автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе

На правах рукописи

Горбачев Денис Михайлович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-ГЕНЕРАТОРА С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Специальности

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиокомпоненты, микро - и наноэлектроника, электронные приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2009

003470196

Работа выполнена в ГОУ ВПО технический университет»

«Саратовский государственный

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Фурсаев Михаил Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук, профессор

Ширшин Сергей Иванович

кандидат технических наук, доцент Анашкин Анатолий Александрович

Ведущая организация:

ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон» (г. Саратов)

Защита диссертации состоится 19 июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319).

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Автореферат разослан /'/ мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Широкое применение в современной радиотехнике нашли генераторы СВЧ-диапазона, построенные на базе биполярных и полевых транзисторов, позволяющие получить либо высокий уровень мощности на фиксированной частоте либо перестройку частоты в определенной полосе частот. При разработке новых типов таких генераторов с целью сокращения материальных и временных затрат проводится этап математического моделирования этого устройства. Известны работы по моделированию транзисторных генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов, которые строятся по трехточечной схеме (Челноков О.Л., Хотунцев Ю.Л., Богачев В.М., Балыко А.К. и др.) В этих генераторах используется внешняя обратная связь, когда сигнал с выхода транзистора на его вход передается в обход прибора, а схема состоит из элементов с сосредоточенными параметрами.

В отличие от генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов 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, 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 имеет значение при создании генераторов с перестройкой частоты. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется вопросам моделирования СВЧ-транзисторных генераторов с внутренней обратной связью (Фартушнов С.А., Фурсаев М.А., СгсЬспшкоу А.У.). Однако многие вопросы моделирования таких генераторов далеки от решения. Так, не охвачены моделированием режимы, отличные от номинального, в которых генератор может пребывать под действием дестабилизирующих факторов производства и эксплуатации, не выработаны принципы моделирования генераторов с перестройкой частоты, которые позволяют определить требования к частотным характеристикам пассивных элементов для обеспечения требуемой полосы перестройки.

Основой моделирования транзисторных генераторов являются математические модели прибора, на базе которого строится генератор. Между тем они ориентированы на применение транзисторов в составе усилительных каскадов, а для их применения при моделировании генераторов с внутренней обратной связью требуется разработка специальных методик. При создании таких методик следует отдать предпочтение приближенным моделям, применение которых не требует больших затрат машинного времени, но учитывающим основные нелинейные свойства транзистора. Такой мо-

делью может служить модель биполярного транзистора, отражающая его работу в недонапряженном режиме с отсечкой тока, который характеризуется пониженным уровнем шумов (Фурсаев М.А., Богачев В.М.). Для повышения эффективности применения эта модель нуждается в усовершенствовании, а вместе с ней требует дальнейшего развития используемая модель СВЧ-генератора на биполярном транзисторе.

Цель работы. 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.

Задачи исследования:

- усовершенствование модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока;

- определение особенностей решения задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, и выработка стратегии их решения;

- дальнейшее развитие математической модели СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, на базе усовершенствованной модели этого прибора;

- разработка алгоритма решения задачи определения требований к частотным характеристикам пассивных элементов СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты;

- 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.

Научная новизна работы:

- 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 и входной цепи;

- разработаны рабочие алгоритмы решения ряда задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, на базе усовершенствованной модели этого прибора;

- предложен алгоритм решения задачи синтеза СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты, позволяющий выработать требования к частотным характеристикам узлов электродинамической системы генератора, обеспечивающим получение задаваемого диапазона перестройки;

- разработан комплекс программ на языке С++ на основе предложенных алгоритмов решения задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, проводимого в диалоговом режиме;

- определены условия получения отрицательной величины активной компоненты входной проводимости биполярного транзистора, необходимой для создания на его основе СВЧ-генератора с внутренней обратной связью, заключающиеся в обеспечении на генерируемой частоте резонанса выходной цепи, в состав которой входит барьерная емкость коллекторного перехода прибора;

- проведено моделирование режимов работы СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе с учетом действия дестабилизирующих факторов производства и эксплуатации.

Достоверность результатов работы.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методов моделирования, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, экспериментальным подтверждением адекватности используемой модели транзистора.

Результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Модель биполярного транзистора, работающего в недонапряжен-ном режиме с отсечкой тока, которая учитывает его пребывание в открытом и закрытом состояниях, а также влияние элементов его эмиттерной части и входной цепи при определении барьерной емкости коллекторного перехода, позволяет решать задачи синтеза и анализа СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на этом приборе, при его работе в таком режиме.

2. Алгоритмы моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, разработанные с целью решения задач синтеза и анализа, в том числе:

- определения значений параметров электрического режима транзистора, при которых обеспечивается работа такого генератора при задаваемых значениях выходных параметров этого устройства;

- определения значений параметров элементов входной цепи постоянного тока, при которых достигается устойчивость работы генератора;

- оценки работоспособности генератора с выбранными значениями параметров режима 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.

Практическая значимость работы:

1. Усовершенствованная модель биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, не только позволяет проводить расчет энергетических параметров усилителей мощности, но и обеспечивает решение задач моделирования генераторов, в которых транзистор работает в этом режиме.

2. Развиваемые модельные представления, отражающие условия, при которых обеспечивается работоспособность СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, способствует правильному выбору направления в процессе разработки этого устройства.

3. Комплекс рабочих алгоритмов моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, позволяет выработать требования к пассивным элементам электродинамической системы такого генератора, а также к элементам входной цепи постоянного тока.

4. Алгоритм моделирования СВЧ-транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты позволяет определить требования к частотным характеристикам элементов его электродинамической системы, являющиеся исходными данными при их моделировании.

5. Разработанный комплекс программ на основе предложенных алгоритмов позволяет в диалоговом режиме решать задачи моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе.

Личный вклад автора. Автором разработаны алгоритмы расчета энергетических характеристик усилителей мощности, а также решения задач моделирования генераторов на биполярном транзисторе, проведены

б

необходимые расчеты и теоретические исследования, выполнен анализ полученных результатов.

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета. 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 проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008 г.).

Публикации. По результатам научных исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 13 печатных работ, из них три работы - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 108 страниц, состоит из введения, четырех глав и заключения, включает 35 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы включает 51 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель, основные задачи исследований, их результаты и положения, выносимые на защиту, определены новые научные результаты, полученные при выполнении этих исследований, а также их практическая значимость. Представлены сведения об апробации работы.

В первой главе рассмотрены основы моделирования СВЧ-транзисторных генераторов с внутренней обратной связью, в результате которого в первую очередь определяются параметры электрического режима транзистора и элементов схемы, при которых обеспечивается получение требуемых выходных параметров устройства, в том числе частота и выходная мощность. При моделировании используется эквивалентная схема, приведенная на рис.1, которая позволяет представить такой генератор в виде двух соединенных параллельно двухполюсников, один из которых является активным, а другой - пассивным. В настоящей работе в качестве пассивного двухполюсника выбрана колебательная система, а в качестве активного - вход транзистора. В этом случае амплитудное и фазное условия стационарного режима генератора записываются в виде

в +С =0, (1)

вх КС 4 '

В + В =0, (2)

вХ КС

где Увх =Овх + ]Вех и Укс + )Вкс~ входная проводимость транзистора

и проводимость колебательной системы соответственно. Входная проводимость транзистора является функцией проводимости цепи, подключен-

ной к его выходу, У_н + ¡в^, а активная компонента входной проводимости транзистора в составе генератора с внутренней обратной связью должна быть отрицательной величиной.

Рис.1. Эквивалентная схема СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью (1- транзистор, 2 - колебательная система, 3 - выходной трансформатор связи,

4 - внешняя нагрузка)

Величина входной проводимости транзистора, как и величины других его электрических параметров, в диссертации определяется с помощью математической модели биполярного транзистора, работающего в недо-напряженном режиме с отсечкой тока.

В случае генератора с внутренней обратной связью величины проводимости колебательной системы, подключенной к входу прибора, и входной проводимости транзистора связаны между собой условиями (1) и (2). Последнее определяет специфику моделирования такого генератора, при котором на первом этапе решается задача синтеза.

Ьк К

Рис.2. Эквивалентная схема биполярного транзистора для анализа его работы в недонапряженном режиме с отсечкой тока

Используемая модель биполярного транзистора строится на базе эквивалентной схемы, представленной на рис.2. Ключи в этой схеме отра-

жают смену состояний транзистора в течение одного периода. Замкнутый ключ в левой, коллекторной части эквивалентной схемы соответствует открытому состоянию эмиттерного перехода, т.е. открытому состоянию транзистора, разомкнутый ключ - закрытому состоянию прибора. Ключ в правой, эмиттерной части схемы в положении «а» соответствует открытому состоянию транзистора, в положении «б» - закрытому. При этом полагается, что в открытом состоянии эмиттерный переход характеризуется лишь диффузионной емкостью С^ . Поскольку коллекторный переход

транзистора при работе в недонапряженном режиме закрыт, в коллекторной части схемы конденсатор Ск учитывает лишь барьерную емкость коллекторного перехода, а в эмиттерной части схемы рис.2 отсутствует источник тока.

В модели нелинейности, наряду с введением ключей в эквивалентную схему, учитываются зависимости величин сопротивления эмиттерного перехода и барьерной емкости коллекторного перехода от электрического режима. Их величины усредняются за время ВЧ-периода. Параметром, характеризующим электрический режим прибора, принимается амплитуда открытого эмиттерного перехода.

Вторая глава посвящена усовершенствованию модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока.

Параметры, аппроксимирующие вольт-амперную характеристику открытого эмиттерного перехода, унифицированы с параметрами теории р-п перехода, которые используются в работах отечественных авторов. С учетом этого соотношение для сопротивления ^эквивалентной схемы рис.2,

усредненное за время пребывания эмиттерного перехода в открытом состоянии, записывается в виде

ипот'тэ<рт ^ (3)

где ипот - амплитуда напряжения открытого эмиттерного перехода; /?э-ток насыщения обратно смещенного перехода; <рТ - тепловой потенциал; тэ - коэффициент, учитывающий «неидеальность» перехода.

Для определения усредненной величины барьерной емкости коллекторного перехода необходимо знание величины ВЧ-напряжения, действующего на этом переходе в интервале фаз, когда транзистор находится в открытом состоянии. В свою очередь, величина этого ВЧ-напряжения зависит от сопротивления цепи, на которую нагружен источник тока/^эквивалентной схемы рис. 2. Для определения сопротивления нагрузки источника тока предложено использовать эквивалентную схему, приведенную на рис.3, согласно которой

где 2т =гн +2К +Кэб< ~ сопротивление коллекторного электрода;

- сопротивление эмиттерной части эквивалентной схемы транзистора и цепи на его входе.

1кп

ъ„

Рис.3. Эквивалентная схема выходной цепи биполярного транзистора, включенного

по схеме ОБ

Значение барьерной емкости коллекторного перехода С предлага-

ется определить по соотношению

С к — С а

и..

1+-

кпср

<Рок

-0,5

(5)

где итср - величина напряжения на коллекторном переходе, усредненная

за ВЧ-период.

U =£ -Я/

кпср к я эim

П

1 + jv

sin ©cos <ркх.

(6)

В соотношениях (5) и (6)

Ст - барьерная емкость коллекторного перехода в отсутствие на нем напряжения; <рок - контактная разность потенциалов; Ек - напряжение источника коллекторного питания; а - коэффициент передачи тока; 1эт - амплитуда первой гармоники эмиттерного тока; у{ - коэффициент,

определяющий уровень первой гармоники напряжения открытого эмиттерного перехода; ь = сог

ряда; 20 - угол отсечки;

терного перехода; V = апрэ, где т^ - время жизни рабочих носителей за-

cpKl=arctg-

, ЬпZ~h ReZ"

У1

Величины параметров 1Э1т, 1+ и ® являются функциями электрического расчета транзистора и зависят от амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода.

В модели биполярного транзистора, работающего в недонапряжен-ном режиме с отсечкой тока, используются усредненные значения нелинейных элементов эквивалентной схемы. Это дает возможность линеаризировать решение задачи моделирования транзистора и представить связь между первыми гармониками эмиттерного и коллекторного токов, а также напряжениями эмиттер - база и коллектор - база системой двух уравнений

иЭБ^2п1о-7.п1к , (7)

икБ-г2Х1э-г221к, (8)

где соотношения для Х- коэффициентов имеют вид:

2П =/ + ^ +г, (9)

Ъ\2=гБ+}аЬв, (10)

Ъп=гБ + 1шЬъ+^-—-А-, (11)

(12)

]ЮСК

Уравнения (9) - (12) для X - параметров эквивалентной схемы рис.2 с учетом полученных соотношений, определяющих величины барьерной емкости коллекторного перехода и сопротивления цепи, на которую нагружен источник тока 1КГ, положены в основу уравнений, позволяющих провести расчет основных электрических параметров транзистора при его работе в режимах классов АВ, В и С при закрытом коллекторном переходе. В частности, расчет входной проводимости транзистора, компоненты которой входят в условия (1) и (2), проводится с использованием соотношения

у^ =_—» +-22__(13)

На рис.4 приведены электрические характеристики усилителя мощности на транзисторе типа КТ-919А, работающего в режиме класса В, рассчитанные с использованием полученных уравнений усовершенствованной модели, а также экспериментальные данные. Расчет зависимостей выходной мощности, постоянного эмиттерного тока и КСВН на входе транзистора от напряжения источника коллекторного питания проведен для тех значений этого напряжения и входной мощности, при которых прибор работает в недонапряженном режиме. Видно, что данные расчета вполне

адекватны экспериментальным. Особо следует отметить это соответствие в части зависимости КСВН, значение которого определяется величиной входной проводимости транзистора.

Рпых,Вг

Е*3 6

Ь.А

---- ,-2В т

--- --- . — — 11 •г

""" Ь4 Вт

Е«Д

12 16 20 24 28

3,5 3,0 2,5 2,0 М

' ** --- * т

0,3 В1

12 16 20 24

Рис.4. Расчетные (-) и экспериментальные (----) зависимости выходной мощности

(а), постоянного эмитгерного тока (б) и КСВН (в) на входе усилительного каскада от напряжения коллекторного питания для ряда значений входной мощности

Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о возможности использования усовершенствованной модели биполярного транзистора при моделировании СВЧ-устройств, в которых он работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока.

Третья глава посвящена моделированию СВЧ-генератора с внутренней обратной связью, в котором биполярный транзистор работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока. При этом решаются следующие задачи его синтеза:

- определения параметров электрического режима транзистора, работающего в составе генератора и обеспечивающего задаваемые значения выходной мощности и напряжения источника коллекторного питания;

- определения параметров элементов входной цепи постоянного тока, обеспечивающих устойчивость работы генератора.

При решении первой из этих задач проводится расчет зависимостей активной и реактивной компонент входной проводимости транзистора, его выходной мощности и коллекторного напряжения от реактивной проводимости нагрузки на выходе прибора при фиксированных значениях актив-

ной проводимости нагрузки, напряжения эмиттер - база, барьерной емкости коллекторного перехода и амплитуды напряжения открытого эмиттер-ного перехода (рис. 5). Варьированием фиксированных значений параметров достигается получение отрицательной величины активной компоненты входной проводимости транзистора в интервале значений реактивной проводимости нагрузки, в котором обеспечиваются требуемые величины выходной мощности и коллекторного напряжения. В этом интервале выбираются значения параметров электрического режима транзистора, что иллюстрируется построениями на рис.5.

Ввх.Сы

Вн.См Вн.Си

а б

в г

Рис.5. Расчетные зависимости активной (а) и реактивной (б) компонент входной проводимости транзистора, напряжения питания его коллектора (в) и мощности на выходе генератора (г) от реактивной проводимости цепи на выходе прибора

Определяемые значения активной и реактивной компонент входной проводимости транзистора, а также активной и реактивной компонент проводимости нагрузки, используются в качестве исходных данных при проектировании топологии колебательной системы и выходного трансформатора связи. Определяемые величины напряжения эмиттер-база и постоянного тока эмиттера необходимы для выбора значений параметров элементов входной цепи постоянного тока.

Анализ зависимостей на рис. 5а и 56 дает основание заключить, что отрицательная величина активной компоненты входной проводимости транзистора, при которой обеспечивается работа прибора в составе генератора с внутренней обратной связью, получается при наличии на генери-

руемой частоте резонанса в выходной цепи, включающей нагрузку и барьерную емкость коллекторного перехода. Подтверждением этого могут служить результаты расчета резонансной частоты контура рис.3, приведенные в таблице. Величины реактивной проводимости нагрузки соответствуют значениям, при которых достигается максимум отрицательной величины активной компоненты входной проводимости транзистора. Видно, что расчетная величина резонансной частоты контура практически- совпадает с частотой 1 ГГц, для которой проводились расчеты.

Результаты расчета резонансной частоты выходной цепи транзистора

Ск,Ф 1ДГн Ьк, Гн Он, См Вн, См Ьн, Гн Брас, ГГц

5,6*10" 0,13*10"* 1,0*10" 0,02 -0,046 2,9*10" 1,06

7,6*10" 0,13*10" 1,0*10"" 0,02 -0,062 2,3*10" 0,985

9,6*10"" 0,13*10" 1,0*10" 0,02 -0,078 1,91*10" 0,935

7,6*10"" 0,13*10" 1,0*10" 0,01 -0,064 2,23*10"" 0,995

7,6*10"и 0,13*10" 1,0*10" 0,03 -0,060 2,1*10"" 1,01

. 7,6*10" 0,13*10"" 1,0*10" 0,02 -0,066 2,23*10" 0,983

Значения параметров элементов входной цепи постоянного тока, какими являются напряжение источника смещения иш и сопротивление резистора смещения Ясм, определяются по результатам анализа расчетных

зависимостей активной компоненты входной проводимости транзистора от амплитуды ВЧ-напряжения открытого эмитгерного перехода, Vпот> приведенных на рис.6. Значения этих параметров выбираются при условии выполнения неравенства, при котором обеспечивается устойчивость работы генератора

1 6x1 <0. (14)

с11/

пот

Варьируемые величины параметров исм& выбираются с учетом соотношения

иэб-исм~1оэКсм' ^

при выполнении которого обеспечивается сохранение ранее выбранного режима работы транзистора. В этом соотношении иэб~ напряжение эмиттер-база, 1дэ~ постоянный эмиттерный ток, определенные при решении первой задачи.

В результате решения первых двух задач определяются значения параметров, соответствующих номинальному режиму. Однако данный режим с учетом действия факторов, свойственных производству и эксплуа-

тации, не всегда обеспечивается. В связи с этим проведено моделирование работы генератора при отличии значений параметров режима от номинальных. Проведенное исследование выявило, в частности, особую критичность работы генератора к изменению величины реактивной проводимости цепи на выходе транзистора, что обусловлено резонансом этой цепи, при котором обеспечивается отрицательная величина активной компоненты входной проводимости прибора.

Gbx

О

-0,005 -0,01 -0,015' -0,02 -0,025-0,03-0,035-0,04

0,75 0,753 0,756 0,753 0,762 0,765 0,768 0,771 0,774 0.777 0,78

Urlm

Рис.б. Расчетные зависимости активной компоненты входной проводимости транзистора от амплитуды напряжения на открытом эмиттерном переходе:

1-Я = 0 Ом, U =0,525 В; 2-Я = 1 Ом, U =1,731 В; см см см см '

3-Я =4 Ом, Г/ =3,452 В см 'см '

В обеспечение решения перечисленных задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью, были разработаны необходимые методики, алгоритмы и комплект программ, выполненный на языке С++. При этом решение задач синтеза проводится в диалоговом режиме, что обеспечивает его эффективность.

В четвертой главе рассмотрены вопросы моделирования СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью и варакторной перестройкой частоты, проведенного при использовании линейной модели биполярного транзистора. Обоснованы этапы такого моделирования, дающего возможность определения структуры и величин параметров элементов колебательной системы генератора, а также выработки требований к цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается задаваемый диапазон частотной перестройки.

На первом этапе моделирования рассчитывается величина входной проводимости транзистора для фиксированной частоты диапазона перестройки, с учетом которой выбирается вариант построения колебательной системы генератора и проводится расчет значений параметров ее элементов. Кроме того, задается соответствие частот диапазона перестройки и величин емкости варактора его вольт-фарадной характеристике, при котором

предполагается получить необходимую зависимость генерируемой частоты от напряжения, подводимого к варактору. Рассмотрен вариант, когда колебательная система представляет собой отрезок МПЛ, нагруженный варактором и резистором, для которого рассчитываются частотные зависимости компонент ее проводимости. Величина активной компоненты системы в диапазоне перестройки не должна быть отрицательной.

Проводимость цепи на выходе транзистора в составе генератора с внутренней обратной связью при использовании линейной модели прибора и учете условия стационарного режима (1) и (2) однозначно определяется проводимостью колебательной системы.

Увых --~~кс-. (16)

Это позволяет на последующем этапе моделирования определить частотную зависимость проводимости цепи на выходе транзистора, при реализации которой должны быть получены перестройка частоты в задаваемом диапазоне и необходимая зависимость генерируемой частоты от напряжения варактора. Результаты расчета таких зависимостей для одного из вариантов построения колебательной системы приведены на рис.7. Положительная величина активной компоненты проводимости этой цепи в диапазоне перестройки служит еще одним критерием при выборе варианта колебательной системы.

0,02

0,01

Он.СМ

\

0,5 0,7 0,9 1,1

Г, ГГц

-од

-0,3

N \

ч

1Д

Г, ГГц

'Вн.См

Рис.7. Расчетные зависимости активной (а) и реактивной (б) компонент проводимости цепи на выходе транзистора от частоты, при которых обеспечивается перестройка частоты генератора в полосе от 0,5 до 1,0 ГГц

Обсуждены ограничения, связанные с использованием линейной модели транзистора при моделировании генератора с перестройкой частоты. В частности, отмечается, что такой подход не дает возможности оценить влияние на работоспособность генератора отличия между частотными зависимостями проводимости цепи на выходе транзистора, полученными при моделировании и при реализуемой топологии выходного трансформатора связи, а также выявить разрывы в зависимости генерируемой частоты от напряжения, подводимого к варактору.

В заключении формулируются основные выводы и результаты диссертационной работы,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. 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.

2. 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.

3. Выявлена специфика моделирования СВЧ-транзисторных генераторов, заключающаяся в необходимости на первом этапе решать задачи синтеза, а не анализа, что обычно является достаточным при моделировании усилительного каскада.

4. Определен порядок моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, который включает три этапа:

- решение задачи определения параметров электрического режима транзистора, обеспечивающих его работу в 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.

5. Обоснована необходимость моделирования 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 расчета этого устройства.

6. Предложены алгоритмы решения задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью, на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, в том числе задачи моделирования СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты на биполярном транзисторе, построенного с использованием линейной модели прибора. Результатом такого моделирования является выработка требований к частотным характеристикам пассивных элементов электродинамической системы генератора.

7. Создан комплекс программ на языке С++ на основе предложенных алгоритмов для решения задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонап-ряженном режиме с отсечкой тока. Это программное обеспечение предусматривает ведение диалога с ЭВМ.

8. 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.

9. Показано, что отрицательная величина активной компоненты входной проводимости биполярного транзистора - необходимое условие его работы в составе генератора с внутренней обратной связью - получается при подборе такого значения реактивной проводимости нагрузки на выходе прибора, при которой на генерируемой частоте устанавливается резонанс в выходной цепи транзистора, включающей эту нагрузку и барьерную емкость коллекторного перехода.

10. Выявлена особая критичность работоспособности СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе к изменению при отличии реактивной проводимости цепи на выходе прибора относительно величины, соответствующей номинальному режиму. Причина такой критичности объясняется резонансом в выходной цепи, при которой обеспечивается отрицательная величина активной компоненты входной проводимости транзистора.

Основные публикации по теме диссертации

/.Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

1. Горбачев Д.М. Алгоритм проектирования СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. №4. С. 59-63.

2. Горбачев Д.М. Развитие кусочно-квазилинейной модели биполярного транзистора /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №1. Вып. 1. С. 74-80.

3. Горбачев Д.М. Обеспечение устойчивости СВЧ-генератора на биполярном транзисторе, работающем в режиме с отсечкой тока /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №1. Вып. 2. С. 255-260.

II. Публикации в других гаданиях

4. Горбачев Д.М. Алгоритм моделирования СВЧ-транзисторных генераторов с перестройкой частоты /Д.М. Горбачев, Е.М. Мазеева, М.А. Фурсаев // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2005. С. 318-321.

5. Горбачев Д.М. К проектированию СВЧ-транзисторных генераторов с варакторной перестройкой частоты /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Системы и устройства низких и сверхвысоких частот: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2005. С. 18-24.

6. Горбачев Д.М. Определение режима открытия коллекторного перехода в биполярном транзисторе /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 304-307.

7. Горбачев Д.М. Определение параметров электрического режима биполярного транзистора в составе СВЧ-генератора с внутренней обратной связью / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2007. С.279-284.

8. Горбачев Д.М. Алгоритм расчета электрических параметров усилителя на биполярном транзисторе /Д.М. Горбачев// Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2006. С. 34-36.

9. Горбачев Д.М. Условие работы биполярного транзистора в недо-напряженном режиме в составе СВЧ-генератора с внешней обратной связью /И.В. Беляев, Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев// Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2007. С.67-72.

10. Горбачев Д.М. Моделирование входной цепи постоянного тока СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев// Информатизация технических средств и процессов: сб. науч. трудов XXI Междунар. науч.-техн. конф.: в 6 т. Саратов: СГТУ. 2008. Т.5. С. 273-275.

11. Горбачев Д.М. Особенности схемотехнического проектирования СВЧ-транзисторных генераторов с внутренней обратной связью /Д.М. Горбачев, Е.В. Мазеев, М.А. Фурсаев// Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 38-41.

12. Горбачев Д.М. Моделирование условий работы биполярного транзистора в составе СВЧ-генератора с внутренней обратной связью / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев//Радиотехника и связь: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С. 230-235.

13. Горбачев Д.М. Алгоритмы решения задач схемотехнического проектирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе /Д.М. Горбачев, Е.В. Мазеев// Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С.12-16.

Горбачев Денис Михайлович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-ГЕНЕРАТОРА С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Автореферат Корректор О.А. Панина

Подписано в печать 12.05.09 Формат 60x80 1/16

Бум. офсет Усл. печ. л. 1.0 Уч.-изд. л. 1.0

Тираж 100 экз. Заказ 209 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

ВВЕДЕНИЕ

1 ГЛАВА 1 ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СВЧ

ГЕНЕРАТОРОВ С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

1.1. Исходные положения моделирования СВЧ- 11 транзисторных генераторов с внутренней обратной связью

1.2. Математические модели биполярного транзистора, 16 и их применение при моделировании СВЧ-генераторов с внутренней обратной связью

1.3. Модель биполярного транзистора, работающего 22 в недонапряженном режиме с отсечкой тока, и направления ее усовершенствования

1.4. Линейная модель биполярного транзистора 27 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 2 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛИ

БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА, РАБОТАЮЩЕГО В НЕДОНАПРЯЖЕННОМ РЕЖИМЕ С ОТСЕЧКОЙ ТОКА

2.1 Уточнение исходных положений модели

2.2 Уравнения модели транзистора 34^

2.2.1. Соотношения для Z - коэффициентов

2.2.2 Определение рабочей величины угла отсечки

2.3; Алгоритм расчета электрических параметров транзистора в составе усилительного'каскада 2.4. Проверка адекватности,усовершенствованной модели

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ СВЧ-ГЕНЕРАТОРА С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ 3.1 СВЧ-генератор с внутренней обратной связью на 53 биполярном транзисторе и задачи его схемотехнического проектирования

3:2 Моделирование при^выборе режима работы* транзистора в составе генератора с внутренней обратной связью

3.2.1 Исследование условий обеспечения 59 отрицательной величины входной проводимости транзистора

3.2.2 Выбор параметров электрического режима 70 транзистора

3.3. Моделирование при решении вопросов обеспечения 74 устойчивости генератора

3.4. Моделирование работоспособности генератора 79 в условиях действия дестабилизирующих факторов ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-ТРАНЗИСТОРНОГО 86 ГЕНЕРАТОРА С ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

4.1. Способы перестройки частоты СВЧ-транзисторных 86 генераторов

4.2. Модель колебательной системы СВЧ-генератора 88 с варакторной перестройкой частоты

4.3. Алгоритм схемотехнического проектирования СВЧ- 90 транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Генераторы СВЧ-диапазона, использующие биполярные и полевые транзисторы, нашли широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре. Маломощные такие генераторы, как- правило, 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 с; отсечкой тока, на базе усовершенствованной модели этого прибора.

3: Предложен алгоритм решения» задачи? синтеза2 СВЧ-генератора с внутренней обратной-; связью на биполярном; транзисторе с варакторной перестройкой; частоты^ позволяющий; выработать требованияs к- частотным характеристикам! узлов электродинамической - системы генератора* обеспечивающим: получение задаваемого диапазонашерестройкш

4. Разработан: комплекс программ на языке. (2++ на основе; предложенных 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, заключающиеся; в;-обеспечении; на генерируемой- частоте резонанса^ выходнойще-пи, в состав которой входит барьерная: емкость коллекторного переходаприбо-ра.

6. Ироведеношоделирование:режимов!работы СВЧ-генератора с внутренней обратной- связью на биполярном транзисторе с учетом, действия дестабилизирующих факторов производства и эксплуатации.

Достоверность; результатов? исвыводов, диссертационной; работьг обосновывается; применением методовi моделирования- апробированных в современной технике СВЧ, соответствием: применяемого математического аппарата: классу задачу решаемых теорией электрических цепей,. экспериментальным: подтверждением адекватности; используемой 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 задачи- синтеза и анализа СВЧ-генератора с внутренней обратной- связью - 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 моделирования; втом\ 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 параметров ^режима 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 мощности; но и обеспечивает решение задач- моделирования генераторов, в которых транзистор работает в этом; режиме; - развиваемые- модельные представления, отражающие, условия; при; которых 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 пассивным; элементам 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 проблемы- электронного приборостроения» (Саратов; 2008 г.). По материалам диссертации опубликовано 13 работ; из 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 транзистора; на 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 генератора- с внутренней» обратной связью, может быть„ получена- пр№ подборе такого* значения- реактивной, 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- связью; а 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.

1. Челноков О.Л: Транзисторные генераторы синусоидальных колебаний /О.Л1 Челноков/ М.: Сов. радио, 1972. 272 с.

2. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ /Под ред. Уткина Г.М/М.: Сов. радио, 1979. 320 с.

3. Богачев В.М. Транзисторные генераторы и авто дины /В.М. Богачев, В.Г. Лысенко, С.М. Смоленский/М!: Изд. МЭИ, 1993.4". Аблин А.Н. Транзисторные и варакторные устройства /А.Н. Аблин, Л.Я. Могилевская, Ю.Л. Хотунцев/ М.: Радио и связь, 1995. 158 с.

4. Балыко А.К. Проектирование- автогенераторов .на полевых транзисторах. 4.1. Модель автогенератора и методика его проектирования /А.К. Балыко, Я.Б. Мартынов, А.С. Тагер/ Электронная техника: сер.1. Электроника. СВЧ; 1988. Вып. 1. С. 29-33.

5. Kitchen J.Octave Bandwidth'Varactor-tuned Oscillators /J. Kitchen/ Microwave Journal: Vol.30i №5, 1987. Pp. 347-353.

6. Grebennikov A.V. Microwave FET Oscillator: An Analytic Appeach to Simplify Computer-aided Design. /A.V. Grebennikov/. Microwave Journal. Vol.43. №4, 2001. Pp.100-110.

7. Фартушнов С.А'. Схемотехническое проектирование и моделирование СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном трпнзисторе /С.А. Фартушнов/ канд. диссертация: СГТУ, Саратов. 1998(.

8. Фартушнов С.А. Обеспечение устойчивости стационарного ^режима СВЧ-генераторана биполярном транзисторе /С.А. Фартушнов; М.А. Фурсаев/ Электронная техника: сер.1. СВЧ-техника, 2001. Вып.1. С. 9-13.

9. Фурсаев М.А. Расчет электрических характеристик СВЧ-усилителя мощности?на'биполярной транзисторе /М.А. Фурсаев/ Электронная техника:, сер.Г. СВЧ-техника, 1994. Вып.2. С.22-26.

10. Богачев В.М: Транзисторные усилители мощности /В.М: Богачев,-В .В'. Никифоров/ М.: Энергия, 1978. 343 с.15'. Хотунцев Ю.Л. Синхронизованные генераторы автодиньъна полупроводниковых приборах /Ю.Л. Хотунцев, Д.Я. Томарчук/ М.: Радио и связь, 1982. 240 с.

11. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ /И.В. Лебедев/Ml: Высшая» школа. Т.2, 1972. С.616.

12. Коллинз Дж. Магнетроны сантиметрового диaпaзoнai (Пер. с анг. под ред. СА Зусмановского). Т. 1. М.: Сов. радио,„1950:

13. Бычков С.И. Вопросы теории и практического применения приборов магнетронного типа/С.И. Бычков/М.: Сов. радио, 1967.

14. Odyniec Mi Oscillator Stability Analyses /М. Odyniec/ Microwave Journal: 19991. V.42. №6. Pp 66-76.

15. Лебедев И;В. Твердотельная СВЧ-электроника /И.В. Лебедев, А.С. Шитников/ М.:.Изд. МЭИ, 1988. 72 с.

16. Полупроводниковые приборы СВЧ. Под ред. М.Хоуса, Д. Моргана. М.: Мир; 1979. 444 с.

17. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах /Н.З. Шварц/ М:: Радио<и связь, 1987. 200 с.

18. Алексеев О.В. Проектирование и расчет устройств СВЧ в системе Microwave Garmonica/O.B. Алексеев, А.А. Головко, В.Ю. Приходько/ С.Петербург.: Изд. СПбГТЭУ, 1997. 134 С.

19. Анализ и расчет интегральных схем /Под ред. Д. Линна, Ч. Мейера, Д. Гамильтона/ Т.1. -М.: Мир, 1969. 372 с.

20. Пасынков И.И. Полупроводниковые приборы /И.И. Пасынков, Л.К. Чиркин/ М.: Высшая школа, 1986. 479 с.

21. Федоров В.И. Модифицированная нелинейная модель биполярного транзистора, /В.И. Федоров, Ю.Л. Хотунцев/ Электронная техника: сер.2. Полупроводниковые приборы, 1984. Вып. 7. С. 14-21.

22. Аблин А.Н. Исследование на ЭВМ флуактационных характеристик Транзисторных усилителей мощности /А.Н. Аблин, Л.Я. Могилевская, Ю.Л. Хотунцев/ Изв. ВУЗ ов. Радиоэлектроника, 1991. №1. С.3-10.

23. Болдырева Т.И. Схематическое проектирование СВЧ-транзисторных усилителей мощности на СМ ЭВМ / Т.И. Болдырева, А.Ф. Объедков, А.А. Тур-кин/ М.: Изд. МЭИ, 1986. 44 с.

24. Беляев И.В. Учет влияния параметров входной цепи транзистора на его работу в составе усилительного каскада / И.В. Беляев, С.А. Фар-тушнов, М.А Фурсаев/ Деп. ВИНИТИ: №102-В, 1998. 18 с.

25. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. 4.1. Линейные электрические цепи /Г.И. Атабеков/ М.: Энергия, 1970. 592 с.

26. Зевеке Г.В. Основы теории цепей /Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В.Страхов/М.: Энергоатомиздат, 1989. 528 с.

27. Горбачев Д.М. Развитие кусочно-квазилинейной модели биполярноготранзистора /Д:М. Горбачев; М.А. Фурсаев/ Саратов.: Вестник СГТУ, 2008'. №1. Вып. 1. С.74-80:

28. Горбачев Д.М. Определение режима открытия*коллекторного перехода в биполярном-транзисторе /Д.М. Горбачев, М:А.Фурсаев/Радиотехника и связь: Материалы 3-шмеждународной науч.-техн. конференции. Саратов.: СГТУ, 2006. С. 304-307.

29. Справочник по расчету и конструированию СВЧ-полосковых устройств /С.И: Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н*. Лаб и др./ М.: Радио,и связь, 1982. 592 с.

30. Гупта К. Машинное проектирование СВЧ-устройств /К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха/ М.: Радио и связь, 1987. 432 с.

31. Савельев В.С. Генераторыша транзисторах СВЧ-диапазона. Обзоры, по ЭТ: сер. Электроника СВЧ. Ml: ЦНИИ-Электроники, 1981. вып.З. С. 15-19.

32. Hamilton S. Microwave Oscillator Circuits /S. Hamilton/ Microwave J. 1978. №4. P. 63-66.

33. Tamm P, U. YIG-Tuned Oscillators Have Application /Р. U. Tamm/ Microwave System News. 1979. №7. P. E3-E8.

34. Горбачев.Д-.М. Алгоритм-моделирования СВЧ-транзисторных генераторов с перестройкой8 частоты /Д.М. Горбачев, Е.М. Мазеева, М.А. Фурсаев/ Радиотехника и связь. Матер, межд. науч.-техн. конф: Саратов. СГТУ. 2005. С. 318-321.

35. Горбачев Д.М. К проектированию СВЧ-транзисторных генераторовс варакторной перестройкой частоты-/Д.М. Горбачев, М:А\ Фурсаев/ Системы и устройства низких и сверхвысоких частот: сб. науч. трудов.,СГТУ. Саратов. 2005. С. 18-24.

36. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики /В.И. Каганов/ -М.: Энергия, 1976: 448 с!м