Транзисторные генераторы СВЧ диапазона нашли широкое применение в радиоэлектронной технике. Они используются в качестве источников СВЧ энергии, одним из преимуществ которых является их работа при низких напряжениях, которая может осуществляться даже от аккумуляторных батарей [1]. СВЧ транзисторные генератора создаются также с целью перестройки частоты в полосе до одной октавы [2−4]. Эти устройства представляют собой схему, в состав которой, кроме активного элемента, каким является транзистор, входят пассивные элементы. Пассивные элементы, которые обычно выполняются на отрезках микрополосковой линии (МПЛ), входят в состав цепи обратной связи. Особое место в этой цепи занимает колебательная система, которая определяет генерируемую частоту.
При создании новых типов СВЧ транзисторных генераторов или модернизации ранее созданных перед конструкторско-технологической реализацией экспериментальных образцов решается комплекс схемотехнических задач, позволяющих конкретизировать состав генератора, в том числе выбрать тип используемого транзистора, а также определить параметры его электрического режима и пассивных элементов, обеспечивающих требуемые выходные параметры устройства. Решение схемотехнических задач, как правило, осуществляется при использовании математического моделирования. Математическое моделирование, кроме того, необходимо при анализе результатов промежуточных образцов. Именно такой подход позволяет существенно сократить сроки разработки и материальные затраты за счет уменьшения числа экспериментальных образцов.
Транзисторные генераторы СВЧ могут выполняться как с внешней, так и с внутренней обратной связью. В генераторах первого типа информация с выхода транзистора на его вход передается по цепи обратной связи, проходящей вне прибора. В генераторах второго типа такой специальной цепи нет, а передача информации с выхода прибора осуществляется через транзистор. Генераторы с перестройкой частоты строятся по схеме с внутренней обратной связью [2−4].
Первыми создавались транзисторные генераторы низкочастотного и высокочастотного диапазонов. В основном они строились, как и генераторы на триодах, по трехточечной схеме, в которой реализуется внешняя обратная связь, на базе элементов с сосредоточенными параметрами. Для таких генераторов создана целая иерархия математических моделей [5−9]. Принятые попытки распространения модельных представлений, свойственных генераторам низкочастотного и высокочастотного диапазонов, на СВЧ генераторы [10,11] не дали должного эффекта, поскольку при таком подходе не учитывались многие факторы, характерные для СВЧ диапазона. В том числе не учитывается конечная величина активной компоненты входного сопротивления транзистора и наличие реактивной компоненты этого сопротивления, а также выполнение пассивных элементов генератора на отрезках МПЛ.
Разработка транзисторных генераторов СВЧ диапазона потребовала создание математических моделей, в которых учитывалась специфика этого диапазона. Эти модели, как правило, отражают работу генераторов с внутренней обратной связью [12−19]. Между тем, для получения высокого уровня мощности большую перспективу имеют генераторы с внешней обратной связью. Это объясняется тем, что в цепи внутренней обратной связи из-за переотражений от элементов на выходе и на входе транзистора создаются перенапряжения. Поэтому в таких генераторах не могут использоваться транзисторы при их номинальной мощности, поскольку они создаются для применения в усилителях, где передача мощности происходит в одном направлении. Условия работы транзистора в генераторе с внешней обратной связью и в усилительном каскаде во многом аналогичны.
Следовательно, в генераторе с внешней обратной связью наиболее полно реализуются энергетические возможности транзистора.
Вопросы математического моделирования стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с цепью внешней обратной связи рассматривались в работах [20,21]. Основное внимание в них уделялось определению параметров этой цепи, которая считалась идеальной, т. е. по которой передача ВЧ сигнала проходит только в одном направлении [22,23]. Остались без анализа вопросы обеспечения устойчивости генератора и фазового условия его стационарного режима. Последний из них требует использования уравнений, определяющих электрическую длину транзистора и ее зависимость от электрического режима работы прибора. Такие уравнения для нелинейных режимов транзисторов, в которых они работают в составе СВЧ генераторов, не известны. Это связано с тем, что фазовым характеристикам при моделировании нелинейных режимов транзисторов не уделяется должного внимания.
