|
| |
|
Слаботочка Книги щие выходное сопротивление источника смещения (для постоянного тока и низких частот) н создающие достаточную развязку на СВЧ между основной частью схемы и цепями источника питания. Такими элементами могут быть резисторы, индуктивности, емкости, отрезки линий. При правильном быбсре конструкции цепи смещения большинство ее элементов не оказывает влияния на им-митансы СВЧ ветвей схемы в большей части диапазона частот 0-f-fnp (на низких частотах схема обычно заведомо устойчива благодаря шунтирующему действию резисторов стабилизирующей цепи и цепи смещения) и может поэтому не включаться в эквивалентную схему при расчете УТД. Эквивалентную схему УТД, как показано на рис. 3.14, можно представить в виде параллельного (рис. 3.14,6) или последовательного (рис. 3.14,г) соединения трех ветвей: ветви полезной нагрузки (Кв, Z), активной ветви (Уа, Za) и стабилизирующей цепи (Уст, Zct). Конструкция УТД. По типу линии передачи, используемой на входе и выходе УТД (а, следовательно, и в соответствующих ферритовых устройствах), различают волноводные, коаксиальные и полосковые (в частности микрополосковые) конструкции УТД. Принадлежность к тому или иному типу не означает, что УТД должен содержать лишь линии одного типа. Напротив, часто удачным является сочетание в одной и той же усилительной секции элементов на линиях разного типа. Так, например, стабилизирующую цепь в волноводной УТД следует выполнять на коаксиальной или полосковой линиях (вообще говоря, на линии с волной ТЕМ). Описания ряда конструкций УТД содержатся т [8, 9, 29, 30, 41-46]. В качестве примера рассмотрим конструкцию волноводной усилительной секции с коаксиальной стабилизирующей цепью (рис. 3.15). Этой конструкции соответствует схема рис. 3.14,в. Двухступенчатый волноводныи трансформатор и боковое смещение ТД относительно оси волновода обеспечивают такую трансформацию импеданса Ец к плоскости ТД, при которой получается требуемое усиление /Сутд. Коаксиальная стабилизирующая цепь содержит поглощающий вкладыш 6 я резистор 5 (широкополосное поглощающее устройство) и сотраокаимций» винт 7, у которого индуктивность «шейки> и торцевая емкость по отношению к центральному проводнику 4 коаксиальной линии образуют последовательный контур, настроенный на fo (Lc и Сс иа рис. 3.14,в). Этот контур замыкает накоротко ст.чбили-зирующую цепь в рабочей полосе частот. Проводник, подводящий напряжение смещения к диоду через центральный стержень коаксиала, пропущен между несколькими диэ.пектрическими пластинами с науг-   Риг 315 Волноводная усилительная секция УТД З-сж диапазона-аЖонструкцияГ б) общий в/д (f„-9.37 Гац. Л/,„-150-350 Мгц. К,,„=14 аб. и диэлектрической («о) деталей "i"" .р науглерожениые днмектрн-вннты-. /О-провод "°~jV-cl&poHb.rM-вход УТД; ;5-трех- =.,е"5нТку"ято;~ """" CTOTLI 1 д. Лерожеииыми и изоЛировйииЫМи от корпуса пове{)хностями. Это обеспечивает хорошую развязку СВЧ цепей от цепей питания. Стабилитроны 13, включенные параллельно друг другу (в противоположной полярности) и туннельному диоду, защищают его от разного рода импульсных наводок из цепи смещения. Определение устойчивости и расчет частотной характеристики Дутд(/) по известным структуре и параметрам эквивалентной схемы производится иммитансным годографическим методом, суть которого заключается в следу19щем. Схема УТД представляется в виде соединения трех ветвей: нагрузочной (2н, Ун), активной (Za, Ya) и стабилизирующей (Zct, Yet). Эти ветви либо соединены параллельно в некоторых двух точках, которые назовем базовыми, либо поспедовательно и образуют базовый контур. В нагрузочную ветвь следует включать лишь те резисторы, которые «представляют» , активную составляющую иммитанса циркулятора со стороны усилительной секции (обычно это один резистор, как на рис. 3.14). В активную ветвь должны быть включены Все отрицательные сопротивления (обычно в схеме один ТД и соответственно одно отрицательное сопротивление). В отнесении прочих элементов к той или иной ветви может быть некоторая свобода (например, для Ldh на рис. 3.14,в). В таких случаях следует руководствоваться стремлением упростить расчеты им-митаисов ветвей и в первую очередь активной ветви. Для расчета схемы последовательного типа следует [28-30, 32]: 1. Рассчитать значения Zh(/), Za(/) и Zct(/) для ряда частот в интервале от О до /пр. Интервалы между частотами следует выбирать меньшими в пределах рабочей полосы частот и тех «подозрительных» участков диапазона, на которых уменьшаются активные составляющие Zct(/) или Zh(/). 