Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема разработки источников колебаний СВЧ диапазона с высокой долговременной стабильностью частоты и низким уровнем фазовых шумов возникла более 50 лет назад и остаётся актуальной до настоящего времени. Основными видами радиотехнических систем, для функционирования которых требовались такие источники, были и остаются радиолокационные системы и различные виды систем связи и передачи информации. С появлением новых видов сигналов и способов их формирования и обработки требования к стабильности частоты основных источников колебаний и уровням их фазовых шумов становятся всё более жёсткими.
Одним из ключевых функциональных узлов, влияющих на уровни фазовых шумов таких источников колебаний СВЧ диапазона как синтезатор частот (СЧ) с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), является генератор, управляемый по частоте напряжением (ГУН).
Изобретение термостабилизированных керамических материалов и освоение производства малогабаритных коаксиальных керамических резонаторов (ККР), открыло новые возможности построения колебательных систем малошумящих ГУН. Такие автогенераторы (АГ) являются подклассом генераторов, в состав колебательных систем которых входит высокодобротный резонатор, обеспечивающий повышение стабильности частоты собственных колебаний и добротности рабочей моды колебательной системы (КС), а также снижение уровней фазовых шумов в выходных колебаниях ГУН.
Основы общих методов по теории и расчёту класса АГ с высокодобротными резонаторами были заложены в работах А.М.Кугушева Г.А.Зейтлёнка, С.А.Дробова, Е.П.Корчагиной, С.И.Евтянова, а также развиты в работах Д.Томаса (D.Tyomas), Г.Т.Шитикова, О.А.Челнокова. Такие методы опирались на общую теорию АГ почти гармонических колебаний, созданную и развитую трудами Б.Ван-дер-Поля, Н.М.Крылова и Н.Н.Боголюбова, Л.И.Мандельштама, А.А.Андронова, Г.Г.Меллера, Ю.Б.Кобзарева, К.Ф.Теодорчика, С.И.Евтянова и других авторов. Вопросы, связанные с устойчивостью стационарного режима АГ,
исследовались в работах А.А.Андронова, А.А.Витта, С.Э.Хайкина, Ю.Б.Кобзарева, С.И.Евтянова, Се Си, В.М.Богачёва, Д.П.Царапкина, С.М.Смольского.
Исследованию и расчету флуктуации в АГ методами спектрально-корреляционной теории посвящены работы С.М.Рытова, А.Н.Малахова, С.И.Евтянова, В.Н.Кулешова, Ю.Л.Хотунцева, А.Н.Бруевича, П.Пенфилда (P.Penfield), У.Эдсона (W.A.Edson), Дж.Маллена (J.A.Mullen), Д.Лисона (D.B. Leeson) и других авторов.
Появление коммерческих пакетов программ, Microwave Office (компании Applied Wave Research (AWR)), Advanced Design System (ADS) и Genesys (компании Agilent Technologies) и др., позволяющих осуществлять схемотехническое моделирование и сквозное проектирование линейных и нелинейных СВЧ устройств существенно упростило их разработки. Однако, для получения удовлетворительно воспроизводимых результатов проектирования нелинейных СВЧ устройств, к числу которых относятся ГУН, требуется использовать достаточно точные модели компонентов ГУН (активных и пассивных) и типовых фрагментов их топологий, так и методики проектирования, позволяющие найти находить нехудшие технические решения поставленных задач. Разработки моделей компонентов (в общем случае нелинейных и содержащих источники собственных шумов) опираются на результаты тщательно планируемых измерений, научно обоснованные структуры моделей и использование программных средств идентификации параметров этих моделей.
При высоких требованиях к точности и применимости для анализа систем в широкой полосе частот эти модели оказываются настолько сложными, что опираясь на них, трудно прогнозировать результаты изменений режимных и шумовых характеристик при изменении параметров схем ГУН. С другой стороны, для нахождения с помощью «точных» методов параметров и режимов, близких к оптимальным, необходимо уметь находить сочетания параметров, при использовании которых в качестве нулевых приближений будет обеспечена сходимость итерационных процедур, заложенных в программных пакетах ADS и MWO.
В работах У.Роде (Rohde U.L.), Р.Рэа (Rhea R.W.), А.В.Гребенникова (A.V. Gre-benmkov) и других авторов, посвященных вопросам проектирования ГУН, для поиска параметров схем и режимов с учётом требований к фазовым шумам ГУН используют сильно упрощенные модели самих ГУН в сочетании с моделью Д.Лисона, применимость которой для решения данной задачи проектирования вызывает ряд сомнений. Ведь при увеличении мощности колебаний в контурах ГУН с варикапами снижение уровня фазовых шумов ограничивается влиянием преобразования флуктуации амплитуды во флуктуации частоты автоколебаний, которое, как и ряд других факторов, в формуле Лисона не учитывается.
