Шишаков К.В. (ред.). Моделирование антенн и элементов тракта - Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ

Подождите немного. Документ загружается.

121

14. Моделирование и исследование малошумящего

усилителя в п/п Microwave Office (модуль Voltaire XL)

Модуль Voltaire XL (анализ нелинейных схем) является третьим важным

модулем программного пакета Microwave Office.

Задание. Спроектировать малошумящий усилитель (МШУ), имеющий

следующие параметры: центральная частота усиления f

; диапазон рабочих

частот П=(f

-гр

÷ f

гр

); коэффициент усиления К

; коэффициент шума в полосе

рабочих частот не более К

; неравномерность коэффициента усиления не

более 5 дБ; коэффициенты стоячей волны напряжения входа/выхода не более

КСВ

вх/вых

; напряжение питания U

пит

; потребляемый ток не более I

пот

;

Волновые сопротивления подводящих линий 50 Ом.

Выполнение работы.

1. Выбор усиливающего элемента. Выбираем полевой транзистор.

2. Открытие программы. Запустить файл real_MWOffice.exe.

3. Создание нового проекта. Создайте новый проект: File>New Project.

Далее сохраните проект под именем Ampliffer.

Создание новой схемы. Для этого откройте Project >Add Schematic,

выбирите команду New Schematic… (Новую схему). В форме Create New

Schematic, введите название схемы Ampliffer.

4. Размещение элементов схемы.

Щелкните на закладке Elem. В появившемся списке найдем папку Linear

Devices (линейные устройства) и щелкните на

ней. В нижнем окне появятся элементы.

Перетащите элемент Fet (полевой транзистор)

в окно Ampliffer (рис. 1; полевой транзистор).

Двойным щелчком раскройте папку

Lumped Element (элементы со

сосредоточенными параметрами), щелкните на

папке Capacitor, из нижнего окна перенесите

на схему элемент Cap (конденсатор).

Аналогично из папки Resistor перетащите

элемент Res (резистор). Далее поставьте

источник питания: два раза нажмите на

Sources (источники), выберите DC

(постоянные), из нижнего окна перетащите

элемент DCVS (источник постоянного

напряжения).

На входе транзистора на затвор требуется поставить резистор для

согласования. Так как имеем дело с сверхвысокой частотой, то лучше

поставить вместо него микрополосковый элемент: откройте папку Microstrip

(микрополоски), выберите вкладку Lines, и из нижнего окна перетащите

элемент MLIN.

Из главной панели на входе и выходе поставьте два порта, установите

122

заземления. Также требуется определить структуру микрополоскового

элемента: в том же окне элементов (закладка Elem) выберите папку

Substrates (структура), выберете структуру MSUB и перетащите ее в окно

схемы Ampliffer. Расставьте все элементы, как показано на рисунке 2. Таким

образом получите схему усилителя.

Рис. 2. Схема МШУ.

Определим назначение каждого элемента:

Микрополосок MLIN играет роль сопротивления входа (50 Ом) и задает

смещение рабочей точки на транзисторе FET. Транзистор FET усиливает

сигнал. Резистор R1 ограничивает ток от источника питания. Резистор R2

обеспечивает падение напряжения на Uзи. Конденсатор С2 шунтирует

резистор R2 и выполняет роль блокировочной емкости по ВЧ. Конденсатор

С1 играет роль фильтра по постоянной составляющей. V1 – источник

постоянного напряжения.

5. Установка значений элементов.

Элемент MLIN представляет из себя микрополосок. Он имеет параметры L –

длина и W – ширина. Для определения этих размеров в главном меню

откройте пункт Window выберете вкладку TXLine… Появится окно TXLINE

(рис. 3). Введите параметры материала микрополоска: из списка Material

Parameters выберете Silicon (кремний) с параметрами: диэлектрическая

проницаемость 11,9 , тангенс угла диэлектрических потерь 0,001.

Электрические характеристики установите: импеданс – 50 Ом, частота f

электрическая длина 90 градусов.

123

Рис. 3. Окно расчет длины и ширины полоска.

Далее нажмите стрелку направленную вправо, после этого в правом окошке

появятся параметры микрополоска. Введите полученные значения в

параметры микрополоска на схеме Ampliffer.

