Математическое моделирование свч-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе
На правах рукописи
Горбачев Денис Михайлович
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-ГЕНЕРАТОРА
С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Специальности
05.13.18 – Математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ
05.27.01 – Твердотельная электроника, радиокомпоненты,
микро – и наноэлектроника,
электронные приборы на квантовых эффектах
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фурсаев Михаил Александрович
Официальные оппоненты: доктор физико – математических наук,
профессор
Ширшин Сергей Иванович
кандидат технических наук, доцент
Анашкин Анатолий Александрович
Ведущая организация: ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон»
(г. Саратов)
Защита диссертации состоится 19 июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (410054,
г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319).
С диссертацией можно ознакомиться в научно – технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Автореферат разослан мая 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета А.А. Терентьев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Широкое применение в современной радиотехнике нашли генераторы СВЧ диапазона, построенные на базе биполярных и полевых транзисторов, позволяющие получить либо высокий уровень мощности на фиксированной частоте либо перестройку частоты в определенной полосе частот. При разработке новых типов таких генераторов с целью сокращения материальных и временных затрат проводится этап математического моделирования этого устройства. Известны работы по моделированию транзисторных генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов, которые строятся по трехточечной схеме (Челноков О.Л., Хотунцев Ю.Л., Богачев В.М, Балыко А.К и др.) В этих генераторах используется внешняя обратная связь, когда сигнал с выхода транзистора на его вход передается обход прибора, а схема состоит из элементов с сосредоточенными параметрами.
В отличии от генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов пассивные элементы электродинамической системы СВЧ транзисторных генераторов выполняются на отрезках микрополосковой линии (МПЛ), совокупность которых определяет топологию устройства. При построении таких генераторов может использоваться не только внешняя обратная связь, но и внутренняя, когда часть выходной мощности транзистора на его вход поступает после ее прохождения через сам прибор. Топология генераторов с внутренней обратной связью весьма проста, а электрическая длина такой обратной связи мала. Последнее имеет значение при создании генераторов с перестройкой частоты. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется вопросам моделирования СВЧ транзисторных генераторов с внутренней обратной связью (Фартушнов С.А., Фурсаев М.А., Grebennikov A.V.). Однако многие вопросы моделирования таких генераторов, далеки от решения. Так не охвачены моделированием режимы, отличные от номинального, в которых генератор может пребывать под действием дестабилизирующих факторов производства и эксплуатации, не выработаны принципы моделирования генераторов с перестройкой частоты, которые позволяют определить требования к частотным характеристикам пассивных элементов для обеспечения требуемой полосы перестройки.
Основой моделирования транзисторных генераторов являются математические модели прибора, на базе которого строится генератор. Между тем они ориентированы на применение транзисторов в составе усилительных каскадов, а для их применения при моделировании генераторов с внутренней обратной связью требуется разработка специальных методик. При создании таких методик следует отдать предпочтение приближенным моделям, применение которых не требует больших затрат машинного времени, но учитывающим основные нелинейные свойства транзистора. Такой моделью может служить модель биполярного транзистора, отражающая его работу в недонапряженном режиме с отсечкой тока, который характеризуется пониженным уровнем шумов (Фурсаев М.А., Богачев В.М.). Для повышения эффективности применения эта модель нуждается в усовершенствовании, а вместе с ней требует дальнейшего развития используемая модель СВЧ генератора на биполярном транзисторе.
Цель работы. Дальнейшее развитие математической модели СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с от- сечкой тока, на базе усовершенствованной модели прибора и создание на этой основе комплекта алгоритмов решения задач синтеза и анализа таких устройств, в том числе и с перестройкой частоты.
Задачи исследования:
- усовершенствование модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
- определение особенностей решения задач моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, и выработка стратегии их решения;
- дальнейшее развитие математической модели СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, на базе усовершенствованной модели этого прибора;
- разработка алгоритма решения задачи определения требований к частотным характеристикам пассивных элементов СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты.
