автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Принципы разработки системы проектирования автогенераторов на СВЧ транзисторах

ЙОСКОВСКИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИНСТИТУТ С ТЕХНИЧЕСКИ ; УНИВЕГСШЕТ )

ЙЕОНИЧЕВА ЕЛЕНА ПЕТРОВНА

ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ II ПРОЕКТЮОВАИИЯ АВТОГЕНЕРАТОРОВ НА СВЧ ТРАНЗИСТОРАХ

05.12.01 - Тесрегачэсюге основа радиотехники

АВТОРЕФЕРАТ

дноэергашш на ссвзсание учгакй' степени

ка правах рукописи.

МОСКВА 1803

. Ра&та вшаляаа в Мгсксвжсы энергеппеокм кнсппуге на ка^-др® радклередаиак устройств.

Научный руководитель - каношат тиммесюи наук, ■ ясиенг Ы.В.Бяагавеш»я«й

одшэдшде отошли - дасгор ^жп-мататачэаая наук, прсС.Л.Хсяушев кандидат тяшичэсик наук, с.н.с. £.А.Ьгагареэ

Будущая сргашиащя - указана в решении спшкалкзи-рованюго (Завета

Зшгга сагютгся "¡$'пОЯ ¿Д? 1993 г. в /3 часов Мигнут кз заседании спаиаяюирсшннотэ Озвета K-053.I6.I3 Мэскаваюго эщ!Ретачэат> инсшуга в аупиторщ А-402.

Огзыз, заверений печатью. просим пркшать го алреоу: 1<ШБ. 1Щ Москва. Е-250. Краоюкэаарменная ул., дЛ4. УчгкШ Оэвет МЭИ.

С тюергааией шею ознакомгпься в <Л*Ьшгя® института.

Автореферат разослан г.

Учеий секретарь аиоштираваннсто 'дата

канядат -шт&зш наук, доиеит А / Т.И.Курзчгаза

-з- ■

1 I

ОБМАН ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Анализ современных достижения в области разработки кремниевых биполярных и полевых транзисторов яает широкие возможности дальнейшего развития радиоаппаратуры на •полупроводниковой элементной базе. Так при проектировании автогенераторов САГ) применение моаных СВЧ транзисторов, конкурирующих с лампами, позволит увеличить срок службы и надежность устройств, а также уменьшить габаритные размеры.

По мере усовершенствования технологии изготовления активных элементов растет сложность схемотехнического моделирования. Постоянно усложняющаяся конструкция транзисторов требуют более точных электрических моделей. При этом увеличивается число учитываемых компонентов, а это обуславливает необходимость применения ЭВМ. В результате трудоемкость* и требования к эффективному моделированию разрабатываемых узлов возрастают.

Цепь диссертационной работы заключается в создании метода проектирования транзисторных АР СВЧ, включающего в себя синтез и анализ автогенератора. Задача синтеза предусматривает определение параметров колебательной системы АГ по известным частоте, коэффициенту разложения, коэффициенту обратной связи, фазе нагрузки. Анализ автогенератора предполагает определение частоты (или частот) и амплитуд возможных колебаний, коэффициента обратной связи, устойчивости стационарного режима в полной эквивалентной схеме АГ, учитывающей паразитные параметры и цепи питания.

Научная новизна. Разработаны уравнения АГ в матричной форме, которые отличаются от общепринятых и позволяют учесть большинство параметров активного элемента (паразитные индуктивности выводов, межэлектродные и корпусные емкости и т.д.) и пассивной колебательной схемы.

Предложен аппарат круговых диаграмм, который в наглядной форме показывает соотношения между параметрами автогенератора.

Обнаружены неизвестные ранее двухчастотные режимы одноконтурных генераторов и объяснены причины их возникновения.

Разработан метод численного расчета устойчивости стационарного режима автогенераторов СВЧ.

Получены обдие расчетные соотношения для оценки воздействия дестабилизирующих факторов на частоту в амплитуду колебаний при неограниченном числе параметров эквивалентное схемы.

Научная и практическая ценность работы. Проведенные исследования показали, что при проектировании транзисторных автогенераторов СВЧ необходим комплексный подход, включающий в себя расчет параметров транзистора по полной эквивалентной схеме, синтез колебательно» системы в нескольких вариантах, анализ колебательной системы и стационарного режима АГ. оценку его устойчивости и выбор оптимального решения по режиму, конструкции и экономичности.

