ЭЛЕМЕНТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СХЕМ 13.09. Соединительные линии

Прежде чем приступать к рассмотрению соединений между схемами, необходимо кратко коснуться вопросов линий передач. Ранее, в гл. 9, обсуждались волновое сопротивление и проблема концов линии в связи с передачей цифровых сигналов. Линии передач играют важную роль и в радиочастотных схемах, где они используются как путепровод для сигналов от одного участка к другому внутри схемы и часто к антенному комплексу. Линии передачи представляют собой одно из важных исключений по отношению к основному принципу (см. гл. 1), согласно которому полное сопротивление источника сигналов в идеале должно быть малым по сравнению с сопротивлением нагрузки, создаваемым возбуждаемой цепью, а нагрузка должна иметь входное сопротивление, большее по сравнению с сопротивлением источника, яа нее включенного. Эквивалентное правило для линий передач заключается в том, что нагрузка (и, возможно, источник) должна иметь сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Линия в этом случае согласована .

Линии передач для сигналов не слишком высоких частот (скажем, до 1000 МГц) бывают в основном двух типов: параллельные проводники и коаксиальные линии. Первые обычно представляют собой недорогой облитый двужильный провод с волновым сопротивлением 300 Ом, используемый для передачи сигнала от телевизионной антенны к приемнику, а вторые широко используются в виде коротких отрезков с разъемами BNC для передачи сигналов между приборами (рис. 13.14).

используется современная технология, вплоть до полевых транзисторов на GaAs.

Усилители, работающие в узкой полосе частот, могут быть оптимизированы с целью снизить уровень шума; имеются высококачественные усилители такого рода, предназначенные для систем связи. Например, приемник сигналов от спутников Avantek AW-4286 с усилением 60 дБ (±5 дБ) в полосе 3,7-4,2 ГГц с, феноменальным коэффициентом шума 1,5 дБ или AM-7724, работающий в полосе 7,25-7,75 ГГц, имеющий усиление 35 дБ (± 0,25 дБ) при коэффициенте шума 1,8 дБ.

Коммерческая конкуренция в отношении усилительных модулей столь же сильна, как и для других ВЧ-модульных компонентов. Законченные усилительные модули выпускают Aertech/TRW, Avantek, Aydin Vector, Hewlett - Packard, Narda, Scientific Communications и Watkins - Johnson. Еслитребуется построить ВЧ-систему, вы должны хорошо проштудировать каталог и выбрать модули для компоновки системы. Потом остается лишь закрепить их все на плате и соединить между собой коаксиальным кабелем.

В схемах СВЧ-диапазона применяется техника полосковых линий, при которой параллельные проводники линий передачи являются частью рабочей цепи, а на более высоких микроволновых частотах (скажем, свыше 2 ГГц) обычные элементы схем и линии передач заменяются резонаторами и волноводами соответственно. За

Рис. 13.14

а-коаксиальный кабель RG=58/u (Zo=50 Ом), б -двухпроводная линия ЗОО Ом; / -поли-внннлхлорндная оболочка диаметром 5 мм, 2 -экранирующая медная оплетка; 3-полиэтилен; 4 -внутренний проводник из меди 0=0,8 мм; 5-литой ПХВ-нзолятор

исключением этих экстремальных частот, в большинстве радиочастотных схем, вероятно, лучше всего выбрать хорошо знакомые коаксиальные кабели. По сравнению с линией из параллельных проводников согласованные коаксиальные линии, будучи целиком экранированными, обладают некоторым преимуществом, поскольку исключают влияние излучения и наводок от внешних сигналов.

Волновое сопротивление и согласование. Линия передачи, в любой своей форме, имеет волновое сопротивление Zq, означающее, что волна, бегущая вдоль линии, имеет соотношение напряжение/ток, равное Zq. В линиях без потерь Zq чисто активное и равно yjLICy где L - индуктивность, а С - емкость на единицу длины. Полное сопротивление типичной коаксиальной линии лежит в пределах 50-100 Ом, в то время как линии с параллельными проводниками имеют диапазон сопротивлений 300-1000 Ом.

При работе с сигналами высокой частоты (или с короткими временами нарастания) важно согласовать нагрузку с волновым сопротивлением линии. Основными моментами являются следующие: а) линия передачи, заканчивающаяся нагрузкой, имеющей сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, будет передавать импульс в оконечное устройство без искажений. В этом случае вся мощность сигнала попадает в нагрузку; б) сопротивление такой линии конечной длины на любой частоте с любого ее конца равно ее волновому сопротивлению (рис. 13.15).

