МАТВІЙЧУК   Євген Миколайович

Автореферат

ВСТУП

Незважаючи на стрімкий розвиток провідних і в тому числі волоконно-оптичних засобів зв'язку, роль радіосистем важко переоцінити при необхідності створення лінії зв'язку у важкодоступних районах, або організації зв'язку з рухомими абонентами.

На сьогоднішній день технології та пристрої НВЧ в більшості випадків визначають технічну та економічну ефективність систем радіозв’язку, телебачення, радіолокації, радіонавігації тощо. При цьому важливим критерієм впровадження нової телекомунікаційної системи є доступність радіодіапазону. Саме нестача вільних частот в освоєному діапазоні є однією з причин виникнення інтересу до розробки приладів, що працюють на частотах у десятки ГГц та більше. Іншим фактором розвитку надвисокочастотної техніки є розвиток інформаційних технологій та виникнення потреби передавання інформації з високою швидкістю.

Умови радіоприйому в діапазоні НВЧ відрізняються тим, що на цих частотах в меншій мірі, ніж, наприклад, на метрових хвилях, проявляється негативний вплив зовнішніх завад. Однак, сигнал НВЧ зазнає дуже сильного послаблення при розповсюджені в атмосфері Землі. Поглинання енергії коливань відбувається в гідрометеорах, парах води та кисню повітря. Ці особливості розповсюдження сигналу мають визначальну роль при обиранні принципів побудови, структури та елементної бази приймально-передавльних систем.

Особливості освоєння надвисокочастотного діапазону пов'язані з труднощами створення твердотільних НВЧ активних приладів. Крім того, при проектуванні й розробці НВЧ мікроелектронних пристроїв необхідно враховувати багато факторів, що обумовлені малими розмірами вузлів, концентрацією сильних полів у малих обсягах, наявністю ланцюгів паразитного зв'язку, взаємодією близько розташованих елементів, труднощами відводу тепла, вимогами до точності виготовлення й однорідності матеріалів. Все це свідчить про актуальність обраного напрямку.

НАУКОВА НОВИЗНА

Наукова новизна даної магістерської роботи полягає в наступному:

• дослідження апаратури зв'язку надвисокочастотного діапазону хвиль;
• розробка багатокаскадних підсилювачів на основі ІМС;
• дослідження й розробка кіл живлення й зсуву мікросхем підсилювачів на основі ліній з розподіленими параметрами;
• аналіз можливості й пропозиція способів створення уніфікованого підсилювача НВЧ, здатного працювати як у тракті прийому так і передачі.

Об'єктом дослідження є двокаскадний підсилювач НВЧ, побудований на основі інтегральних мікросхем.

Предметом дослідження є параметри та характеристики кіл міжкаскадного узгодження, а також кіл розв'язки за живленням й зсувом.

Метою магістерської роботи є дослідження особливостей створення НВЧ підсилювачів міліметрового діапазону, обґрунтування параметрів компонентів пристрою, а також розробка макета підсилювача й експериментальне підтвердження теоретичних висновків.

ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ

У магістерській роботі ставляться наступні завдання:

• вивчити принципи побудови й проаналізувати параметри сучасних засобів радіозв'язку різного призначення;
• вивчити вплив НВЧ підсилювачів на характеристики телекомунікаційних систем;
• проаналізувати вимоги, що висуваються до підсилювачів НВЧ у каналах прийому й передачі, а також сучасні способи їх реалізації;
• вивчити способи реалізації кіл розв'язки за живленням й зсувом, а також кіл міжкаскадного узгодження підсилювачів міліметрового діапазону, побудованих на основі ІМС;
• розробити макет НВЧ підсилювача міліметрового діапазону хвиль на основі ІМС.

ОСНОВНА ЧАСТИНА

Розглянемо типову структуру приймально-передавальної апаратури НВЧ. Радіопередавач представляє собою складну систему, що включає високочастотний тракт, модулятор, який здійснює керування коливаннями високої частоти в залежності від інформації, що передається, джерела живлення, пристрої захисту та охолодження.

