Materiał na prawach rękopisu.
Do użytku wewnętrznego.
TECHNIKA MIKROFALOWA 1
Ćwiczenie laboratoryjne
Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Opracował:
dr inż. Waldemar Susek
Warszawa 2008
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Ćwiczenie laboratoryjne
Temat:
BADANIE WZMACNIACZA MIKROFALOWEGO
1.1 Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych parametrów wzmacniacza wielkiej
częstotliwości pracującego w paśmie L, praktycznych metod ich pomiaru oraz zaznajomienie
ze sposobami realizacji układów dopasowujących i polaryzujących wzmacniacza w zakresie
mikrofalowym.
1.2 Układ pomiarowy
Rys. 1. Schemat układu do badania wzmacniacza
Tabela 1 Wykaz przyrządów
Lp Nazwa przyrzÄ…du Typ Firma Nr fabr.
1
Generator mikrofalowy
2
TÅ‚umik separujÄ…cy
3
Sprzęgacz kierunkowy
4
Wskaz
nik mocy
5
Miernik mocy
6
Zasilacz laboratoryjny
7
Zasilacz laboratoryjny
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Rys. 2. Widok stanowiska laboratoryjnego Badanie parametrów wzmacniacza mikrofalowego.
1.3 Opis układu wzmacniacza mikrofalowego
1.3.1. Podstawowe elementy wzmacniacza mikrofalowego
Podstawową strukturę układu jednostopniowego wzmacniacza mikrofalowego jako
układu bazowego pokazano na rys. 2. Układ wzmacniacza tworzą:
- wejściowe obwody dopasowujące
- element aktywny, najczęściej tranzystor w typowym połączeniu (wspólny emiter dla
tranzystora bipolarnego, wspólne z
ródło dla tranzystora polowego)
- wyjściowe obwody dopasowujące.
Na rys. 2. pominięto obwody polaryzacji tranzystora. Zakłada się bowiem, że nie zmieniają
one współczynników jego macierzy rozproszenia.
Rys. 2. Ogólny schemat blokowy wzmacniacza mikrofalowego.
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
We wzmacniaczu mikrofalowym niezwykle ważną rolę odgrywają wejściowe i wyjściowe
obwody sprzęgające (dopasowujące), a także, w przypadku układów wielostopniowych,
obwody międzystopniowe. Sposób realizacji tych obwodów w powiązaniu z wybranym
rodzajem elementu aktywnego (tranzystora) decyduje o:
a) wypadkowym wzmocnieniu wzmacniacza,
b) pasmie przenoszonych przez układ częstotliwości,
c) charakterystyce przebiegu wzmocnienia w funkcji częstotliwości,
d) charakterystykach odbiciowych na wejściu i wyjściu wzmacniacza,
e) stabilności roboczej wzmacniacza w całym zakresie częstotliwości,
f) współczynniku szumów wzmacniacza.
W konwencjonalnych układach wzmacniaczy zakresu mikrofalowego, elementy pasywne
wchodzące w skład obwodów dopasowujących są zazwyczaj elementami o stałych
rozłożonych, realizowanymi w postaci odcinków linii transmisyjnych. Dzieje się tak dlatego,
że wymiary dyskretnych elementów skupionych (rezystorów, indukcyjności i pojemności)
stają się porównywalne z długością fali.
1.3.2. Podstawowe parametry wzmacniacza
W analizie układów liniowych do których należy wzmacniacz mikrofalowy,
przedmiotem szczególnego zainteresowania są parametry, które charakteryzują układ w stanie
pracy, tzn. gdy do jego wejścia doprowadzony został sygnał ze z
ródła o określonej impedancji
wewnętrznej ZG a jego wyjście obciążone zostało impedancją ZObc (rys. 2), zwane
parametrami roboczymi.
Rys. 3. Wzmacniacz mikrofalowy w warunkach roboczych. Oznaczenia fal padajÄ…cych i odbitych a, b oraz
współczynników odbicia “.
Dla układu przedstawionego na rys. 3 podstawowymi parametrami roboczymi są:
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
- wzmocnienie mocy, zdefiniowane jako stosunek mocy czynnej P2 wydzielonej
w obciążeniu ZObc do mocy czynnej P1 doprowadzonej do wejście czwórnika.
