источника

Согласование в высокочастотных электронных
устройствах.
Краткий курс - очень кратко!
avr123.nm.ru/soglasie.htm
-
Многие электронщики хотят "беспроводно" передать-принять свою (а иногда и чужую!)
бесценную информацию. т.е. возникает потребность работать с электронными устройствами
средней, высокой, ультра высокой и сверх высокой частоты - СЧ, ВЧ, УВЧ, СВЧ (по аглицки:
MF HF VHF UHF).
В радиочастотных устройствах на первое место выходит задача передачи
максимальной мощности от источника сигнала к приемнику - это возможно при
согласованности приемника и передатчика.
Приемник и передатчик я буду рассматривать в широком смысле:
- приемник это то, что принимает сигнал (не обязательно из эфира, а например из кабеля от
антенны, при этом сам кабель является приемником сигнала антенны, а антенна передатчиком
сигнала для кабеля - а может и наоборот)
- передатчик это то, что передает сигнал (например транзистор может быть передатчиком для
следующего каскада усиления, который будет приемником для этого транзистора).
Согласованность - это
комплексная сопряженность ИМПЕДАНСОВ
источника и приемника сигнала.
Читатель: - А без мата можно рассказывать?!
Не пугайтесь, импеданс это не великое, могучее русское слово :-)
Импеданс - это полное сопротивление т.е. его активная и реактивная
составляющие.
подробнее здесь: что такое импеданс, индуктивность, емкость, линия передачи,
колебательный контур.
КНИГИ скачивайте здесь !!!
Комплексная сопряженность complex conjugate двух ИМПЕДАНСОВ означает:
- их реальные части равны
- их мнимые части равны по значению
но имеют разные знаки.
Пример:
Импедансы Z1= 12 + j8 и Z2 = 12 - j8
комплексно сопряжены.
Вот расчет:
Пусть импеданс источника (передатчика) сигнала
Zис = Rис + jXис
к нему подключена нагрузка (приемник) с импедансом
Zн = Rн + jXн.
Источник создает комплексное напряжение - Uк
Тогда ток I протекающий в цепи источник-нагрузка будет:
I = Uк / (Zист + Zн) или:
I = Uк / (Rн + Rис + j(Xис + Xн))
Так как напряжение Uк задано, а мощность выделяется лишь на активных сопротивлениях то
очевидно, что максимальная мощность будет при отсутствии в знаменателе дроби реактивных
сопротивлений.
Т.е. когда Xис = - Xн в знаменателе останутся только активные сопротивления.
А про активные сопротивления ВСЕМ надеюсь известно, что максимальная мощность в
нагрузке выделяется при равенстве сопротивления источника и нагрузки.
Мощность P выделяемая в нагрузке по рисунку выше будет:
P = (Uк)2 / (4*Rн)
(Вт)
А если замерить Uд (действующее значение напряжения - оно равно амплитуде напряжения
деленной на корень квадратный из двух) на нагрузке то:
P = (Uд)2 / Rн
(Вт)
Эта формула дает возможность рассчитать действующие в радиоустройстве напряжения и
основываясь на этом расчете осознано выбирать нужные компоненты.
Физический смысл прост:
Z1 это импеданс цепи из резистора 12 Ом и индуктивности с реактивным сопротивлением 8
Ом
Z2 это импеданс цепи из резистора 12 Ом и ёмкости с реактивным сопротивлением 8 Ом
Индуктивность и емкость с равными реактивными сопротивлениями образуют
колебательный контур с резонансом на данной частоте.
Пусть индуктивность и емкость включены последовательно с резисторами:
тогда при соединении точек Z1 и Z2 образуется последовательный колебательный контур
между точкам А и Е. При равенстве значений реактивного сопротивления емкости и
индуктивности в последовательном контуре будет резонанс токов - значит точки А и Е будут
практически замкнуты!
Получаем схему в которой резистор 12 Ом соединен с резистором 12 Ом - их
согласованность очевидна.
Прежде чем согласовать
импедансы - их нужно определить.
Если вы используете какие-то устройства или компоненты то такую информацию нужно искать
в документации на них либо запрашивать у производителя.
Вам нужен ДатаШит (ДШ - DataSheet) - паспорт электронного компонента, блока, устройства
применяемого вами.
прочитайте здесь: Как и Где найти импеданс транзистора, усилителя, устройства в
его ДШ.
В радиопередаче принята стандартная величина импеданса:
Z = 50 + j0 или просто 50 ом.
Старайтесь согласовывать свои устройства к Z = 50 + j0 Ом - тогда вы сможете свободно
соединять свои устройства с другими стандартными блоками стандартным 50 Омным кабелем.
Естественно при согласовании выхода транзистора с входом следующего транзистора
смонтированных на одной плате можно забыть про 50 ом и просто согласовывать их импедансы
- или же комплексно сопрягать их.
В телевидении принята стандартная величина импеданса:
Z = 75 + j0 или просто 75 ом.
ВНИМАНИЕ !!!
Принцип согласования:
На диаграмме Smith Chart согласование сводится к соединению двух точек
отображающих на ней импедансы коплексно сопряженные согласуемым.
Понятно?
возможно не очень.
Разъясняю:
Если мы хотим согласовать импеданс А с импедансом В то на диаграмму нужно нанести точки
обозначающие импедансы комплексно сопряженные с А и В.
