Проектирование СВЧ усилителя мощности J-класса

Введение
СВЧ транзисторный усилитель J класса представляет собой особый тип усилителя, работающего в нелинейном режиме, что позволяет добиться высокой эффективности. В отличие от усилителей классов A, B или C, где транзистор проводит ток в течение значительной части входного сигнала, в усилителе класса J транзистор работает в режиме переключения, что минимизирует потери мощности на активном элементе.
Основным принципом работы усилителя класса J является использование гармонических составляющих входного сигнала для формирования выходного напряжения. Это достигается путем применения специальных цепей согласования, которые подавляют одни гармоники и усиливают другие, формируя таким образом выходной сигнал желаемой формы.
Одним из ключевых преимуществ усилителей класса J является их высокая эффективность, которая может достигать 70-80%. Это достигается за счет минимизации времени, в течение которого транзистор находится в активном режиме, что снижает потери мощности на нагрев. Кроме того, усилители класса J обладают хорошей линейностью и могут использоваться для усиления сигналов с широкой полосой частот.
Однако усилители класса J имеют и некоторые недостатки. Одним из них является сложность схемотехнической реализации и настройки, что требует применения специальных методов проектирования и моделирования. Кроме того, усилители класса J могут быть чувствительны к изменениям температуры и напряжения питания, что требует применения специальных мер для обеспечения стабильности работы.
Несмотря на указанные сложности, СВЧ транзисторные усилители J класса находят широкое применение в различных областях, включая радиолокацию, связь и измерительную технику. Их высокая эффективность делает их особенно привлекательными для использования в портативных устройствах и системах, где требуется минимальное энергопотребление.
Для проектирования усилителей класса J используются специализированные программные средства, позволяющие моделировать работу схемы с учетом нелинейных характеристик транзисторов и элементов согласования. Важным этапом проектирования является оптимизация параметров схемы для достижения максимальной эффективности и линейности в заданном диапазоне частот.
Современные усилители класса J часто реализуются с использованием гетероструктурных биполярных транзисторов (HBT) или полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT). Эти транзисторы обладают высокими частотными характеристиками и позволяют создавать усилители, работающие в диапазоне СВЧ.
СВЧ транзисторные усилители J класса представляют собой перспективное направление в развитии усилительной техники. Их высокая эффективность и линейность делают их привлекательными для широкого круга применений, а постоянное развитие технологий и методов проектирования способствует их дальнейшему совершенствованию.
Цель курсовой работы – расчет СВЧ транзисторного усилителя J класса и моделирование средствами САПР.
Основной задачей курсовой работы является получение практических навыков проектирования СВЧ функциональных узлов и устройств в современных САПР в соответствии с требованиями технического задания.




1 Исходные данные
Таблица 1. Параметры элементов эквивалентной схемы транзистора
№ варианта Lg, Ld, Ls, (нГн) Rg, Rd, Rs, (Ом) Cds, Cgd, Cgs0, (пФ) Ipk, (А) Vpk0, (В) P1, (В-1);
P2, (В-2);
P3, (В-3);
2 0,25
0,07
0,05 4
0,6
0,35 0,28
0,012
1,9 0,4 -0,2 2,2
-0,8
0,6

Таблица 2. Исходные данные и параметры проектируемого усилителя
№ варианта , В f0, ГГц f/f0, не менее k КСВН входа, не более PAE, %, не менее G, дБ, не менее PSAT, дБм, не менее
2 9 0,45 0,12 0,9 1,4 65 18 30

Параметры внешних и внутренних элементов эквивалентной схемы транзистора согласно номеру варианта технического задания, приведены в табл. 1.
Исходные данные для проектирования однокаскадного СВЧ усилителя мощности J-класса для различных вариантов приведены в табл. 2, где: – напряжение питания; f0 – центральная частота; f/f0 – относительная полоса рабочих частот усилителя; k – коэффициент; КСВН входа - коэффициент стоячей волны по напряжению на входе УМ; PAE - коэффициент полезного действия по добавленной мощности; G – коэффициент усиления УМ в нелинейном режиме; PSAT –выходная мощность в режиме насыщения. В данной работе оценку коэффициента усиления УМ в нелинейном режиме G и PAE рекомендуется проводить при значении входной мощности, соответствующей однодецибельной компрессии коэффициента усиления. Сопротивления источника сигнала и нагрузки принимаем равными 50 Ом.
Общими для всех вариантов параметрами модели транзистора являются = 0,001; = 0,01 В-1; = 3 В-1.