Σχεδiαση μικροκυματικοy ενισχυτh για μeγιστο κeρδοΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΦΡΑΙΜΙΔΟΥ ΕΥΘΥΜΙΑ ΝΕΡΑΝΤΖΙΔΗΣ ΚΟΣΜΑΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1Ο ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΥΨΗΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΜΕΓΙΣΤΟ ΚΕΡΔΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4Ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα μικροκύματα είναι ουσιαστικά η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνοτήτων από μερικές εκατοντάδες MHz μέχρι μερικές εκατοντάδες GHz. Για σύγκριση, το σήμα από έναν ραδιοσταθμό ΑΜ είναι περίπου 1 ΜΗz και το σήμα από έναν σταθμό FM είναι περίπου 100 ΜΗz. Η επιστήμη των Μικροκυμάτων ξεκίνησε με την ανάπτυξη του ραντάρ και επεκτάθηκε κατά τη διάρκεια του 2ου Παγκοσμίου Πολέμου. Η ανακάλυψη των μικροκυματικών πηγών όπως το κλύστρον και το μάγνητρον άνοιξε τη συχνότητα των Γιγάκυκλων (GHz=109Hz) στους Μηχανικούς Τηλεπικοινωνιών. Η εμπορική χρησιμοποίηση των δορυφόρων έφερε επανάσταση στις Τηλεπικοινωνίες και οι μικροκυματικές ζεύξεις αντικατέστησαν πολλά χιλιόμετρα τηλεφωνικών καλωδίων. Tα μήκη κύματος των σημάτων χαμηλών και μεσαίων συχνοτήτων (dc-MHz) είναι πολύ μεγαλύτερα από τις φυσικές διαστάσεις τυπικών εργαστηριακών συσκευών. Έτσι η διαφορά φάσεως μεταξύ της πηγής του σήματος και του φορτίου για ένα σήμα χαμηλής συχνότητας, είναι πολύ μικρή και η μεταφοράς της ενέργειας γίνεται μέσω απλών συρμάτινων καλωδίων. Αυτή η μικρή διαφορά φάσεως κάνει την ανάλυση εύκολη, καθώς κάθε συσκευή επεξεργάζεται το «ίδιο» κομμάτι πληροφορίας εξαιτίας των πολύ μικρών διαφορών φάσεως. Στις μικροκυματικές συχνότητες, τα μήκη κύματος είναι συγκρίσιμα ή και μικρότερα από τα εργαστηριακά καλώδια και τις συσκευές. Η γωνία φάσεως μεταξύ δύο θέσεων μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη. Αυτή η σημαντική διαφορά φάσεως, προκαλεί και τις δυσκολίες που συναντούμε στα μικροκυματικά συστήματα. Σε αντίθεση με τις χαμηλές συχνότητες όπου τα μήκη των καλωδίων δεν παίζουν ρόλο, τα μήκη των μικροκυματικών αγωγών και των κυματοδηγών παίζουν σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της συνολικής συμπεριφοράς ενός μικροκυματικού κυκλώματος. Έτσι, η μεταφορά μικροκυματικής ενέργειας από ένα σημείο σε ένα άλλο, δεν είναι δυνατή μέσω απλών καλωδίων, για τον λόγο ότι αυτά θα ακτινοβολούν την ενέργεια στον περιβάλλοντα χώρο, αντί να την μεταφέρουν. Συνεπώς απαιτούνται ειδικού τύπου γραμμές, οι οποίες ονομάζονται «γραμμές μεταφοράς».

Στην πιο απλή της μορφή, μια γραμμή μεταφοράς είναι ένα ζευγάρι αγωγών που συνδέουν δύο ηλεκτρικά συστήματα. στοιχεία ή συσκευές. Αν το θέσουμε διαφορετικά, μία γραμμή μεταφοράς οδηγεί τα ηλεκτρονικά σήματα από την πηγή στο φορτίο. Στο σχήμα 1.1 φαίνονται μερικές κοινές γραμμές μεταφοράς. Σχήμα 1.1: Τέσσερις κοινές γραμμές μεταφοράς: παράλληλα καλώδια ομοαξονικό καλώδιο C) ορθογωνικός κυματοδηγό D) μικροταινιακή γραμμή.