- применение разработанной модели СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе для решения задач моделирования этого устройства, в том числе для оценки его работоспособности при действии дестабилизирующих факторов условий производства и эксплуатации;
Научная новизна работы:
- развита математическая модель биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, в которой при определении барьерной емкости коллекторного перехода учтено пребывание прибора в открытом и закрытом состояниях, а также влияние элементов его эмиттерной части и входной цепи;
- разработаны рабочие алгоритмы решения ряда задач моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, на базе усовершенствованной модели этого прибора;
- предложен алгоритм решения задачи синтеза СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты, позволяющий выработать требования к частотным характеристикам узлов электродинамической системы генератора, обеспечивающим получение задаваемого диапазона перестройки;
- разработан комплекс программ на языке С++ на основе предложенных алгоритмов решения задач моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, проводимое в диалоговом режиме;
- определены условия получения отрицательной величины активной компоненты входной проводимости биполярного транзистора, необходимой для создания на его основе СВЧ генератора с внутренней обратной связью, заключающиеся в обеспечении на генерируемой частоте резонанса выходной цепи, в состав которой входит барьерная емкость коллекторного перехода прибора;
- проведено моделирование режимов работы СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе с учетом действия дестабилизирующих факторов производства и эксплуатации.
Достоверность результатов работы.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методов моделирования, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, экспериментальным подтверждением адекватности используемой модели транзистора.
Результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Модель биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, которая учитывает его пребывание в открытом и закрытом состояниях, а также влияние элементов его эмиттерной части и входной цепи при определении барьерной емкости коллекторного перехода, позволяет решать задачи синтеза и анализа СВЧ генератора с внутренней обратной связью на этом приборе, при его работе в таком режиме.
2. Алгоритмы моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, разработанные с целью решения задач синтеза и анализа, в том числе:
- определения значений параметров электрического режима транзистора, при которых обеспечивается работа такого генератора при задаваемых значениях выходных параметров этого устройств;
- определения значений параметров элементов входной цепи постоянного тока, при которых достигается устойчивость работы генератора;
- оценки работоспособности генератора с выбранными значениями параметров режима и элементов входной цепи постоянного тока при действии дестабилизирующих факторов условий производства и эксплуатации.
3. Методика и алгоритмы моделирования СВЧ транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты, позволяющего выработать исходные требования к пассивным элементам электродинамической системы генератора в части их частотных характеристик, при которых обеспечивается задаваемый диапазон перестройки.
4. Получение отрицательной величины активной компоненты входной проводимости биполярного транзистора, необходимой для его работы в составе генератора с внутренней обратной связью, достигается выбором значения реактивной проводимости нагрузки на выходе прибора, при которой на генерируемой частоте устанавливается резонанс в цепи, включающей эту нагрузку и барьерную емкость коллекторного перехода транзистора.
Практическая значимость работы:
1. Усовершенствованная модель биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, позволяет проводить не только расчет энергетических параметров усилителей мощности, но и обеспечивает решение задач моделирования генераторов, в которых транзистор работает в этом режиме.
2. Развиваемые модельные представления, отражающие условия, при которых обеспечивается работоспособность СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, способствует правильному выбору направления в процессе разработки этого устройства.
3. Комплекс рабочих алгоритмов моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярной транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, позволяет выработать требования к пассивным элементам электродинамической системы такого генератора, а также к элементам входной цепи постоянного тока.
4. Алгоритм моделирования СВЧ транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты позволяет определить требования к частотным характеристикам элементов его электродинамической системы, являющиеся исходными данными при их моделировании.
5. Разработанный комплекс программ на основе предложенных алгоритмов позволяет в диалоговом режиме решать задачи моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе.
Личный вклад автора. Автором разработаны алгоритмы расчета энергетических характеристик усилителей мощности, а также решения задач моделирования генераторов на биполярном транзисторе, проведены необходимые расчеты и теоретические исследования, выполнен анализ полученных результатов.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Радиотехника и связь» (Саратов, 2005,2006 и 2007 гг.), «Информатизация технических средств и процессов» (Саратов, 2008 г.), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008 г.).
Публикации. По результатам научных исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 13 печатных работ, из них три работы – в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 108 страниц, состоит из введения, четырех глав и заключения, включает 35 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы включает 51 наименование.
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 практическую значимость. Представлены сведения об апробации работы.
