автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Разработка методов расчета и исследование шумовых характеристик транзисторных СВЧ генераторов с известными матрицами рассеяния активных и пассивных элементов

- <у

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «САЛЮТ»

На правах рукописи УДК 621.373.029.64

НИКИТИН Юрий Иванович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРНЫХ СВЧ

ГЕНЕРАТОРОВ С ИЗВЕСТНЫМИ МАТРИЦАМИ РАССЕЯНИЯ АКТИВНЫХ И ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.12.01—теоретические основы радиотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород—1991 г.

Работа выполнена на научно-производственном предприятии «Салют».

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, д. т. п., профессор Д. А. Кабанов.

Официальные оппоненты: член-коррсспондент Академии технологических наук РСФСР, д. т. и., с. п. с. Г. П. Пашев,

к. т. и., с. н. с. В. А. Козлов.

Ведущее предприятие: научно-производственное объединение «Полет».

Защита состоится 27 марта 1992 г. в 15 часов на заседании специализированного совета Д 063.85.03 при Нижегородском политехническом институте по адресу: 603155, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского политехнического института.

Автореферат разослан 20 февраля 1992 г.

Ученый секретарь ^

специализированного совета ^ -¿у ' А. Н. Салов

*

с;*.«;»

т-адЯ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ктуалъность проблемы. Полупроводниковые СВЧ генераторы при-адлежат к числу важнейших элементов различных радиогехни-ееких устройств. Они могут использоваться в качестве иоз-удителей радиопередатчиков, гетеродинов в радиоприемниках, одстраиваешх генераторов в синтезаторах частот, а также ак преобразователи частоты и др.

Шумы таких генераторов играют важную роль в определении ехнических характеристик радиотехнических систем. Например, ужение частотных каналов в аналоговых и цифровых системах ¡вязи приводит к повышению требования к спектральным харак-•еристикам гетеродинов как в.приемнике, так и п передатчике.

Слишком широкий спектр сигнала гетеродина передатчика моют быть причиной просачивания сигнала передатчика в сосед-¡ие частотные каналы, коли гетеродин приемника имеет повы-аенный уровень шумов, то ого может быть причиной умекыиадия !увствительности соседних частотных приемных каналов.

В доплеровских радиолокационных станциях шумы гетеродинов ^посредственно связаны с такими параметрами как вероятность (южных тревог и максимальное расстояние до цели.

Шумы задающих генераторов являются одной ил причин нестабильности частоты и фазы прецизионных генераторов.

Следовательно, проектирование малошумяцих генераторов СВЧ представляет собоГ' самостоятельную актуальную проблему.Одна-:, ко, большинство известных методов анализа шумов СВЧ гонора-тороп не позволяет пЭДективно решать задачу расчета малошу-мящих СУЧ генераторов, определять оптималылю значения активных и пассивных элементов схемы с точки зрения получения наилучших кумовых характеристик.

Метод», нашедшие широкое применение при анализе шумовых характеристик генераторов ( метод Лисона, Аоккера-Иланка и-др.) требуют либо существенного упрощения модели генератора и источников внутренних шумов,.либо иипольэоватш сложных эквивалентных схем пассивных и активных элементов с большим числом параметров. . ■

В связи с этим актуальной^ является задача разработки таких методов исследования СВЧ генераторов, которые позволили бы отказаться от эквивалентных схем его элементов и содержали Он параметры, которые удобнее всего измерять в данном частотном диапазоне, например, такие как 5> -параметры и коэффициенты ( ражения.

Цель работы. Целью диссертации является разработка методов, моделей и алгоритмов расчета амплитудных и ({азовых шумов СВЧ генераторов, элементы схем которых представляются через обобщенные матрицы рассеяния.

В соответствии с поставленной целью решаются следуйте зада1

- разработка математического аппарата для анализа амплитудных и фазовых шумов СВЧ генераторов, элементы схем которых описываются с помощью матриц рассеяния;

- теоретическое и экспериментальное исследование шумовых харш теристик генератора с внутреннеГ обратной связью как наиболее распространенной схемы транзисторного генератора в о5ла< ти СВЧ и сравнение этих характеристик с шумовыми характеристиками генератора с внешней обратной связью;

- разработка алгоритмического и программного обеспечения для расчета шумовых характеристик СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью;

-•разработка методик и оборудования для экспериментального

г

следования шумов СВЧ генераторов,

толы исследования. Использовались метода вычислительной .тематики, теории.дифференциальных уравнений, теории функ-й комплексного переменного, спектрально-корреляционной ории, матричной алгебры. Проводились машинные расчеты и турные эксперименты.

