Файл: Грабовски, К. Параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом.pdf

программ, позволяющих анализировать СВЧ схемы как с сосредото­ ченными, так и с распределенными параметрами. Так, например, раз­ работанная фирмой Environment Computing (США) программа АМСАР обеспечивает анализ любых схем, включая низкочастотные и высоко­ частотные, а также сложные, например, содержащие более чем шесть входов и выходов и 100 активных и пассивных элементов, причем выходные данные выдаются непосредственно в виде параметров (вно­ симые потери, коэффициент стоячей волны, импеданс и т. п.), число которых достигает 20 [7].

В отличие от анализа общая теория и техника синтеза в настоя­ щее время далеки от завершения, поэтому в каждом конкретном случае синтез схемы осуществляется по индивидуальной программе. В боль­ шинстве своем задача машинного синтеза схемы в той или иной степени сводится к логической обработке результатов анализа множества раз­ личных функциональных состояний системы. Поэтому известные в настоящее время методы машинного синтеза сопряжены с большими затратами машинного времени, а также времени, необходимого на предварительную математическую формализацию задачи и создание программы. Вопреки распространенному мнению, при отсутствии го­ товых программ основным преимуществом машинного проектирования является не столько снижение трудоемкости и сроков разработки, сколько резкое улучшение полноты и точности расчетов и возможность решения принципиально новых задач.

Успешное решение задачи машинного проектирования парамет­ рического усилителя (как и вообще СВЧ схем) возможно только на основе предварительного квалифицированного ее анализа и в зна­ чительной степени определяется разумно выбранной геометрией коле­ бательной системы. Электродинамические задачи, требующие решения уравнений в частных производных—уравнений Максвелла, крайне сложны, и в общем случае, без каких-либо упрощающих условий (на­ пример, свойств симметрии) даже на ЭВМ их решение является очень трудной задачей. Поэтому геометрия колебательной цепи должна быть такова, чтобы электродинамическая задача свелась к задаче из теории длинных линий с одним типом волны1 '. При этом параметры однород­ ной линии и неоднородиостей в ней связаны.с геометрией, а параметры эквивалентной схемы активного элемента (например, параметриче­ ского диода) могут быть определены в процессе холодных измерений [5]. С этой точки зрения одним из наиболее удачных способов реали­ зации СВЧ цепи с заданными электрическими характеристиками яв-

1 1 Пренебречь взаимодействием неоднородиостей по высшим типам волн можно, если поперечные размеры линии передачи очень малы. Такие миниатюр­ ные колебательные системы имеют большие потери, чем резонаторы больших размеров, и поэтому для узкополосных фильтров невыгодны. Однако в широко­ полосных цепях (малые нагруженные добротности) потери оказываются неболь­ шими, несмотря на малую собственную добротность. Малые поперечные размеры

253

ляется каскадное соединение отрезков линий передачи с различными длинами и волновыми сопротивлениями — ступенчатая структура, удобство которой обусловлено тем, что:

— электрические характеристики ее легко вычисляются с помощью перемножения матриц отрезков линий передачи,

•— при машинных методах расчета перемножение матриц является операцией, на которую имеется стандартная подпрограмма. Возможно введение новых неоднородностей, что позволяет получить гибкую про­ грамму,

— процесс изготовления ступенчатой структуры является техно­ логичным. Физическая реализация результатов ее расчета универ­ сальна и осуществляется с очень высокой точностью на различных типах линий передачи—коаксиальных, полосковых, пленочных струк­ турах.

ПЛ . РАСЧЕТ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ

СПОМОЩЬЮ ЭВМ

Впервые конструктивный . и электрический расчет параметри­ ческого усилителя с помощью ЭВМ был описан в работе Гетзиигера и Кеслера [3]. Конструкция колебательной системы такого усилителя (рис. П.1) достаточно проста и состоит из отрезков коаксиальных и

радиальных линий передач с одним типом волны. Холостой контур усилителя образован параметрическим диодом и радиальным объем­ ным резонатором. Ближайший к диоду радиальный режекторный фильтр предотвращает распространение холостой частоты в сигналь­ ную цепь, а два последующих—режектируют частоту накачки. Один из волноводов накачки, предельных для холостой частоты, подводит

254

энергию накачки в радиальный объемный резонатор с диодом, а дру­ гой используется для настройки. В волноводах имеются диафрагмы, образующие полосовые фильтры, которые служат для уменьшения отверстий в радиальном резонаторе и предотвращения распростране­ ния верхней комбинационной частоты по цепи накачки.

Сигнальная цепь состоит из диода, радиальных резонаторов и коаксиальных отрезков, образующих трансформаторы сопротивлений и импедансный выравниватель, необходимый для получения характе­ ристики, симметричной относительно резонансной частоты.

