авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

«Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПОВОЛЖСКИЙ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Шаг 8: Анализ работы входной цепи Начните расчет, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии.

Результаты анализа работы схемы видны на рис. 1.68 - 1.70.

Стрелки на годографе (рис.1.68) указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

В данном случае на частоте 300 МГц годограф проходит через точку r11 x 2.232, что соответствующую входному сопротивлению 0,149, 50 согласующей цепи r11=7,45 Ом, x11= –111,6 Ом. На частотах выше и ниже МГц входное сопротивление также носит комплексный характер.

Рисунок 1.68 – Результаты оценки входного сопротивления ГВВ на диаграмме Смита Графики (рис. 1.69, 1.70) построены в абсолютных величинах действительной и мнимой части комплексного входного сопротивления.

Рисунок 1.69 – Зависимость действительной части входного сопротивления Z11 от частоты Рисунок 1.70 – Зависимость мнимой части входного сопротивления Z11 от частоты Результаты анализа позволяют дать количественную оценку величине входного сопротивления транзистора в диапазоне рабочих частот.

Из приведенного анализа работы ГВВ следует, что необходима параметрическая оптимизация элементов схемы входной цепи транзистора. В частности, необходима компенсация реактивного сопротивления транзистора.

Шаг 9: Формулировка критериев оптимизации входной цепи Пакет программ позволяет провести оптимизацию принципиальной схемы по заданным критериям качества. Вначале необходимо задаться критериями оптимизации и весовыми коэффициентами, т.е. сформулировать целевую функцию оптимизации.

В данном случае необходимо минимизировать отличие от 0 Ом мнимой части входного сопротивления транзистора в рабочем диапазоне частот 290…310 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 1,0.

Шаг 10. Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину Для компенсации емкостного сопротивления транзистора на вход включим дополнительно индуктивность L3 = 30 нГн. Исследуемая схема принимает следующий вид.

Рисунок 1.71 – Схема исследуемого ГВВ с дополнительной индуктивностью L В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Var (Variable Browser). Далее нажмем Schematic 2 (рис. 1.72).

Рисунок 1.72 – Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину Первые три столбца в окна просмотра позволяют установить назначение переменных и при необходимости ограничение на величину параметров.

Кнопки "T", "O" и "C" используются для того, чтобы включить или отключить Tuning (настройку), Optimization (оптимизацию) и Constraints (ограничения) параметров введенных элементов.

В данном случае для настройки и оптимизации предназначена индуктивность L3, поэтому для нее включены кнопки "T", "O" и "C". Далее вводятся ограничения на параметры (рис. 1.72) снизу (Lower) и сверху (Upper).

Шаг 11. Установка цели оптимизации.

В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Proj. Далее, щелкните правой кнопкой мыши Optimizer Goals, и выберите Add Opt Goal (рис. 1.73).

Рисунок 1.73 – Подготовка к установке цели оптимизации В главном окне программы откроется диалоговое окно New Optimization Goal (рис. 1.74).

Рисунок 1.74 – Диалоговое окно для установки цели оптимизации В окне Measurement (рис. 1.74) выберите измеряемую мнимую часть входного сопротивления транзистора Schematic2:Im(Z[1,1]), минимум отклонения которой от 0 Ом является критерием оптимизации.

Выберите тип цели (Goal Type) Meas = Goal, т.е. для достижения заданного критерия оптимизации измеряемая величина Meas будет стремиться к заданной Goal при вариации параметров цепи компенсации. Заданная цель оптимизации может быть установлена в диапазоне частот в окнах Range. Для этого активизируются окна Start и Stop снятием меток в окнах Min и Max.

Устанавливаем в этих окнах частоты 290 мГц и 310 мГц (рис. 1.74).

Устанавливаем в окне Goal start 0. Весовой коэффициент устанавливаем равным 1.0 в окне Weight в соответствии с формулировкой критериев оптимизации входного сопротивления (Шаг 9).

После установки цели оптимизации в окне New Optimization Goal (рис. 1.74) нажимаем кнопку OK. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис. 1.75).

Рисунок 1.75 – Результат установки цели оптимизации Для изменения цели оптимизации в нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Proj. Далее, щелкните правой кнопкой мыши + Optimizer Goas Schematic 2:Im(Z[1,1])=0 [w=1,Range=2.9e+008..3.1e+008] и выберите Edit Goal Properties…(рис. 1.76).

Рисунок 1.76 – Подготовка программы для изменения цели оптимизации В результате открывается диалоговое окно Modify Optimization Goal (рис.1.77), которое предназначено для изменения цели оптимизации.

Рисунок 1.77 – Диалоговое окно для изменения цели оптимизации Шаг 12. Оптимизация входного сопротивления ГВВ В меню Simulate выберите команду Optimize (рис. 1.78) и нажмите на клавишу мыши. В открывшемся одноименном диалоговом окне Optimize установите флажок Show All Iterations (показать все итерации) и выберите любой из методов оптимизации в раскрывающемся списке Optimization Methods (рис. 1.79).

Рисунок 1.78 – Подготовка к открытию окна оптимизации Из списка методов оптимизации выбираем Pointer – Robust Optimization и задаемся максимальным количеством итераций 100 в окне Maximum Iterations.

Рисунок 1.79 – Диалоговое окно до выполнения оптимизации Для начала процесса оптимизации необходимо нажать кнопку Start (пуск).

За оптимизационным процессом можно наблюдать в окнах Relative Goal Cost (относительная целевая оценка) и Cost History (хронология оценки), а также на построенных ранее графиках (Graph 1 – Graph 3). В соответствии с количеством целей оптимизации в окне Relative Goal Cost представлена диаграмма, дающая оценку близости оптимизируемой мнимой части входного сопротивления транзистора к цели.

По окончании процесса оптимизации диалоговое окно Optimize представлено на рис. 1.80. Результаты оптимизации представлены также на рис.

1.81.

Рисунок 1.80 – Общий вид диалогового окна по окончании процесса оптимизации Рисунок 1.81 – Годограф входного сопротивления ГВВ по окончании процесса оптимизации Рисунок 1.82 – Результат оптимизации мнимой части входного сопротивления ГВВ Рисунок 1.83 – Действительная часть входного сопротивления схемы ГВВ с дополнительной индуктивностью Результатом проведенной оптимизации входной цепи является схема ГВВ, представленная на рис. 1.84.

Рисунок 1.84 – Схема ГВВ с дополнительной индуктивностью на входе Перейдем к исследованию влияния сопротивления нагрузки ГВВ на его энергетические показатели.

Шаг 13. Анализ влияния сопротивления нагрузки на режимы работы ГВВ Для исследования энергетических характеристик ГВВ в проект нужно добавить графики для построения динамических характеристик (рис. 1.85), зависимости выходной мощности и коэффициента усиления от сопротивления нагрузки в диапазоне рабочих частот. Методика построения динамических характеристик подробно изложена в предыдущих разделах.

Рисунок 1.85 – Динамические характеристики ГВВ Для исследования зависимости выходной мощности и коэффициента усиления от сопротивления нагрузки в диапазоне рабочих частот откроем дополнительно два прямоугольных графика (Graph 4, Graph 5).

Задайте расчетные величины для Graph 4. Щелкните правой клавишей на строке Graph 4 и выберите Add Measurement (добавить вычисления).

Появится форма, представленная на рис. 1.86.

В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Nonlinear Power. В окне Measurement (расчет) выберите Pcomp. В окне Data Source Name выберите Schematic 2. В окне Measurement Component выберите P_METER 3.P1.

Выберите Real в окне Complex Modigier. Нажмите Add OK.

Рисунок 1.86 – Задание расчетных величин для четвертого графика Задайте расчетные величины для Graph 5. Щелкните правой клавишей на строке Graph 5 и выберите Add Measurement (добавить вычисления).

Появится следующая форма:

Рисунок 1.87 – Задание расчетных величин для пятого графика В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Nonlinear Power. В окне Measurement (расчет) выберите PGain. В окне Data Source Name выберите Schematic 2. В окне Power In Component PORT_1. Выберите P_METER 3.P1 в окне Power Out Component. Поставьте флажок в окне DB. Нажмите Add OK.

Установите в исследуемой схеме выходное сопротивление порта равным действительной части входного сопротивления ГВВ. Начните расчет, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии.

Результаты анализа работы схемы видны на рис. 1.88 – 1.90. Динамическая характеристика соответствует перенапряженному режиму (рис.1.88).

Рисунок 1.88 – Динамическая характеристика при сопротивлении нагрузки ГВВ 40 Ом Мощность отдаваемая в нагрузку в рабочем диапазоне частот изменяется в широких пределах (рис. 1.89).

Рисунок 1.89 – Зависимость Pcomp от частоты при сопротивлении нагрузки ГВВ 40 Ом Рисунок 1.90 – Зависимость PGain от частоты при сопротивлении нагрузки ГВВ 40 Ом В исследуемой схеме выходная мощность зависит от величины сопротивления нагрузки ГВВ.

Из приведенного анализа работы ГВВ следует, что необходима параметрическая оптимизация сопротивления нагрузки Шаг 14: Формулировка критериев оптимизации режима работы схемы Пакет программ позволяет провести оптимизацию принципиальной схемы по заданным критериям качества. Вначале необходимо задаться критериями оптимизации и весовыми коэффициентами, т.е. сформулировать целевую функцию оптимизации.

