Автоматизированное проектирование и разработка транзисторных широкополосных СВЧ усилителей

Широкополосные усилители (ШУ) являются составной частью радиотехнических систем (РТС) передачи, извлечения и разрушения информации, а также комбинированных PTC * Такие качественные показатели РТС, как точность и дальность действия, пропускная и разрешающая способности, помехоустойчивость, электромагнитная совместимость (ЭМС), надежность, стоимость, масса и габариты и др., в значительной степени определяются характеристиками входящих в их состав широкополосных усилительных трактов. Прогресс в разработке ШУ способствует совершенствованию параметров устройств вычисли" тельной и измерительной техники, экспериментальной физики, опто-и акус то электронных систем и т. д. В этой связи создание ШУ, удов"* летворяющих комплексу необходимых требований для использования в радиоэлектронных системах различного назначения, является важной научно-технической задачей.

Повышение быстродействия, разрешающей способности и других качественных характеристик РТС выдвигает задачу разработки ШУ, работающих в СВЧ диапазоне (СВЧ ШУ), а требование малых нелинейных искажений сигнала, определяющее помехоустойчивость и ЭМС РТС, при широких полосах пропускания может быть реализовано только в линейных ШУ. Жесткиетребования преъявляются к таким характеристикам СВЧ ШУ, как рабочий диапазон частот (от постоянного тока до единиц и десятков гигагерц), равномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), степень согласования с трактом передачи сигнала, выходная мощность, коэффициент шума, уровень нелинейных искажений, динамический диапазон и др. Анализ, проведенный в ряде работ [J, 4 и др.], показывает, что в настоящее время среди известных типов СВЧ ШУ малой и средней мощности преимуществами по комплексу технико-экономических показателей вплоть до частот миллиметрового диапазона волн обладают транзисторные СВЧ ШУ. Успехи полупроводниковой электроники в области создания СВЧ транзисторов приводят к непрерывному сдвигу этой частотной границы в сторону более высоких частот. Однако между разработками СВЧ транзисторов и СВЧ ШУ на их основе имеется определенный разрыв, связанный в ос" новном снедостаточным теоретическим обеспечением проектирования СВЧ ШУ. В настоящее время существует потребность, в создании многоцелевых унифицированных транзисторных СВЧ ШУ с высокими качественными показателями, работающих в различных частотных диапазонах и удовлетворяющих требованиям широкого круга потребителей. На акту" альность этой задачи указывают большое количество публикаций в отечественной и зарубежной периодической литературе, ограниченность номенклатуры серийно выпускаемых СВЧ ШУ, многочисленные заказы предприятий и организаций на изготовление усилителей. Значительное внимание в последнее время уделяется разработке сверхширокополос" ных (многооктавных) СВЧ усилителей (СШУ) 11 и др.], в том числе мощных [7,1С-/2], использование которых, с одной стороны, позволяет улучшить параметры и повысить функциональные возможности РТС, а с другой стороны, способствует решению проблемы унификации усилительной аппаратуры. СВЧ СШУ нашли применение, например, в панорамных радиоприемных и измерительных устройствах, широкодиапазонных радиопередающих устройствах, многоканальных системах телевизионной и радиосвязи, быстродействующих цифровых системах передачи данных, используются в качестве модуляторов аппаратуры лазерной связи, усилителей скоростных осциллографов и др.

Важнейшими проблемами при разработке транзисторных СВЧ ШУ являются максимальная реализация усилительных свойств транзисторов, расширение полосы пропускания ШУ, повышение выходной мощности, обеспечение устойчивости, уменьшение чувствительности характеристик к дестабилизирующим факторам. При этом ключевым вопросом проектирования является выбор структуры усилительной цепи, в рамках которой могут быть удовлетворены предъявляемые к 1У требованиярешение, принятое на этом этапе, во многом определяет достижимые качественные показатели ШУ, успех разработки в целом, а также затраты на проектирование и экспериментальную доводку усилителей. Проб" лема поиска рациональных структур усилительных каскадов и корректирующих цепей (Щ) приобретает особенно важное значение в зада" чах проектирования СВЧ СШУ, характеризующихся большим многообразием возможных схемных решений (структуры с различными двухполюсными и четырехполюсными цепями коррекции и ОС, каскодные схемы, заимствованные из техники низкочастотного усиления структуры и т. д.)* по" давляющая часть которых не исследована и не обеспечена соответствующими методиками расчета применительно к СВЧ диапазону. Последнее особенно касается мощных СШУ, разработка которых затрудняется низким, уровнем и высокой добротностью импедансов мощных транзисторовсведения по построению КЦ таких усилителей в литературе очень немногочисленны [7}/0-/г].