.учная новизна. В процессе выполнения работы метод получения уктуэционных уравнений СОЧ генераторов - метод Курокавы л применен к расчету собственных шумов генераторов, у кото-х активные и пассивные элементы схемы представлены' в виде обменных многополюсников, чьи свойства описываются в тернах параметров рассеяния. На этой основе найдены вьгракения я спектральных плотностей мощности амплитудных и фазовых ■мои подобных генераторов.

Разработана и исследована модель СВЧ генератора с внутренней, ратной связью, позволяющая по известным параметрам рассеяния тивных и пассивных элементов определять уровень собственных мов данного генератора как в речашо свободной генерации, к и при синхронизации пнеиним сигналом.

Разработана и исследована модель СЬЧ транзисторного генера-

{VI с внешне 1 обратной связь», работающая в ре чаше свободной

перации, получены выражения для собственных шумов этого ге-

ратора и проведено сравнение шумовых характеристик г>.жера-

ров с внутренней и внешней обратной связью.

Разработана методика машинного расчета СЬЧ транзисторного

нератора с внутренней обратно!1 связью, позволяющая проекти-

пать генераторы с заданным уровнем фазовых шумов.

■актичрекая ценность работы. Б диссертации на единой методо-

гической основе, решены задачи анализа шумовых характеристик

3

СВЧ генераторов, элементы схемы которых представлены через па раметры, которые чшце всего употребляются на этих частотах.

Разработаны упрощенные модели СВЧ транзисторных генераторов с внутреннем и внешней обратной связью, позволяющие без сложных машинных вычислений по известным ?! -параметрам транзистора и электрическим длинам линий пассивных цепей обратной св зи с достаточной степенью точности оценивать шумовые характеристики этих генераторов.

Разработана программа расчета электрических длин линий пас-сигных цепей СВЧ генератора с внутренней обратном связью, у которого заданы 3 -параметры транзистора, выходная частота, мощность и верхний уровень разовых шумов. Программа даот возможность выбирать оптимальные с точки зрения минимума фазовых шумов параметры пассивных элементов'обратной свйзй и тем самы сокращать время проектирования и регулировки автогенераторов.

Для повышения чувствительности измерительной аппаратуры прй проведении экспериментальных -исследований собственных шумов генераторов в процессе выполнения работа был разработан прибс поэволящий производить отбраковку диодов в детекторных секциях измерительных устройств по. минимуму шумового отношения. Прибор защищен авторским свидетельством,'используется'в прои: водстве при изготовлении диодов и при отборе диодов в процесс настроЯки приемной аппаратуру. Работа выполнялась в соответст вии с тематическими планами НИР и СКР НПЛ ''Салют"".

Расчетный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил 80 тыс.руб.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации дош давались на Ш,1У,У1 Всесоюзных шхолах-сем«нарах по стабилизации частоты и прецизионной электронике £г.Нальчик,1930г.) V

Г.Звенигород,1983г,,г.Канев,1989г .у , на XII Всесоюзном научно-технической конференции по твердотельной электронике ^г.Киев, 1990г.} , УН Отраслевой научно-техническо;! конференции молодых специалистов и ученых (г.Саратов,1361г.) , Отраслевой научно-технической конференции (/ахали,

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в ¡э печатных работах, по одному разработанному устройству получена автирсное свидетельство,

Структура и объем работы; Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 20& страниц машинописного текста, -Ю рисунков, таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБО'Ш . В полной главе рассматривается состояние и задачи исследования шумовых характеристик СВЧ автогенераторов, вопросы анализа, способы уменьшения и экспериментальные метода исследования соо-отвенных шумов генераторов. Обзор состояния разрабатываемых вопросов позволил (формулировать цель и наметить программу работы.

Повышение чувствительности 'приемно-передающей аппаратуры привело к необходимости исследования и улучшения шумовых характеристик гетеродинов, входящих в состав птой аппаратур.

Методы исследования шумовых характеристик генераторов, основанные на решении флуктуационных дифференциальных уравнений, япляются наиболее уннпереалыпм!, позволяющими решать широкий круг задач. Они получили свое развитие благодаря работам а.и.Малахова, П.С.Ланды, А.А.Вайнштейна, Д.Е.Вакмана, А.В.Якймо-ва, В.Н.Кулешова, В.Е.Лешукова и ряда других исследователей..