т.е. импедансы А и В но с измененными знаками перед комплексной частью! (либо перед
углами в полярных координатах если это коэф-ы отражения)
От одной точки мы двигаемся к другой точке с помощью включения
последовательно или параллельно:
- конденсаторов (ёмкостей),
- индуктивностей,
- линий передачи,
- резисторов,
- колебательных контуров.
Мы не будем чертить на бумажной диаграмме как поступали наши американские деды, а
используем программу Smith v2.02 которая позволяет проводить согласование даже не
понимая как работают емкости, индуктивности, линии передачи и т.п. - просто родным и
всегда работающим " методом тыка"!
Для работы я рекомендую программы: Smith v2.02 (0.98 Mb) и Line (325 Kb - расчет линий
передачи).
Считаю что вам нужно обязательно иметь и использовать великолепную бесплатную
программу для радиочастотных
расчетов AppCAD от Agilent
Согласование рассмотрим узкополосное т.е. отношение минимальной и максимальной
частот Fmax / Fmin < 1.1
Для 434 МГц это полоса шириной около 40 МГц - более чем достаточно.
Примеры согласования:
Пример 1.
Давайте ещё раз проверим утверждение, что согласованными являются комплексно
сопряженные импедансы.
Для проверки воспользуемся примером согласования от компании Motorola - AN548 - примем
его за абсолютную истину.
Там есть рисунок 3 - вот он, но несколько видоизмененный:
Между А и В находятся 3 элемента Cs Cp L1 - они образуют цепь согласования источника с
нагрузкой.
Абсолютно все равно что считать источником а что нагрузкой, квадратик с лева или
справа!
Чтоб проверить то что нам надо, мы должны пойти от импеданса
в точке А ZA = 50 + j0 в право до точки B учитывая изменения текущего импеданса от
добавления элементов цепи согласования, и в итоге получить в ней импеданс ZB = 1.3 - j1.5 т.е. импеданс комплексно сопряженный с импедансом в точке D: ZD = 1.3 + j1.5
Запустите (закачанную и установленную)
программу Smith v2.02
Внизу слева есть напоминание о том что диаграмма построена для Z0 = 50
1) кликните на DATAPOINT и теперь выберите способ ввода импеданса подлежащего
согласованию, кликните "с клавиатуры" (Keyboard).
2) Заполните появившуюся форму.
Введите импеданс ZA = 50 + j0 Ом и частоту 470 МГц:
Кликните "ОК" - теперь введенный импеданс появится в окне "Data Point" и в центре
диаграммы Смита. В окне "Shematic" будет рисоваться схема цепи согласования:
Строить согласующую цепь мы будем добавляя какие-то компоненты с помощью
средств Toolbox наблюдая за результатом на диаграмме.
Напомню - диаграмма Smith Chart состоит из окружностей, и добавка любых
компонентов в согласующую цепь будет продвигать нас по диаграмме по каким либо
окружностям ее составляющим.
Кликнув на кнопках группы "SERIES" в левой части "Toolbox" мы добавляем выбранный
элемент в согласующую цепь включая его последовательно - значит от точки схемы где мы
находимся до его добавления в точку где окажемся после его добавления.
Схема согласующей цепи сразу обновляется
в окне "Shematic"
Клик на правой группе кнопок "SHUNT" добавляет выбранный элемент параллельно - значит от
точки где мы находимся до добавления элемента на "землю".
3) По схеме выше мы должны добавить последовательно емкость 4.08 пФ. Кликните на кнопку
"конденсатор" в группе "SERIES" в левой части "Toolbox" - это сделает то, что нужно.
Обратите внимание!
На диаграмме появляется траектория по которой мы можем
двигаться меняя номинал добавляемого компонента!
Двигая мышью добейтесь показания приблизительно нужной емкости в окне "Shematic" - я
получил 4.1 пФ
Чтоб получить точное значение клик-клик-ните по конденсатору и в открывшемся окне введите
нужную емкость.
Двойной клик (или клик-клик) по изображению компонента в окне "схема" выводит
диалог позволяющий редактировать значение компонента в числовом виде.
после "ОК" посмотрите окно "Data Points"
Точка 1 это импеданс на верхнем выводе конденсатора, а точка 2 это импеданс на нижнем
выводе конденсатора.
4) Теперь нужно добавить емкость 16.84 пФ на "землю". Кликните на кнопку "конденсатор" в
группе "SHUNT" в "Toolbox" - это снова сделает то, что нужно.
Двигая мышью добейтесь показания приблизительно нужной емкости в окне "Shematic" - я
получил 16.8 пФ.
Теперь клик-клик на конденсаторе и введите точное значение 16.84 пФ и "ОК".
5) И последний элемент согласующей цепи - включенная последовательно линия передачи с
электрической длинной 0.057 длины волны.
Кликните на кнопку "Line" в группе "SERIES" в "Toolbox" - появится диалог для ввода
физических свойств линии.
Про свойства линии сказано на стр.3 AN548 - вот: "40.65 characteristic impedance of the line"
- значит ее волновое сопротивление Zo = 40.65 Ом.
Вводим:
Диэлектрическая проницаемость среды Er нам не важна, так как известна (задана)
электрическая длина линии.
Нажимаем "ОК" и мышкой доводим длину линии до нужных 0.057.
В итоге получаем точку 4 - а по схеме задания это точка B
учитывая Мы прошли путь от точки 1 до точки 4 и получили импеданс
ZB = 1.314 - j1.503
т.е. импеданс с практической точностью комплексно сопряженный с импедансом в
точке D: ZD = 1.3 + j1.5
В чем и требовалось убедиться !
