Генераторы СВЧ-диапазона, использующие биполярные и полевые транзисторы, нашли широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре. Маломощные такие генераторы, какправило, входят в состав интегральных микросхем, а высокого уровня мощности — в состав гибридных устройств (модулей), в которых транзисторы являются самостоятельными элементами. СВЧ-транзисторные генераторы создаются в обеспечение как высокого уровня мощности с высокими значениями энергетических параметррв на фиксированной частоте, так и перестройки частоты в определенном! диапазоне:
При разработке новых типов генераторов с целью сокращения материальных и временных затрат перед созданием экспериментальных образцов проводится математическое моделирование этих устройств с использованием моделей транзистора. Широко известны работы по математическому моделированию транзисторных генераторов низкочастотного’и высокочастотного диапазонов, которые стоятся по трехточечной схеме [1−5]. В этих генераторах используется внешняя, обратная, связь, когда сигнал с выхода транзистора на его вход передается в обход прибора, а его схема состоит из элементов с сосредоточенными параметрами.
Пассивные элементы электродинамической системы СВЧ-транзисторных генераторов выполняются^ на отрезках микрополосковой линии (МПЛ), совокупность которых определяет топологию устройства. При построении таких генераторов* может использоваться не только внешняя обратная связь, но и внутренняя, т. е. когда часть выходной мощности транзистора на его вход поступает после ее прохождения через сам прибор. Топология генераторов с внутренней обратной связью весьма проста, а электрическая длина такой обратной связи мала. Последнее определяет целесообразность построения генераторов с перестройкой частоты, использующих внутреннюю обратную связь [6−8]. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется внимание вопросам моделирования СВЧ-транзисторных генераторов с внутренней обратной связью [9−12].
Однако многие вопросы моделирования таких устройств СВЧ-техники,-в том числе и с перестройкой частоты, далеки от решения, что определяет актуальность продолжения работ в данном направлении.
При моделировании транзисторных генераторов должны использоваться математические модели прибора, на базе которого строится генератор. Эти модели должны, отражать работу прибора в нелинейном режиме. Нелинейным, в частности, является недонапряженный режим с отсечкой тока биполярного транзистора, который характеризуется пониженным уровнем шумов.
К настоящему времени создана целая иерархия математических моделей биполярного транзистора, позволяющая использовать ту или иную модель для решения конкретной задачи. При приближенном анализе устройств на этом приборе или при расчете его энергетических параметров! может быть использована модель [13]. Эта аналитическая модель вполне адекватно описывает работу транзистора в недонапряженном режиме с отсечкой тока с минимальной за-' тратой машинного времени. С ее использованием в-[11,12] решалась задача синтеза СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с внутренней обратной связью. Однако ряд исходных положений модели [13] для (. повышения эффективности ее применения требует уточнения. Это определяет необходимость дальнейшего усовершенствования, не только модели биполярного транзистора8, но и использующих ее1 моделей разных видов генераторов, в которых транзистор работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока', а также разработки на их основе алгоритмов решения задач анализа и синтеза таких генераторов и соответствующего программного обеспечения.
Целью настоящей диссертационной работы является дальнейшее развитие математической модели СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, на базе усовершенствованной модели прибора и создание на этой основе комплекта алгоритмов решения задач синтеза и анализа таких устройств, в том числе и с перестройкой частоты.
В связи с реализацией поставленной цели решаются следующие задачи.
1. Усовершенствование модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженномфежиме с отсечкой тока.
2. Определение особенностей решения задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью* на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой’тока и выработка стратегии* ее решения.
3. Дальнейшее развитие математическою модели СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на' биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, на базе усовершенствованной модели этого прибора.
4. Разработка алгоритма решения задачи определениягтребований к частотным* характеристикам пассивных элементов’СВЧ-генератора с внутренней^ обратной связью на биполярном транзисторе с варакторной-перестройкой частоты.
5. Применение разработанной модели СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе для решения задач моделирования этого устройства, в том числе для оценки его работоспособности при действии дестабилизирующих факторов условий производства и эксплуатации.
При решении этих задач получен ряд новых результатов, из которых следует отметить.
1. Развита математическая-модель, биполярного транзистора, работающего в^ недонапряженном режиме с отсечкой тока, в которой, при определении барьерной емкости коллекторного перехода, учтено пребывание прибора в открытом и закрытом состояниях, а также влияние элементов его эмиттерной части исходной цепи.
2. Разработаны рабочие алгоритмы решения ряда задач моделирования, СВЧ-генератора с внутренней обратной-связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме сотсечкой тока, на базе усовершенствованной модели этого прибора.