Для получения ^уктуационных уравнений этим автором необхо-

димо Сило определить эквивалентные схемы активных и пассивных элементов генераторов. В области СЬЧ такие эквивалентные схе-им весьма сложны, включают в себя большое число параметров и трудоемки для анализа.

Обзор.известных работ показал, что в данной области частот наиболее удобно представлять схемы с помощью бесструктурных моделей. Рассмотрению различных устройств с помощью таких моделей посвящены работы Б.М.Богдановича, Л.А.Кабанова, К.Куро-кавы, М.Эсдейла, М.Хопса, А.О.Храмова и других.

Анализ результатов опубликованных работ показал, что в области СВЧ проще.производить измерения параметров рассеяния чета-ре хполвсников , поэтому бесструктурные модели элементов генератора целесообразно представлять через соответствующие 5 -матрицы.

Курокавой был предложен метод, позволяющий находить флуктуа-«ионные уравнения двухполюсных СВЧ генераторов, у которых коэффициент отражения от активного двухполюсника не зависит от ■частоты генерации. Обобщение этих результатов для анализа шумовых характеристик генераторов более сложной структуры (много-лолюсных, генераторов с внешней, обратной связью и др.) , а также перестраиваемых двухполюсных генераторов является актуальной задачей.

Во второй главе рассмотрена обобщенная модель СВЧ генератора (рис.1.) , где » $ - матрицы рассеяния соответственно активного четырехполюсника и пассивного восьмиполюсника обратной связи, 1,1 - коэффициенты отражения от нагрузки и выхода генератора синхронизирующего сигнала, Сс, , Лц- падающие .

, ^¿-отраженные от входа и выхода активного четырехполюсника волны мощности» шумовые волны мощности, падающие 6

Соответственно на вход и на выход активного четырехполюсника, » ^Ч - падающие и отраженные волт; мощности от третьего и четвертого входов восьмиполюсника обратно!! связи» (Х^ - падающая волна мощности от синхронизирующего генератора. Используя топологические методы', такую схему можно привести к виду генератора, представляющего собой параллельное соедине-

г?

Иие двух четырехполюсников: пассивного с матрицей рассеяния о •элементы которой ¡зависят от частоты генерации , элементов

^ , Г , и активного с.матрицей рассеяния ^ и элементами, являющимися функциями й1, , сОр . Делая предположения, аналогичные тем, которые обычно применяются при нахождении флуктуационных уравнений методом Рлн-дср-Полп в работе получено Флуктуационное уравнение данного генератора, имеющее вид

где матрицы £ * Сг (л ~ I , (* = J ^ J , 2 - | о 1

^ = I? о| ' Элементы матрицы С- равны усредненным за период колебания' элементам матрицы 5 , А - г.гятрица комплексных амплитуд волн мощности, падающих на активный четырехполюсник, Аь , А„ - матрицн комплексных амплитуд соответственно волн мощности сигнала синхронизации и волн мощности собст-

п"

ценных шумов активного четырехполюсника,Д 1т- матрица, элементы которой являются случайными отклонениями элементов матрицы Сг .

В работе получены общие соотношения, из которых при известной зависимости элементов матрицы К от частота и комплексных амплитуд можно найти стационарные значения А и частоту генерации , определить устойчивость режима стационарной гене-

рации, уровень амплитудных и разовых шумов,

.Для двухполюсного генератора, являющегося чистным случаем генератора, состоящего из двух параллельных четырехполюсников также было найдено соответствующее флуктуационное уравнение."

Без ограничения на частотную зависимость параметров активного двухполюсника получены выраженияИз которых можно определить стационарные, значения амплитуд волн мощности, падающих на активный двухполюсннк, устойчивость режима стационарной генерации и уровень амплитудных и разовых шумов.

Разработана методика определения полосы перестройки СВЧ двухполюсных геноратрров, если известны только коэффициенты передачи гонератора по кольцу обратной связи и-его производные по

•г

частоте и амплитуде при «О и в режиме стационарной генерации.

Применение общих соотношений было показано на модели генератора, состоящего из усилителя с нелинейным коэффициентом усилешя, охваченного внешней обратной связью в виде линии задержки и резонансного контура.

