Введение к работе
Актуальность темы. Анализ многочастотных взаимодействий в нелинейных системах, как с сосредоточенными, так и с распределёнными параметрами занимает важное место в современных радиофизических исследованиях. К ним, в частности, можно отнести получившие в настоящее время наибольшее распространение транзисторные усилители СВЧ диапазона и преобразователи частоты на различных полупроводниковых элементах. Эти устройства широко применяются в современной аппаратуре радиолокации, радиосвязи, радионавигации и телевидения. Поэтому различные задачи, связанные с многочастотным взаимодействием в данных устройствах, довольно содержательны, разнообразны и сводятся к поиску путей уменьшения нежелательных последствий нелинейных эффектов. Постоянно возрастающие требования к показателям качества передачи, приёма и обработки информации в современных радиокомплексах в связи с использованием многопозиционных сигналов со многими поднесущими, увеличением частотных диапазонов также стимулируют интенсивную деятельность в этом направлении. К тому же резкое увеличение количества радиосредств обострило проблему электромагнитной совместимости (ЭМС), что повысило интерес к многочастотным явлениям.
Проблема обеспечения электромагнитной совместимости является актуальной из-за несовершенства технических характеристик радиоэлектронных средств и их сосредоточения на ограниченной территории. Одним из решений этой важной проблемы является снижение восприимчивости к радиопомехам приёмных трактов. В настоящее время на входе приёмных СВЧ систем используют малошумящие усилители (МШУ) - транзисторные, параметрические - и смесители или преобразователи частоты на диодах, биполярных и полевых транзисторах, выполненные в виде отдельных самостоятельных блоков. Наиболее широкое распространение получили малошумящие транзисторные усилители. Преимуществом этих приборов, особенно гетероструктурных, является достаточно большой коэффициента усиления и довольно низкий коэффициент шума, как в сантиметровом, так и в миллиметровом диапазоне волн. Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) используются в основном в наземных системах спутниковой связи и прослушивания галактики. Что касается преобразователей частоты, то выбор нелинейного полупроводникового элемента, на котором строится устройство, определяется заданными значениями коэффициента передачи, коэффициента шума, энергетических затрат, а также уровнем допустимых нелинейных продуктов на его выходе. Моделированию и расчету параметров полупроводниковых СВЧ усилителей и смесителей, а также исследованию их характеристик, на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций. Однако большинство работ связано либо с улучшением параметров этих устройств, которые обеспечивают выполнение функций усиления и преобразования частоты слабого сигнала, либо со схемотехническими проблемами. Таким образом, проблема разработки научных основ моделирования и анализа многочастотных и шумовых процессов в нелинейных полупроводниковых радиоприёмных устройствах, создания методик расчёта их основных параметров ЭМС является актуальной.
Для анализа многочастотных взаимодействий и оптимизации работы устройств в помеховой обстановке необходимо иметь математические модели, строго описывающих нелинейные эффекты в избирательных цепях, СВЧ усилителях и смесителях на основе различных полупроводниковых элементов. Для построения таких моделей в данной работе использован метод функциональных рядов Вольтерры, пред-
ложенный в работах Н. Винера и развитый трудами Б. М. Богдановича, Ю. Л. Хо-тунцева, Е. А. Волкова, С. Мааса, Д. Педро и других исследователей, который определяет явную связь отклика и входного воздействия через ядра п-то порядка. Причём, если устройство описывается нелинейной зависимостью, то ядра являются стационарными, если нелинейно-параметрической, то ядра будут нестационарны. Выбор метода обусловлен тем, что он является аналитическим и позволяет наглядно показать вклад как прямых, так и повторных нелинейных взаимодействий в формирование нелинейного эффекта в целом.