3: Предложен алгоритм решения" задачи? синтеза2 СВЧ-генератора с внутренней обратной— связью на биполярномтранзисторе с варакторной перестройкойчастоты^ позволяющийвыработать требованияs кчастотным характеристикам! узлов электродинамической — системы генератора* обеспечивающим: получение задаваемого диапазонашерестройкш.
4. Разработан: комплекс программ на языке. (2++ на основепредложенных алгоритмов для решения задач, моделирования СВЧ-генератора' с внутренней-обратной связью на биполярном транзисторе, работающий в диалоговом режиме.
5. Определены условия получения отрицательной величины активной компоненты* входной проводимости биполярного транзистора^, необходимой^ для^созданияша^егоюснове СВЧ-генератора с внутренней обратной связью, заключающиесяв—обеспечениина генерируемойчастоте резонанса^ выходнойще-пи, в состав которой входит барьерная: емкость коллекторного переходаприбо-ра.
6. Ироведеношоделирование: режимов!работы СВЧ-генератора с внутренней обратнойсвязью на биполярном транзисторе с учетом, действия дестабилизирующих факторов производства и эксплуатации.
Достоверностьрезультатов? исвыводов, диссертационнойработьг обосновываетсяприменением методовi моделированияапробированных в современной технике СВЧ, соответствием: применяемого математического аппарата: классу задачу решаемых теорией электрических цепей,. экспериментальным: подтверждением адекватностииспользуемой модели транзистора.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Модель биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с, отсечкой тока, учитывающая его пребывание в открытом и закрытом состояниях, а также влияние элементов его1 эмиттерной части и входной цепи, при определении барьерной емкости коллекторного перехода, позволяет решать задачисинтеза и анализа СВЧ-генератора с внутренней обратнойсвязью — на этом приборе, при1 его работе в таком режиме.
2. Алгоритмы моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратнойs связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, разработанные с целью решения задач его моделированиявтом числе:
— определения значений" параметров электрического режима' транзистора^ при которых обеспечивается работа такого генератора при задаваемых значениях выходных параметров этого устройства;
— определения значений параметров! элементов входной4 цепи постоянного тока, при которых достигается устойчивость работы генератора;
— оценки работоспособности генераторам выбранными-значениями параметроврежима и* элементов входной, цепи постоянного тока при действии дестабилизирующих факторов условий производства и эксплуатации.
3. Методика и алгоритмы моделирования СВЧ-транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты, позволяющего выработать, исходные требования к пассивным элементам электродинамической* системы, генератора в части, их частотных характеристик, при которых обеспечивается задаваемый-диапазон • перестройки.
4. Получение отрицательной* величины^ активной компоненты входной проводимости биполярного транзистора, необходимой для его работы в составе генератора с внутренней обратной связью, достигается выбором значения реактивной проводимости нагрузки на выходе прибора, при которой на генерируемой частоте устанавливается резонанс в. цепи, включающей^ эту нагрузку и барьерную емкость коллекторного перехода транзистора.
Практическую значимость имеют:
— усовершенствованная модель биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, позволяет проводить не только расчет энергетических-, параметров усилителей мощностино и обеспечивает решение задачмоделирования генераторов, в которых транзистор работает в этомрежиме- - развиваемыемодельные представления, отражающие, условияприкоторых обеспечивается работоспособность С В Ч-гонератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, способствует правильному выбору направления в процессе разработки этого устройства;
— комплекс: рабочих, алгоритмов моделирования" СВЧ-генератора: с внутренней обратной? связью? на биполярном транзисторе, работающем в недонап-ряженном' режиме с отсечкой тока, позволяет выработать требования к пассивнымэлементам электродинамической системы такого генератора-, а также к элементамшходной цепишостоянного тока- ', ¦ ¦
— алгоритм моделирования-СВЧттранзисторного генератора1с. варакторной перестройкой частоты позволяет определить требования к частотным? характеристикам элементов его электродинамической системы, являющихся-исходи ыми данными. при их моделировании;
— разработанный комплекс программ, наюснове предложенных алгоритмов позволяет в-диалоговом режиме решать задачи моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Радиотехника и связь» (Саратов, 2005, 2006 и 2007 гг.), «Информатизация технических средств и процессов» (Саратов, 2008! г.), «Актуальные проблемыэлектронного приборостроения» (Саратов- 2008 г.). По материалам диссертации опубликовано 13 работиз них три'— в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.
1. Проведено моделирование СЕЧ-транзисторного1 генератора5 с внутренней обратной связью и варакторной' перестройкой частоты, на базе линейной модели, биполярного транзистора, позволяющего выработать требования" к пассивным элементам электродинамической системы этого устройства, при которых обеспечивается получение задаваемого диапазона перестройки частоты. Определены этапы такого моделирования.
