МАТВИЙЧУК   Евгений Николаевич

Автореферат

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на стремительное развитие проводных и в том числе волоконно-оптических средств связи, роль радиосистем тяжело переоценить при необходимости создания линий связи в труднодоступных районах, или организации связи с подвижными абонентами.

На сегодняшний день технологии и устройства СВЧ в большинстве случаев определяют техническую и экономическую эффективность систем радиосвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации и т.п.. При этом важным критерием внедрения новой телекоммуникационной системы является доступность радиодиапазона. Именно недостаток свободных частот в освоенном диапазоне представляется одной из причин возникновения интереса к разработке устройств, способных работать на частотах в десятки ГГц и выше. Другим фактором развития сверхвысокочастотной техники является развитие информационных технологий и возникновение потребности передачи информации с высокой скоростью.

Условия радиоприема в диапазоне СВЧ отличаются тем, что на этих частотах в меньшей мере, чем, например, на метровых волнах, проявляется отрицательное влияние внешних помех. Однако, сигнал СВЧ испытает сильное ослабление при распространении в атмосфере Земли. Поглощение энергии колебаний происходит в гидрометеорах, парах воды и кислорода воздуха. Эти особенности распространения сигнала играют определяющую роль при выборе принципов построения, структуры и элементной базы приемо-передающих систем.

При проектировании и разработке СВЧ микроэлектронных устройств необходимо учитывать множество факторов, которые обусловлены малыми размерами компонентов, концентрацией сильных полей в малых объемах, наличием цепей паразитной связи, взаимодействием близко расположенных элементов, трудностью отвода тепла, требованиями к точности изготовления и однородности материалов. Все это свидетельствует об актуальности избранного направления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Научная новизна данной магистерской работы заключается в следующем:

• исследование аппаратуры связи сверхвысокочастотного диапазона волн;
• разработка многокаскадных усилителей на основе ИМС;
• исследование и разработка цепей питания и смещения микросхем усилителей на основе линий с распределенными параметрами;
• анализ возможности и предложение способов создания унифицированного усилителя СВЧ, способного работать как в тракте приема так и передачи.

Объектом исследования является двухкаскадный усилитель СВЧ, построенный на основе интегральных микросхем.

Предметом исследования являются параметры и характеристики цепей межкаскадного согласования, а также цепей развязки по питанию и смещению.

Целью магистерской работы является исследование особенностей создания СВЧ усилителей миллиметрового диапазона, обоснование параметров компонентов устройства, а также разработка макета усилителя и экспериментальное подтверждение теоретических выводов.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В магистерской работе ставятся следующие задачи:

• изучить принципы построения и проанализировать параметры современных средств радиосвязи различного назначения;
• изучить влияние СВЧ усилителей на характеристики телекоммуникационных систем;
• проанализировать требования, предъявляемые к усилителям СВЧ в каналах приема и передачи, а также современные способы их реализации;
• изучить способы реализации цепей развязки по питанию и смещению, а также цепей межкаскадного согласования усилителей миллиметрового диапазона, построенных на основе ИМС;
• разработать макет СВЧ усилителя миллиметрового диапазона волн на основе ИМС.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Рассмотрим типичную структуру приемо-передающей аппаратуры СВЧ. Радиопередатчик представляет собой сложную систему, которая включает высокочастотный тракт, модулятор, осуществляющий управление колебаниями высокой частоты в зависимости от информации, которая передается, источник питания, устройства защиты и охлаждения.

Как правило, передатчики, работающие в диапазоне СВЧ, строятся по следующему принципу (см. рис. 1): модуляция сигнала обеспечивается на некоторой промежуточной частоте (ПЧ). Полученный спектр путем нелинейного преобразования (умножение с сигналом гетеродина Г) в смесителе СМ переносится в область СВЧ. Сигнал с выхода смесителя усиливается (УСВЧ) и передается. На рис. 1: УСВЧ - усилитель сверхвысокой частоты, УПЧ - усилитель промежуточной частоты.

Рис. 1. Структурная схема СВЧ-тракта передатчика

Структура приемника СВЧ схожа со структурой передатчика. Как правило, приемники СВЧ также строятся на основе гетеродинной схемы. Именно это предопределяет совпадение в структуре и принципах работы. Но характеристики отдельных элементов и их взаимное влияние имеют свои особенности.

