Моделирование электрических характеристик свч-генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе

На правах рукописи

МАЗЕЕВ Евгений Валентинович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

СВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Специальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор

Игнатьев Александр Анатольевич

доктор технических наук

Львов Алексей Арленович

Ведущая организация ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов.

Защита состоится « 23 » июня 2011 года в 13 часов на заседании диссер-

тационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техни-

ческом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», корп.1, ауд.220.

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

Автореферат разослан «12 » мая 2011 г.

Автореферат размещен на сайде Саратовского государственного технического университета http://www.sstu.ru « » мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. СВЧ-транзисторные генераторы нашли широкое применение в современной радиоэлектронной технике. При их разработке изготовлению экспериментальных образцов предшествует этап схемотехнического проектирования, на котором с использованием математических моделей проводится анализ возможных вариантов конструкции и выбирается вариант, подлежащий реализации. Это способствует сокращению материальных затрат на разработку и сроков ее проведения.

Вопросы моделирования транзисторных генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов рассматривались в работах Челнокова О.Л., Богачева В.М., Хотунцева Ю.Л. и др. Такие генераторы строятся по трехточечной схеме, в которой реализуется внешняя обратная связь, и в их состав входят элементы с сосредоточенными параметрами.

Пассивные элементы СВЧ-транзисторных генераторов, как правило, выполняются отрезками микрополосковой линии (МПЛ) и используется внутренняя обратная связь, при которой упрощается конструкция устройства. Кроме того, при внутренней обратной связи сокращается ее электрическая длина, что является важным условием для работы генератора с перестройкой частоты. Моделированию СВЧ-транзисторных генераторов с внутренней обратной связью посвящен ряд работ (Фартушнов С.А., Фурсаев М.А., Горбачев Д.М., Grebennikov A.V.). В них основное внимание уделено определению параметров электрического режима работы транзистора в составе генератора и параметров электрических цепей, при которых достигаются требуемые выходные параметры устройства. Такой режим принято называть номинальным. Однако при серийном производстве и эксплуатации номинальный режим и условия его обеспечения не всегда могут быть выдержаны. Поэтому на этапе проектирования необходимо проводить оценку работоспособности генератора в режимах, отличающихся от номинального, что требует решения задачи моделирования его электрических характеристик. Такая задача ранее не рассматривалась.

При разработке СВЧ-генератора с перестройкой частоты ранее использовалась линейная модель транзистора (Kitcher J., Vidwar A.), что не позволяло определять уровень выходной мощности и характер ее изменения в диапазоне перестройки. Определение этих данных СВЧ-генератора с перестройкой частоты должно базироваться на нелинейной модели транзистора.

Таким образом, для повышения эффективности проектирования СВЧ-транзисторных генераторов представляется актуальным продолжение работ в направлении создания методик и алгоритмов моделирования электрических характеристик этих устройств.

Целью диссертации является создание методик и алгоритмов моделирования и анализа электрических характеристик СВЧ-генераторов с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, предназначенных для работы как на фиксированной частоте, так и с перестройкой частоты.

Задачи исследования.

1. Определение принципов моделирования электрических характерис-

тик СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью.

2. Разработка методик и алгоритмов моделирования электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, позволяющего проводить анализ работы этого устройства при изменении питающего напряжения и параметров нагрузки.

3. Нахождение условий, ограничивающих работу СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью при изменении параметров на-грузки на его выходе.

4. Создание методики и алгоритма моделирования СВЧ-транзисторного генератора с перестройкой частоты на базе нелинейной модели транзистора, обеспечивающих определение величины выходной мощности и ее изменение при перестройке частоты.

5. Экспериментальная проверка результатов моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построена модель СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, обеспечивающая проведение расчета и анализа его выходных параметров при изменении параметров электрического режима.

2. Разработаны методики и алгоритмы расчета электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, позволяющие определить зависимости выходных параметров, в том числе генерируемой частоты, от величин параметров элементов цепи постоянного тока и нагрузки на выходе устройства.

3. Показано, что при увеличении модуля коэффициента отражения нагрузки на выходе СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью увеличивается интервал изменения генерируемой частоты при изменении фазы этого коэффициента, а увеличение добротности колебательной системы сопровождается уменьшением интервала изменения частоты при изменении как питающего напряжения, так и фазы коэффициента отражения нагрузки (при фиксированном значении модуля этого коэффициента).