В данном случае необходимо обеспечить максимальное значение выходной мощности при изменении сопротивления нагрузки ГВВ в рабочем диапазоне частот 290…310 Мгц. Для этого можно задаться выходной мощностью заведомо большей реально обеспечиваемой ГВВ при различных сопротивлениях нагрузки и минимизировать отклонения выходной мощности от заданной. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 1,0.

Шаг 15. Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Var (Variable Browser). Далее нажмем Schematic 2 (рис.1.91).

Рисунок 1.91 – Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину Первые три столбца в окна просмотра позволяют установить назначение переменных и при необходимости ограничение на величину параметров.

Кнопки "T", "O" и "C" используются для того, чтобы включить или отключить Tuning (настройку), Optimization (оптимизацию) и Constraints (ограничения) параметров введенных элементов.

В данном случае для настройки и оптимизации предназначенo сопротивление R1, поэтому для него включены кнопки "T", "O" и "C". Далее вводятся ограничения на параметры (рис. 1.91) снизу (Lower) и сверху (Upper).

Шаг 16. Установка цели оптимизации.

В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Proj. Далее, щелкните правой кнопкой мыши Optimizer Goals, и выберите Add Opt Goal (рис. 1.92).

Рисунок 1.92 – Подготовка к установке цели оптимизации В главном окне программы откроется диалоговое окно New Optimization Goal (рис. 1.93).

Рисунок 1.93 – Диалоговое окно для установки цели оптимизации В окне Measurement (рис. 1.93) выберите измеряемую реальную часть выходной мощности Schematic 2:Re(Pcomp[P_METER 3.P1,1,1]), минимум отклонения которой от установленной мощности является критерием оптимизации.

Выберите тип цели (Goal Type) Meas = Goal, т.е. для достижения заданного критерия оптимизации измеряемая величина Meas будет стремиться к заданной Goal при вариации параметров сопротивления нагрузки. Заданная цель оптимизации может быть установлена в диапазоне частот в окнах Range.

Для этого активизируются окна Start и Stop снятием меток в окнах Min и Max.

Устанавливаем в этих окнах частоты 295мГц и 305мГц (рис. 1.93).

Устанавливаем флажок в окне Sloped и задаем начальное Goal start 220 mW и конечное Goal stop 165 mW значение цели оптимизации (рис. 1.93).

Весовой коэффициент устанавливаем равным 1.0 в окне Weight в соответствии с формулировкой критериев оптимизации режима работы схемы (Шаг 14).

После установки цели оптимизации в окне New Optimization Goal (рис.

1.93) нажимаем кнопку OK. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис. 1.94).

Рисунок 1.94 – Результат установки цели оптимизации Для изменения цели оптимизации в нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Proj. Далее, щелкните правой кнопкой мыши + Optimizer Goas Schematic 2:Re(Pcomp[P_METER3.P1,1,1])= =0.22..0.165[w=1,Range=2.95e+008..3.05e+008] и выберите Edit Goal Properties…(рис. 1.95).

Рисунок 1.95 – Подготовка программы для изменения цели оптимизации В результате открывается диалоговое окно Modify Optimization Goal (рис.

1.96), которое предназначено для изменения цели оптимизации.

Рисунок 1.96 – Диалоговое окно для изменения цели оптимизации Шаг 17. Оптимизация сопротивления нагрузки ГВВ До оптимизации графики Graph 4, Graph 5 при начальном сопротивлении нагрузки 40 Ом имеют следующий вид:

Рисунок 1.97 – Исходная зависимость Pcomp от частоты до оптимизации Пунктиром на рис. 1.97 показана цель оптимизации.

Рисунок 1.98 – Исходная зависимость PGain от частоты до оптимизации Для проведения оптимизации в меню Simulate выберите команду Optimize (рис. 1.99) и нажмите на клавишу мыши. В открывшемся одноименном диалоговом окне Optimize установите флажок Show All Iterations (показать все итерации) и выберите любой из методов оптимизации в раскрывающемся списке Optimization Methods (рис. 1.100).

Рисунок 1.99 – Подготовка к открытию окна оптимизации Рисунок 1.100 – Диалоговое окно до выполнения оптимизации Из списка методов оптимизации выбираем Pointer – Robust Optimization и задаемся максимальным количеством итераций 100 в окне Maximum Iterations.

Для начала процесса оптимизации необходимо нажать кнопку Start (пуск).

За оптимизационным процессом можно наблюдать в окнах Relative Goal Cost (относительная целевая оценка) и Cost History (хронология оценки), а также на построенных ранее графиках (Graph 1 – Graph 5). В соответствии с количеством целей оптимизации в окне Relative Goal Cost представлена диаграмма, дающая оценку близости оптимизируемой выходной мощности к заданной. По окончании процесса оптимизации диалоговое окно Optimize представлено на рис. 1.101 Результаты оптимизации представлены также на рис. 1.102 – 1.105.

Рисунок 1.101 – Общий вид диалогового окна по окончании процесса оптимизации Рисунок 1.102 – Динамическая характеристика ГВВ по окончании процесса оптимизации Рисунок 1.103 – Зависимость Pcomp от частоты по окончании процесса оптимизации Рисунок 1.104 – Зависимость PGain от частоты по окончании процесса оптимизации Параметры схемы ГВВ по окончании оптимизации представлены на рис.

1.105.

Рисунок 1.105 – Параметры схемы ГВВ по окончании процесса оптимизации Из анализа полученных результатов следует, что ГВВ при сопротивлении нагрузки R1=20,696 Ом в критическом режиме (рис. 1.102) обеспечивает максимальную выходную мощность (рис. 1.103). Недостатком работы схемы является значительная неравномерность коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот (рис. 1.104).

Шаг 18. Многопараметрическая оптимизация ГВВ Для обеспечения равномерности коэффициента передачи можно применить частотно-зависимую отрицательную обратную связь, состоящую из индуктивности L4 и сопротивления R2 (рис. 1.106).

Представленная на рис. 1.106 схема, полученная в результате оптимизации параметров L3, L4, R1, R2, обеспечивает максимальную выходную мощность при неравномерности коэффициента усиления не превышающем 0,5 дБ.

Рисунок 1.106 – Оптимальная схема ГВВ с частотно-зависимой отрицательной обратной связью Параметры схемы приведены на рис. 1.107. Следует отметить, что помимо уменьшения неравномерности коэффициента передачи в схеме благодаря обратной связи увеличилась реальная часть входного сопротивления, что упрощает проектирование цепей согласования. Оптимальное сопротивление нагрузки в критическом режиме практически не изменилось R1=20,35 Ом.

Результаты многопараметрической оптимизации схемы ГВВ представлены на рис. 1.108 – 1.114.

Рисунок 1.107 – Параметры схемы ГВВ с частотно-зависимой отрицательной обратной связью Рисунок 1.108 – Зависимость Pcomp от частоты оптимальной схемы ГВВ Рисунок 1.109 – Зависимость PGain от частоты оптимальной схемы ГВВ Рисунок 1.110 – Действительная часть входного сопротивления оптимальной схемы ГВВ Рисунок 1.111 – Мнимая часть входного сопротивления оптимальной схемы ГВВ Рисунок 1.112 – Годограф входного сопротивления оптимальной схемы ГВВ Рисунок 1.113 – Динамическая характеристика оптимальной схемы ГВВ Рисунок 1.114 – Временная зависимость коллекторного тока транзистора оптимальной схемы ГВВ Рисунок 1.115 – Временная зависимость напряжения на коллекторе транзистора оптимальной схемы ГВВ Анализ характеристик оптимальной схемы ГВВ представленных на рис.

1.108 – 1.115 показывает, что благодаря обратной связи удается значительно улучшить его качественные показатели.

Шаг 19: Пояснительная записка Создайте пояснительную записку к этому проекту. Вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите, например, «Оптимизация усилителя мощности».

Рисунок 1.116 – Пояснительная записка к проекту Шаг 20: Сохранение всего проекта Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить).

2 Генераторы с внешним возбуждением в режиме малого сигнала Генераторы с внешним возбуждением в режиме малого сигнала (усилители мощности) используются в синтезаторах частот [11,13] и предварительных каскадах передатчиков, в многоканальных передатчиках кабельного и эфирного телевидения [5, 6, 8, 15, 18, 21, 27].

Наиболее высокие требования к усилителям мощности предъявляются в широкополосных передатчиках кабельного и эфирного телевидения, систем связи с подвижными объектами. Они должны обеспечивать усиление по мощности при высоких требованиях к нелинейным искажениям и неравномерности амплитудно-частотной характеристики.

Усилитель мощности передатчика в режиме малого сигнала очевидно должен работать в линейном режиме без отсечки коллекторного тока.

2.1 Компьютерные технологии анализа и оптимизации широкополосного усилителя мощности В качестве активного элемента усилителя мощности воспользуемся транзистором BFG591. Эффективным способом решения задачи исследования усилителей мощности СВЧ диапазона является использование пакета программ Microwave Office.

2.1.1 Общие сведения по использованию пакета программ Microwave Office Начнем рассмотрение методики исследования с построения компьютерной модели схемы широкополосного усилителя мощности мобильного многоканального телевизионного передатчика (рис.2.1).

