Расчет структурной схемы устройства

Проверяем условие I_mk < I_{mk доп}, 47.6 mA < 100 mA.

Определяем амплитуду  первой гармоники коллекторного  тока

I_k1 =α₁(θ) ∙ I_mk = 0.4 ∙ 47.6 ∙ 10^-3 = 19.04 mA.                                       (3.1.22)

Рассчитываем амплитуду  напряжения на базе транзистора

U_mБ = I_k1 ∙ R_y = 19.05 ∙ 10^-3 ∙ 52.5 = 1 B.                                               (3.1.23)

Вычисляем модуль коэффициента обратной связи

= = 0.5.                                              (3.1.24)

 

Находим амплитуду напряжения на коллекторе

 

U_mk =

= 1 / 0.5 = 2 B.                                                                   (3.1.25)

Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью

P₀ = I_k0 ∙ E_КЭ = 10 ∙ 10^-3 ∙ 2  = 20 мВт                                                 (3.1.26)

Проверяем условие P₀ < P_{0 доп}, где P _{0 доп} – допустимая мощность рассеиваемая транзистором, 20 мВт < 150 мВт.

Расчет делителя напряжения

Необходимое напряжение на выходе 0.5В

Выходное сопротивление  автогенератора

R_вых=1/h₂₂=1/1∙10^-6=1.1кОм                                                             (3.1.27)

Найдем значение R₅

R₅= R_вых∙0.5В/ U_mk=1.1∙10³∙0.5/2=275 Ом                                         (3.1.28)

Вычислим значение R₄

R₄= R_вых - R₅=1100 – 275=825 Ом                                                     (3.1.29)

3.2 Расчет умножителей частоты

Рис 3.2.1

Расчет 1го умножителя

f=125МГц, f_n=500МГц, n=4, в умножителе использован варактор модели 2A602A с параметрами C_б=6.5пФ при U_спр=6В, f_гр =15ГГц, U_доп=60В, P_доп=2.5Вт, τ_β=100нс, t_в=5нс, φ_k=0.7.

Примем потери мощности на полосковых фильтрах равными 20%

Задаем мощность на n гармонике P_n=0.08Вт

Найдем максимальную барьерную  ёмкость

C=Сб∙( (φ_k + U_спр)/ U_доп)^υ / (1-υ) = 4.67пФ                             (3.2.1)

Т.к. кратность умножения  равно 4, то для максимального кпд выбираем режим слабого открытия p-n перехода

k=n-1=3                                                                                    (3.2.2)

θ=πk/n=135^◦                                                                             (3.2.3)

γ_n(θ)=2sin θ /(π (n²-1))= 0.03                                                   (3.2.4)

Сопротивление варактора по n гармонике

R_n= γ_n(θ)/ωCsinθ = 11.56 Ом                                                  (3.2.5)

Полная действительная часть  сопротивления по n гармонике

R_nΣ=R_n-R_s= 10.56 Ом                                                                (3.2.6)

Ток n гармоники

I_n=(2P_n/ R_nΣ)^1/2= 0.12А                                                              (3.2.7)

Заряд по n гармонике

nQ_n=I_n/ω=0.156 нКл                                                                 (3.2.8)

Заряд 1ой гармоники

Q₁=nQ_n/sin θ = 0.221 нКл                                                        (3.2.9)

Ток первой гармоники

I₁= ωQ₁= 0.17А                                                                 (3.2.10)

Сопротивление варактора по 1ой гармонике

R₁= γ_n(θ)sin θ/(ωC)= 5.78 Ом                                           (3.2.11)

Полная действительная часть  сопротивления по 1 гармонике

R_1Σ=R₁+R_s= 6.78 Ом                                                        (3.2.12)

Мощность 1 гармоники

P₁=0.5I₁² R_1Σ = 0.102 Вт                                                    (3.2.13)

Мощность постоянного  тока

P₀= γ₀(θ) γ₀(θ-π)Q₁²/( τ_β C)= 0.003Вт                                (3.2.14)

Мощность рассеиваемая на варакторе

P_рас=P₁ – P_n – P₀= 0.018 Вт                                               (3.2.15)

