ай. 3M.es/bty п%0
| ПРОЕКТИРОВАНИЕ
I РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ
В' УСТРОЙСТВ СВЧ

Под редакцией Г. М. Уткина
** Допущено Министерством высшего и среднего специального ^Образования СССР в качестве учебного пособия для студентов vi	 радиотехнических специальностей вузов - •

Москва «Советское радио» 1979
ББК 32.848
П 79
УДК 621.396.61:621.3.029.6(075)
Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб, пособие для вузов/ Уткин Г. М., Благовещенский М. В., Жуховицкая В. П. и др.; Под ред. Г. М. Уткина.—М.: Сов. радио, 1979. — 320 с., ил.
Рассмотрены основные вопросы проектирования радиопередающих устройств дециметровых и сантиметровых диапазонов воли на полупроводниковых приборах и металлокерамических лампах. Приведены инженерные методы расчета каскадов передатчиков, в том числе усилителей мощности, умножителей частоты, возбудителей колебаний с повышенной стабильностью частоты. Методы расчета иллюстрируются конкретными примерами.
Учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических специальностей вузов. Оно также может быть полезно специалистам, занимающимся разработкой радиотехнической аппаратуры.
140 рис., 19 табл., библ. 94 назв.
Г. М. Уткин, М. В. Благовещенский, В. П. Жуховицкая, М, В. Капранов, Г. И. Коптев, | С. Л. Кунина | , Т. А. Панина, А. А. Туркин, Д. П. Царапкин
Рецензенты:
Кафедра радиопередающих устройств Московского электротехнического института связи (зав. кафедрой проф. В. В. Шахгильдян), канд. техн, наук А. В. Табаков
Редакция радиотехнической литературы
30404-066
П ------------ 5-79 2402020000
046(01)-79
© Издательство «Советское радио», 1979 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Теория и техника радиопередающих устройств за последние годы претерпели существенное изменение в связи с появлением новой элементной базы, освоением новых частотных диапазонов, изменением конструктивных решений, обусловленных миниатюризацией как элементной базы, так и аппаратуры в целом. Это и вызвало появление предлагаемого пособия. Его материалы являются результатом многолетней работы коллектива кафедры радиопередающих устройств МЭИ. Рекомендации по расчету основных каскадов современного радиопередающего устройства СВЧ опираются как на теоретические и экспериментальные исследования, так и на опыт их внедрения при разработке радиоэлектронной аппаратуры, выпускаемой промышленностью. Примеры расчетов приведены для отдельных каскадов и для многокаскадных трактов, включая и вопросы нх конструктивного выполнения. Основное внимание уделяется расчету передатчиков метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн.
Книга состоит из трех частей. В первой части изложены методы расчета и проектирования выходных и промежуточных транзисторных каскадов передатчиков СВЧ, цепей согласования и сложения мощностей, умножителей частоты на транзисторах и варакторах, причем все рассуждения основаны на принятой модели транзисторов СВЧ.
Вторая часть посвящена возбудителям колебаний различного типа, обладающим повышенной стабильностью частоты, в том числе и синтезаторам частоты. Приведены методы оптимального расчета диапазонных и кварцевых автогенераторов. Рассмотрена возможность применения в качестве возбудителей генераторов на диодах Ганна и ЛПД.
В третьей части описаны методы проектирования усилителей мощности и автогенераторов на электронных приборах СВЧ и металлокерамических лампах, которые для ряда применений (например, для получения больших мощностей, особенно в импульсных режимах рабо
3
ты) имеют преимущества по сравнению с транзисторными каскадами. Здесь также приведены примеры расчета и выбора конструкции.
При изложении материала акцент сделан на разработку аналитических методов расчета, поскольку именно они способствуют наилучшему пониманию процессов в разрабатываемых каскадах и позволяют наиболее грамотно подходить к выбору параметров устройств на основе паспортных данных активных элементов. При этом предполагается, что читатель знаком с курсами «Радиопередающие устройства», «Электронные и квантовые устройства СВЧ». Аналитические методы расчета, конечно, не исключают возможности применения эмпирических методов проектирования на основе, например, экспериментальных характеристик приборов или устройств в целом, но такие методы требуют сложного оборудования и недоступны для студентов.
Хотя пособие посвящено проектированию передатчиков СВЧ, некоторые вопросы расчета промежуточных каскадов передатчика и возбудителей связаны с относительно низкими частотами, не относящимися к диапазону СВЧ. Тем не менее авторы сочли целесообразным внести в пособие методику проектирования таких «низкочастотных» трактов, составляющих неотъемлемую часть передатчика СВЧ.