При моделировании на структурном уровне полупроводниковые элементы представляется в виде эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами, которые учитывают их нелинейные и шумовые свойства. К сожалению, существующие эмпирические зависимости для нелинейных характеристик транзисторов и диодов не всегда позволяют достоверно проанализировать такие явления, как интермодуляция. Поэтому актуальным является разработка и выбор функциональных нелинейных зависимостей для характеристик различных полупроводниковых элементов, адекватно описывающих их работу в режиме несущественной нелинейности, а также развитие и разработка методик определения линейных, нелинейных и шумовых параметров выбранных моделей.
Значительное увеличение количества радиосредств, их комплексирование при размещении на ограниченных площадях (корабль, самолёт, ракета и др.), требует поиска конкретных путей значительного увеличения динамического диапазона радиоприёмной техники. При этом актуальной задачей является как исследование возможных конструктивных усовершенствований устройств, так и разработка способов адаптации преселектора, МШУ и смесителей за счёт изменения режимов работы, позволяющих реализовать возможность совместной работы радиосредств в сложной электромагнитной обстановке.
Если верхняя граница динамического диапазона радиоприёмного тракта определяется уровнем допустимых нелинейных искажений на его выходе, то нижняя его граница определяется чувствительностью устройства, которая в свою очередь зависит от коэффициента шума. Коэффициент шума входного устройства, как известно, определяется как собственными шумами усилителя, так и собственными шумами смесителя. Собственные шумы в полупроводниковых элементах имеют разную физическую природу и статистические характеристики. К тому же смеситель исходно является нелинейным устройством, а усилитель становится таковым при воздействии мощной помехи. Поэтому актуальной является задача теоретического анализа нелинейного взаимодействия интенсивной сосредоточенной помехи с собственными шумами транзисторного усилителя, разработки методики расчёта двухсигнального коэффициента шума усилителей, а также анализа шумовых характеристик усилителей и смесителей при изменении условий функционирования.
Незавершённость исследований рассматриваемой тематики подтверждается большим количеством публикаций и видным местом, которое занимает данная проблема в научных программах и конференциях. Поэтому актуальным является проведение целенаправленного теоретического и экспериментального исследования, позволяющего всесторонне проанализировать многочастотные процессы взаимодействий в полупроводниковых устройствах с учётом собственных шумов и разработать более совершенные входные тракты СВЧ радиоприёмников.
Целью диссертационной работы является развитие методов моделирования и анализа многочастотных процессов нелинейного взаимодействия с учётом соб-
ственных шумов во входных устройствах радиоприёмников СВЧ диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов, и применение этих методов для разработки устройств с расширенным динамическим диапазоном. Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее цели:
разработка нелинейных эмпирических зависимостей вольт-амперных и вольт-кулоновских характеристик биполярного транзистора с гетеропереходом и диода с барьером Шоттки для анализа слабо нелинейных эффектов; выбор оптимальной эмпирической модели гетероструктурного полевого транзистора, адекватно описывающей его работу в активном и пассивном режимах;
разработка и реализация аналитических методик определения линейных и нелинейных параметров моделей полевого и биполярного транзисторов и диода из экспериментальных данных;
построение математических моделей на основе стационарных рядов Вольтерры для теоретического анализа многочастотных взаимодействий в нелинейных динамических СВЧ устройствах, позволяющих проанализировать вклад прямых и повторных взаимодействий в общий нелинейный эффект третьего порядка;
построение математических моделей на основе нестационарных рядов Вольтерры для теоретического анализа многочастотных взаимодействий в нелинейно-параметрических динамических СВЧ устройствах;
исследование влияния различных схемных параметров полупроводниковых СВЧ устройств на их нелинейные многочастотные характеристики с целью расширения динамического диапазона радиоприёмника;
- разработка методики расчёта коэффициента шума параметрических СВЧ
устройств, учитывающей корреляцию источников собственных шумов;
построение математических моделей для теоретического анализа нелинейного взаимодействия помехи с собственными и внешними шумами транзисторных СВЧ усилителей;
исследование влияния различных схемных параметров полупроводниковых СВЧ устройств на их шумовые характеристики с целью увеличения чувствительности приёмного тракта.