Шаг 1: Задание диапазона частот Для задания рабочего диапазона частот, сначала перейдите в Проект, нажимая на закладку Proj расположенную внизу основного окна. Наведите курсор мышки на Project Options, вверху окна и дважды щелкните. Появится окно Project Options. Выберите закладку Frequency Values (рис. 2.2).

Введите начальную частоту Start 700 MHz, конечную частоту Stop 760 MHz и шаг 1 MHz. Щелкните на кнопке Apply (применить). В окне Current Range появится заданный диапазон (рис. 2.2). Нажмите OK.

Шаг 2: Добавление графиков Для построения зависимостей действительной и мнимой части входного сопротивления Z 11 от частоты в диапазоне 700…760 МГц в проект нужно добавить графики. На основной панели найдите кнопку Add Graph (добавить график) и щелкните ее. Появится окно (рис. 2.3) Create Graph (формат графика) Рисунок 2.1 – Исходная схема исследуемого усилителя мощности Рисунок 2.2 – Установка диапазона рабочих частот Для построения (Graph1, Graph2) в окне Create Graph (рис. 2.3) выбираем прямоугольную систему координат (Rectangular).

Рисунок 2.3 – Выбор прямоугольной системы координат для первого и второго графиков Для построения третьего графика (Graph3) в окне Create Graph (рис. 2.4) выбираем диаграмму Смита (Smit Chart).

Рисунок 2.4 – Выбор диаграммы Смита для третьего графика Шаг 3: Выбор расчетных величин Задайте расчетные величины для первого графика. Щелкните правой клавишей на строке Graph 1 и выберите Add Measurement (добавить вычисления).

Появится форма рис. 2.5.

В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Schematic 2. Выберите Real в окне Complex Modigier. Нажмите Add OK.

Рисунок 2.5 – Задание расчетных величин для первого графика Задайте расчетные величины для второго графика. Щелкните правой клавишей на строке Graph 2 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Рисунок 2.6 – Задание расчетных величин для второго графика В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Schematic 2. Выберите Imag в окне Complex Modigier. Нажмите Add OK.

Задайте расчетные величины для третьего графика. Щелкните правой клавишей на строке Graph 3 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Рисунок 2.7 – Задание расчетных величин для третьего графика В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Schematic 2. Нажмите Add OK.

Для исследования зависимости выходной мощности и коэффициента усиления от элементов схемы усилителя мощности в диапазоне рабочих частот откроем дополнительно два прямоугольных графика (Graph 4, Graph 5).

Задайте расчетные величины для Graph 4. Щелкните правой клавишей на строке Graph 4 и выберите Add Measurement (добавить вычисления).

Появится форма рис. 2.8.

В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Nonlinear Power. В окне Measurement (расчет) выберите Pcomp. В окне Data Source Name выберите Schematic 2. В окне Measurement Component выберите P_METER 3.P1.

Выберите Real в окне Complex Modigier. Нажмите Add OK.

Задайте расчетные величины для Graph 5. Щелкните правой клавишей на строке Graph 5 и выберите Add Measurement (добавить вычисления).

Появится форма рис. 2.9.

В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Nonlinear Power. В окне Measurement (расчет) выберите PGain. В окне Data Source Name выберите Schematic 2. В окне Power In Component PORT_1. Выберите P_METER 3.P1 в окне Power Out Component. Поставьте флажок в окне DB. Нажмите Add OK.

Рисунок 2.8 – Задание расчетных величин для четвертого графика Рисунок 2.9 – Задание расчетных величин для пятого графика Установите в исследуемой схеме выходное сопротивление порта равным Ом.

2.1.2 Анализ работы усилителя мощности Начните расчет, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии.

Результаты анализа работы схемы видны на рис. 2.10 – 2.15.

Стрелки на годографе (рис.2.10) указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

В данном случае на частоте 730,35 МГц годограф проходит через точку x r 0.846, что соответствует входному сопротивлению усилителя 0,814, мощности r11=40,7 Ом, x11= –42,3 Ом. На частотах выше и ниже 730,35 МГц входное сопротивление также носит комплексный характер.

Рисунок 2.10 – Результаты оценки входного сопротивления усилителя мощности на диаграмме Смита Графики (рис.2.11, 2.12) построены в абсолютных величинах действительной и мнимой части комплексного входного сопротивления.

Рисунок 2.11 – Зависимость действительной части входного сопротивления Z11 от частоты Рисунок 2.12 – Зависимость мнимой части входного сопротивления Z11 от частоты Результаты анализа позволяют дать количественную оценку величине входного сопротивления усилителя в диапазоне рабочих частот.

Динамическая характеристика соответствует линейному режиму малого сигнала (рис. 2.13) Рисунок 2.13 – Динамическая характеристика при сопротивлении нагрузки усилителя 50 Ом Мощность отдаваемая в нагрузку в рабочем диапазоне частот изменяется в пределах менее 1 dBm (рис. 2.14).

Рисунок 2.14 – Зависимость Pcomp от частоты Рисунок 2.15 – Зависимость PGain от частоты Из приведенного анализа работы усилителя следует, что его входное сопротивление носит комплексный характер и в результате благодаря рассогласованию с источником возбуждения низкий коэффициента усиления Pgain. В диапазоне рабочих частот необходима параметрическая оптимизация.

В исследуемой схеме точность согласования зависит от параметров цепей обратной связи по току и напряжению.

2.1.3 Параметрическая оптимизация усилителя мощности Шаг 1. Формулировка критериев оптимизации усилителя мощности Пакет программ позволяет провести параметрический синтез принципиальной схемы по заданным критериям качества. Вначале необходимо задаться критериями оптимизации и весовыми коэффициентами для каждого из них, т.е. сформулировать целевую функцию многокритериальной оптимизации.

Во-первых, необходимо минимизировать отличие от 50 Ом действительной части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 700…760 мГц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,4.

Во-вторых, необходимо минимизировать отличие от 0 Ом мнимой части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 700…760 мГц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,4.

Третий критерий – минимизация отличия от заданного коэффициента усиления 17 дБ в рабочем диапазоне частот 700…760 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,2.

Шаг 2. Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Var (Variable Browser). Далее нажмем Schematic 2 (рис. 2.16).

Первые три столбца в окна просмотра позволяют установить назначение переменных и при необходимости ограничение на величину параметров.

Кнопки "T", "O" и "C" используются для того, чтобы включить или отключить Tuning (настройку), Optimization (оптимизацию) и Constraints (ограничения) параметров введенных элементов.

В данном случае для настройки и оптимизации предназначены:

сопротивления R2, R3, R4, индуктивность L3, емкость C6, поэтому для этих элементов включены кнопки "T", "O" и "C". Далее вводятся ограничения на параметры (рис. 2.16) снизу (Lower) и сверху (Upper).

Рисунок рис. 2.16 – Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину Шаг 3. Установка цели оптимизации.

В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Proj. Далее, щелкните правой кнопкой мыши Optimizer Goals, и выберите Add Opt Goal (рис.2.17).

Рисунок 2.17 – Подготовка к установке цели оптимизации В главном окне программы откроется диалоговое окно New Optimization Goal (рис. 2.18).

В окне Measurement (рис.2.18) выберите измеряемую действительную часть входного сопротивления цепи согласования Untiteld 1:Re(Z[11]), минимум отклонения которой от 50 Ом является критерием оптимизации.

Рисунок 2.18 – Диалоговое окно для установки первой цели оптимизации Выберите тип цели (Goal Type) Meas = Goal, т.е. для достижения заданного критерия оптимизации измеряемая величина Meas будет стремиться к заданной Goal при вариации параметров цепи согласования. Заданная цель оптимизации может быть установлена в диапазоне частот в окнах Range. Для этого активизируются окна Start и Stop снятием меток в окнах Min и Max.

Устанавливаем в этих окнах частоты 700 мГц и 760 мГц (рис. 2.18).

Устанавливаем в окне Goal start 50. Весовой коэффициент устанавливаем равным 0,4 в окне Weight в соответствии с формулировкой критериев оптимизации цепи согласования (Шаг 1).

После установки цели оптимизации в окне New Optimization Goal (рис.

2.18) нажимаем кнопку OK. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис. 2.19).

Алгоритм установки второй цели оптимизации аналогичен рассмотренному выше.

Рисунок 2.19 – Результат установки первой цели оптимизации Открыв New Optimization Goal (рис. 2.20), в окне Measurement выберите измеряемую мнимую часть входного сопротивления цепи согласования Untiteld 1:Im(Z[11]), минимум отклонения которой от 0 Ом является критерием оптимизации.

Рисунок 2.20 – Диалоговое окно для установки второй цели оптимизации Выберите тип цели (Goal Type) Meas = Goal, т.е. для достижения заданного критерия оптимизации измеряемая величина Meas будет стремиться к заданной Goal при вариации параметров цепи согласования. Заданная цель оптимизации может быть установлена в диапазоне частот в окнах Range. Для этого активизируются окна Start и Stop снятием меток в окнах Min и Max.

Устанавливаем в этих окнах частоты 700 мГц и 760 мГц (рис.2.20).

Устанавливаем в окне Goal start 0. Весовой коэффициент устанавливаем равным 0,4 в окне Weight в соответствии с формулировкой критериев оптимизации цепи согласования (Шаг 1).

Устанавливаем третью цель оптимизации (рис.2.21).

