ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Лабораторная работа №2
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛИТЕЛЯ
МОЩНОСТИ»
Вариант №3
Факультет: РЭФ
Группа: РК6-71
Студенты: Еленцев И.И.
Преподаватель: Девятков Г.Н.
г. Новосибирск, 2021
Цель работы:
Познакомиться с методами моделирования мощного СВЧ транзистора.
Получить практические навыки расчёта динамических характеристик
транзистора в режиме большого сигнала. Познакомиться с методами
автоматизированного
синтеза
согласующих
цепей.
Синтезировать
широкополосные согласующие цепи на сосредоточенных и распределенных
(сосредоточенно-распределенных) элементах. Смоделировать усилитель на
транзисторе с согласующими цепями и обеспечить заданные рабочие
характеристики. Приобрести практические навыки решения инженерных
задач в пакете Microwave Office.
Исходные данные:
Pвых = 15Вт
fн÷fв = 120 ÷ 170 МГц
R = 50 Ом
Рис. 1. Исходная схема.
Ход работы:
1. Подберем транзистор удовлетворяющий исходным данным КТ909А.
Таблица 1. Характеристики транзистора КТ909А.
Тип транзистора
Обозначение
C KA
C KП
СЕ
RБ
RК
RЕ
LB1
LB 2
LE1
LE 2
LК
h21ЭО
FТ
CР
RСР
LСР
ЕВ0
КТ909А
ОЭ
8
24
150
2
1
0.1
1.7
0
0.45
0
2
15
650
0
0
0
0.6
Типовой режим
ЕК 0
28
F
500
РВЫХ
24
КР
2.4

60
Ед.измерения
пФ
пФ
пФ
Ом
Ом
Ом
нГн
нГн
нГн
нГн
нГн
МГц
пФ
Ом
Ом
В
В
МГц
Вт
%
С помощью программы моделирования мощного транзистора введем
исходные
данные
и
получим
в
результате
характеристик в режиме большого сигнала. Рис. 1.
расчет
динамических
Рис. 2. Расчет динамических характеристик в режиме большого сигнала
Характеристики получили для частот 120÷170 МГц, с шагом 10МГц.
2. Создали файл - модели транзистора.
# MHZ S PI R 50
120 -0.922 0.014 1.008 0 0 0 -0.742 -0.002
130 -0.922 0.005 0.930 0 0 0 -0.744 -0.002
140 -0.922 0.004 0.863 0 0 0 -0.746 -0.001
150 -0.922 -0.012 0.805 0 0 0 -0.748 -0.001
160 -0.922 -0.019 0.747 0 0 0 -0.754 0.0003
170 -0.921 -0.027 0.703 0 0 0 -0.756 0.004
3. Создаем новый проект в Mircowave Office .
4. Создаем новую схему.
5. Создаем модель транзистора.
5.1. Импорт файла - модели транзистора в Mircowave Office.
5.2. Создание модели транзистора как четырехполюсника. Рис. 2.
Рис. 3. Модель транзистора
6. Определение простейших структур эквивалентных цепей входа и
выхода транзистора.
6.1. Создаем графики zвх(yвых) и zвх (yвых) транзистора. Рис. 3.
Рис. 4. Реальные и мнимые части входного и выходного импедансов
транзистора.
6.2. Определение эквивалентных схем по входу и выходу транзистора.
Вид
эквивалентной
схемы
Частотные зависимости
Re Zвх(Yвх) и Im Zвх(Yвх)
Расчет значений.
Так как индуктивность по выходу слишком маленькая, то ее учитывать
не будем.
6.3. Создание эквивалентных схем по входу и выходу транзистора.
7. Определение структур широкополосных согласующих цепей по
входу и выходу транзистора и нахождение значений их элементов.
7.1. Определение структур широкополосных согласующих цепей по
входу и выходу транзистора.
Используя найденные эквиваленты входа и выхода транзистора и рис.
4., определим структуры согласующих цепей так, чтобы эквивалентные
схемы входа и выхода транзистора вписывались в выбранные структуры с
учетом направления трансформации активного сопротивления к заданному
сопротивлению генератора или нагрузки.
Рис. 5. Структура согласующей цепи.
7.2. Создание структур широкополосных согласующих цепей по входу
и выходу транзистора.
Используя полученные эквивалентные схемы, создаем выбранную
структуру широкополосного согласующей цепи по входу и выходу
транзистора ограничиваясь минимальным количеством элементов.
7.3. Определение значений элементов широкополосных согласующих
цепей по входу и выходу транзистора.