Конструктивно приемник состоит из следующих основных элементов (см. рис. 2): полосового фильтра ПФ, малошумящего усилителя СВЧ, смесителя СМ, гетеродина Г, многокаскадного усилителя промежуточной частоты УПЧ и корректора группового времени задержки КГВЗ.

Для повышения эффективности работы приемника необходимо обеспечить во входном устройстве минимальное ослабление полезного сигнала и максимально снизить уровень помех. Эти функции выполняют ПФ и входной СВЧ усилитель, настроенные на рабочую частоту.

Рис. 2. Структурная схема СВЧ-тракта приемника

В общем случае к усилителям в трактах приема и передачи выдвигаются разные требования. Основными параметрами, которые характеризуют мощные выходные усилители передатчиков, в первую очередь являются коэффициент усиления и выходная мощность.

Номинальная мощность на выходе УСВЧ зависит от типа РСП. В РРСП большой емкости и ретрансляторах ССП используются передатчики с выходной мощностью 0,5...16 Вт. В аппаратурах наземных станций ССП номинальная выходная мощность передающего комплекса составляет 20...10 000 Вт, верхняя граница указанной мощности характерна и для ТРСП.

Коэффициент усиления, как правило, составляет 26...40 дБ и также зависит от типа передатчика, в состав которого входит усилитель. Кроме того, линейность амплитудной характеристики усилителя должна быть достаточно высокой (не превышать десятой доли децибела в рабочей полосе частот); особенно это касается систем, которые передают сигналы нескольких каналов.

Как было указано выше, радиоприемная система СВЧ, состоящая из антенны, антенно-фидерного тракта и непосредственно каскадов приемника, может быть представленная, как последовательное соединение n-четырехполюсников, каждый из которых характеризуется собственным коэффициентом передачи (усиления) мощности, а также собственным коэффициентом шума.

Общий коэффициент шума n-каскадной системы при отсутствии переотражения сигнала внутри нее определяется по формуле Фрииса [1]:

                                              (1)

          где K_{у_і} – коэффициент усиления і-го каскада;

          K_{ш_і} – коэффициент шума і-го каскада.

Коэффициент шума является одной из определяющих величин при расчете чувствительности приемника. Уменьшение суммарного коэффициента шума K_ш – наиболее эффективным средством увеличения чувствительности. Для этого кроме уменьшения коэффициентов шума отдельных каскадов необходимо повышать их коэффициенты усиления.

Анализ формулы 1 дает возможность определить, что наибольший вклад в общий коэффициент шума системы вносят первые каскады, которыми как правило являются усилители СВЧ. Именно поэтому, при проектировании входных усилителей приемников наибольшее внимание уделяется обеспечению минимального коэффициента шума (малошумящие усилители, МШУ).

Коэффициент усиления входного МШУ должен быть достаточным для эффективного уменьшения шумов усилительно-преобразовательных устройств, которые следуют за ним (смеситель, тракт ПЧ). В современных приемных устройствах коэффициент шума второго каскада усилителей или усилительно-преобразовательных устройств составляет не более 10-l5 дБ. Поэтому коэффициент усиления МШУ должен быть не менее 15 дБ.

Кроме вышеупомянутого, ширина полосы усиления усилителей обоих типов должна быть согласована со спектром принимаемого или передаваемого сигнала, обеспечивая его передачу к следующим каскадам или антенне без искажений.

Таким образом, внешние параметры системы связи в целом (максимальное расстояние, на котором возможна связь, максимальная пропускная способность канала и прочие) в значительной степени зависят от характеристик выходных каскадов передатчиков (от мощности сигнала, который передается) и входных каскадов приемников (от чувственности), т.е. от параметров усилителей СВЧ. Это говорит об актуальности и важности поиска путей усовершенствования и оптимизации существующих технических решений в данной области и разработки новых идей.

В наибольшей степени описанным выше требованиям соответствуют усилительные системы, построенные на основе электронно-вакуумных приборов. Однако их существенными недостатками являются большие габариты, значительная потребляемая мощность, необходимость наличия систем охлаждения и т.п., что значительно сужает диапазон применения. Как правило, такие усилители применяются в системах тропосферной, спутниковой связи, где необходима высокая мощность сигнала передатчика, в радиолокации, радиоастрономии.