После установки целей оптимизации в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис.2.22).

Рисунок 2.21– Диалоговое окно для установки третьей цели оптимизации Рисунок 2.22 – Результат установки целей оптимизации Шаг 4. Оптимизация усилителя мощности В меню Simulate выберите команду Optimize (рис. 2.23) и нажмите на клавишу мыши. В открывшемся одноименном диалоговом окне Optimize установите флажок Show All Iterations (показать все итерации) и выберите любой из методов оптимизации в раскрывающемся списке Optimization Methods (рис. 2.24).

Рисунок 2.23 – Подготовка к открытию окна оптимизации Рисунок 2.24 – Диалоговое окно до выполнения оптимизации Из списка методов оптимизации выбираем Pointer – Robust Optimization и задаемся максимальным количеством итераций 100 в окне Maximum Iterations.

Для начала процесса оптимизации необходимо нажать кнопку Start (пуск).

За оптимизационным процессом можно наблюдать в окнах Relative Goal Cost (относительная целевая оценка) и Cost History (хронология оценки), а также на построенных ранее графиках (Graph 1 – Graph 3). В соответствии с количеством целей оптимизации в окне Relative Goal Cost представлена диаграмма, дающая оценку близости оптимизируемых параметров усилителя к цели.

По окончании процесса оптимизации диалоговое окно Optimize представлено на рис. 2.25.

Рисунок 2.25 – Общий вид диалогового окна по окончании процесса оптимизации Результаты оптимизации схемы усилителя мощности представлены на рис.

2.26 –2.31.

Рисунок 2.26 – Действительная часть входного сопротивления схемы усилителя мощности Рисунок 2.27 – Мнимая часть входного сопротивления усилителя мощности Рисунок 2.28 – Результат оптимизации амплитудно-частотной характеристики усилителя Рисунок 2.29 – Годограф входного сопротивления усилителя мощности по окончании процесса оптимизации Рисунок 2.30 – Выходная мощность по окончании процесса оптимизации Рисунок 2.31 – Временная зависимость выходного тока Результатом проведенной оптимизации является схема усилителя мощности, представленная на рис. 2.32.

Рисунок 2.32 – Оптимальная схема усилителя мощности Параметры оптимальной схемы усилителя представлены на рис. 2.33 в столбце Vaiue.

Рисунок 2.33 – Оптимальные параметры схемы усилителя Схема рис. 2.32, полученная в результате оптимизации параметров L3,, R2, R3, R4, C6 обеспечивает выходную мощность 17 дБм при неравномерности коэффициента усиления не превышающем 0,5 дБ.

Следует отметить, что помимо увеличения коэффициента передачи в схеме благодаря оптимальной обратной связи мнимая часть входного сопротивления близка к нулю, а действительная часть входного сопротивления в рабочем диапазоне 700…760 мГц отличается от 50 Ом менее чем на 1%.

Улучшение технических характеристик усилителя обеспечивается при сохранении его высокой линейности в режиме малого сигнала.

Шаг 5: Пояснительная записка Создайте пояснительную записку к этому проекту. Вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите, например, «Исследование широкополосного усилителя мощности многоканального ТВ передатчика».

Рисунок 2.34 – Пояснительная записка к проекту Шаг 6. Сохранение всего проекта Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как).

3 Высокочастотные трансформаторы сопротивлений в усилителях мощности 3.1 Схемы высокочастотных трансформаторов сопротивлений Пассивные высокочастотные трансформаторы сопротивлений выполняют функции цепей согласования в усилителях мощности [1-3].

Вначале на конкретном примере рассмотрим основные требования, которые предъявляются к цепям согласования.

3.1.1 Требования, предъявляемые к цепям согласования Пассивные цепи согласования, входящие в состав усилителей мощности, условно можно разделить на входные, межкаскадные и выходные.

В качестве примера рассмотрим двухкаскадный усилитель мощности [2, 3], структурная схема которого приведена на рис.3.1. Основными требованиями, предъявляемыми к цепям согласования, будут следующие:

1.Трансформировать на основной частоте комплексное сопротивление нагрузки Zн( ) в такое в общем случае комплексное сопротивление Zвх( ), которое является оптимальным (близким или равным Rэкв) для транзистора.

В противном случае усилитель будет работать в невыгодном режиме, при этом возможны снижения его выходной мощности и коэффициент полезного действия (КПД), а также возникновение искажений передаваемого сигнала. В частности, если второй каскад является оконечным каскадом передатчика, то его нагрузкой может быть непосредственно входное сопротивление антенны Zа( ) либо входное сопротивление фидера Zф( ) или согласующего устройства Zсу ( ), которые включаются перед антенной, либо входное сопротивление выходной колебательной системы, устанавливаемой на выходе передатчика для заданного подавления высших гармоник.

В межкаскадных цепях нагрузкой служит входное сопротивление электронного прибора (ЭП) последующего каскада Zвх.эп( ), которое должно трансформироваться в Zвх( ), оптимальное (близкое или равное Rэкв) для ЭП предыдущего каскада. Входная цепь первого усилительного каскада должна обеспечивать Zвх( ), близкое к оптимальной нагрузке для задающего генератора или его буферного каскада либо возбудителя или синтезатора частоты передатчика.

На рис. 3.1 они представлены в виде генератора Uг( ) с внутренним сопротивлением Zг( );

Рисунок 3.1 – Структурная схема двухкаскадного усилителя мощности 2.Обеспечивать определенные входные сопротивления выходных и межкаскадных цепей согласования (ЦС) на частотах высших гармоник Zвх(n ) и аналогично выходные сопротивления для межкаскадных и входных ЦС Zвых(n ).Это связано с тем, что в мощных каскадах ЭП, как правило, работают в нелинейных режимах.

3.Задерживать (отфильтровывать) высшие гармоники в нагрузке (на входе следующего каскада, антенны или ее согласующего устройства для оконечного каскада) так, чтобы их мощность не превосходила допустимого значения.

4.Вносить незначительные потери мощности, т. е. обеспечивать высокий КПД ЦС на основной частоте.

5.Выдерживать в широкодиапазонных генераторах заданные характеристики в рабочем диапазоне частот. В частности, при их построении необходимо учитывать увеличивающиеся с ростом рабочей частоты проводимости входных и выходных емкостей ЭП и сопротивления индуктивностей их выводов. Кроме того, в широкодиапазонных ЦС может предусматриваться компенсация снижения от частоты коэффициента усиления по мощности ЭП.

6.Предусматривать работу при заданном уровне колебательной мощности, токах и напряжениях.

Кроме перечисленных требований предъявляются также требования к стоимости, габаритным размерам, массе, надежности и др.

Так как невозможно одинаково хорошо удовлетворить все перечисленные требования, то в зависимости от конкретных условий некоторые из них приходится считать главными, а другие – второстепенными. В частности, при построении ЦС предварительных и предоконечного каскадов основными являются требования трансформации сопротивления нагрузки Zн( ) к заданному значению Zвх( ) на основной частоте. При этом правильное их проектирование позволяет достигнуть одновременно достаточное подавление высших гармоник на входе следующего каскада. Здесь не требуется, чтобы ЦС обеспечивали высокий КПД, поскольку все, вместе взятые, предварительные и предоконечный каскады обычно потребляют мощность, значительно меньшую, чем потребляемая выходным каскадом.

При построении выходной ЦС оконечного каскада добавляются противоречивые требования, касающиеся получения высокой степени фильтрации высших гармоник в нагрузке при сохранении заданной полосы пропускания (или диапазона рабочих частот), максимального КПД и возможности работы при высоком уровне колебательной мощности. Поэтому здесь часто задачу фильтрации высших гармоник перекладывают на отдельно устанавливаемую и проектируемую выходную колебательную систему передатчика.

3.1.2 Методы построения принципиальных схем высокочастотных трансформаторов сопротивлений В современных передатчиках, и в первую очередь в транзисторных, межкаскадные цепи строят в виде Г-, П- и Т-образных контуров [2].

Согласующие Г-, Т-, П-цепочки выполняются в виде ФНЧ: в продольных ветвях включаются индуктивности, в поперечных – емкости (рис. 3.2). При этом обеспечивается лучшая фильтрация гармоник и одновременно выходные емкости и индуктивности выводов транзисторов сравнительно просто включаются в соответствующие LC-элементы либо образуют отдельные согласующие звенья. Наконец, такие колебательные цепи довольно легко реализуются в виде сосредоточенных элементов на частотах до 10...18 ГГц (при небольших уровнях токов, напряжений и реактивной мощности), так и распределенных на основе коротких отрезков длинных линий на частотах свыше 100...300 МГц.

Согласующая Г-цепочка обеспечивает заданную трансформацию резистивных сопротивлений R2 в R1 на заданной частоте (на рис. 3.2а R R2). Согласующие Т- и П-цепочки (рис.З.2б,в) строятся в виде последовательного соединения двух Г-образных цепочек, поэтому допускается произвольное соотношение сопротивлений (R1 больше или меньше R2). Правая цепочка трансформирует R2, в некоторое сопротивление R0, а левая R0 - в R1. В П-цепочке R(п)0 выбирается меньше меньшего из R1 и R2, наоборот, в Т-цепочке R(т)0 - больше большего из R1 и R2 (см. рис. 3.2д). Таким образом, Т- и П цепочки трансформируют «скачкообразно» R2 в R0 и затем R0 в R1, в отличие от одной или от двух последовательно включенных Г-цепочек, у которых промежуточное сопротивление R(г)0 можно выбирать близким к среднегеометрическому R(г)0= R1R2 (см. рис. 3.2д).