Ο κυματοδηγός είναι μία γραμμή μεταφοράς για μικροκυματικά σήματα Ο κυματοδηγός είναι μία γραμμή μεταφοράς για μικροκυματικά σήματα. Οι κυματοδηγοί είναι συνήθως μεταλλικοί σωλήνες με ορθογωνική, κυκλική ή ελλειψοειδή εγκάρσια διατομή. Οι κυματοδηγοί είναι διαφορετικοί από τα ομοαξονικά καλώδια ή άλλες γραμμές μεταφοράς στο ότι ο σωλήνας, ενώ μοιάζει με εξωτερικό περίβλημα ενός ομοαξονικού καλωδίου, δεν έχει κεντρικό αγωγό. Οι γραμμές μεταφοράς, μπορούν συνήθως να αναλυθούν από τη γνώση των χαρακτηριστικών της τάσεως, του ρεύματος και της αντιστάσεώς τους. Ας θεωρήσουμε τη σύνδεση του σχήματος 1.2Α, όπου το μέτωπο της τάσεως και του ρεύματος ταξιδεύουν κατά μήκος του προς τα εμπρός αγωγού και του αγωγού επιστροφής. Επειδή οι τάσεις είναι απευθείας ανάλογες με τα ηλεκτρικά πεδία και τα ρεύματα σχετίζονται άμεσα με τα μαγνητικά πεδία, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το εναλλακτικό του σχήματος 1.2Α, είναι αυτό του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του σχήματος 1.2Β. Το πεδίο πρέπει να ακολουθεί το φυσικό περίγραμμα των γραμμών μεταφοράς. Στην ουσία οι δύο αγωγοί «οδηγούν» τη διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου από την πηγή στο φορτίο. Μερικά από τα πεδία ακτινοβολούνται μακριά. Σχήμα 1.2: Ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα μπορεί να εκφραστεί (Α) με τάση V και ρεύμα i ή (Β) με ηλεκτρικό πεδίο Ε και μαγνητικό πεδίο Η.

ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΓΙΑ ΜΙΑ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΓΙΑ ΜΙΑ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΔΟΣΗ ΚΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΡΑΜΜΗ ΧΩΡΙΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΕΝΗ ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΧΩΡΙΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΕΝΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΧΩΡΙΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ ΕΝΟΣ ΤΕΤΑΡΤΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΩΝ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΑΝΑΚΛΑΣΕΩΝ