Полученные уравнения в матричной форме удобны для изучения АГ и позволяет учесть большинство параметров активного элемента и пассивной колебательной системы.

Аппарат круговых диаграмм значительно упроиает построение линий равных проводимостей и мощностей, определение видов колебательных систем, входящих в область суиестзования колебаний.

Выявление двухчастотных режимов в одноконтурных автогенераторах позволяет существенно уточнить значения параметров, при которых происходит срыв и возникновение колебаний.

Предложенный метод расчета устойчивости, учитывающий неизохронность АГ, используется для определения реально существующего режима колебаний в схеме.

\

Поиск оптимального решения при проектировании транзисторных автогенераторов СВЧ осуществляется на основе вычисления коэффициентов влияния на частоту и амплитуду генерации, что позволяет снизить трудоемкость расчета даже на весьма высоких частотах при значительном числе параметров схемы АГ.

Разработанные программы для . исследования транзисторных автогенераторов СВЧ с помощью ЭВМ были использованы при выполнении НИР и ОКР. Автогенераторы, сконструированные по предложенной методике, внедрены в серийно выпускаемые изделия.

На защиту выносятся следующие положения:

¡'.Принципы создания системы проектирования автогенераторов на СВЧ транзисторах в виде специально разработанных уравнений и программ, построенных на их основе.

2. Аппарат круговых диаграмм АГ, позволяющий в наглядной форме представить соотношения между параметрами и объяснит^, особенности поведения АГ СВЧ.

3.Оценка устойчивости предельного цикла для числовой модели АГ.

4.Определение коэффициентов влияния дестабилизируема факторов на частоту и амплитуду АГ при значительном' числе параметров эквивалентной схемы активного элемента и пассивной колебательной систеяи.

5. Результаты теоретического и экспериментального исследования транзисторных АГ СВЧ, выполненных на основе приведенной методика расчета.

Апробация результатов работы. Разработанные в диссертации методика проектирования транзисторных автогенераторов СВЧ, алгоритмы и программы их расчета на ЭВМ были использованы при выполнении НИР по темам "Кунак" и "Шеми".

Экспериментальные исследования и макеты названных автогенераторов реализованы в ОКР при создании миниатюрных приемоответчиков.

Гранзисторнне.автогенераторы 10-сантиметрового диапазона внедрены в опытные образцы КИП "Индикатор" и серийно выпускаемые приборы 38Г6, входявше в систему внешнетраекторных измерений.

Разработанные программы расчета на ЭВМ были использованы студентами РТФ МЭИ при курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в отчетах по НИР и 5-ти научных статьях.

Структура и ооьем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии, содержат 113 страниц текста. 84 рисунка. 12 таблиц. Библиография включает 83 наименования.

СОЛЕРЖДИИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяется основная ее цель, формулируются защищаемые положения и дано краткое описание содержания диссертации.

В первой главе. ■ которая носит обзорный характер, описаны наиболее распространенные методы проектирования транзисторных автогенераторов. Дана их краткая характеристика, проверено сравнение и выявлены недостатки существуют« методов проектирования АГ. В этой же главе рассмотрены уравнения стационарного режима 'АГ в системе '/-параметров. Введена форма записи нетривиального решения уравнения через частные определители действительной (д) и мнимой СМ; частей символического оператора. В . таком виде его удобно использовать при анализе АГ, т.к. симметричная форма уравнений облегчает составление программы расчета. Здесь же рассмотрены различные эквивалентные схемы активного элемента, обосновывается выбор модели, которая отражает физические процессы в транзисторе.

Во второй главе дано описание системы параметров АГ для различных схем включения транзистора. Предпринята попытка отыскать единый подход к расчету АГ. выполненных по схемам 03. ОБ или ОК. Показано, что эти схемы равноправны, причем режим АГ не зависит от выбора общей точки. Доказано, что уравнения АГ адекватны при любой схеме включения.