В первой главе рассмотрены основы моделирования СВЧ транзисторных генераторов с внутренней обратной связью, в результате которого в первую очередь определяются параметры электрического режима транзистора и элементов схемы, при которых обеспечивается получение требуемых выходных параметров устройства, в том числе частота и выходная мощность. При моделировании используется эквивалентная схема, приведенная на рис.1, которая позволяет представить такой генератор в виде двух соединенных параллельно двухполюсников, один из которых является активным, а другой – пассивным. В настоящей работе в качестве пассивного двухполюсника выбрана колебательная система, а в качестве активного – вход транзистора. В этом случае амплитудное и фазное условия стационарного режима генератора записываются в виде
, (1)
, (2)
где 
и 
– входная проводимость транзистора и проводимость колебательной системы соответственно. Входная проводимость транзистора является функцией проводимости цепи, подключенной к его выходу, 
, а активная компонента входной проводимости транзистора в составе генератора с внутренней обратной связью должна быть отрицательной величиной.
Рис.1. Эквивалентная схема СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью (1- транзистор, 2 – колебательная система, 3 – выходной трансформатор связи, 4 – внешняя нагрузка).
Величина входной проводимости транзистора, как и величины других его электрических параметров, в диссертации определяется с помощью математической модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока.
В случае генератора с внутренней обратной связью величины проводимости колебательной системы, подключенной к входу прибора, и входной проводимости транзистора связаны между собой условиями (1) и (2). Последнее определяет специфику моделирования такого генератора, при котором на первом этапе решается задача синтеза.
Рис.2. Эквивалентная схема биполярного транзистора для анализа его работы в
недонапряженном режиме с отсечкой тока.
Используемая модель биполярного транзистора строится на базе эквивалентной схемы, представленной на рис.2. Ключи в этой схеме отражают смену состояний транзистора в течение одного периода. Замкнутый ключ в левой, коллекторной части эквивалентной схемы соответствует открытому состоянию эмиттерного перехода, т.е. открытому состоянию транзистора, разомкнутый ключ – закрытому состоянию прибора. Ключ в правой, эмиттерной части схемы в положении «а» соответствует открытому состоянию транзистора, в положении «б» - закрытому. При этом полагается, что в открытом состоянии эмиттерный переход характеризуется лишь диффузионной емкостью 
. Поскольку коллекторный переход транзистора при работе в недонапряженном режиме закрыт, в коллекторной части схемы конденсатор 
учитывает лишь барьерную емкость коллекторного перехода, а в эмиттерной части схема рис.2 отсутствует источник тока.
В модели нелинейности, наряду с введением ключей в эквивалентную схему, учитываются зависимостью от электрического режима величин сопротивления эмиттерного перехода и барьерной емкости коллекторного перехода. Их величины усредняются за время ВЧ периода. Параметром, характеризующим электрический режим прибора принимается амплитуда открытого эмиттерного перехода.
Вторая глава посвящена усовершенствованию модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока.
Параметры, аппроксимирующие вольт-амперную характеристику открытого эмиттерного перехода, унифицированы с параметрами теории p-n перехода, которые используются в работах отечественных авторов. С учетом этого соотношение для сопротивления 
эквивалентной схемы рис.2, усредненное за время пребывания эмиттерного перехода в открытом состоянии, записывается в виде
, (3)
где 
– амплитуда напряжения открытого эмиттерного перехода; 
– ток насыщения обратно смещенного перехода; 
– тепловой потенциал; 
– коэффициент, учитывающий «неидеальность» перехода.
Для определения усредненной величины барьерной емкости коллекторного перехода необходимо знание величины ВЧ напряжения, действующего на этом переходе в интервале фаз, когда транзистор находится в открытом состоянии. В свою очередь величина этого ВЧ напряжения зависит от сопротивления 
цепи, на которую нагружен источник тока
эквивалентной схемы рис. 2. Для определения сопротивления нагрузки источника тока
предложено использовать эквивалентную схему, приведенную на рис.3, согласно которой
, (4)
где 
, 
– сопротивление коллекторного электрода, 
- сопротивление эмиттерной части эквивалентной схемы транзистора и цепи на его входе.
