Разработка СВЧ усилителей мощности класса А за один цикл проектирования, используя только S-параметры

Разработка СВЧ усилителей мощности класса А за один цикл проектирования, используя только S-параметры

Иван Бошнаков, [email protected]

Перевод Ю.Потапова, [email protected]

В данной статье описывается процедура проектирования СВЧ усилителей мощности класса A, базируясь только на S-параметрах используемых транзисторов. Для разработки используются две программы: система моделирования СВЧ схем общего назначения (Microwave Office) и специализированная программа для проектирования СВЧ линейных усилителей (MultiMatch). Использование пакета Microwave Office обусловлено наличием в нем интегрированного модуля электромагнитного анализа топологий.

 

Метод проектирования по мощностным параметрам

При разработке усилителей класса A для вычисления значения оптимальной передачи и возвратных потерь по входу/выходу S-параметры, измеренные в рабочей точке транзистора. Если для транзистора в комбинации с S-параметрами доступны шумовые параметры, то тогда проект может быть выполнен для достижения оптимального коэффициента шума (NF, Noise Figure) и коэффициента усиления по мощности (Ganopt). Максимальная выходная мощность усилителей класса А обычно определяется как значение выходной мощности, при котором значение коэффициента передачи по мощности падает на 1 дБ относительно линейного малосигнального режима — P1dB. S-параметры сами по себе не позволяют контролировать эту выходную мощность P1dB, получаемую в каждом отдельном каскаде разрабатываемого усилителя. Поэтому, аналогично тому, как шумовые параметры транзистора используются для обеспечения шумовых характеристик усилителя, для обеспечения точки P1dB нужны кокие то мощностные параметры.

Одним из методов проектирования и анализа точки P1dB является использование нелинейных моделей транзисторов и системы моделирования нелинейных схем на основе метода гармонического баланса. Главная проблема здесь кроется в том, что нелинейные модели используемых транзисторов не всегда доступны проектировщикам. Производители транзисторов очень редко предоставляют клиентам нелинейные модели, так как оборудование и программное обеспечение для их экстракции, как правило, достаточно дороги, и лишь немногие компании могут позволить себе такую роскошь. То же самое можно сказать про метод, использующий тюнеры для получения оптимального входного и выходного импедансов или нагрузочных контуров постоянной мощности транзистора. Разумеется, все эти методы неизбежны, если усилитель работает в глубоком нелинейном режиме, или требуется информация о нелинейных искажениях проходящего через усилитель сигнала.

Криппс (Cripps) в своей обычной манере использования обыкновенного здравого смысла представил в литературе [2], [3] и [4] разработанный им подход оценки максимально достижимой мощности  каскадов усиления, работающих в режиме с малой нелинейностью (Class A). При таком подходе, транзистор аппроксимируется очень простой эквивалентной моделью, содержащей внутренний управляемый напряжением источник (генератор), а также паразитные выходные параллельно включенный конденсатор и последовательно включенную индуктивность. Слабая нелинейность игнорируется, и крутизна характеристики транзистора рассматривается как линейная выше точки отсечки и ниже точки насыщения. При всех описанных выше допущениях Криппс разработал линейное математическое выражение, связывающее нагрузочную линию и пределы тока и напряжения на генераторе с внешней нагрузкой и передаваемой в эту нагрузку мощностью. Он показал, что соотношение между внутренней нагрузочной линией и внешним импедансом может быть представлено на диаграмме Смита в виде контуров с одинаковой выходной мощностью (load-pull).

Описанный подход стал очень популярным, так как был достаточно простым и позволял получить удовлетворительные результаты в большинстве практических случаев. Простая эквивалентная модель из трех элементов может быть легко получена, когда полная линейная эквивалентная схема согласуется с набором S-параметров конкретного транзистора. Тем не менее, такой подход не всегда бывает достаточным. Некоторые его ограничения связаны с тем, что он не позволяет учитывать обратную связь или потери в транзисторе. В статье [3] Криппс указывает, что нет никаких проблем включить представленное в статье уравнение в любой линейный симулятор, чтобы рассчитывать мощностные характеристики так, как сейчас это делается для расчета коэффициента шума. Кроме того, он показал, что, будучи слегка модифицированным, его метод может учитывать и обратные связи.

Метод Криппса является идейной основой для применения мощностных параметров в программном обеспечении компании AMPSA [1] и которые более подробно описанном в книга Абри [5]. Автор использовал математическую отображающую функцию, для получения соотношения между «внутренним напряжением и внешним напряжением, а также внутренним выходным током». Эта инновация в весьма элегантной форме снимает все ограничения метода Криппса. Мощностные параметры учитывают обратную связь и потери, а также изменения в конфигурации транзистора. Это делает данный подход универсальным и применимым для большинства проектов усилителей, так как он позволяет получить значение точки компрессии P1dB для каждого каскада многокаскадного усилителя с учетом взаимодействия с окружающими каскадами. Интересно то, что поведение мощностных параметров очень похоже на поведение шумовых параметров. Точка  P1dB не зависит от импеданса источника аналогично тому, как коэффициент шума не зависит от импеданса нагрузки. Обратная связь (последовательная или параллельная) влияет на значение P1dB подобно, как и на коэффициент шума. Однако, мощностные параметры имеют одно существенное отличие от шумовых: они не требуют специального и дорогостоящего оборудования и тщательной процедуры калибровки и измерения. Единственная информация, которая необходима для их получения  это наличие линейной модели транзистора, рабочая точка, границы линейности вольт-амперной характеристики и наклон этих границ (если доступно). Если малосигнальная модель транзистора недоступна, она может быть получена из набора S-параметров.