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενίσχυση είναι η πιο βασική και κυρίαρχη λειτουργία στα μικροκυματικά συστήματα. Οι πρώτοι μικροκυματικοί ενισχυτές χρησιμοποιούσαν λυχνίες κλύστρον ή οδεύοντος κύματος, καθώς και διατάξεις στερεάς κατάστασης, όπως οι δίοδοι σήραγγος ή varactor, που είναι διατάξεις με δυο ακροδέκτες. Λόγω όμως της δραματικής ανάπτυξης της τεχνολογίας των τρανζίστορ από το 1970 και μετά, οι περισσότεροι σύγχρονοι ενισχυτές χρησιμοποιούν διατάξεις στερεάς κατάστασης με τρεις ακροδέκτες, όπως τα FET αρσενικούχου γαλλίου, διπολικά τρανζίστορ πυριτίου, διπολικά τρανζίστορ ετεροεπαφής (ΗΒΤ) και τρανζίστορ μεγάλης ευκινησίας ηλεκτρονίων (high electron mobility transistors - HEMT). Οι μικροκυματικοί ενισχυτές με τρανζίστορ είναι συμπαγείς, φτηνοί, αξιόπιστοι και μπορούν εύκολα να ολοκληρωθούν είτε σε υβριδικά είτε σε μονολιθικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Λειτουργούν σε συχνότητες μέχρι τα 100 GHz, και σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλό δείκτη θορύβου, μεγάλο εύρος ζώνης και μέτρια ισχύ. Στις εφαρμογές που απαιτούν πάρα πολύ μεγάλες συχνότητες και ισχύ, χρησιμοποιούνται ακόμα οι λυχνίες, αλλά σταδιακά εκτοπίζονται καθώς βελτιώνονται συνεχώς οι επιδόσεις των μικροκυματικών τρανζίστορ. Οι μικροκυματικές πηγές εξελίσσονται παράλληλα με τους μικροκυματικούς ενισχυτές. Οι πρώτες πηγές με λυχνίες (κλύστρον - μάγνητρον), έδωσαν τη θέση τους στις ημιαγωγικές διατάξεις αρνητικής αντίστασης με δυο ακροδέκτες, όπως οι δίοδοι Gunn και ΙΜΡΑΤΤ. Η εμφάνιση των μικροκυματικών τρανζίστορ οδήγησε στην κατασκευή πηγών στερεάς κατάστασης που λειτουργούν σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων και μέτριες τιμές ισχύος. Τέτοιες πηγές βρίσκονται σήμερα, σε παγκόσμια κλίμακα, σε συστήματα ραντάρ, τηλεπικοινωνιών και μετρήσεων. Αρχικά θα μελετηθούν συνοπτικά τα μικροκυματικά FET, τα διπολικά τρανζίστορ, τα ισοδύναμα κυκλώματα τους με την προσέγγιση μικρού σήματος και οι πολώσεις τους. Επειδή η έμφαση θα δοθεί στη σχεδίαση κυκλωμάτων με τρανζίστορ, και όχι στη φυσική των διατάξεων, τα τρανζίστορ θα εξεταστούν κυρίως με βάση τα χαρακτηριστικά που εκδηλώνονται στους ακροδέκτες τους. Η ανάλυση θα γίνει με τη μέθοδο των παραμέτρων S ή ενός μοντέλου ισοδυνάμου κυκλώματος. Στη συνέχεια θα βρεθούν σχέσεις υπολογισμού του κέρδους και της ευστάθειας ενός δίθυρου δικτυώματος συναρτήσει των παραμέτρων S, και η θεωρία αυτή θα εφαρμοστεί στη σχεδίαση ενός ενισχυτή μιας μόνο βαθμίδας με τρανζίστορ.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ (FET) ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΑ ΔΙΠΟΛΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΚΕΡΔΟΣ ΚΑΙ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΚΕΡΔΗ ΙΣΧΥΟΣ ΔΙΘΥΡΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ (STABILITY) Σχεδίαση για Μέγιστο Κέρδος (συζυγής προσαρμογή)

ΥΨΗΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΜΕΓΙΣΤΟ ΚΕΡΔΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΥΨΗΛΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΓΙΑ ΜΕΓΙΣΤΟ ΚΕΡΔΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτό το Κεφάλαιο σχεδιάζεται και υλοποιείται ένας ενισχυτής υψηλών συχνοτήτων με την βοήθεια του λογισμικού ADS για μέγιστο κέρδος. Για τον σχεδιασμό χρησιμοποιήθηκε το μικροκυματικό τρανζίστορ επιδράσεως πεδίου (FET) Gas AS NE 76184A και μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς για τις γραμμές πύλης και απαγωγού του ενισχυτή καθώς και για τα κυκλώματα προσαρμογής. Τα βήματα που ακολουθήθηκαν για τον σχεδιασμό του ενισχυτή περιγράφονται παρακάτω: Αναζήτηση και εύρεση κατάλληλης συχνότητας στην οποία ο ενισχυτής παρουσιάζει ευστάθεια με χρήση μαθηματικών τύπων (θεωρητικά). Προσομοίωση στο ADS με ιδανικές γραμμές (TLIN) στη συχνότητα ευστάθειας. Χρήση χάρτη Smith για τη σχεδίαση των δικτύων προσαρμογής εισόδου και εξόδου. Εύρεση διαστάσεων μικροταινιακών γραμμών με χρήση του υποπρογράμματος LineCalc του ADS. Προσομοίωση στο ADS με μικροταινιακές γραμμές (MLIN). Σχεδίαση διάταξης φυσικής τοποθέτησης (Layout).

ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΣ S – ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥ FET ΣΕ ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΚΟΙΝΗΣ ΠΗΓΗΣ

Πίνακας 3.1: Οι τιμές των S παραμέτρων του FET σε συνδεσμολογία κοινής πηγής (εύρος συχνοτήτων 1-10 GHz).