Совершенствование качественных характеристик СВЧ ШУ на этапе схемотехнического проектирования идет по двум основным направле" ниям. Первое направление связано с исследованием и применением но*" вых перспективных структурных схем СВЧ ШУ. В настоящее время ис" пользуется преимущественно каскадная схема построения СВЧ ШУ, при которой активный элемент (АЭ) и пассивные четырехполюсные корректирующие цепа (ЧКЦ) включены каскадно [ 5} 7} 9 — 15 и др.]. Однако такой структурной схеме присущи серьезные ограничения, в част" ности, невозможность полной реализации усилительных свойств АЭ, существование теоретического предела полосы пропускания ЧКЦ, невозможность существенного улучшения таких характеристик ШУ, как стабильность, чувствительность к изменению параметров элементов, уровень нелинейных искажений.

Известные общие положения теории активных цепей [16,17] л, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных советскими и зарубежными авторами [ ?,$, 8, 18−15 и др.], позволяют считать, что одним из перспективных направлений дальнейшего совершенствования транзисторных СВЧ ШУ является применение структур собратной связью (ОС). Тем не менее, общая теория и принципы проектирования СВЧ ШУ с ОС разработаны недостаточно. В частности, в известной литературе неполностью изучено влияние ОС на различные параметры СВЧ усилителей даже в качествен*-ном отношении-. отсутствует исследование с общих позиций основных свойств СВЧ усилительных структур с ОС, в том числе предельных усилительных свойств, возможности и достижимых пределов управле" ния с помощью ОС характеристиками согласования, устойчивости, чу" вствительностине исследована потенциальная (предельная) широко" полосность усилителей с ОСотсутствует единая методика расчета транзисторных усилителей с ОС, известные способы расчета {18,19, ограничиваются частными структурами усилителей с ОС.

Второе направление состоит в совершенствовании методов проектирования ШУ. В связи со сложностью моделей транзисторов и пассив" ных элементов в СВЧ диапазоне успешная разработка СВЧ 1У возможна лишь на базе применения аредств машинного проектирования. Наибольшее распространение в настоящее время получил подход к проектированию, основанный на оптимизации характеристик ШУ в пространстве параметров его элементов при заданной схеме ШУ (параметрический синтез) [ВД/"Г, Однако недостатки этого подхода, как принципиальные (невозможность генерации структуры Щ), так и обусловленные применением при оптимизации методов нелинейного программирования необходимость задания начального приближения, т. е. схемы ШУ и параметров элементов на основании опыта разработчика и предварительных расяетов, локальная оптимальность решений и зависимость их от выбора начального приближения, дефекты решений, большие затраты машинного времени), — часто ведут к неоптимальным решениям и увеличивают сроки проектирования.

Существенное улучшение качественных показателей СВЧ ШУ на стадии схемотехнического проектирования связано с решением задачи оптимального топологического синтеза этих устройств. Однако на современном этапе в связи с отсутствием соответствующих алгоритмов и ограниченными возможностями ЭЦВМ указанная задача в полном объеме решена быть не может. В этих условиях целесообразным является развитие методов частичного синтеза СВЧ ШУ, т. е. синтеза пассивных Щ (двухполюсных и четырехполюсных) при заданной структурной схеме ШУ, определяющей способ соединения АЭ и Щ, Поиск оптимальных структурных схем может быть осуществлен на базе метода косвенного топологического синтеза [ю], заключающегося в определении и сравнении оптимальных решений для некоторой группы исходных структур, однако реализация такого подхода требует создания эффективных быстродействующих алгоритмов частичного синтеза.

Среди известных подходов к частичному синтезу СВЧ ШУ [ 5> 29, 31−55] наиболее перспективным с точки зрения практического использования представляется подход, основанный на классической схеме синтеза и предполагающий сведение задачи проектирования в целом к ряду существенно более простых задач синтеза пассивных Щ. Синтез ШУ при этом осуществляется поэтапно «вначале в численном виде определяются параметры Щ (например, иммитансные), при которых удовлетворяются требования к характеристикам ШУ, затем выполняется синтез КЦ, включая этапы аппроксимации, и реализации. Хотя в общем видее идея классического подхода к синтезу активных цепей высказана давно (см*, например, [34]), применительно к высокочастотным усилителям такой подход в. полном и законченном виде не реализован^ в известней литературе встречаются лишь отдельные его элементы для наиболее простых структурных схем ШУ Г И, М]. Это объясняется, прежде всего, отсутствием эффективных способов аппроксимации заданных численно иммитансных характеристик с, учетом условий физической и схемной реализуемости пассивных цепей.

