СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2015 Сравнение методик согласования импедансов при проектировании усилителей В статье рассматриваются различные типы усилителей, что необходимо для определения того, в каких случаях стоит реализовывать согласование на гармониках, а в каких – нет. Также в статье приводятся различные методологии гармонических измерений harmonic Load-Pull, используемых при проектировании усилителей. Стив Дудкевич, Марк Шульц Тенберг, Джампьеро Эспозито, Maury Microwave Corp. и Трэвис Барбьери, Freescale Semiconductor Перевод: Елена Кириленко Современные телекомуникацион- ные системы, как коммерческие, так и военные, требуют постоянного улуч- шения показателей выходной мощно- сти, КПД, линейности и рабочего диа- пазона частот. Для этого в процессе проектирования внутренних компо- нентов систем необходимо уделять дополнительное внимание малошу- мящим усилителям и усилителям мощности. С целью достижения высоких зна- чений КПД были проведены серьёз- ные исследования в области согласова- ния импедансов нагрузки на одной или нескольких гармониках. Равнозначные усилия были затрачены на разработку коммерческой измерительной систе- мы, получившей название harmonic Load-Pull (далее Load-Pull), которая смо- жет помочь в определении идеальных согласующих импедансов на основной частоте и на гармониках для улучше- ния выходных характеристик. Перед началом процесса проектиро- вания необходимо выяснить, требуется ли системе усилитель с согласованием на гармонических частотах? Если да, то какой тип был бы предпочтительнее? С ОГЛАСОВАНИЕ ИМПЕДАНСА НА ГАРМОНИКАХ И ЕГО РОЛЬ В ПРОЕКТИРОВАНИИ УСИЛИТЕЛЕЙ Усилители мощности (УМ) проекти- руются для широкого спектра задач, поэтому разработчикам приходится иметь дело как с линейными усилите- лями класса «А», так и с нелинейными. Таким образом, некоторые УМ проек- тируются на несогласованных транзи- сторах, другие на полностью согласо- ванных компонентах. А необходимость согласования на гармониках определя- ется целями проектирования и типом используемого транзистора. Усилители, работающие в линей- ном режиме, не генерируют сигналы на гармонических частотах, и, соот- ветственно, мощность на выходе таких устройств прямо пропорциональна мощности на входе. Поскольку мощно- сти на гармонических частотах нет, то и согласование на них не будет влиять на характеристики всего устройства. Существует множество математических методов, использующих S-параметры для определения оптимального импе- данса на входе и выходе транзисто- ра [1, 2]. Для нахождения идеального согласующего импеданса для заданной добротности в качестве альтернативы можно использовать измерительную систему Load-Pull на основной частоте. Современные коммерческие и воен- ные радиотехнические системы порой должны функционировать в диапазо- не нескольких октав или в декаде для того, чтобы удовлетворить требовани- ям по ширине спектра. Таким образом, широкополосные усилители являются критическим элементом радиотехни- ческих и радиолокационных систем, которые зачастую определяют выход- ную мощность и стабильность коэф- фициента усиления во всём рабочем диапазоне частот. При проектирова- нии УМ согласование на основной частоте определяет выходную мощ- ность и коэффициент усиления. В слу- чае проектирования широкополосного УМ идеальный согласующий импеданс должен быть вычислен для множества поддиапазонов всей рабочей полосы частот, а синтезированная согласую- щая цепь должна обеспечивать требу- емый широкополосный отклик. При таком согласовании высока вероят- ность того, что гармонические состав- ляющие нижних частот рабочего диа- пазона совпадут с его средними или высокими частотами. Когда происхо- дит такое совпадение, возможности независимого согласования гармони- ческих импедансов для каждой несу- щей частоты практически нет [3, 4]. Рассмотрим в качестве примера про- ектирование широкополосного УМ, работающего в диапазоне частот от 3,1 до 10,6 ГГц. Теоретически для основ- ной частоты 3,1 ГГц усилитель класса F требует нагрузки КЗ (короткое замы- кание) на второй гармонике 6,2 ГГц и ХХ (холостой ход) на третьей гар- монике 9,3 ГГц. Однако частоты 6,2 ГГц и 9,3 ГГц являются также и основны- ми частотами для рабочего диапазона данного УМ и нагрузки КЗ и ХХ могут значительно ухудшить характеристи- ки усилителя. Коммерческие транзисторы доступ- ны на рынке от множества производи- телей, с разным уровнем согласования. Несогласованные транзисторы могут быть настроены на получение мак- симальных характеристик на задан- ной частоте, уровне мощности и сме- щении. Достигается это путём опре- деления оптимальных нагрузочных условий на основной частоте и, в слу- чае необходимости, на гармониках. Для предсогласованных и полностью согласованных компонентов возмож- ность существенно изменить импеданс, представленный уже корпусированно- му устройству с уже имеющейся согла- сующей цепью, значительно снижается. Предсогласованные и согласованные транзисторы в основном предлагают- ся с уже встроенным согласованием на гармонических частотах, предусмот- ренным для определённых примене- ний. Например, для проектирования базовых станций. Таким образом, преи- мущества представления дополнитель- ного согласования на гармониках вне корпуса устройства в данном случае исключаются.