بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله طراحی یک تقویت کننده قدرت باند S می باشد. مبنای طراحی استفاده از فرمول ها و روابط موجود در این مقاله می باشد. بر مبنای استفاده از این روابط طراحی اولیه صورت گرفته و سپس پیاده سازی و انجام بهینه سازی ها در نرم افزار ADS انجام شده است.
طراحی انجام شده در سه نمونه تقویت کننده ارائه شده است که هر کدام بهبود یافته تقویت کننده مرحله قبل می باشند. نهایتا بهترین طرح در تقویت کننده سوم آورده شده است که تمامی ملاحظات شامل عناصر کیت طراحی و استفاده از خطوط مایکرواستریپ بین عناصر در آن اعمال شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی به صورت قابل قبولی منطبق بر صورت مسئله طرح می باشد.
تقویت کننده، یک توان خروجی ماکزیمم برابر با dBm40 با 32% از PAE در فرکانس مرکزی GHz 3,4 و dB20, 5 از S21 تحویل می دهد. روی پهنای باند GHz2 ، توان خروجی، بالاتر از dBm40 با یک PAEبسیار مسطح بین 30% و 33% می توان نتیجه گرفت.
مقدمه
تقویت کننده های قدرت در سیستم ها و شبکه های مخابراتی از اهمیت بسزایی برخوردارند. مخصوصا در فرستنده ها، برای افزایش سطح سیگنال، جهت ارسال به کار می روند. در آغاز تقویت کننده های مایکروویو، با استفاده از لامپ ها1، نظیر klystron و لامپ های موج متحرک2 و نیز با استفاده از تقویت کنن ده های انعکاسی حالت جامد 3 که بر اساس مشخصه مقاومت منفی دیود های ورکتور4 و تانل5 کار می کنند، تولید می شدند.
اما امروزه به کمک پیشرفت های روز افزون در فن آوری حالت جامد که از سال های 1970 شروع شد امروزه، اکثر تقویت کننده های RF و مایکروویو، با استفاده از ترانزیستورهایی نظیر HBTهای GaAs ، FET های GaAs یاInP و ترانزیستورهای HEMT ساخته می شوند تقویت کننده های ترانزیستوری مایکروویو، محکم، ارزان، قابل اطمینان و براحتی قابل استفاده در مدارهای مجتمع یکپارچه هستند.
بر خلاف تقویت کننده های سیگنال کوچک، که بهره، نویز و خطی بودن، اهداف اصلی در طراحی می باشند، در تقویت کننده های قدرت، توان مطلق خروجی و بازدهی، مشخصه های مورد نظر است .[2] برای بررسی عملکرد تقویت کننده های توان، باید از کمیت های دیگری نظیر توان افزوده سیگنال Pa=Pout-Pin، توان مطلق خروجی و از همه مهم تر، بازدهی توان افزوده6 استفاده نمود. کمیت هایی نظیر و عدد نویز چندان مورد توجه نمی باشد. بازدهی توان افزوده نسبت توان افزوده سیگنال به توان منبع تغذیه DC، می باشد
طراحی تقویت کننده کلاس A
در این پروژه، هدف طراحی یک تقویت کننده قدرت در باند S، با توان خروجی برابر 40dBm، و پهنای باند حداقل 3~3,8GHz و حداکثر 2,4~4,6GHz، با VSWR<2 می باشد.
جهت طراحی تقویت کننده کلاس [1] A، ابتدا به کمک تئوری تقویت کننده های سیگنال کوچک طرحی تقریبی و اولیه تولید کرده و سپس، به کمک روش های عددی و نرم افزار ADS طرح فوق را بهینه می نماییم. برای تولید طرح اولیه از مفهوم بهره توان در تقویت کننده های سیگنال کوچک استفاده می کنیم و ابزار مورد استفاده در بهینه سازی روش عددی، روش توازن هارمونیکی7 می باشد.