Это является неожиданным, во-первых, потому, что на низких частотах вы привыкли думать о длинном коаксиальном кабеле как о небольшой емкостной нагрузке, в основном с достаточно высоким {[емкостным) импедансом. Кроме того, на низких частотах (длина волны много больше длины кабеля) отсутствует необходимость в соглсо-

Х Zo = 50 ОМ 1

/?н=50 0 4

рас. 13 15. Отражений нет, вся мощность выделяется в нагрузке.

Несогласованные линии передач. Некоторый интерес представляют несогласованные линии, свойства которых иногда бывает полезно использовать. В линиях, закороченных на конце, образуется отраженная волна противоположной полярности, причем время задержки отраженной волны определяется электрической длиной линии (скорость распространения волны в коаксиальном кабеле составляет примерно 2/3 скорости света в вакууме, так как волна проходит по твердому диэлектрику). Это связано с тем, что в закороченном контуре на конце имеется точка нулевого потенциала и соблюдение этого граничного условия в кабеле требует возникновения волны противоположной фазы на короткозамкнутом конце. Точно так же для разомкнутого кабеля (граничные условия нулевого тока на конце) получается неин-вертированное отражение с амплитудой, равной амплитуде подаваемого сигнала.

Эти свойства закороченного кабеля иногда используют для генерации коротких импульсов ступенчатой формы. Ступенька напряжения

1В г- 50 Ом 0- HZZb

Х 2о = 50 Ом 1-

/it = 0,3 мкс

Рнс. 13 16. Генерация импульсов с помощью короткозамкнутой линии передач (инвертированное отражение).

Длина кабеля 30,5 м, Zo=50/Om, скорость = 2-10 м/с.

подается на вход кабеля чер^ сопротивление, равное Zo, причем q другого конца кабель закорочен. На входе кабеля образуется прямоугольный импульс, так как отраженная ступенька гасит входной сигнал; при этом длительность импульса равна времени прохода ступеньки туда и обратно (рис. 13.16).

В кабелях конечной длины с сопротивлением также форми-

руется отраженная волна, хотя и меньшей амплитуды. Если R <, Zo to отраженная волна инвертируется, если R > Zo, то не инвертиру

вании сопротивления линии при условии, что вы можете обеспечить перезаряд ее емкости (обычно 100 пФ на метр длины). Во-вторых, если кабель заканчивается резистором, то он вдруг непонятным образом становится чисто активным сопротивлением npli всех частотах.

288 Глаза 13

ется. Отношение амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей волны определяется выражением

Линии передач, в частотной области, В частотной области согласованная линия передачи с удаленным концом рассматривается как нагрузка, имеющая импеданс Zq, т. е. если потери в линии незначительны, то линия передачи -чисто активная нагрузка. Физический смысл этого утверждения состоит в том, что раз линия восприняла

любую вашу волну, то вся 2 = ° мощность выделится на согла-

72/7 -f) J-1 сующем резисторе. Это правило' н -, , . * П 7 TTr ТТ£>г>Г>Т^ТТЛТТЛЛ|-.1.11 ct. TTfTTJITtl

x/4 Л0 независимости от длины

(электрмчесная) кабеля или длины волны. Но

когда вы имеете дело с несогласованными линиями, приходится рассматривать повел/2 2 Дение линии в частотной об-{элшричешя) U ласти. Так как при данной - длине линии навстречу вход-Рис. 13.17. ному сигналу возникает отраженная волна, фаза которой (по отношению к сигналу) зависит от частоты, полное сопротивление со стороны входа зависит от степени несогласования и электрической длины, измеренной в длинах волн.

Так, например, входной импеданс линии, длина которой равна несчетному числу Х/4 и которая заканчивается на дальнем конце нагрузкой с импедансом Z , равен Zbx=-Zo/Zh. Если нагрузка активная, то и входной импеданс будет активным. С другой стороны, линия, длина которой равна целому числу полуволн, имеет входное сопротивление, равное сопротивлению на ее конце (рис. 13.17).