2. Предложен порядок проведения выбора структуры колебательной системы СВЧ-транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты, и определения величин параметров ее элементов, в том числе и входящего в ее состав отрезка МПЛ. Его эффективность подтверждена данными расчета. В качестве исходных данных при решении этих задач используются результаты расчета входной проводимости транзисторана базе которого строится генератор, а также выбираемое в процессе проектирования соответствие между частотами диапазона перестройки и величинами емкости варактора с учетом его вольт-фарадной характеристики.
3. Разработан алгоритм определения частотных зависимостей активной и реактивной компонент проводимости цепи на выходе транзистора в составе генератора с варакторной перестройкой частоты, являющихся исходными данными для проектирования топологии выходного трансформатора связи этого генератора, при которых получается задаваемый диапазон частотной перестройки. В алгоритме предусмотрены критерии, позволяющие оценить возможность практической реализации выбранного варианта колебательной системы.
4. Обсуждена ограниченность результатов, получаемых при моделировании СВЧ-транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты, связанная с использованием линейной модели транзистора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Развита математическая модель СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, характеризующемся пониженным уровнем шумов. На ее основе предложено проводить моделирование таких устройств радиоэлектронной техники. Модель построена на эквивалентной схеме, в которой генератор представляется в виде двух параллельно включенных двухполюсников, один из которых является активным, а другой — пассивным. Пассивным двухполюсником является колебательная система, активным — вход транзистора с ВЧ цепью на его выходе.
2. Выявлена специфика моделирования транзисторных генераторов, заключающаяся в необходимости на первом этапе решать задачи синтеза, а не анализа, что обычно является достаточным при моделировании усилительного каскада.
3. Показана целесообразность применения модели биполярного транзистора для моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на этом приборе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока. Аналитические уравнения, этой модели позволяют оперативно решать многие вопросы схемотехнического проектирования СВЧ-генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе.
4. Проведено усовершенствование модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, в результате которого уточнены ее уравнения, определяющие значения сопротивления эмиттерного перехода и барьерной емкости коллекторного перехода, отражающие основные нелинейные процессы в приборе в этом режиме.
5. Выполнено сравнение результатов расчета электрических характеристик транзистора в составе усилительного каскада с использованием усовершенствованной модели с экспериментальными данными. Сравнение показало, что эта модель может служить базой при моделировании СВЧ-устройств, в которых биполярный транзистор работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока, в том числе при моделировании генераторов с внутренней обратной связью.
6. Определен порядок моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярной транзисторе, который-включает три этапа:
— решение задачи определения параметров" электрического режима транзистора, обеспечивающих-его-работу вг составе такого генератора с заданными выходными параметрами;
— решение задачи-определения* параметров элементов входной цепи постоянного тока, обеспечивающих устойчивость работы генератора;
— решение задачи, определения, работоспособности' генератора при дестабилизирующем действии^ факторов условий производства и*эксплуатации.
7. Показано, что отрицательная величина активной!- компоненты входной проводимость, биполярного транзистора, необходимого условия его работы, в составе генераторас внутренней" обратной связью, может быть&bdquoполученапр№ подборе такого* значенияреактивной, проводимости нагрузки на выходе прибора, при которой устанавливается резонанс в выходной цепи транзистора, включающей эту нагрузку и барьерную емкость. коллекторного перехода.
8. Предложены алгоритмы решения-задач определения-параметров электрического режима работы транзистора в составе СВЧ-генератора с внутренней обратной1- связьюа также величин сопротивления смещения и напряжения смещения-источника во входной цепи постоянного тока, предусматривающие ведение диалога с ЭВМ с использованием разработанного программного обеспечения. Решения этих задач, в частности, являются исходными требованиями для проектирования,'колебательной-системы генератора и топологии выходного «трансформатора связи. Предложенные алгоритмы опробованы для случаев работы транзистора в режимах классов АВ' и С.
9. Обоснована необходимость моделирование работы СВЧ-транзисторного генератора в режимах, отличных от номинального, т. е. в условиях дестабилизирующего действия факторов производства и эксплуатации. Результаты такого моделирования могут служить критерием качества схемотехнического проектирования этого устройства.
10. Выявлена особая критичность работоспособности СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе при отличии именно реактивной проводимости цепи на выходе прибора от величины, соответствующей номинальному режиму. Дано объяснение причине такой критичности.
11. Предложен алгоритм моделирования СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты бна биполярном транзисторе, построенного с использованием линейной модели прибора. Результатом такого моделирования является выработка требований к частотным характеристикам пассивных элементов электродинамической системы генератора. Обсуждены ограничения применения линейной модели транзистора при моделировании СВЧ-транзисторного генератора с перестройкой частоты.
12. Создано программное обеспечение моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполяном транзисторе, работающем в недо-напряженном режиме с отсечкой тока', проводимого для решения задач схемотехнического проектирования этого устройства.