PROTEUS - мощнейший симулятор электронных
схем включая
различные микроконтроллеры
и СВЧ устройства !
Советую использовать его в работе!
Вот краткий курс
с картинками и примерами.
-
Пример 2.
Частота популярнейшая: 434 МГц, делаем усилитель на 1.2 Вт выходной мощности на гнездо
для подключения стандартного 50 Ом кабеля (можно конечно и без гнезда припаять
коаксиальный кабель).
Применим транзистор Philips BLT50 - этот транзистор успешно применяется в реально
дальнобойных (15-20 Км в городе) радиотелефонах Senao значит штука проверенная и еще:
Можно купить книжку по ремонту этих телефонов, и сделать усилитель по схеме и на плате как
там нарисовано.
Вам нужен ДШ на этот транзистор.
Разумно до проектирования узнать о возможности покупки
компонента который вы собираетесь использовать!
посмотрите на сайтах:
REL.ru
eFind.ru
Platan.ru
Синтезируем выходную согласующую цепь
Выходной импеданс транзистора Philips BLT50 на частоте 434 МГц при напряжении коллекторэмитер 7.5 вольт и мощности отдаваемой в нагрузку 1,2 Вт определяется вот так и он равен:
Zout = 6.9 + J14.5 Ом
Значит мы пойдем на диаграмме Смита от точки соответствующей комплексно
сопряженному найденому:
Z 'out = 6.9 - J14.5 Ом
(обозначают: Z-штрих)
к точке 50 Ом чисто активного сопротивления - эта точка находится в центре диаграммы ( если
диаграмма построена для Zo = 50 Ом).
Запустите закачанную и установленную программу
Smith v2.02
Внизу слева есть напоминание о том что диаграмма построена для Z0 = 50
1) кликните на DATAPOINT и теперь выберите способ ввода импеданса подлежащего
согласованию, кликните "с клавиатуры" (Keyboard).
2) Введите импеданс 6.9 - J14.5 Ом и частоту 434 МГц:
Кликните "ОК" - теперь исходный импеданс появился в окне "Data Point" и на диаграмме.
Так,
все понятно,
ну и как согласовывать?
Есть такие идеи:
1) согласовать любой импеданс с 50 Ом (практически с любым чисто активным
импедансом) можно включив между ними П-фильтр или П-цепочку - полочка буквы П
это индуктивность а две боковые палочки - конденсаторы (может быть и наоборот).
Особенно ценно то, что это действительно фильтр!
ФНЧ - фильтр низких частот - т.е. он ослабляет более высокие частоты - а значит ослабляет
гармоники неизбежно возникающие в усилителе.
2) произвольные импедансы можно попробовать согласовать Г-цепочками из емкостей
и индуктивностей не много поэкспериментировав с взаимным расположением:
С-С С-L L-С L-L
и номиналами.
3) любую реактивность jХ можно убрать подключив замкнутую на конце линию
передачи (с любым волновым сопротивлением!) длиной до пол-волны. Получим
чисто активное сопротивление. Например кусок антенного ТВ кабеля нужной длины и с
замкнутой на конце оплеткой с центральным проводом.
4) два активных сопротивления R1 и R2 можно согласовать еще и линией передачи
длиной в четверть-волны и волновым сопротивлением = корень из (R1* R2)
Но я не креативен, а по тому пойду по пути повторов того что сделано до меня
и для меня - смотрю как сделано в упомянутом выше AN548 - рисунок 1.
Кстати!
Это усилитель на трех транзисторах до 25 Вт на 470 МГц.
Можно подправить согласующие цепи на 434 МГц и
использовать!
Выход транзистора подключен к цепи согласования состоящей из линии передачи, затем
конденсатор на землю и конденсатор последовательно на 50 ом-ный разъем. И конденсаторы
построечные!
Удобно подстроить под неидеально 50 Омную нагрузку.
Попробуем так же!
итак в начале линия передачи. Наверно логично сделать ее чуть шире вывода коллектора
используемого транзистора.
Предположим мы используем фольгированый с двух сторон медью стеклотекстолит толщиной
1.5 мм с диэлектрической проницаемостью 4.6 - запускаем программу (Line или AppCAD) и
находим что линия шириной 5,6 мм на этом материале платы будет иметь волновое
сопротивление 35 Ом.
Пусть будет такая.
1) Вводим ее данные по кнопке "линия" в "SERIES" разделе "Toolbox" и мышкой доводи ее
длину на плате например до 50 мм (электрическая длина такой линии будет 0.155 длины волны
для 434 МГц) - при этом мы движемся по диаграмме как я и обещал по какой то окружности и
попадаем в т. 2 (реально получилась длина 49.921 мм)
2) Добавляем конденсатор параллельно Cp и мышкой делаем его емкость 10 пФ - мы в точке 3.
3) Добавляем конденсатор последовательно Cs и мышкой делаем его емкость тоже 10 пФ - мы в
точке 4.
Видим, что в центр диаграммы соответствующий активному импедансу 50 Ом мы
пока не попали.
Очевидно нужно как-то изменить номиналы элементов согласования что бы точка 4 встала в
центр диаграммы.
Начинаем обещанный тык !
