авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

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

-- [ Страница 1 ] --

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.

 Эквивалентная схема СВЧ--0

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.

 Эквивалентная схема СВЧ-генератора-3

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.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.