Зазвичай, передавачі, що працюють у діапазоні НВЧ, будуються за наступним принципом (див. рис. 1): модуляція сигналу забезпечується на деякій проміжній частоті (ПЧ). Отриманий спектр шляхом нелінійного перетворення (множення з сигналом гетеродіну Г) в змішувачі ЗМ переноситься до області НВЧ. Сигнал з виходу змішувача підсилюється (ПНВЧ) та передається. На рис. 1: ПНВЧ – підсилювач надвисокої частоти, ППЧ – підсилювач проміжної частоти.

Рис. 1. Структурна схема НВЧ-тракту передавача

Структура приймача НВЧ схожа зі структурою передавача. Як правило, приймачі НВЧ також будуються на основі гетеродинної схеми. Саме це зумовлює збіг у структурі та принципах роботи. Але характеристики окремих елементів та їх взаємний вплив мають свої особливості.

Конструктивно приймач складається з наступних основних елементів (див. рис. 2): смугового фільтру СФ, підсилювача НВЧ, змішувача ЗМ, гетеродину Г, підсилювача проміжної частоти ППЧ, що включає кілька каскадів та коректора групового часу затримки КГЧЗ.

Для підвищення ефективності роботи приймача необхідно забезпечити у вхідному пристрої мінімальне послаблення корисного сигналу й максимально знизити рівень завад. Ці функції виконують СФ та вхідний НВЧ підсилювач, налаштований на робочу частоту.

Рис 2 Структурна схема НВЧ-тракту приймача

В загальному випадку до підсилювачів в трактах прийому та передачі висуваються різні вимоги. Основними параметрами, що характеризують потужні вихідні підсилювачі передавачів, в першу чергу, є коефіцієнт підсилення та вихідна потужність.

Номінальна потужність на виході ПНВЧ, яка залежить від типу РСП. У РРСП великої ємності й ретрансляторах ССП використаються передавачі з вихідною потужністю 0,5...16 Вт. В апаратурах наземних станцій ССП номінальна вихідна потужність передавального комплексу становить 20...10 000 Вт, верхня межа зазначеної потужності характерний і для ТРСП.

Коефіцієнт підсилення зазвичай становить 26...40 дБ і також залежить від типу передавача, до складу якого входить підсилювач. Крім того, лінійність амплітудної характеристики підсилювача повинна бути досидь високою (не перевищувати десятих часток децибела в робочій смузі частот); особливо це стосується систем що передають сигнали декількох каналів.

Як було зазначено вище, радіоприймальна система НВЧ, що складається з антени, антенно-фідерного тракту та безпосередньо каскадів приймача, може бути представлена, як каскадне з?єднання n чотириполюсників, кожний з яких характеризується коефіцієнтом передачі (підсилення) потужності, а також власним коефіцієнтом шуму.

Загальний коефіцієнт шуму n-каскадної системи при відсутності перевідбиття сигналу всередині неї визначається за формулою Фриїса [1]:

                                              (1)

Коефіцієнт шуму є однією з визначальних величин при розрахунку чуттєвості приймача. Зменшення сумарного коефіцієнту шуму Kш_? є найбільш ефективним засобом чуттєвості. Для цього крім зменшення коефіцієнтів шуму окремих каскадів необхідно підвищувати їх коефіцієнти підсилення.

Аналіз формули 1 дає змогу визначити, що найбільший внесок в загальний коефіцієнт шуму системи вносять перші каскади, якими як правило є підсилювачі НВЧ. Саме тому, при проектуванні вхідних підсилювачів приймачів найбільша увага приділяється забезпеченню мінімального коефіцієнта шуму (малошумлячі підсилювачі, МШП).

Коефіцієнт підсилення МШП вхідного кола повинен бути достатнім для ефективного зменшення шумів підсилювально-перетворювальних пристроїв, що слідують за МШП (змішувач, тракт ПЧ). У сучасних приймальних пристроях коефіцієнт шуму другого каскаду підсилювачів або підсилювально-перетворювальних пристроїв складає не більше 10-l5 дБ. Тому коефіцієнт підсилення МШП повинен бути не менше 15 дБ.

Окрім вищезазначеного, ширина смуги посилення підсилювачів обох типів повинна бути узгоджена зі спектром сигналу, що приймається або передається, забезпечуючи його не викривлену передачу до наступних каскадів або антени.