В схеме AN548 конденсаторы подстроенные 0-20 пФ - давайте и мы попробуем менять
емкости:
4) Клик-клик на Cp (на землю) и делаем его 7 пФ - ОК - видим что точка 3 уехала не в ту
сторону! Хорошо, значит "чтоб в ту" нужно его увеличивать...
Увеличиваем постепенно... пока не увидим в окне "Data Points" что активное сопротивление в
точке 4 стало как можно ближе к нужным 50 Ом, при этом дуга 3 - 4 должна проходить через
центр диаграммы.
У меня получилось при Cp 11.82 пФ - активное сопротивление в
т.4 = 50.031 Ом
5) Теперь Клик-клик на Cs (последовательно) и начинаем по опыту 3) сразу увеличивать его делаем его 12 пФ - ОК - видим что точка 4 едет куда нам нужно! Увеличиваем и дальше
постепенно... Видим в окне "Data Points" что мнимая часть импеданса в т.4 растет и
приближается к 0 !
Я остановился на Cs 13.47 пФ при этом точка 4 оказалась примерно в центре
диаграммы и импеданс в ней :
50.031 - j0.02 Ом
Важно :
Обратите внимание как великолепно работают подстроечные конденсаторы!
Параллельный конденсатор Cp - меняет активную часть импеданса на RF-гнезде.
И наоборот:
Последовательный конденсатор Cs - меняет реактивную часть импеданса на RFгнезде.
Т.е. можно подстроить выход усилителя под неидеально равную 50 Ом нагрузку и не
чисто активную!
Все.
Согласующая цепь построена.
Как видите ни каких формул, ни какой магии,
чистый антинаучный "тык" и ни какого машенства!
Повторим по пунктам !
как сделать согласование источника и нагрузки:
1) найдите по ДШ или какому либо достоверному источнику импеданс того, что вам нужно
согласовать. Измените знак перед JX (вы получите комплексно сопряженный импеданс) и
внесите эти данные в DATAPOINT программы Smith v2.02 - это будет точка 1 на диаграмме.
2) определите к какому импедансу вам нужно придти в результате согласования. Если это не
чисто активные 50 Ом то: Измените знак перед JX (вы опять получите комплексно
сопряженный импеданс) и тоже внесите результат через DATAPOINT программы Smith v2.02 это будет точка 2 на диаграмме.
Вы теперь будете видеть куда вам нужно стремится!
Вы можете ввести две точки импедансов
в программе Smith v2.02
Но добавление элементов в схему будет двигать вас от точки 1. к точке 3 и далее.
Точка 2 будет на диаграмме просто как визуальный ориентир.
3) возможно не понимая и не сильно задумываясь что происходит, подключайте разные
компоненты по разному пока не достигните точки с нужным вам импедансом. Начинайте с
попытки построить П-цепочку, затем разные Г-цепочки.
4) когда будете использовать линии обращайте внимание к чему они должны подключаться и
соответственно выбирайте их толщину, затем в программе Line (или иной) рассчитывайте их
волновое сопротивление на вашем материале печатной платы и продолжайте "тык" в проге
Smith v2.02
Программа Smith v2.02 в демо варианте, без регистрации, позволяет строить цепи до 5
элементов и не позволяет сохранять результат работы. Сохраняйте результат кнопкой
клавиатуры "PrtSc" - т.е. "фотографируя" экран.
5 элементов это совсем не проблема.
Если вы хотите просчитать какую то сложную цепь то считайте по частям.
Нарисовали 5 элементов - запишите текущий импеданс, и введите его через "DataPoint" как
точку 1 на следующем этапе построения согласующей цепи.
О. Бендер говорил Паниковскому:
"Не делайте из еды культа"
я, перефразируя, скажу:
Не делайте из согласования культа!
Если вы к 50 Ом-ному источнику подключите нагрузку (приемник) от 17 до 150 Ом
(или наоборот) то все равно в нее передастся 75 % мощности и лишь 25 % отразятся!
вы можете увидеть наглядно в программе AppCAD какой % мощности
отражается из-за той или иной не согласованности.
Но и пренебрегать согласованием не стоит!
Особенно важно согласование приемной антенны с входным малошумящим
усилителем! (по аглицки: LNA) так как из эфира антенна порой ловит НАНОватты
мощности и ни один из них терять не желательно!
Так же важно согласование в мощных каскадах - не согласованность с нагрузкой в них
ведет не только к снижению КПД но и может вывести их из строя!
Вот еще варианты линий на распространенном фольгированом текстолите:
Это линия шириной 0.467 мм с волновым
сопротивлением Zo=100 Ом.
Линия окружена медью верхнего слоя платы с зазором 1 мм.
Такие линии часто используются, так как сохранение меди верхнего слоя платы
соединенной с нижним "земляным" слоем меди множеством переходных отверстий
("via") по краям обращенным к центральному проводнику линии позволяет:
- снизить эффективность линии как антенны, следовательно уменьшить взаимное
паразитное влияние разных участков схемы
- повысить "монолитность земли" что очень важно в RF схемах.
Итак, при сохранении остальных размеров:
Ширина центрального
проводника
в мкМ
Волновое сопротивление
линии Zo
Ом
467
100
1000
75
2376
50
Что я забыл при проектировании
согласующей цепи?
Необходимость подачи постоянного тока на выход транзистора для его питания и на
вход транзистора для обеспечения смещения (англ. bias) - т.е. правильного режима
по постоянному току.
