СВЧ транзисторные генераторы находят широкое применение в современной радиоэлектронной технике, что подтверждается выходом в 2007 году фундаментальной монографии [1]. Они используются как в аппаратуре в качестве: источникаСВЧ энергии фиксированной частоты, так и в аппаратуре, в которой осуществляется перестройка генерируемой частотыв определенном диапазоне. В таких генераторах применяются и биполярные и полевые транзисторы.
Впрактике разработки транзисторных генераторов обычно используется моделирование. Это обусловлено темчто изготовлению экспериментальных образцов предшествует этап схемотехнического проектирования, на которомс использованием' математических моделей проводится анализ возможных вариантов конструкции ш выбирается вариант, подлежащий реализации. В" результате сокращаются материальные затраты на разработку и сроки ее проведения;
Сначаларазрабатывались транзисторные генераторы для низкочастотного и высокочастотного диапазонов, в обеспечение чего создавались математи-кие модели [2−6]- Такие генераторы строятся по трехточечной схеме, т. е при использовании внешней обратной связи, когда сигнал с выхода транзистора на его вход передается в обход прибора, а их схемы состоят из элементовс сосредоточенными параметрами.
Пассивные элементы электрических цепей СВЧ транзисторных генераторов, как правило, выполняются на отрезках микрополосковой линии (МПЛ), которые формируют топологию устройства. При построении этих генераторов можно использовать не только внешнюю обратную связь, но и внутреннюю, когда часть выходной мощности транзистора на его вход поступает после прохожденшгчерез сам прибор [1].
В составе генератора транзисторы работают в нелинейном режиме. Поэтому наиболее полное описание работы генератора может дать только нелинейные модели прибора. В настоящее время имеется целая иерархия нелинейных математических моделей транзисторов [5], что позволяет использовать одну из них для решения конкретной задачи. Однако применение-моделей, созданных для генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов, не всегда может дать должный эффект при моделировании СВЧ транзисторных генераторов. Для таких генераторов следует использовать модели, учитывающие специфику СВЧ диапазона.
Конструкция СВЧ транзисторных генераторов с внутренней обратной связью много проще, чем у генераторов с внешней обратной связью. Кроме того, электрическая длина внутренней обратной связи меньше длины внешней обратной связи. Последнее определяет целесообразность построения СВЧ транзисторных генераторов с перестройкой частоты с использованием внутренней обратной связи. Всем этим можно объяснить, что в настоящее время именно СВЧ генераторам с внутренней обратной связью уделяется основное внимание [7−12]. Однако для повышения эффективности применения моделирования при проектировании СВЧ генераторов, в том числе с перестройкой частоты, требуется проведение дальнейших работ по моделированию СВЧ транзисторных генераторов с внутренней обратной связью в следующих направлениях.
До последнего времени при моделировании СВЧ транзисторных генераторов определялись лишь значения параметров электрического режима работьъ транзистора и параметров электрических цепей, при которых достигаются требуемые выходные параметры устройства. Такой режим принято называть номинальным. Однако при серийном производстве и эксплуатации номинальный режим и условия его обеспечения не всегда могут быть выдержаны вследствие, например, погрешности при измерении величины напряжения источников постоянного питания или изменения параметров нагрузки. Поэтому на этапе проектирования необходимо проводить оценку работоспособности генератора и степени изменения его выходных параметров в режимах, отличающихся от номинального, что требует решения задачи анализа работы устройства при изменении параметров, определяющих его электрический режим. Решение такой задачи, которая ранее не рассматривалась, базируется на моделировании его электрических характеристик генератора.
При разработке СВЧ генераторов с перестройкой частоты, как правило, используется линейная модель транзистора, с помощью которой вырабаты-ются требования, предъявляемые к колебательной системе, обеспечивающие частотную перестройку [13−16]. Такой подход не позволяет определить уровень выходной мощности и характер ее изменения в диапазоне перестройки, а также прогнозировать возможные срывы работы генератора внутри этого диапазона. Следовательно, для наиболее полного отражения работы СВЧ генератора с перестройкой частоты и определения его электрических характеристик необходимо моделирование, использующее нелинейную модель транзистора, применяемого в устройстве.
Таким образом, продолжение работ по моделированию СВЧ транзисторных генераторов с внутренней обратной связью, обеспечивающему проведение анализа их электрических характеристик, является актуальным.
Целью настоящей диссертации является создания методик и алгоритмов моделирования электрических характеристик СВЧ генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, предназначенных для работы как на фиксированной частоте, так с перестройкой частоты.
В работе решаются следующие задачи.