Кроме того, число резонансных частот и возможных мод колебаний в реальных моделях современных ГУН СВЧ-диапазона из-за сложности моделей транзисторов, резонаторов, варикапов с цепями управления и распределенными элементами топологии весьма велико. Изменение параметров большей части элементов этой колебательной системы невозможно. Поэтому возникают сложности с обеспечением самовозбуждения и устойчивости колебаний на заданной моде, а также близости этих колебаний к гармоническим, что предполагается во всех упрощенных моделях. Это значит, что в любой реальной схеме необходимо предотвратить возникновение паразитных колебаний и исключить прохождение по кольцу обратной связи высших гармоник импульсов тока управляемого генератора, входящего в состав модели транзистора.
Полуэмпирический анализ этих противоречий приведён в ряде публикаций, посвященных вопросам проектирования ГУН. Однако, как правило, в этих работах даются общие рекомендации по выбору схем, приводятся примеры готовых схем, результаты их моделирования и результаты измерений основных характеристик описанных схем. Перенос полученных в них результатов на решение других задач этого класса весьма затруднителен.
Изложение систематического подхода к решению таких задач, основанного на использовании как современной теории автогенераторов, применяемой с учётом неполноты информации о моделях компонентов, так и результатов чётко планируемых экспериментов и моделирования, в опубликованных к настоящему времени работах отсутствует.
Однако, для повышения эффективности использования этих программных средств весьма актуальна разработка логически последовательной и опирающейся на теоретически обоснованные методы расчёта автогенераторов методики, используя которую можно выявлять и сознательно преодолевать все основные препятствия, возникающие на различных этапах проектирования современных ГУН СВЧ.
Цель работы заключается в разработке систематического подхода к проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона с коаксиальными керамическими резонаторами, основанного на сочетании применения и развития теории автогенераторов СВЧ с использованием планируемых экспериментов и современных методов математического моделирования.
Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
> Поиск базовой схемы АГ, обеспечивающей надежную работу в диапазоне
СВЧ, в которой включение ККР проводилось с учетом его конструктив
ных особенностей;
^ Обоснование и разработка алгоритма применения системы приближённых методов расчёта стационарного режима, параметров и флуктуационных характеристик ГУН с ККР, колебания в которых близки к гармоническим;
> Вывод формулы для расчёта фазовых шумов, которая представляет собой
обобщение известной формулы Лисона для ГУН;
^ Обоснованный выбор моделей пассивных и активных компонентов ГУН с ККР с ориентацией на технологию поверхностного монтажа;
^ Разработка подхода к использованию сложных моделей компонентов ГУН при моделировании ГУН с ККР;
> Экспериментальная проверка методики проектирования ГУН с ККР.
Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследований выбраны ГУН на ККР, а также входящие в него компоненты.
В работе используются методы теории электрических цепей с сосредоточенными и распределёнными параметрами, методы теории нелинейных колебаний, методы статистической радиофизики, методы математического моделирования
процессов в нелинейных системах с сосредоточенными и распределёнными параметрами, методы экспериментального исследования линейных и нелинейных цепей СВЧ, методы исследования энергетических, модуляционных и спектральных характеристик автоколебательных систем СВЧ диапазона.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
Предложен и обоснован метод предварительного анализа условий самовозбуждения требуемых и не самовозбуждения паразитных колебаний в автогенераторе с многочастотным коаксиальным керамическим резонатором (ККР) в составе колебательной системы и с одним активным СВЧ прибором, модель которого содержит конечное число элементов, являющихся причиной возникновения паразитных обратных связей.
Для того же класса автогенераторов СВЧ сформулированы условия близости колебаний на рабочей моде к гармоническим, применимости квазилинейного метода и метода укороченных символических уравнений для приближённого расчёта стационарных колебаний в автогенераторе с ККР, анализа их устойчивости и оценочного расчёта спектральной плотности мощности фазовых шумов в таких автогенераторах.
Предложен квазистационарный метод расчёта флуктуации фазы и амплитуды колебаний в автогенераторах, условия и область применимости которого определены с использованием метода укороченных символических уравнений.