Питание транзистора и подачу смещения на вход обычно осуществляют через
катушку индуктивности.
40 - 200 нГн для частоты 434 МГц
Для других частот индуктивность нужно взять обратно пропорционально увеличению частоты.
Для 868 МГц это будет ориентировочно 20-100 нГн.
Конкретно величина индуктивности не очень важна если учитывать её влияние на диаграмме
при построении цепи согласования - желательно лишь что бы ее реактивное сопротивление XL
было в 10 - 20 раз больше модуля импеданса в точке куда схемы куда подключена
индуктивность - нижний вывод L1 на рисунке ниже.
модуль импеданса Z=R+jX - это длина вектора его изображающего:
|Z|= корень квадратный из (R2+X2)
Вот пример подачи питания: усилитель на 470 МГц в АппНоуте Motorola AN548:
Катушка индуктивности L1 имеет 5 витков медного эмалированного провода ф 0.8 мм
наматывалась вплотную на оправке Ф 4.8 мм - это примерно 120 нГ
Много примеров самодельный индуктивностей и их параметры
есть в каталоге DL110.pdf от Freescale.com
Вот мой вариант: программа расчета колебательных контуров и индуктивности
самодельных "воздушных" однослойных катушек. там есть и примеры промеров
параметров реальных катушек!
А вот страничка-калькулятор для радиолюбителя - расчет контуров, аттенюаторов,
резисторов конденсаторов ...
Конденсатор C7 называют блокировочным - он блокирует по переменному току верхний вывод
L1 и можно считать что в точке соединения C7-L1-С1 переменное напряжение высокой
частоты практически отсутствует - эта точка как бы замкнута на землю для 470 МГц.
Удобно в программе AppCAD запустить вот эту иконку:
И посмотреть номиналы индуктивности в цепи питания, блокировочного конденсатора и
конденсаторов межкаскадной гальванической развязки в зависимости от частоты.
Можно увидеть что рекомендуемая емкость блокировочного конденсатора для этой частоты
около 1500 пФ. В реальных схемах эта величина начинается от 100 пФ.
Конденсатор С7 лучше бы составить из двух параллельно включенных - один на 100
пФ и второй на 1000 - 1500 пФ,
Для предотвращения прохождения ВЧ тока в блок питания установлен проходной конденсатор
С1 470 пФ и танталовый конденсатор С4 1 мкФ.
С12 - это конденсатор межкаскадной гальванической (значит по постоянному току предотвращает протекание постоянного тока) развязки и здесь начальный элемент цепи
согласования со следующим транзистором.
Пример 3.
Давайте заново создадим цепь согласования по заданию
примера 2 но:
добавим в неё питание транзистора BLT50 и сделаем линию передачи покороче.
Считаем что блокировочный конденсатор С7 (1000+100) пФ замыкает на "землю" верхний
вывод индуктивности по переменному току - значит на схеме в Smith v2.02 этот вывод
индуктивности будет заземлен и значит индуктивность мы подключим параллельно. В эту
точку нужно подавать питание транзистора + 7.5 вольт.
Коллектор BLT50 будет припаян на контактную площадку 4х4 мм - чтоб не считать её линией
передачи можно убрать медь платы под ней - хотя это не обязательно.
Питание транзистора подадим через линию передачи с волновым сопротивлением 100 Ом.
1) Вводим точку 1 в "Data Points" Z' = 6.9 - j14.5
2) Затем нажимаем кнопку "линия" в блоке "SHUNT" т.е. параллельно? задаем ее параметры
100 Ом и 4.6 затем выбираем "замкнутый конец" - "ОК"
3) Движем мышкой и приходим в точку 2 диаграммы. Электрическая длина линии получилась
0.029
4) Теперь добавим линию с такими же свойствами последовательно и доводим точку 3 до
толстой зеленой окружности на диаграмме. Получаем длину линии 0.043
5) Чтоб спустится по зеленой окружности в центр диаграммы нужно добавить конденсатор
параллельно на "землю" - добавляем. получается 3.9 пФ
6) Хотя мы пришли почти к 50 Ом нужно добавить последовательно подключенный
конденсатор гальванической развязки - добавляем на 1000 пФ.
7) Теперь смотрим на цифровые данные о текущем импедансе и подстраиваем конденсатор по п
5) - наилучший результат получается при 2.88 пФ
Получилось так:
Спроектируем примерную топологию платы по полученным результатам синтеза цепи
согласования-питания транзистора. Например вот такую:
Это изображение платы увеличено в 3 раза.
Поясняю полет моей конструкторской мысли:
1) от площадки 4х4 мм к которой припаян коллектор транзистора идет линия передачи L1
длиной 9.34 мм
Грязно-розовым цветом я изобразил медь!
2) L1 приходит к площадке, к которой припаян блокировочный конденсатор C1 = 1000 пФ - он
замыкает по высокой частоте конец линии L1 на "землю" в соответствии со схемой выше.
3) К этой же площадке припаяна индуктивность-дроссель L3 200 - 600 нГ которая
окончательно пресекает попытки остатков ВЧ проникнуть в блок питания, но главное подает
постоянный ток питания на площадку.
4) верхний вывод L3 припаян к площадке на которую подается от блока питания +7.5 вольт и
припаян танталовый конденсатор 1.0 х 10 вольт
5) полезный сигнал от транзистора поступает на линию передачи L2 длиной 13.85 мм и затем на
контактную площадку.
