Построение малошумящего усилителя для работы в диапазоне 2,4-2,483 ГГц

Кусов Р.С.

Источник: Доклад о ходе выполнения НИРС, сделанный во время семинара 15 мая 2008 года.

Докладчик: студент группы ТКС-04В Кусов Р.С.

Беспроводные локальные сети передачи информации развиваются в последние десять лет невероятно быстро. Простота реализации таких сетей обуславливает их невероятную популярность. По пропускной способности они не уступают выделенным линиям. Помехоустойчивость, надёжность и защищённость современных протоколов передачи сделали беспроводные сети повсеместным явлением, а оборудование для них массовым продуктом. Современные беспроводные технологии с успехом применяются на расстояниях до нескольких десятков километров. Современные стандарты в этой области наглядно демонстрируют, насколько тесно сливаются сегодня две телекоммуникационные ветви – традиционная телефония и системы передачи данных. Сегодня уже никого не удивишь такими терминами как конвергенция сетей, мультисервисность и т. д. Всё большее распространение и популярность получают беспроводные технологии GSM, UMA, Wi-Fi (Wireless Fidelity), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Но в то же самое время с ростом спроса и предложения на эти технологии растут и проблемы, связанные с взаимным влиянием каналов передачи друг на друга и с электромагнитной совместимостью этих технологии на территории нашей страны. Эти проблемы и определяют актуальность проведения дальнейших исследований направленных на совершенствование аппаратуры беспроводных систем передачи данных.

Среди всех описанных беспроводных систем передачи данных стремительное развитие в последнее время получают технологии Wi-Fi и WiMAX, определённые союзом IEEE, как стандарты 802.11 и 802.16 соответственно. Особый интерес представляет именно 802.16 – возможный конкурент современным сотовым сетям второго и третьего поколений. Это глобальное решение для построения высокоскоростных и надёжных беспроводных сетей передачи данных. Все новые разработки в области аппаратуры, методов передачи и модуляции, защиты информации обязательно ложатся в основу развития и совершенствования технологии WiMAX.

В стандарте IEEE 802.16-2004 для систем БШД предполагается задействовать частоты от 2 до 11 ГГц. В настоящее время WiMAX-форумом разработаны три профиля использования данных систем в частотных диапазонах 2,5—2,7; 3,4—3,6 и 5,725—5,850 ГГц. Что касается применения этих диапазонов в Украине в настоящее время, то диапазон 2,5—2,7 ГГц запланирован для работы систем эфирного телевидения по технологии MMDS, но текущим регламентом допускается совместное использование его системами двунаправленной передачи данных и интерактивного телевидения. В диапазоне частот 3,4—3,6 ГГц системы БШД уже работают, но дальнейшее их развертывание существенно ограничено из-за возникновения проблем с электромагнитной совместимостью со средствами космической связи, функционирующими в C-диапазоне. Диапазон 5,725—5,850 ГГц в настоящее время используется различными системами БШД, а также аналоговыми и цифровыми радиорелейными станциями. Работа последних в этом диапазоне может накладывать серьезные ограничения на развитие систем БШД.

Учитывая эти факторы, а также относительную дороговизну абонентского оборудования WiMAX пока ещё не получил широкого распространения в Украине. Поэтому в качестве объекта исследования данной работы был выбран стандарт 802-11 – Wi-Fi.

Всё выше сказанное определило объект исследования – аппаратуру передающих станций Wi-Fi, а именно малошумящий усилитель мощности, построенный по балансной схеме, работающий на частоте 2,4-2,483 ГГц и имеющий низкий уровень нелинейности.

Целью работы является исследование новых технологий в сетях широкополосного беспроводного доступа (ШБД) на основе стандартов WiMAX (802.16) и Wi-Fi (802.11), исследование методов реализации приёмопередающего оборудования в таких системах, моделирование балансных схем усилителей СВЧ (2,4 ГГц) для таких систем.

Основные методы: методы моделирования, методы оптимизации.

В качестве средства моделирования параметров и характеристик балансных схем усилителей мощности был выбран моделирующий пакет Microwave Office.

Запланированные результаты:

1) Ознакомление со стандартами групп 802.16 и 802.11 и используемыми в них технологиями.

2) Ознакомление с применяемым оборудованием технологий Wi-Fi и WiMAX.

3) Ознакомление со схемами усилителей СВЧ, которые применяются в данных технологиях.

4) Определение структуры и параметров оптимальной схемы усилитель СВЧ, для применения в современных сетях ШБД.

5) Моделирование в пакете Microwave Office схемы замещения транзистора СВЧ КТ919А, получение характеристик данного транзистора.

6) Моделирование и оптимизация параметров схемы замещения транзистора.

7) Моделирование балансного каскада, построенного на базе двух транзисторов КТ919А.

8) После достижения необходимого результата, приступить к технической реализации макета, по схеме балансного СВЧ усилителя (2,4-2,483 ГГц), смоделированной и оптимизированной пакетом Microwave Office.

На данный момент уже пройден этап ознакомления с беспроводными технологиями (Wi-Fi и WiMAX) и выбран дальнейший путь исследования, конечной целью которого будет являться создание суперлинейного балансного малошумящего усилителя СВЧ диапазона.

К сожалению, на данный момент так и не удалось создать схему каскада усилителя на базе транзистора КТ919А. Ввиду ограниченной полосы рабочих частот этого транзистора не удаётся достичь требуемого минимального коэффициента усиления на частотах 2,4–2,483 ГГц. При попытке согласовать два каскада в балансную схему, применяя шлейфные направленные ответвители, каскад теряет устойчивость (становится условно устойчивым), и не удаётся достичь приемлемого коэффициента усиления даже на более «низкой» частоте в 2 ГГц. Этот результат был в определённой мере ожидаемым.

Возможны следующие варианты выхода из сложившейся ситуации. Первое – снизить диапазон рабочих частот (до пределов рабочих частот транзистора КТ 919 А), но тогда возникает вопрос актуальности исследования, ведь в этом случае каскад не будет привязан ни к одной из выбранных технологий (Wi-Fi или WiMAX). Второй вариант – смена транзистора. Следует выбрать другой базовый транзистор, имеющий схожие характеристики, но рабочий диапазон которого будет достигать хотя бы 5 ГГц. Это требование обусловлено тем, что следует выбрать оптимальный диапазон частот беспроводных широкополосных сетей (Wi-Fi на 2,4 ГГц, либо WiMAX на 3,6 или 2,3 ГГц). Причём следует выбирать транзистор также с учётом возможности применения к нему спайс-модели, и дальнейшей практической реализации в макете.

Итог – дальнейшие работы по созданию балансного суперлинейного СВЧ усилителя будут продолжены, но с использованием в качестве базового другого транзистора.