Как показано в работе [24], если в цепи внешней обратной связи СВЧ генератора, построенного на базе активного четырехполюсника, каким является транзистор, отсутствует развязка, величина мощности, поступающая на его вход, составляет более половины выходной мощности. Следовательно, мощность на выходе устройства более чем вдвое меньше выходной мощности транзистора. Причиной данного ограничения является взаимная нагрузка входа и выхода активного четырехполюсника. Из этого следует необходимость введения в цепь обратной связи невзаимного элемента, обеспечивающего развязку, для повышения эффективности работы генератора. Вопросы схемотехники СВЧ транзисторных генераторов с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент, обеспечивающий развязку, не рассматривались.
Таким образом, далеко не все аспекты математического моделирования и схемотехники СВЧ транзисторных генераторов с внешней обратной связью рассмотрены. Поэтому следует считать перспективными исследования направленные на дальнейшее развитие модельных представлений относительно СВЧ транзисторных генераторов с внешней обратной связью и разработку методик решения задач их схемотехники, учитывающих схемные решения, направленные на улучшение электрических параметров, в том числе на увеличение выходной мощности и КПД.
Целью настоящей диссертации является построение математической модели стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент, решение задачи синтеза элементов цепи внешней обратной связи, анализ работы генератора при изменении напряжений источников питания и параметров нагрузки, а также решение задачи обеспечения устойчивости стационарного режима генераторов данного типа.
Эти вопросы решаются на примере использования в генераторе биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока и ферритового вентиля в качестве невзаимного элемента.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
— построение математической модели стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, в состав которой введен невзаимный элемент, обеспечивающий развязку;
— поиск путей схемного решения задачи обеспечения устойчивости СВЧ генератора с внешней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
— моделирование фазовых характеристик биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
— разработка алгоритмов решения задачи синтеза пассивных элементов цепи внешней обратной связи с ферритовым вентилем.
— применение построенной математической модели СВЧ генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей ферритовый вентиль, для исследования работы такого устройства в составе аппаратуры.
В результате решения этих задач получен ряд новых результатов, из числа которых следует особо отметить:
— построена математическая модель стационарного режима СВЧ генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент, обеспечивающий развязкупредложены алгоритмы решения задач схемотехники СВЧ транзисторного генератора при наличии в его цепи внешней обратной связи такого элементав том числе определения параметров и топологии пассивных элементов его электродинамической системы.
— решена задача обеспечения устойчивости стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, построенного на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
— получены уравнения для исследования фазовых характеристик биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
— разработаны методики анализа работы СВЧ генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей ферритовый вентиль, при изменении параметров его электрического режима.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методов математического моделирования, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, соответствием исходных положений реальным условиям, свойственным исследуемому объекту. Результаты выполненного анализа подтверждены экспериментальными данными.
На защиту выносятся следующие положения:
— математическая модель СВЧ генератора на биполярном транзисторе, в которой учитывается наличие невзаимного элемента, исключающего влияние входа транзистора на его выход, в цепи внешней обратной связи, позволяет проектировать такие устройства с высоким уровнем выходной мощности и КПД;
— одинаковые условия работы транзистора в составе СВЧ генератора с внешней обратной связью и в составе СВЧ усилительного каскада позволяют свести решение задачи моделирования такого генератора к решению задачи синтеза цепи обратной связи, при которой обеспечивается электрический режим транзистора с параметрами, предварительно определенными с учетом требуемых выходных параметров генератора при использовании математической модели прибора;
— алгоритм поэтапного синтеза элементов сначала выходного, а затем входного участков цепи обратной связи СВЧ транзисторного генератора, в состав которого введен невзаимный элемент, позволяет существенно упростить проектирование СВЧ генератора, обладающего улучшенными выходными параметрами, такими как выходная мощность и КПД;
— устойчивость стационарного режима СВЧ генератора с невзаимным элементом во внешней обратной связи, на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, возможна при определенных режимах эмиттерной цепи постоянного тока, которые обеспечиваются выбором величин сопротивления резистора смещения и напряжения источника питания в этой цепи;
— алгоритм расчета электрических параметров СВЧ генератора на биполярном транзисторе с ферритовым вентилем в цепи обратной связи при реализации самосогласованного решения задачи позволяет определить величину изменения этих параметров при изменении значений питающих напряжений и параметров нагрузки, если сохраняется работоспособность генератора.