Проверяем что бы выполнялось  P_рас < P_доп

0.018Вт<2.5Вт

Сопротивление смещения

R_см= τ_β γ₀(θ)/(C γ₀(θ-π))= 334.7 кОм                                 (3.2.16)

Емкость варактора по 1 гармонике

C₁=C/ γ₁(θ)= 5.13пФ                                                          (3.2.17)

Емкость варактора по n гармонике

C_n=nC= 18.6пФ                                                                  (3.2.18)

Расчет 2го умножителя

f=500МГц, f_n=2000МГц, n=4, в умножителе использован варактор модели 2A602A с параметрами C_б=6.5пФ при U_спр=6В, f_гр =15ГГц, U_доп=60В, P_доп=2.5Вт, τ_β=100нс, t_в=5нс, φ_k=0.7.

Примем потери мощности на полосковых фильтрах равными 20%

Задаем мощность на n гармонике P_n=0.08Вт

Найдем максимальную барьерную  ёмкость

C=Сб∙( (φ_k + U_спр)/ U_доп)^υ / (1-υ) = 4.67пФ                               (3.2.19)

Т.к. кратность умножения  равно 4, то для максимального кпд выбираем режим слабого открытия p-n перехода

k=n-1=3                                                                                          (3.2.20)

θ=πk/n=135^◦                                                                                     (3.2.21)

γ_n(θ)=2sin θ /(π (n²-1))= 0.03                                                          (3.2.22)

Сопротивление варактора по n гармонике

R_n= γ_n(θ)/ωCsinθ = 2.89 Ом                                                          (3.2.23)

Полная действительная часть  сопротивления по n гармонике

R_nΣ=R_n-R_s= 1.89 Ом                                                                      (3.2.23)

Ток n гармоники

I_n=(2P_n/ R_nΣ)^1/2= 0.16А                                                              (3.2.24)

Заряд по n гармонике

nQ_n=I_n/ω= 51.7 пКл                                                                  (3.2.25)

Заряд 1ой гармоники

Q₁=nQ_n/sin θ = 73.1 пКл                                                           (3.2.26)

Ток первой гармоники

I₁= ωQ₁= 0.23А                                                                         (3.2.27)

Сопротивление варактора по 1ой гармонике

R₁= γ_n(θ)sin θ/(ωC)= 1.45 Ом                                                   (3.2.28)

Полная действительная часть  сопротивления по 1 гармонике

R_1Σ=R₁+R_s= 2.44 Ом                                                                (3.2.29)

Мощность 1 гармоники

P₁=0.5I₁² R_1Σ = 0.064 Вт                                                          (3.2.30)

Мощность постоянного  тока

P₀= γ₀(θ) γ₀(θ-π)Q₁²/( τ_β C)= 0.0004 Вт                                    (3.2.31)

Мощность рассеиваемая на варакторе

P_рас=P₁ – P_n – P₀= 0.039 Вт                                                       (3.2.32)

Проверяем что бы выполнялось  P_рас < P_доп

0.039 Вт<2.5Вт

Сопротивление смещения

R_см= τ_β γ₀(θ)/(C γ₀(θ-π))= 334.7 кОм                                          (3.2.33)

Емкость варактора по 1 гармонике

C1=C/ γ₁(θ)= 5.13пФ                                                                  (3.2.34)

Емкость варактора по n гармонике

C_n=nC= 18.6пФ                                                                           (3.2.35)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Расчет усилителя мощности

         Исходные данные: выходная мощность  P_вых=5.2 Вт, рабочая частота f_р=2 ГГц, количество телефонных каналов N_k=300, коэффициент нелинейных искажений не более 0.1 %.

1.Исходя из справочных  данных, находим, что заданная  выходная мощность может быть  обеспечена лампой бегущей волны  типа VAS-899YX1, имеющей паспортные данные: средняя выходная мощность Р_выхср=15 Вт, коэффициент усиления К_лбв=36 дБ, напряжение U_а1=7,0 кВ, U₀= U_а2=2.0 кВ, I_а1=20 мА, U_к=4.5 кВ,  I₀=100 мА, U_у.э=-60 В, U_у.э0=-750 В.