6) к этой контактной площадке припаян построечный конденсатор С3 и конденсатор
гальванической развязки С4.
Конденсаторы и индуктивности размером 0805 для поверхностного монтажа.
Белые точки с черной окантовкой это переходные отверстия соединяющие верхний слой меди с
нижним.
Должно работать...
Если вы собираетесь настраивать ваш усилитель, то логично использовать
подстроечные конденсаторы !
Вот очень хорошие - миниатюрные, стабильные:
компании Murata - торгует ими Platan
Другой вариант подачи питания
через аналог резонирующего параллельного колебательного контура - линию передачи с любым
волновым сопротивлением длиной в четверть длины волны на данной частоте.
Её замыкание по переменному току со стороны источника питания осуществляет
блокировочный конденсатор - значит другой конец четверть волновой линии имеет
бесконечное сопротивление на данной частоте - а значит его можно подключить и
непосредственно к выводу транзистора и к любому участку согласующей цепи имеющий
гальваническую связь с выводом транзистора.
И еще! раз её сопротивление бесконечно то эту линию можно не учитывать на диаграмме при
синтезе цепи согласования.
Вот пример: усилитель на 70 Вт 940 МГц - питание подается четвертьволновой линией L
которая замкнута блокировочным конденсатором - С
Для экономии места на плате линия довольно безжалостно "упакована" в змейку.
Обратите внимание - там где линия меняет направление на 90 градусов для
согласования сделаны уголки!
Похоже на зеркало у перископа - с электромагнитной волной тоже происходит отражение!
Делайте такие уголки проектируя свои линии передачи.
С2 - это танталовый конденсатор.
На СВЧ блокировочный конденсатор может быть выполнен в виде сектора меди платы около
90° от круга.
Пример на 3500 МГц:
четверть волновая линия L - плавные изгибы !
блокировочный конденсатор- это сектор: S.
Вот великолепный пример!
Переходные отверстия - VIA и
линия передачи как фазо-вращатель
2.45 ГГц - миниатюрная антенна
на печатной плате
и снова упакованная змейкой линия - на изгибах уголки:
Здесь линия имеет длину в пол-волны и соответственно поворачивает фазу сигнала принятого
антенной на 180 градусов. Вход LNA балансный - т.е. реально есть два входа и на них нужно
подавать сигнал в противофазе - вот между входами и включена змейка - линия передачи.
Кстати отличный трансивер! передает быстрее 1 Мбит/сек
Пример 4.
Привести импеданс популярной антенны - четвертьволновый штырь к номинальному 50 Ом.
Медный штырь длиной 164 мм (для частоты 434 МГц) над "бесконечной" проводящей
плоскостью соединенной с "землей" устройства имеет почти активный импеданс примерно 36
Ом.
Вводим в Datapoint Smith v2.02 импеданс
Zant = 36 + J0 Ом
и начинаем "тыкать"...
... приходим вот к такой согласующей Г-цепочке из конденсатора и индуктивности.
Меняя номиналы элементов цепи согласования можно заметить что конденсатор меняет
активную часть импеданса а индуктивностью можно подгонять реактивную часть к нулю.
Похоже двумя Г-цепочками можно согласовать любые два произвольных импеданса!
Пример 5.
Привести импеданс стандартного радиоустройства, равный 50 Ом к сопротивлению
распространенного антенного телевизионного кабеля - 75 Ом.
На конце такого кабеля получается -
великолепная
Антенна !
и простая в изготовлении.
Нужно зачистить ТВ-антенный кабель от верхней изоляции на 164 мм (для частоты 434 МГц для других часто обратно-пропорционально изменить линейные размеры) металлическую
оплетку расплести выровнять и подрезать вровень с концом кабеля. Затем оплетку опустить на
внешнюю изоляцию кабеля - это получится противовес антенны (или искусственная земля).
Теперь нужно удалить с зачищенного куска внутреннюю изоляцию - медный сердечник кабеля
будет вибратором антенны. Все просто и антенна согласована с 75 Ом-ами кабеля.
Вводим в Datapoint Smith v2.02 импеданс
Zant = 50 + J0 Ом
и начинаем "тыкать"... но не к центру диаграммы, а к 75 Ом - это правее центра.
Очевидно как и в примере выше нам поможет такая же Г-цепочка:
... только номиналы компонентов другие.
Важно!
в примерах 4 и 5 можно согласовать эти чисто активные импедансы четвертьволновой линией передачи с волновым сопротивлением равным корню
квадратному из согласуемых сопротивлений !
Вот так для примера 5
на стандартном текстолите платы с ипсилон 4.6 длина линии примерно 80 мм для частоты 434
МГц
А ведь линию можно еще и в змейку уложить!
Пример 6.
Проверить импеданс фильтра для выхода передатчика на 434 МГц из ДШ передатчика
ADF7012 на равенство 50 Ом и при необходимости привести его к этому значению.
Фильтр НЧ очень желателен на выходе усилителя, так как позволяет отфильтровать
гармоники полезного сигнала.
Вводим в Datapoint Smith v2.02 импеданс
Zant = 50 + J0 Ом
и строим схему фильтра из ДШ с указаными номиналами элементов. Видим что выходной
импеданс значительно отличается от 50 Ом.
Корректируем слегка номиналы конденсаторов и получаем импеданс близкий к 50 Ом.
Ставьте фильтры !
Не засоряйте эфир !