اولین گام در طراحی یک تقویت کننده توان، انتخاب قطعه مناسب می باشد. ترانزیستور انتخاب شده باید هم توانایی تامین توان مورد نظر را داشته باشد و هم مقاومت حرارتی آن به اندازه کافی پایین باشد تا دمای کانال در محدوده مجاز باقی بماند از طرف دیگر باید تا حد امکان ارزان بوده و قابل دسترس باشد. با توجه به این موارد ترانزیستوری که برای تقویت کننده مورد نظر مورد استفاده قرار گرفته PHEMT- FED2ONL1 ساخت شرکت ED02AH می باشد که در مورد مشخصات آن در فصل بعد بیشتر توضیح داده خواهد شد.
کار اصلی در طراحی تقویت کننده کلاس A همانند تقویت کننده های خطی، انتخاب امپدانس مناسب منبع و بار و بایاس مناسب قظعه می باشد. در تقویت کننده توان امپدانس بار باید برای تولید توان خروجی دلخواه انتخاب گردد. امپدانس منبع باید تطبیق مزدوج ورودی را تامین کند. به علاوه نقطه بایاس باید طوری انتخاب شود که هم توان کافی و هم بازدهی خوبی را نتیجه دهد.
انتخاب ترانزیستور
اولین مرحله در طراحی یک تقویت کننده انتخاب مناسب ترانزیستور منطبق بر نیاز طرح می باشد. با توجه به صورت مسئله، ترانزیستور انتخابی باید در بازه فرکانسی مورد نظر عملکرد مطلوب را داشته باشد و همچنین قابلیت تولید و تحمل توان خروجی را نیز داشته باشد. معمولا فرکانس قطع ترانزیستور باید حداقل 10 برابر بزرگتر از فرکانس مرکزی باشد.
از ترانزیستورهای کیت طراحی، ترانزیستور PHEMT-FED2ONl1 انتخاب شده است. از مهمترین مشخصه های ترانزیستور که در طراحی و برای رسیدن به مشخصات مطلوب باید مد نظر قرار بگیرد، تعداد فینگرها و عرض آنها می باشد. تاثیر مستقیم این دو پارامتر در مقدار توان قابل تحمل و جریان درین ترانزیستور می باشد که تعیین کننده نقطه کار مناسب برای آن می باشد. البته ولتاژ شکست ترانزیستور را نیز متناسب با نقطه کار مطلوب باید تغییر داد و معمولا 3 برابر بزرگتر از ولتاژ بایاس در نظر می گیرند.
تعیین نقطه کار مناسب
از تکنیک خط بار برای انتخاب نقطه بایاس مناسب ترانزیستور استفاده می شود - دی هکت و همکاران، . - 2005 توان خروجی 40dBm می باشد و مقاومت بار به صورت معمول 50 است. با در نظر گرفتن این نمودار و انتخاب یک مقدار معقول برای VDD می توان مقدار تقریبی از Ipeak ترانزیستور به دست آورد.
برای داشتن حاشیه اطمینان مقدار جریان ماکزیمم کمی بیشتر از این مقدار انتخاب می شود. برای داشتن محدوده خطی بالا، جریان نقطه بایاس ترانزیستور نصف جریان ماکزیمم درین انتخاب می شود. رسیدن به این میزان جریان ماکزیمم در گرو انتخاب مناسب تعداد و عرض فینگرهای ترانزیستور می باشد. با توجه به محاسبات انجام شده، نقطه بایاس مطلوب ترانزیستورها به صورت زیر انتخاب شدند.
پایداری ترانزیستور
بعد از تثبیت ولتاژهای بایاس، باید وضعیت پایداری ترانزیستور در پهنای باند مورد نظر بررسی شود. . با شبیه سازی انجام شده در ADS - شکل - 1 این ترانزیستور در قسمتی از باند مورد نظر ناپایدار است و لذا باید قبل از هر کاری، ترانزیستور پایدار شود.
شکل - 1 - ضریب پایداری ترانزیستور قبل از اعمال فیدبک
مدارات فیدبک
از روش های معمول پایدار کردن ترانزیستور استفاده از مدارات فیدبک است. پس از اعمال مدارات فیدبک به ترانزیستور، پارامتر K که پایداری ترانزیستور را نشان می دهد، مطابق شکل 2 به دست آمده است که در محدوده فرکانسی K>1 است و همانطور که مشاهده می شود مینیمم مقدار آن برابر 71 بوده و پایداری ترانزیستور را تضمین می کند.