При разработке коммерческих телекоммуникационных систем и сетей, предназначенных для широкого круга пользователей, одними из важнейших потребительских свойств переносных устройств является их мобильность, простота и удобство эксплуатации, минимальные габариты. Кроме того, необходимо стремиться обеспечить минимальную стоимость производства и эксплуатации среди устройств связи аналогичного назначения, как залог высокой конкурентоспособности на рынке. Возможность налаживания автоматизированного процесса производства и отсутствие необходимости проведения настройки готового изделия открывает возможности для его широкого внедрения и построения массовых телекоммуникационных сетей.

Современные усилители СВЧ на основе полупроводниковых технологий способны развивать выходную мощность до нескольких десятков дБм на частоте до 50 ГГц. Наиболее малошумящие из них имеют уровень собственных шумов до 3-4 дБ, что сопоставимо с уровнем внешних помех и поэтому является минимальным пределом целесообразности снижения шумов входных каскадов.

Полупроводниковые устройства СВЧ выпускаются, как правило, в виде интегральных микросхем, которые представляют собой готовые модули и блоки (например, усилители). Это значительно облегчает сборку устройства, уменьшает его габариты. Мощность, потребляемая такими микросхемами на несколько порядков меньше мощности, потребляемой электронно-вакуумными приборами.

Основные технические задачи, возникающие при использовании интегральных микросхем усилителей во входных и выходных каскадах аппаратуры СВЧ – обеспечение их согласования с соседними каскадами, а также создание качественных цепей развязки по питанию и смещению.

Усилитель СВЧ может обеспечить свои потенциальные характеристики только в том случае, когда он правильно нагружен, т.е. тогда, когда сопротивления источника сигнала и нагрузки в плоскости усилителя имеют вполне определенные значения. Максимальная мощность передается от источника в нагрузку в том случае, когда их сопротивления являются комплексно-сопряженными числами, Z_Г= Z_Н*. Как правило, это условие не выполняется, поэтому основной функцией цепей согласования (ЦС) является приведение входного (Z1) и выходного (Z2) сопротивлений ИМС усилителя к внутреннему сопротивлению источника сигнала и нагрузки (обычно, 50 Ом), соответственно (см. рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема однокаскадного усилителя

Таким образом, осуществляется согласование каскадов по мощности. Однако, в общем случае, этот режим не совпадает с режимом минимального шума. В результате согласования усилителя по шумам, т.е. определения таких значений входного и выходного сопротивлений, при которых уровень шума минимален, коэффициент усиления несколько снижается.

Входные и выходные сопротивления большинства ИМС усилителей лежат в диапазоне 30-100 Ом, поэтому их согласование с другими цепями, как правило, имеющими стандартное сопротивление 50 Ом, несколько упрощается. Цепи согласования в этом случае могут быть представлены в виде отрезка микрополосковой линии (МПЛ) конечной длины, который в данном случае играет роль трансформатора сопротивлений [2].

Важной характеристикой любого усилителя является его устойчивость. Поэтому цепи согласования по входу и выходу не должны приводить к существенному снижению инвариантного коэффициента устойчивости [1] и потери устойчивости усилителем в целом. Кроме того, цепи согласования также должны обладать достаточно широкой полосой пропускания и вносить минимальные потери на рабочей частоте.

Большинство микросхем усилителей СВЧ состоят из нескольких последовательно соединенных каскадов. Это позволяет увеличить коэффициент усиления, но вызывает проблемы развязки при подаче напряжений питания и смещения. Экономически и конструктивно выгодней использовать по одному источнику питания и смещения для всех каскадов усилителя. Однако взаимосвязь между собой выводов питания различных каскадов может привести к возникновению паразитных обратных связей и потери устойчивости усилителем в целом.

Другая проблема связана с внесением шумов источниками (как на рабочей частоте, так и на отличных от нее частотах). Шумы даже небольшой мощности, привнесенные источником в первых каскадах усиления, усиливаясь следующими каскадами, могут стать причиной возникновения интерференционных и интермодуляционных помех, спектр которых перекрывается со спектром полезного сигнала, а также снижения устойчивости [3, 4].