Введение написано М. В. Благовещенским, В. П. Жуховицкой, Г. М. Уткиным, гл. 1...6—Г. И. Коптевым, Т. А. Паниной, гл. 7...9 — А. А. Туркиным; гл. 10... ...12 — М. В. Благовещенским, гл. 13, 14 — В. П. Жуховицкой, за исключением § 13.4, 14.1... 14.3, написанных совместно с |С. Л. Куниной, | гл. 15 — М. В. Капрановым, гл. 16 — Д. П. Царапкиным, гл. 17... 20 — В. П. Жуховицкой, Г. М. Уткиным, приложения 1, 2, 6 — Г. И. Коптевым, Т. А. Паниной, приложения 3, 4 — В. П. Жуховицкой, Г. М. Уткиным, приложение 5 — А. А. Туркиным.
Авторы считают приятным долгом выразить глубокую благодарность рецензентам — коллективу кафедры радиопередающих устройств МЭИС во главе с д-ром техн, наук проф. В. И. Шахгильдяном и канд. техн, наук А. В. Табакову, благожелательная критика которых способствовала улучшению пособия.
ВВЕДЕНИЕ
Радиопередающие устройства представляют сложную систему, в состав которой входят высокочастотный тракт, модулятор для управления колебаниями высокой частоты в соответствии с передаваемой информацией, источники питания, устройства охлаждения и защиты.
Диапазон СВЧ обладает огромной информационной емкостью, и поэтому его используют для передачи широкополосных сигналов: импульсных, телевизионных, многоканальных сообщений и пр. Радиопередатчики в диапазоне СВЧ применяют в радиолокационных станциях (РЛС), телевидении, ретрансляционных линиях связи, для тропосферной и космической связи, для радиоуправления и бортовой аппаратуры радиопротиводействия и многих других специальных назначений^.
-.Радиопередающие устройства можно классифицировать по назначению, диапазону волн, мощности, виду модуляции, условиям работы и др. Эти признаки определяют специфику проектирования каждого вида передатчиков. Так, рабочий диапазон волн и мощность на выходе обусловливают выбор активных элементов и конструкцию колебательных систему В выходных каскадах передатчиков СВЧ применяют транзисторы, металлокерамические лампы, пролетные клистроны, магнетронные генераторы, лампы бегущей и обратной волны и другие приборы.»Так как требования к стабильности частоты современных передатчиков очень высоки, то . применяют сравнительно низкочастотные маломощные возбудители, для которых легче обеспечить повышенную стабильность частоты. Затем эти маломощные колебания усиливают последующими ступенями и повышают их частоту в умножителях^Амллитудную—и импульсную модуляцию колебаний осуществляют в выходных ступенях,^частотную модуляцию — в возбудителях, причем для обеспечения высокой стабильности несущей частоты применяют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ).
Простейшие импульсные передатчики СВЧ до недавнего времени состояли из мощного автогенератора, им-
Рис. В.1. Структурная схема однокаскадного радиопередатчика
пульсного модулятора и источника питания. Сейчас существенно повысились требования к стабильности их частоты, для чего стали использовать многокаскадные схемы. ^Исходными требованиями при составлении структурной схемы передатчика являются те, которые вытекают из технических условии на радиосистему в целом, например мощность в нагрузке Рп, рабочая частота или диапазон частот	нестабильность частоты (крат-
ковременная и долговременная), способ управления колебаниями и допустимые уровни искажений побочных и внеполосо-вых излучений. Обычно оговаривают условия~рдботы (стационарные, мобильные, бортовые) и общетехнические требования на габаритные размеры, массу, стоимость, надежность, долговечность и др.
Структурные схемы радиопередающих устройств в диапазоне СВЧ строят по тем же принципам, что и в диапазоне более низких частот. Решающим при выборе схемы
является требование к нестабильности частоты. Ориентировочно считается, что в однокаскадных передатчиках можно реализовать относительную нестабильность частоты не менее 10~4. При меньшей нестабильности пере-датчдки реализуют по многокаскадным схемам.