Таким чином, зовнішні параметри системи зв?язку в цілому (максимальна відстань, на якій можливий зв?язок, максимальна пропускна здатність каналу та інші) здебільшого залежать від характеристик вихідних кіл передавачів (від потужності сигналу, що передається) та від вхідних кіл приймачів (від чуттєвості), тобто від параметрів підсилювачів НВЧ. Це говорить про актуальність та важливість пошуку шляхів удосконалення та оптимізації існуючих технічних рішень в даній області та запровадженню нових ідей.

В найбільшій мірі зазначеним вище вимогам відповідають підсилювальні системи, побудовані на основі електронно-вакуумних приладів. Однак їхніми істотними недоліками є більші габарити, значна споживана потужність, необхідність наявності систем охолодження й т.п., що значно звужує діапазон застосування. Як правило, такі підсилювачі застосовуються в системах тропосферного, супутникового зв'язку, де необхідна висока потужність сигналу передавача, у радіолокації, радіоастрономії.

При розробці комерційних телекомунікаційних систем і мереж, призначених для широкого кола користувачів, одними з найважливіших споживчих властивостей переносних пристроїв є їхня мобільність, простота й зручність експлуатації, мінімальні габарити. Крім того, необхідно прагнути забезпечити мінімальну вартість виробництва й експлуатації серед пристроїв зв'язку аналогічного призначення, що дозволить досягти високої конкурентоспроможності на ринку. Можливість налагодження автоматизованого процесу виробництва й відсутність необхідності проведення настроювання готового виробу відкриває можливості для його широкого впровадження й побудови масових телекомунікаційних мереж.

Сучасні підсилювачі НВЧ на основі напівпровідникових технологій здатні розвивати вихідну потужність до декількох десятків дБм на частоті до 50 ГГц. Найбільш малошумлячі з них мають рівень власних шумів до 3-4 дБ, що порівняно з рівнем зовнішніх завад і тому є мінімальною межею доцільності зниження шумів вхідних каскадів.

Напівпровідникові пристрої НВЧ випускаються, як правило, у вигляді інтегральних мікросхем, які являють собою готові модулі й блоки (наприклад, підсилювачі). Це значно полегшує зборку пристрою, зменшує його габарити. Потужність, споживана такими мікросхемами на кілька порядків менше потужності, споживаної електронно-вакуумними приладами.

Основні технічні завдання, що виникають при використанні інтегральних мікросхем підсилювачів у вхідних і вихідних каскадах апаратури НВЧ - забезпечення їх узгодження із сусідніми каскадами, а також створення якісних кіл розв'язки за живленням й зсувом.

Підсилювач НВЧ може забезпечити свої потенційні характеристики тільки в тому випадку, коли він правильно навантажений, тобто тоді, коли опори джерела сигналу й навантаження в площині підсилювача мають цілком певні значення. Максимальна потужність передається від джерела в навантаження в тому випадку, коли їх опори є комплексно-сполученими числами, Z_Г= Z_Н*. Як правило, ця умова не виконується, тому основною функцією кіл узгодження (КУ) є приведення вхідного (Z1) і вихідного (Z2) опорів ІМС підсилювача до внутрішнього опору джерела сигналу й навантаження (зазвичай, 50 Ом), відповідно (див. рис. 3).

Рис. 3. Структурна схема однокаскадного підсилювача

Таким чином, здійснюється узгодження каскадів за потужністю. Однак, у загальному випадку, цей режим не збігається з режимом мінімального шуму. В результаті узгодження підсилювача за шумами, тобто визначення таких значень вхідного й вихідного опорів, при яких рівень шуму мінімальний, коефіцієнт підсилення дещо знижується.

Вхідні й вихідні опори більшості ІМС підсилювачів лежать у діапазоні 30-100 Ом, тому їх узгодження з іншими колами, що мають, як правило, стандартний опір 50 Ом, трохи спрощується. Кола узгодження в цьому випадку можуть бути представлені у вигляді відрізків мікрополоскової лінії (МПЛ) кінцевої довжини, що у цьому випадку відіграє роль трансформатора опорів [2].

Важливою характеристикою будь-якого підсилювача є його стійкість. Тому кола узгодження по входу й виходу не повинні призводити до істотного зниження інваріантного коефіцієнта стійкості [1] і втрати стійкості підсилювачем у цілому. Крім того, кола узгодження також повинні мати досить широку смугу пропущення й вносити мінімальні втрати на робочій частоті.