Практическую значимость выполненных исследований в первую очередь имеют:
— математическая модель СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, включающей ферритовый вентиль, может использоваться для решения задач схемотехники устройств этого типа с высоким уровнем мощности и КПД при их разработке, а также при прогнозировании их выходных параметров в условиях эксплуатации;
— алгоритмы решения задачи синтеза цепи внешней обратной связи СВЧ транзисторного генератора, в состав которой введен невзаимный элемент, обеспечивающий развязку, при задании значений параметров электрического режима транзистора позволяющие определять величины параметров элементов этой цепи, а также их топологию;
— схемное решение, обеспечения устойчивости СВЧ генератора с внешней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, может быть использовано при создании устройств этого типа.
Материалы, представленные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008 г.), «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009 г.), «Проблемы управления, передачи и обработки информации» (Саратов, 2009 г.), «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009 г.). По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них одна в издании, рекомендованном ВАК РФ.
4.4 Выводы к главе 4.
1. Обоснована возможность обеспечения устойчивости стационарного режима СВЧ генератора с внешней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, как и генератора с внутренней обратной связью, при введении в эмиттерную цепь постоянного тока резистора смещения и соответствующем подборе величины его сопротивления и величины напряжения источника смещения в этой цепи. При этом сохраняется тот электрический режим транзистора, а следовательно, и выходные параметры генератора, которые были определены для случая отсутствия в схеме резистора смещения.
2. Дается интерпретация условия устойчивости стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, основанная на сравнении хода кривых зависимостей коэффициента усиления мощности транзистора и величины обратной коэффициенту передачи мощности по цепи обратной связи от мощности на входе прибора при их пересечении.
Прослежено изменение хода этих кривых при изменении величин параметров элементов эмиттерной цепи постоянного тока до состояния, при котором достигается устойчивая работа генератора, для случая применения в нем биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока.
3. Показано, что при выбранном электрическом режиме транзистора и определенных параметрах пассивных элементов электродинамической системы в отсутствии в эмиттерной цепи постоянного тока резистора смещения работа генератора не будет устойчивой. Осуществлен выбор величин сопротивления резистора смещения и напряжения источника смещения в эмиттерной цепи постоянного тока, при которых достигается устойчивость работы генератора при выбранном режиме транзистора.
4. Обоснована необходимость проведения исследования работы СВЧ транзисторного генератора в режимах, отличных от номинального, который является ориентиром при проектировании. Этим учитываются условия, в которых может работать генератор при эксплуатации. При проведении таких исследований должна решаться задача анализа, а не синтеза, которая решается при определении параметров элементов цепи обратной связи.
5. Предложена методика расчета электрических параметров СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью и его элементов при отличии величин напряжений источников постоянного питания и параметров нагрузки от номинальных значений. Эта методика в связи с необходимостью поиска самосогласованного решения использует метод последовательных приближений.
6. Проведен расчет выходной мощности и генерируемой частоты СВЧ генератора на биполярном транзисторе, работающем в режиме класса С с отсечкой тока, и с ферритовым вентилем в цепи внешней обратной связи при изменении напряжений источников цепей постоянного тока и параметров нагрузки, относительно соответствующих номинальному режиму. При этом используются те величины параметров элементов цепи постоянного тока, которые ранее были определены для выбранного номинального режима работы транзистора КТ919А. Данные расчета зависимости параметров генератора от величин напряжения источников коллекторного и эмиттерного питания находятся в соответствии с экспериментальными данными.
Как показал расчет, при сохранении работоспособности генератора в режимах отличных то номинального достигается быстрая сходимость результатов расчета. Вполне достаточным оказывается второе, а в ряде случаев и первое приближение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Построена математическая модель стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с невзаимным элементом, обеспечивающим развязку во внешней обратной связи. Для случая применения в качестве такого элемента ферритового вентиля записаны уравнения СВЧ цепи такого генератора, определяющие величины проводимостей цепей, на которые нагружены вход и выход транзистора в этом устройстве. В качестве амплитудного условия стационарного режима генератора предложено использовать уравнение баланса мощности, которым учитываются потери мощности при ее передаче по цепи обратной связи, обусловленные ответвлением во внешнюю нагрузку и колебательную систему, а также отражениями на выходе ферритового вентиля.
