автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Схемотехническое проектирование и моделирование СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе

/

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ФАРТУШНОВ Сергей Александрович

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ ГЕНЕРАТОРА С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Специальность 05.12.21 - радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства.

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

/

профессор Фурсаев М.А.

Саратов 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................3

Глава 1. Общие вопросы моделирования электродинамических систем СВЧ транзисторных генераторов...................................................................................................12

1.1. Сравнение электродинамических систем СВЧ генераторов на

биполярном транзисторе и амплитроне.........................................................................12

1.2. Особенности моделирования низкочастотных генераторов на

биполярном транзисторе..................................................................................................20

1.3. Метод эквивалентных двухполюсников в применении к

моделированию СВЧ транзисторных генераторов.......................................................24

1.4. Выводы.......................................................................................................................28

Глава 2. Модель биполярного транзистора для схемотехнического

проектирования СВЧ транзисторного генератора..............................................................30

2.1. Выбор модели биполярного транзистора................................................................30

2.2. Модернизированная кусочно-линейная модель транзистора...............................32

2.3. Учет наличия резистора автосмещения в модели транзистора............................38

2.4. Алгоритм расчета электрических параметров каскада на биполярном транзисторе.......................................................................................................................45

2.5. Анализ влияния значений параметров схемы эмиттерной цепи на электрические характеристики транзистора..................................................................49

2.6. Выводы.......................................................................................................................58

Глава 3. Моделирование и расчет параметров свч генератора с внутренней

обратной связью.....................................................................................................................59

3.1. Исходные положения моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью...............................................................................................................59

3.2. Анализ условий обеспечения стационарного режима генератора.......................62

3.3. Анализ электрических параметров транзистора в схеме генератора с внутренней обратной связью...........................................................................................74

3.4. Обеспечение устойчивости транзисторного генератора с внутренней обратной связью...............................................................................................................83

3.5. Зависимость емкости коллекторного перехода от ВЧ режима

транзистора и условие устойчивости генератора..........................................................89

3.6. Определение параметров электродинамической системы генератора

с внутренней обратной связью........................................................................................95

3.7. Заключение.................................................................................................................99

Глава 4. Разработка методики схемотехнического проектирования

генератора с внутренней обратной связью и его программного обеспечения...............102

4.1. Схема алгоритма проектирования генератора......................................................102

4.2. Описание программы проектирования СВЧ генератора.....................................105

4.3. Методика проектирования СВЧ в диалоге с ЭВМ...............................................113

4.4. Заключение...............................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................118

Список использованных источников.................................. ................................................122

Приложение 1.......................................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

Генераторы как на биполярном, так и на полевом транзисторах нашли широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре. Они могут входить в состав как интегральных схем, так и гибридных устройств (или модулей), в которых транзисторы являются самостоятельными элементами. В связи с разработкой в настоящее время транзисторов достаточно высокого уровня мощности, транзисторные генераторы используются не только в качестве задающих каскадов гибридных устройств, но и создаются устройства, выполненные на базе отдельного мощного прибора.

Создание транзисторных генераторов в настоящее время проводится по следующим основным направлениям:

- обеспечение большого уровня мощности с высокими энергетическими параметрами (на фиксированной частоте);

- обеспечение перестройки генерируемой частоты;

- обеспечение заданной структуры спектра выходного сигнала.

Схемотехническое проектирование транзисторных генераторов, как и других устройств радиоэлектроники, проводится на этапах разработки, предшествующих конструктивно-технологической реализации

экспериментальных образцов. Оно предполагает, как правило, решение двух задач:

- определение условий сопряжения в выбранную схему построения отдельных, ранее созданных элементов, при котором должны достигаться заданные параметры генератора;

- определение значений параметров элементов генератора, которые должны вновь создаваться, если ранее разработанные элементы не соответствуют необходимым требованиям.

Разработка устройств высокого уровня мощности на полупроводниковых приборах обычно ведется с использованием ранее созданной элементной базы, в

том числе и транзисторов. В таком случае основными задачами схемотехнического проектирования СВЧ транзисторных генераторов являются определение электрического режима выбранного типа транзистора, обеспечивающего задаваемые выходные характеристики генератора, и оценка возможности работы прибора в этом режиме, а также определение геометрических параметров отрезков микрополосковых линий цепей электродинамической системы, т.е. ее топологии. Отдельным вопросом при создании СВЧ генераторов, особенно обеспечивающих высокую стабильность или перестройку частоты, является проектирование резонаторной системы. Исходные требования для этого проектирования вырабатываются в результате схемотехнического проектирования генератора.