Поскольку потери в Г-цепочке минимально возможные и пропорциональны коэффициенту трансформации r= R1/R2, то переход от Г- к П-или Т-цепочке ведет к значительному возрастанию потерь относительно минимальных (в 3... раз и более). Поэтому переход от Г- к П- и Т-цепочкам целесообразен только с целью повышения фильтрации высших гармоник, удобства настройки и перестройки, необходимости учета емкостей и индуктивностей выводов транзисторов и ламп в L и С-элементах их согласующих цепей. В частности, при уменьшении R(п)0 в П-цепочке или увеличении R(т)0 в Т-цепочке ценой увеличения в них потерь возрастают их резонансные свойства, сужается полоса пропускания, но увеличивается фильтрация высших гармоник.

Рисунок 3.2 – Согласующие цепочки на реактивных LC-элементах :

а – Г-цепочка;

б – Т-цепочка;

в – П-цепочка: г – Г-цепочка с увеличенной индуктивностью;

д – диаграмма трансформации сопротивлений В транзисторных каскадах наряду с П-цепочками часто применяют Г- и Т цепочки. Индуктивности выводов транзистора и паразитные индуктивности других элементов схемы (резисторов, разделительных конденсаторов) и монтажа учитываются в индуктивностях (или образуют индуктивности Г- и Т цепочек). Пример использования в качестве межкаскадной колебательной цепи двух последовательно включенных Г-образных цепочек приведен на рис. 3.3д.

Две цепочки последовательно трансформируют резистивную составляющую входного сопротивления второго транзистора в оптимальное нагрузочное сопротивление для первого транзистора.

Часто генератор (одно- или многокаскадный) выполняется в виде отдельного законченного блока (модуля). В этом случае на входе первого каскада устанавливаются цепочки для согласования с волновым сопротивлением кабеля, подключающего возбудитель, а на выходе последнего каскада ставят цепочку для согласования с кабелем, идущим к нагрузке. Примеры построения таких цепочек показаны на рис. 3.3 б,в.

Рисунок 3.3 – Схемы входных, межкаскадных и выходных цепей связи транзисторных усилителей мощности Согласующие Г-,Т-, П-цепочки трансформируют произвольные нагрузочные сопротивления на одной частоте. Практически полоса пропускания в генераторах с такими цепочками. может составлять 10...20%. При более широкой полосе, когда коэффициент перекрытия по частоте К f =fв/fн 1….1,2, ЦС выполняют в виде НЧ фильтров – ФНЧ-трансформаторов, которые представляют (рис. 3.4) последовательное соединение нескольких Г-цепочек.

Этот трансформатор также обеспечивает произвольную трансформацию резистивных сопротивлений Rн в Rвх с некоторым допустимым отклонением Z вх относительно Rвх в рабочей полосе частот от н до в) и одновременно фильтрацию на частотах в. Чем больше (или меньше) коэффициент трансформации r =Rвх /Rн отличается от единицы, чем меньше допустимое отклонение Z вх и чем больше коэффициент перекрытия по частоте Кf тем требуется большее число Г-цепочек, т. е. сложнее получается ФНЧ трансформатор и труднее его настраивать. Поэтому практически ФНЧ трансформаторы применяют при r 10 или r 0,1 и Кf 2...3. При этом число LC-элементов ФНЧ-трансформатора не должно превышать 6 – 8. Примером использования ФНЧ-трансформатора может служить схема на рис. 3.3а.

С ростом частоты уменьшаются требуемые индуктивности согласующих цепочек, что затрудняет их практическую реализацию, особенно при L 10... нГн. Можно увеличивать индуктивности до конструктивно выполняемой величины L. При этом дополнительную индуктивность Lдоп= L -Lрасч надо скомпенсировать последовательно включенным конденсатором с емкостью Сдоп = 1/ 2Lдоп, настроенным в резонанс с ней. Очевидно, что чем больше Lдоп,тем меньше Сдоп, ярче выражены резонансные свойства и лучше фильтрация высших гармоник, но уже полоса пропускания и больше потери.

Рисунок 3.4 – Схемы ФНЧ-трансформаторов Благодаря низким питающим напряжениям и большим рабочим токам транзисторов и, как следствие этого, небольшим входным и нагрузочным сопротивлениям (десятки, единицы и даже доли ом) колебательные системы на сосредоточенных LC-элементах выполняют на частотах до 1ГГц.

3.1.3 Согласующие цепи на микрополосковых линиях На частотах выше 100….300 МГц реактивные элементы, и в первую очередь индуктивности выполняются на отрезках длинных линий [2], главным образом на несимметричных полосковых линиях (рис.3.5).

При реализации LC-элементов трансформирующих цепочек на отрезках длинных линий электрическая длина последних обычно находится в пределах 20…300, т.е. lэ /18….. /12. Это конструктивно выполнимо на частотах ниже 0,5….2 ГГц, когда геометрическая длина линии получается достаточно большой. На более высоких частотах используют трансформаторы на отрезках линий длиной lэ= /4.

Рисунок 3.5 – Схема согласующей цепи на микрополосковой линии 3.1.4 Широкополосные согласующие цепи на коаксиальных линиях Для современных мощных генераторных транзисторов характерны низкие входные и нагрузочные сопротивления, составляющие единицы или даже доли Ома. Для трансформации столь низких сопротивлений в диапазоне частот 0,1…1000 МГц и выше используют трансформаторы на отрезках коаксиальных линий. При построении трансформатора с коэффициентом трансформации, отличным от 1:1, используют N линий, включаемых параллельно и последовательно по входу и по выходу в различных комбинациях. Обычно ограничиваются включением линий с одинаковыми волновыми сопротивлениями Z C параллельно с одной стороны и последовательно – с другой. Предполагается, что линии достаточно разнесены в пространстве и между их проводниками не образуется дополнительных магнитных и электрических связей. В этом случае, чтобы каждая линия была нагружена на согласованное сопротивление, необходимо выполнить условие NZ С.

RН Откуда ZC и RВХ RН.

ZС R N Из приведенных соотношений следует, что коэффициент трансформации сопротивлений может принимать дискретные значения 1:1, 1:4, 1:9, 1:16 и т.д.

Таким образом, в трансформаторах на линиях коэффициент трансформации сопротивлений оказывается дискретным.

3.2 Оптимизация цепей согласования усилителей мощности Современные технологии оптимизации радиотехнических устройств основаны на широком использовании компьютерного моделирования. В книгах [1-3] приведены аналитические соотношения, необходимые для расчета элементов принципиальных схем согласующих устройств. Однако не всегда есть возможность воспользоваться готовыми аналитическими соотношениями.

Приведенные аналитические соотношения для расчета элементов схемы не позволяют оценить степень согласования в диапазоне рабочих частот, что особенно важно в многозвенных цепях согласования. При использовании в качестве цепей согласования микрополосковых устройств расчет элементов схемы, анализ ее работы и оптимизация по заданным критериям качества аналитическими методами является сложной и трудоемкой задачей.

Одним из наиболее эффективных методов оптимизации сложных радиотехнических устройств, в частности, высокочастотных трансформаторов сопротивлений транзисторных усилителей мощности является компьютерное моделирование на основе использования пакета программ Microwave Office.

Перейдем к пошаговому рассмотрению методики оптимизации с помощью программных средств Microwave Office на примере трехзвенной Г-цепи.

3.2.1 Оптимизация трехзвенной Г-цепи Исходными данными для исследования и оптимизации согласующей цепи является принципиальная схема, элементы которой рассчитываются аналитическим путем, либо приводятся в технических описаниях усилителей мощности радиопередатчиков.

Шаг 1: Начать новый Проект Из меню File (файл) выбрать New Project (новый проект). Далее выберите Save Project As и задайте имя проекту, например, G1 и нажмите кнопку Сохранить.

Шаг 2: Создать новую схему Открыть меню Project (проект), Add Schematic (добавить схему), выбрать команду New Schematic (новую схему) (рис. 3.6, 3.7).

В форме Create New Schematic можно оставить Untitled 1, либо ввести название для новой схемы. Далее нажмите OK.

Шаг 3: Активизация окна просмотра элементов Щелкните на закладке Elem.

Шаг 4: Размещение элементов схемы - Щелкните + Lumped Element, Inductor. Схватите и перетащите на окно Untitled 1 три элемента IND. Щелкните Capacitor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 три элемента CAP.

- Щелкните Resistor. Схватите и перетащите в окно Untitled 1 элемент RES.

Рисунок 3.6 – Создание новой схемы Рисунок 3.7 – Ввод имени новой схемы Шаг 5: Добавление портов и земли Добавить к схеме порт и землю можно несколькими способами. Например, на основной панели найдите кнопку Add Port и щелкните ее. Присоедините изображение порта к схеме. Найдите кнопку Add Ground и щелкните ее.

Присоедините изображение земли к схеме.

Шаг 6: Перемещение поясняющего текста в схеме Для лучшего восприятия схемы пояснительный текст можно перемещать по схеме. Для этого достаточно щелкнуть на тексте и перетащить его в нужное место.