Рис 3.3.1

Микропервеанс электронного пучка по напряжению на спирали:

p=I₀U_o^-3/2·10⁶=0.1·10⁶· (4.0·10³)^-3/2=0.4 A/B^3/2                                          (3.3.1)

Задавшись соотношением b’/a=0.5, по графику 1 находим β_pa=1.65.

Радиус спирали электронного потока a:

a=3.14·10^-4λ β_paU₀^1/2=3.14·10^-4·5.77·1.65·(4.0·10³)^1/2=0.190 см           (3.3.2)

b’=0.5·a=0.5·0.190=0.095 см                                                                  (3.3.3)

.Коэффициент замедления  r_з;

r_з=С_с/v₀=505/ U₀^1/2=505/(2.0·10³)^1/2=8                                                    (3.3.4)

По графику 2 для b’/a=0.5 и β_pa=1.65 находим величину v₀/С_с=8.5.

Волновое сопротивление  Z₀:

Z₀=8.5·С_с/v₀=8.5·8=68 Ом                                                                     (3.3.5)

Параметр усиления C:

C=(I₀·Z₀/(4U₀))^1/3==(0.1·68/(4·4.0·10³))^1/3=0.075                                 (3.3.6)

По графику 3 определяем 4Q=7.5, откуда параметр пространственного заряда q=4QC=0.56.

Плотность тока i₀:

i₀=I₀/(π(b’)² )=0.1/(3.14·0.095²)=3.5 A/см²                                           (3.3.7)

Коэффициент продольного  расталкивания для электронного потока бесконечного сечения a_p:

a_p=1.83·10¹⁰·i₀^1/2/(2πf_ср.рU₀^1/4)= =1.83·10¹⁰·7.53^1/2/(2·3.14·5.2·10⁹·(2.0·10³)^1/4)=0.13 (3.3.8)

Коэффициент F_0med, учитывающий конечность сечения электронного потока, и коэффициент H:

F_0med=4QC³/a_p²=7.5·0.075³/0.13²=0.19                                                 (3.3.9)

H= - (4QC)³/(1- F_0med)²= - (7.5·0.075)³/(1-0.19)²= -0.27                     (3.3.10)

 

График 3.3.1

График 3.3.2

 

График 3.3.3

График 3.3.4

 

Из графика 4 для H= -0.27 находим Z₁= -0.5, α_h=0.75.

Параметр нарастающей  волны x:

x= - (1- F_0med)· Z₁·α_h/(4QC)= - (1-0.19)· (-0.5)·0.75/(7.5·0.075)=0.54           (3.3.11)

Определяем b и y:

x=((-2y-4y²q)^1/2 - (q+y)²)^1/2 → y=-0.4                                                             (3.3.12)

y= -0.5(1+0.25q) – (0.42+0.0175q)b → b=-0.5                                              (3.3.13)

Параметр начальных потерь A:

A= -10lg(e₁²+g₁²)                                                                                              (3.3.14)

Где

e₁=1+2·(y·(b+y)²-x²·(2b+3y))==1+2·((-0.4)·(-0.5-0.4)²-0.54²·(2·(-0.5)+3·(-0.4)))=1.635

g₁=2x·((b+y)·(b+3y)-x²)= 2·0.54·((-0.5-0.4)·(-0.5-3·(-0.4))-0.54²)== -0.995

A= -4.23 дБ (0.38)

 Параметр А_п, учитывающий влияние поглотителя на величину коэффициента усиления, примем равным 0.5 (-6 дБ).

По заданному коэффициенту усиления в линейном режиме К_лU=32 (15 дБ)  определим ξ, откуда найдём нормированную длину лампы N:

К_лU=АА_пе^ξx/((x²+y²)X₁)^1/2                                                              (3.3.15)

где

X₁=x²+(b+y)²=0.54²+(-0.5-0.4)²=1.1                                               (3.3.16)

32=0.38·0.5·е^ξ·^0.554/((0.54²+(-0.4)²)·1.1)^1/2 → ξ=8.85,