1. Определение принципов моделирования электрических характеристик СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью.
2. Разработка методик и алгоритмов моделирования электрических характеристик СВЧ генератора в внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, позволяющего проводить анализ работы этого устройства при изменении питающего напряжения и параметров нагрузки.
3. Нахождение условий, ограничивающих работу СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью при изменении параметров нагрузки на его выходе.
4. Создание методики и алгоритма моделирования СВЧ транзисторного генератора с перестройкой частоты на базе нелинейной модели транзистора, обеспечивающего определение величины выходной мощностии ее изменение пришерестройке частоты.
5: Экспериментальная проверка результатов моделирования.
При решении этих задач получен ряд новых результатов, из которых следует отметить.
1. Построена модель СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, обеспечивающая проведение расчета и анализа" его выходных параметров при изменении параметров электрического режима.
2. Разработаны методики и алгоритмы расчета электрических характеристик, СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, позволяющие определить зависимости выходных параметров, в том числе генерируемой частоты, от величин параметров элементов цепи постоянного тока и нагрузки. на выходе устройства.
3. Показано, что при увеличении модуля коэффициента отражения’нагруз-ки на выходе СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью увеличивается (интервал изменения генерируемой частоты при изменении фазы этого коэффициента, а увеличение добротности колебательной системы сопровождается уменьшением интервала изменения частоты при изменении как питающего напряжения, так и фазы, коэффициента отражения нагрузки (при фиксированном значении модуля этого коэффициента).
4. Разработаны методика и алгоритм моделирования СВЧ генератора с перестройкой частоты на биполярном транзисторе, позволяющего определять границы диапазона перестройки, а также уровень выходной мощности и ее изменение при перестройке частоты.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методов моделирования и расчетов, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, экспериментальным подтверждением результатов проведенного моделирования.
На защиту выносятся следующие положение и результаты:
1. Методики и алгоритмы моделирования, электрических характеристик СВЧгенератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, обеспечивающие проведение анализа его работы при изменении параметров элементов цепей постоянного тока и нагрузки на его выходе.
2. Методика решения" задачи расчета выходных параметров СВЧ" транзисторного генератора с внутренней обратной связью^ в которой определяемым является один из параметров электрического режима устройства (например, напряжение источника постоянного питания или проводимость нагрузки на выходе устройства), а задаваемым — генерируемая частота.
3. Результаты анализа зависимостей выходных параметров СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от величин питающих напряжений и параметров нагрузки на выходе устройства.
4. Алгоритм расчета электрических характеристик СВЧ генератора1 на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты, позволяющий прогнозировать ширину диапазоне перестройки, выработать требования, предъявляемые к колебательной системе и цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается этот диапазон перестройки частоты, а также определить уровень выходной мощности и ее изменение при перестройке частоты.
Практическую значимость имеют: — разработанные алгоритмы расчета зависимости величин выходных параметров СВЧ генераторах внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от напряжений источников постоянного питания, который необходимо проводить на этапе схемотехнического проектирования для оценки работоспособности таких устройств при напряжениях этих источников, отличающихся от номинальных;
— результаты анализа зависимости выходных параметров СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от параметров цепи на его выходе, позволяющие выработать требования, предъявляемые к выходной ферритовой развязке, используемой в этом устройстве.
— разработанная методика расчета электрических характеристик СВЧ генератора с перестройкой частоты на биполярном транзисторе, позволяющая определять ширину диапазона перестройки и величину выходной мощности, которая может быть использована при проектировании таких устройств.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов 2008 и 2010 гг. и Новосибирск 2010 г.) и научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства, технология и материалы» (Саратов 2009 г.) По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
4:3. Выводы.
1. Рассмотрены особенности конструкции экспериментального макета СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе 2Т948Б, используемого для проведения оценки применимости предложенных методов и алгоритмов моделирования к расчету электрических характеристик таких устройств. Дается описание испытательного стенда, на котором проводились измерения выходных параметров экспериментального макета генератора, и методики их измерений.
2. Описана схема постоянного питания экспериментального макета генератора, при которой к эмиттеру и коллектору транзистора, включенного по схеме с общей базой, напряжение подводится от одного источника. Эта схема позволяет осуществить проверку соответствия результатов моделирования, полученных в параграфе 2.3.
3. Проведено сравнение результатов моделирования и эксперимента. Поскольку экспериментальные данные получены на генераторе, построенном на другом типе биполярного транзистора, нежели используемого при расчете, сравнение проводится при нормировании расчетных и экспериментальных значений параметров к значениям соответствующих параметров в номинальномрежиме каждого из генераторов. Такое сравнение позволяет говорить о качественном соответствии расчетных и экспериментальных данных.