Шаг 7: Поворот элементов Подведите курсор к элементу схемы, нажмите правую клавишу мыши и щелкните на Rotate, чтобы повернуть элемент на угол в 90-градусов.

Шаг 8: Соединение элементов схемы Соедините элементы схемы между собой и введите номиналы элементов.

Ваша схема будет иметь вид, представленный на рис.3.8.

Шаг 9: Задание диапазона частот Для задания рабочего диапазона частот, сначала перейдите обратно в Проект, нажимая на закладку Proj расположенную внизу основного окна. Наведите курсор мышки на Project Options, вверху окна и дважды щелкните. Появится окно Project Options. Выберите закладку Frequency Values (рис.3.9):

Рисунок 3.8 – Исходная схема трехзвенной Г-цепи согласования Рисунок 3.9 –Установка диапазона рабочих частот Введите начальную частоту Start 390 MHz, конечную частоту Stop 410 MHz и шаг 1 MHz. Щелкните на кнопке Apply (применить). В окне Current Range появится заданный диапазон. Нажмите OK.

Шаг 10: Добавление графиков Для построения зависимости входного сопротивления Z 11 от частоты в диапазоне 390…410 МГц в проект нужно добавить график. На основной панели найдите кнопку Add Graph (добавить график) и щелкните ее.

Появиться окно (рис. 3.10) Create Graph (формат графика) Рисунок 3.10 – Выбор диаграммы Смита для первого графика Установите Smith Chart (диаграмма Смита) и в окно Graph name введите заголовок графика Graph 1. Нажмите OK.


Для построения зависимостей действительной и мнимой части (Graph2, Graph3) входного сопротивления от частоты в окне Create Graph (рис.3.11) выбираем прямоугольную систему координат (Rectangular).

Рисунок 3.11 – Выбор прямоугольной системы координат для второго и третьего графиков Шаг 11: Выбор расчетных величин Задайте расчетные величины для первого графика. Щелкните правой клавишей на строке Graph 1 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Рисунок 3.12 – Задание расчетных величин для первого графика В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Untitled 1. Нажмите Add OK.

Задайте расчетные величины для второго графика. Щелкните правой клавишей на строке Graph 2 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Рисунок 3.13 – Задание расчетных величин для второго графика В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Untitled 1. Выберите Real в окне Complex Modigier. Нажмите Add OK.

Задайте расчетные величины для третьего графика. Щелкните правой клавишей на строке Graph 3 и выберите Add Measurement (добавить вычисления). Появится следующая форма:

Рисунок 3.14 – Задание расчетных величин для третьего графика В окне Meas. Type (тип вычислений) выберите Port Parameters. В окне Measurement (расчет) выберите Z (Z Parameters). В окне Data Source Name выберите Untitled 1. Выберите Imag в окне Complex Modigier. Нажмите Add OK.

Шаг 12: Анализ работы цепи Начните расчет, нажав на кнопку, которая выглядит похожей на след молнии.

Результаты анализа работы схемы видны на рис. 3.15 – 3.17.

Стрелки на годографе (рис.3.15) указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

В данном случае на частоте 400 МГц годограф проходит через точку r11 x 0,24785, что соответствующую входному сопротивлению 0,28091, 50 согласующей цепи r11=14,1 Ом, x11=12,4 Ом. На частотах выше и ниже МГц входное сопротивление также носит комплексный характер. Графики (рис.

3.16, 3.17) построены в абсолютных величинах действительной и мнимой части комплексного входного сопротивления.

Результаты анализа позволяют дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения в диапазоне рабочих частот.

Рисунок 3.15 – Результаты анализа работы цепи согласования на диаграмме Смита Рисунок 3.16 – Зависимость действительной части входного сопротивления Z11 от частоты Рисунок 3.17 – Зависимость мнимой части входного сопротивления Z11 от частоты Из приведенного анализа работы цепи согласования следует, что необходима параметрическая оптимизация элементов схемы. В представленном виде схема неработоспособна, т.к. действительная часть входного сопротивления существенно отличается от 50 Ом. Кроме того, мнимая часть в рабочем диапазоне частот имеет значительное индуктивное сопротивление.

Шаг 13: Формулировка критериев оптимизации цепи согласования Пакет программ позволяет провести параметрический синтез принципиальной схемы по заданным критериям качества. Вначале необходимо задаться критериями оптимизации и весовыми коэффициентами для каждого из них, т.е. сформулировать целевую функцию многокритериальной оптимизации.

Во-первых, необходимо минимизировать отличие от 50 Ом действительной части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

Во-вторых, необходимо минимизировать отличие от 0 Ом мнимой части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

Шаг14.Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Var (Variable Browser). Далее нажмем Untitled 1 (рис. 3.18).

Рисунок 3.18 – Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину Первые три столбца в окна просмотра позволяют установить назначение переменных и при необходимости ограничение на величину параметров.

Кнопки "T", "O" и "C" используются для того, чтобы включить или отключить Tuning (настройку), Optimization (оптимизацию) и Constraints (ограничения) параметров введенных элементов.

В данном случае для настройки и оптимизации предназначены конденсаторы C1, C2, C3, поэтому для каждого из них включена кнопка "T", "O" и "C". Далее вводятся ограничения на параметры (рис. 3.18) снизу (Lower) и сверху (Upper).

Шаг 15. Установка цели оптимизации.

В нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Proj. Далее, щелкните правой кнопкой мыши Optimizer Goals, и выберите Add Opt Goal (рис. 3.19).

Рисунок 3.19 – Подготовка к установке цели оптимизации В главном окне программы откроется диалоговое окно New Optimization Goal (рис. 3.20).

Рисунок 3.20 – Диалоговое окно для установки первой цели оптимизации В окне Measurement (рис.3.20) выберите измеряемую действительную часть входного сопротивления цепи согласования Untiteld 1:Re(Z[11]), минимум отклонения которой от 50 Ом является критерием оптимизации.

Выберите тип цели (Goal Type) Meas = Goal, т.е. для достижения заданного критерия оптимизации измеряемая величина Meas будет стремиться к заданной Goal при вариации параметров цепи согласования. Заданная цель оптимизации может быть установлена в диапазоне частот в окнах Range. Для этого активизируются окна Start и Stop снятием меток в окнах Min и Max.

Устанавливаем в этих окнах частоты 390 мГц и 410 мГц (рис. 3.20).

Устанавливаем в окне Goal start 50. Весовой коэффициент устанавливаем равным 0,5 в окне Weight в соответствии с формулировкой критериев оптимизации цепи согласования (Шаг 18).

После установки цели оптимизации в окне New Optimization Goal (рис.

3.21) нажимаем кнопку OK. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис. 3.21).

Рисунок 3.21 – Результат установки первой цели оптимизации Алгоритм установки второй цели оптимизации аналогичен рассмотренному выше. Открыв New Optimization Goal (рис. 3.22), в окне Measurement выберите измеряемую мнимую часть входного сопротивления цепи согласования Untiteld 1:Im(Z[11]), минимум отклонения которой от 0 Ом является критерием оптимизации.

Рисунок 3.22 – Диалоговое окно для установки второй цели оптимизации Выберите тип цели (Goal Type) Meas = Goal, т.е. для достижения заданного критерия оптимизации измеряемая величина Meas будет стремиться к заданной Goal при вариации параметров цепи согласования. Заданная цель оптимизации может быть установлена в диапазоне частот в окнах Range. Для этого активизируются окна Start и Stop снятием меток в окнах Min и Max.

Устанавливаем в этих окнах частоты 390 мГц и 410 мГц (рис. 3.22).

Устанавливаем в окне Goal start 0. Весовой коэффициент устанавливаем равным 0,5 в окне Weight в соответствии с формулировкой критериев оптимизации цепи согласования (Шаг 18).

После установки цели оптимизации в окне New Optimization Goal (рис.

3.22) нажимаем кнопку OK. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис. 3.23).

Рисунок 3.23 – Результат установки первой и второй целей оптимизации Для изменения цели оптимизации в нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Proj. Далее, щелкните правой кнопкой мыши + Optimizer Goas Untiteld 1:Im(Z[1,1])=0 [w=0.5,Range=3.9e+008..4.1e+008] и выберите Edit Goal Properties…(рис. 3.24).

Рисунок 3.24 – Подготовка программы для изменения цели оптимизации В результате открывается диалоговое окно Modify Optimization Goal (рис.

3.25), которое предназначено для изменения цели оптимизации.

Рисунок 3.25 – Диалоговое окно для изменения цели оптимизации Шаг 16. Оптимизация схемы.

В меню Simulate выберите команду Optimize (рис. 3.26) и нажмите на клавишу мыши. В открывшемся одноименном диалоговом окне Optimize установите флажок Show All Iterations (показать все итерации) и выберите любой из методов оптимизации в раскрывающемся списке Optimization Methods (рис. 3.27).

Рисунок 3.26 – Подготовка к открытию окна оптимизации Рисунок 3.27 – Диалоговое окно до выполнения оптимизации Из списка методов оптимизации выбираем Pointer – Robust Optimization и задаемся максимальным количеством итераций 5000 в окне Maximum Iterations.

Для начала процесса оптимизации необходимо нажать кнопку Start (пуск).