4. Разработаны методика и алгоритм моделирования СВЧ-генератора с перестройкой частоты на биполярном транзисторе, позволяющая определить границы диапазона перестройки, а также уровень выходной мощности и ее изменение при перестройке частоты.

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

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Методики и алгоритмы моделирования электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, обеспечивающие проведение анализа его работы при изменении параметров элементов цепей постоянного тока и нагрузки на его выходе.

2. Методика решения задачи расчета выходных параметров СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью, в котором определяемым является один из параметров электрического режима устройства (например, напряжение источника постоянного питания или проводимость нагрузки на выходе устройства), а задаваемым – генерируемая частота.

3. Результаты анализа зависимостей выходных параметров СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от величин питающих напряжений и параметров нагрузки на выходе устройства.

4. Алгоритм расчета электрических характеристик СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты, позволяющая прогнозировать ширину диапазона перестройки, выработать требования, предъявляемые к колебательной системе и цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается этот диапазон перестройки частоты, а также определить уровень выходной мощности и ее изменение при перестройки частоты.

Практическую значимость имеют:

- разработанные алгоритмы расчета зависимостей величин выходных параметров СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от напряжений источников постоянного питания, который необходимо проводить на этапе схемотехнического проектирования для оценки работоспособности таких устройств при напряжениях этих источников, отличающихся от номинальных;

- результаты анализа зависимости выходных параметров СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от параметров цепи на его выходе, позволяющие выработать требования, предъявляемые к выходной ферритовой развязке, используемой в этом устройстве;

- разработанная методика расчета электрических характеристик СВЧ-генератора с перестройкой частоты на биполярном транзисторе, позволяющая определить ширину диапазона перестройки и величину выходной мощности, которая может быть использована при проектировании таких устройств.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008, 2010, Новосибирск, 2010) и научной конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства, технология и материалы» (Саратов, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Ее объем 113 стр., 47 рисунков, 52 наименования цитируемых источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель, научная новизна, а также положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе излагаются основы моделирования электрических характеристик СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью, основными элементами которого, кроме транзистора, являются ко-лебательная система, включенная на его входе, и выходной трансформатор связи. Схема, иллюстрирующая принцип построения такого генератора, приведена на рис.1. Обратная связь в нем формируется за счет переотражения ВЧ сигнала между выходным трансформатором связи и колебательной системой, которой определяется генерируемая частота.

Рис. 1. Эквивалентная схема СВЧ- транзисторного генератора

с внутренней обратной связью (1 – транзистор, 2 – колебательная

система, 3 – выходной трансформатор связи, 4 – нагрузка)

Моделирование электрических характеристик СВЧ-транзисторного генератора предполагает самосогласованное совместное решение системы следующих уравнений:

- уравнений условия стационарного режима генератора;

- уравнений математической модели транзистора, используемого в гене- раторе;

- уравнений, определяющих значения проводимостей колебательной системы и цепи на выходе транзистора.

Введение последних из этих уравнений в состав решаемой системы уравнений обеспечивает моделирование электрических характеристик генератора.

При использовании метода эквивалентных двухполюсников, при котором пассивным двухполюсником является колебательная система, а активным – вход транзистора, условие стационарного режима генератора записывается в виде

Yвх + Yкс = 0,

где Yвх = Gвх + jВвх – входная проводимость транзистора, Yкс = Gкс + jВкс – проводимость колебательной системы.

В составе генератора транзистор работает в нелинейном режиме. Поэтому величина входной проводимости транзистора, зависящая не только от проводимости цепи на его выходе Yн = Gн + jВн, но и от параметров электрического режима прибора, определяется с использованием его математической модели.

Если в генераторе не осуществляется перестройка частоты, ее величина при изменении электрического режима изменяется незначительно. Это позволяет при моделировании таких генераторов колебательную систему представлять в виде LС-контура, а для расчета ее проводимости использовать соотношение

Yкс = Gкс + j2GксQ(),

где Q – добротность колебательной системы, fр – ее резонансная частота.

Проводимость цепи на выходе транзистора Yн может быть определена как входная проводимость пассивного четырехполюсника, на выходе которого подключена внешняя нагрузка, характеризующаяся величиной коэффициента отражения.

