Курсач СВЧ Белов

Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Подп. и дата
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 3
1 Задание к курсовой работе ................................................................................... 4
2 Расчет согласующей цепи СВЧ транзисторного усилителя ............................. 5
2.1 Расчет волнового сопротивления согласующего отрезка МПЛ ................ 5
2.2 Расчет ширины полосковых проводников согласующей линии и основного
тракта ........................................................................................................................ 6
2.3 Расчет характеристик МПЛ для согласующей линии ................................ 8
2.4 Расчет длины согласующего отрезка МПЛ ................................................. 9
Заключение............................................................................................................. 10
Библиографический список.................................................................................. 11
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-002-19-ПЗ
Л
Разраб.
ит
зм.
Пров.
Н. контр.
Утв.
№ докум.
И
Шустов
Белов
Подп.
Д
ата
Расчет согласующей цепи
СВЧ транзисторного
усилителя на отрезке МПЛ
Пояснительная записка
Лит
Лист
Листов
2
11
Кафедра ФТОС
Подп. и дата
Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Введение
Цель курсовой работы состоит в приобретении и развитии навыков и
умений расчета и проектирования согласующей цепи СВЧ усилителя на отрезке
микрополосковой линии.
В результате выполнения курсовой работы, обучающийся должен
приобрести следующие практические навыки и умения:
 ЗНАТЬ (ОПК-4, ОПК-6, ПК-13): технологию работы на ПК в
современных операционных средах, основные методы разработки алгоритмов и
программ и типовые алгоритмы обработки данных (ОПК-4); способы решения
научно- исследовательских и производственных задач с использованием
современных аппаратуры и методов исследования (ОПК-6), требования к
типовым техническим проектам (ПК-13).
 УМЕТЬ (ОПК-4, ОПК-6, ПК-13): осуществлять компьютерное
моделирование устройств, систем и процессов с использованием
универсальных пакетов прикладных компьютерных программ (ОПК-4);
выбирать необходимые методы для проведения экспериментальных
исследований, для решения научно-исследовательских и производственных
задач с использованием современной аппаратуры и методов исследования
(ОПК-6), осуществлять подготовку типовых технических проектов на
различные инфокоммуникационные объекты (ПК-13).
 ВЛАДЕТЬ (ОПК-4, ОПК-6, ПК-13): методами распределения,
обработки и хранения информации (ОПК-4); способностью ставить задачи
исследования, выбирать методы экспериментальной работы (ОПК-6),
готовностью составлять типовые технические проекты на различные
инфокоммуникационные объекты (ПК-13).
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
3
Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Подп. и дата
1 Задание к курсовой работе
Спроектировать (произвести расчет и разработать конструкцию)
согласующей цепи СВЧ транзисторного усилителя на отрезке микрополосковой
линии (МПЛ).
Исходные данные:
1) вид согласующей цепи – выходная (коллекторная);
2) тип транзистора – КТ937А-2,
активная составляющая выходного импеданса – Rвых = 3,0 Ом,
реактивная составляющая выходного импеданса – Хвых = -0,8 Ом;
3) волновое сопротивление основного тракта – ρ0 = 50 Ом;
4) рабочая частота – f =5,3 ГГц;
5) тип диэлектрика подложки МПЛ – поликор;
6) толщина подложки – h = 1,0 мм;
7) толщина напыления полоскового проводника МПЛ – t = 8 мкм.
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
4
Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Подп. и дата
2 Расчет согласующей цепи СВЧ транзисторного усилителя
2.1 Расчет волнового сопротивления согласующего отрезка МПЛ
Рассмотрим отрезок микрополосковой линии (МПЛ) длиной l,
нагруженный на комплексное сопротивление Z н . Волновое сопротивление
линии - ρ, длина волны в линии на рабочей частоте – Λ.
Рисунок 1 - Отрезок микрополосковой линии (МПЛ) длиной l,
нагруженный на комплексное сопротивление Z н
Если потери в линии малы, то справедливо приближенное равенство,
характеризующее трансформирующее свойство отрезка линии:
Z  itg (2l )
Z вх   н
(1)
  iZ н tg(2l )
Это равенство тем точнее, чем меньше уровень потерь в линии.
Рисунок 1 и соотношение (1) используются для решения конкретных
задач согласования при построении микросхем СВЧ. Однако аналитический
подход в данном случае предпочтительнее, так как он позволяет выявить
ограничения, свойственные схеме (рис. 1).
Так как выходное сопротивление транзистора Zк является комплексным,
реактивная составляющая которого имеет емкостной характер из-за влияния
емкости транзистора (Хк<0), то для компенсации данной емкости реактивная
составляющая входного сопротивления согласующей линии должна иметь
индуктивный характер и должна быть равно по модулю реактивной
составляющей выходного сопротивления транзистора. Отсюда получаем:
Х вых  Х вх .
(2)
Условие согласования для коллекторной цепи транзистора запишется в
виде:
Z в х  Z к* ,
(3)
*
где Z к - величина, комплексно сопряженная выходному сопротивлению
транзистора: Z к*  Rк  iX к .
В данном случае задача согласования заключается в том, чтобы
подобрать параметры ρ1 и l1 отрезка линии так, чтобы при
Z н  0
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
(4)
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
5
Его входное сопротивление Z вх  Rвх  iX вх было равно величине Z к* .
Подставляя равенство (4) в выражение (1) и разделяя действительные и мнимые
части, получаем систему уравнений относительно ρ1 и l1. Решая ее, находим
Rвх (  0  Rвх )  Х вх2
1 
(5)
Rвх
1
0
Инв. № подп
(6)
где n = 0, 1, 2….
Для уменьшения длины l1 согласующего отрезка в формуле (6) следует
взять n = 0, если первое слагаемое в правой части (6) положительно, и n = 1,
если оно окажется отрицательным. Значения n > 1 следует выбирать лишь в тех
случаях, когда необходимость увеличения l1 диктуется конструктивными
соображениями.
На основе формулы (2) получим:
Х вых  Х вх  0,8 Ом.
Отыщем величину, комплексно сопряженную выходному сопротивлению
транзистора:
Z к*  Rк  iX к  3,0  0,8i .
Из условия согласования для коллекторной цепи, учитывая модуль
реактивной составляющей выходного сопротивления транзистора и величину,
комплексно сопряженную выходному сопротивлению транзистора, получим
значение активной составляющей входного сопротивления транзистора:
Z вх  Rвх  iX вх ,
Rвх  Z вх  iX вх  3,0 Ом.
Используя формулу (5), получим значение волнового сопротивления
согласующего отрезка МПЛ ρ1:
1 
Rвх (  0  Rвх )  Х вх2
3,0(50  3,0)  0,8 2