Пример фильтра на разные частоты
из демо-платы великолепного трансивера TRF6903PT:
В гнездо слева подключается антенна, справа выход на антенный переключатель приемпередача и дальше трансивер.
Т.е. этот фильтр работает и на прием и на передачу.
Вы можете проверить в Smith v2.02 что импеданс 50 Ом фильтр сохраняет с достаточной на
практике точностью.
Рекомендуются следующие компоненты:
L5 L6 5% 0603 Chip Inductor LQW18AN muRata
C15-C17 5% 0603 Ceramic Capacitor GRM1885C muRata
Совет на 5 с плюсом:
Согласование хорошо совместить с моделированием и проектированием в
специальной программе для СВЧ устройств.
Я пробовал и рекомендую вам попробовать мощнейший пакет Microwave Office от компании
Applied Wave Research
этот скриншот дает представление о ее возможностях:
Вот обзорная статья на русском языке:
Microwave Office - система разработки планарных СВЧ-устройств
от дистрибьютора в России компании Родник
Обучающие уроки по Microwave Office:
Урок 1. Интерфейс и основные операции программы Microwave Office.
Урок 2. Линейное моделирование. Анализ ФНЧ с сосредоточенными параметрами.
Урок 3. Линейное моделирование.
Пример анализа полоснопропускающего фильтра в микрополосковом исполнении.
Урок 4. Линейное моделирование.
Пример анализа и оптимизации линейного усилителя мощности.
Урок 5. Нелинейное моделирование.
Модель транзистора и вольт амперные характеристики транзистора.
Урок 6. Нелинейное моделирование.
Пример расчета характеристик усилителя мощности в нелинейном режиме.
Урок 7. Нелинейное моделирование.
Пример расчета характеристик усилителя мощности в 2-х тоновом режиме.
Урок 8. Моделирование автогенератора.
Пример расчета характеристик автогенератора.
Урок 4 - как раз согласование и оптимизация усилителя!
В программе есть возможность автоматического подбора номиналов компонентов - вы
указываете какие величины можно менять и программа проигрывает их находя оптимальное
решение.
С программой поставляется много моделей активных и пассивных компонентов.
Если же вы не найдете нужных вам, то запросите по e-mail производителя и вам их любезно
пришлют.
В компании Родник вы можете получить лично или заказать по почте бесплатно два диска с
этой и другими программами для разработчика электронной техники!
Вот на закуску урок:
Разработка СВЧ усилителя мощности класса А
за один цикл проектирования,
используя только S-параметры
Пример 7.
Привести входной импеданс MMG3002NT1 к стандартным 50 Ом на частоте 434
МГц.
Мы уже определили что у MMG3002NT1 S11 на 434 МГц - значение 0.07112 и угол 132.960
градуса.
Я постоянно привожу примеры на 434 МГц - это популярная частота. Но принципы
согласования не зависят от частоты. Просто с увеличением частоты для согласования все
больше применяют линии передачи, а на ещё более высоких частотах применяю специальные
материалы плат с более низким чем у текстолита ипсилон. На боле низких частотах
согласование проводят на дискретных компонентах.
Вводим в Datapoint Smith v2.02 коэф. отражения от входа S11
Но нам нужно комплексно-сопряженное значение - т.е. нужно изменить знак у мнимой части,
это эквивалентно замене знака перед углом:
Значит значение 0,07112 а угол ставим отрицательный - 132,96 градусов:
Полярные координаты!
Точка на диаграмме действительно близка к центру!
"Тык" начинаем с того что уже помогало - конденсатор последовательно от входа
MMG3002NT1 и затем индуктивность на землю:
Конденсатор 36,3 пФ и индуктивность 55,8 пФ и
мы практически в центре - 50 Ом.
А давайте без компонентов - линиями попробуем согласовать.
Пускаем линию с волновым сопротивлением 100 Ом от входа MMG3002NT1 последовательно и
затем линию 100 Ом разомкнутую на конце параллельно, ну и на конце гальванически
развязывающий конденсатор на 1000 пФ:
После нескольких корректировок длин линий получаем почти 50 Ом
- Линия последовательная 0.037 длины волны
- Линия параллельно разомкнутая на конце 0.084
Дальше вы можете поставить 50 Ом линию любой нужной вам длины и импеданс не
изменится!
А ведь это очень любопытно!
Посмотрите как радикально влияла длина линии передачи на длину дуги 1-2 а вот после точки 4
линия 50 Ом ни как не влияет на импеданс !
В чем секрет?
Все просто - в точке 1 импеданс не был равен 100 Ом и подключение линии с волновым
сопротивлением 100 Ом влияло значительно.
Пример 8.
Снизить поступающую на вход MMG3002NT1 от источника сигнала мощность на 3
Дб (это в 2 раза).
Если мы строим радиоустройство из модулей (блоков) имеющих дискретную установку
выходной мощности (например цифровой радио трансивер DP1203) нам может понадобится
поглотить часть мощности чтобы не перегружать следующий каскад усиления.
Итак задача уменьшить мощность в два раза - т.е. поделить пополам, поровну с чем-то.
Первое что приходит на ум это два резистора по 100 Ом соединенные параллельно - очевидно
что их совместный импеданс будет 50 Ом и поступающая на них мощность будет делится на
каждый поровну.
Значит нам нужно привести по примеру 7 импеданс комплексно сопряженный
входному для MMG3002NT1 к точке на диаграмме 100 Ом - это будет как бы один
из пары резисторов.
