Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы

В процессе конструктивного расчета нагрузочной системы необходимо выбрать номинальные значения стандартных деталей (С₀ ,C_l, С₂), входящих в контур, и определить конструктивные размеры нестандартных деталей( ).

При выборе номинального значения конденсатора C_l необходимо учитывать, что параллельно ему подключена выходная емкость транзистора.

Для настройки контура в резонанс и обеспечения оптимальной связи с нагрузкой в состав емкостей С₀ и С₂ целесообразно включить подстроенные конденсаторы (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5

Расчет контурной катушки проводится в следующем порядке:

1) размеры катушки показаны на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6

2) задаемся отношением в пределах

;

3) определяем площадь продольного сечения катушки no формуле,

,

где К_s=0,1‑1 – удельная тепловая нагрузка на 1 см² сечения катушки [15], Вт/см²;

4) определяем длину l и диаметр D катушки по формулам

,

;

5) число витков N катушки [16]

,

где L₀ – индуктивность, мкГн

6) диаметр d провода катушки (мм) вычисляем по формуле [16]:

,

где I_к – амплитуда контурного тока в амперах, f – рабочая частота, МГц,

;

7) собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей частоте

,

где f – рабочая частота, МГц, d – диаметр провода, мм, D – диаметр катушки, мм;

8) коэффициент полезного действия контура

.

6.3.4 Расчет нагрузочной системы на полосковых линиях
[14, 17, 18]

В диапазоне СВЧ нагрузочные системы транзисторных каскадов строятся на основе полосковых линий, что обеспечивает высокое качество согласования и фильтрации в приемлемых габаритах. Возможные варианты нагрузочных систем на полосковых линиях весьма разнообразны. Ниже приводится электрический и конструктивный расчет нагрузочной системы СВЧ, выполненной с применением несимметричной полосковой линии (НПЛ) (рисунок 6.8).

Схема нагрузочной системы приведена на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7

Она состоит из четвертьволнового отрезка НПЛ (l₀ – длина отрезка, r₀ – его волновое сопротивление), выполняющего роль трансформатора сопротивления и двух шлейфов (l₁, r₁ и l₂, r₂) нагруженных на емкости C_l н С₂. Эти шлейфы выполняют роль компенсаторов реактивных сопротивлений на входе и выходе четвертьволнового трансформатора.

Исходные данные для расчета. Y₂₂ – выходная проводимость транзистора на рабочей частоте Z_н=R_н+jХ_н – комплексное сопротивление нагрузки, – критическое сопротивление нагрузки транзистора.

Электрический расчет нагрузочной системы на НПЛ:

1) реактивное входное сопротивление шлейфа (l₁, r₁), необходимое для компенсации реактивной составляющей выходной проводимости транзистора Im(Y₂₂)

;

2) реактивное входное сопротивление шлейфа (l₂, r₂), необходимое для компенсации реактивной составляющей сопротивления нагрузки Z_н

;

3) эквивалентное активное сопротивление, подключенное к выходу четвертьволнового трансформатора (l₀, r₀) после компенсации реактивной составляющей сопротивления нагрузки

;

4) волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора, соответствующее условию согласования транзистора с нагрузкой

.

Конструктивный расчет нагрузочной системы на НПЛ:

1) выбираем диэлектрик для изготовления подложки НПЛ и по табл. 6.1.определяем его диэлектрическую проницаемость

Таблица 6.1

Значения диэлектрической проницаемости диэлектриков

2) по формуле

,

где величина определяется геометрическими параметрами НПЛ (рисунок 6.8). Строим график .

Рисунок 6.8

По построенному графику находим значение , при котором ;

3) Задаемся толщиной подложки h (обычно 0,5‑1 мм) и определяем

;

4) определяем длину волны в НПЛ с волновым сопротивлением

,

где – длина волны в свободном пространстве на рабочей частоте, м;

5) длина четвертьволнового трансформатора

;

6) задаемся шириной шлейфов W_l и W₂, определяем соответствующие значения A₁ и А₂, и , и , воспользовавшись вышеприведенными формулами;

7) задаемся значениями емкостей C_l и С₂ (пФ). Для настройки нагрузочной системы удобно в качестве C_l и С₂ взять подстроечные конденсаторы, а при расчете взять средние значения подстроечных емкостей;

8) определяем реактивные сопротивления конденсаторов C_l и С₂ на рабочей частоте

,

;

9) определяем длины и шлейфов

,

;

10) приводим эскиз топологии нагрузочной системы СВЧ (рисунок 6.9).

Рисунок 6.9

Умножители частоты

Особенностью транзисторных умножителей частоты, по сравнению с усилителями мощности, является низкий к.п.д. Это обусловлено, во-первых, меньшим содержанием высших гармоник в импульсе коллекторного тока и, во-вторых, высокой добротностью колебательного контура (нагрузочной системы). Транзисторы рекомендуется выбирать с большим значением граничной частоты и работать при пониженном напряжении коллекторного питания.

В зависимости от соотношения граничной частоты транзистора и частоты выходных колебаний расчет умножителя частоты будем производить по различным методикам. Если транзистор будем считать безынерционным элементом. Пусть заданы выходная мощность Р_n, частота выходных колебаний f_n и коэффициент умножения n. Выбираем транзистор, исходя из мощности и частоты.

Выбираем угол отсечки . Определяем коэффициенты разложения

, , … , .

Расчет коллекторной цепи:

1) Определяем крутизну линии критического режима . Для некоторых типов транзисторов этот параметр приводится в [5]. В других случаях его можно определить либо по характеристикам, либо по формулам

, , ,

если величины , , даны в справочнике [11].

2) вычисляем вспомогательный параметр , необходимый для выбора напряжения источника питания:

;

3) выбираем Е_к, учитывая следующие неравенства:

Е_{к min}<Е_к<Е_{к доп}.

4) вычисляем коэффициент использования коллекторного напряжения

;

5) амплитуда переменного напряжения на коллекторе

;

6) амплитуда n-ной гармоники коллекторного тока

;

7) максимальное значение коллекторного тока

;

8) постоянная составляющая коллекторного тока

.

Проверяем условие ;

9) потребляемая мощность

;

10) мощность, рассеиваемая на коллекторе

.

Проверяем условие ;

11) коэффициент полезного действия

.

Рассчитываем базовую цепь:

12) коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером [14]

,

где , – параметры типового режима, указанного в справочнике, – частота сигнала на входе умножителя;

13) крутизна

,

где

,

– температура перехода в градусах Цельсия;

14) амплитуда переменного напряжения на базе

;

15) амплитуда первой гармоники базового тока

;

16) мощность возбуждения

;

17)коэффициент усиления по мощности

;

18) входное сопротивление

;

19) смещение на базе

.

Если условие не выполняется, необходимо воспользоваться методикой расчета, изложенной в [14].

Автогенераторы (AГ)