Значения элементов выбранных структур определяются в процессе
оптимизации входной и выходной согласующих цепей, обеспечивая
требуемый уровень КстU в заданной полосе рабочих частот.
Учитывая, что в результате оптимизации входной согласующей цепи
получены частотные характеристики первого порядка, это означает, что
значение реактивного элемента эквивалента входа транзистора,
участвующего в формировании частотной характеристики КстU, больше или
меньше значения необходимого для получения оптимальной частотной
характеристики.
Следовательно, для улучшения решения к входу транзистора
необходимо подключить дополнительно емкость или индуктивность и
подоптимизировать согласующую цепь. Подключение к входу и к выходу
транзистора емкости для компенсации части индуктивного сопротивления и
последующей подоптимизации позволило улучшить решение. Рис. 5, Рис. 6.
Рис. 6. Входная согласующая цепь
Рис. 7. Выходная согласующая цепь.
На рис. 7, 8 частотная характеристика входной и выходной
согласующей цепи после подоптимизации.
Рис. 8. КстU входной согласующей цепи
Рис. 9. КстU выходной согласующей цепи
8. Создание схемы усилителя в сосредоточенном элементном базисе.
На рис. 9, приведена схема широкополосного усилителя мощности с
синтезированными согласующими цепями по входу и выходу после
оптимизации.
Рис. 10. Схема широкополосного усилителя мощности на сосредоточенных
элементах.
Модель транзистора представлена
S - матрицей транзистора. Рабочие
характеристики усилителя приведены на рис. 10.
Рис. 11. Рабочие характеристики усилителя мощности.
9. Создание схемы широкополосного усилителя мощности в
распределенном (сосредоточенно-распределенном) электрическом
элементном базисе.
При переходе в распределенный (сосредоточенно-распределенный)
электрический элементный базис по формулам (1), (2), (3) определяем
волновые сопротивления zi и электрические длины i отрезков линий
передачи. Для некоторых элементов найденные значения zi и i отрезков
линий передачи не удовлетворяют рекомендованным ограничениям, эти
элементы
оставляем
сосредоточенными.
Собераем
схему
с
учетом
особенностей построения в данном элементном базисе. Рис. 11. Рабочая
характеристика. Рис. 12.
xi  2f0 Li  zi sin i ,
(1)
xi  2f0 Li  zi tg i .
(2)
bi  2f0Ci  yi tg i ,
Рис. 12. Схема широкополосного усилителя мощности на
сосредоточено-распределенных элементах
(3)
Рис. 13. Рабочие характеристики усилителя мощности
10. Создание схемы
широкополосного усилителя
мощности
в
сосредоточенно-геометрическом распределенном элементном базисе.
Рис. 13 структурная схема широкополосного усилителя мощности в
сосредоточенно-геометрическом
распределенном
элементном
базисе,
полученная из схемы (рис. 11) с учетом неоднородностей микрополоскового
тракта «Т – соединение МПЛ» и длины МПЛ емкости.
Рис. 14. Схема широкополосного усилителя мощности в
сосредоточенно-геометрическом распределенном элементном базисе.
Для реализации согласующих цепей по входу и выходу транзистора
выбраны подложки из флан , толщиной 1 мм. В качестве материала МПЛ
выбрана медь, толщина МПЛ 0.01 мм. В местах подсоединения емкостных
элементов и коллекторного вывода транзистора ширина плеч «Т –
соединения МПЛ» определяется шириной выводов этих элементов. Ширина
выводов элементов принята равной 2 мм. На рис. 14 приведены рабочие
характеристики
полученной
схемы
после
подоптимизации
Симплекс
методом. В качестве варьируемых параметров оптимизации были выбраны
сосредоточенные элементы и длины отрезков микрополосковых линий.
Рис. 15. Рабочие характеристики усилителя мощности.
Вывод:
В данной работе мы получили опыт работы с таким активным
элементом как транзистор в САПР MWO. Смоделированы несколько схем:
 Эквивалентная схема;
 Схема усилителя со сосредоточенным элементным базисом;
 Схема широкополосного усилителя мощности в распределенном
(сосредоточенно-распределенном) электрическом элементном
базисе.
Созданы и оптимизированы КСВ по входу и выходу данных схем. Для
реализации согласующих цепей по входу и выходу транзистора выбраны
подложки из флан, толщиной 1 мм. В качестве материала МПЛ выбрана
медь, толщина МПЛ 0.01 мм. В местах подсоединения емкостных элементов
и коллекторного вывода транзистора ширина плеч «Т – соединения МПЛ»
определяется шириной выводов этих элементов. Ширина выводов элементов
принята равной 2 мм.