Активные и пассивные устройства широкополосного согласования тракта антенн сверхвысотночастотного диапазона
Элементы управляющих устройств сверхвысотной частоты. Способы широкополосного согласования, принцип частотной компенсации. Коаксиальный тракт облучателя зеркальной антенны. Преимущества использования диапазона в согласовании активных, пассивных устройств.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.07.2013 |
| Размер файла | 3,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Управление напряжением питания в зависимости от уровня мощности сигнала можно осуществить с помощью малогабаритных DC-DC конвертеров, выполненных на основе гетеропереходных биполярных GaAs транзисторов (HBT) и объединённых с усилителем мощности в одной монолитной микросхеме. Частота переключения DC-DC конвертера лежит в пределах от 10 до 20 МГц, что позволяет выходному напряжению конвертера отслеживать быстрые изменения огибающей полезного сигнала. В системах сотовой телефонии, выполненных по различным стандартам, частота огибающей сигнала лежит в пределах от 50 кГц до 2 МГц. Высокая частота переключения конвертера также даёт возможность использовать для уменьшения уровня пульсаций малогабаритные катушки индуктивности и конденсаторы.
В схеме используется повышающий конвертер, обеспечивающий изменение выходного напряжения в пределах от 3 до 10 В при входном напряжении 3,3 В, выполненный на мощном HBT-транзисторе, рабочий ток которого достигает 1 А. Катушка индуктивности, кремниевый выпрямительный диод Шоттки и выходной конденсатор выполнены как навесные элементы. Для изменения уровня выходного напряжения в зависимости от величины управляющего напряжения используется широтно-импульсный модулятор (ШИМ). КПД такого конвертера зависит от состояния выходной нагрузки и составляет от 65 до 75%.
Рис. 6. СВЧ усилитель мощности со встроенным DC-DC конвертером
Полная структурная схема усилителя, содержащего DC-DC конвертер, показана на рис. 6. Мощность входного сигнала отслеживается детектором огибающей, который в свою очередь, управляет значением напряжения питания Vcc усилительного каскада. Значение напряжения Vdd было выбрано несколько большим, чем амплитуда колебания СВЧ сигнала в стоке устройства. На рис. 7 изображена зависимость КПД системы с интегрированным DC-DC конвертером от уровня выходной мощности. В этой зависимости учитывается КПД самого DC-DC конвертера. Легко видеть, что на максимальном уровне выходной мощности отдельный усилитель имеет больший КПД, так как отсутствуют потери в конвертере напряжения. На более низких уровнях мощности система с DC-DC конвертером работает эффективнее благодаря возможности оптимально управлять напряжением питания.
Рис. 7. Зависимость КПД усилителя от мощности выходного сигнала при управляемом и фиксированном напряжении питания, а также распределение вероятности мощности сигнала
Существенное же улучшение КПД за счёт использования DC-DC конвертеров достигается в области малых уровней сигналов, где отдельный усилитель работает неэффективно. С учётом вероятности распределения уровня мощности сигнала прирост эффективности усилителя составил 1,4 раза. Дальнейшее увеличение КПД возможно благодаря оптимизации интегральных схем, объединяющих DC-DC конвертер и усилитель мощности (вместе с внешней катушкой индуктивности).
В общем случае, одновременно с изменением мощности входного сигнала и соответствующим ему изменением напряжения стока выходного СВЧ транзистора изменяется и коэффициент усиления транзистора, поэтому важно подавить связанные с этим искажения сигнала. Для этого одновременно со стоковым напряжением изменяют напряжение Vgg на затворе выходного транзистора, что позволяет оптимизировать КПД и снизить паразитное изменение усиления до диапазона ±1 дБ от значения в точке насыщения, что соответствует требованиям стандарта IS-95.
Другим способом оптимизировать эффективность и линейность усилителей за счёт изменения напряжений смещения на коллекторе и базе HBT-транзисторов или на стоке и затворе гетеропереходных FET (HFET) транзисторов является использование цифровой коммутации или комбинации цифровой коммутации и аналоговых DC-DC конвертеров. Коммутация различных ячеек батареи питания может привести к существенному повышению эффективности и линейности даже при двух ступенях переключения. Здесь также возможно использование интегрированных переключателей, выполненных по технологии MEMS, отличающихся повышенной экономичностью. Более детальный анализ показывает, что наиболее существенный прирост КПД при условии поддержания предельной линейности усилителей класса A может быть достигнут только при использовании пошагового цифрового управления.