Таким образом, цепи развязки должны поглощать сигналы, которые поступают на клеммы питания и смещения ИМС на частотах, близких к рабочей частоте, а также препятствовать распространению сигналов, которые поступают с выхода микросхемы. Это обеспечивается при минимальных значениях параметров S12 и S11 цепей развязки (а также S21 и S22, потому что такие схемы, как правило, симметричны). Кроме того, сопротивление цепи на рабочей частоте со стороны микросхемы должно быть минимальным. Безусловно, постоянная составляющая напряжения должна претерпевать минимальное ослабление. Следует также отметить, что на частотах ниже рабочей частоты и в ее окрестности крайне нежелательно наличие резких пиков частотных характеристик цепей питания и смещения. Неравномерность характеристик может стать причиной возникновения помех на частотах, составляющих десятки – сотни МГц и потери устойчивости усилителем.

Анализ требований, предъявляемых к цепям развязки, дает возможность утверждать, что они фактически представляют собой НЧ-фильтры. На более низких частотах для подобных целей используются RC-фильтры. На СВЧ, в связи с увеличением частоты среза такого фильтра, возникает необходимость использовать более сложные решения. Наиболее распространенный принцип организации цепей развязки заключается в последовательном соединении нескольких участков цепи, каждый из которых обеспечивает развязку в определенном диапазоне частот. При этом принципы построения отдельных участков могут отличаться.

Технологически, наиболее сложно изготовление участков цепей, обеспечивающих развязку в рабочем диапазоне частот, ввиду их очень малых размеров. Поэтому, как правило, они включены непосредственно в состав самой микросхемы. Входы питания и смещения ИМС являются, по сути, выходами данных цепей. Точность изготовления внутренних цепей питания и смещения обеспечивает, при правильной организации внешних участков цепей, хорошую развязку на рабочей частоте усилителя и в ее окрестностях.

Наиболее простой и очевидный способ организации внешних цепей питания и смещения предлагается производителями микросхем. На рис. 4 представлен пример схемы цепей развязки взятый из технической документации на ИМС усилителя RMWL38001 [5], предназначенной для работы в частотном диапазоне 37-40 ГГц. На рисунке видны внутренние цепи питания и смещения, представляющие собой LC и RC-фильтры, образованные элементами с распределенными параметрами.

Рис. 4. Цепи питания и смещения на примере ИМС RMWL38001

Рассмотрим внешнюю цепь развязки на примере цепи питания. Она состоит из параллельно включенных заземленных конденсаторов поверхностного монтажа, соединенных между собой и с выводами микросхемы с помощью тонких золотых проволок, играющих роль индуктивностей. Следовательно, цепь представляет собой двухзвенный низкочастотный LC-фильтр. Причем конденсаторы, подключенные к микросхеме, имеет меньшую емкость, а соединительные проводники – меньшую длину (что соответствует меньшей индуктивности), чем аналогичные элементы последующего звена. Таким образом, непосредственно к микросхеме подключаются звенья цепи развязки, имеющие наибольшую частоту среза, а к источнику постоянного напряжения – наименьшую.

Несмотря на простоту и наглядность, данная схема имеет ряд недостатков. Необходимость использования достаточно большого количества внешних элементов с сосредоточенными параметрами, а также связь их с помощью тонких соединительных проволок может создать трудности при сборке устройства и увеличивает его стоимость.

Кроме того, такие цепи имеют значительные размеры, а взаимное влияние соседних навесных проводников плохо предсказуемо. К тому же они могут быть причиной появления нежелательного электромагнитного излучения вокруг микросхемы. Как показывают исследования [6], необходимо стремиться к созданию цепей питания как можно меньших геометрических размеров и подводить выводы источников напряжения как можно ближе к микросхеме. Это позволяет улучшить устойчивость усилителя в целом и предотвратить его самовозбуждение.

Рассмотренную цепь можно изобразить упрощенно, представив конденсаторы в виде последовательно соединенных пластин с увеличивающимися площадями, расположенных над заземленным основанием. В пределе, уменьшая длины соединительных проводников до нуля, а также сглаживая форму пластин, получим МПЛ с изменяющимся по длине волновым сопротивлением, имеющую форму кругового сектора, центр которого является точкой соединения с микросхемой, а внешняя сторона – с источником питания (см. рис. 5).