2 2
b2 - a2
P2
kp = = (1)
2 2
a1 - b1 P1
gdzie: a1, a2  amplitudy fal padajÄ…cych na wrota odpowiednio T1 i T2
b1, b2  amplitudy fal odbiegających od wrót, odpowiednio T1 i T2
- dysponowane wzmocnienie mocy, zdefiniowane jako stosunek mocy dysponowanej na
wyjściu wzmacniacza P2dys do mocy dysponowanej z
ródła (generatora) PGdys.
2
b2 P2dys
kpdys = = (2)
2
a1 PGdys
- skuteczne wzmocnienie mocy, zdefiniowane jako stosunek mocy czynnej P2
wydzielonej w obciążeniu do mocy dysponowanej z
ródła PGdys.
2 2
b2 - a2
P2
kps = = (3)
2
PGdys
a1
- współczynnik odbicia na wejściu, definiowany jako stosunek amplitudy fali odbitej od
wrót T1 do amplitudy fali padającej na wrota T1.
b1
“WE = (4)
a1
- współczynnik odbicia na wejściu, definiowany jako stosunek amplitudy fali odbitej od
wrót T2 do amplitudy fali padającej na wrota T2.
b2
“WY = (5)
a2
- zakres dynamiczny wzmacniacza DR, definiowany jako różnica mocy wejściowych
wyrażonych w dB opowiadających punktowi 1 dB kompresji Pwe1dB i mocy szumów
własnych wzmacniacza odniesionych do wejścia Pwesz.
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Rys. 11. Charakterystyka dynamiczna wzmacniacza
DR [dB] = Pwe1dB[dBW] - Pszwe[dBW] (6)
1.3.3 Opis badanego układu
Badany wzmacniacz mikrofalowy pracuje w pasmie L. Względna szerokość
przenoszenia pasma jest rzędu 20 %. Impedancja wejściowa i wyjściowa wynosi 50 &!.
Wzmacniacz składa się z trzech stopni połączonych kaskadowo. Każdy ze stopni zbudowany
jest na tranzystorze bipolarnym VO-21 w układzie wspólnego emitera.
Wzmacniacz zrealizowano w technice NLP (niesymetrycznej linii paskowej) na
czterech płytkach z ceramiki alundowej o rozmiarach 30 x 50 x 1.5mm. Schemat montażowy
wzmacniacza od strony jego struktury planarnej przedstawia rys. 4, zaÅ› odpowiadajÄ…cy mu
schemat ideowy rys. 5. Na schemacie ideowym kolorem niebieskim zaznaczono elementy
wchodzące w skład układów polaryzacji stałoprądowej tranzystorów wzmacniacza. Kolorem
zielonym, elementy składowe wejściowych, wyjściowych i międzystopniowych obwodów
dopasowujących (sprzęgających). Natomiast kolorem czarnym, tor transmisji sygnału
mikrofalowego podlegajÄ…cego wzmocnieniu we wzmacniaczu, kosztem energii pochodzÄ…cej
ze z
ródła zasilania prądu stałego.
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Rys.4. Widok struktury planarnej wzmacniacza mikrofalowego
Sygnał wejściowy podawany jest przez kondensator sprzęgający C1 i transformator
ćwierćfalowy Tr /4 na bazę tranzystora T1. Transformator dopasowuje impedancję
wejściową wzmacniacza 50 &! do impedancji wejściowej tranzystora rzędu 30 &!.
W płaszczyz
nie podłączenia bazy tranzystora , do jego wrót wejściowych włączone są
równolegle dwie linie rozwarte na końcu o długości mniejszej od /4 długości fali, które
realizują równoległa pojemność C2. Wytworzona w ten sposób susceptancja kompensuje
składową urojoną admitancji wejściowej tranzystora T1.
Rys. 5. Schemat ideowy wzmacniacza mikrofalowego.
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Zabezpiecza tym samym, wraz z transformatorem ćwierćfalowym, dopasowanie impedancji
wejściowej całego wzmacniacza do impedancji wejściowej pierwszego stopnia. W obwodzie
kolektora włączony jest układ złożony z dwóch linii, zwartej reprezentującej indukcyjność L1
i rozwartej realizującej pojemność C3 jak przedstawiają to rysunki 6 i 7.
Rys. 6. Obwód rezonansowy obwodu kolektora na stałych rozłożonych a) i jego schemat zastępczy b).
Rys. 7. Sposoby realizacji reaktancji i obwodów rezonansowych w technice mikrofalowej
(pojemności i indukcyjności w postaci stałych rozłożonych).