Показано, что уровень амплитудных шумов такого генератора не зависит от эквивалентной. добротности резонансного контур®«,, а обратно пропорционален квадрату модуля относительной крутизны " коэффициента усиления нелинейного усилителя.' Уровень |}азеадг шумов, наоборот, зависит только от эквивалентной добротности я обратно пропорционален ее квадрату.

Полоса перестройки данного генератора обратно пропорциональна времени задержки и возрастает с увеличением налосигналыюго кбэ^ициента усиления усилителя-

В третьей главе получены теоретические оценки шумовых характеристик упрощенных моделей транзисторных СВЧ генераторов с внутренней и внешней обратной связью, работающих в. режиме без-8

инхронизации.Параметр* транзисторных генераторов'выражались

л А

ерез большесигнальные параметры рассеяния £> ¡ц . При полу-.

гА

ении оценки шумовых характеристик предполагалось, что все е зависят от частоты, а от падающей на транзистор мощности ависйт только | I .

Пассивными элементами в рассмотренных моделях генераторов влялись резонаторы, включенные по схеме "на отражение" (■ для. енератора о внутренней обратной связью ) , и^и - "на проход** ^дяя генератора с внешней обратной евязЫэ] .

Показано,-что оба типа генераторов можно рассматривать как [вухполюсныэ генератфы с соответствующими кшвдому типу коэффициентами отражения от активного двухполюсника. На основе об-;их соотношений для двухполюсных генераторов,'выведенных в •лаве Zt определены состояния равновесия,- устойчивость режима :тационарной генерации и выражения для спектральных плотностей юпщости амплитудных и (разовых шумов.

Используя известные из Литературы данные о болыиесигнальных матрицах рассеяния транзистора КТ640А-2, был произведен расчет аумовых характеристик генераторов с внутренней и внешней обрат7 яой св)«ью. -

Сравнение шумовых характеристик обоих типов генераторов показало приблизительно одинаковый уровень их амплитудных шумов,-в то время как при одинаковых добротностях резонато'ров в цепях обратной связи уровень фазовых шумов генератора с -внешней обратной связью на 10-20 дБ ниже, чем у генератора с внутренней обратной связью.

Совместный анализ теоретических оценок с экспериментальным»

результатами показал их качественное совпадение.'Для фазовых

шумев теоретические я йкспериментальные результаты практически

9

совпадают, в то время как оценки амплитудных шумов примерно на 10-20 дБ превышают экспериментальные данные. Это можно объяснить или несоответствием экспериментальных результатов измерения 5 -параметров транзистора, используемых при расчете, с реальными значениями данных параметров, примененных в экспериментальных образцах генераторов, или несовершенством рассмотренных упрощенных моделей,

В работе был сделан анализ шумовых характеристик синхронизм рованного неизохронного двухполюсного генератора. Показано * что неизохронность синхронизированного генератора приводит к уменьшению уровня амплитудных шумов внутри полосы синхронизации, в то же время не оказывая влияния на глубину подавления фазовых шумов.Данные утверждения были подтверждены экспириыен тально.

Шли получены выражения для полосы синхронизации, спектров амплитудный и фазовых шумов синхронизированного и полосы пере

' г

стройки несинхронизированного транзисторного генератора с в ну ренней обратной связью.' На И цены условия, при которых полоса синхронизации такого генератора будет максимальна.

Используя эти соотношения, била рассчитана пилоса синхронизации, уровни амплитудных и фазовых шумов и полоса перестройк! которые хорошо совпадали с экспериментальными результатами.

В четвертой главе изложена методика расчета длин линий пассивных цепей СВЧ генератора на биполярном транзисторе с внутренней обратной связью ^рис.2.) у которого заданы выходная мощность, частота генерации и верхняя граница спектральной плотности мощности фазовых шумов.

При расчетах транзистор бил .представлен через его большесиг-нальные матрицы рассеяния, а пассивные элементы - через соответствующие коэффициенты отражения. Г0

В главе определены- параметры функции, аппроксимирующей нелинейную зависимость ) | от мощности, падающей на транзистор, ля трех различ:шх типов генераторов; болыуесигнальные 5 -па-аметры которых известны из литературы. Вид аппроксимирующей ункции ,был Взят из работ А.В.Храмова и В.А.Щелокова,

Для вычисления длин линий пассивных цепей был предложен алго-итм расчета, на ег^ основе проведен расчет для генератора на ранзисторе КТ640А.