Більшість мікросхем підсилювачів НВЧ складаються з декількох послідовно з'єднаних каскадів. Це дозволяє збільшити коефіцієнт підсилення, але викликає проблеми розв'язки при подачі напруг живлення та зсуву. Економічно й конструктивно доцільніше використати по одному джерелу живлення та зсуву для всіх каскадів підсилювача. Однак взаємозв'язок між собою портів живлення різних каскадів може призвести до виникнення паразитних зворотних зв'язків і втрати стійкості підсилювачем у цілому.

Інша проблема пов'язана із внесенням шумів джерелами (як на робочій частоті, так і на відмінних від неї частотах). Шуми навіть невеликої потужності, привнесені джерелом у перших каскадах посилення, підсилюючись наступними каскадами, можуть стати причиною виникнення інтерференційних і інтермодуляційних завад, спектр яких перекривається зі спектром корисного сигналу, а також зниження стійкості [3, 4].

Таким чином, кола розв’язки повинні поглинати сигнали, які надходять на клеми живлення та зсуву ІМС на частотах, близьких до робочої частоти, а також перешкоджати поширенню сигналів, які надходять із виходу мікросхеми. Це забезпечується при мінімальних значеннях параметрів S₁₂ і S₁₁ кіл розв'язки (а також S₂₁ і S₂₂, тому що такі схеми, як правило, симетричні). Крім того, опір кола на робочій частоті з боку мікросхеми повинне бути мінімальним. Безумовно, постійна складова напруги повинна зазнавати мінімальне послаблення. Слід також зазначити, що на частотах нижче робочої частоти та на частотах близьких до неї вкрай небажана наявність різких піків частотних характеристик кіл живлення та зсуву. Нерівномірність характеристик може стати причиною виникнення завад на частотах, що становлять десятки - сотні МГц і втрати стійкості підсилювачем.

Аналіз вимог, що висуваються до кіл розв'язки, дає можливість стверджувати, що вони фактично являють собою НЧ-фільтри. На більш низьких частотах для подібних цілей використовуються RC-фільтри. На НВЧ, у зв'язку зі збільшенням частоти зрізу такого фільтра, виникає необхідність використовувати більш складні рішення. Найпоширеніший принцип організації кіл розв'язки полягає в послідовному з'єднанні декількох ділянок кола, кожний з яких забезпечує розв'язку в певному діапазоні частот. При цьому принципи побудови окремих ділянок можуть відрізнятися.

Технологічно, найбільш складне виготовлення ділянок кіл, що забезпечують розв'язку в робочому діапазоні частот, через їх дуже малі розміри. Тому, як правило, вони включені безпосередньо до складу самої мікросхеми. Входи живлення та зсуву ІМС є, по суті, виходами даних кіл. Точність виготовлення внутрішніх кіл живлення та зсуву забезпечує, при правильній організації зовнішніх ділянок кіл, гарну розв'язку на робочій частоті підсилювача й у її околицях.

Найбільш простий і очевидний спосіб організації зовнішніх кіл розв’язки за живленням та зсувом пропонується виробниками мікросхем. На рис. 4 представлений приклад схеми кіл розв'язки взятий з технічної документації на ІМС підсилювача RMWL38001 [5], призначеної для роботи в частотному діапазоні 37-40 ГГц. На малюнку видно внутрішні кола живлення та зсуву, що представляють собою LC і RC-фільтри, утворені елементами з розподіленими параметрами.

Рис. 4. Кола живлення та зсуву на прикладі ІМС RMWL38001

Розглянемо зовнішнє коло розв'язки на прикладі кола живлення. Воно складається з паралельно включених заземлених конденсаторів поверхневого монтажу, з'єднаних між собою й з портами живлення мікросхеми за допомогою тонких золотих дротів, що грають роль індуктивностей. Отже, ланцюг являє собою низькочастотний LC-фільтр, який складається з двох ланок. Причому конденсатори, підключені до мікросхеми, має меншу ємність, а сполучні провідники - меншу довжину (що відповідає меншій індуктивності), чим аналогічні елементи наступної ланки. Таким чином, безпосередньо до мікросхеми підключаються ланки кола розв'язки, що мають найбільшу частоту зрізу, а до джерела постійної напруги - найменшу.