Рис.3. Эквивалентная схема выходной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ
Значение барьерной емкости коллекторного перехода 
предлагается определить по соотношению
, (5)
где 
- величина напряжения на коллекторном переходе, усредненная за ВЧ период.
. (6)
В соотношениях (5) и (6)
- барьерная емкость коллекторного перехода в отсутствие на нем напряжения;
- контактная разность потенциалов;
- напряжение источника коллекторного питания;
- коэффициент передачи тока;
- амплитуда первой гармоники эмиттерного тока;
- коэффициент, определяющий уровень первой гармоники напряжения открытого эмиттерного перехода;
, где 
- время жизни рабочих носителей заряда;
- угол отсечки;
.
Величины параметров 
, 
и 
являются функциями электрического расчета транзистора и зависят от амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода.
В модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, используются усредненные значения нелинейных элементов эквивалентной схемы. Это дает возможность линеанизировать решение задачи моделирования транзистора и представить связь между первыми гармониками эмиттерного и коллекторного токов, а также напряжениями эмиттер – база и коллектор – база системой двух уравнений
, (7)
, (8)
где соотношения для 
- коэффициентов имеют вид:
, (9)
, (10)
, (11)
. (12)
Уравнения (9) – (12) для Z – параметров эквивалентной схемы рис.2. с учетом полученных соотношений, определяющих величины барьерной емкости коллекторного перехода и сопротивления цепи, на которую нагружен источник тока 
, положены в основу уравнений, позволяющих провести расчет основных электрических параметров транзистора при его работе в режимах классов АВ, В и С при закрытом коллекторном переходе. В частности, расчет входной проводимости транзистора, компоненты которой входят условия (1) и (2), проводится с использованием соотношения
, (13)
На рис.4 приведены электрические характеристики усилителя мощности на транзисторе типа КТ-919А, работающего в режиме класса В, рассчитанные с использованием полученных уравнений усовершенствованной модели, а также экспериментальные данные. Расчет зависимостей выходной мощности, постоянного эмиттерного тока и КСВН на входе транзистора от напряжения источника коллекторного питания проведен для тех значений этого напряжения и входной мощности, при которых прибор работает в недонапряженном режиме. Видно, что данные расчета вполне адекватны экспериментальным. Особо следует отметить это соответствие в части зависимости КСВН, значение которого определяется величиной входной проводимости транзистора.
Рис.4. Расчетные (——) и экспериментальные (- - - -) зависимости выходной мощности (а), постоянного эмиттерного тока (б) и КСВН (в) на входе усилительного каскада от напряжения коллекторного питания для ряда значений входной мощности
Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о возможности использования усовершенствованной модели биполярного транзистора при моделировании СВЧ устройств, в которых он работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока.
Третья глава посвящена моделированию СВЧ генератора с внутренней обратной связью, в котором биполярный транзистор работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока. При этом решаются следующие задачи его синтеза:
- определения параметров электрического режима транзистора, работающего в составе генератора и обеспечивающего задаваемые значения выходной мощности и напряжения источника коллекторного питания;
- определения параметров элементов входной цепи постоянного тока, обеспечивающих устойчивость работы генератора.
При решении первой из этих задач проводится расчет зависимостей
активной и реактивной компонент входной проводимости транзистора, его выходной мощности и коллекторного напряжения от реактивной проводимости нагрузки на выходе прибора при фиксированных значениях активной проводимости нагрузки, напряжения эмиттер – база, барьерной емкости коллекторного перехода и амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода (Рис. 5.). Варьированием фиксированных значений параметров достигается получение отрицательной величины активной компоненты входной проводимости транзистора в интервале значений реактивной проводимости нагрузки, в котором обеспечиваются требуемые величины выходной мощности и коллекторного напряжения. В этом интервале выбираются значения параметров электрического режима транзистора, что иллюстрируется построениями на рис.5.
а. б.
в. г.
Рис.5. Расчетные зависимости активной (а) и реактивной (б) компонент входной проводимости транзистора, напряжения питания его коллектора (в) и мощности на выходе генератора (г) от реактивной проводимости цепи на выходе прибора.
Определяемые значения активной и реактивной компонент входной проводимости транзистора, а также активной и реактивной компонент проводимости нагрузки, используются в качестве исходных данных при проектировании топологии колебательной системы и выходного трансформатора связи. Определяемые величины напряжения эмиттер-база и постоянного тока эмиттера необходимы для выбора значений параметров элементов входной цепи постоянного тока.
