Введение к работе
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.
-
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.