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Ich wypadkowa długość równa jest /4 długości fali odpowiadającej środkowej częstotliwości
pasma przenoszenia wzmacniacza. Takiemu rozwiązaniu odpowiada równoległy obwód
rezonansowy z dzieloną indukcyjnością (rys. 6.b ). Obwód ten stanowi obciążenie tranzystora
T1.Poniżej częstotliwości rezonansowej obwód ma charakter indukcyjny. Reaktancja linii
zwartej na końcu maleje wraz z przechodzeniem na niższy zakres częstotliwości. Takie
rozwiązanie obwodu dopasowującego zrealizowane na stałych rozłożonych spełnia dwie
funkcje we wzmacniaczu:
1) zapobiega wzbudzeniu się układu poniżej pasma przenoszenia. Na niskich
częstotliwościach tranzystory mikrofalowe są najczęściej czwórnikami
potencjalnie niestabilnymi.
2) indukcyjność L1 dla prądu stałego stanowi zwarcie powodując, że kolektor
tranzystora znajduje się na potencjale masy, co w połączeniu z zasilaniem
bazy i emitera poprzez rezystory Rf2 i Rf3 ze żródła -12 V zapewnia właściwą
polaryzacjÄ™ tranzystora.
Pierwszy stopień wzmacniacza jest z
ródłem sygnału dla drugiego stopnia, przy zapewnieniu
dopasowania między nimi. Uzyskuje się to na etapie projektowania, dobierając odpowiednią
długość linii transmisyjnej (łączącej kolektor tranzystora T1 z kondensatorem sprzęgającym
C5) i jej impedancję falową oraz uwzględniając pojemności C4 i C6. Pojemność C4
zrealizowana jest w postaci prostokąta z dodatkowymi mniejszymi powierzchniami, które
można podłączyć (np. za pomocą pasty przewodzącej) do podstawowej płaszczyzny,
dostrajając w ten sposób układ na etapie uruchamiania. Struktury drugiego i trzeciego stopnia
jest analogiczna do pierwszego.
Na wyjściu wzmacniacza zastosowano 3 dB tłumik w układzie Ą, złożony
z napylonych rezystorów R1, R2, R3. Tłumik ten zastosowano celem zmniejszenia wrażliwości
na niedopasowanie obciążenia i stłumienie ewentualnych wzbudzeń wzmacniacza.
W układach mikrofalowych, w tym również we wzmacniaczach, ważną rolę
odgrywają obwody i sposoby polaryzacji elementów aktywnych. W badanym wzmacniaczu
jak już wspomniano wcześniej kolektory tranzystorów są na potencjale masy, natomiast bazy
i emitery tranzystorów polaryzowane są za pomocą filtrów dolnoprzepustowych Rf, Lf, Cf.
RealizacjÄ™ takiego filtru w zakresie mikrofalowym przedstawiono na rys. 8.
W technice mikrofalowej filtr ten zrealizowany jest w postaci odcinka linii o długości
3*/4 fali odpowiadającej środkowej częstotliwości pracy wzmacniacza. Linia ta
charakteryzuje się wysoką impedancją falową w zakresie w.cz., natomiast dla prądu stałego
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
stanowi zwarcie. Włączona jest ona równolegle do toru transmisyjnego sygnału
mikrofalowego. W odległości /4 od linii transmisyjnej, odcinek został zwarty dla sygnału
mikrofalowego przez pojemność Cf6 do masy. Reaktancja XCf6 dla wielkich częstotliwości jest
bardzo mała (zwarcie), natomiast dla prądu stałego reaktancję ta jest nieskończenie duża
(rozwarcie). W układzie tym wykorzystane zostały własności transformacyjne linii
transmisyjnych. Odcinek linii zwarty na końcu o długości /4, transformuje zwarcie na
rozwarcie.
Rys. 9. Przedstawienie sposobu realizacji filtru dolnoprzepustowego w układzie zasilania tranzystora w technice
mikrofalowej. A) schemat ideowy filtru, B) realizacja filtru na stałych rozłożonych.