 

Используемое программное обеспечение

Расчет мощностных параметров может быть реализован в любой системе моделирования линейных схем, но в настоящое время он доступен только в программе MultiMatch Amplifier Design Wizard. Программа MultiMatch является специализированной программой, предназначенной для разработки усилителей и генераторов. Она комбинирует возможности системы линейного моделирования схем в частотной области с функциями итерационного синтеза пассивных цепей. В процессе работы программы могут быть получены два типа пассивных цепей. Первый тип представляет цепей модифицирующые транзистора — модифицирующие цепи, как они определенны в программе MultiMatch. Модифицирующие цепи обычно содержат резисторы, представляющие собой или нагрузку, или параллельную или последовательную обратную связь, или и то, и другое одновременно. Другой тип синтезируемых цепей представляет собой реактивные цепи согласования без потерь. В исходный набор данных, необходимых для синтеза пассивных цепей, входят: коэффициент передачи, возвратные потери, коэффициент стабильности, коэффициент шума, точка компрессии P1dB, стартовая частота генератора, диапазон перестройки частоты и так далее. То есть конечной целью проектирования являются именно усилитель или генератор, а не просто пассивная цепь.

Программа MultiMatch дает возможность эффективно разрабатывать линейные СВЧ усилители мощности, но для получения качественного результата с первого раза, как показано в литературе [6] особое внимание следует уделить неоднородности цепей согласования СВЧ транзисторов. Это может быть достигнуто благодаря использованию программы MultiMatch в связке с программным пакетом, включающим модуль электромагнитного моделирования топологических структур. Также как и в статье [7], для проектирования усилителя был выбран пакет Microwave Office, так как он представляет собой достаточно мощную систему моделирования, имеющую дружественный пользовательский интерфейс и поддерживающую прикладной интерфейс API, дающий возможность взаимодействия с другими программными средствами. В случае с программой MultiMatch был реализован следующий способ взаимодействия: в процессе экспорта создавался специальный скрипт-файл, в процессе выполнения которого в среде Microwave Office выполнялось преобразование файла схемы MultiMatch в файл схемы Microwave Office.

 

Постановка задачи

В описываемом ниже примере требовалось разработать 5 Вт класса А усилитель мощности диапазона 2.1 – 2.2 ГГц и коэффициентом передачи 10 – 11 дБ, который в последствии будет использоваться в качестве плеча балансного усилителя на 10 Вт. В усилителе использован транзистор Mitsubishi MGF909A, имеющий точку компрессии P1dB минимум 37 дБм в рабочей точке 10 В и 1.3 А, для которого имелся набор S-параметров в данной рабочей точке, но не имелось никакой нелинейной модели или нагрузочных данных.

 

Процедура проектирования

Процесс проектирования начитается в программе MultiMatch. Задается диапазон рабочих частот проекта 2.075 – 2.225 ГГц с шагом 25 МГц, параметры подложки и другие необходимые данные, после чего выполняется команда начала модифицирования транзистора (рис. 1).

Рис. 1. Начальное окно процедуры модифицирования транзистора.

Первым делом при проектировании усилителя для обеспечения требуемой точки компрессии P1dB является подгонка линейной модели транзистора под его S-параметры. На рисунке 2 изображено предназначенное для этих целей диалоговое окно. Измеренные S-параметры и параметры, ассоциированные с линейной моделью после такой подгонки, показаны на рисунке 3. Обратите внимание на рисунке 2 на средства оптимизации и возможности отображения вспомогательных характеристик. В этом же окне задается рабочая точка по постоянному току и границы вольтамперной характеристики. После того, как выполнена подгонка модели и заданы границы нагрузочной кривой, программа MultiMatch может рассчитать мощностные параметры и оценить значение P1dB.

Рис. 2. Средства подгонки модели транзистора.

Рис. 3. Диаграмма Смита, показывающая результат подгонки модели

Следующим шагом является общая оценка возможностей транзистора. Анализ показывает, что наилучшее значение точки компрессии P1dB по выходу может достигать 38 дБм и при согласовании выхода для достижения этого максимального значения передача может составить 13 дБ. Зависимости коэффициента устойчивости от частоты показывают, что транзистор безусловно устойчив в диапазоне частот выше 1.8 ГГц и становится менее устойчивым по мере снижения частоты. На этом этапе можно заставить программу MultiMatch синтезировать модифицирующые цепи по входу, состоящие из резисторов, которые дополнительно стабилизировали бы транзистор, выравнивали зависимость коэффициента передачи от частоты и выполняли предварительное согласование транзистора. В некоторых случаях, когда транзистор имеет слишком малый входной импеданс, подобная цепь может оказаться трудно реализуемой физически из дискретных компонентов для поверхностного монтажа. Поэтому было решено сначала выполнить синтез выходных и входных цепей согласования, а уже затем на вход усилителя добавить цепь, обеспечивающую требуемый коэффициент устойчивости на низких частотах.

Следующим действием был запуск команды начала синтеза выходной цепи отдельного транзисторного каскада. Программа MultiMatch Amplifier Design Wizard через последовательность диалоговых окон руководит действиями пользователя по заданию всех необходимых параметров. Диалоговое окно для задания контуров с одинаковой выходной мощностью в точке компрессии P1dB показано на рисунке 4. Сами контуры показаны на рис. 5. Следующие далее диалоговые окна с подобными таблицами позволяют выбрать значения импеданса, которое требуется для обеспечения точки компрессии P1dB. Следует помнить, что при перемещении по контуру выходная мощность остается постоянной, но другие параметры схемы будут варьироваться.

Полную весию статьи читайте в PDF формате.