Транзисторный усилитель мощности СВЧ

таблица1.4.cdw

таблица1.2.pdf

Взам. инв. № Инв. № дубл.

СБ СВЧ моя!.dwg

* Размеры для справок
Паять Пр.в Кр2 ПОС - 61 ГОСТ 21931 - 76
Позиционные обозначения элементов показана условно
Остальные ТТ по ОСТ 4ГО.070.005 ТУ

мой курсовичек.doc

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»
РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ СВЧ
Курсовой проект по дисциплине «Схемо и системотехника ЭС»
Пояснительная записка к курсовому проекту
по специальности 110303 – «Проектирование и технология радиоаппаратуры»
Пояснительная записка
Задание на курсовой проект 4
Анализ технического задания 5
Электрический расчёт устройства 6
1 Выбор транзистора 6
2 Определение структуры транзисторного усилителя мощности 6
3 Расчёт входной СВЧ цепи транзисторного усилителя мощности 7
4 Расчёт выходной СВЧ цёпи транзисторного усилителя мощности 10
5 Расчёт делителя и сумматора мощности 12
Расчёт топологии устройства 16
1 Выбор подложки полосковой платы 16
2 Выбор толщины основного проводящего слоя 18
3 Реализация цепей питания 19
4 Практическая реализация согласующих цепей 20
Назначение предельных отклонений 21
Список литературы 23
Успехи в развитии физики и технологии полупроводников сделали
возможным создание транзисторов обладающих хорошими шумовыми и
усилительными свойствами и способных работать в диапазоне СВЧ.
Транзисторный усилитель СВЧ может обеспечивать заданные электрические
характеристики если транзистор правильно нагружен т.е. если сопротивление
источника сигнала и нагрузки в плоскости транзистора имеет вполне
определённые значения.
Сопротивления реальных источников и приёмников как правило равно 50
Ом поэтому усилитель должен включать в себя согласующие цепи
осуществляющие трансформацию сопротивлений.
Задание на курсовой проект
В данном курсовом проекте необходимо спроектировать транзисторный
усилитель мощности СВЧ.
Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Исходные данные для расчета
Частота f ГГц 09(2%
Тип делителя и сумматора Направл. ответвитель
Транзистор – КТ937Б-2
Анализ технического задания
В малошумящих усилителях СВЧ на биполярных транзисторах
преимущественно используются схемы включения с общим эмиттером поскольку
они работают в широкой области частот. В усилителях выполненных по схеме с
общей базой может быть получено значительно большее усиление чем в схемах
с общим эмиттером однако увеличение усиления связано с уменьшением полосы
пропускания и уменьшением устойчивости усилителя.
Для узкополосного усилителя работающего на частоте f = 09 ГГц
наиболее выгодно использовать схему с общим эмиттером для большей
устойчивости усилителя а для больших мощностей можно использовать схему
сложения с параметром возбуждения (рис. 1).
– делитель мощности; 2 – узкополосный усилитель;
– сумматор мощности.
Рисунок 1 – Схема включения с параллельным возбуждением
В качестве делителей и сумматоров мощности согласно заданию
используется двухдецибельный направленный ответвитель.
Структурная схема простейшего узкополосного усилителя представлена на
рис. 2. Данная схема содержит лишь пассивные цепи служащие для
трансформации сопротивлений (согласующие цепи СЦ).
Рисунок 2 – Структурная схема однокаскадного усилителя
Электрический расчёт устройства
Исходя из задания на курсовой проект выбран транзистор КТ937Б-2 который
обладает следующими параметрами(
Диапазон рабочих частот . 0.9 – 5 ГГц
Выходная мощность на частоте 5ГГц при Uкб=21В
Iэ=0.45А Pвх=2Вт . 3.2Вт
Полное входное сопротивление (0.5+j15) Ом
Полное сопротивление нагрузки ..(3+j1) Ом
2 Определение структуры транзисторного усилителя мощности
Для получения больших мощностей на выходе передатчика сигнала от
задающего генератора поступает на транзисторный усилитель мощности. Для
реализации расчётного режима работы транзистора на выходе и входе
транзисторного каскада необходимо включить согласующие цепи
предназначенные для согласования входного сопротивления транзистора с
сопротивлением возбуждения а также для согласования выходного
сопротивления транзистора с сопротивлением нагрузки.
В общем случае выходное и входное сопротивление транзистора имеют как
индуктивную так и емкостную составляющие.
Однако в большинстве случаев можно считать что во входном
сопротивлении преобладают индуктивная составляющая а в выходном –
Рисунок 3 - Эквивалентная схема входного (а) и
выходного (б) сопротивления транзистора.
С точки зрения конструкции транзисторные усилители СВЧ обычно