ГСтруктурная схема однокаскадного передатчика (рис. В.1) включает антенну (А), генераторный прибор СВЧ (АГ), работающий в режиме самовозбуждения, т. е. автогенератор (магнетроны, лампа обратной волны М-типа— ЛОВ-М, триод и др.), модулятор (М), управляющий колебаниями СВЧ, и блок питания (БП) автогенератора и модуляционного тракта. Примером однокаскадного передатчика может служить радиолокационный магнетронный передатчик, работающий короткими импульсами.
Выбор структурной схемы сводится к тзыбору типа магнетрона (или другого прибора СВЧ), который с учетом потерь в цепях согласования с антенной должен иметь номинальную мощность Pi„0M на 10 ... 20% больше требуемой в нагрузке:
Р1НОМ=(1,1 ... 1,2)Р„.
(В.1)
G
Рис. В 2. Структурная схема многокаскадного радиопередатчика с ЧМ
В справочных данных на прибор обычно указан рекомендуемый режим питания электродов. Поскольку приборы СВЧ, за исключением генераторных ламп, являются законченными генераторами или усилителями, то расчет сводится к определению мощности блока питания и модулятора, а также к установлению требований К форме модулирующего напряжения исходя из заданной длительности импульса и нестабильности частоты генерации. В дальнейшем выбирают тип импульсного модулятора, способного обеспечить требуемую форму модулирующего напряжения, проводят его электрический и конструктивный расчет.
Другим примером импульсного однокаскадного передатчика может служить передатчик в системе радио-противодействия на ЛОВ-М. В импульсном режиме ЛОВ-М имеет высокую чувствительность к изменениям напряжения на замедляющей структуре, относительное изменение этого напряжения на 1 % приводит примерно К такому же отклонению генерируемой частоты. Поскольку реализовать постоянство высокого напряжения на вершине модулирующего импульса с высокой точностью чрезвычайно трудно, модулирующее напряжение подают на управляющий электрод. В этом случае модулятор получается маломощным.
По однокаскадной схеме на ЛОВ-М строят также передатчики радиопротиводействия с частотной модуляцией (ЧМ). Изменяя напряжение на замедляющей структуре, можно перестраивать частоту излучения в пределах октавы, например, в широкополосных глушителях.
На рис. В.2 приведен вариант структурной схемы многокаскадного передатчика с ЧМ, работающего, например, в РЛС непрерывного действия. Так же строят передатчики радиорелейных линий связи через искус
7
ственные спутники Земли, работающие в диапазоне 3,4... 8,4 ГГц [3.1]. Возбудитель (В) с помощью мо- 1 дулятора (М) осуществляет ЧМ. Высокая стабильность несущей частоты поддерживается системой АПЧ. Буферный каскад (БК) ослабляет влияние последующих более мощных каскадов на частоту колебаний. Каскады умножения частоты (УЧ) или усиления мощности (УМ) преобразуют частоту возбудителя и увеличивают его мощность до требуемой. Для повышения стабильности частоты возбудитель работает обычно на низком уровне мощности (единицы-десятки милливатт) на частготах 20 ... 100 МГц. Умножители частоты также ослабляют паразитные связи между каскадами, а следовательно, способствуют повышению устойчивости и надежности работы всей системы. Выходной каскад работает обычно в режиме усиления мощности и соединяется с антенной фидером или волноводным трактом.
В многокаскадных передатчиках с быстрой перестройкой па любую частоту заданного диапазона при вы- ' соких требованиях к стабильности частоты в качестве возбудителя применяют синтезатор сетки стабильных частот (см. гл. 15) и широкополосные каскады умножения частоты и усиления мощности.
Маломощные каскады, выполняют на микросхемах, промежуточные и выходные каскады средней мощности — на транзисторах, большой мощности — на электронных приборах СВЧ.
Расчет многокаскадного передатчика начинают с вы-.ходного каскада, По(заданной мощности в нагрузке Рн определяют номинальную мощность Р]Ном (В.1), а затем выбирают по сравочникам подходящий тип прибора. В паспортных данных на усилительные приборы СВЧ указаны коэффициент усиления по мощности КР или мощность возбуждения Рщ. Этих сведений достаточно, чтобы рассчитать мощность предоконечного (предшествующего выходному) каскада с учетом требований к цепи согласования. Понижая мощность от каскада с К каскаду, можно ориентировочно выбрать схемы и па- е раметры всех каскадов. Если мощные каскады передат- 8 чика выполнены на триодах или тетродах по схеме с об-	•
щей сеткой, ориентировочно можно принять коэффици-	|
ент усиления Ар^ИО... 13 дБ, на тетродах по схеме с общим катодом Ар«И5...18 дБ [В.1]. В ламповых умножителях частоты на два и на три Кр следует умень-
8
Рис. В.З. Структурная схема многокаскадного импульсного радиопередатчика
шить соответственно в два и три раза по сравнению со значениями для УМ.