Предложено построение области существования колебаний и анализ режима АГ проводить на комплексной плоскости коэффициента обратной связи К = Кв+ .¡Ку. Эта плоскость позволяет наглядно оценивать соотношения между фазами средней приведенной крутизны, коэффициента обратной связи и нагрузки. Граница области существования колебаний, линии равных проводимостей нагрузки и линии равных мощностей изображаются на этой плоскости окружностями.

-г-

Обнаружена возможность существования аномального режима, при котором неограниченно большая вещественная проводишсть нагрузкине вызывает срыва генерации.

В этой же главе рассматривается вопрос об использовании Б-па-раметров при проектировании транзисторных СВЧ автогенераторов.

Третья глава посвящена решение задачи синтеза АГ СВЧ, его пассивной колебательной системы. Показано, что линии равных проводимостей полной колебательной системы Ва, Вя зависят только от вевественных составляющих матричных элементов Ум. и

представляют собой окружности на комплексной плоскости К. Линии равных проводимостей В1 имеют сложную конфигурацию и зависят еще от веаественной и мнимой составляюаих средней приведенной крутизны. Построение на комплексной плоскости К линий Ва= 0. 8>= 0. В(= О иллюстрирует многообразие возможных видов колебательных систем (КС) (.емкостные и индуктивные трехточки. "обращенные" и вырожденные схемы и т.к.). Вся плоскость К разбивается на ряд областей, в пределах которых структура трехточе'!)"-« остается ;;:.:;:.:гННо;1.

В конкретном автогенераторе количество возможных видов КС ограничивается областью существования колебаний и предельно допустимыми параметрами активного элемента.

В этой главе также рассматриваются различные виды колебательных систем. Это одноконтурные или иногоконтурные схемы в виде трехточечных схем С включая обращенные трехточечные схемы ), схемы Клаппа, схемы с фазирующим элементом, выполненные на сосредоточенных или распределенных структурах. Описаны особенности каждого вида, проведено сравнение основных характеристик КС (кпд, добротности и т.д.;.

Разработан оригинальный алгоритм расчета КС на микрополосковьгх линиях. Проанализирована возможность применения "ступенчатой" линии (линии с изменяю ¡ни моя волновым сопротивлением^.

-а-

11оказано, что такая КС требует тщательного предварительного расчета и выбора величин волновых сопротивлении участков линия. Однако, ее применение оправдано в том случае, когда для реализации П-обраэной трехточкя требуется линия связи с большим волновым сопротивлением. Кроме того, "ступенчатую" линию можно использовать для эффективного согласования с 50-0мной нагрузкой.

В четвертой главе поставлена задача анализа стационарного режима автогенератора. Эта задача более сложная, чем синтез, т.к. неизвестны ни частота (со), ни амплитуда колебаний (Ш. а лля их определения приходится решать систему двух трансцендентных уравнений:

D (w.UJ - 0 0 Си,у ) = О

ИЛИ 1

U (w.U) - О М lu.rt) = О

где! rt= l - CU/E)1.

• Для полной эквивалентной схемы АГ с учетом блокировочных элементов и цепей питания исследована система уравнения, определявшая частоты и амплитуды колебаний. Предложен метол поиска решения с помощью комплексного коэффициента разложения Г - J^mh' Показано, что поиск реиения уравнения стационарного режима в виде нулевой разности действительных функций:

& ' г,„- rlN= 0.

(где: у - корень уравнения 0 = 0.

а у корень уравнения М =0 на резонансной частоте; оказывается идентичен представлению коэффициента разложения комплексной величиной Г и поиску стационарного режима в точке, где ''«мн обращается в ноль. Задавая дискретные значения частоты в некотором интервале и определяя точки, где происходит смена знака Ytm, находим приближенное значение частоты, которое в дальнейшем уточняется.

- /о -

Анализ раСога А Г выявил возможность существования двухчастотных репмов у ооычных одноконтурных автогенераторов даже при веЕествйянсп крутизне. Лаянии эффект вызывается фактическим превращением КС АГ в двухконтуркую вследствие комплексности выходной проводимости транзистора и потерь в контуре. Из-за этого нарушаются обычные расчетные соотношения в АГ и возможны срывы колебании, перескоки режима по частоте и мощности.

