СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-7

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ менте была отмечена высокая чувстви тельность усиления к напряжениюпи тания. Таким образом, необходимо исполь зовать развязку входной и выходной согласующей структуры, чтобы повы сить устойчивость волноводного тран зисторного усилителя. В реальном усилителе, кроме внут ренней обратной связи, действует внешняя обратная связь. Для увеличе ния коэффициента устойчивости и стабильности усиления можно выпол нить оптимизацию конструкции кор пуса, его размеров и свойств покры тия. Поворот выходного волновода на 90 ° (см. рис. 8) значительно уменьшает внешнюю обратную связь за счёт сме ны поляризации. Современный подход к проектиро ваниюлюбых СВЧ конструкций вклю чает оптимизацию. В качестве функ ции цели в программе FEKOможно за дать несколько целевых функций и такие образом выполнить векторную оптимизацию, выбирая весовые коэф фициенты этих целевых функций. Кроме того, FEKO вводит новый крите рий, который называется «Маска целе вой функции», когда можно задать сложную зависимость целевой функ ции не только в частотном диапазоне, но и в диапазоне других параметров, например, задать требуемуюформу ди аграммы направленности активной антенны. Поскольку антенну Вивальди мож но построить с различными конфи гурациями вибраторов (скачки, экс поненциальный раскрыв), то коли чество степеней свободы может достигать десяти. В программе FEKO реализовано несколько современных алгоритмов поиска оптимума: метод случайного поиска (роя пчел), гене тический алгоритм и симплекс метод. На рисунке 9 приводятся графики из менения характеристик усилителя (в одной частотной точке) в процессе оптимизации. В результате постпроцессорной об работки данных с использованием формулы (1) получаем частотную за висимость коэффициента устойчивос ти, показанную на рисунке 10. Диапа зон коэффициента устойчивости от 0 до 1 означает, что усилитель становит ся потенциально неустойчивым толь ко в том случае, когда он нагружен на импедансыпортов, отличные от 50Ом. Величина k > 1 указывает абсолютную устойчивость усилителя [2]. Повыше ние устойчивости усилителя обычно связано с согласованием. В заключение приведём также рас считанные на FEKO комплексные ко эффициенты отражения волноводно го транзисторного СВЧ усилители на входе и выходе. Экспериментальные результаты показаны на рисунках 11 и 12 в виде крестиков. Эксперимент по казывает более широкую полосу про пускания, чем расчёт. При каскадиро вании отдельных каскадов ширина полосы пропускания уменьшается. Можно отметить, что результаты рас чёта значительно зависят от поглоще ния и потерь в реальных металлах и подложках. Нелинейные зависимости от входной мощности и шумовые свойства в рамках данной работы не исследовались. В ЫВОДЫ Специализированные программ ные средства открывают широкие возможности для электродинамичес кого моделирования СВЧ структур с внедрёнными в них активными эле ментами (диодами, транзисторами), что показано на примере транзистор ного СВЧ усилителя. Обратные связи между входным и выходным портом в этом случае учитываются автомати чески. Такой подход можно считать перспективным для проектирования волноводных транзисторных СВЧ усилителей, активных антенн и ак тивных антенных решеток, а также структур, которые играют роль сог ласующих и излучающих элементов одновременно. Л ИТЕРАТУРА 1. Карсон Р. Высокочастотные усилители. Ра дио и связь,1981. 2. Шварц Н.З. Транзисторные СВЧ усилите ли. Радио и связь,1980. 3. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с по мощью Microwave Office. Под ред. В.Д. Ра зевига . СOЛОН Пресс, 2003. 4. www.feko.co.za . 5. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучаю щих структур с помощью FEKO. Родник, 2007. 6. Eleftheriades G.V. and Mosig J.R. On the Net work Characterization of Planar Passive Circuits Using the Method of Moments. IEEE Trans. MTT. 1996. Vol. 44. No. 3. PP. 438–445. 7. Гупта К., ГарджР., Чадха Р. Машинное про ектирование СВЧ устройств. Радио и связь, 1987. 8. Ченакин А.В., Скачко В.И. Волновод тран зисторных усилителей. 5 й Межд. симп. по последним достижениям в технике СВЧ. Киев, 1995. С. 337–340. 63 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2011 10 Номер интерации поиска, N 9 8 7 6 5 4 3 2 10 Параметры, ед. 8 6 4 2 0 S21 KCB1 KCB2 Рис. 9. Оптимизация волноводного СВЧ усилителя по критерию согласования на входе и выходе и коэффициенту передачи 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,4 2 3 5 10 10 5 3 2 1,4 0,7 0,5 S11 S22 S22 x x x x x x 0,4 0,3 0,2 0,1 1 –0,1 –0,2 –0,3 –0,4 –0,5 –0,7 –1,4 –2 –3 –5 –10 –1 S11 Рис. 11. Частотные зависимости параметров S11 и S22 на диаграмме Смита 18,0 Частота, ГГц 18,5 17,0 16,5 16,0 15,5 15,0 7 Усиление ТУ СВЧ S21 S12 6 5 4 3 2 1 0 Рис. 12. Частотные характеристики модуля прямой передачи S21 и обратной передачи S12 волноводного транзисторного СВЧ усилителя 15 Коэффициент устойчивости, ед. 12 9 6 3 0 17,8 Частота, ГГц 17,4 17 16,6 16,2 15,8 15,4 15 Ко* 20110531_UTR_22 Рис. 10. Коэффициент устойчивости волноводного усилителя с повёрнутыми на 90 ° отрезками волноводов © СТА-ПРЕСС