Σχήμα 3. 2 Απεικόνιση των S-παραμέτρων του FET του σχήματος 2 Σχήμα 3.2 Απεικόνιση των S-παραμέτρων του FET του σχήματος 2.1 στον χάρτη Smith

Σχήμα 3.3 Παράμετρος σκέδασης S11 (απώλειες επιστροφής στη θύρα εισόδου) του FET.

Σχήμα 3.4 Παράμετρος σκέδασης S12 (απομόνωση) του FET.

Σχήμα 3.5: Παράμετρος σκέδασης S21 (κέρδος ισχύος) του FET.

Σχήμα 3.6 Παράμετρος σκέδασης S22 (απώλειες επιστροφής στη θύρα εξόδου) του FET.

ΕΥΡΕΣΗ ΚΑΤΑΛΛΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗΝ ΟΠΟΙΑ Ο ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΖΕΙ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ Πίνακας 3.2 Τιμές S-παραμέτρων που μελετήθηκαν για την ευστάθεια, σε διάφορες συχνότητες. Συχνότητα (GHz) S(1,1) S(1,2) S(2,1) S(2,2) 3 0,784 / -89o 0,097 / 34 o 3,179 / 101 o 0,638 / -52 o 4 0,695 / -118 o 0.114 / 20 o 2,873 / 78 o 0,574 / -67 o 5 0,620 / -145 o 0,121 / 8 o 2,595 / 57 o 0,517 / -82 o 6 0,571 / -172 o 0,124 / -3 o 2,329 / 37 o 0,472 / -98 o 7 0,545 / 196 o 0,124 / -11 o 2,099 / 19 o 0,440 / -113 o Πίνακας 3.3 Τιμές παραμέτρων Δ , Κ , ΓS , ΓL , σε διάφορες συχνότητες. Συχνότητα (GHz) |Δ| Κ ΓS ΓL Κατάσταση 3 0,560 0,472 1 / 141ο Ασταθής 4 0,456 0,602 0.959 / 161,8ο 1 / 139,2ο 5 0,016 0,755 1 / 184,16ο 1 / 134,11ο 6 0,262 0,9004 1 / -161ο 1 / 133ο 7 0,180 1,041 0,867 / -154,7ο 0,837 / 125,9ο Ευσταθής

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΓS ΚΑΙ ΓL ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΤΩΝ 7 GHZ ΚΑΙ ΕΥΡΕΣΗ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΚΕΡΔΟΥΣ GTMAX Οι συντελεστές ανάκλασης πηγής και φορτίου του ενισχυτή (ΓS και ΓL αντίστοιχα) του σχήματος 2.8, υπολογίζονται από τις εξισώσεις (2.43), (2.44), χρησιμοποιώντας τις τιμές των παραμέτρων σκέδασης του Πίνακα 3.2 για συχνότητα 7 GHz. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στον Πίνακα 3.2 στην συγκεκριμένη και σε άλλες συχνότητες. Αναλυτικά για την συχνότητα των 7 GHz:

Δίθυρο δίκτυο με σύνθετες αντιστάσεις πηγής και φορτίου. ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΚΑΙ ΕΞΟΔΟΥ ΤΟΥ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΤΩΝ 7 GHZ Τα κυκλώματα προσαρμογής (σχήμα 3.7), καθορίζονται εύκολα με την βοήθεια του χάρτη Smith. Δίθυρο δίκτυο με σύνθετες αντιστάσεις πηγής και φορτίου.   Για το κύκλωμα προσαρμογής της εισόδου, σχεδιάζεται αρχικά το Γs στον χάρτη Smith (σχήμα 3.8). Η σύνθετη αντίσταση, Ζs που αντιστοιχεί σε αυτόν τον συντελεστή ανάκλασης, είναι η σύνθετη αντίσταση που «βλέπει» κανείς κοιτάζοντας μέσα στο κύκλωμα προσαρμογής προς το μέρος της σύνθετης αντίστασης, Zo της πηγής. Επομένως, το κύκλωμα προσαρμογής εισόδου πρέπει να μετασχηματίσει το Zo στην σύνθετη αντίσταση Zs. Στην προκειμένη περίπτωση χρησιμοποιούμε την μέθοδο με παράλληλο στέλεχος (stub) ανοιχτού κυκλώματος, ακολουθούμενο από ένα τμήμα γραμμής. Οπότε για την προσαρμογή της εισόδου έχουμε:

Tο κύκλωμα προσαρμογής εξόδου πρέπει να μετασχηματίσει την Zο στην ΖL. Από τον χάρτη Smith (σχήμα 3.8), προκύπτει το μήκος του στελέχους ανοιχτού κυκλώματος (0,205 λ) και το μήκος της εν σειρά γραμμής (0,008 λ), για την είσοδο. Για το κύκλωμα προσαρμογής της εξόδου, σχεδιάζεται αρχικά το ΓL στον χάρτη Smith (σχήμα 3.8): Tο κύκλωμα προσαρμογής εξόδου πρέπει να μετασχηματίσει την Zο στην ΖL. Από τον χάρτη Smith (σχήμα 3.8), προκύπτει το μήκος του στελέχους ανοιχτού κυκλώματος (0,200 λ) και το μήκος της εν σειρά γραμμής (0,123 λ), για την έξοδο.

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΜΕ ΙΔΑΝΙΚΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ Μετά των καθορισμό των κυκλωμάτων προσαρμογής εισόδου και εξόδου του ενισχυτή, αρχικά η διάταξη προσομοιώνεται με ιδανικές (χωρίς απώλειες) γραμμές μεταφοράς (σχήμα 3.9), ενώ οι παράμετροι σκέδασης παρουσιάζονται στα σχήματα 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14. Τα ηλεκτρικά μήκη των γραμμών υπολογίζονται ως εξής: TL(1): Ε=0,205 * 360= 73,8o TL(2): E=0.008 * 360= 2,88o TL(3): E=0.123 * 360 = 44,28o TL(4): E=0.200 * 360 = 72o

Διάταξη ενισχυτή με ιδανικές γραμμές (TLIN), στην συχνότητα των 7 GHz.  

Παράμετρος σκέδασης S11 (απώλειες επιστροφής στη θύρα εισόδου) του ενισχυτή

Παράμετρος σκέδασης S12 (απομόνωση) του ενισχυτή

Παράμετρος σκέδασης S22 (απώλειες επιστροφής στη θύρα εξόδου) του ενισχυτή

Παράμετρος σκέδασης S21 (κέρδος ισχύος) του ενισχυτή.  

Απεικόνιση των S-παραμέτρων του ενισχυτή στον χάρτη Smith.

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΜΕ ΜΙΚΡΟΤΑΙΝΙΑΚΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ Στη συνέχεια οι ιδανικές γραμμές αντικαθίστανται από μικροταινιακές γραμμές (Παράρτημα ΙΙ), οι οποίες χαρακτηρίζονται από διηλεκτρικό υπόστρωμα, με τις ακόλουθες παραμέτρους: • Μαγνητική διαπερατότητα: Mur = 1 • Πάχος υποστρώματος: Η = 1,575 mm • Πάχος μεταλλικού αγωγού: T = 0,17 mm • Αγωγιμότητα μετάλλου (χαλκού): Cond = 5,813 ∙ 107 Siemens/m • Απώλειες διηλεκτρικού: Tand = 0,0009 • Λειότητα μετάλλου (χαλκού) = 0 Οι φυσικές διαστάσεις των μικροταινιακών γραμμών, μπορούν να υπολογιστούν με βάση τις εξισώσεις του Παραρτήματος ΙΙ, οι οποίες υλοποιούνται στο υποπρόγραμμα LineCalc του λογισμικού ADS. Εισάγοντας ως δεδομένα την τιμή της χαρακτηριστικής αντίστασης κάθε γραμμής, το ηλεκτρικό της μήκος και την συχνότητα λετουργίας (f = 7 GHz), υπολογίζονται οι φυσικές διαστάσεις της κάθε γραμμής (πλάτος και μήκος). Έτσι προκύπτει η διάταξη του σχήματος 3.15. Οι παράμετροι σκέδασης της διάταξης αυτής παρουσιάζονται στα σχήματα 3.16, 3.17, 3.18, 3.19, 3.20.