4. Квазистационарным методом получена приближённая формула для расчёта фазовых шумов, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона на генераторы, управляемые по частоте напряжением. Полученная формула отличается от формулы Лисона учётом влияния поправки на частоту автоколебаний на СПМ фазового шума и преобразования флуктуации амплитуды автоколебаний во флуктуации мгновенной частоты, а следовательно, и во флуктуации фазы из-за нелинейности характеристик варикапов. Кроме того, в полученной формуле, в отличие от формулы Лисона, используются чётко определённые коэффициенты фазового и амплитудного
шумов, рассчитываемые для заданного активного прибора с учётом периодической нестационарности его шума в нелинейном режиме.
Достоверность результатов обеспечивается использованием обоснованно выбранных методов теоретического анализа, выбором моделей, а также проверкой основных результатов компьютерным моделированием и экспериментами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод предварительного анализа условий самовозбуждения требуемых и не самовозбуждения паразитных колебаний в ГУН с многочастотным коаксиальным керамическим резонатором (ККР) в колебательной системе с одним активным СВЧ прибором, предложенный и обоснованный в работе, позволяет уже на начальном этапе проектирования ГУН с ККР получить вариант схемы, достаточно близкой к требуемой и являющийся удобным отправным пунктом для дальнейшего проектирования.
Сформулированные для этого класса автогенераторов СВЧ условия близости колебаний на рабочей моде к гармоническим позволяют применить квазилинейный метод и метод укороченных символических уравнений для приближённого расчёта стационарных колебаний в автогенераторе с ККР, анализа их устойчивости и оценочного расчёта спектральной плотности мощности фазовых шумов в таких автогенераторах.
Для приближённых расчётов спектральных плотностей мощности флуктуации фазы и амплитуды колебаний в автогенераторах СВЧ на первом этапе проектирования предложен квазистационарный метод, условия и область применимости которого определены с использованием метода укороченных символических уравнений.
Для расчётов фазовых флуктуации квазистационарным методом получена приближённая формула, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона на генераторы, управляемые по частоте напряжением. Она отличается от формулы Лисона учётом влияния поправки на частоту автоколебаний на СПМ фазового шума и преобразования флуктуации амплитуды
автоколебаний во флуктуации мгновенной частоты, а следовательно, и во флуктуации фазы из-за нелинейности характеристик варикапов. 5. Разработан, формализован и проверен на примерах проектирования и испытания трёх ГУН с ККР систематический подход к поэтапному проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона. Он основан на применении и развитии простых приближённых методов прикладной теории автогенераторов и использовании современных средств математического моделирования нелинейных автоколебательных систем (пакеты ADS и MWO).
Практическая ценность результатов работы и её реализация.
1. Разработан, формализован и проверен на практике систематический подход к
поэтапному проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона. Он осно
ван на применении и развитии простых приближённых методов прикладной
теории автогенераторов СВЧ, уточнении используемых моделей при помо
щи обработки данных планируемых промежуточных экспериментов и ис
пользовании современных средств математического моделирования нели
нейных автоколебательных систем (пакеты MWO и ADS). Основанная на
этом подходе методика проектирования позволит инженерам-разработчикам
более эффективно использовать на этапе проектирования ГУН как доступные
в настоящее время средства моделирования, так и измерительные средства.
2. Конкретные варианты малошумящих ГУН с ККР, примерами разработки
и экспериментального исследования которых проиллюстрировано примене
ние предложенного подхода, могут быть рекомендованы для использования в
качестве прототипов ГУН для малошумящих синтезаторов частот соответст
вующего диапазона волн.
3. Разработанный подход, с одной стороны, в методическом плане полностью согласован с теоретическим материалом, излагаемым в учебных дисциплинах, посвященных изучению устройств генерирования колебаний и формирования сигналов. С другой стороны, в нём используются современные программные и измерительные средства. Поэтому его целесообразно использовать в учебном процессе при изучении соответствующих
дисциплин и выполнении студентами радиотехнического направления подготовки выпускных работ и курсовых проектов.
Публикации и апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты отражены в 11 публикациях, в том числе: в 2 статьях научно-технического журнала «Электросвязь», входящего в перечень ВАК, в 1 статье рецензируемого научно-технического журнала, в тезисах докладов на 4 международных конференциях, на 3 всероссийских научно-технических семинарах и в сборнике трудов научной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 141 позицию, и 3 приложений, содержит 208 страниц, включая 115 рисунков и 10 таблиц.
Похожие диссертации на Малошумящие генераторы, управляемые по частоте напряжением, на коаксиальных керамических резонаторах