выполняются в гибридном исполнении. Транзистор является навесным элементом.
Входная и выходная цепь выполняются по плёночной технологии с
использованием навесных компонентов.
3 Расчёт входной СВЧ цепи транзисторного усилителя мощности
В общем случае входное и выходное сопротивление транзистора имеют как
индуктивную так и емкостную составляющие. Однако в большинстве случаев
можно считать что во входном сопротивлении преобладают индуктивная
Обычно сигнал к усилителю подводят от возбудителя с помощью фидерного
тракта. В нашем случае входное сопротивление составляет R1=50 Ом. В таком
случае входную цепь удобно строить по схеме изображённой на рисунке 2.
Если известно сопротивление нагрузки Z2 то можно определить параметры
цепи согласования обеспечивающие на входе нужные значения Z1 . Реактивную
составляющую выходного сопротивления устройства находящегося слева от
клемм 1-1' можно считать включенной в Х1 поэтому не нарушая общности
задачи можно считать что Z1 = R1 . Тогда для определения параметров
согласующих цепей имеем:
Рисунок 4 – Схема согласования фидерного устройства со входом
где: R1 – сопротивление фидера R1=50 Ом
Rвх – входное сопротивление транзистора Rвх=(0.5+j15)
q – коэффициент [pic]
Будем считать что входная индуктивность транзистора включена в
индуктивность L2 схемы. При этом Х1 и Х3 получаются отрицательными что
приводит к необходимости их реализации в виде емкостей С1 и С3.
Тогда можно записать:
где: [pic] - циклическая частота [pic]
Выражая из формул 45 и 6 необходимые элементы и проводя расчёт
Для определения индуктивности необходимо провести следующие
4 Расчёт выходной СВЧ цёпи транзисторного усилителя мощности
В общем случае выходное сопротивление транзистора имеет как
индуктивную так и емкостную составляющую однако в большинстве случаев
можно считать что в выходном сопротивлении преобладает емкостная
При согласовании выходного каскада с нагрузкой R2 обычно используют
цепь в виде П-образного фильтра нижних частот рисунок 3. Выходная ёмкость
считается включённой в состав С1.
Рисунок 3 - Схема согласования фидерного устройства с выходом
Значения реактивных параметров можно рассчитать по формулам:
Проводя расчёты при той же циклической частоте будем иметь следующие
реактивные составляющие:
Для согласования выходного каскада передатчика с антенной или фидерным
трактом была применена цепь в виде П – контура. Выходную ёмкость при этом
считают включённой в ёмкость С1
Рассчитаем значения элементов по формулам:
Выражая из формул 1112 и 13 нужные элементы получим:
Для вычисления емкости С1 необходимо произвести дополнительные
5 Расчёт делителя и сумматора мощности
По ТЗ в качестве делителя и сумматора необходимо применить кольцевой
направленный ответвитель.
Направленными ответвителями называются симметричные восьми-полюсники
служащие для направленного ответвления энергии. Каждый из четырёх входов
направленного ответвителя связан с двумя другими и развязан с третьим. Если
сигнал подведён к одному из входов то восьмиполюсник является делителем
мощности. Если одновременно возбуждены два входа то восьмиполюсник
является делителем мощности рисунок 4.
а – делитель мощности
б – сумматор мощности
Рисунок 5 – Направленный ответвитель
Топология кольцевого направленного ответвителя приведена на рисунке 5.
Рисунок 6 – кольцевой направленный ответвитель
Определим проводимости подводящих линий направленного ответвителя:
Проводимости шлейфов высчитываются по следующим формулам:
где m – коэффициент деления мощности.
Кольцевой ответвитель состоит из из трёх шлейфов сопротивление
которых равно [pic] и длинной шлейфа [pic]
Шлейфы соединены линией передач сопротивление которой [pic]
Рассчитаем длину и ширину шлейфа по формулам.
где: [pic] - длина волны м
С – скорость света в вакууме [pic]
f – рабочая частота усилителя [pic]
Ширину полоски можно рассчитать следующим образом:
Высчитываем отношение [pic]
где: t – толщина металлизации t=7.5мкм
h – толщина подложки h=2мм.
Так как это отношение меньше 0.1 то воспользуемся формулой:
где: w` - неутонченная ширина полоски м
Проводя расчёты получаем:
Теперь рассчитаем реальное отношение wh по следующей формуле:
Проводя вычисления получим:
Зная h не трудно найти w [pic]
По такой же методике рассчитываем ширину линей передач:
[pic] тогда wl – ширина линии передачи будет равна:
Расчёт топологии устройства
1 Выбор подложки полосковой платы
В качестве материалов для подложек СВЧ устройств используют как
органические так и неорганические материалы.
Органическими диэлектриками используемыми для полосковых схем