Σχήμα 3.15 Κύκλωμα ενισχυτή με μικροταινιακές γραμμές (MLIN).

Σχήμα 3.16 Παράμετρος σκέδασης S11 (απώλειες επιστροφής στη θύρα εισόδου) του ενισχυτή.

Σχήμα 3.17 Παράμετρος σκέδασης S12 (απομόνωση) του ενισχυτή FET.

Σχήμα 3.18 Παράμετρος σκέδασης S21 (κέρδος ισχύος) του ενισχυτή.

Σχήμα 3.19 Παράμετρος σκέδασης S22 (απώλειες επιστροφής στη θύρα εξόδου) του ενισχυτή.

Σχήμα 3.20 Απεικόνιση των S-παραμέτρων του ενισχυτή στον χάρτη Smith.

Μικροταινιακές γραμμές Από τα παραπάνω διαγράμματα προκύπτει ότι ο ενισχυτής που σχεδιάστηκε με μικροταινιακές γραμμές, έχει παρόμοια συμπεριφορά με τον αντίστοιχο με ιδανικές γραμμές. Στον ακόλουθο Πίνακα παρουσιάζεται η σύγκριση των τιμών των παραμέτρων σκέδασης.   S(1,1) S(1,2) S(2,1) S(2,2) Ιδανικές γραμμές -19,46 dB -13,58 dB 10,99 dB -19,8 dB Μικροταινιακές γραμμές -19,37 dB -13,71 dB 10,87 dB -18,85 dB θεωρητικό κέρδος: 11,042 dB Πίνακας 3.4 Τιμές S-παραμέτρων για ενισχυτή με ιδανικές και με μικροταινιακές γραμμές, στη συχνότητα των 7 GHz.

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ (LAYOUT)

Σχήμα 3.20 Δισδιάστατη διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του ενισχυτή.

Σχήμα 3.21 Τρισδιάστατη διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του ενισχυτή.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σκοπός της πτυχιακής αυτής εργασίας ήταν η σχεδίαση και υλοποίηση ενός ενισχυτή υψηλών συχνοτήτων για μέγιστο κέρδος. Για τον σκοπό αυτόν χρησιμοποιήθηκε το τρανζίστορ FET GaAs NE 76184A και μελετήθηκε τόσο θεωρητικά όσο και μέσω προσομοίωσης με χρήση του προγράμματος ADS. Για την πόλωση το κυκλώματος επιλέχθηκε τάση Vds=3V, ρεύμα Ids=10mA και χαρακτηριστική αντίσταση γραμμών Z=50 Ω, ενώ μέσω του προγράμματος ADS για εύρος συχνοτήτων 1-10 GHz υπολογίστηκαν οι S παράμετροι του FET. Μελετήθηκαν σε θεωρητικό επίπεδο μέσω μαθηματικών τύπων οι συχνότητες για την ευστάθεια του συγκεκριμένου τρανζίστορ και βρέθηκε ότι στη συχνότητα των 7 GHz το FET παρουσίασε πλήρη ευστάθεια οπότε και ο ενισχυτής σχεδιάστηκε να λειτουργεί στη συχνότητα των 7 GHz. Θεωρητικά με τη χρήση μαθηματικών τύπων το συνολικό κέρδος βρέθηκε ίσο με 11,0417 dB. Για τη σχεδίαση του κυκλώματος του ενισχυτή στην συχνότητα ευστάθειας, χρησιμοποιήθηκαν κυκλώματα προσαρμογής της εισόδου και της εξόδου, τα οποία καθορίστηκαν με χρήση του χάρτη Smith. Η προσομοίωση του ενισχυτή με ιδανικές γραμμές, έδειξε συνολικό κέρδος ίσο με 10,989 dΒ. Στην τελική σχεδίαση με μικροταινιακές γραμμές, το συνολικό κέρδος βρέθηκε ίσο με 10,866 dB, δηλαδή πολύ κοντά στη θεωρητική προσέγγιση. Τέλος σχεδιάστηκε μέσω του προγράμματος ADS, η διάταξη φυσικής τοποθέτησης .