Показано, что фазовые шумы рассматриваемой схемы практически е зависят от длин линий пассивных элементов, в то время как мплитуднне шумы при помощи регулировки можно существенно (до

0 дБ/Гц) уменьшать4

С увеличением выходной мощности уменьшается диапазон изменения дан,линий, и, следовательно, затрудняете» регулировка генера-ора, спектральная плотность мощности Фазовых шумов уменьшаете^,

1 спектральная плотность мощности амплитудных шумов» достигнув

п-нимальной величины, начинает возрастать;

»

В работе произведена оценка влияния разброса параметров актив-гаго элемента на результаты вычислений длин линий, Спроектиро-)ан1шй по результатам, вычислений экспериментальный образец ге-юратора имел характеристики близкие к расчетным.

При проведении работ по измерению шумов экспериментального )'5разца для повышения чувствительности измерительной аппаратуры приходилось производить отбор детекторных диодов по величи-\е шумоного отношения» Для измерения данного параметра быля зазработэна и иэгэтоалена аппаратура, описание и схема которой 1рипеде1гн в работе. Это устройство, защищенное авторским свидетельством, нашло применение на ряде предприятий отрасли.

п

ЗШШЕШ

Основные результаты диссертационной работы;

1. Известный метод вывода флуктуационных уравнений двухполюсны: СВ4 генераторов с широкополосным коэффициентом отражения от активного двухполюсника (метод Курокавы) получил дальнейшее развитее применительно как к двухполюсным генераторам с частотно зависимом коэффициентом отраяения от активного двухполюсника, так и к генераторам, представляющим собой параллельное соединение двух четырехполюсников.Предложенный метод позволяет исследовагь шумовые характеристики широ кого рюсса СВЧ генераторов без рассмотрения схем активных и падсцвннх элементов таких генераторов.

2. Для генераторов, представляющих собой параллельное соединение двух четырехполюсников, и для двухполюсных генераторов, в общем виде гюлученУ условия устойчивости стационарных сос тояний,1 найдены выражр1шя для спектральных плотностей мощности амплитудных и фазовых шумов как в режиме свободной генерации, так и ^ режиме с синхронизацией. Уриминение обоб щенных соотношений для частных случаев генераторов, извести из .публикаций,-показывает совпадение результатов, пктекающи из.обобщенных соотношений, с выводами, известными из литера туры, что является подтверждением правильности как этих соотношении, так и распространения матода вывода флуктуации ,онных уравнений на другие типы генераторов.

-3.- Показано, что спектральная плотность мощности амплитудных шумов генератора, представляющего собой усилитель с широкополосным нелинейным коэффициентом усиления,, резон;шашш коь туром и линией задержки в цепи обратно!! связи не зависит ' от добротности контура и'времени задержки й уменьшается а

увеличением относительной крутизны коэффициента усиления усилителя, а спектральная плотность мощности фазовых шумов наоборот, не зависит от относительной крутизны коэффициента усиления и обратно пропорциональна квадратам добротности и времени задержки. Полоса перестройки по частоте такого Генератора увеличивается с ростом малосигнального коэффициента усиления.

4. Проведено сравнение шумовых характеристик транэисторнях-

СВЧ генераторов с.внутренней и внешней обратной связью. Теоретически и экспериментально показано.,_ что при одинаковых собственных добротностях резонансных контуров этих устройств амплитудные шумы их практически одинакова, в то время как фазовые шуиы ниже у генераторов с внешней обратной связью»

5, Показана возможность применения развитой в работе теории для проектирования транзисторного СВЧ генератора с внутренней обратной связью. Разработана программа вычислений длин пассивных элементов данного генератор'при заданных матрицах рассеяния транзистора, выходно,; мощности и частоте генерации. Определены параметры активного элемента,, отклонения которых наиболее сильно влияют на'результаты вычисления. Экспериментально и теоретически Показано-, что амплитудные

.и фазовые шумьг генератора с внутренней обратной связью не зависят от частоты генераг!ИИ в тех пределах, гд«? активный элемент можно считать широкополосным. Уровейь фазовых шумов уменьшается при увеличении выходной' мощности. Для.амплитудных шумов существуют оптимальные значения как параметров пассивных элементов, .так и выходной мощности, при которых уровень этих иуков минимален. ^

Структурная схема СВЧ генератора

С г5 -о-, ^ фШ» £ £

5 ( 6А

1—пгн

Рис.1.

Модель транзисторного СВЧ генератора с внутренней обратной связью

Л

е*.

-шнк.

<

г

Рис.2.