 12,22 Ом.
Rвх
3,0
1
1
50
0
2.2 Расчет ширины полосковых проводников согласующей линии и
основного тракта
Поперечное сечение микрополосковой линии показано на рисунке 2.
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Подп. и дата
 (R   0 )
2l1
 arctg 1 вх
 n ,

 0 Х вх
Рисунок 2 – Поперечное сечение микрополосковой линии
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
6
Обозначения на рисунке: h – толщина диэлектрической подложки, t –
толщина полоскового проводника МПЛ, W – ширина полоскового проводника
МПЛ.
Расчет производится для керамики на основе окиси алюминия
(диэлектрический материал поликор). Значения его параметров:
- диэлектрическая проницаемость ε = 9,6±0,2;
- тангенс угла диэлектрических потерь материала подложки tg∙104 = 1.
Ширину полоскового проводника МПЛ можно отыскать из формулы:
W'W 
t
(1  ln(
2h
)) .
t
Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Подп. и дата
(7)

Величина W’ определяется из рисунка 3 по заданному значению
волнового сопротивления ρ.
Рисунок 3 – График для определения величины W’
Из графика видно, что при заданных величинах ρ = 50 Ом, ε ≈ 9,6
значение величины W’/h примерно равняется 0,95. Отсюда получаем:
W '  1,8 10 3  0,95 мм.
Выразив W и подставив значения в формулу (7), отыщем ширину
полоскового проводника МПЛ:
t
2h
8 10 6
2 10 3
W  W ' (1  ln( ))  0,95 10 3 
(1  ln(
))  0,93 мм.

t

8 10 6
Величина W’1 определим из рисунка 4 по заданному значению волнового
сопротивления ρ1.
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
7
Из графика видно, что при заданных величинах ρ1 = 12.22 Ом, ε ≈ 9,6
значение величины W’/h примерно равняется 8,84. Отсюда получаем:
W '  15,84 10 3  8,84 мм.
Выразив W1 и подставив значения в формулу (7), отыщем ширину
полоскового проводника МПЛ:
W1  W1 '
Взам. инв. №
Подп. и дата
Рисунок 4 – График для определения величины W’1
t

(1  ln(
2h
8 10 6
2 10 3
))  8,84 10 3 
(1  ln(
))  8,82 мм.
t

8 10 6
Инв. № дубл.
2.3 Расчет характеристик МПЛ для согласующей линии
Эффективная диэлектрическая проницаемость может быть определена по
формуле:
1
 1  1
10h  2
 эф 