Наличие в линии передачи отраженной волны не всегда плохо. При работе на одной частоте несогласованной линией можно управлять (с помощью линейного тюнера) путем согласорания ее результирующего входного сопротивления, причем потери в линии будут весьма незначительно превышать потери в линии с согласованной нагрузкой (благодаря увеличению напряжения и тока при той же первичной мощности). Но у несогласованных линий свойства меняются на различных частотах (известная схема Смита может быть использована для определения полного сопротивления линии передачи и коэффици ента стоячей волны (КСВ) - меры амплитуды отраженных волн), что нежелательно для широкополосных и многочастотных применений. В общем следует нагружать линию передач волновым сопротивлением, по крайней мере со стороны приемного конца.

J> X - длина волны.- Прим. ред.

Г

Z) = 72 Ом

а

13.10. Отрезки линий, согласующие устройства и трансформаторы

Есть несколько интересных применений линий передач, в которых либо используются свойства несогласованных отрезков, либо необычным образом используются секции линий общего пользования. Например, четвертьволновые согласующие отрезки, для которых выполняется соотношение Z=Zl/Zy,. Это выражение можно представить как Zo=(ZbxZh)Другими словами, с помощью четвертьволновых отрезков можно согласовать любые два импеданса путем подбора согласующей секции с подходящим волновым сопротивлением.

Аналогично короткие линии передач отрюки ) можно использовать для настройки несогласованной нагрузки, располагая отрезки

поперек или последовательно по -1

отношению к несогласованной -

линии, точно подбирая при этом 2о=100 0м^--1й=Ь^Ш

длину отрезка, тип его оконча-

ния (замкнутый или разомкнутый) и его положение непосредственно вдоль несогласованной линии. В этом случае отрезки работают фактически как схемные элементы, а не как линии передач. При очень коротких волнах использование секций линий передач в качестве элементов схемы - обычное явление (рис. 13.18).

Секции линии передач (или трансформатор из нескольких соединенных между собой обмоток) можно использовать для построения baluns - устройств, согласующих несбалансированную линию (коаксиальную) со сбалансированной нагрузкой (например, антенной). Есть простые конфигурации, которые создают согласование одновременно с фиксированным преобразованием импеданса (обычно 1 : 1 или 4:1). Вероятно, самыми удачными схемными элементами, построенными из линий, являются широкополосные преобразователи. Эти устройства представляют собой либо просто несколько витков миниатюрного коаксиального кабеля, либо это пара скрученных проводов, намотанная на ферритовый стержень с соответствующими соединениями. В них отсутствуют высокочастотные ограничения, присущие обычным трансформаторам (вызываемые резонансным сочетанием паразитной емкости и индуктивности обмотки), так как катушка устроена таким образом, что емкость и индуктивность обмотки образуют линию передач, свободную от резонансов. Они могут обеспечивать различные коэффициенты преобразования полного сопротивления с поражающи-

Рис. 13.18.

а - четвертьволновая согласующая секция; 6 согласующие отрезки.

-х/4-

ми широкополосными характеристиками (например, от 0,1 до 500 МГц потери составляют меньше 1 дБ)- свойство, не присущее преобразователям, сконструированным на основе простой катушки с индуктивной

связью. Преобразователи на отрезках линий в виде модулей выпускаются Vari-L Со, Mini-Circuits Laboratory и многими другими изготовителями. На рис. 13.19 показано несколько примеров преобразователей и трансформаторов, используемых в линиях.

а

Концентрическая шайба

75 0м

(Л/2)-П9ТЛЯ

у 300 Ом

13.11. Резонансные усилители

В высокочастотных схемах, предназначенных для связи или других применений, где рабочая частота ограничена узкой областью, принято использовать настроенные LC-цепи в качестве нагрузки коллектора или стока. Это дает несколько преимуществ: а) большее усиление в одном каскаде, поскольку нагрузка представляет собой высокое полное сопротивление на частоте сигнала {Ки=ёт и в то же время допускается произвольный ток покоя; б) исключаются нежелательные эффекты емкостной нагрузки, так как контур LC встраивает любую емкость, - она становится частью настраиваемой емкости схемы; в) упрощается межкаскадная связь, поскольку от LC-цепи можно делать ответвления или организовывать трансформаторную связь и даже строить резонансные согласованные цепи, как, например, П-образные четырехполюсные фильтры, чтобы получить любое желаемое согласование сопротивлений; г) благодаря частотной селективности настраиваемого контура отсутствуют шумы и сигналы с частотами, не входящими в полосу.

Примеры настраиваемых схем ВЧ. При обсуждении схем гвязи мы рассмотрим рюонансный ВЧ-усилитель в его естественном окружении Здесь же мы просто приведем несколько примеров применения настраиваемых контуров в генераторах и усилителях. На рис. 13.20 изображена схема классического резонансного усилителя

Рис. 13.19. Трансформаторы на линиях передач.