являются полимеры – высокомолекулярные соединения макромолекулы которых
состоят из большого числа повторяющихся звеньев образованными исходными
мономерами. Большинство полимеров (полистирол сополимеры) имеют аморфную
структуру а некоторые (полиэтилен политетрафторэтилен) – кристаллическую
чередующуюся с аморфной.
Из неорганических материалов используют керамику (глиноземную и
конденсаторную) ситаллы кварц ферриты полупроводниковые материалы.
Керамика отличается высокой механической прочностью твердостью
стабильностью размеров во времени и при воздействии технологических
процессов изготовления полосковых схем (воздействие кислот щелочей
растворителей). Механическая обработка керамики проводится алмазным
инструментом или с помощью ультразвуковых и лазерных методов. Керамические
материалы допускают воздействие высокой температуры 1300° С при
технологических процессах диапазон рабочих температур - 60 +7000 С.
Водопоглощение весьма мало и зависит от пористости керамики (0 для керамики
«Поликор» 002% для 22ХС). Коэффициент теплопроводности керамики
существенно превышает аналогичный параметр органических диэлектриков.
Ситаллы – продукт кристаллизации стекол особых составов обладающих
способностью при обработке превращаться в микрокристаллический материал по
объему которого равномерно распределены мельчайшие кристаллы находящиеся в
непосредственном контакте между собой или соединенные через тонкую пленку
остаточного стекла. Размеры кристаллов в основном не превышают 1 мкм что
обеспечивает высокую плотность и однородность материала во всем объеме
придает ситаллам ряд свойств превосходящих аналогичные свойства стекол и
многих керамических материалов. Удельное объемное сопротивление ситаллов
10 1012 Омм. Отличительные характеристики ситаллов: малая
пористость очень низкое водопоглощение (менее 002%) и газопроницаемость
высокая термостойкость малая теплопроводность возможность получения
подложек с высоким классом обработки поверхности (до 14-го класса). По
твердости ситаллы превосходят стекло обычную керамику и металлы. Наиболее
твердые ситаллы близки к закаленным сталям. Стабильные диэлектрические
свойства на СВЧ и совместимость ситаллов с технологией интегральных
микросхем обусловили их широкое применение и перспективность использования
в качестве подложек интегральных микросхем СВЧ.
Плавленный кварц (кварцевое стекло) с r = 378 390 обладает высокой
повторяемостью диэлектрических характеристик от партии к партии. Подложки
из кварца хорошо обрабатываются механически (ультразвуковое и алмазное
сверление) выдерживают воздействие технологического процесса изготовления
полосковых схем позволяют проводить пайку при температурах 250° С в
течение до 10 с. У плавленного кварца весьма низкое влагопоглощение
диапазон рабочих температур — 50 + 150° С. Кварц хорошо металлизируется
обычными методами принятыми для неорганических диэлектриков. Основной
недостаток: сравнительно низкая теплопроводность (по сравнению с
глиноземистой керамикой).
Ферриты полируются до высокого класса чистоты поверхности
обрабатываются механически так же как керамика выдерживают воздействие
технологических процессов изготовления полосковых схем металлизируются
вакуумным осаждением и по толстопленочной технологии. Основной недостаток
ферритов: меньшая механическая прочность по сравнению с керамикой.
Из вышесказанного следует что наилучшими параметрами обладает
керамика и ситаллы. Однако изготовление керамических подложек намного
необходимостью обжига и последующей обработкой.
Так что при выборе подложки будем учитывать в основном следующие
факторы: требуемое значение (r=3.78 - относительная диэлектрическая
проницаемость стабильность (r в приделах подложки малый tg( а также
малая зависимость этих параметров от частоты.
Для нашего усилителя выбираем подложку из стеклотекстолита которая
имеет размеры 60х100мм и толщиной 2мм.
2 Выбор толщины основного проводящего слоя
Толщина и проводимость слоёв определяющие поверхностное сопротивление
полосок выбираются в зависимости от требований к потерям. Так как частота
усиливаемых сигналов 28 ГГц то значит мы будем применять металлизацию
без подслоя так как он незначительно влияет на параметры усилителя.
Толщина основного проводящего слоя зависит от частоты. На практике
достаточно выполнить проводник толщина которого в 2 .5 раз больше толщины
скин-слоя для данного материала.
Выбираем материал медь – Cu и по таблице на частоте до 3ГГц