Успешное проведение схемотехнического проектирования генераторов на биполярном транзисторе во многом зависит от соответствующей теоретической базы, формирующей модель этого устройства, основой которой является комплекс представлений относительно транзистора и электродинамической системы генератора. В состав этой системы входят не только линейные цепи связи, резонатор, нагрузка, но и транзистор. Модель транзистора должна учитывать происходящие в нем основные нелинейные явления, определяющие принцип работы генератора.

К настоящему времени создана весьма фундаментальная база в обеспечение проектирования генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов на биполярном транзисторе [1-5]. Эти генераторы построены, как правило, по трехточечной схеме, цепи которой состоят из элементов с сосредоточенными параметрами. Естественно, что модельные представления таких транзисторных генераторов являлись развитием представлений, созданных в применении к генераторам на триодах [6,7].

Существующие модельные представления генераторов СВЧ диапазона на биполярном транзисторе далеко не в полной мере удовлетворяют потребностям проектирования. В некоторых из упомянутых выше работ приводятся лишь рекомендации общего характера, которые следуют из

модельных представлений о низкочастотных генераторах. Эти представления не учитывают специфику СВЧ диапазона, и в первую очередь, выполнение электродинамической системы в виде отрезков микрополосковой линии, т.е. цепей с распределенными параметрами.

Имеются такие сообщения о создании алгоритмов и программ расчета и анализа электрических характеристик СВЧ генераторов на биполярных транзисторах. Так в работе [8] приведена программа анализа стационарного режима генератора, использующая модифицированную модель Гамильтона [9] для описания транзистора. При этом полагается, что генератор построен по трехточечной схеме на элементах с сосредоточенными параметрами. Обобщенная эквивалентная схема генератора была использована при создании алгоритма расчета характеристик в работах [10, И]. Однако расчет и анализ электрических характеристик генератора целесообразно проводить лишь в том случае, когда при задаваемых величинах параметров его схемы (электродинамической системы) выполняются необходимые условия существования генераторного режима. Определение данных условий достигается при решении задачи синтеза. Следовательно, решение этой задачи и должно, в первую очередь, обеспечивать моделирование транзисторного генератора.

До последних лет считалось, что использование биполярных транзисторов эффективно в диапазоне частот до 3-5 ГГц. Однако создание таких транзисторов с гетеропереходами открывает перспективу существенного смещения рабочего диапазона этих полупроводниковых приборов в коротковолновую область.

Таким образом, весьма актуальной представляется проблема создания моделей СВЧ генераторов на биполярном транзисторе в обеспечение разработок гибридных модулей радиоэлектронной аппаратуры, учитывающих специфику этого диапазона и являющихся основой схемотехнического проектирования, при котором должны решаться задачи синтеза и анализа. Решению данной проблемы посвящена настоящая диссертационная работа, в которой рассматриваются

вопросы схемотехнического проектирования транзисторных генераторов СВЧ диапазона высокого уровня мощности.

Генераторы на биполярных или полевых транзисторах представляют собой классическую автоколебательную систему с положительной обратной связью, выполненную на базе усилителя, являющегося активным четырехполюсником [12]. В отличие от ряда типов генераторов, особенно СВЧ диапазона, таких как магнетрон или лампа обратной волны, механизм обратной связи в транзисторных генераторах, обеспечивающий необходимые для возбуждения и поддержания стационарного генераторного режима условия, достаточно четко выражен. Он создается образованием специальной цепи, по которой часть выходного сигнала подается на вход усилителя.

Возможны два варианта построения транзисторных генераторов: с внутренней и с внешней обратной связью. В первом исполнении цепь обратной связи проходит вне усилителя, во втором - через усилитель и в направлении, противоположном направлению усиливаемого сигнала.

В настоящее время наибольшее распространение получило построение транзисторных генераторов с внешней обратной связью. Так в совсем недавно вышедшем учебном пособии [13] при рассмотрении генераторов СВЧ диапазона приводится схема только с внешней обратной связью. По всей видимости, причиной такого положения является то, что первые транзисторные генераторы работали на низких частотах и их прототипами были генераторы на триодах, построенные по трехточечной схеме, в которой обратная связь осуществляется вне электронного прибора.