а - резонансный волновод, б - резонансная петля, в - трансформатор 4 : I для согласования линий передач

Полевой транзистор с двумя затворами обедненного типа позволяет избавиться от эффекта Миллера благодаря использованию нижнего затвора в качестве входного \ Когда нижний затвор заземлен по постоянному току, через каскад идет ток Icq. Параллельный LC-контур настраивается на центральную частоту усиления, причем выход отделен от нагрузки с помощью по-

+10 Б

39 КОМ 100 ком

0,01мцФ

0,01 мкФ

0,1 мкф

13 зг

100 нОм

обедненный

ZN5179

4Ь

вторителя на Та. Поскольку на стоке +10 В, выходной повторитель требует большего коллекторного напряжения. Этот тип схемы имеет очень большое усиление в резонансе, ограничиваемое добротностью Q LC-контура и нагрузкой в виде повторителя.

В схеме, приведенной на рис. 13.21, частота генератора устанавливается с помощью тщательно сконструированного перестраиваемого LC-koh-тура. Эта схема ГПЧ (генератора переменной частоты) применяется в качестве настроечного элемента в некоторых передатчиках и приемниках, а также как источник радиочастотных сигналов изменяемой частоты. В этом генераторе ПТ с р - -переходом обеспечивает необходимое усиление мощности благодаря положительной обратной

0,01 мкф 1,0 кОм

Рис. 13.20. Резонансный усилитель (каскод-ный) на полевом МОП-транзисторе с двумя затворами.

0,1 миф

спюа ной

J/ X 270 пФ рслюдяной

2,5 МГц

0,1 миф 2N5950

Генерация 3,5-4,0 МГц

-+12 В

Пронодной \онденсатор

Рис. 13.21. LC-генератор иа полевом транзисторе с р-м-переходом,

связи ОТ истока через Li. Li имеет несколько меньшее число витков во вторичной обмотке, обеспечивая усиление по напряжению и, следо-

> Верхний, заземленный по сигналу затвор экранирует сток от нижнего затвора, (Тем самым емкость между стоком и входом ( проходная емкость) становится менее 0,1 пФ.- Прим. ред.

вательно, генерацию. Добавив варикапный диод, который работает как конденсатор с управляемой напряжением емкостыо, вы можете создать такой генератор перестраиваемой частоты. Отметим, что использование на выводах источника питания проходного конденсатора и развязывающего ВЧ-дросселя практикуется почти во всех радиочастотных схемах.

50 ш Вход

70 пФ

1,0 кОм

нейтр . 1-10 пФ )

~Х. ч / 1000 пф

1000 ПФ

1000 ПФ .0.47 мГк

1000 пф

50 Ом Выход

Рис 13 22. Резонансный ВЧ-училитель на 200 МГц с нейтрализацией.

L, - 3 витка на каркасе № 1 8, 6 мм -внутренний размер, 5 мм - длина; -5*/j витка на адр-Касе № 16, 8 мм ~ внутренний размер, 12 мм - длина

На рнс. 13.22 приведена схема усилительного каскада на 200 МГц на транзисторе с общим эмиттером. В этой схеме осуществлена не: т-ралнзация проходной емкости путем задания на вход тока противоположной фазы, компенсирующего ток емкостной связи, протекающий с выхода на вход. Снейтр - нейтрализующий конденсатор, подключенный к части коллекторной обмотки, в которой фаза противоположна по отношению к коллекторному напряжению. В этой схеме согласование выходного импеданса с линией также осуществляется автотрансформаторным отводом от коллекторного LC-контура, что является простым, но грубым методом.

Последняя схема (рнс. 13.23) представляет собой ВЧ-уснлитель на 25 кВт, в котором используется триод с нулевым смещением на заземленной сетке. До сих пор в высокомощных радиочастотных усилителях используются вакуумные лампы, так как полупроводниковые приборы не обладают необходимыми характеристиками. Конфигурация с заземленной сеткой не требует компенсации. Выходная цепь цредставляет собой известный П-образный четырехполюсник, подключенный через блокирующий конденсатор Q. Cg, Li и Сщ образуют четырехполюсник, причем их значения определяются желаемой резонансной частотой, необходимой трансформацией полного сопротивле-

НИЯ и добротностью Q лагрузки (Q, или добротность, является мерой остроты резонанса, см. разд. 1.22). ВЧ-дроссель на выходе предотвращает появление напряжения постоянного тока, а ВЧ-дроссель в анодной цепи используется для задания анодного напряжения в соответствии с амплитудой сигнала на рабочей частоте.