Расчет транзисторных каскадов многокаскадного передатчика проводят аналогично, учитывая сведения, приведенные в ч. 1.
Структурная схема многокаскадного импульсного передатчика на рис. В.З отличается от схемы па рис. В.2 тем, что возбудитель содержит автогенератор с кварцем, обеспечивающий высокую стабильность частоты без системы АПЧ. Все каскады начиная с буферного работают в импульсном режиме, тем самым снижая средний уровень мощности передатчика, его массу, габаритные размеры, стоимость. Импульсный режим приборов СВЧ в выходном и предоконечном каскадах реализуют, подавая на них импульсные высоковольтные напряжения питания.
Длительность модулирующих импульсов п для пред-оконечного и буферного каскадов берут в 5 ... 10 раз большей, чем для оконечных каскадов т. Все каскады, стоящие за буферным, работают в режиме длинных импульсов во избежание искажений радиоимпульса на выходе передатчика из-за переходных процессов в тракте. Иногда для упрощения модулятора импульсный режим обеспечивают только в выходном и предоконечном каскадах, а все остальные относительно маломощные каскады ставят в непрерывный режим. Общий к. п. д. передатчика при этом падает незначительно.
После ориентировочного выбора элементов структурной схемы проводят электрический и конструктивный расчет каждого каскада, начиная с выходного.
9
1. УСИЛИТЕЛЬНО-УМНОЖИТЕЛЬНЫЙ ТРАКТ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ
1
МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА СВЧ
На СВЧ оптимальный режим транзистора определяется не только его статическими характеристиками (рис. 1.1), но и его частотными свойствами. Параметрами аппроксимированных характеристик являются крутизна S, напряжение сдвига U', а также крутизна линии критического режима SKp.
На относительно невысоких частотах существенное падение усиления транзисторного каскада происходит при переходе в перенапряженный режим. В диапазоне СВЧ усиление заметно снижается еще до захода в критический режим. В связи с этим далее используется понятие граничного режима для СВЧ транзисторов [1.1]. Оно иллюстрируется рис. 1.2, на котором показаны линии постоянного значения малосигпалыюго коэффициента усиления по мощности КР на СВЧ, причем область характеристик, в которой наблюдается значительное усиление по мощности, ограни-
Рис. 1.1.	Рис. 1-2.
Рис. 1.1. Статические характеристики транзистора и их аппроксимация
Рис. 1.2. Линии критического (а) и граничного (б) режимов, а также линии одинакового усиления малого сигнала (в) на СВЧ в плоскости статических характеристик (а):
*8 агр=*$гр
10
допараметрического режима [1.1]. В допараметрическом режиме, как и в недонапряжепном на низких частотах, к. и. д. мал. Поэтому при работе транзистора в верхней части его частотного диапазона целесообразно использовать граничный режим, обеспечивающий наибольшее усиление при приемлемых значениях выходной мощности и к. п. д.
Верхняя частотная граница fB применения СВЧ транзисторов соответствует снижению малосигнального коэффициента усиления по мощности Кр приблизительно до 2. Критический режим в этом случае приведет к дополнительному снижению усиления вплоть до полной его потери. Коэффициент усиления по мощности, как будет показано далее, обратно пропорционален квадрату частоты. Поэтому на частотах, в 3...4 раза меньших /в, усиление возрастает на порядок. При этом выходную мощность и к. п. д. можно увеличить, используя транзистор в режиме, промежуточном между граничным и критическим, ценой снижения усиления по мощности.
Ограничимся рассмотрением модели транзистора только в граничном и допараметрическом режимах. В этом случае можно различать две области режима: активную, соответствующую открытому переходу, и отсечки, соответствующую закрытому переходу. В основе эквивалентной схемы для этих областей, вплоть до частот порядка сотен мегагерц, лежит физическая эквивалентная схема Джиаколетто (рис. 1.3), в которой г'б — сопротивление материала базы; г — сопротивление рекомбинации; Сэ, СЛПф — соответственно барьерная и диффузионная емкости эмиттерного перехода; CY-R,
Рис. 1.3.	РПС. 1.4.
