7.7: Широкосмугове узгодження реактивних навантажень

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28651

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

У попередніх розділах представлені методи широкосмугового узгодження з резистивними навантаженнями. Зазвичай ці методики працюють досить добре, якщо навантаження помірно реактивна, але це не завжди так. Входи і виходи транзисторів можуть мати більші реактивні частини, ніж резистивні частини. Широкосмугове узгодження з такими навантаженнями вимагає налаштування з урахуванням частотного локусу навантажень, який майже завжди обертається в напрямку за годинниковою стрілкою на діаграмі Сміта, так що локус складного сполученого матчу обертається проти годинникової стрілки. Схеми, які досягають широкосмугового відповідності цим навантаженням, використовують резонанс і як такі мають обмежену пропускну здатність, так що узгодження напівоктави, як правило, найбільше, що може бути досягнуто.

7.7.1 Широкосмугове узгодження з послідовним навантаженням RC

Розглянемо відповідність входу транзистора. Транзистор, такий як FET, має вхід, який може бути змодельований як конденсатор послідовно з резистором, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а). \(10\text{ GHz}\)У\(294\text{ fF}\) конденсатора є реактивний опір\(−54.06\:\Omega\) так, що навантаження є\(2.36\).\(Q\) Межа Фано-Боде, див. Рівняння (7.2.7), вказує на те, що максимальна дробова смуга пропускання, яку можна досягти

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Широкосмуговий узгодження з\(\overline{f}\) нормованою частотою в радіанах/с, нормованих до\(10\text{ GHz}\).

для середнього коефіцієнта відбиття\(\Gamma_{\text{avg}}\), у\(1\) порту\(0.11\) є\(60\%\). Це\(\Gamma_{\text{avg}}\) відповідає середній втраті передачі\(0.05\text{ dB}\) для максимальної втрати передачі приблизно\(0.1\text{ dB}\) в смузі пропускання матчу.

Примітка

Відзначимо, що якщо навантаження була чисто резистивной, то\(Q = 0\) і теоретично можна домогтися нескінченної пропускної здатності.

Узгодження було б значно спрощено, якби відповідна мережа представляла негативний конденсатор до навантаження. Реактивний опір,\(54.06\:\Omega\) нормований до частоти необхідної негативної ємності (ємності\(−294\text{ fF}\)), показаний\(−C\) у вигляді кривої, визначеної як на малюнку\(\PageIndex{1}\) (d). При нормованої частоті\(\overline{f} = 1\) (частоті\(10\text{ GHz}\) нормована до) нахил цієї кривої дорівнює\(−1\). Схема, яка наближає це за помірну пропускну здатність, - це мережа широкосмугового узгодження, показана на малюнку\(\PageIndex{1}\) (b). Щоб побачити, як це досягається, розглянемо вхідний опір схеми на малюнку\(\PageIndex{1}\) (в).

Реактивний опір паралельної\(\text{LC}\) підсхеми показано на малюнку\(\PageIndex{1}\) (d) як крива, позначена\(C_{1}\parallel L_{1}\). При\(\hat{f} = 1\) цьому реактивний опір має нахил\(−2\) і додавання послідовного індуктора\(L_{2}\), (маючи криву реактивного\(L_{2}\) опору на малюнку\(\PageIndex{1}\) (d)) призводить до реактивного опору\(x\), див. Рисунок\(\PageIndex{1}\) (г), який має нахил\(−1\) at\(\hat{f} = 1\). Таким чином, загальний реактивний опір\(x\), тісно відповідає реактивному опору негативного конденсатора над обмеженою, але все ще широкою пропускною здатністю. Інша частина

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Широкосмугові та вузькосмугові узгоджуючі мережі з\(\Gamma_{\text{in}}\) обох мереж та\(S_{22}\) широкосмугової мережі, показаної з локусом ідеального сполучених збігів (ідентифікованого як локус негативного конденсатора). В (а)\(\ell_{1} = 0.048\lambda,\:\ell_{2} = 0.020\lambda,\:\ell_{3} = 0.060\lambda,\) і\(\ell_{4} = 0.117\lambda\) в\(10\text{ GHz}\). У (б) використовується діаграма\(50\:\Omega\) Сміта.

задачею узгодження є узгодження опорів джерела і навантаження і при відповідному виборі відповідних значень мережі опір\(r\) (в ідеалі\(22.9\:\Omega\) нормований до\(54.06\:\Omega\)) буде приблизно постійним у відповідній області, див.\(\PageIndex{1}\) Рис.