Суть программирования эквивалентной схемы сводится к разде­ лению модели на ряд небольших схем, как это показано на рис. П.2. Каждая из этих схем представляет собой каскад, характеризующийся матрицей ABCD 18]. В этом случае математическая модель усилителя может быть описана последовательным перемножением матриц отдель­ ных каскадов, что позволяет получить исключительно гибкую про­ грамму. Если необходимо пересмотреть модель за счет изменения ка­ кого-либо каскада, то карточки, описывающие его матрицу, заменя­ ются, что никак не влияет на оставшуюся часть эквивалентной схемы. Если необходимо заменить часть схемы более сложной, то следует до­ бавить в произведение соответствующие матрицы.

Таблица I I . 1

Программа состоит из отдельных этапов, которые соответствуют отдельным каскадам эквивалентной схемы. В табл. I I . 1 приведены вход­ ные данные, необходимые для построения программы, и выходные данные, которые подразделяются на две группы. Первая группа со­ держит информацию, необходимую для изготовления параметриче­ ского усилителя, вторая — параметры, необходимые для программы по расчету частотной характеристики.

Обычно керамическая стеика патрона представляется на эквива­ лентной схеме в виде сосредоточенной эквивалентной частотнонеза-

255

висимой емкости. Из-за большой холостой частоты ( ~ 28,5 Ггц) более точным является представление диэлектрической стенки патрона в ви­ де радиальной линии. Машина определяет внешний диаметр радиаль­ ного объемного резонатора, обеспечивающего резонанс цепи на холо­ стой частоте.

Диаметры внутреннего и внешнего проводников коаксиальной линии в районе радиальных фильтров были выбраны таким образом, чтобы подавить распространение высших типов волн на частоте накач-

КраеВые емкоьупи

- t "

Рис. И.2. Эквивалентная схема параметрического усилителя.

ки. Диаметры самих фильтров выбраны машиной из условия максималь­ ного запирания на холостой частоте и частоте накачки. Реактивности, вносимые ими, учитываются в программе для расчета частотной харак­ теристики.

Машина учитывает также краевую емкость, возникшую в резуль­ тате установки опорной диэлектрической шайбы, а затем определяет входной импеданс параметрического усилителя на внешней плоскости шайбы. После этого референсная плоскость смещается вдоль длины промежуточного трансформатора до тех пор, пока на средней частоте диапазона входной импеданс не станет чисто активным отрицательным сопротивлением. Эта плоскость используется как первое приближение к переходу на импедансный выравниватель. Если бы на этом этапе расчета параметрический усилитель был нагружен на циркуля­ тор, сопротивление которого обеспечивает необходимое усиление на

256

средней частоте диапазона, то в силу частотных зависимостей элемен­ тов схемы и коэффициента регенерации частотная характеристика бы­ ла бы несимметрична относительно резонансной частоты. Задача импедансного выравнивателя сводится к получению такой импедансной характеристики, при которой усиление симметрично уменьшается по обе стороны от центральной частоты. Характеристическое сопротив­ ление выравнивателя равно по абсолютной величине отрицательному сопротивлению на центральной частоте в референсной плоскости про­ межуточного трансформатора. Поэтому с перемещением этой плоско­ сти вдоль выравнивателя импеданс параметрического усилителя на центральной частоте не изменяется. Длина выравнивателя регулирует­ ся до тех пор, пока реальные части импеданса и, следовательно, уси­ ление не станут равными на двух вспомогательных частотах, равноразкесеииых относительно центральной частоты, что обеспечивает симметрию характеристики. При вычислениях учитывается краевая емкость перехода с промежуточного трансформатора на выравнива­ тель, которая компенсируется путем многократной коррекции дли­ ны промежуточного трансформатора и диаметра выравнивателя.

Теперь остается определить длину и диаметр оконечного трансфор­ матора, обеспечивающего требуемое усиление на центральной частоте. Для этого машина определяет, какому типу контура (последователь­ ному или параллельному) соответствует усилитель на выходе импедансного выравнивателя, после чего выдает единственное решение, обес­ печивающее устойчивость системы. Регулируя длину оконечного трансформатора, машина также учитывает краевую емкость перехода волновых сопротивлений между входной линией и выравнивателем.

Таблица 11.2

Программа расчета частотной характеристики

Величины элементов эквивалентной схемы, вычисленные с

На этом этап конструирования параметрического усилителя мож­ но считать в общем законченным. Все величины элементов эквивалент­ ной схемы к этому моменту известны и наступает этап расчета частотной характеристики, входные и выходные данные для которого приведены в табл. I I . 2 . Программа по этому расчету позволяет наблюдать усиле­ ние или импедансы в любой из шести различных плоскостей схемы