К перспективным направлениям отно-сится также совершенствование графических методов расчета СВЧ ШУ, возможности которых при реализации на ЭЦВМ превышают возможности численных способов анализа. Наглядность, доступность, и информативность [36], обусловившие широкое применение этих методов при исследовании и проектировании СВЧ усилителей с реактивными ЧКЦ [ ?7 -43 и др.] с ОС [19, 23, 26] в том числе в программах диалогового проектирования ШУ [ 36], не исчерпывают их достоинств. Графические методы, по своей сущности, особенно пригодны для решения задач компромисса, где требуется выделение областей допустимых значений (ОДЗ) параметров Щ посовокупности требований к характеристикам ШУ, они позволяют также эффективно решать достаточно сложные оптимизационные задачи, возникающие, в частности, при изучении предельных усилительных свойств активных цепей [42−4?]! аналитическое решение подобных задач сопряжено со^ значительными трудностями или вообще невозможно. К сожалению, существующие графические методы исследования СВЧ усилителей с, ОС [ 19, 23, 2б] разработаны лишь для наиболее простых структур усилительных цепей (с последовательной или параллельной двухполюсной ОС, без ЧКЦ), являются достаточно трудоемкими и мало пригодны для решения задач комплексного исследования СВЧ ШУ, синтеза цепей ОС. Для успешного применения графических методов к задачам частичного (втом числе автоматизированного) синтеза ШУ они должны быть развиты применительно к более сложным усилительным структурам, должны обеспечивать удобное одновременное исследование комплекса, параметров ШУ, а, также удовлетворять условию формализуемости.

Целью настоящей работы является: разработка методов графического исследования, алгоритмов частичного ш косвенного топологического синтеза транзисторных линейных СВЧ ШУтеоретическое и экспериментальное исследование, разработка многооктавных СВЧ ШУ, обеспечивающих близкий к предельно возможному коэффициент усиления и повышенный уровень выходной мощности в полосе частот, соизмеримой с граничной частотой используемых транзисторов.

Исследования в. работе ограничены частным, но распространенным классом линейных СВЧ ШУ с корректирующими двухполюсниками (КД) и реактивными: ЧНЦ, в: котором будут изучаться две разновидности усилителей: ШУ с КД и реактивными согласующими цепями (СЦ), включающие в себя ШУ с двухполюсными ОС, и ШУ каскадного типа с реактивными ЧКЦ Теоретический анализ касается, в основном, ШУ с одним КД, так как, во-первых, результаты этих исследований являются основой и во многом могут быть использованы при исследовании, и проектировании ШУ с несколькими КД, и, во-вторых, даже такие достаточно) простые структуры обладают высокими потенциальными возможностями для улучшения параметров СВЧ ШУ. В работе теоретически. изучается комплекс следующих характеристик ШУ: усиление, согласование, устойчивость, чувствительность. Эти параметры характеризуют как маломощные, так и мощные усилители, и могут рассматриваться как основные для класса линейных ШУ. При исследовании час В отличие от СЦ, реактивные ЧКЦ могут работать в режиме рассогласования с целью оптимизации характеристик ШУ. тотных характеристик мощных усилителей транзисторы полагаются линейными устройствами, — это справедливо для линейных ШУ, усилительные каскады которых работают в режиме класса, А и не заходят в область. существенных нелинейностей. Мощностные характеристики таких ШУ исследуются и оптимизируются экспериментальными методами.

Цель работы достигается решением следующих первоочередных задач;

— разработка эффективных графических методов исследования комплекса основных характеристик СВЧ ШУ, а КД и СЦ, — методик графического расчета таких усилителей;

— исследование предельных усилительных свойств ШУ с двухполюсными ОС и СЦ;

— создание эффективных алгоритмов синтеза КД и реактивных ЧЩ, исходя из требований к характеристикам ШУ, а также алгоритма косвенного топологического синтеза ШУ, реализация комплекса программ автоматизированного проектирования СВЧ ШУ с, КД и реактивными ЧКЦ;

— разработка и исследование многооктавных ШУ на биполярных транзисторах с повышенными характеристиками по комплексу параметров.

Научная новизна работы, по мнению автора, определяется следующим.

I. Разработаны эффективные графические способы исследования и расчета СВЧ усилителей произвольной структуры с КД (двухполюсными. ОС) и GELисследована совокупность основных свойств усилительных цепей этого класса, включая предельные усилительные свойства, достижимые пределы управления характеристиками согласования, устойчивости, чувствительностипоказана принципиальная возможность существенного улучшения комплекса характеристик узко полос ных и широкополосных СВЧ усилителей при построении их на базе структур с ОС.