4. Показано, что результаты моделирования правильно передают ход экспериментальных зависимостей изменения генерируемой частоты, выходной мощности генератора и постоянного эмиттерного тока транзистора от питаю-щеего напряжения. Это позволяет рекомендовать использование предлагаемых методов и алгоритмов моделирования электрических характеристик СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе для решения задач анализа работы таких устройств при их проектировании.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Обоснована необходимость моделирования электрических характеристик СВЧ транзисторного генератора. Такое моделирование должно проводиться при схемотехническом проектировании генератора с целью оценки его работоспособности в режимах, отличающихся от номинального, что имеет место в условиях серийного производства и эксплуатации:
2: Выработаны принципы моделирования СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью, позволяющие проводить расчет и анализ. его-электрических характеристик. В их основу положено эквивалентное представление генератора в виде параллельно включенных активного и пассивного двухполюсников. Для учета изменения генерируемой частоты при изменении электрического1 режима работы генератора в систему уравнений вводятся соотношения, отражающие частотные свойства колебательной системы и зависимость проводимости цепи на выходе транзистора от параметров нагрузки на выходе генератора.
3'. Выбран в качестве объекта моделирования СВЧ генератор с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем1, в недонапря-женном режиме с отсечкой тока. Моделирование проводится с использованиемкусочно-квазилинейной модели биполярного транзистора, отражающей основные нелинейные его свойства при работе в таком режиме.
4. Разработан алгоритм моделирования электрических характеристик СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, построенный на базе методики последовательных приближений. В качестве исходных данных предложено использовать значения параметров в номинальном режиме, что существенно сокращает число вариантов при поиске режимов, в которых генератор работоспособен, и обеспечивает быструю сходимость результатов расчета.
5. Проведен анализ зависимости генерируемой частоты, выходной мощности СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе и постоянного эмиттерного тока этого прибора, работающего в его составе, от напряжения, подаваемого к его коллектору и эмиттеру от одного источника. Определена величина электронного смещения частоты. Показано, что значение этого параметра уменьшается при увеличении добротности колебательной системы, в то время как величины выходной мощности генератора и постоянного эмиттерного тока транзистора практически не зависят от ее добротности.
6. Предложен и реализован подход к моделированию электрических характеристик СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью, согласно" которому определяемым является один из параметров электрического режима устройства (например, напряжение источников постоянного питания или проводимость нагрузки), а задаваемым параметром — генерируемая частота. Он оказался весьма эффективным при анализе работы СВЧ генератора при изменении параметров нагрузки на его выходе.
7. Разработан алгоритм моделирования зависимости значений выходной мощности и генерируемой частоты от модуля коэффициента’отражения нагрузки при заданной топологии выходного трансформатора связи. Показано, что от его топологии зависит величина модуля коэффициента отражения на выходе генератора, меньше которого не всегда возможна работа устройства, а при увеличении модуля коэффициента отражения увеличивается интервал изменения генерируемой частот при изменении фазы этого коэффициента. Также показано, что этот интервал изменения генерируемой частоты уменьшается при увеличении добротности колебательной системы.
8. Разработана методика моделирования электрических характеристик СВЧ генератора на биполярном транзисторе с перестройкой частоты на базе нелинейной модели этого прибора. Такое моделирование позволяет, кроме диапазона перестройки частоты, а также частотных зависимостей проводимости колебательной системы и проводимости цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается перестройка частоты в этом диапазоне, определить частотные зависимости выходной мощности и постоянного эмиттерного тока транзистора в диапазоне перестройки. Особенностью методики является то, что на первых этапах определяются структура и значения параметров элементов колебательной системы, что позволяет провести оценку возможности ее практической реализации.
9. Предложен и реализован алгоритм моделирования электрических характеристик СВЧ генератора на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты, с использованием которого можно прогнозировать зависимость генерируемой частоты от напряжения, подводимого к варактору. Алгоритм предполагает использование задаваемого соответствия между величинами емкости варактора и частоты, которое, как показано, может корректироваться в процессе моделирования, в частности, с целью увеличения диапазона перестройки.
10. Представлены результаты измерений экспериментального образца СВЧ генератора с внутренней обратной связью, в котором используется биполярный транзистор. Получены экспериментальные зависимости генерируемой частоты, выходной мощности, а также постоянного эмиттерного тока транзистора от напряжения источника постоянного питания. Проведенное сравнение показало, что зависимости этих параметров от подводимого напряжения, полученные в результате моделирования, находятся в соответствии с экспериментальными данными.