Анализ зависимостей на рис. 5а и 5б дает основание заключить, что отрицательная величина активной компоненты входной проводимости транзистора, при которой обеспечивается работа прибора в составе генератора с внутренней обратной связью, получается при наличии на генерируемой частоте резонанса в выходной цепи, включающей нагрузку и барьерную емкость коллекторного перехода. Подтверждением этого могут служить результаты расчета резонансной частоты контура рис.3, приведенные в табл.1. В таблице величины реактивной проводимости нагрузки соответствуют значениям, при которых достигается максимум отрицательной величины активной компоненты входной проводимости транзистора. Видно, что расчетная величина резонансной частоты контура практически совпадает с частотой 1 ГГц, для которой проводились расчеты.
Таблица 1.
Результаты расчета резонансной частоты выходной цепи транзистора.
| Ск, Ф | Lб, Гн | Lк, Гн | Gн, См | Bн, См | Lн, Гн | Fрас, ГГц |
| 5,6*10-12 | 0,13*10-9 | 1,0*10-9 | 0,02 | -0,046 | 2,9*10-9 | 1,06 |
| 7,6*10-12 | 0,13*10-9 | 1,0*10-9 | 0,02 | -0,062 | 2,3*10-9 | 0,985 |
| 9,6*10-12 | 0,13*10-9 | 1,0*10-9 | 0,02 | -0,078 | 1,91*10-9 | 0,935 |
| 7,6*10-12 | 0,13*10-9 | 1,0*10-9 | 0,01 | -0,064 | 2,23*10-9 | 0,995 |
| 7,6*10-12 | 0,13*10-9 | 1,0*10-9 | 0,03 | -0,060 | 2,1*10-9 | 1,01 |
| 7,6*10-12 | 0,13*10-9 | 1,0*10-9 | 0,02 | -0,066 | 2,23*10-9 | 0,983 |
Значения параметров элементов входной цепи постоянного тока, какими являются напряжение источника смещения 
и сопротивление резистора смещения 
, определяются по результатам анализа расчетных зависимостей активной компоненты входной проводимости транзистора от амплитуды ВЧ напряжения открытого эмиттерного перехода, 
, приведенных на рис.6. Значения этих параметров выбираются при условии выполнении неравенства, при котором обеспечивается устойчивость работы генератора
. (14)
Варьируемые величины параметров 
и 
выбираются с учетом соотношения
, (15)
при выполнении которого обеспечивается сохранение ранее выбранного режима работы транзистора. В этом соотношении 
– напряжение эмиттер-база, 
– постоянный эмиттерный ток, определенные при решении первой задачи.
Рис.6. Расчетные зависимости активной компоненты входной проводимости транзистора от амплитуды напряжения на открытом эмиттерном переходе:
1-
= 0 Ом, 
=0,525В; 2-
= 1 Ом, 
=1,7310В;
3-
= 4Ом, 
=3,452В.
В результате решения первых двух задач определяются значения параметров, соответствующих номинальному режиму. Однако данный режим с учетом действия факторов, свойственных производству и эксплуатации, не всегда обеспечивается. В связи с этим проведено моделирование работы генератора при отличии значений параметров режима от номинальных, результаты которого отражены в таблице 2. Проведенное исследование выявило, в частности, особую критичность работы генератора к изменению величины реактивной проводимости цепи на выходе транзистор, что обусловлено резонансом этой цепи, при котором обеспечивается отрицательная величина активной компоненты входной проводимости прибора.
В обеспечение решения перечисленных задач моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью, были разработаны необходимые методики, алгоритмы и комплект программ, выполненный на языке С++. При этом решение задач синтеза проводится в диалоговом режиме, что обеспечивает его эффективность.
В четвертой главе рассмотрены вопросы моделирования СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью и варакторной перестройкой частоты, проведенного при использовании линейной модели биполярного транзистора. Обоснованы этапы такого моделирования, дающего возможность определения структуры и величин параметров элементов колебательной системы генератора, а также выработать требования к цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается задаваемый диапазон частотной перестройки.