На СВЧ иэ-эа комплексности крутизны 8 и . всех проводимостей транзистора возможно появление "лишних" стационарных режимов, т.е. имеет место многозначность. Нарушается "естественный" ход характеристик. Например, с увеличением индуктивности контура частота колебаний вместо того, чтобы монотонно падать, на некотором участке перестает изменяться, а затем начинает расти. Аналогично изменяются и, другие характеристики АГ: коэффициент разложения , коэффициент обратной связи и т.д.

Пятая глава посвящена вопросам устойчивости выбранного режима. Иэ-эа многозначности решений уравнения АГ неизбежно встает вопрос: на какой из частот реально существуют колебания. Для ответа требуется оценить устойчивость предельных циклов.

Показано, что она определяется знаком вещественной части корня характеристического уравнения Др0. Стационарный, режим устойчив, когда Дрв<0 и неустойчив в противном случае. Величина Дрвопределяется через производные по частоте С?) и амплитуде С}0 функций С и М:

Бу М, -■ Му в 10 СМ1)? + С^)1

С т Ч1Г

В общем случае значения производных функций 0 и М удается рассчитать с помощью ЭВМ, как отношение конечных приращений функции при вариациях ? и Ду. Предложенный метод позволяет оценить орбитную устойчивость неизохронного АГ.

■-//В этой se главе исследуется влияние дестабилизирука::: факторов на частоту и мощность АГ, получены выражения для коэффициентов влияния, которые также как к Дрй. могут оыть определены через производные по частоте я амплитуде функция Э и М.

Полученные выражения позволяет рассчитать коэффициенты влияния любого элемента пассивной колебательной exevu АГ и схемы замещения АЭ без ограничения количества элементов. Показано, что на границе устойчивости АГ коэффициенты влияния становятся бесконечно-большими. Суммарную нестабильность частота можно оценить следушик образом: предварительно рассчитав коэффициенты влияния параметров АГ на частоту и выбрав наиоолее значительные, определяем нестабильность, суммируя несколько дестабилизирующих факторов со своими весовыми коэффициентами. В пятой главе проиллюстрирована возможность построения оптимального, по выбранному критерию. СВЧ автогенератора.

В шестой главе описана программа расчета АГ на ЭВМ "Элехтрс!-::::-:з -79" я ПЭВМ. Программа вхявчает в себя расчет Y л S параметров транзистора, синтез колебательной системы и анализ режима АГ. Каждая из этих трех задач оформлена в виде независимых, но взаимосвязанных программ: TRH, SAG и ANG.

Программа TRN (определение параметров транзистора построена на принципе постепенного усложнения схемы активного элемента. Банк данных включает в себя десять типов современных СВЧ транзисторов. Программа • TRH позволяет также оценить поведение У-параметров в ниапазоне частот и в диапазоне изменения любого из параметров эквивалентной схемы. Результаты расчета выводятся на экран (либо на Зумагу) в табличном виде и в виде графиков.

В программе SAG по известным ï-параметрам и значениям модуля {оэффициента обратной связи, частоты, фазы нагрузки определяются тараметры элементов пассивной колебательной системы. Предусмотрена

-fZ-

возможность выбора типа КС. Лля реализации АГ на полосковых линиях рассчитываются электрические длины шлейфов и линий связи при заданном волновом сопротивлении. Лля каждого полученного режима оценивается устойчивость предельного цикла. Здесь же' определяются коэффициенты влияния параметров активного элемента и колебательной системы на частоту и амплитуду АГ. производится их ранжировка, позволяющая оценить степень влияния каждого элемента схемы.

Программа ANG включает в себя расчет частот связи и характерных частот колебательной системы. Определение стационарного режима с учетом полной КС производится в два этапа. При решении применен оригинальный метод поиска корней. системы трансцендентных уравнений с использованием параболической интерполяции. В программе также предусмотрена возможность построения регулировочных характе-. ристик АГ в функции любого из параметров КС. Приведены результаты расчетов по каждой из трех программ TRN, SAG, ANG. демонстрирующие их возможности.

В диссертационной работе исследованы макетные. образцы транзисторных автогенераторов: миниатюрный .маломощный АГ, работающий в непрерывном режиме на фиксированной частоте в 10-сантиметровом диапазоне волн, и импульсный АГ в том же частотном диапазоне с выходной.мощностью 1^2 Вт.