За оптимизационным процессом можно наблюдать в окнах Relative Goal Cost (относительная целевая оценка) и Cost History (хронология оценки), а также на построенных ранее графиках (Graph 1-Graph 3). В соответствии с количеством целей оптимизации в окне Relative Goal Cost представлено две диаграммы, дающие оценку близости оптимизируемой действительной и мнимой частей входного сопротивления цепи согласования к цели.

По окончании процесса оптимизации диалоговое окно Optimize представлено на рис. 3.28.

Рисунок 3.28 – Общий вид диалогового окна по окончании процесса оптимизации Результаты оптимизации представлены также на рис. 3.29 – 3.32.

Рисунок 3.29 – Диаграмма Смита оптимальной схемы цепи согласования Рисунок 3.30 – Результат оптимизации действительной части входного сопротивления схемы цепи согласования Рисунок 3.31 – Результат оптимизации мнимой части входного сопротивления схемы цепи согласования Результатом проведенной оптимизации является схема цепи согласования, представленная на рис. 3.32.


Рисунок 3.32 – Оптимальная схема цепи согласования Шаг 17: Пояснительная записка Создайте пояснительную записку к этому проекту. Вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите, например, «Оптимизация трехзвенной Г-цепи согласования».

Рисунок 3.33 – Пояснительная записка к проекту Шаг 18: Сохранение всего проекта Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как).

Перейдем к оптимизации цепей согласования, которые находят широкое применение в технике радиопередатчиков. При анализе работы высокочастотных трансформаторов сопротивлений и их параметрическом синтезе будем учитывать возможное реактивное сопротивление нагрузки.

3.2.2 Оптимизация Т-цепи В схеме использован 50-омный порт, моделирующий источник возбуждения.

Сопротивление нагрузки комплексное (в данном случае активное сопротивление R1=10 Ом и реактивность в виде индуктивности L1=1.0 нГн) моделирует входное сопротивление активного элемента. Трансформация сопротивлений осуществляется Т-цепью, которая состоит из двух Г-звеньев.

Рисунок 3.34 – Исходная схема Т-цепи согласования Алгоритм анализа и оптимизации данной схемы подробно изложен в предыдущем разделе. Задав в проект диапазон частот 390…410 Мгц, добавив графики можно проанализировать работу исходной схемы цепи согласования (рис. 3.34).

Результаты анализа работы схемы видны на рис. 3.35 – 3.37. Стрелки на годографе (рис. 3.35) указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

Рисунок 3.35 – Результаты анализа работы цепи согласования на диаграмме Смита В данном случае на частоте 400,1 МГц годограф проходит через точку r11 x 0,35125, что соответствующую входному сопротивлению 0,3486, 50 согласующей цепи r11=17,43 Ом, x11=17,56 Ом.

На частотах выше и ниже 400,1 МГц входное сопротивление также носит комплексный характер. Графики (рис. 3.36, 3.37) построены в абсолютных величинах действительной и мнимой части комплексного входного сопротивления.

Результаты анализа позволяют дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения в диапазоне рабочих частот.

Рисунок 3.36 – Зависимость действительной части входного сопротивления Z11 от частоты Рисунок 3.37 – Зависимость мнимой части входного сопротивления Z11 от частоты Из приведенного анализа работы цепи согласования следует, что необходима параметрическая оптимизация элементов схемы. В представленном виде схема неработоспособна, т.к. действительная часть входного сопротивления существенно отличается от 50 Ом. Кроме того, мнимая часть в рабочем диапазоне частот имеет значительное индуктивное сопротивление.

Во-первых, необходимо минимизировать отличие от 50 Ом действительной части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

Во-вторых, необходимо минимизировать отличие от 0 Ом мнимой части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

В соответствии с алгоритмом оптимизации, рассмотренным в предыдущем разделе, проведем установку назначения переменных параметров и ограничений на их величину. Для этого в нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Var (Variable Browser).

Далее нажмем Untitled 1 (рис. 3.38).

Первые три столбца в окна просмотра (рис. 3.38) позволяют установить назначение переменных и при необходимости ограничение на величину параметров.

Кнопки "T", "O" и "C" используются для того, чтобы включить или отключить Tuning (настройку), Optimization (оптимизацию) и Constraints (ограничения) параметров введенных элементов.

Рисунок 3.38 – Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину В данном случае для настройки и оптимизации предназначены элементы L2, C2, L3, поэтому для каждого из них включена кнопка "T", "O" и "C". Далее вводятся ограничения на параметры (рис. 3.38) снизу (Lower) и сверху (Upper).

В соответствии с рассмотренным ранее алгоритмом устанавливаем цели оптимизации. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис.

3.39).

Рисунок 3.39 – Результат установки первой и второй целей оптимизации Перейдем к оптимизации схемы.

В меню Simulate выберите команду Optimize и нажмите на клавишу мыши.

В открывшемся одноименном диалоговом окне Optimize установите флажок Show All Iterations (показать все итерации) и выберите любой из методов оптимизации в раскрывающемся списке Optimization Methods (рис. 3.40).

Из списка методов оптимизации выбираем Pointer – Robust Optimization и задаемся максимальным количеством итераций 5000 в окне Maximum Iterations.

Для начала процесса оптимизации необходимо нажать кнопку Start (пуск).

За оптимизационным процессом можно наблюдать в окнах Relative Goal Cost (относительная целевая оценка) и Cost History (хронология оценки), а также на построенных ранее графиках (Graph 1-Graph 3). В соответствии с количеством целей оптимизации в окне Relative Goal Cost представлено две диаграммы, дающие оценку близости оптимизируемой действительной и мнимой частей входного сопротивления цепи согласования к цели.

Рисунок 3.40 – Диалоговое окно до выполнения оптимизации По окончании процесса оптимизации диалоговое окно Optimize представлено на рис. 3.41.

Рисунок 3.41. Общий вид диалогового окна по окончании процесса оптимизации Результаты оптимизации представлены также на рис. 3.42 – 3.44.

Рисунок 3.42 – Диаграмма Смита оптимальной схемы цепи согласования Рисунок 3.43 – Результат оптимизации действительной части входного сопротивления схемы цепи согласования Результатом проведенной оптимизации является схема цепи согласования, представленная на рис. 3.45.

Рисунок 3.44 – Результат оптимизации мнимой части входного сопротивления схемы цепи согласования Рисунок 3.45 – Оптимальная схема цепи согласования Для создания пояснительной записки к этому проекту вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите «Оптимизация Т-цепи согласования».

Рисунок 3.46 – Пояснительная записка к проекту Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как).

3.2.3 Оптимизация П-цепи В схеме использован 50-омный порт, моделирующий источник возбуждения.

Сопротивление нагрузки комплексное (в данном случае активное сопротивление R1=10 Ом и реактивность в виде индуктивности L1=1.0 нГн) моделирует входное сопротивление активного элемента. Трансформация сопротивлений осуществляется П-цепью, которая состоит из двух Г-звеньев (рис.3.47).

Алгоритм анализа и оптимизации данной схемы подробно изложен в предыдущем разделе. Задав в проект диапазон частот 390…410 Мгц, добавив графики можно проанализировать работу исходной схемы цепи согласования (рис. 3.47).

Результаты анализа работы схемы видны на рис. 3.48 – 3.50. Стрелки на годографе (рис.3.48) указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r 11, x11, частоту возбуждения.

Рисунок 3.47 – Исходная схема П-цепи согласования Рисунок 3.48 – Результаты анализа работы цепи согласования на диаграмме Смита В данном случае на частоте 399,9 МГц годограф проходит через точку r11 x 1,1294, что соответствующую входному сопротивлению 0,40942, 50 согласующей цепи r11=20,47 Ом, x11= –56,47 Ом. На частотах выше и ниже 399,9 МГц входное сопротивление также носит комплексный характер.

Графики (рис. 3.49, 3.50) построены в абсолютных величинах действительной и мнимой части комплексного входного сопротивления.

Результаты анализа позволяют дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения в диапазоне рабочих частот.

Рисунок 3.49 – Зависимость действительной части входного сопротивления Z11 от частоты Рисунок 3.50 – Зависимость мнимой части входного сопротивления Z11 от частоты Из приведенного анализа работы цепи согласования следует, что необходима параметрическая оптимизация элементов схемы. В представленном виде схема неработоспособна, т.к. действительная часть входного сопротивления существенно отличается от 50 Ом. Кроме того, мнимая часть в рабочем диапазоне частот имеет значительное емкостное сопротивление.

Во-первых, необходимо минимизировать отличие от 50 Ом действительной части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

Во-вторых, необходимо минимизировать отличие от 0 Ом мнимой части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

В соответствии с алгоритмом оптимизации, рассмотренным в предыдущем разделе, проведем установку назначения переменных параметров и ограничений на их величину. Для этого в нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Var (Variable Browser).

Далее нажмем Untitled 1 (рис. 3.51).

Рисунок 3.51 – Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину Первые три столбца в окна просмотра (рис. 3.51) позволяют установить назначение переменных и при необходимости ограничение на величину параметров.

Кнопки "T", "O" и "C" используются для того, чтобы включить или отключить Tuning (настройку), Optimization (оптимизацию) и Constraints (ограничения) параметров введенных элементов.

В данном случае для настройки и оптимизации предназначены элементы C1, C2, L3, поэтому для каждого из них включена кнопка "T", "O" и "C". Далее вводятся ограничения на параметры (рис.3.51) снизу (Lower) и сверху (Upper).

