Введение к работе
Актуальность темы. Автогенераторы (АГ) электромагнитных колебаний составляют обширный класс автоколебательных систем в технике. В процессе развития радиофизики создавались и вводились в радиотехническую практику АГ на основе различных типов активных приборов (АП), обеспечивающих взаимодействие колебательной системы генератора с источником энергии. В современных радиотехнических системах и комплексах АГ обеспечивают высокий уровень таких жизненно важных параметров, как надёжность, точность и дальность обнаружения, помехозащищённость и т.д. Очевидно, что улучшение характеристик самих АГ даёт возможность улучшения характеристик использующих их систем.
Важнейшей задачей при проектировании АГ является обеспечение длительного существования стационарного режима, что возможно только в том случае, если данный стационарный режим устойчив. Вопросы устойчивости стационарного режима АГ достаточно подробно проанализированы в работах А.А. Андронова, А.А. Витта, С.Э. Хайкина, Ю.Б. Кобзарева, СИ. Евтянова, В.Н. Кулешова, СМ. Смоль-ского, Д.П. Царапкина, В.М. Богачёва. Научные достижения в этой области позволили объяснить физические механизмы, приводящие к явлениям самомодуляции и прерывистой генерации, которые имеют место в АГ с инерционным автосмещением.
Между тем на сегодняшний день остаётся ряд малоизученных механизмов, способных нарушать устойчивую работу АГ. В представленной диссертации исследуется один из таких механизмов, который носит название внутренней тепловой обратной связи (ТОС). ТОС является неотъемлемым свойством любого полупроводникового прибора, поскольку её возникновение обусловлено тем, что все основные электрофизические параметры используемого полупроводника зависят от температуры. Отсюда вытекает зависимость радиотехнических параметров АП от рабочей температуры. Поскольку температура активной зоны полупроводника зависит от выделения тепла протекающим током, изменение режима порождает запаздывающее отклонение температуры, которое, в свою очередь, изменяет параметры АП, вызывая вторичное изменение режима, и т.д.
Существующая на сегодняшний день теория АГ с инерционным автосмещением осталась практически неизменной с тех времён, когда в качестве АП использовались радиолампы, для которых явление ТОС было попросту нехарактерным. Переход на полупроводниковую элементную базу влечёт за собой необходимость учёта температурной зависимости электрофизических параметров полупроводника и, как следствие, радиотехнических параметров АП и АГ в целом.
Очевидно, что анализ воздействия ТОС в АГ не представляется возможным без создания корректной электротепловой модели АП, а также оценки его теплового режима. В настоящее время вопросами разработки динамических моделей АП с учётом тепловых свойств в разных постановках занимаются российские учёные, такие как В.Ф. Синкевич, В.А. Сергеев, A.M. Ходаков, Г.З. Гарбер, А.В. Королёв. Значительные успехи в данной области достигнуты также зарубежными специалистами, такими как Нюттинк (S. Nuttinck), Джебара (Е. Gebara), Ласкар (J. Laskar), Сноуден (С. Snowden), Гроссман (Р.С. Grossman), Хома (J. Choma), Морган (D.V. Morgan), Ващенко (V.A. Vashchenko). Согласно результатам исследований анализ теплового режима АП в составе АГ приобретает всё большую значимость на фоне разработки нового поколения транзисторов диапазона сверхвысоких частот, включая АП с гете-роструктурой и АП, созданные на основе нанотехнологий.
Вместе с тем анализ режимов АГ был бы неполным без учёта шумовых характеристик устройства. Развитие теории флуктуационных явлений применительно к воздействию шумов на спектр колебания АГ нашло своё отражение в многочисленных работах учёных разных школ, таких как Л.С. Понтрягин, Л.И. Мандельштам, И.Л. Берштейн, В.И. Тихонов, Р.Л. Стратонович, СМ. Рытов, А.Н. Малахов, СИ. Евтянов, В.Н. Кулешов, Д.П. Царапкин, А.Н. Бруевич, Ю.Л. Хотунцев, СА. Корнилов. Научные труды этих учёных заложили основу изучения шумов в АГ. Важно также отметить вклад зарубежных коллег в исследования флуктуации, таких как Пенфилд (P. Penfield), Блакьер (A. Blaquiere), ван дер Зил (A. van der Ziel), Муллен (J.A. Mullen), Ален (A.W. Allan), Лисон (D.B. Leeson), Рютман (J. Rutman), Уолс (F.L. Walls), Паркер (Т.Е. Parker), Дрискол (M.M. Driscoll).
В настоящее время систематизированные исследования применительно к воздействию ТОС на устойчивость режима и шумовые характеристики АГ практически
отсутствуют, а сама ТОС упоминается преимущественно в связи с тепловыми процессами в усилителях на основе мощных транзисторов.