2. Для функции Za(p), получаемой заменой /ю на комплексную частоту р в выражении Za(/), найти число полюсов Р в правой полуплоскости р [30, 32, 47, 48]. Для простейших случаев Р известно. Так, например, при отнесении к активной ветви одного элемента -R (часть схемы правее плоскости /-/ на рис. 3.12,6) Р = 0; при отнесении к активной ветви части схемы ТД (правее 2-2, 3-3 или 4-4, рис. 3.12,6) ==1. Если же к активной ветви отнести все пять элементов схемы ТД, то [32]: Р= 1, если (3.31) Р=3, если > R-r, Сн (3.32) Полезно помнить, что последовательное подключение пассивных элементов не меняет числа Р для функции Za(p). Точно так же не меняется число Р для функции Уа(р) при параллельном подключении пассивных элементов. В более сложных случаях требуется анализ функции Za(p). Для определения Р можно воспользоваться приемом, основанном на определении устойчивости вспомогательной схемы, образованной соединением реактивности Za и резистора Яо- В такой схеме к активной ветви можно отнести ТД с известным Р. Расчет производится для нескольких значений Яо, каждому из которых соответствует определенное число обходов годографа Za{f)+Ro вокруг начала координат. Искомое число Р равно тому числу обходов, которое соответствует устойчивости вспомогательной схемы. 3. Определить на принятых для расчета частотах / сумму Z(/)=Z„(/)+Za(/)+Zex(/) (3.33) и построить годограф Z(/) (тщательность построения важна лишь для точек, лежащих вблизи начала координат). Продлив полученную кривую от точки Z(/np) до произвольной точки на оси R в правой полуплоскости, подсчитать результирующее приращение угла (аргумента) вектора Z(/) от точки /=0 до jiornxa кривой (рис. 3.16,а). Это приращение удобно выразить числом полуобходов вокруг начала координат, т. е. числом 180°-ных приращений угла (для кривой рис. 3.16,а оно равно 3). Схема устойчива тогда и только тогда, когда обход совершается против часовой стрелки (при увеличении /) и число полуобходов равно Р [28, 30, 32]. 4. Рассчитать на интересующих нас частотах нормированный импеданс, характеризующий усиление Zy(/) =lZa(/) +Zcx(/) -t-ImZ„(f)]/ReZH(f) = .=Z(/)/ReZ„(/)-l. (3.34) 217  Рис. 3.16. Примеры годографов импедансов (для схемы рис. 3.14,в): о) годограф суммарного импеданса Z{f); б) годограф нормированного импеданса ZyU), характери-яующего усиление. Цифрами у точек годоггзфов оио31(аченьг нормированные частоты !lf„.
где tleEt,(f) и 1т2н(/) - вещественная и мнимай coctai-ляющие импеданса нагрузочной ветви Z„{f). Коэффициент усиления Кутд(!) связан с Zy(f) выражением Ку.АП = \ (Zy(f)-l)V(Zy(/) + l)p. (3.35) -Для частот, на которых ReZy<0, всегда /Сутд(/)>1. Определять КутдЦ) удобно, построив годограф Zy(f) в левой полуплоскости Zy, где предварительно нанесены окружности постоянного усиления (рис. 3.16,6). Последние легко построить по точкам их пересечения с осью Ry-. -(К/утд+1)/(У-1). (3.36) Все сказанное выще применимо к расчету схем параллельного типа, если вместо Zh, Za и Zct оперировать с У„, Ка и Уст соответственно. Следует иметь в виду, что для функции Уа(р) В случаях, когда она представляет часть или всю схему ТД, Р = 0 при условии, что к Уа(р) отнесена часть схемы правее плоскости /-/ или 2-2 (рис. 3.12,6), а при отнесении к Уа(р) части схемы правее 3-3, 4-4 или 5-5 Р = 0, если 1./СЛг.<1, (3.37) Р=2, если Ls/CRrs>\. (3.38) Коэффициент шума УТД иа частоте fo рассчитывают по формуле [9, 27] i - . ,J.;4.2.1. (3.39) утдо утд;(1-г./Л)(-/2/ где Lj. - общие потери во входном BeHTHj;e, промежутке 1-2 циркулятора (рис. 3.13) и в усилительной £екции; ш = 0,02/оЛ - шумовой коэффициент ТД; /о и 7? -постоянная составляющая тока (ма) и модуль дифференциального сопротивления (ом) в рабочей точке. Величина йш равна 1,3-1,5 для германиевых ТД, 0,8-1 для диодов из GaAs и 1,6-1,8 для диодов из GaSb {9, 20, 26]. Для типового случая, когда fo/fnp=0,3, Аш = 1.45, г./Л=0,06, /(у1д=30 (14,8 дб), L = l,2 (0,8 дб), величина fyi,,=3,36 (5,26 дб). Проектирование УТД включает определение общей структурной схемы, выбор циркулятора и вентилей, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 [34] 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 |