Емкость конденсатора С1 найдите по формуле:

ω20

≈

. Емкостью

конденсатора С2 задайтесь (пусть она составит 1000 пФ). Сопротивление R1

найдите из формулы:

иcзи

RIU =

. Сопротивление R2 - из:

cпитс

IUR /=

6. Задание диапазона частот

Рис. 4. Окно установки диапазона частот.

Для задания рабочего диапазона частот, перейдите обратно в Проект.

Дважды кликнете на Project Options, выберите вкладку Frequency Values.

Введите начальную частоту Start = (f

-гр

-0,5) GHz (ГГц), конечную частоту

Stop (f

гр

+0,5) GHz и шаг «.1» GHz. Щелкните на кнопке Apply (Применить). В

124

окне Current Range появиться заданный диапазон (рис. 4).

7. Добавление графика коэффициента усиления.

Для построения характеристики коэффициента усиления в проект нужно

добавить график. На основной панели щелкните на кнопку Add Graph

(Добавить график). Появится окно Create Graph (Формат графика).

Установите Rectangular (Прямоугольная система координат) и введите

заголовок графика Amplification (усиление).

Задайте расчетные величины для графика: щелкните правой клавишей на

строке Amplification и выберите Add Measurement (Добавить вычисления). В

окне Meas. Type (Тип вычислений) выберите Linear Gain. В окне

Measurement (Расчет) выберите GA. В окне Data Source Name выберите

Ampliffer. Нажмите OK Получите график Amplification. Проанализируйте

схему, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии. .

Получим график, показанный на рис. 5.

Рис. 5. Коэффициент усиления, дБ. Рис. 7. Коэффициент усиления

усилителя до настройки.

Рис. 6. Эквивалентная схема полевого транзистора.

8. Ввод параметров транзистора.

Как видно, на рисунке 5 коэффициент усиления далеко не удовлетворяет

требованию ТЗ. Это объясняется тем, что параметры транзистора не

установлены. Требуется установить эти параметры так, чтобы добиться

коэффициента усиления Ку дБ.

125

На рисунке 6 показана эквивалентная схема полевого транзистора.Здесь

gate – затвор; drah – сток; source – исток; G – величина проводимости

транзистора; Т – временная задержка перехода; F – частота; CGS – емкость

перехода затвор-исток; GGS – проводимость перехода затвор-исток; CDG -

емкость перехода сток-затвор; CDC –емкость дипольного слоя; RI –

сопротивление канала; CDS - емкость перехода сток-исток; RDS -

сопротивление перехода сток-исток; RS – сопротивление истока.

Коэффициент усиления такого транзистора определяется по формуле:

)/(1

)2exp(

)(

Ffj

ftj

GfG

−

Во втором пункте был выбран транзистор, и были приведены параметры

этого транзистора. Подставьте значения этих параметров в параметры

транзистора, который только что рассмотрели. Таким образом, на схеме

Ampliffer вы смоделируете выбранный транзистор.

Активизируйте окно графика коэффициента усиления Amplification. И снова

проведите анализ схемы. В итоге получаем коэффициент усиления

показанный на рис. 7.

Из графика на рисунке 7 видно, что коэффициент усиления транзистора

близок к 20 дБ, но недостаточен для требования ТЗ.

9. Добавление графика КСВ на входе и выходе.

Для построения характеристики КСВН в проект нужно добавить график.

Аналогично предыдущему пункту создайте график в прямоугольной системе

координат с названием Standing wave voltage. Задайте расчетные величины

для графика: щелкните правой клавишей на строке Standing wave voltage и

выберите Add Measurement (Добавить вычисления).

В окне Meas. Type (Тип вычислений) выберите Linear. В окне Measurement

(Расчет) выберите VSWR (КСВН) В окне Data Source Name выберите

Ampliffer. В Port Index выберите 1, нажмите Apply, затем выберите 2 и снова

нажмите Apply. Нажмите OK. Получаем график Standing wave voltage.

Проанализируйте схему, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на

след молнии. . Получите график, показанный на рис. 8 (КСВН входа и

выхода усилителя до настройки). КСВН, показанный на рисунке 6 не

удовлетворяет требованиям ТЗ.

10. Подстройка характеристик усилителя.