Незважаючи на простоту й наочність, дана схема має ряд недоліків. Необхідність використання досить великої кількості зовнішніх елементів із зосередженими параметрами, а також зв'язок їх за допомогою тонких сполучних дротів може створити труднощі при зборці пристрою й збільшує його вартість.

Крім того, такі ланцюги мають значні розміри, а взаємний вплив сусідніх навісних провідників погано передбачуваний. До того ж вони можуть бути причиною виникнення небажаного електромагнітного випромінювання навколо мікросхеми. Як показують дослідження [6], необхідно прагнути до створення ланцюгів живлення якомога менших геометричних розмірів і підводити виводи джерел напруги якнайближче до мікросхеми. Це дозволяє поліпшити стійкість підсилювача в цілому й запобігти його самозбудженню.

Розглянуте коло можна зобразити спрощено, представивши конденсатори у вигляді послідовно з'єднаних пластин із площами, що збільшуються, розташованих над заземленою основою. Зменшуючи довжини сполучних провідників до нуля, а також згладжуючи форму пластин, одержимо МПЛ, що має форму кругового сектора із хвильовим опором, що змінюється по довжині, центр якого є точкою з'єднання з мікросхемою, а зовнішня сторона - із джерелом живлення (див. рис. 5).

Важливо відзначити, що розмір лінії (радіус сектора) визначається конструктивними особливостями пристрою й може перевищувати довжину хвилі, що спрощує його реалізацію. Одним з найбільш підходящих діелектриків є мінеральна слюда, відносна діелектрична проникність якої становить до 6-10. Мінімальна товщина слюдяної пластинки, що може бути реалізована технологічно, становить десяті частки міліметра. Зменшення товщини діелектрика й збільшення його відносної діелектричної проникності, як показують результати моделювання, сприяє одержанню більше глибокої розв'язки.

Рис. 5. Коло розв'язки на основі МПЛ у вигляді кругового сектора

Для забезпечення розв'язки на частотах нижче робочої паралельно розглянутому секторному шлейфу може бути підключений конденсатор поверхневого монтажу ємністю 100 пФ і більше (див. рис. 5).

На рис. 6 представлено графік залежності коефіцієнта передачі S₂₁ даного кола від частоти, отриманий за допомогою моделювання в пакеті Mіcrowave Offіce.

Рис. 6. Залежність коефіцієнта передачі від частоти

Таким чином, коефіцієнт передачі S₂₁ у діапазоні 30-50 ГГц становить -50 ... -60 дБ, що цілком достатньо для здійснення якісної розв'язки. Коло може бути налаштоване на досягнення мінімуму характеристики на певній частоті шляхом зміни розмірів (головним чином - радіуса) сектора.

На рис. 7 показаний розподіл напруженості електричного поля в розглянутій структурі.

Рис. 7. Розподiл напруженостi електричного поля в залежностi вiд фази сигналу. Темнi дiлянки вiдповiдають негативному значенню сигнала. Анімований рисунок, що складається з 9 кадрів, якiповторюються 10 разiв. Виконано за допомогою програми GifAnimator.

Слід зазначити ще одне достоїнство ланцюгів розв'язки на основі МПЛ у вигляді кругових секторів - низький взаємний вплив між близько розташованими лініями. Як показують результати моделювання з урахуванням розподілу електромагнітного поля, підтверджені експериментальними дослідженнями, коефіцієнт передачі між входами двох ланцюгів розв'язки, розташованими на відстані, порівнянній з їхніми геометричними розмірами становить приблизно -200 дБ.

Висновки

Через те, що генерація, модулювання й детектування сигналів НВЧ безпосередньо на частоті передачі викликає значні технологічні труднощі, широке поширення в трактах прийому й передачі одержала гетеродинна схема. Отриманий після перетворень на низькій частоті спектр сигналу переноситься в область НВЧ і передається.

Основною вимогою, що висувається до передавачів НВЧ є по можливості більший рівень вихідного сигналу, до приймачів - по можливості більша чуттєвість, тобто здатність приймати слабкий сигнал. Ці обидві вимоги значною мірою фізично реалізуються за допомогою підсилювачів. У першому випадку - підсилювачів потужності, у другому - малошумлячих підсилювачів. Тому вдосконалення існуючих рішень і пошук нових принципів побудови підсилювачів НВЧ сприяє розвитку систем радіозв'язку й телекомунікацій у цілому.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

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. - Електрон. версія друк. публікації