Рис. 1 3. Эквивалентная схема маломощного транзистора
Рис. рЛ) Эквивалентная схема мощного транзистора СВЧ
11
Скп— активная и пассивная части емкости коллекторного перехода; гг— эквивалентный управляемый генератор тока (ЭГ), ir=Sn(un—U') при un>U', ir=0 при ип^.
ип — мгновенное напряжение на эмиттерном переходе; Скэ, СКб, Сбэ — корпусные емкости.
Для маломощных приборов корпусные емкости оказываются одного порядка с емкостями транзисторной структуры. Однако на режим работы транзистора существенно влияет лишь емкость СКб в схеме с общим эмиттером (ОЭ) и Скэ в схеме с общей базой (ОБ). Две другие емкости можно считать входящими в состав входной и выходной цепей связи.
Для мощных транзисторов СВЧ необходимо использовать более полную эквивалентную схему (рис. 1.4), в которой следует учитывать индуктивности выводов L-,, L^, Lk, сопротивление потерь коллектора г'к, заметно снижающее выходную мощность, усиление и к. п. д. транзистора на СВЧ, а также стабилизирующее сопротивление г'э, являющееся элементом конструкции много-эмиттерных транзисторов. Емкостями корпуса мощного СВЧ транзистора можно прнебречь ввиду их относительной малости по сравнению с емкостями собственно транзистора.
На СВЧ транзисторы, включенные по схеме ОБ, часто работают на частоте, существенно превышающей предельную частоту /гр (в 2...3 раза). При этом нужно учитывать комплексность крутизны по переходу Sn, на частотах ниже /гр ее можно считать вещественной.
Параметры эквивалентных схем являются результатом усреднения реальных параметров транзистора отдельно для активной области и области отсечки. Они зависят от режима работы транзистора и при выбранном режиме считаются постоянными в пределах каждой области.
СВЧ транзисторы характеризуются параметрами, типичными и для более низкочастотных приборов, а именно: /г„1Э — статическим коэффициентом передачи тока в схеме ОЭ; тк — постоянной времени цепи обратной связи, обозначаемой обычно г'бСк; Ск, Ся — емкостью коллекторного и эмиттерного переходов; frp — граничной частотой коэффициента передачи тока в схеме ОЭ или |Й21э|—-модулем коэффициента передачи тока на высокой частоте в схеме ОЭ. Кроме них необходимо учитывать ряд специфических параметров: индуктивности вы-12
водов; критический ток /кр— значение тока коллектора, при достижении которого частота frp падает на 3 дБ по отношению к ее максимальному значению при заданном напряжении коллектор — эмиттер [1.2]; QBX — добротность входа транзистора, равная отношению реактивной и активной составляющих входного сопротивления транзистора на некоторой частоте вблизи верхнего края рабочего диапазона. Этот параметр используется при расчете широкополосных СВЧ усилителей.
Зная ток /кр, можно оценить крутизну линии граничного режима по формуле
t S'rp^^Kp / Цкэ крч
где нКЭКр — напряжение коллектор — эмиттер, при котором измерен ток /кр.
Между паспортными параметрами и параметрами эквивалентной схемы существуют следующие соотношения:
тк — б^ка’ ^2!Э---
о  <7»к _	42,5iK
п	kT„	1 + 3,66-I0--Y,’
ГГр=^|Л21э1=Йт, ся=сдиф+сэ.
(1.1)
(1.2)
Здесь q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; Тп, tn — температура перехода соответственно в градусах Кельвина и Цельсия; iK— коллекторный ток, А; Sn — крутизна по переходу, См.
Кроме того, в расчетах используют крутизну статической характеристики tK(uB), равную отношению малых приращений тока коллектора и напряжения база — эмиттер при короткозамкнутой нагрузке:
<?__________Л21Э______	о.
г'б+г + (1 + й21Э)г'э-
При усреднении параметра Sn в формулу (1.2) целесообразно подставлять значение iK, равное половине высоты импульса коллекторного- тока или амплитуде его первой гармоники. В качестве параметра эквивалентной схемы Ск можно взять емкость коллектора при напряжении источника UK0. Значение параметра Са сле
13
дует выбирать средним между емкостями эмиттера при нулевом и предельно допустимом обратном напряжениях на эмиттере.
Электрические параметры, параметры эквивалентной схемы транзисторов, предельные эксплуатационные данные, а также параметры типового режима приведены в приложении 2.
2
МАЛОМОЩНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ
к маломощным транзисторам принято относить [2.1] приборы с допустимой мощностью рассеяния Ртах<