Как видно из рисунка 6 КСВ входа и выхода тоже не удовлетворяют

требованиям ТЗ. Таким образом, требуется увеличить коэффициент

усиления, уменьшить КСВ входа и увеличить КСВ выхода. Отрегулируйте

эти параметры с помощью резистора R1, который регулирует ток

потребления от источника питания

Для этого инструментом «отвертка» выделите резистор R1 для подстройки.

Далее откройте инструмент Tuner и, изменяя сопротивление, наблюдайте как

изменяются характеристики КУ, КСВ входа и выхода. Добейтесь

характеристик, требуемых техническим заданием (рис. 9).

126

11. Шумовая характеристика МШУ.

Для анализа шумов фильтра постройте график в прямоугольной системе

координат с именем Noise. Добавьте вычисления: Meas. Type – Noise,

Measurement – NF, Two port Name – Ampliffer.

При попытке проанализировать схему на шумы у вас появиться ошибка. Для

устранения этой ошибки со схемы усилителя удалите источник питания.

Далее проанализируйте схему снова. Должен получиться график,

показанный на рисунке 10.

Аналогично пункту 10 подстройте схему, чтобы она удовлетворяла Кш.

Рис. 8. Рис. 10. Шумы МШУ.

Рис. 9. Характеристики усилителя после по

дстройки сопротивления:

слева - коэффициент усиления, справа - КСВ входа и выхода.

11. Сохранение проекта.

Сохраните проект. Для этого выберите File>Save (Сохранить) или Save As

(Сохранить как), далее задайте имя проекта и место сохранения проекта.

127

Список литературы

1. Антенны и СВЧ узлы радиотехнических устройств./ Под ред. Фомина В.С. –

Свердловск: УПИ, 1976 г.

2. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. – Киев: Вища школа,

1982. – 278 с.

3. Баскаков С.И. «Основы электродинамики» Учебное пособие для вузов. М.,

«Сов. радио» 1973, 248с.

4. С.Е. Банков, А.А. Курушин, В.Д. Резевиг. Анализ и оптимизация СВЧ

структур с помощью HFSS. М, Солон-Пресс, 2004.

5. Бахвалова С.А. Описание пакета программ Microwave Office 2002 для

исследования СВЧ-устройств. Методические указания к лабораторным

работам по курсу «Приборы СВЧ и оптического диапазона». М.: МИЭТ,

2003.

6. Голышев Р.М. Microwave Office 2002 для начинающих. EDA Express.

7. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе

MMANA. – М.: Радио Софт, Журнал «Радио» 2002. – 80 с.

8. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1972 г.

9. А.А. Кузьмин. Радиоэлектронные устройства СВЧ. – Томск, 1992 г.

10. Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие

для вузов. М., «Сов. радио», 1974, 386 с.

11. Нефедов Е.И. Микрополосковые излучающие и резонансные устройства. –

Киев: Техника, 1990 г.

12. Проектирование радиоприемных устройств./Под ред. А.П. Сиверса. Учебное

пособие для вузов. М., «Сов. Радио», 1976 г.

13. Разевиг В.Д, Потапов Ю.В, Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с

помощью Microwave Office. – М.: СОЛОН-Пресс,

2002 г.– 496 с.

14. Советов Н.М. Техника сверх высоких частот – М.: «Высшая школа», 1976. –

184 с.

15. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических

специальностей Вузов- М: Высшая школа. 1988-432с.

16. Справочное пособие по использованию Microwave Office, 2004

17. Валиев Р.З., Шишаков К.В. Лабораторные работы по учебному курсу

УСВЧиА на базе программного модуля Microwave Office. – Ижевск: Изд-во

ИжГТУ. 2005. – 64 с.

18. Коробейников Р.В., Шишаков К.В. Исследование антенн СВЧ с помощью

программных пакетов MMANA, Microwave Office, Microwave Studio. -

Ижевск: Изд-во ИжГТУ. 2006. – 90 с.

19. http://www.qrz.ru/

20. http://www.rodnik.ru/

21. http://www.ioso.ru/

22. http://www.frysk.virtualave.net/

23. http://www.radio.ru/

24. http://www.eltm.ru/

25. http://dvo.sut.ru/