Полосовые дельта-сигма усилители мощности
Ещё одним способом повышения эффективности выходных усилителей является использование усилителя с транзистором, работающим в ключевом режиме, так как в этом случае он рассеивает минимальную мощность. Главная проблема заключается в сложности использования таких усилителей для воспроизведения огибающей сигналов, применяемых в беспроводных системах связи. В усилителях звуковых частот класса S это стало возможным благодаря использованию широтно-импульсной модуляции для двоичных входных сигналов. Несмотря на то, что такой подход не может быть применён непосредственно к СВЧ усилителям из-за слишком высокой тактовой частоты, возможно использование полосовых дельта-сигма модуляторов (BP D-SM). На рис. 8 показаны синусоидальные сигналы на входе модулятора и выходе усилителя мощности после фильтрации, а также двоичный сигнал на выходе модулятора. По итогам моделирования усилителя диапазона 850 МГц на GaAs гетеропереходном биполярном транзисторе, его КПД составил свыше 70%.
Рис. 8. Входной синусоидальный сигнал, бинарный сигнал с выхода дельта-сигма модулятора и фильтрованный сигнал на выходе усилителя
Оптимизированные СВЧ транзисторы
Дальнейшее совершенствование технологии изготовления интегральных схем открывает обширные перспективы развития систем связи. Использование новых методов видеообработки сигналов, особенно с помощью цифровых сигнальных процессоров (DSP), даёт возможность реализовать последние достижения КМОП-технологии и связанном с ними снижение габаритов MOSFET-транзисторов. Развитие технологий производства СВЧ транзисторов для приёмного и передающего трактов происходит не столь быстро, поэтому часть программы была сфокусирована именно на этой проблеме.
Для получения высоких характеристик усилителей мощности необходимо, чтобы применяемые в них полупроводниковые приборы работали с относительно высокими напряжениями (более 10 В при напряжении батарей питания 3 В) и имели очень низкое сопротивление канала в открытом состоянии. Для приёмных устройств наиболее важными характеристиками являются низкий коэффициент шума и высокая линейность. В обоих случаях основными проблемами можно назвать высокую подвижность носителей и наличие сильного электрического поля, приводящего к пробою транзисторов, поэтому большое внимание было уделено использованию составных полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP), а также SiGe. В рамках программы был разработан ряд новых гетеропереходных устройств (транзисторов HFET, HEMT и HBT), причём основной акцент ставился на их оптимизацию для использования именно в СВЧ беспроводных системах связи.
Заключение
В ближайшее десятилетие элементы электронной компонентной базы СВЧ будут использоваться не только для военных, но и для гражданских применений, таких как системы радиолокации, системы сотовой связи и телекоммуникаций. Роль этих систем и используемых в них СВЧ-устройств в практике гражданских применений трудно переоценить. Потенциал развития отечественной науки и техники в области создания аппаратуры для телекоммуникаций в миллиметровом диапазоне длин волн достаточно высок, для того чтобы создавать системы и средства только на отечественной твердотельной компонентной базе СВЧ. Российский рынок в настоящее время потребляет значительное количество современных средств связи (включая радиорелейные линии, компьютерные линии связи, сотовые системы связи, спутниковые системы связи, линии передачи телевизионных сигналов и др.) и, оценивая уровень развития СВЧ технологий стран ООН, Россия ежегодно тратит на закупку и производство СВЧ устройств около 80 млрд. долларов и чтобы уменьшить расходы наша страна должна поддерживать молодые фирмы и молодых ученых работающих в области производства СВЧ технологий. Пока наше правительство не начнет этого делать уровень наших СВЧ технологий будет оставлять желать лучшего.
Список литературы
1. Бартон Д. Радиолокационные системы Пер с англ Под ред. К. Н. Трофимова. М., Воениздат, 1967.