Наличие внешней обратной связи усложняет конструкцию генератора. Кроме того, электрическая длина петли такой обратной связи в СВЧ диапазоне оказывается достаточно большой и это может привести к возникновению в генераторе паразитных видов колебаний, а также к сокращению ширины полосы перестройки генерируемой частоты. Поэтому представляют интерес исследования, направленные на создание транзисторных генераторов с внутренней обратной связью.

На принципиальную возможность создания транзисторных генераторов с внутренней обратной связью, и в частности на биполярном транзисторе, указывают исследования потенциальной неустойчивости усилителей мощности на этом приборе [14], а также результаты работы [15]. Более того, экспериментальные образцы таких генераторов на полевом транзисторе созданы в Таганрогском радиотехническом университете и на биполярном транзисторе -в ОКБ «Тантал» (г. Саратов). Настоящая диссертация также посвящена решению вопросов схемотехнического проектирования генераторов с внутренней обратной связью.

На основании изложенного выше цели диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Построение модели стационарного режима работы СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, позволяющей оперативно решать задачи схемотехнического проектирования, и в первую очередь, синтеза такого генератора.

2. Анализ особенностей электродинамической системы СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, а также влияния параметров входной цепи постоянного тока транзистора на условия обеспечения стационарного режима работы генератора.

3. Разработка алгоритмов и программного обеспечения решения задач схемотехнического проектирования СВЧ генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе.

Для достижения поставленных целей в диссертации решаются следующие задачи:

1. Выявление функциональных особенностей электродинамических систем СВЧ генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе и разработка основ моделирования этих устройств.

2. Построение эквивалентной схемы СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, и выбор модели этого прибора, позволяющих оперативно решать задачи схемотехнического проектирования.

3. Учет в модифицированной кусочно-линейной модели биполярного транзистора влияния обратной связи во входной цепи постоянного тока.

4. Поиск путей обеспечения устойчивости стационарного режима генератора с внутренней обратной связью, в котором биполярный транзистор работает в недонапряженном режиме.

5. Разработка методов решения задачи синтеза СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе.

В результате решения этих задач получен ряд новых результатов, из

числа которых нужно особо отметить:

1. Показано, что в СВЧ диапазоне создаются наиболее благоприятные условия для создания генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе.

2. Определено влияние на амплитудные и импедансные характеристики транзистора параметров элементов входной цепи постоянного тока, подбором значений которых обеспечивается устойчивость генератора на этом приборе при его работе в недонапряженном режиме с отсечкой тока.

3. Обоснована возможность независимого решения задач получения заданных энергетических параметров генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе и обеспечение устойчивости стационарного режима работы генератора.

4. Реализована возможность использования модифицированной кусочно-линейной модели биполярного транзистора для анализа его работы в режимах не только класса С, но и классов В и АВ.

5. Создана модель стационарного режима генератора СВЧ с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, на основе которой разработан алгоритм решения задачи синтеза генератора в диалоге с ЭВМ.

Практическую значимость выполненных исследований, в первую очередь, имеют созданные модельные представления и алгоритмы расчетов, которые предлагаются для использования при схемотехническом проектировании СВЧ транзисторных генераторов с внутренней обратной связью и с помощью которых можно определять топологию их ВЧ цепей. Ранее такой возможности не было. Созданная модель, по мнению автора, достаточно проста и удобна. Она позволяет проследить физические процессы, определяющие зависимость электрических параметров генератора от элементов его электродинамической системы и электрического режима работы транзистора, что позволяет осознанно осуществлять поиск наилучшего варианта конструкции устройства. Оперативность такого поиска обеспечивает предложенный алгоритм, предусматривающий диалог с ЭВМ.

В процессе исследований были выработаны конкретные рекомендации, которые могут использоваться в практике разработки СВЧ транзисторных генераторов. К их числу относятся выводы:

- о построении генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе именно в СВЧ диапазоне,

- о существовании интервала значений реактивной проводимости нагрузки, пересчитанной к выходу транзистора, где создаются наиболее благоприятные условия для обеспечения генераторного режима,

- о характере влияния обратной связи во входной цепи транзистора на его динамические характеристики.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методов моделирования, которые широко используются в современной технике СВЧ. Используемая модель биполярного

транзистора апро