2. Развита концепция решения вопросов схемотехники СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, в основу которой положена аналогия условий работы транзистора в таком устройстве и в составе усилительного каскада. Это позволяет решение задачи синтеза генератора свести к решению задачи синтеза цепи обратной связи, обеспечивающей задаваемый электрический режим транзистора. Причем параметры режима транзистора, которые могут быть заранее определены при использовании одной из известных адекватных его математических моделей, должны обеспечивать требуемые выходные параметры генератора, в частности, требуемый уровень выходной мощности.
3. Предложен алгоритм синтеза цепи внешней обратной связи СВЧ транзисторного генератора, содержащей ферритовый вентиль. Показано, что наличие такого элемента позволяет проводить поэтапный синтез отдельных участков цепи обратной связи. При этом, на первом этапе должен синтезироваться участок между выходом вентиля и входом транзистора, а на втором — участок между выходом транзистора и этим элементом. Поэтапный синтез цепи обратной связи существенно упрощает решение задачи схемотехнического проектирования СВЧ генератора.
4. Предложена методика расчета электрической длины биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока в составе усилительного каскада. На базе полученных соотношений проведен анализ зависимости изменения электрической длины транзистора при изменении уровня входной мощности, напряжения коллекторного питания и параметров нагрузки. Поскольку электрическая длина транзистора является одним из слагаемых фазового условия стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, полученные соотношения предполагается использовать при проектировании такого устройства.
5. Обращено внимание на зависимость электрической длины цепи внешней обратной связи СВЧ транзисторного генератора от электрического режима работы транзистора. Зависимость обусловлена тем, что эта цепь нагружена на вход транзистора, а его входная проводимость является функцией электрического режима.
6. Рассмотрены условия, обеспечивающие устойчивость стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью на биполярном транзисторе. В связи с этим проведен анализ влияния величин сопротивления резистора смещения и напряжения источника смещения в эмиттерной цепи постоянного тока на зависимость от напряжения, поступающего на вход транзистора, его коэффициента усиления, а также величины обратной коэффициенту передачи мощности по цепи обратной связи. Показано, что при варьировании величинами параметров элементов эмиттерной цепи постоянного тока можно добиться выполнения условия устойчивости стационарного режима СВЧ генератора с внешней обратной связью, в котором используется биполярный транзистор, работающий в недонапряженном режиме с отсечкой тока.
7. Разработаны методика решения вопросов схемотехники СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, содержащей ферритовый вентиль, а также алгоритмы расчетов, используемых при решении этих вопросов. Методикой предусматривается варьирование значениями ряда параметров элементов цепи обратной связи с целью получения наиболее простой топологии ее отдельных участков.
Методика ориентирована на определение параметров пассивных элементов электродинамической системы генератора при его работе в номинальном режиме, при котором обеспечиваются требуемые выходные параметры устройства. Она, в частности, позволяет оценить уровень мощности, который должен быть рассеян в колебательной системе и ферритовом вентиле, выработать требования, предъявляемые к колебательной системе и участку цепи перед выходным ВЧ разъемом устройства, определить значения параметров элементов цепи постоянного тока, при которых достигается устойчивость его стационарного режима работы.
8. Осуществлена реализация предложенной методики решения вопросов схемотехники СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, содержащей ферритовый вентиль, на примере использования в нем биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме класса С. Определены значения электрических параметров пассивных элементов электродинамической системы этого генератора, геометрических параметров отрезков МПЛ цепи обратной связи и параметров элементов эмиттерной цепи постоянного тока. На базе полученных данных проведены исследования работы генератора в режимах, отличных от номинального.
9. Разработана методика расчета электрических параметров СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью в режимах отличных от номинального. В ее основу положено обеспечение амплитудного и фазного условий стационарного режима работы генератора в этих режимах. Проведено исследование влияния на условия работы СВЧ генератора на биполярном транзисторе и с ферритовым вентилем в цепи внешней обратной связи отклонений напряжений источников постоянного питания и параметров нагрузки от тех значений, которые соответствуют номинальному режиму. При этом определены величины выходной мощности, постоянного эмиттерного тока и генерируемой частоты. Показано, что расчетные данные правильно передают ход соответствующих экспериментальных зависимостей.