Результатом этой работы стала реализация 2-х типов транзисторных . автогенераторов. которые прошли полный цикл климатических и механических испытаний, а также госиспытания в составе приборов. Импульсный автогенератор используется в контрольно-измерительном приборе "Индикатор". Маломощный генератор в непрерывном режиме применен в серийно выпускаемом приборе 38Г6.

В заключении формулируются основные результаты диссертации:

I. Разработана система проектирования диапазонных транзисторных автогенераторов СВЧ.

/з-

2. Показано, что при расчете автогенераторов могут быть использованы различные эквивалентные схег.м и системы параметров СВЧ-транэисторов. указаны области применения каждой из них (§§ 1.3; 2.1; 2.3).

3. Проведен анализ автогенератора для возможных схем включения транзистора СОЭ, ОБ, ОЮ. Определены методы расчета каждой из схем (9 2.23.

4. Показано, что плоскость комплексного коэффициента обратной связи ' К наиболее удобна для наглядных построения области сувествования колебания, линий постоянных значений мощности, вещественной проводимости нагрузки и мнимых проводимости? колебательной системы (8 2.2).

5.. Решена задача синтеза транзисторного АГ. Исследованы различные виды колебательных систем (КС): трехточечная схема, схема Клаппа, схема с фазирующим элементом и их комбинация. Рассмотрена возможность реализации КС на сосредоточению и распределенных элементах <.§§ 3.1; 3.2; 3.3).

6. Для полной эквивалентной схемы АГ с учетом блокировочных элементов и цепей питания, исследована система нелинейных трансцендентных уравнений, определявшая частоты и амплитуды колебаний. Предложен метод поиска решения с помощью комплексного коэффициента разложения (§ 4.2).

7. Установлено существование нескольких станиионарных режимов в одноконтурных транзисторных АГ даже на относительно низких частотах. Показано, что данный эффект вызывается фактическим превращением КС АГ в многоконтурнуо из-за комплексности выходной проводимости транзистора (§ 4.3).

8. Проведено исследование устойчивости стационарных режимов АГ. Найдены расчетное соотношения для количественной оценки устойчивости предельных циклов неизохронных автогенераторов (§ 5.1).

Обнаружено, что дата ка не слиоком высоких частотах в АГ возникают облает;; неустойчивости, которые могут нарушить регулярную работу АГ, особенно у лптааэоянкх нГ.

3. Исследовано влияние изменений параметров АГ под воздействием дестабилизирующих факторов на частоту. и 'амплитуду колебаний ;:р;; значительном количестве элементов эквивалентной схемы АГ. Получены компактные выражения для анализа нестабильности основных характергстик автогенератора С § 5.2). - •

10. Поставлена. задача параметрической оптимизации автогенератора. Предлэжекк у.етедн ее решения С§ 5.3).

11. Проведены экспериментальные■ исследования созданных на основе расчета автогенераторов двух типов на транзисторах 2Т640А-2 и 2Т582А-2. Получении* результаты,■ в оснозком, подтверждают теоретические положения работы (8 6.2).

12. Разработаны программа расчета параметров транзистора, синтеза и анализа автогенератора, которые были использованы студентами РГФ МЭИ при курсовом и дипломном проектировании. Кроме того, эти программы . могут быть полезны инженерам-разработчикам радиоэлектронной аппаратуры. Программа представляет по существу, достаточно универсальную математическую модель АГ, с ' помощью которой можно практически мгновенно получить ответ на вопрос, связанный с оценкой влияния любого из параметров на режим АГ.

Оздовное диссертации нашло отражение в работах:

1. Благовещенский М.В., Леоничева Е.П. Расчет коэффициентов влияния параметров автогенератора СВЧ на частоту.// Тр. Ин-та/ Моск. энерг. ин-т.- 1986.- Вып. 107.- с. 185-189.

2. Благовещенский М.В., Леоничева Е.П. Устойчивость стационарных режимов неизохронных автогенераторов.// Радиотехника.- 1991.- №1.-с.П-13.

3. Благовещенский М.В., Леоничева Е.П. Двузначные режимы одноконтурных автогенераторов.' / Радиотехника. - 1991.- №12.- с.40-43.