И затем точку 100 Ом зашунтировать вторым
резистором на 100 Ом.
В итоге мы получим входной импеданс стандартный 50 Ом (два параллельно включенных
резисторов по 100 Ом) а на вход будет поступать лишь половина мощности от предыдущего
каскада. Вторая половина мощности будет выделятся в виде тепла на резисторе 100 ом.
Сказано - сделано !
Вот так и делайте ...
Пример 9.
Согласовать выход MMG3002NT1 со входом транзистора BLT50 на частоте 434
МГц
Значит нам нужно найти два импеданса и соединить их на диаграмме Смита строя
согласующую цепь.
В ДШ MMG3002NT1 находим таблицу S-параметров и линейно интерполируя имеющиеся
данные - получаем для 434 МГц
S22 - значение 0.137 угол 122.557
В ДШ MMG3002NT1 обращаем внимание что для подачи питания используется довольно
большая индуктивность:
L1 470 nH Chip Inductor BK2125HM471 Taiyo Yuden
Мы добавим её в цепь согласования, но при реальном проектировании вы можете использовать
ту индуктивность которую купите от 200 до 500 nH.
В ДШ BLT50 находим рисунок 8 - это входной импеданс при мощности отдаваемой в
согласованную нагрузку 1.2 Вт.
Красная вертикаль означает 434 МГц - голубая горизонталь дает активное сопротивление реальную часть импеданса, а оранжевая горизонталь дает мнимую часть импеданса.
Я примерно считал так:
Zin = 0.79 + J2.56 Ом
и это в 50 Омной системе! Не согласованность чудовищная.
по ДШ видим что смещение подавать в базу BLT50 не надо, нужно лишь замкнуть базу на
землю по постоянному току. В ДШ для этого использована индуктивность само навитая.
У нас есть все данные для проектирования цепи согласования.
Граничные условия:
1) к выходу MMG3002NT1 должна идти индуктивность 470 нГ на землю (напомню землю по
переменному току! её нам создает блокировочный конденсатор)
2) к входу BLT50 индуктивность 120 нГ на настоящую землю.
3) цепь согласования должна прерываться хотя бы одним последовательным конденсатором для
гальванической развязки выхода MMG3002NT1 и входа транзистора.
4) Комплексно-сопряженные значения: (' штрих)
S'22 - значение 0.137 угол -122.557
Z'in = 0.79 - J2.56 Ом
Вводим в Datapoint Smith v2.02 в начале точку от которой будем двигаться, я предлагаю
входной импеданс транзистора а затем точку куда будем стремится (забыв о 50 Омах) - это
выходной коэф. отражения MMG3002NT1
Я начну строить цепь согласования 100 Ом-ной линией передачи на которую будет
припаиваться средний вывод базы транзистора BLT50. Получилась длина 0.025 от длины
волны.
Затем пустил индуктивность 120 нГ на землю - это заземление базы по постоянному току.
Далее конденсатор на землю (при подборе получился 25,27 пФ)
Потом конденсатор последовательно - 3,8 пФ его второй выход идет на выход MMG3002NT1 и
от этой же точки:
Индуктивность на 470 нГ на "землю" создаваемую блокировочным конденсатором (в реальном
устройстве через резистор на питание! см. ДШ)
Вот такая цепь согласования :
Важно совпадение импедансов в т. 2 и т. 7
Задача решена.
Каскады согласованы.
И на закуску предлагаю вот это:
Краткий курс ОТЦ
Основы Теории Цепей (электрических)
Закон Ома.
Метод уравнений Кирхгофа.
Метод “свертывания” и “разворачивания” схем.
Метод контурных токов.
Метод узловых потенциалов.
Метод двух узлов.
Метод эквивалентного источника ЭДС.
Метод эквивалентного источника тока.
Метод разбиения матриц.
Метод наложения.
Баланс мощностей.
Расчет комплексной мощности.
Баланс комплексных мощностей.
Индуктивно-связанные цепи.
Метод уравнений Кирхгофа для индуктивно-связанных катушек.
Т-образная схема замещения трансформатора.
Замена двухконтурной схемы одноконтурной.
Резонанс в индуктивно-связанной цепи.
Передаточная характеристика индуктивно-связанной цепи.
Построение графика функции y=f(x).
Частотные характеристики активных цепей с обратной связью.
Классический метод анализа переходных процессов.
Включение в RL-цепь постоянной ЭДС.
Операторный метод анализа переходных процессов.
Методика анализа переходных процессов операторным методом.
Общие правила расчета переходных процессов методом
интеграла Дюамеля.
Первичные (погонные) параметры длннной линии.
Волновые (вторичные) параметры длинной линии.
Уравнения длинной линии без потерь.
Двухпроводная линия.
Коаксиальная линия.
Несимметричная микрополосковая линия.
ФНЧ с характеристиками Батерворта, Чебышева и Золотарева
Синтез ФНЧ.
Методика синтеза ФНЧ
Синтез ARC-фильтров
Лекции | Семинары | Лаборатория | Курсовик | Экзамен по ОТЦ |
Библиотека | Обозначения элементов цепей | Soft
Всё !
А вот еще:
почитать ...
AVR раз, два, три... это просто!
Краткий Курс - Самоучитель
МикроКонтроллеры AVR Начинающим "с нуля"
на примерах и с картинками
http://avr123.nm.ru