2. Развита теория автоматизированного частичного синтеза для классов ШУ с КД, с КД и СЦ, с реактивными ЧКЦ по совокупности параметров с учетом условие физической и схемной реализуемости КЦ, включая графические способы и геометрические алгоритмы поиска оптимальных численных значений и. ОДЗ иммитанса КЦ, алгоритмы синтеза двухполюсных и реактивных четырехполюсных КЦ по заданный численно (графически) зависимостям и ОДЗ иммитансасформулированы алгоритмы косвенного топологического синтеза СВЧ ШУ с КД и оптимизации ШУ в смешанном пространстве иммитансных параметров и параметров элементов КЦ.

3. Исследованы предельные аппроксимационные возможности входных функций пассивных цепей, доказаны предельные аппроксимационные теоремы, предложены алгоритмы вычисления минимально достижимых уклонений от заданных входных или передаточных характеристик в. классе двухполюсных и реактивных четырехполюсных целей. Разработаны способы оценки разрешимости задач частичного синтеза, нахождения предельно реализуемых параметров ШУ в рабочей полосе частот в рамках выбранной структурной схемы.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

I. Разработанные методики проектирования позволяют определить наиболее, приемлемую структуру усилительнай цепи из числа заданных, найти структуру и элементы КЦ в соответствии с предъявляемыми к ШУ требованиями для выбранных (произвольных) типов АЭ, описываемых 5 -параметрами, оценить возможность реализации доставлении требований. Методики, разрешают для классов ШУ с КД, с КД и СЦ рассчитать КЦ по условию получения максимального (близкого к предельно возшжному) коэффициента усиления при заданной форме АЧХ и о граничениях на характеристики согласования, устойчивости, чувстви" тельности, а применительно к ШУ с реактивными ЧКЦ (всочетаний с известными графическими, методами выбора иммитанса. ЧЩ) «о существ вить также синтез ЧКЦ покрите риякь максимизации выходной мощности, минимизации! коэффициента шума ШУ.

2. ВазработаН). комплекс прикладных программ автоматизированногопроектирования СВЧ ШУ «ИШСНН» 1, применение которого позволяет автоматизировать решение задач, выбора структур ШУ, топологического. синтеза и расчета Щ на этапе схемотехнического проектирования и благодаря этому улучшить параметры и снизить затраты на разработку усилителей.

3. С учетом требований покомплексу характеристик определены наиболее приемлемые схемы усилительных каскадом СВЧ СШУ на, биполярных транзисторах мало. й, средней и. большой мощности, а также структуры КЦ, получены рекомендации по построению многокаскадных мощных СШУ. Еазработаны линейные сверхширолсоплоеные и. импульсные СВЧ усилители с повышенным уровнем выходного сигнала, не имеющие по. совокупности параметров аналогов среди отечественной аппаратуры.

Основные положения, представляемые к защите.

I. Учет свойств подобия функций? -параметров многополюсной цепа (Щ) о варьируемым двухполюсником. (ВД) и линейной связи их с коэффициентом отражения на зажимах подключения ВД существенно упрощает гра<|ическое исследование параметров рассеяния МЦ в зависимости от иммитанса. ВД, делает возможным одновременное исследование 5 -параметров и выражаемых через них основных характеристик МЦ с помощью единственной обобщенной диаграммы, облегчав ет формализацию и решение задач выбора иммитанса. КД пр! проектировании ШУ сКД и СЦ.

2. Решение, задач частичного синтеза и расчета СВЧ ШУ с КД и реактивными! ЧЩ, оценки принципиальной возможности выполненля поставленных требований в рамках выбранной структурной схемы ШУ, нахождения предельных параметров ШУ (например, предельного коэффициента усиления) в. заданной полосе частот при ограничениях на другие характеристики целесообразно проводить по классической схеме вз два этапа: а) поиск на дискретных точках частотного диапазона численных значений или ОДЗ иммитанса. КЦ, при которых удовлетворяются предъявляемые к ШУ требования и оптимизируются заданные его параметры, и вычисление соответствующих идеальных (одночастотных) предельных параметров ШУб) оценка разрешимости задач синтеза Щ, топологический синтез или расчет Щ по найденным зависимостям иммитанса.

Эффективным на первом этапе является применение графических методов и геометрических алгоритмов оптимизации на основе обобщенной диаграммы, обеспечивающих получение глобально-оптимальных решенийсоответствие найденных на этом этапе идеальных параметров ШУ предъявляемым требованиям является необходимым, но недостаточные условием, разрешимости задачи проектирования ШУ. На базе графических методов могут быть решены также задачи расчета простых КД ШУ.