определяем толщину скин-слоя которая составляет 1.48мкм. Так как толщина
проводника должна быть больше в 2 .5 раз то тогда толщина проводника будет
иметь следующее значение формула 1.
где : t – толщина медного слоя мкм.
3 Реализация цепей питания
При конструировании цепей питания необходимо принимать меры по
предотвращению в этой цепи паразитных колебаний. Обычно цепь питания
представляет собой комбинацию из фильтра нижних частот и полосно-
заграждающего фильтра не пропускающего в источник питания мощные СВЧ
сигналы. В качестве ФНЧ может быть использована блокировочная емкость
шунтирующая источник питания.
Для того что бы в источник не попадала высокочастотная помеха
ставится емкость характеристическое сопротивление которой должно быть
меньше или равно 50 Ом.
Иначе математически это можно записать так:
Отсюда можно сделать вывод что емкость должна удовлетворять условию:
Емкость в цепи питания необходимо размещать как можно ближе к
контактным площадкам что бы уменьшить паразитные помехи в цепи питания.
Один из выводов конденсатора необходимо заземлять.
4 Практическая реализация согласующих цепей
С точки зрения конструкции транзисторные усилители часто являются
гибридными устройствами транзистор в этом случае является навесным
элементом. С целью уплотнения монтажа схемы в усилители применяются
конденсаторы типа К-10-9.
Коммутационные соединения выполняются в виде полосковых проводников.
Это наиболее распространённые элементы полосковых устройств. С их помощью
выполняются как соединения так и элементы.
Ширина толщина и форма поперечного сечения проводника а также
материал из которого он изготовлен - всё это влияет на характеристики
полосковой линии. Самая рациональная форма полоска – это прямой отрезок.
Такая форма является основной для коротковолновой части дециметрового и
сантиметрового диапазонов.
Назначение предельных отклонений
Назначение предельных отклонений зависит от технологического метода
изготовления транзисторного усилителя мощности а также от возможностей
оборудования. Например для изготовления МПЛ платы негативным фото
химическим методом то предельные возможности данного метода ограничены
следующими величинами:
- возможная толщина металлизации 35мкм
- минимальная ширина линии передачи 300мкм
- минимальный зазор между проводниками 300мкм
- допуск на линейные размеры для размеров плат до 100мм ±0.05мм
в остальных случаях ±0.1
Некоторые ограничения также могут накладываться и из-за примененного
оборудования и типа оснастки. Контуры платы вырезают при помощи
твёрдотельных фрез поэтому допуски на линейные размеры платы могут
выполняться по 12 квалитету.
Отверстия сверлятся твёрдотельными свёрлами которые обеспечивают 12-14
квалитет. Следовательно размеры платы могут быть изготовлены с допуском на
размеры не хуже 12 квалитета.
В результате данного КП был спроектирован транзисторный усилитель
мощности СВЧ на транзисторе КТ937Б рассчитанный на центральную частоту 09
ГГц согласно требованиям технического задания. В результате работы были
получены чертеж платы и сборочный чертеж усилителя.
Констpуиpование экранов и СВЧ устройств Под ред. А.М.Чеpнушенко.-М.:
Радио и связь. 1990.-353 с.
Передающие устройства СВЧпод ред. М.В.Вамберского.-М.: Высш.шк..1984.-
Микроэлектронные устройства СВЧ Под ред. Г.И.Веселова.-М.
Высш.шк.1988.-280 с.
Малоpацкий Л.Г.Явич Л.Р. Пpоектиpование и pасчет СВЧ-элементов на
полосковых линиях.-М.:Сов.pадио1972-232 с.
Спpавочник по pасчету и констpуиpованию полосковых устpойствПод pед.
В.И. Вольмана.-М.: Радио и связь 1982.-328 с.
Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник В.Л. Аронов А.В
Баюков А.А. Зайцев и др. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова М.:
Энергоатомиздат 1983.-904с
«Проектирование устройств СВЧ» мет. Указания к курсовому проекту под
редакцией Петрова В.М. 1996 г.
«Конструирование экранов и СВЧ устройств» учебник для вузов под
редакцией Чернушенко.
«Микроэлектронные устройства СВЧ»: Учебное пособие для вузовпод ред.
Веселова Г.И. – М. Высшая школа 1988 г.

таблица1.1.cdw

таблица1.2.cdw

таблица1.3.pdf

Взам. инв. № Инв. № дубл.

таблица1.4.pdf

Взам. инв. № Инв. № дубл.

СБ СВЧ моя!.frw

таблица1.1.pdf

Взам. инв. № Инв. № дубл.

таблица1.3.cdw

СВЧ плата моя!.dwg

Арилокс АФ-2.5 ТУ-6-05-041-404
*Размеры для справок
Плата должна соответствовать ОСТ 4.ГО.000-72.
Плату изготовить фотохимическим негативным методом
Металлизированные участки условно заштрихованы.
Диаметр отверстий 2 мм.
Нумерация точек против часовой стрелки.

СВЧ плата моя!.frw