На первом этапе моделирования рассчитывается величина входной проводимости транзистора для фиксированной частоты диапазона перестройки, с учетом которой выбирается вариант построения колебательной системы генератора и проводится расчет значений параметров ее элементов. Кроме того, задается соответствие частот диапазона перестройки и величин емкости варактора его вольт-фарадной характеристики, при котором предполагается получить необходимую зависимость генерируемой частоты от напряжения, подводимого к варактору. Рассмотрен вариант, когда колебательная система представляет собой отрезок МПЛ, нагруженный варактором и резистором, для которого рассчитываются частотные зависимости компонент ее проводимости. Величина активной компоненты системы в диапазоне перестройки не должна быть отрицательной.
Проводимость цепи на выходе транзистора в составе генератора с внутренней обратной связью при использовании линейной модели прибора и учете условия стационарного режима (1) и (2) однозначно определяется проводимостью колебательной системы.
. (16)
Это позволяет на последующем этапе моделирования определить частотную зависимость проводимости цепи на выходе транзистора, при реализации которой должна быть получена перестройка частоты в задаваемом диапазоне и необходимая зависимость генерируемой частоты от напряжения варактора. Результаты расчета таких зависимостей для одного из вариантов построения колебательной системы приведены на рис.7. Положительная величина активной компоненты проводимости этой цепи в диапазоне перестройки служит еще одним критерием при выборе варианта колебательной системы.
Рис.7. Расчетные зависимости активной (а) и реактивной (б) компонент
проводимости цепи на выходе транзистора от частоты, при которых обеспечивается
перестройка частоты генератора в полосе от 0,5 до 1,0 ГГц.
Обсуждены ограничения, связанные с использованием линейной
модели транзистора при моделировании генератора с перестройкой частоты. В частности, отмечается что такой подход не дает возможность оценить влияние на работоспособность генератора отличия между частотными зависимостями проводимости цепи на выходе транзистора, полученными при моделировании и при реализуемой топологии выходного трансформатора связи, а также выявить разрывы в зависимости генерируемой частоты от напряжения, подводимого к варактору.
В заключении формулируются основные выводы и результаты диссертационной работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведено усовершенствование модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока в результате которого уточнены ее уравнения, определяющие значения сопротивления эмиттерного перехода и барьерной емкости коллекторного перехода, отражающие основные нелинейные процессы в приборе в этом режиме.
2. Развита математическая модель СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, характеризующемся пониженным уровнем шумов. На ее основе предложено проводить моделирование таких устройств радиоэлектронной техники.
3. Выявлена специфика моделирования СВЧ транзисторных генераторов, заключающаяся в необходимости на первом этапе решать задачи синтеза, а не анализа, что обычно является достаточным при моделировании усилительного каскада.
4. Определен порядок моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярной транзисторе, который включает три этапа:
- решение задачи определения параметров электрического режима транзистора, обеспечивающих его работу в составе такого генератора с заданными выходными параметрами;
- решение задачи определения параметров элементов входной цепи постоянного тока, обеспечивающих устойчивость работы генератора;
- решение задачи определения работоспособности генератора при дестабилизирующем действии факторов условий производства и эксплуатации.
5. Обоснована необходимость моделирования работы СВЧ транзисторного генератора в режимах, отличных от номинального, т.е. в условиях дестабилизирующего действия факторов производства и эксплуатации. Результаты такого моделирования могут служить критерием качества схемотехнического расчета этого устройства.
6. Предложены алгоритмы решения задач моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью, на биполярной транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока в том числе задачи моделирования СВЧ генератора с варакторной перестройкой частоты на биполярном транзисторе, построенного с использованием линейной модели прибора. Результатом такого моделирования является выработка требований к частотным характеристикам пассивных элементов электродинамической системы генератора.
7. Создан комплекс программ на языке С++ на основе предложенных алгоритмов для решения задач моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока. Это программное обеспечение предусматривает ведение диалога с ЭВМ.
8. Выполнено сравнение результатов расчета электрических характеристик транзистора в составе усилительного каскада с использованием усовершенствованной модели с экспериментальными данными. Сравнение показало, что эта модель может служить базой при моделировании СВЧ устройств, в которых биполярный транзистор работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока, в том числе при моделировании генераторов с внутренней обратной связью.