(1 
) .
(8)
 эф
2
2
W'
1
9,6  1 9,6  1
10  10 3  2


(1 
)  6,57
2
2
0,95  10 3
Инв. № подп
Подп. и дата
Коэффициент затухания волны в МПЛ:
  д   м ,
4
где  д  91  эф f  tg  91 6,57  5,3 1 10  0,12 дБ/м –
затухания, обусловленный потерями в диэлектрике подложки;
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
(9)
коэффициент
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
8
 м  72,4
f
5,3
 72,4
 24,44 дБ/м
W
50  0,93
– коэффициент затухания,
обусловленный потерями в металлических элементах МПЛ.
  0,12  24,44  24,56 дБ/м
Длина волны в линии:

где  

 эф
,
(10)
30 30

 5,66 см – длина волны в свободном пространстве.
f
5,3

5,66 10 2


 2,21 см.
 эф
6,57
Добротность линии, равная собственной добротности полуволнового
резонатора, выполненного на основе этой МПЛ:
23,7
Q
.
(11)

Подставив необходимые значения, получим
23,7
Q
 43,66
24,56  0,0221
Максимальная рабочая частота МПЛ равна критической частоте волны
первого высшего типа и вычисляется по формуле:
Подп. и дата
f max 
f max 
75
h  1
(12)
75
 25,57 ГГц.
1 9,6  1
Взам. инв. №
2.4 Расчет длины согласующего отрезка МПЛ
Выполним расчет длины согласующего отрезка МПЛ по формуле (6),
используя полученные в п. 2.3 значения
Инв. № подп
Подп. и дата
(13)
При проверке выполнения условия (13) получаем, что 5,3 ГГц < 25,7 ГГц,
откуда можно сделать вывод, что в МПЛ реализован одномодовый режим.
Инв. № дубл.
Для получения одномодового режима МПЛ должно выполняться условие:
f  f max
2l1
12,22(3.0  50)
 arctg
 n  1,5  n .

50  0,8
Так как первое слагаемое правой части уравнения положительно, то
следует выбрать n=0. Тогда
l1 
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
1.5  0.0221
 5,3 мм.
2
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
9
Подп. и дата
Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Заключение
В ходе курсовой работы была рассчитана и спроектирована согласующая
цепь СВЧ усилителя на отрезке микрополосковой линии.
В результате выполнения курсовой работы были приобретены следующие
практические навыки и умения:
 ЗНАТЬ (ОПК-4, ОПК-6, ПК-13): технологию работы на ПК в
современных операционных средах, основные методы разработки алгоритмов и
программ и типовые алгоритмы обработки данных (ОПК-4); способы решения
научно- исследовательских и производственных задач с использованием
современных аппаратуры и методов исследования (ОПК-6), требования к
типовым техническим проектам (ПК-13).
 УМЕТЬ (ОПК-4, ОПК-6, ПК-13): осуществлять компьютерное
моделирование устройств, систем и процессов с использованием
универсальных пакетов прикладных компьютерных программ (ОПК-4);
выбирать необходимые методы для проведения экспериментальных
исследований, для решения научно-исследовательских и производственных
задач с использованием современной аппаратуры и методов исследования
(ОПК-6), осуществлять подготовку типовых технических проектов на
различные инфокоммуникационные объекты (ПК-13).
 ВЛАДЕТЬ (ОПК-4, ОПК-6, ПК-13): методами распределения,
обработки и хранения информации (ОПК-4); способностью ставить задачи
исследования, выбирать методы экспериментальной работы (ОПК-6),
готовностью составлять типовые технические проекты на различные
инфокоммуникационные объекты (ПК-13).
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
10
Инв. № подп
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Подп. и дата
Библиографический список
1. Микроэлектронные устройства СВЧ; под.ред. Г.И.Веселова. – М.:
Радио и связь, 1988. – 280 с.
2. Белов, Ю.Г. Функциональные среды в микросхемотехнике
СВЧ/Ю.Г.Белов. – Н.Новгород: НГТУ, 2005. – 100 с.
3. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Л.Г. Гасанов [и др.]. –
М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.
4. Каганов, В.И. СВЧ полупроводниковые передатчики / В.И. Каганов. –
М.: Радио и связь, 1981. – 400 с.
5. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых
устройств; под.ред. В.И.Вольмана; – М.: Радио и связь, 1982. – 328 с.
6. Общие требования к составлению пояснительных записок и чертежей к
курсовым и дипломным проектам (работам), выполняемым на кафедре
«Техника радиосвязи и телевидения»/Сост. Ю.Г.Белов, Ю.К. Богатырев. –
Н.Новгород: НГТУ, 2001. – 30 с.
Лит Изм.
№ докум.
Подп.
Дат
а
КР-НГТУ-11.03.02-15-ОСС-000-19ПЗ
Лист
11