Важно отметить, что размер линии (радиус сектора) определяется конструктивными особенностями устройства и может превышать длину волны, что упрощает его реализацию. Одним из наиболее подходящих диэлектриков является минеральная слюда, относительная диэлектрическая проницаемость которой составляет до 6-10. Минимальная толщина слюдяной пластинки, которая может быть реализована технологически, составляет десятые доли миллиметра. Уменьшение толщины диэлектрика и увеличение его относительной диэлектрической проницаемости, как показывают результаты моделирования, способствует получению более глубокой развязки.

Рис. 5. Цепь развязки на основе МПЛ в виде кругового сектора

Для обеспечения развязки на частотах ниже рабочей параллельно рассматриваемому секторному шлейфу может быть подключен конденсатор поверхностного монтажа емкостью 100 пФ и более (см. рис. 5).

На рисунке 6 представлен график зависимости коэффициента передачи S21 данной цепи от частоты, полученный при помощи моделирования в пакете Microwave Office.

Рис. 6. Зависимость коэффициента передачи от частоты

Таким образом, коэффициент передачи S21 в диапазоне 30-50 ГГц составляет -50 … -60 дБ, что вполне достаточно для осуществления качественной развязки. Цепь может быть настроена на достижение минимума характеристики на определенной частоте путем изменения размеров (главным образом – радиуса) сектора.

На рис. 7 показано распределение напряженности электрического поля в рассматриваемой структуре.

Рис. 7. Распределение напряженности электрического поля в зависимости от фазы сигнала. Более темные участки соответствуют отрицательным значениям напряженности. Анимированный рисунок, состоящий из 9 кадров, повторяющихся 10 раз. Выполнено при помощи программы GifAnimator.

Следует отметить еще одно достоинство цепей развязки на основе МПЛ в виде круговых секторов – низкое взаимное влияние между близко расположенными линиями. Как показывают результаты моделирования с учетом распределения электромагнитного поля, подтвержденные экспериментальными исследованиями, коэффициент передачи между входами двух цепей развязки, расположенными на расстоянии, соизмеримом с их геометрическими размерами составляет приблизительно -200 дБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Потенциальные характеристики существующей материальной базы вполне удовлетворяют современным требованиям. Однако, в действительности, неидеальный характер внешних цепей (согласующих цепей и цепей развязки по питания и смещению) может стать причиной ухудшения характеристик усилителя в целом.

Результатом данной работы является определение параметров и конструктивных особенностей внешних цепей усилителя СВЧ, построенного на интегральных микросхемах. Как показывают результаты моделирования, простейшие цепи согласования в виде отрезков микрополосковых линий обеспечивают трансформацию входного и выходного сопротивления микросхем и при этом позволяют сохранить широкополосность устройства.

Недостатки, присущие цепям развязки по питанию и смещению, построенным на основе элементов с сосредоточенными параметрами (относительная сложность изготовления, возможность появления нежелательных наводок и помех и др.) могут быть в значительной степени решены, путем использования в качестве внешних цепей развязки распределенных микрополосковых цепей на основе неоднородных линий. В качестве топологии микрополосковой линии предложен круговой сектор либо треугольник. Линии такой формы обладают достаточной широкополосностью и теоретически повышают устойчивость усилителя.

Следует отметить, что результаты, описанные в автореферате являются предварительными. Исследования и эксперименты в рамках данной магистерской работы продолжаются, поэтому результаты могут быть уточнены.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Ключарев М.Ю. Малошумящие транзисторные усилители СВЧ: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1998. – 32 с.: ил.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами: Учеб. пособие для вузов. – М: Высш. школа, 1980. – 152 с.

3. Руденко В.М., Малошумящие входные цепи СВЧ приемных устройств. – М.: Связь, 1971.

4. International microwave handbook. Gunthard Kraus, DG8GB. Earthing in hf and microwave circuits... a case for puff.

5. RMWL 38001. 37-40 GHz Low Noise Amplifier MMIC. Product Information.

6. Y.Y. Wei, P. Gale and E. Korolkiewicz. Effects of Grounding and Bias Circuit on the Performance of High Frequency Linear Amplifiers http://www.mwjournal.com/article.asp?HH_ID=AR_4828. - Электрон. версия печ. публикации.