9. Показано, что отрицательная величина активной компоненты входной проводимости биполярного транзистора, необходимое условия его работы в составе генератора с внутренней обратной связью, получается при подборе такого значения реактивной проводимости нагрузки на выходе прибора, при которой на генерируемой частоте устанавливается резонанс в выходной цепи транзистора, включающей эту нагрузку и барьерную емкость коллекторного перехода.
10. Выявлена особая критичность работоспособности СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе к изменению при отличии реактивной проводимости цепи на выходе прибора относительно величины, соответствующей номинальному режиму. Причина такой критичности объясняется резонансом в выходной цепи, при которой обеспечивается отрицательная величина активной компоненты входной проводимости транзистора.
Основные публикации по теме диссертации
I.Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень
периодических изданий ВАК РФ
1. Горбачев Д.М. Алгоритм проектирования СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью. /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета, 2006. №4. С. 59-63.
2. Горбачев Д.М. Развитие кусочно-квазилинейной модели биполярного транзистора. /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №1. Вып. 1. С. 74-80.
3. Горбачев Д.М. Обеспечение устойчивости СВЧ генератора на биполярном транзисторе, работающем в режиме с отсечкой тока. /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского технического государственного технического университета. 2008. №1. Вып. 2. С. 255-260.
II. Публикации в других изданиях
4. Горбачев Д.М. Алгоритм моделирования СВЧ транзисторных генераторов с перестройкой частоты. /Д.М. Горбачев, Е.М. Мазеева, М.А. Фурсаев //. Радиотехника и связь. Материалы междунар. науч.-техн. конф. Саратов. СГТУ. 2005. С. 318-321.
5. Горбачев Д.М. К проектированию СВЧ транзисторных генераторов с варакторной перестройкой частоты. / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев //. Системы и устройства низких и сверхвысоких частот. Науч.-техн. сб. Саратов. СГТУ. 2005. С. 18-24.
6. Горбачев Д.М. Определение режима открытия коллекторного перехода в биполярном транзисторе. /Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев//. Радиотехника и связь. Материалы междунар. науч.-техн. конф. Саратов. СГТУ. 2006. С. 304-307.
7. Горбачев Д.М. Опредение параметров электрического режима биполярного транзистора в составе СВЧ генератора с внутренней обратной связью. / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев//. Радиотехника и связь. Материалы междунар. науч.-техн. конф. Саратов. СГТУ. 2007. С.279-284.
8. Горбачев Д.М. Алгоритм расчета электрических параметров усилителя на биполярном транзисторе. /Д.М. Горбачев//. Техническая электродинамика и электроника. Науч.-техн. сб. Саратов. СГТУ. 2006. С. 34-36.
9. 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. Науч.-техн. сб. Саратов. СГТУ. 2007. С.67-72.
10. Горбачев Д.М. Моделирование входной цепи постоянного тока СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью. / Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев//. Информатизация технических средств и процессов. Сб. науч. трудов ХХ1 междунар. техн. конф. Т. 5. Саратов. СГТУ. 2008. С. 273-275.
11. Горбачев Д.М. Особенности схемотехнического проектирования СВЧ транзисторных генераторов с внутренней обратной связью. /Д.М. Горбачев, Е.В. Мазеев, М.А. Фурсаев//. Актуальные проблемы электронного приборостроения. Материалы междунар. наут.-техн. конф. Саратов. СГТУ. 2008. С. З8-41.
12. Горбачев Д.М. Моделирование условий работы биполярного транзистора в составе СВЧ-генератора с внутренней обратной связью./ Д.М. Горбачев, М.А. Фурсаев/. Радиотехника и связь. Сб. науч. трудов. Саратов. СГТУ. С. 230-235.
13. Горбачев Д.М. Алгоритмы решения задач схемотехнического проектирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе./Д.М. Горбачев, Е.В. Мазеев//. Техническая электродинамика и электроника. Науч.-техн.сб. Саратов.СГТУ. 2009. С.12-16.
Горбачев Денис Михайлович
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ ГЕНЕРАТОРА
С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Автореферат