В соответствии с рассмотренным ранее алгоритмом устанавливаем цели оптимизации. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис. 3.52).

Рисунок 3.52 – Результат установки первой и второй целей оптимизации Перейдем к оптимизации схемы.

В меню Simulate выберите команду Optimize и нажмите на клавишу мыши.

В открывшемся одноименном диалоговом окне Optimize установите флажок Show All Iterations (показать все итерации) и выберите любой из методов оптимизации в раскрывающемся списке Optimization Methods (рис. 3.53).

Из списка методов оптимизации выбираем Pointer – Robust Optimization и задаемся максимальным количеством итераций 5000 в окне Maximum Iterations.

Для начала процесса оптимизации необходимо нажать кнопку Start (пуск).

За оптимизационным процессом можно наблюдать в окнах Relative Goal Cost (относительная целевая оценка) и Cost History (хронология оценки), а также на построенных ранее графиках (Graph 1-Graph 3). В соответствии с количеством целей оптимизации в окне Relative Goal Cost представлено две диаграммы, дающие оценку близости оптимизируемой действительной и мнимой частей входного сопротивления цепи согласования к цели.

Рисунок 3.53 – Диалоговое окно до выполнения оптимизации По окончании процесса оптимизации диалоговое окно Optimize представлено на рис. 3.54.

Рисунок 3.54 – Общий вид диалогового окна по окончании процесса оптимизации Результаты оптимизации представлены также на рис. 3.55 – 3.57.

Рисунок 3.55 – Диаграмма Смита оптимальной схемы цепи согласования Рисунок 3.56 – Результат оптимизации действительной части входного сопротивления схемы цепи согласования Рисунок 3.57 – Результат оптимизации мнимой части входного сопротивления схемы цепи согласования Результатом проведенной оптимизации является схема цепи согласования, представленная на рис. 3.58.

Рисунок 3.58 – Оптимальная схема цепи согласования Для создания пояснительной записки к этому проекту вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите «Оптимизация П-цепи согласования».

Рисунок 3.59 – Пояснительная записка к проекту Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как).

3.2.4 Оптимизация двухзвенной Г-цепи на микрополосковых линиях В схеме использован 50-омный порт, моделирующий источник возбуждения.

Сопротивление нагрузки комплексное (в данном случае активное сопротивление R1=10 Ом и реактивность в виде индуктивности L1=1.0 нГн) моделирует входное сопротивление активного элемента. Трансформация сопротивлений осуществляется (рис.3.60) двумя Г-звеньями выполненными с использованием микрополосков (МП).

Алгоритм анализа и оптимизации данной схемы подробно изложен ранее.

Задав в проект диапазон частот 390…410 Мгц, добавив графики можно проанализировать работу исходной схемы цепи согласования (рис. 3.60).

Результаты анализа работы схемы видны на рис. 3.61 – 3.63. Стрелки на годографе (рис. 3.61) указывают направление, соответствующее увеличению частоты. Установив курсор в любую точку годографа, можно определить r11, x11, частоту возбуждения.

Рисунок 3.60 – Исходная схема цепи согласования Рисунок 3.61 – Результаты анализа работы цепи согласования на диаграмме Смита В данном случае на частоте 400,1 МГц годограф проходит через точку r11 x 0,26902, что соответствующую входному сопротивлению 0,26658, 50 согласующей цепи r11=13,329 Ом, x11=13,451 Ом. На частотах выше и ниже 400,1 МГц входное сопротивление также носит комплексный характер.

Графики (рис. 3.62, 3.63) построены в абсолютных величинах действительной и мнимой части комплексного входного сопротивления.

Результаты анализа позволяют дать количественную оценку степени согласования активного элемента с источником возбуждения в диапазоне рабочих частот.

Рисунок 3.62 – Зависимость действительной части входного сопротивления Z11 от частоты Рисунок 3.63 – Зависимость мнимой части входного сопротивления Z11 от частоты Из приведенного анализа работы цепи согласования следует, что необходима параметрическая оптимизация элементов схемы. В представленном виде схема неработоспособна, т.к. действительная часть входного сопротивления существенно отличается от 50 Ом. Кроме того, мнимая часть в рабочем диапазоне частот имеет значительное индуктивное сопротивление.

Во-первых, необходимо минимизировать отличие от 50 Ом действительной части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

Во-вторых, необходимо минимизировать отличие от 0 Ом мнимой части входного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот 390…410 Мгц. Примем весовой коэффициент для данного критерия оптимизации 0,5.

В соответствии с алгоритмом оптимизации, рассмотренным ранее, проведем установку назначения переменных параметров и ограничений на их величину.

Для этого в нижней части главного окна программы Microwave Office активизируем закладку Var (Variable Browser). Далее нажмем Untitled 1 (рис.

3.64).

Рисунок 3.64 – Установка назначения переменных параметров и ограничений на их величину Первые три столбца в окна просмотра (рис. 3.64) позволяют установить назначение переменных и при необходимости ограничение на величину параметров.

Кнопки "T", "O" и "C" используются для того, чтобы включить или отключить Tuning (настройку), Optimization (оптимизацию) и Constraints (ограничения) параметров введенных элементов.

В данном случае для настройки и оптимизации предназначены элементы C1, C2, TL1, TL2 поэтому для каждого из них включена кнопка "T", "O" и "C".

Далее вводятся ограничения на параметры (рис. 3.64) снизу (Lower) и сверху (Upper).

В соответствии с рассмотренным ранее алгоритмом устанавливаем цели оптимизации. В результате в закладке Proj вертикальной панели главного окна программы Microwave Office записываются параметры оптимизации (рис.

3.65).

Рисунок 3.65 – Результат установки первой и второй целей оптимизации Перейдем к оптимизации схемы.

В меню Simulate выберите команду Optimize и нажмите на клавишу мыши.

В открывшемся одноименном диалоговом окне Optimize установите флажок Show All Iterations (показать все итерации) и выберите любой из методов оптимизации в раскрывающемся списке Optimization Methods (рис. 3.66).

Из списка методов оптимизации выбираем Pointer – Robust Optimization и задаемся максимальным количеством итераций 5000 в окне Maximum Iterations.

Для начала процесса оптимизации необходимо нажать кнопку Start (пуск).

За оптимизационным процессом можно наблюдать в окнах Relative Goal Cost (относительная целевая оценка) и Cost History (хронология оценки), а также на построенных ранее графиках (Graph 1-Graph 3). В соответствии с количеством целей оптимизации в окне Relative Goal Cost представлено две диаграммы, дающие оценку близости оптимизируемой действительной и мнимой частей входного сопротивления цепи согласования к цели.

Рисунок 3.66 – Диалоговое окно до выполнения оптимизации По окончании процесса оптимизации диалоговое окно Optimize представлено на рис. 3.67.

Рисунок 3.67 – Общий вид диалогового окна по окончании процесса оптимизации Результаты оптимизации представлены также на рис. 3.68 – 3.70.

Рисунок 3.68 – Диаграмма Смита оптимальной схемы цепи согласования Рисунок 3.69 – Результат оптимизации действительной части входного сопротивления схемы цепи согласования Рисунок 3.70 – Результат оптимизации мнимой части входного сопротивления схемы цепи согласования Результатом проведенной оптимизации является схема цепи согласования, представленная на рис. 3.71.

Рисунок 3.71 – Оптимальная схема цепи согласования Для создания пояснительной записки к этому проекту вызовите текстовый редактор Design Notes, два раза щелкнув на нем. В появившемся окне напишите «Оптимизация двухзвенной Г-цепи на микрополосках».

Рисунок 3.72 – Пояснительная записка к проекту Для сохранения всего Проекта на диске, из меню File (файл) выберите Save (сохранить) или Save As (сохранить как).

3.2.5 Оптимизация широкополосных согласующих цепей на коаксиальных линиях Из приведенных в разделе 3.1.4 соотношений следует, что коэффициент трансформации сопротивлений согласующих цепей на линиях может принимать дискретные значения 1:1, 1:4, 1:9, 1:16 и т.д. Рассмотрим результаты исследований схемы трансформатора сопротивлений при различных коэффициентах трансформации. На рис.3.73 представлена схема высокочастотного трансформатора 1:4.

В схеме использован 50-омный порт, моделирующий источник возбуждения.

Сопротивление нагрузки активное 12.5 Ом моделирует входное R сопротивление активного элемента.

Высокочастотный трансформатор выполнен на двух коаксиальных линиях, включенных по выходу параллельно и последовательно по входу. Волновое сопротивление линий Z C = 12.5 50 =25 Ом. Параметры линий, обеспечивающие трансформацию сопротивлений в диапазоне частот от 390 до 410 МГц, представлены на рис. 3.73.

Исследование проведено на комплексной плоскости (рис. 3.74).

Рисунок 3.73 – Схема высокочастотного трансформатора 1: Рисунок 3.74 – Результаты исследования Z11 на диаграмме Смита Рисунок 3.75 – Зависимость действительной части входного сопротивления Z11 от частоты Рисунок 3.76 – Зависимость мнимой части входного сопротивления Z11 от частоты Из рис. 3.74 – 3.76 следует, что коэффициент трансформации сопротивлений в диапазоне рабочих частот от 390 до 410 МГц неизменный - 1:4.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.