Введение к работе
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 в обход прибора, а схема состоит из элементов с сосредоточенными параметрами.
В отличие 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 мо-
делью 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 отсечкой 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, обеспе
чивающим получение задаваемого диапазона перестройки;
разработан комплекс программ на языке C++ на основе предложенных алгоритмов решения задач моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, проводимого 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:
Модель биполярного транзистора, работающего в недонапряжен-ном режиме с отсечкой тока, которая учитывает его пребывание в открытом и закрытом состояниях, а также влияние элементов его эмиттернои 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.
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 устройства;
- 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.
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.
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:
Усовершенствованная модель биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, не только позволяет проводить расчет энергетических параметров усилителей мощности, но и обеспечивает решение задач моделирования генераторов, в которых транзистор работает в этом режиме.
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.
Комплекс рабочих алгоритмов моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном 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.
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.
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.
