Транзисторный автогенератор в гибридном исполнении

Автогенераторы (АГ) — ключевые компоненты в любых радиотехнических системах. В радиопередающих устройствах СВЧ автогенераторы часто применяются в качестве каскадов, задающих частоту колебаний. Главное требование для таких АГ — стабильность.

Важную функцию гетеродинов в радиоприемных и радиопередающих устройствах выполняют АГ, обеспечивая преобразование сигнала как с повышением, так и с понижением частоты. Другие области применения — это модуляторы для управления параметрами колебания, а также генераторы, управляемые напряжением (ГУН), в системах ФАПЧ. Одни из наиболее широко используемых активных элементов твердотельных СВЧ генераторов — биполярные и полевые транзисторы.

В качестве базовых структур транзисторного СВЧ автогенератора часто рассматриваются схемы с так называемой «параллельной обратной связью» (рис. 3.17, а) или с «последовательной обратной связью» (рис. 3.17, б) [14J. Для разработки АГ в микрополосковом исполнении обычно удобнее использовать схемы с последовательной обратной связью.

На рис. 3.17 представлены эквивалентные схемы транзисторного АГ с нагрузкой в коллекторной цепи. На схемах Z_|(Z₂, Z₃ (У, Y_v X,) — реактивности, необходимые для обеспечения условий генерации, Z_H и Х_н — соответственно, сопротивление и проводимость нагрузки.

Для моделирования автогенератора необходима нелинейная модель транзистора, которую можно загрузить с сайта фирмы производителя [10—12]. Для импортирования модели в проект MWO следует нажать правой клавишей мыши на категорию Circuit Schematic во вкладке Projects и выбрать опцию Import Netlist. После загрузки модели транзистора в проект MWO выводы соответствующей подсхемы будут пронумерованы: 1 — коллектор, 2 — база, 3 — эмиттер.

Рис. 3.17.

Рис. 3.18.

Моделирование активного элемента автогенератора в линейном режиме. На первом этапе необходимо провести анализ активного элемента АГ в линейном режиме. Для оценки возможности выбора исходной структуры построения автогенератора следует сравнить различные варианты включения транзистора (рис. 3.18). Для этого целесообразно на диаграмме Смита исследовать окружности устойчивости на входной (порт 1) и выходной (порт 2) плоскостях активных четырехполюсников, отличающихся вариантами включения транзистора: с общими эмиттером (ОЭ, рис. 3.18, а), базой (ОБ, рис. 3.18, б) и коллектором (ОК, рис. 3.18, в). Измерения SCIR1 и SCIR2 размещаются в разделе Measurement Туре -*? LinearCircle-SCIRl, 2.

Эти характеристики позволяют на диаграмме Смита найти области сопротивлений, подключение которых к входному и выходному портам сделает рассматриваемую схему (см. рис. 3.18).

Рис. 3.19.

потенциально неустойчивой, т. е. способной выступать в качестве автогенератора.

Следует иметь в виду, что на рис. 3.18 символом биполярного транзистора обозначена шестиполюсная подсхема (SUBCKT), включающая в себя нелинейную модель транзистора вместе с источниками питания, обеспечивающими требуемый режим по постоянному току (рис. 3.19).

На основании сравнительного исследования окружностей устойчивостей следует выбрать две базовые структуры для построения АГ в заданном частотном диапазоне.

Для нахождения значений параметров схемы, обеспечивающих условия генерации, целесообразно провести исследование входного импеданса транзисторного активного элемента (АЭ) в линейном режиме. На рис. 3.20 приведены примеры таких схем, предназначенных для моделирования иммитансных характеристик АЭ со стороны его коллекторного (рис. 3.20, а) и эмиттерного (рис. 3.20, б) выводов.

Исследуя в линейном режиме влияние на входной импеданс активного элемента Z_A (см. рис. 3.20, а) и входной адмиттанс АЭ Г_А (см. рис. 3.20, б) параметров его схемы, целесообразно обеспечивать на искомой частоте/₀ выполнение следующих условий возникновения автоколебаний:

для схемы с нагрузкой в коллекторе (см. рис. 3.18, а, б 3.20, а):

для схемы с нагрузкой в эмиттере (см. рис. 3.18, в 3.20, б):

где Z_A — полное сопротивление АЭ со стороны коллекторного порта (см. рис. 3.20, a), Y_A — полная проводимость АЭ со стороны эмиттерного порта (см. рис. 3.20, б).

Выполнение условия (3.2) для частоты^ = 5 ГГц иллюстрирует график на рис. 3.21.

В процессе настройки схемы активного двухполюсника (см. рис. 3.20) при реализации условий (3.2), (3.3) следует стремиться обеспечить максимальные по модулю значения отрицательной активной проводимости Re (K_A) (сопротивления Re (Z_A)).

Рис. 3.20.

Рис. 3.21.

В качестве варьируемых реактивностей, подключаемых к выводам транзистора, на первом этапе целесообразно использовать идеальные элементы с сосредоточенными параметрами (катушки индуктивности и конденсаторы).