Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов анализа и синтеза транзисторных и параметрических усилителей в присутствии интенсивных сигналов. Проектирование радиоприемных устройств и анализ их работы производится с учетом возможного воздействия помех и возникающих при этом нелинейных искажений. Для анализа эффекта воздействия помех требуется математический аппарат, учитывающий нелинейные свойства элементов, а также многочастотное воздействие.
В настоящее время ряд схемотехнических пакетов включает в себя методы анализа нелинейных эффектов при многочастотном воздействии. Одними из наиболее известных являются аппарат функциональных рядов Вольтерра и метод гармонического баланса.
На практике возникают задачи, для решения которых метод гармонического баланса не применим. К этой области можно отнести задачи анализа схем со слабо выраженной нелинейностью или схем, на вход которых подаются сигналы малого уровня, например, моделирование малосигнального усилителя на полевом транзисторе. В данном случае возникают несколько проблем: при многочастотном воздействии в некоторых случаях невозможно осуществить преобразование между частотной и временной областями, а небольшие продукты интермодуляции часто оказываются меньше вычислительных шумов преобразования Фурье, что сказывается на сходимости решения.
Среди методов нелинейного анализа при решении многочастотных задач имеет важное преимущество метод рядов Вольтерра, так как он позволяет видеть вклад каждого нелинейного продукта в конечный эффект, что позволяет лучше понять физическую природу явления и указать пути уменьшения нелинейных эффектов. Однако, метод рядов Вольтерра в основном применяют в случае малой нелинейности устройства или малых входных сигналов, поскольку для интенсивных сигналов необходимо учитывать высокие порядки ядер ряда Вольтерра, что приводит к резкому усложнению алгоритма вычисления и росту вычислительных ошибок.
Для анализа таких типов устройств как смесители или параметрические усилители (ПУ), отличительной особенностью которых является наличие мощ-
ного гетеродина или генератора накачки, метод рядов Вольтерра в классическом виде не применим. Для анализа ПУ возможно применение метода нестационарных рядов Вольтерра.
Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.
Целью работы является развитие аппарата функциональных рядов Вольтерра для нелинейного многочастотного анализа транзисторных и параметрических усилителей в широком диапазоне входных воздействий. Исходя из поставленной цели, основными задачами исследования являются:
модификация метода рядов Вольтерра для анализа усилителей с биполярным транзистором с гетеропереходом и полевым транзистором в широком диапазоне входных воздействий;
разработка нелинейных моделей биполярного транзистора с гетеропереходом и полевого транзистора;
расчет характеристик электромагнитной совместимости усилителей с биполярным транзистором с гетеропереходом и полевым транзистором при интенсивном входном воздействии на базе модифицированного метода анализа;
разработка нелинейной модели полупроводникового параметрического усилителя с учетом воздействия колебания накачки;
разработка методики анализа полупроводникового параметрического усилителя на основе нестационарных рядов Вольтерра;
расчет характеристик электромагнитной совместимости полупроводникового параметрического усилителя при различных параметрах накачки и смещения на основе разработанной методики анализа;
разработка нелинейной модели полупроводникового параметрического усилителя с учетом собственного шума;
расчет коэффициента шума полупроводникового параметрического усилителя на основе разработанной методики анализа.
Достоверность результатов диссертации определяется корректным применением математических методов, соответствием выводов известным
фундаментальным теоретическим представлениям, соответствием результатов моделирования экспериментальным данным.
Научная новизна.
Модификация методики анализа нелинейных характеристик усилителей на биполярном транзисторе с гетеропереходом и полевом транзисторе на основе аппарата функциональных рядов Вольтерра, которая позволяет анализировать усилитель в широком диапазоне мощностей входных сигналов.
Критерий выбора математической модели нелинейного элемента при многочастотном анализе усилителей методом рядов Вольтерра.
Расчет многочастотных характеристик СВЧ усилителей на полевом и биполярном гетеропереходном транзисторах на основе модифицированного метода.
Методика расчета нелинейных характеристик полупроводникового параметрического усилителя на основе аппарата нестационарных рядов Вольтерра.
Анализ влияния схемных параметров и режима работы полупроводникового параметрического усилителя на его нелинейные многочастотные и шумовые характеристики на основе разработанной методики.
Практическая ценность работы. Предложена модель биполярного транзистора с гетеропереходом, корректно описывающая поведение производных тока коллектора. Предложена модификация метода рядов Вольтерра, которая позволяет проводить анализ нелинейных характеристик устройств при воздействии интенсивных сигналов. Предложена модификация метода рядов Вольтерра, которая позволяет проводить анализ многочастотных характеристик полупроводникового параметрического усилителя (ППУ). Результаты диссертации могут быть использованы для проектирования других устройств, которые либо содержат интенсивные сигналы, либо должны быть рассчитаны на условия работы с интенсивными входными воздействиями.
На защиту выносятся:
модифицированная методика расчета характеристик электромагнитной совместимости транзисторных усилителей при интенсивном входном воздействии на основе аппарата функциональных рядов Вольтерра;
критерий выбора математической модели нелинейного элемента при многочастотном анализе методом рядов Вольтерра;
результаты расчета многочастотных характеристик СВЧ усилителей на полевом и гетеропереходном биполярном транзисторах в широком диапазоне мощностей входных воздействий;
методика расчета нелинейных характеристик полупроводникового параметрического усилителя на основе аппарата нестационарных рядов Вольтерра;
результаты анализа влияния схемных параметров и режима работы полупроводникового параметрического усилителя на его нелинейные многочастотные и шумовые характеристики.
Личный вклад определяется проведением теоретических и экспериментальных исследований, а так же анализом полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на: XII, XIII, XIV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2010 г., соответственно; VI, VIII Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, г. Санкт-Петербург, 2007, 2009 г., соответственно; 10-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности: ЭМС-2008, г. Санкт-Петербург, 2008 г; научных сессиях Воронежского государственного университета, г. Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2009 г., соответственно.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, 2 из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 139 наименований. Объём диссертации составляет 121 страницу, включая 29 иллюстраций и 2 таблицы.