50 Ом Вход

1 - и

ГТ строиЛ - С ВЧ-дроссель а нагрузка ф

25 кВт Выход 50 Ом

ВЧ-дроссель

115 В перемтока

+7000 В, 5Л

Рис. 13 23 Мощный ВЧ-усилитель (25 кВт иа выходе) на триоде с заземленной сеткой

13.12. Элементы ВЧ-схем

В радиочастотных (ВЧ) схемах используются специализированные модули нескольких видов, которые не имеют эквивалентов в низкочастотны схемах. Прежде чем описывать ВЧ-схемы, предназначенные для связи, рассмотрим некоторые элементы, широко используемые для генерации и детектирования радиочастотных сигналов.

Генераторы. Если высокая стабильность не важна, то простой 1.С-генератор, о котором только что говорилось, можно успешно применить для получения радиочастотных сигналов с регулировкой частоты в диапазоне октавы и более путем варьирования либо С, либо l (в последнем случае его иногда называют генератором с изменяемой индуктивностью). Если тщательно спроектировать генератор и внимательно отнестись к деталям конструкции, можно создать генераторы переменной частоты (ГПЧ), у которых дрейф за несколько часов составит менее нескольких миллионных. Такие генераторы полностью удовлетворяют всем требованиям при использовании в приемниках и некритичных передатчиках. LC-генераторы могут работать в диапазоне от звуковых частот до сотеч мегагерц.

Так же как и усилительные модули, о которых говорилось в разд. 13.08, ле1кодоступны герметизированные модули генераторов с

прекрасными параметрами. В модулях настраиваемых генераторов для управления рабочей частотой от внешнего постоянного напряжения используются варикапы (диоды с емкостью, зависяш,ей от напряжения). В любительском варианте перестраиваемого генератора для частот в области гигагерц в качестве магнитно настраиваемой в резонанс полости используется сфера из железоиттриевого граната (YIG - ЖИГ); ЖИГ-перестраиваемые генераторы обеспечивают высокую спектральную чистоту и линейность настройки.

Высокой стабильностью обладают генераторы, в которых для установки рабочей частоты используются кристаллы кварца. Различные кристаллические резонаторы, свойства которых определяются условиями выращивания, могут обеспечить стабильность порядка 10 ® с температурным коэ4к|)нциентом около 10~® 1/град. Температурно-стабиль-ный кварцевый генератор (ТСКГ), в котором для компенсации сдвига частоты колебаний кристалла используется конденсатор с известным температурным коэ^ициентом, обеспечивает стабильность частоты порядка 10 в области температур от О до +50°С и больше. Предельными параметрами обладают генераторы, у которых кристалл термо-статируется. Стабильность по времени и температуре у них достигает приблизительно 10 . Даже в так называемых атомных стандартах частоты (цезий, рубидий) фактически используют кварц в качестве основного осциллирующего элемента, причем его частота при необходимости регулируется для совмещения с собственными частотами атомных переходов.

Генераторы на кристаллических резонаторах, выпускаемые промышленностью, охватывают область частот от 10 кГц до 100 МГц, т. е. весь диапазон, о котором здесь упоминалось. Имеются даже генераторы в малых корпусах DIP (двухрядные корпуса ИМС) и в корпусах транзисторов типа ТО-5 с логическими выходами. Для кварцован-ных генераторов возможна лишь незначительная электрическая перестройка, поэтому при заказе генератора или кристаллического резонатора необходимо указывать частоту.

Если требуются одновременно и возможность перестройки, и высокая стабильность, то лучше использовать синтезатор частот. Если приложить некоторые усилия, то он будет генерировать любую нужную частоту при единственном опорном источнике стабильной частоты^ обычно кварцевом резонаторе на 10 МГц. Синтезатор, управляемый от рубидиевого эталонного элемента (стабильностью 10 ), является превосходным источником сигналов

Смесители/модуляторы. Схемы, которые формируют на своем выходе произведение двух входных аналоговых сигналов, широко используются в радиотехнике н называются модулятором, смесителем,

1> Синтезатор частот проще всего строится с помощью цифровых счетчиков и контура фазовой автоподстройки частоты. Он допускает цифровое управление частотой и обеспечивает стабильность, равную стабильности опорного источника.- Прим, ред.