Эффективное решение задач синтеза КД, СД и реактивных ЧЩ досте гается их линеаризацией на этапе аппроксимации и применением метода приближения иммитансных характеристик на основе построения аналитического продолжения (АЛ) с использованием алгоритмов линейного программирования. При этом возможно связать минимально достижимые (в классе пассивных цепей) уклонения от заданной иммитансной характеристики с предельно реализуемыми в полосе частот параметрами ШУ и, такими образом, найти последние, окончательно оценить разрешимость задачи синтеза ШУ.

3. Осуществление косвенного топологического синтеза (ШУ) на основе сравнения получаемых на первом этапе частичного синтеза предельных (идеальных) параметрв усилительных структур ведет к существенной экономии, машинного времена, так как задачи синт.еза. Щ решаются только для отобранных (лучших) структур. Во многих практических задачах проектирования ШУ оптимизацию на первом эта* не частичного синтеза целесообразно проводить в смешанном пространстве. параметров, задавая одни из Щ (синтезируемые) с точность®до структуры, а другие ^ с точность!) до параметров элементов. Та": кой подход, являющийся сочетанием! топологического и параметрического, методов синтеза, эффективен, так как позволяет в рамках разработанной теории синтеза ШУ сКД и СЦ, решать задачи проектирования ШУ более сложных структур, учесть, опыт разработчика.

4. Совместное применение в. СВЧ усилителях двухполюсных ОС и реактивных СЦ позволяет получить, существенный выигрыш (до 6.. * 10 дБ и более) в величине коэффициента усиления по сравнению с усилителями, каскадной структуры, использующими только, реактивные, или. диссилативные ЧКЦ, прш обеспечении! абсолютной устойчивости, согласования на входе и. выходе усилительных каскадов. Коэффициент усиления усилителя с двухполюсной ОС и СЦ. может превысить, величину ифункции используемого транзистора.

5. Для обеспечения максимального коэффициента усиления при удовлетворенна требований к равномерности АЧХ, согласованию, устойчивости^ простоте реализации маложщные каскады многооктавных трашзистораых усилителей следует выполнять, по схеме с общим эмиттером (ОЭ) с двухполюсной комбинированной (последовательной и параллельной) ОС, а мощные каскады — по. схеме с ОЭ с диссипативной ЧЩ на входе и реактивной ЧЩ на выходе, последняя схема удовлетворяет1 также условию, получения максимальном выходной мощности. С целью достижения компромисса между характеристиками усиления, согласования & выходной мощности^ многокаскадные мощные СШУ целесообразно строить, чередуя согласованные ш несогласованные по входу усилительные каскады с &-Э с диссипативной входной ж реактивной выходное ЧЩ.

В связи с тем, что настоящая работа является одним ез первых систематических исследований по, машинному топологическому синтезу СВЧ ШУ, — она. не претендует на охват всегокруга вопросов, относящихся к проектированию таких усилителей. В частности, в ней отсутствует теоретическое рассмотрение таких характеристик СВЧ ШУ с КД и. СЦ, как коэффициент шума, выходная мощность, уровень нелинейных искажений, динамический диапазон. Эта вопросы составляют предмет, отдельных исследований-, тем не менее, ряд полученных в диссертации результатов (и, в первую очередь, предложенные способы синтеза Щ) могут быть использованы и при. проектировании ШУ с учетом указанных характеристик.

Представленная работа является составной частью НИР по, разработке широкополосных и импульсных СВЧ усилителей, выполненных на. кафедре «Р&диоприемные & усилительные устройства» ТЬмского инс^ титута автаматизированных систем управления и радиоэлектроники шх постановлению правительства, и заказам различных предприятий страны в период 1971;1982 гг. Характеристика разработанных при непосредственном участии, автора усилителей ш документы, подтверждающие внедрениеусилителей и программ, приведены в Приложении.

Г9

I. СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ И МЕТОДЫ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ

В настоящей главе кратко рассматриваются свойства основных структурных схем транзисторных каскадных СВЧ ШУ, а также существующие методы проектирования таких усилителей. В заключение формулируются задачи работы.

результаты работы в свое* разработках и осуществляет да ль нейшве «научно-тегн^гескхв свяви с ТШ?2Р ———————————- у^ т. ЕСсастр^ггор СЯБ-12

Представители ТМАСУРа: jj^ j^fПредставители предпри^тия-^^^^^^^^^Д^д^

— -fe-.^C,.*

За метаете. Данный Шклвашяеи для предъявления финансовых претензий по выплате прений. «^

ЗАКЛЮЧЕНИЕ