Методы исследования. В работе использованы методы линейного и нелинейного анализа, математического и компьютерного моделирования, методы теории электрических цепей и сигналов, численные и статистические методы расчета и анализа.
Научная новизна работы определяется развитием методов моделирования и анализа нелинейных многочастотных взаимодействий с учётом собственных шумов во входных радиоприёмных устройствах СВЧ диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов. Научная новизна, в частности, заключается в следующем:
- разработаны эмпирические зависимости вольт-амперных характеристик биполяр
ного транзистора и диода для анализа слабо нелинейных эффектов. При этом в каче
стве основы предлагается выбирать аппроксимирующие функции для зависимостей
производной крутизны транзистора и производной проводимости диода от прило
женных напряжений. Предложена эмпирическая модель вольт-кулоновской харак
теристики диода с барьером Шоттки, позволяющая адекватно описывать поведение
ёмкости варикапа и её производных как при отрицательных, так и при положитель
ных смещениях;
разработаны аналитические методики и выведены основные соотношения для определения коэффициентов разложения нелинейных характеристик биполярного и полевого транзисторов и диода на основе экспериментальных измерений;
на основе стационарных и нестационарных рядов Вольтерры с использованием метода нелинейных токов построены математические модели, позволяющие проанализировать формирование нелинейных продуктов третьего порядка в перестраиваемых полосовых фильтрах, транзисторных и параметрических усилителях, смесителях. С помощью данных моделей показан вклад повторных взаимодействий в конечный нелинейный эффект, объяснено существование минимумов в интермодуляционных характеристиках данных устройств и явление перехода от антиблокирования к блокированию;
на основе конверсионных матриц и теории циклически стационарных шумов разработана методика и выведены основные соотношения для расчёта коэффициента шума параметрических полупроводниковых СВЧ устройств, учитывающая корреляцию источников собственных шумов;
на основе стационарных рядов Вольтерры построены математические модели для теоретического анализа нелинейного взаимодействия помехи с собственными и внешними шумами транзисторных СВЧ усилителей. С помощью разработанных моделей проанализировано поведение каждого шумового источника как биполярного, так и полевого транзисторов в присутствии интенсивной помехи;
- исследовано влияния различных схемных параметров полупроводниковых СВЧ
устройств на их многочастотные и шумовые характеристики.
Достоверность результатов диссертации. Достоверность теоретических результатов обеспечивается строгостью математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям, соответствием результатов расчёта эксперименту. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением аттестованной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных современными численными методами.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Эмпирические зависимости для вольт-амперных и вольт-кулоновских характеристик диода и биполярного транзистора, позволяющие адекватно описывать нелинейные многочастотные взаимодействия в устройствах на их основе.
-
Аналитические методики определения коэффициентов разложения нелинейных характеристик биполярного и полевого транзисторов и диода на основе экспериментальных данных.
-
Математические модели и результаты теоретического анализа многочастотных взаимодействий в СВЧ усилителях и смесителях на основе стационарных и нестационарных рядов Вольтерры.
-
Методика расчёта коэффициента шума параметрических полупроводниковых СВЧ устройств, учитывающая корреляцию источников собственных шумов, на основе конверсионных матриц и теории циклически стационарных шумов.
-
Математические модели и результаты теоретического анализа нелинейного взаимодействия сосредоточенной помехи с собственными и внешними шумами транзисторных СВЧ усилителей.
-
Совокупность теоретических и экспериментальных исследований влияния схемных параметров и режима работы по постоянному току перестраиваемых полосовых фильтров, СВЧ усилителей и смесителей, построенных на базе различных
полупроводниковых элементов, на их многочастотные и шумовые характеристики.
Теоретическая значимость работы. Разработанные в диссертации математические модели позволяют с единых позиций проанализировать и установить закономерности и особенности многочастотных процессов нелинейных взаимодействий с учётом собственных шумов во входных радиоприёмных устройствах СВЧ диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов.