В диссертации рассматривается СВЧ-генератор на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой и работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, который характеризуется пониженным уровнем шумов. Электрические параметры транзистора рассчитываются с использованием кусочно-квазилинейной модели, которая является частным случаем модели Эберса-Молла. Используемая модель вполне адекватно отражает основные нелинейные свойства транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока. Ее аналитические уравнения позволяют проводить расчеты с малыми затратами машинного времени.

Кусочно-квазилинейная модель биполярного транзистора строится на базе эквивалентной схемы, приведенной на рис.2, которой учитывается подключение к прибору в составе генератора со стороны входа колебательной системы, а со стороны выхода – нагрузки. Ключи в этой схеме отражают пребывание транзистора в течение одного периода в открытом и закрытом состояниях.

В схеме приняты следующие обозначения:

Zэ = + jLэ – комплексное сопротивление эмиттерного электрода;

Zб = rб + jLб – комплексное суммарное сопротивление базового электрода и базового слоя транзистора;

Zк = rк + jLк – комплексное сопротивление коллекторного электрода;

rэ – сопротивление эмиттерного перехода, усредненного за время его пребывания в открытом состоянии;

Сдэ – диффузионная емкость эмиттерного перехода;

Сэ – барьерная емкость эмиттерного перехода;

Iкг – источник тока, обусловленного частью эмиттерного тока, прошед- шего через базовый слой к коллектору;

Ск – барьерная емкость коллекторного перехода, усредненная за период.

Рис.2. Эквивалентная схема СВЧ-генератора с внутренней

обратной связью на биполярном транзисторе, работающем

в недонапряженном режиме с отсечкой тока

Транзистор рассматривается как активный четырехполюсник. Теория электрических цепей и гармонический анализ позволяют связать действующие значения первых гармоник входных и выходных напряжений и токов системой двух уравнений с коэффициентами Z-типа. При этом учитывается, что первая гармоника соответствует генерируемой частоте, на которую настроена колебательная система. Соотношения Z-коэффициентов имеют вид

, ,

,

где Zэп – комплексное сопротивление эмиттерного перехода транзистора, усредненного за период, величина которого является функцией амплитуды напряжения на этом переходе в открытом состоянии Uom;

1 - коэффициент, характеризующий уровень первой гармоники напря- жения открытого эмиттерного перехода;

- параметр, характеризующий время жизни рабочих носителей заряда в базовом слое;

- коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь.

Амплитуда напряжения открытого эмиттерного перехода транзистора Uom в кусочно-квазилинейной модели используется в качестве параметра электрического режима прибора. От величины этого параметра, кроме сопротивления эмиттерного перехода Zэп, зависят значения тока Iкг и барьерной емкости коллекторного перехода Сэ. С учетом этого рассчитываемые значения выходной мощности, постоянного эмиттерного тока и входной проводимости транзистора являются функциями амплитуды напряжения его открытого эмиттерного перехода. Значение входной проводимости транзистора в соответствии с теорией четырехполюсников определяется как

где Zн – сопротивление цепи на выходе прибора.

Вторая глава посвящена разработке методик и алгоритмов модели-рования электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, а также исследованию зависимости электрических параметров генератора от значений параметров элементов цепей постоянного тока и нагрузки. Расчеты проводятся в предположении использования в генераторе биполярного транзистора типа КТ919А, работающего в режиме класса С. Генерируемая частота 1 ГГц.

Моделирование зависимости выходных электрических параметров СВЧ-генератора от напряжений источников постоянного питания проводилось на базе разработанного алгоритма, использующего методику последовательных приближений. При этом исходными данными являются значения параметров генератора в номинальном режиме работы, а искомыми – значения выходных параметров при напряжениях, отличающихся от номинального. Такой подход позволяет получить быструю сходимость результатов расчета.

Рис.3. Расчетные зависимости генерируемой частоты (а),

выходной мощности генератора и постоянного эмиттерного тока

транзистора (б) от напряжения источника постоянного питания

На рис.3 приведены данные расчета зависимости генерируемой частоты, выходной мощности генератора и постоянного эмиттерного тока транзистора от напряжения источника постоянного питания. Величины изменения генерируемой частоты и напряжения нормированы к величинам этих параметров в номинальном режиме. Как видно из рис.3,а, значение электронного смещения частоты уменьшается при увеличении добротности колебательной системы. Величины выходной мощности генератора и постоянного эмиттерного тока транзистора практически не зависят от ее добротности.