شکل - 2 - نمودار پایداری ترانزیستور با اعمال مدار فیدبک
تعیین امپدانس ورودی و بهینه سازی طرح با کمک نرم افزار
برای تعیین امپدانس ورودی ابتدا به کمک معادله - 1 - ضریب انعکاس ورودی ترانزیستور را می یابیم که رابطه آن به صورت زیر است: - 1 - و شبکه تطبیق ورودی را طوری طراحی می کنیم که تطبیق مزدوج
در دهانه ورودی ایجاد گردد. در زیر رابطه آن آورده شده است:
بعد از طراحی شبکه تطبیق ورودی و خروجی و نقطه کار، اکنون زمان آن است که با استفاده از نرم افزار و با روش توازن هارمونیکی، تقویت کننده طراحی شده را بهینه سازی نماییم.
ابتدا نقطه کار و امپدانس بار را نسبت به توان خروجی بهینه می نماییم. برای این کار نمودار ولتاژ و جریان داخلی درین را مطابق شکل - 3 - ، در حوزه زمان رسم می کنیم. زمانیکه اختلاف فاز آنها برابر 180 درجه شد و مقدار آنها، بین مقادیر ماکزیمم و مینیمم تعیین شده تغییر کرد، مدار بهینه شده است. برای انجام بهینه سازی خروجی، نیازی به تطبیق دقیق ورودی تقویت کننده نمی باشد.
بعد از بهینه سازی امپدانس بار، مدار تطبیق خروجی را طراحی نموده و امپدانس ورودی سیگنال بزرگ مجموعه را به کمک روش توازن هامونیکی تعیین می کنیم. اگر مدار به خوبی طراحی شده باشد، نباید با مقدار تعیین شده به کمک پارامترهای پراکندگی، خیلی متفاوت باشد. نهایتا با استفاده از امپدانس ورودی سیگنال بزرگ، مدار تطبیق ورودی را طراحی می کنیم.
در شکل 4و5، پارامترهای پراکندگی S22 , S12 , S11 نشان داده شده است و همانطور که مشاهده می شود گین مدار حدود 21dB با تطبیق مناسب در ورودی و خروجی به دست آمده است.
شکل :4 تلف برگشتی ورودی و خروجی تقویت کننده - طراحی دوم -
شکل :5 بهره تقویت کننده - طراحی دوم -
همچنین باید ذکر کرد که ریپل S21 ، 0,8 dB می باشد که بسیار مناسب به نظر می رسد. ولتاژ درین و جریان به ترتیب2,3A , 15v می باشند. در شکل 6 می توان دید که عدد نویز با اعمال Tuningدر محدوده ی 6dB قرار می گیرد که برای این تقویت کننده قابل قبول می باشد.
شکل :7 توان خروجی بر حسب توان ورودی از تقویت کننده در Vd=15v
اشکال 6 و 7 به ترتیب توان خروجی برحسب توان ورودی و PAE مربوط به تقویت کننده روی توان ورودی در فرکانس مرکزی 3,4 GHz نشان می دهند. تقویت کننده، یک توان خروجی ماکزیمم برابر با 40dBm با %32 از PAE در فرکانس مرکزی 3,4 GHz و 20,5dB از S21 تحویل می دهد. روی پهنای باند 2GHz ، توان خروجی، بالاتر از 40dBm با یک PAE بسیار مسطح بین %30 و %33 می توان نتیجه گرفت.
نتیجهگیری
یک تقویت کننده توان بالا به صورت دو طبقه، برای کاربردهای راداری در باند S طراحی شده است. با استفاده از ترانزیستور با طول گیت 0,5um و تکنولوژی GaAs pHEMT طراحی صورت گرفته است. توان خروجی مدار برابر با 40dBm با %32 PAE و بهره 20,5dB در باند فرکانسی S طراحی شده است.