Tak więc tor transmisyjny sygnału w miejscu równoległego podłączenia zwartego na końcu
odcinka /4 jest obciążony bardzo małą admitancją, praktycznie tor transmisji z punktu
widzenia sygnału zachowuje się tak, jakby odcinek /4 zwarty na końcu w ogóle nie był
podłączony. Połączenie szeregowo kolejnych odcinków /4 zwartych na końcu zwiększa
skuteczność filtracji sygnału mikrofalowego. Efektem działania układu przedstawionego na
rys. 9. jest rozdzielenie w dziedzinie częstotliwości toru sygnałowego wzmacniacza od
obwodów zasilania. Efekt tego rozdzielenia przedstawiają rysunki 10 i 11.
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
Rys. 10. Schemat ideowy wzmacniacza dla prądu stałego (polaryzacja tranzystorów).
Rys. 11. Schemat ideowy wzmacniacza dla sygnału mikrofalowego.
Na powyższych rysunkach można łatwo zaobserwować rozdział sygnałów stałoprądowych
i w.cz. w częstotliwości. Dla sygnałów stałoprądowych kolektory tranzystorów są na
potencjale masy a emitery na potencjale ujemnym, podczas gdy dla sygnału mikrofalowego
emitery tranzystorów są na potencjale masy a kolektory obciążone są obwodami
rezonansowymi z dzieloną indukcyjnością.
Opisane powyżej filtry w obwodach zasilania spełniają we wzmacniaczu jeszcze inne
istotne funkcje. Po pierwsze zabezpieczają przed wzajemnym sprzężeniem poszczególnych
stopni przez wspólną dla wszystkich szynę zasilania. Po drugie dokonują korekcji
charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza w zakresie małych częstotliwości. Ponieważ
układy międzystopniowe zabezpieczają dopasowanie na górnej częstotliwości pasma
przenoszenia, to układy polaryzujące na dolnych częstotliwościach wprowadzają odpowiednie
niedopasowanie celem wyrównania charakterystyki przenoszenia wzmacniacza.
1.4 Metody pomiarowe stosowane w ćwiczeniu
Metody pomiarowe stosowane w ćwiczeniu tzn: metoda pomiaru modułu współczynnika
odbicia wrót układu mikrofalowego, metoda pomiaru modułu transmitancji układu
mikrofalowego oraz pomiar mocy sygnałów mikrofalowych zostały szczegółowo opisane
w Wybranych zagadnieniach pomiaru parametrów sygnałów i układów mikrofalowych.
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
1.5 Pomiary i obliczenia
Podczas realizacji ćwiczenia laboratoryjnego wykonywane będą następujące pomiary:
1. Pomiar charakterystyki amplitudowo  częstotliwościowej wzmacniacza,
2. Pomiar wejściowej i wyjściowej charakterystyki odbiciowej wzmacniacza,
3. Pomiar charakterystyki dynamicznej i określenie punktu jednodycebelowej kompresji.
1.5.1 Pomiar charakterystyki amplitudowo  częstotliwościowej wzmacniacza
W tym punkcie zmierzona zostanie charakterystyka zmian wzmocnienia wzmacniacza
w funkcji częstotliwości dla różnych wartości mocy wejściowej sygnału mikrofalowego.
Przebieg pomiarów
a) podłączyć wrota pomiarowe generatora i miernika mocy,
b) ustawić parametry sygnału podane przez prowadzącego ćwiczenie,
c) dokonać pomiaru mocy P1 w zakresie częstotliwości podanym przez prowadzącego
ćwiczenie. Wyniki zanotować w tabeli 1.
d) pomiędzy wrota pomiarowe generatora i miernika mocy włączyć badany wzmacniacz,
e) dokonać pomiaru mocy P2 w tych samych punktach częstotliwości dla których
zmierzono P1. Wyniki zanotować w tabeli 1.
f) dokonać obliczeń skutecznego wzmocnienia mocy wzmacniacza,
g) wykonać pomiary opisane w podpunktach c ÷ f dla dwóch innych poziomów mocy
sygnału mikrofalowego, podanych przez prowadzącego ćwiczenie. Wyniki zanotować
odpowiednio w tabelach 2 i 3.