Мікросмужкова реалізація з центром\(10\text{ GHz}\) концепції широкосмугового узгодження мережі показана на малюнку\(\PageIndex{2}\) (а). At Port\(\mathsf{1}\) - це розімкнута заглушка з відносно короткою електричною довжиною при\(10\text{ GHz}\) і тому представляє ємність\(C_{1}\). Далі слід короткий відрізок лінії, який розділяє дві заглушки і забезпечує додатковий ступінь свободи, який буде використовуватися для узгодження опору джерела та навантаження. Потім слід коротка коротка заглушка, яка реалізує\(L_{1}\). Далі йде коротка високоімпедансна лінія, яка вводить серійну індуктивність\(L_{2}\) (див. Розділ 2.4.5 [6]). Продуктивність відповідної мережі показана на малюнку\(\PageIndex{2}\) (c), де вона порівнюється з продуктивністю вузькосмугової мережі узгодження. Вузькосмугова мережа, показана на малюнку\(\PageIndex{2}\) (b), являє собою звичайну двоелементну узгоджувальну мережу, розроблену з використанням методу поглинання таким чином, що\(294\text{ fF}\) конденсатор поглинається в мережу, але все ще вимагає додаткової індуктивності\(L_{4}\) для компенсації ємності. Матч як широкосмугових, так і вузькосмугових узгоджуючих мереж ідеально підходить\(10\text{ GHz}\). \(\Gamma_{\text{in}}\)Локуси двох мереж показані на діаграмі\(50\:\Omega\) Сміта на малюнку\(\PageIndex{2}\) (c).

Діапазон відповідності для максимальної втрати передачі\(0.1\text{ dB}\) - від\(9.04\text{ GHz}\) до\(11.53\text{ GHz}\) (\(2.49\text{ GHz}\)смуга пропускання) для широкосмугової мережі та\(9.47\text{ GHz}\) до\(10.62\text{ GHz}\) (\(1.15\text{ GHz}\)смуга пропускання) для вузькосмугової мережі. Використовуючи критерій\(0.5\text{ dB}\) пропускної здатності, пропускна здатність області відповідності для широкосмугової мікросмугової мережі становить\(8.13\text{ GHz}\) до\(12.95\text{ GHz}\) (смуга\(4.82\text{ GHz}\) пропускання), а вузькосмугова мережа має смугу пропускання від\(8.54\text{ GHz}\) до\(12.34\text{ GHz}\) (смуга\(3.80\text{ GHz}\) пропускання).

Також на малюнку\(\PageIndex{2}\) (c) побудована\(S_{22}\) широкосмугова мікросмужкова мережа, і з цього можна побачити причину, чому досягається хороша відповідність. Зазвичай локус коефіцієнта відбиття простих мереж обертається за годинниковою стрілкою на графіку Сміта зі збільшенням частоти. Для невеликого діапазону частот поблизу центру збіг частоти\(S_{22}\) має петлю і ефективно обертається в напрямку проти годинникової стрілки, наближаючи локус негативного конденсатора. Така поведінка виходить в згорнутому елементному варіанті широкосмугової мережі резонансом\(L_{1},\: C_{1},\) і\(L_{2}\). Тому дуже хороший збіг можливий у невеликому діапазоні частот. Хороша відповідність виходить приблизно на половину октави (частоти), і це, як правило, найкраще, що може бути досягнуто при узгодженні з входами та виходами мікрохвильових транзисторів. Мікросмужкова широкосмугова узгоджувальна мережа має кінцеву довжину і ширину. Включаючи ширину, а також довжини ліній, широкосмугова мережа узгодження має ширину і довжину\(0.11\:\lambda\), значно менше, ніж у чвертьхвильового трансформатора, що використовується для відповідності резистивного джерела та опору навантаження, коли вони резистивні, але не коли навантаження має великий реактивний опір, як тут.

7.7.2 Резюме

Концепція широкосмугового узгодження, представлена в цьому розділі, використовує резонанс для представлення імпедансу навантаження або джерела, який обертається в напрямку проти годинникової стрілки (щодо частоти) на діаграмі Сміта. Це досяжно лише за помірною пропускною здатністю, і, як правило, половинна октава смуга пропускання розглядається як межа того, що може бути досягнуто при узгодженні з навантаженням, яке є більш реактивним, ніж резистивним. Існують також методи, які іноді здатні досягти більш широких ефективних матчів шляхом включення паразитарних реакцій пристрою, який буде узгоджений в розподілену лінію електропередачі.