Практическая значимость работы. Разработанные эмпирические зависимости для твердотельных элементов могут применяться при расчёте нелинейных многочастотных характеристик входных модулей радиоприемных устройств. Предложенные методы определения параметров будут полезны при формировании адекватных моделей транзисторов и диодов, а также СВЧ устройств на их основе. Для перестраиваемых полосовых фильтров предложенные способы уменьшения интермодуляционных искажений позволят выбрать необходимый диапазон управляющих напряжений и схемы включения варикапов исходя из допустимых уровней нелинейных искажений на выходе фильтра и увеличения количества элементов его схемы. Результаты, полученные в работе, определяют подходы по выбору режима работы по постоянному току транзисторных СВЧ усилителей для улучшения их характеристик электромагнитной совместимости. Проведённые исследования параметрических устройств -трёх типов смесителей и параметрического усилителя - позволяют выбрать их режим работы по постоянному току и уровень подаваемого гетеродина с целью улучшения нелинейных многочастотных и шумовых характеристик. Из-за учёта взаимного влияния каскадов радиоприемного тракта усилитель-смеситель при выборе элементной базы можно улучшить ЭМС характеристики тракта за счет компенсации интермодуляционных составляющих. Предложенные методики расчёта коэффициента шума параметрических устройств и двухсигнального коэффициента шума транзисторных усилителей позволят разработчикам радиоэлектронных средств пр оекти-ровать устройства с заданными характеристиками. Прикладные задачи, решённые на основе разработанных моделей и алгоритмов, представляют самостоятельный научный и практический интерес с точки зрения совершенствования радиоэлектронной аппаратуры при использовании в сложной электромагнитной обстановке.
Полученные результаты использовались в учебном процессе кафедры электроники ВГУ, в федеральных целевых программах «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 14.740.11.1081, соглашение № 14.В37.21.0620), «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 14.514.11.4079), а также в ряде серийно выпускаемых приёмовозбудителей с цифровой обработкой сигналов в ОАО «Концерн «Созвездие».
Апробация результатов работы. Основные материалы по всем разделам диссертации докладывались на следующих симпозиумах и конференциях: Всесоюзной научно-технической конференции «Развитие и внедрение новой техники радиоприёмных устройств и обработки сигналов»: Горький, 1989; Всесоюзной научно-технической конференции «Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств»: Киев, 1991; республиканской научно-технической конференции "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости": Винница, 1991; Всесоюзном симпозиуме «Проблемы электромагнитной совместимости технических средств»: Суздаль, 1991; Всероссийской конференции "Информационные технологии и системы": Москва, 1995; научно-технической конференции "Направления
развития систем и средств связи": Воронеж, 1996; международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи": Воронеж, 1997; Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика»: Зеленоград, 1997; международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении»: Воронеж, 2000; Всероссийской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов»: Санкт-Петербург, 2000; международной конференции «Беспроводные системы телекоммуникаций»: Воронеж, 2000; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники»: Таганрог, 1995 - 1998, 2000, 2006; Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности: Санкт-Петербург, 2008; международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов»: Казань, 2007, Самара, 2008, Санкт-Петербург, 2009, Самара, 2011, Екатеринбург, 2012; международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Санкт-Петербург, 1997, 2003, 2007, 2009, 2011; международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь": Воронеж, 1998 - 2004, 2006 - 2013.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 99 работ. Из них 27 статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 67 работ - публикации докладов в трудах всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора. Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту, и составляющих научную новизну работы, получены автором лично. В статьях и докладах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка задач, выбор методов их решения, ряд аналитических результатов, физическая интерпретация результатов, разработка методик и алгоритмов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка. Общий объём диссертации составляет 379 страниц, включая 152 рисунка на 94 страницах, 4 таблицы на 3 страницах и библиографического списка из 337 наименований на 32 страницах.