Tabela 1. Ps = .........dBm
f MHz
P1 dBm
P2 dBm
kps dB
Tabela 2. Ps = .........dBm
f MHz
P1 dBm
P2 dBm
kps dB
Tabela 3. Ps = .........dBm
f MHz
P1 dBm
P2 dBm
kps dB
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
1.5.2 Pomiar wejściowej i wyjściowej charakterystyki odbiciowej wzmacniacza
Przebieg pomiarów
a) podłączyć układ pomiarowy w sposób pokazany na rys. 1,
b) rozewrzeć wrota wyjściowe sprzęgacza kierunkowego i w zadanym przez
prowadzącego ćwiczenie zakresie częstotliwości wyznaczyć moc Poz we wrotach
pomiarowych sprzęgacza dla pełnego odbicia,
c) dokonać redukcji wrót wyjściowych wzmacniacza włączając na ich wejście obciążenia
dopasowanego,
d) połączyć wejście wzmacniacza do wrót wyjściowych sprzęgacza kierunkowego
i w tych samych punktach częstotliwościowych wyznaczyć moc Po we wrotach
pomiarowych sprzęgacza. Wyniki zanotować w tabeli 4.
e) dokonać redukcji wrót wejściowych wzmacniacza włączając na ich wejście obciążenia
dopasowanego,
f) połączyć wyjście wzmacniacza do wrót wyjściowych sprzęgacza kierunkowego
i w tych samych punktach częstotliwościowych wyznaczyć moc Po we wrotach
pomiarowych sprzęgacza. Wyniki zanotować w tabeli 5.
Tabela 4.
f MHz
Poz dBm
Po dBm
“WE
Tabela 5.
f MHz
Poz dBm
Po dBm
“WY
1.5.3. Pomiar charakterystyki dynamicznej wzmacniacza
W tym punkcie zmierzona zostanie charakterystyka zmian mocy wyjściowej w funkcji
zmian mocy wejściowej wzmacniacza dla środkowej częstotliwości pracy.
Przebieg pomiarów
a) podłączyć wrota pomiarowe generatora do wejścia wzmacniacza a miernik mocy do
jego wyjścia,
b) ustawić środkową częstotliwość pasma przenoszenia wzmacniacza,
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
c) tłumikiem generatora zmieniać wartość mocy wejściowej wzmacniacza w zakresie
podanym przez prowadzącego ćwiczenie,
d) miernikiem mocy zmierzyć wartość mocy na wyjściu wzmacniacze. Wyniki
pomiarów zapisać w tabeli 6.
Tabela 6. f = ............... MHz
PWE dBm
PWY dBm
1.6 Opracowanie wyników pomiarów
Wykresy
1) Wykresy wzmocnienia w funkcji częstotliwości
2) Wykresy współczynników odbicia wejściowego i wyjściowego w funkcji
częstotliwości,
3) Wykres mocy wyjściowej w funkcji mocy wejściowej.
Sprawozdanie powinno zawierać określone powyżej wykresy pogrupowane w następujący
sposób
- na jednym wspólnym wykresie zamieścić trzy charakterystyki kps = f ( f )
wyznaczone dla różnych poziomów mocy wejściowej
- na jednym wspólnym wykresie zamieścić charakterystykę kps = f( f ) oraz
charakterystykÄ™ “WE(f),
- na jednym wspólnym wykresie zamieścić charakterystykę kps = f ( f ) oraz
charakterystykÄ™ “WY(f),
- zamieścić charakterystykę dynamiczną wzmacniacza PWY = f (PWE )z zaznaczonym
punktem 1 dB kompresji,
oraz indywidualne wnioski i spostrzeżenia obejmujące w szczególności:
- opis istoty wykorzystywanych metod pomiarowych,
- opis przebiegu pomiarów,
- ocenę uzyskanych wyników obliczeń,
- ocenę uzyskanych charakterystyk i przebiegów,
- ocenę dokładności pomiarów.
1.7 Zagadnienia do opanowania
- przeznaczenie wzmacniaczy mikrofalowych,
- podstawowe parametry wzmacniaczy,
Ćwiczenie laboratoryjne: Badanie wzmacniacza mikrofalowego
- struktura badanego wzmacniacza mikrofalowego,
- sposoby wytwarzania reaktancji za pomocą stałych rozłożonych,
- sposoby dopasowania, zasilania i stabilizacji badanego wzmacniacza,
- metody pomiarowe stosowane w ćwiczeniu.
Literatura
Technika wielkich częstotliwości, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Dobrowolski J. A. 2001
Warszawskiej, Warszawa
Miernictwo mikrofalowe, Wydawnictwa Komunikacji i A
ączności,
Galwas B. 1985
Warszawa
Technika mikrofalowa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne,
Litwin R., Suski M. 1972
Warszawa
Tranzystorowe układy wzmacniające w zakresie wielkich,
Smólski B. 1994
częstotliwości, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa