автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Моделирование и схемотехника СВЧ-транзисторного генератора с невзаимным элементом в цепи обратной связи

На правах рукописи

Беляев Илья Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И СХЕМОТЕХНИКА СВЧ - ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА С НЕВЗАИМНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Специальность 05.27.01-Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и ианоэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

004605550

Саратов 2010

004605550

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Фурсаев Михаил Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Игнатьев Александр Анатольевич

кандидат технических наук, доцент Мирошниченко Алексей Юрьевич

Ведущая организация:

ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов

Защита состоится «21» июня 2010 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1,ауд. 319

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «20» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Транзисторные генераторы СВЧ-диапазона нашли широкое применение в современной радиоэлектронной технике. 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, позволяющий 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 моделирования. 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 цепями обратной связи. 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.

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 (О.Л. Челноков, В.М. Богачев, Ю.Л. Хотунцев, А. К. Балыко и др.). Попытки распространения модельных представлений, свойственных генераторам низкочастотного и высокочастотного диапазонов, на СВЧ-генераторы не дают должного эффекта, поскольку при таком подходе не учитываются многие факторы, характерные для СВЧ-диапазона.

Разработка транзисторных генераторов СВЧ - диапазона потребовала создания математических моделей, в которых учитывалась специфика этого диапазона. Созданные модели, как правило, отражают работу генераторов с внутренней обратной связью (М.А. Фурсаев, С.А. Фартушнов, Д.М. Горбачев, А.У. ОгеЬепшкоу). Такие генераторы содержат

меньше пассивных СВЧ-элементов, но обладают существенным недостатком, связанным с возникновением в транзисторе опасных для него перенапряжений, создаваемых полем стоячей волны, которая возникает из-за наличия рассогласования цепей на выходе и входе транзистора. Перенапряжений можно избежать, уменьшив питающие напряжения, но это приводит к снижению выходной мощности.

Генераторы с внешней цепью обратной связи лишены этого недостатка. Но, как показано в работах М.А. Фурсаева и Е.М. Мазеевой, при отсутствии в цепи обратной связи невзаимного элемента, который обеспечивает развязку входной и выходной цепей, только половина мощности транзистора передается в нагрузку, что приводит к снижению КПД. Однако в объеме, достаточном для практического применения, вопросы математического моделирования и схемотехнические решения транзисторных генераторов СВЧ с внешней обратной связью, содержащей невзаимные элементы, не рассматривались.

Этим объясняется актуальность дальнейшего развития модельных представлений относительно СВЧ-транзисторных генераторов с внешней обратной связью и разработки методик решения задач их схемотехники, что необходимо для создания таких устройств высокого уровня мощности и КПД.

Цель работы. 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.

Задачи исследования:

- построение математической модели стационарного режима СВЧ -транзисторного генератора с внешней обратной связью, в состав которой введен невзаимный элемент, обеспечивающий развязку входной и выходной цепей;

- 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 определения параметров 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.

Научная новизна работы:

- построена математическая модель стационарного режима СВЧ -генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент;

- предложены алгоритмы решения задач схемотехники СВЧ -транзисторного генератора, учитывающие наличие в его цепи внешней обратной связи ферритового вентиля, в том числе определения параметров и топологии пассивных элементов 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;

- разработана методика анализа СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей ферритовый вентиль, позволяющая определить его выходные параметры при изменении питающих напряжений и параметров нагрузки.

Достоверность результатов работы.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методов математического моделирования, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием используемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, соответствием исходных положений реальным условиям, свойственным исследуемому объекту. Результаты выполненного анализа подтверждены экспериментальными данными.

Положения, выносимые на защиту:

- 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.

Практическая значимость работы:

1. 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;

2. Алгоритм решения задачи синтеза цепи внешней обратной связи с невзаимным элементом СВЧ-транзисторного генератора, при задании значений параметров электрического режима транзистора позволяет определять величины параметров элементов этой цепи, а также их топологию;

3. 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.

Личный вклад автора. Автором разработаны алгоритмы и методики решения задач схемотехники рассматриваемого типа СВЧ-транзисторных генераторов, проведены необходимые расчеты и теоретические исследования, выполнен анализ полученных результатов.

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета. Ее материалы 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.).

Публикации. По материалам научных исследований, проведенных в рамках диссертации, опубликовано 12 печатных работ, одна из которых -в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 113 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, включает 35 рисунков, 7 таблиц. Список используемой литературы включает 50 наименований.

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 математического моделирования СВЧ-транзисторных генераторов с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент. На их базе решаются задачи схемотехники при проектировании этих устройств. Для определенности считается, что в качестве невзаимного элемента используется ферритовый вентиль. В результате решения задач схемотехники должны быть определены, в частности, параметры электрического режима транзистора и параметры пассивной части электродинамической системы генератора, обеспечивающие получение требуемых значений выходных параметров устройства, в том числе, генерируемую частоту и выходную мощность.

При математическом моделировании генератора используется эквивалентная схема, приведенная на рис.1, в которой транзистор представлен в виде активного четырехполюсника (1). Основными элементами цепи обратной связи являются выходной (2) и входной (6) трансформаторы связи, ферритовый вентиль (4), двухполюсник (3), отражающий наличие внешней нагрузки, и двухполюсник (5), которым представлена колебательная система. Элементы (2) и (6), а также (7) и (8), отражающие наличие отрезков МПЛ на входе и выходе вентиля, являются пассивными четырехполюсниками.

Транзистор характеризуется коэффициентом усиления по мощности Кр, электрической длиной <ртр и входной проводимостью Увх = + )ВШ. Его режим работы зависит от величин проводимости цепей на входе и выходе Уг = йг + }Вг и У„ = С„ + ]ВН.

Х- Хвх Хн

Рис.1. Эквивалентная схема СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент

Двухполюсники (3) и (5) характеризуются величинами проводимостей YH=GH+jB„ и Укс = GKC + jBKC. Считается, что трансформаторы связи выполнены однородными отрезками МПЛ с волновыми проводимостями Y^ и Утых, электрические длины которых <рах и <рвых. Ферритовый вентиль обеспечивает идеальную развязку и не имеет потерь для мощности в прямом направлении.

При математическом моделировании генератора используется амплитудное условие стационарного режима генератора, записанное в терминах мощности

Кр*р=\, (1)

где схр- коэффициент передачи мощности по цепи обратной связи.

Фазовое условие стационарного режима используется в обычном виде и представляет сумму электрических длин элементов обратной связи и транзистора,кратную 2л:

2>,= 2лк, (2)

I

где к - целое число.

Уравнения СВЧ-цепи транзисторного генератора с внешней обратной связью определяют значения проводимости цепей, на которые нагружены вход и выход транзистора, от величин которых зависит режим его работы в составе этого устройства

у — у —вв ^

г

у _ у (У " + Кдд) + ^оеых^ФвыХ

1- и 1овых ' > V4/

^овыX " +^аа)18(Реых

где Уаа и Квв - входная и выходная проводимости вентиля, пересчитанные к сечениям «аа» и «вв» через элементы (7) и (8) схемы рис.1.

Величины параметров биполярного транзистора, входящих в условия (1) и (2), и учет влияния на эти величины значений проводимостей цепей на входе и на выходе прибора, определяются с использованием модели, развитой Д.М. Горбачевым и М.А. Фурсаевым.

При моделировании СВЧ-транзисторного генератора предлагается использовать аналогию в условиях работы транзистора в таком устройстве и в составе усилительного каскада. С учетом этого могут быть заданы величины параметров электрического режима работы транзистора, при которых обеспечиваются требуемые выходные параметры генератора. Значения параметров, характеризующих электрический режим прибора и условия его работы, определяются при использовании математической модели транзистора. Тогда решение самосогласованной задачи моделирования генератора сводится к решению задачи синтеза цепи обратной связи, т.е. к задаче определения состава и параметров элементов этой цепи, при которых можно получить работу транзистора в заданном режиме.

Устойчивость стационарного режима генератора с внешней обратной связью определяется действием двух факторов, от которых зависит мощность на входе транзистора: его усилительными свойствами, которые характеризуются коэффициентом усиления по мощности, и потерями мощности при ее передаче по цепи обратной связи. С учетом этого устойчивость работы генератора может быть обеспечена при выполнении следующих двух условий. Если при уменьшении входной мощности относительно Р^ст' соответствующей стационарному режиму, действие первого фактора, т.е. усилительных свойств транзистора, будет преобладать над действием второго фактора, потерями мощности в цепи обратной связи. В результате этого должно происходить увеличение мощности на входе транзистора. Или если при увеличении входной мощности относительно Рюст действие второго фактора будет

преобладать над действием первого, что приведет к уменьшению мощности на входе транзистора. Таким образом, условие устойчивости стационарного режима СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью может быть представлено в виде

при Ра < Ретот К > — , при Рех > Р^с», К <~. (5)

Эти неравенства используются при оценке устойчивости стационарного режима генератора.

Вторая глава посвящена исследованию фазовых характеристик биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока. В частности, предложена методика расчета электрической длины такого прибора, параметра, который входит в фазовое условие стационарного режима генератора с внешней обратной связью (2). Методика учитывает эквивалентное представление транзистора, в виде активного четырехполюсника. Кроме того, учитывается возможность представления связи между входными и выходными токами и напряжениями прибора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, системой уравнений с 2-коэффициентами, величины которых являются функциями усредненных значений параметров нелинейных элементов его эквивалентной схемы, зависящих от его электрического режима. С использованием теории четырехполюсников определяется комплексный коэффициент передачи транзистора по напряжению Ки, а следовательно, его электрическая длина

ЛМКи})

МКи))

С помощью соотношения (6) проведено исследование изменения электрической длины транзистора типа КТ919А, работающего в составе усилительного каскада на частоте 1 ГГц, при изменении входной мощности, напряжения источника коллекторного питания и параметров нагрузки относительно значений, соответствующих номинальному режиму работы. В качестве иллюстрации на рис.2 приведены расчетные зависимости изменения электрической длины прибора в составе усилительного каскада, работающего на согласованную нагрузку, при изменении входной мощности и напряжения коллекторного питания.

<Ртр =

(6)

-10

> Д @,град

■--- 1.0 3 Р»х,

0.8 ____ 1.2 1.4

. 2

\1

Рис.2. Расчетные зависимости изменения электрической длины транзистора с учетом наличия на его выходе трансформатора связи при изменении входной мощности и напряжения источника питания (1- Ек =22 В; 2- Ек = 24 В; 3- Ек =26В)

Третья глава посвящена решению задачи синтеза цепи обратной связи СВЧ-транзисторного генератора, содержащей ферритовый вентиль. В качестве исходных данных при синтезе используются значения параметров электрического режима транзистора, к числу которых относятся: коэффициент усиления по мощности, электрическая длина и проводимости цепей на его входе и выходе.

Полагается, что потери мощности при ее передаче с выхода транзистора на его вход определяются ответвлениями во внешнюю нагрузку, в колебательную систему, а также отражением мощности на выходе вентиля.

Тогда для коэффициента усиления транзистора по мощности записывается уравнение, которое используется как амплитудное условие стационарного режима генератора

К р = (1 + а„ )(1 + аотр)(1 + акс), (7)

где коэффициент ан определяется как отношение мощности, ответвляемой во внешнюю нагрузку, к мощности, проходящей через вентиль

Рв_ Р.

£

(8)

коэффициент акс определяется как отношение мощности, ответвляемой в колебательную систему, к мощности на входе транзистора Р й

а*г =-

1вх+ ]Уо«хШ>х\

коэффициент аотр определяется величиной модуля коэффициента

отражения на выходе вентиля, который зависит, в том числе, от согласования в месте разветвления мощности между колебательной системой и входом транзистора. Если в этом месте согласование отсутствует, то

т

Вкс + ¥оех 1т

Увх+^овх(8<Рех \ ^оех

(10)

(И)

где отличие коэффициентов т и п от единицы указывает на рассогласование.

Эти соотношения входят в систему уравнений для определения шести параметров элементов выходного участка цепи обратной связи (Уот, д. Скс, Вкс, йев и Вед), величины которых зависят от значений коэффициентов тип. Значения этих коэффициентов выбираются с

учетом реализации топологии выходного участка цепи обратной связи. Кроме того, необходимо иметь в виду ограничение на величину отношения реактивной проводимости колебательной системы к ее активной проводимости. Величина этого отношения, зависящая от добротности колебательной системы, не должна существенно отличаться от нуля. Ее оценка может быть осуществлена с помощью соотношения, которое получается при использовании аналогии с ЬС-контуром

(12)

^ УО

где <2 - добротность колебательной системы; /0 - ее резонансная частота; /ген - генерируемая частота.

При синтезе выходного участка цепи обратной связи определяются значения коэффициентов аотр и ан. Знание значения последнего

коэффициента необходимо при синтезе входного участка цепи обратной связи. Величины проводимостей Скс и Вкс являются исходными данными при проектировании колебательной системы, а знание величин проводимостей <7в„ и Вдв необходимы для определения топологии участка на выходе вентиля.

При синтезе входного участка цепи внешней обратной связи используются два уравнения, получаемые из (4) с учетом (8)

С

1 + а„

1н -)}'оеыЛ<Ры

^овых ЖЛ<Реых (

В„„ + В' = Гпя„. 1т

Г» - ]УоеыЛ<Ре,

(13)

(14)

Уоеых-ЛЛ'Рвых,

Они используются при определении величин пяти параметров элементов этого участка (Уоеых, <ршх, Сн, В'н и Ваа). Величина

проводимости (7аа рассчитывается по соотношению (8) при уже определенной величине коэффициента ан. При этом необходимо учитывать ограничения на длины отрезков МПЛ входного участка цепи обратной связи, которые определяются при синтезе выходного участка. Величины проводимостей Сн и В'„, а также (70(г и Ваа являются исходными данными для определения топологии участков на выходе генератора и входе вентиля соответственно.

Известные в результате решения задачи синтеза цепи обратной связи значения электрических параметров ее элементов с использованием известных методов расчета позволяют определить топологию этих элементов, а с использованием соотношений, аналогичных (6), -электрические длины каждого из участков цепи обратной связи. Знание величин электрических длин этих участков вместе с величиной

12

электрической длины транзистора согласно фазовому условию стационарного режима генератора позволяет выработать требования к электрической длине ферритового вентиля.

Разработанные методики синтеза цепи обратной связи и определения параметров топологии ее пассивных элементов, а также алгоритмы соответствующих расчетов иллюстрируются на примере СВЧ-генератора, в котором используется биполярный транзистор типа КТ919А, работающий в недонапряженном режиме класса С. На базе определенных при этом параметров элементов цепи обратной связи проводятся последующие исследования работы генератора.

В четвертой главе рассмотрены вопросы обеспечения устойчивости стационарного режима СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью и анализа работы такого генератора при изменении питающего напряжения и параметров нагрузки на выходе устройства.

Показано, что устойчивость стационарного режима СВЧ-генератора с внешней обратной связью, построенного на базе биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, обеспечивается при введении в эмиттерную цепь постоянного тока резистора смещения и подборе величины его сопротивления и напряжения источника в этой цепи. При этом учтена зависимость коэффициента передачи мощности по такой цепи от электрического режима транзистора.

В основу исследования положено соотношение (7), в котором левая часть представляет собой величину, обратную коэффициенту передачи мощности по цепи обратной связи. При этом анализируется ход кривых зависимостей левой и правой частей соотношения (7) от мощности, поступающей на вход транзистора, в области их пересечения. Кривые строятся для ряда значений параметров элементов эмиттерной цепи постоянного тока. Критерием устойчивости стационарного режима генератора является выполнение неравенств в условиях (5).

На рис.3 приведены результаты расчета зависимостей коэффициента усиления транзистора и величины, обратной коэффициенту передачи мощности по цепи обратной связи от мощности на входе прибора. Видно, что в отсутствие резистора смещения в эмиттерной цепи постоянного тока устойчивость стационарного режима генератора не обеспечивается. При увеличении сопротивления резистора смещения кривые обеих зависимостей разворачиваются по часовой стрелке. Однако кривая зависимости величины, обратной коэффициенту передачи мощности, разворачивается быстрее, в результате чего условие (5) становится выполнимым. В работе проведено моделирование СВЧ-генератора на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, и с ферритовым вентилем в цепи внешней обратной связи при изменении напряжения источников постоянного питания и параметров нагрузки.

0,5 О"? р 1,0 1Д? Г...ВТ 0,5 0.-5 р 1,0 1Д5 Г „.Вт

Т

Рис.3. Расчетные зависимости коэффициента усиления по мощности транзистора (1) и величины,обратной коэффициенту передачи мощности по цепи обратной связи (2) для ряда значений параметров элементов входной цепи постоянного тока: а- К См= 0, 1!см=-0,5 В; б-Л см= 2 Ом, исм= 0,79 В; в - Л т=5 Ом, £/СЛ= 2,72 В; г- Я см- Ю Ом, иы=5,93В

При этом решается самосогласованная задача. Для ее решения должны быть известны амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики колебательной системы, а также фазочастотная характеристика ферритового вентиля в интервале частот, в котором происходит изменение генерируемой частоты при изменении режима работы генератора.

Предложенный алгоритм решения самосогласованной задачи использует методику последовательных приближений, при которой расчеты проводятся по циклам. В начале каждого цикла при фиксированной частоте определяются коэффициент усиления транзистора и компоненты его входной проводимости, а также значения коэффициентов акс, ан и аотр, при которых выполняется амплитудное

условие стационарного режима работы генератора (7). Значения этих параметров, а также рассчитываемая электрическая длина транзистора используются для определения величины реактивной проводимости колебательной системы, при которой выполняется фазовое условие стационарного режима генератора (2). Отличие этой величины от исходной при известной фазочастотной характеристике колебательной системы позволяет рассчитать генерируемую частоту. Таким образом, определяются значения параметров, которые являются исходными для последующего цикла.

Результаты расчета электрических параметров генератора и его элементов при величинах напряжения Е^ =26В, 11 см = 6,42 В

Электрические параметры генератора и его элементов Результаты расчета

0-й цикл 1-й цикл 2-й цикл

Коэффициент усиления транзистора, КР 8,53 8,77 8,93

Входная проводимость транзистора °вх +]Вех,См 0,021 ^0,160 0,020^0,158 0,020-Д158

Электрическая длина транзистора <ртр,град 60,87 61,22 61,53

Выходная мощность генератора ^выхген' Вм 7,05 6,88 6,88

Генерируемая частота /, ГГц 1,002 1,003 1,003

Как показывают расчеты, если сохраняется работоспособность генератора в режимах, отличных от номинального, имеет место быстрая сходимость результатов вычислений. Это иллюстрируется данными таблицы для случая увеличения напряжения источников коллекторного питания Ек и напряжения смещения источника в эмитгерной цепи постоянного тока IIна 8% относительно номинальных величин.

I»

Ек '

-0,2

У

2

У

Ек '

Рис.4. Расчетные (1) и экспериментальные зависимости (2) выходной мощности (а), постоянного эмиттерного тока транзистора (6) и генерируемой частоты генератора (в) при изменении напряжений источника постоянного питания

На рис.4 приведены расчетные зависимости выходной мощности, постоянного эмиттерного тока транзистора и генерируемой частоты генератора при изменении напряжения источника постоянного питания. На этом же рисунке приведены соответствующие экспериментальные данные для генератора на биполярном транзисторе типа 2Т948Б. Как видно, расчетные данные правильно передают ход соответствующих экспериментальных зависимостей.

В заключении формулируются основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Построена математическая модель стационарного режима СВЧ-транзисторного генератора с невзаимным элементом, обеспечивающим развязку, во внешней обратной связи. Уравнениями СВЧ-цепи такого генератора являются уравнения, 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 невзаимного элемента.

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. Параметры режима транзистора заранее определяются при использовании одной из известных адекватных математических моделей.

3. Предложен алгоритм определения параметров цепи внешней обратной связи СВЧ-транзисторного генератора, содержащей ферритовый вентиль. Показано, что наличие такого элемента позволяет проводить поэтапное определение параметров отдельных участков цепи обратной связи. При этом на первом этапе должны определяться параметры участка между выходом вентиля и входом транзистора, а на втором - участка между выходом транзистора и этим элементом. Поэтапное определение параметров цепи обратной связи существенно упрощает решение задачи схемотехники 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. Эти соотношения используются при моделировании СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью.

5. 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 мощности, поступающей на вход транзистора, его коэффициента усиления, а также величины, обратной коэффициенту передачи мощности по цепи обратной связи. Показано, что варьированием 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.

6. Разработана 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. 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.

7. 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. При этом определены значения электрических параметров пассивных элементов электродинамической системы генератора, геометрических параметров отрезков МПЛ цепи обратной связи и параметров элементов эмиттерной цепи постоянного тока.

8. Разработана методика расчета электрических параметров СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью при изменении питающих напряжений и параметров нагрузки. Проведено исследование влияния на условия работы СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с ферритовым вентилем в цепи внешней обратной связи отклонения

напряжений источников постоянного питания и параметров нагрузки от тех, которые соответствуют номинальному режиму. Подтверждено соответствие результатов расчета экспериментальным данным.

Основные публикации по теме диссертации:

I. Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических гаданий ВАК РФ

1. Беляев И.В. Импедансная характеристика транзистора и устойчивость работы СВЧ транзисторного генератора / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. №4. Вып. 4. С. 59-63.

II. Публикации в других изданиях

2. Беляев И.В. Учет влияния параметров входной цепи транзистора на его работу в составе усилительного каскада / И.В. Беляев, С.А. Фартушнов, М.А. Фурсаев // Деп. в ВИНИТИ 12.05.1998. №102.

3. Беляев И.В. Условие работы биполярного транзистора в недонапряженном 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.67-73.

4. Беляев И.В. Расчет фазовых характеристик биполярного транзистора / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 41-43.

5. Беляев И.В. Моделирование изменения электрической длины биполярного транзистора в составе усилительного каскада / И.В. Беляев, М.А.Фурсаев // Радиотехника и связь: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С. 217-221.

6. Беляев И.В. Моделирование СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, содержащей двухстороннюю развязку / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22): сб. науч. трудов XXII Междунар. науч. конф. Псков, 2009. С. 95-97.

7. Беляев И.В. К определению исходных положений при проектировании обратной связи СВЧ транзисторного генератора / И.В. Беляев, М.А.Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов:СГТУ, 2008. С. 25-28.

8. Беляев И.В. Схемотехническое проектирование СВЧ транзисторного генератора, содержащего двухстороннюю развязку / И.В.

Беляев, М.А. Фурсаев // Радиотехника и связь: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 256-259.

9. Беляев И.В. К определению топологии выходного участка внешней обратной связи СВЧ транзисторного генератора / И.В. Беляев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С. 29-31.

10. Беляев И.В. Особенности моделирования СВЧ транзисторных генераторов с внешней обратной связью, содержащей ферритовую развязку / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев И Проблемы управления, передачи и обработки информации: сб. трудов Междунар. конф. Саратов: СГТУ, 2009. С. 239-241.

11. Беляев И.В. К проектированию источника СВЧ энергии на транзисторном генераторе / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Успехи современной электротехнологии: труды Междунар. науч.-техн. конф. -Саратов: СГТУ, 2009. С. 183-185.

12. Беляев И.В. Зависимость амплитудной характеристики биполярного транзистора от условий согласования его входа / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 10-13.

Беляев Илья Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И СХЕМОТЕХНИКА СВЧ-ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА С НЕВЗАИМНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Автореферат

Корректор О.А. Панина

Подписано в печать 18.05.10 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. "Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 161 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

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

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Основы математического моделирования СВЧ транзисторных генераторов с внешней обратной связью.

1.1. СВЧ транзисторный генератор с внешней обратной связью и исходные посылки его моделирования.

1.2. Уравнения СВЧ цепи транзисторного генератора с внешней обратной связью.

1.3. Особенности работы транзистора в составе СВЧ генератора с внешней обратной связью.

1.4. Устойчивость стационарного режима СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью и ее передаточная характеристика.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Исследование фазовых характеристик биполярного транзистора.

2.1. Электрическая длина биполярного транзистора и ее зависимость от электрического режима работы прибора.

2.2. Учет наличия выходного трансформатора связи на изменение электрической длины транзистора.

2.3. Выводы к главе 2.

Глава 3. Синтез цепи внешней обратной связи СВЧ транзисторного генератора, содержащей ферритовый вентиль.

3.1. Исходные положения задачи синтеза цепи внешней обратной связи.

3.2. Уравнения для определения параметров элементов цепи обратной связи.

3.3. Анализ влияния значений коэффициентов, характеризующих уровень потерь мощности при передаче по цепи обратной связи, на величины параметров ее элементов.

3.4. Методика определения параметров элементов цепи внешней обратной связи СВЧ транзисторного генератора, содержащей ферритовый вентиль.

3.4.1. Определение топологии выходного участка цепи обратной связи

3.4.2. Определение топологии входного участка цепи обратной связи.

3.4.3. Опр еделение электрической длины вентиля.

3.5. Выводы к главе 3.

Глава 4. Исследование работы СВЧ генератора с внешней обратной связью на биполярном транзисторе.

4.1. Обеспечение устойчивости стационарного режима генератора.

4.2. Исследование работы генератора при изменении напряжения источников питания.

4.2.1. Алгоритм расчета электрических параметров генератора при изменении напряжения источников питания.

4.2.2. Расчет электрических параметров СВЧ транзисторного генератора при изменении напряжения источников постоянного питания.

4.3. Исследование работы генератора при изменении нагрузки на его выходе.

4.4. Выводы к главе 4.

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 развязку; предложены алгоритмы решения задач схемотехники СВЧ транзисторного генератора при наличии в его цепи внешней обратной связи такого элемента; в 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, 2008г.), «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009г.), «Проблемы управления, передачи и обработки информации» (Саратов, 2009г.), «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009г.). 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.

1. Анашкин А.А. Малогабаритная транзисторная СВЧ печь / А.А. Анашкин, М.Я. Демьянович // Радиотехника и связь. Материалы Междунар. науч.- техн. конф. Саратов: СГТУ, 2004,- С. 180-186.

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

3. Vidwar M.A. Wideband Varactor-tuned Microstrip // Microwave Journal.-1999.-Vol.42, №6.- Pp. 80-86.

4. Jwa-Sriun Sun. Design and Analysis of Microwave Varactor-tuned Oscillators // Microwave Journal. -1999.-Vol.42, №6. -Pp. 302-310.

5. Челноков О. Л. Транзисторные генераторы синусоидальных колебаний. М.: Сов. Радио, 1972.- 272 с.

6. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ /Под ред. Г.М. Уткина М.: Сов. Радио, 1979.- 320 с.

7. Богачев В.М. Транзисторные генераторы и автодины / В.М. Богачев, В.Г. Лысенко, С.М. Смоленский / М.: Изд-во МЭИ, 1993.

8. Аблин А.Н. Транзисторные и варакторные устройства / А.Н. Аблин, Л.Я. Могилевская, Ю.Л. Хотунцев / М.: Радио и связь, 1995. -158 с.

9. 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.

10. Гринберг. Г.С. Программа анализа стационарных режимов автогенератора СВЧ на биполярном транзисторе / Г.С. Гринберг, В.П. Леонов // Электронная техника.-Сер.1. Электроника СВЧ.- 1991.-Вып. 1. С. 61-62.

11. Козлов Г.П. Математическая модель генератора на биполярном транзисторе / Г.П. Козлов, А.К. Балыко, В.М. Долич // Электронная техника. Сер.1. СВЧ техника,- 1992.-Вып. 9-10.- С. 39. Деп. ВЦНИИ «Электроника». № Р-5486.

12. Фартушнов С.А. Анализ условий обеспечения стационарного режима работы СВЧ генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе / С.А.Фартушнов, М.А. Фурсаев. Деп. ВИНИТИ №1964-В95.-С.15.

13. Фартушнов С.А. Обеспечение устойчивости стационарного режима СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе /С.А. Фартушнов, М.А. Фурсаев // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника. -2001. Вып.1.- С. 9-13.

14. Фартушнов С.А. Схемотехническое проектирование и моделирование СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе / С.А. Фартушнов // Канд. диссертация. СГТУ.-Саратов, 1998.

15. Grebennikov A.V. Microwave Transistor Oscillator An Analytic Approach to Simplify Computer-aided Design / A.V. Grebennikov // Microwave Journal. 1999. -Vol.42, №5.-Pp. 292-300.

16. Grebennikov A.V. Microwave FET Oscillators An Analytic Approach to Simplify Computer-aided Design /A.V. Grebennikov // Microwave Journal. 2000.-Vol. 43, №4.-Pp. 100-110.

17. Горбачев Д.М. Алгоритм проектирования СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Вестник Сарат. гос. техн. ун.-та. 2006.- Вып. 4, №4. С.59-63.

18. Горбачев Д.М. Моделирование условий работы биполярного транзистора в составе генератора с внутренней обратной связью / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Радиотехника и связь. Сб. науч. трудов. Саратов, 2008.- С. 217-221.

19. Горбачев Д.М. Математическое моделирование СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе / Д.М. Горбачев // Канд. диссертация. СГТУ. Саратов, 2009.

20. Мазеева Е.М. Моделирование СВЧ транзисторных генераторов / Е.М. Мазеева, М.А. Фурсаев // Электронная промышленность, 1999. №4. С.19-20.

21. Мазеева Е.М. Математическое моделирование СВЧ транзисторных генераторов с внешней обратной связью / Е.М. Мазеева // Диссертация на соиск. степ, к.т.н. Саратов, 2002. -129 с.

22. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники / Под ред. Кривицкого Б.Х. Т.2. М.: Энергия, 1977.- 472 с.

23. Хоровиц П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. -М.:Мир, 2002. -704 с.

24. Мазеева. Е.М. Распределение мощности в выходной цепи СВЧ генератора на активном четырехполюснике / Е.М. Мазеева, М.А. Фурсаев // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника, 2001. №1. - С. 119-124.

25. Забродин Ю.С. Промышленная электроника / Ю.С. Забродин. М.: Высш. Школа, 1982. -496 с.

26. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи / Г.И. Атабеков. Изд-во: Лань, 2008.- 592 с.

27. Фурсаев М.А. Расчет электрических характеристик СВЧ усилителя мощности на биполярном транзисторе / М.А. Фурсаев // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ техника, 1994. Вып, №2,- С. 22-26.

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

29. Богачев В.М. Транзисторные усилители мощности / В.М. Богачев,

30. B.В. Никифоров. -М.: Энергия, 1978. 343 с.

31. Горбачев Д.М. Алгоритм расчета электрических параметров усилии-теля на биполярном транзисторе / Д.М. Горбачев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов; СГТУ, 2006.1. C.34-36.

32. Беляев И.В. Зависимость амплитудной характеристики биполярного транзистора от условий согласования на его входе / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника. Науч.-тех. сборник. Саратов, 2009. -С. 10-13.

33. Фартушнов C.A. О роли резистора автосмещения в СВЧ транзисторном генераторе / С.А. Фартушнов, М.А. Фурсаев // Технические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 1998.- С.113-117.

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

35. Беляев И.В. Импедансная характеристика транзистора и устойчивость работы СВЧ транзисторного генератора / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Вестник Сарат. гос. техн. ун.-та. Саратов, 2006. Вып.4, №4. - С. 59-63.

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

37. Беляев И.В. Расчет фазовых характеристик биполярного транзистора / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения. Матер, межд. научно-техн. конф. Саратов, 2008. С.41-43.

38. Болдырева Т.И. Схемотехническое проектирование СВЧ транзисторных усилителей мощности на СМ ЭВМ / Т.И. Болдырева, А.Ф. Объедков, А.А. Туркин .- М. Изд. МЭИ, 1984.- 44 с.

39. Беляев И.В. Моделирование изменения электрической длины биполярного транзистора в составе усилительного каскада / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Радиотехника и связь. Сб. науч. трудов. Саратов, 2008. С. 217-221.

40. Беляев И.В. Синтез цепи обратной связи с развязкой СВЧ транзисторного генератора / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Вестник Сарат. гос. техн. ун.-та (в печати).

41. Беляев И.В. Моделирование СВЧ транзисторного генератора с внешней обратной связью, содержащей развязку / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Вестник Сарат. гос. техн. ун.-та (в печати).

42. Лебедев И.В. Приборы и техника СВЧ. Т.2. / И.В. Лебедев,- М.: Высшая школа, 1972.-616 с.

43. Беляев И.В. К определению исходных положений при проектировании обратной связи СВЧ транзисторного генератора / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника. Сб. науч. трудов. Саратов, 2008.- С. 25-28.

44. Беляев И.В. К проектированию источника СВЧ энергии на транзисторном генераторе / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Успехи современной электротехнологии. Труды межд. научно-техн. конф. Саратов, 2009.-С.183-185.

45. Беляев И.В. Схемотехническое проектирование СВЧ транзисторного генератора, содержащего двухстороннюю развязку / И.В. Беляев, М.А. Фурсаев // Радиотехника и связь. Сб. науч. трудов. Саратов, 2009. С. 256259.

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

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

48. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики / В.И. Каганов .-М.: Энергия , 1976. -448 с.

49. Беляев И.В. К определению топологии выходного участка внешней обратной связи СВЧ транзисторного генератора / И.В. Беляев // Техническая электродинамика и электроника. Сб. науч. трудов. Саратов, 2008. -С. 29-31.

50. УТВЕРЖДАЮ Директор филиала ЗАО «РТИ-Радио» ОКБ «СВЧ-Радио»1. В.И.Вислов1. Справкаоб использовании результатов диссертационной работы Беляева И.В. «Моделирование и схемотехника СВЧ-транзисторных генераторов с невзаимным элементом в цепи обратной связи»

51. Директор ООО НПФ «Этна» ф.-м. н., с.н.с. В.Я. Явчуновский «Z9 » uutp/^sL. 2010г.1. СПРАВКА

52. Об использовании результатов диссертационной работы Беляева И.В. «Моделирование и схемотехника СВЧ транзисторного генератора с невчаимным

53. Заместитель директора, к.ф.-м.н.1. В.Г. Школьников