2. Thiết kế mạch khuếch đại công suất trong kỹ thuật siêu cao tần
2.4. Thiết kế bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng ma trận tán xạ [S]
Ở các tần số microwave, không thể đo trở kháng và dẫn nạp của transistor một cách trực tiếp. Trong khi đó, có thể đo được ma trận tán xạ của nó. Vì vậy, phương pháp thiết kế sử dụng ma trận tán xạ luôn được sử dụng rộng rãi. Các tham số Sij của transistor đo được bằng cách chèn transistor vào một mạch test với các đường truyền 50, đặt đúng thiên áp cần hoạt động và đo các tham số Sij dùng máy phân tích mạng.
Việc thiết kế một bộ khuếch đại cao tần thường theo những mục đích sau:
- Hệ số khuếch đại công suất cực đại
- Tầng đầu tiên có noise figure nhỏ. Điều này yêu cầu trở kháng nguồn
s
z cụ thể. Giá trị zstối ưu cho noise figure thấp nhất được cho bởi các nhà sản xuất transistor.
- Hệ số khuếch đại ổn định, nghĩa là không có dao động.
- Hệ số khuếch đại thích hợp và đồng đều trên một khoảng băng tần nhất định.
- Đáp ứng pha là hàm tuyến tính theo w (không méo, chỉ có trễ nhóm) - Không nhạy với những thay đổi nhỏ của các tham số Sij.
Tất cả các mục tiêu trên không phải yêu cầu cùng một lúc. Trong khi thiết kế, có thể có yêu cầu này chống lại yêu cầu kia, ví dụ: hy sinh hệ số khuếch đại để đổi lấy độ ổn định.
Để thiết kế các bộ khuếch đại hệ số khuếch đại công suất lớn, tạp âm thấp, cần phải sử dụng đến các khái niệm vòng tròn ổn định, vòng tròn hằng số hệ số khuếch đại công suất, vòng tròn hằng số mất phối hợp trở kháng và vòng tròn hằng số noise figure được biểu diễn trên đồ thị Smith.
Tất cả các mạch khuếch đại tần số thấp khác như khuếch đại đẩy kéo cân bằng (balanced push-pull amplifier), khuếch đại chồng tầng (cascode amplifiers) và khuếch đại sóng chạy (traveling-wave amplifier) cũng được sử dụng ở tần số microwave.
Một transistor không ổn định có thể được ổn định bằng cách đặt một điện trở ở lối vào, lối ra hoặc cả hai nhằm giảm hệ số khuếch đại công suất và tăng noise figure. Độ ổn định cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phản hồi âm.
Trong thiết kế các bộ khuếch đại công suất lớn, cần phải xét đến đặc trưng phi tuyến, phải chú ý hơn tới sự tiêu tán công suất của transistor và việc thiết kế đầy đủ tản nhiệt. Một bộ khuếch đại công suất lớn, để đạt được độ ổn định cần phải đặt một tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ đầu tiên. Do đó, phương pháp thiết kế mạng 2 cổng tuyến tính cũng rất cần thiết trong phần khuếch đại tín hiệu lớn.