(10..15) .

25. Сопротивление нагрузки с учётом индуктивности вывода коллектора и емкости коллекторного перехода в параллельном эквиваленте соответственно:

26. Активная и реактивная составляющие проводимости вычисляются как

; .