2. Диодные генераторы, усилители и умножигели СВЧ Конспект лекций. Под ред. Земцова Г. П. МАИ, 1976 Авт.. H. С Давыдова, Г П Зем-нов, В. К. Трепаков, В Н. Шкаликов
3. Сазонов Д. М., Гридин А.Н., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ: Учеб. пособие / Под ред. Д. М. Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981.
4. Линии передачи СВЧ-диапазона; Максимов В.М.; Сайнс-Пресс; 2002 г.
5. Григорьев Л Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учебник для вузов но специальности "Электронные приборы и устройства". - М.: Высшая школа, 1990.
6. Основы теории устройств СВЧ; Максимов В.М.; Сайнс-Пресс; 2002 г
7. M. Golio, Low Voltage Electronics for Portable Wireless Applications: An Industrial Perspective, 1998 IEEE MTT-S Digest
8. P.M. Asbeck, T. Itoh, Y. Qian, M.F. Chang, L. Milstein, G. Hanington, P.F. Chen, V. Schultz, D.W. Lee and J. Arun., Device and Circuit Approaches for Improved Linearity and Efficiency in Microwave Transmitters, 1998 IEEE MTT-S Digest
9. http://dic.academic.ru
10. www.niipp.ru
11. http://www.skard.ru
12. http://kai5.ru/
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Применение и устройство зеркальных параболических антенн, их преимущества и недостатки. Выбор геометрических размеров рупорного облучателя и зеркала. Построение диаграммы направленности антенны. Расчет фидерного тракта, вращающихся сочленений и узлов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.02.2013Общая характеристика зеркальной антенны, ее назначение и применение. Расчет зеркальной параболической антенны сантиметрового диапазона с облучателем в виде пирамидального рупора. Определение коэффициента усиления с учетом неточности изготовления зеркала.
курсовая работа [579,3 K], добавлен 18.01.2014Разработка многофункционального приемопередающего устройства для сбора информации со внешних устройств - датчиков. Обзор ресиверов диапазона 433 МГц. Расчет микрополосковой антенны на центральной частоте. Расчет затрат на изготовление опытного образца.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 20.10.2013Описание характеристик антенны, предназначенной для радиолокационного обнаружения. Выбор формы и расчет амплитудного распределения поля раскрыва зеркала. Определение параметров облучателя и фидерного тракта. Конструкция антенны и согласующего устройства.
курсовая работа [514,1 K], добавлен 23.12.2012Определение шумовой температуры фидерного тракта. Угол раскрыва и фокусное расстояние зеркальной антенны. Диаграммы направленности облучателя, распределение поля в апертуре зеркала. Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков.
курсовая работа [572,6 K], добавлен 13.02.2011Типы синтезаторов частоты. Методы и приборы генерации сигналов средневолнового диапазона и способы их излучения. Разработка структурной схемы проектируемого устройства, обеспечение его питания. Исследование синтезатора частот средневолнового диапазона.
дипломная работа [2,7 M], добавлен 23.09.2016Устройства согласования и модели широкополосных симметрирующих трансформаторов. Электрическая принципиальная схема симметрирующего устройства с использованием современных программных продуктов. Тонкопленочная технология изготовления микрополосковых линий.
дипломная работа [4,4 M], добавлен 20.10.2013Требования, предъявляемые к спутниковым антеннам. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны. Расчет пирамидального облучателя и диаграммы направленности. Определение коэффициента направленного действия. Геометрические размеры зеркала.
курсовая работа [102,3 K], добавлен 15.05.2014Исследование принципа действия и устройства коаксиального фильтра СВЧ диапазона. Построение амплитудно-частотной характеристики в заданном диапазоне частот. Проведение снятия зависимости амплитуды напряжения от частоты сигнала при отключенном фильтре.
лабораторная работа [16,8 K], добавлен 28.10.2013Рупорные антенны - простейшие антенны СВЧ диапазона, их применение в качестве элементов более сложных антенн. Улучшение характеристик рупорной антенны с помощью линзы и принцип ее действия. Выбор питающего волновода. Расчет одиночного рупора с линзой.
реферат [477,7 K], добавлен 17.10.2011