Эффект влияния на режим АГ температурно-зависимой обратной связи рассматривался первично при анализе лампового АГ с инерционной нелинейностью, где в качестве инерционного нелинейного элемента, ограничивающего нарастание амплитуды колебаний, служила металлическая нить, нагреваемая переменным током. Феномен ТОС в нашем понимании впервые исследован Д.П. Царапкиным применительно к АГ на диодах Ганна. Им была детально обоснована необходимость учёта внутренней ТОС, неизбежно возникающей в АГ и приводящей в ряде случаев к деградации шумовых характеристик прибора. Естественно ожидать, что изучение режимов работы АГ на других типах АЛ с учётом ТОС является весьма перспективным и актуальным. Данные научные исследования, имеющие большое теоретическое и практическое значение, легли в основу дальнейшего изучения ТОС применительно к транзисторным АГ, которое находит своё отражение в настоящей работе.
Целью диссертационной работы является исследование проявлений внутренней ТОС в транзисторных АГ, включая изучение влияния ТОС на устойчивость стационарного режима АГ и его шумовые характеристики.
Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
^ Создание электротепловых моделей биполярного (БТ) и полевого (ПТ) транзисторов с учётом характерных статических и динамических свойств АЛ; ^ Усовершенствование математической модели АГ с учётом ТОС и её обобщение на случаи недонапряжённого, критического и перенапряжённого режимов; ^ Анализ влияния ТОС на устойчивость стационарного режима АГ на транзисторах обсуждаемых классов. Разработка способа повышения запаса устойчивости и его экспериментальная проверка; ^ Анализ влияния ТОС на шумовые характеристики АГ. Разработка способа устранения деградации шумовых характеристик, вызванной воздействием ТОС; ^ Разработка методики экспериментального определения параметров тепловой эквивалентной схемы (ТЭС) АЛ.
Решение поставленных задач реализуется различными методами, такими как:
Методы математического и компьютерного моделирования;
Методы теории систем автоматического управления;
Методы теории колебаний (в частности, метод символических укороченных уравнений Евтянова);
Методы теории устойчивости и теории чувствительности;
Теория и методы дифференциального и интегрального исчисления;
Методы численного решения нелинейных дифференциальных уравнений.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
Проведено детальное изучение влияния ТОС на устойчивость режима и шумовые характеристики транзисторного АГ;
Выявлен новый тип неустойчивости стационарного режима АГ, являющийся следствием инерционности тепловых процессов в транзисторе, который может приводить к деградации шумовых характеристик устройства и возникновению самомодуляции выходного сигнала;
Доказана возможность возникновения неустойчивости стационарного режима АГ при факторе регенерации меньшем двух единиц;
Разработаны рекомендации по повышению запаса устойчивости стационарного режима с учётом воздействия ТОС и устранению деградации шумовых характеристик АГ, вызванной влиянием ТОС.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основе полученных в ней результатов, значительно дополняющих существующие представления о механизмах нарушения устойчивой работы обсуждаемого класса устройств, уточняется методика проектирования прецизионных АГ с низким уровнем шумов выходного сигнала. На базе проведённого анализа разработаны способы предупреждения аварийных ситуаций в работе АГ, вызванных влиянием тепловой инерционности АЛ. Реализация и внедрение результатов. По итогам диссертационной работы получен Акт об использовании результатов от промышленной организации ФГУП «НПП «Пульсар». В частности, в рамках НИОКР «Затвор» и «Дробинка» проведено моделирование применительно к тепловым процессам в мощных транзисторах и усилителях на их основе.
Полученные в диссертационной работе данные используются в лекционном курсе «Устройства генерирования и формирования сигналов» кафедры Формирования колебаний и сигналов для потока специалистов Радиотехнического факультета НИУ МЭИ.
В феврале 2010 г. Министерством образования и науки Российской Федерации автор представленной диссертации награждён медалью по итогам конкурса «Лучшая научная студенческая работа» (приказ Федерального агентства по образованию № 641 от 15 июня 2009 г.).
Апробация результатов. Основные научные результаты и положения, выдвигаемые на защиту, апробированы на нескольких конференциях и научно-технических семинарах, включая международные:
Тринадцатая, четырнадцатая, пятнадцатая и семнадцатая международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2007, 2008, 2009 и 2011 гг.);
Двадцать первый международный симпозиум ИИЭР (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, IEEE) по проблемам частоты, Женева, Швейцария, 29 мая-02 июня 2007 г. (The 21st EFTF-IEEE Frequency Control Symposium, Geneva, Switzerland, June 2007);
Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова, Москва, 21-23 октября 2008 г.;
Всероссийский научно-технический семинар «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», Нижний Новгород, 27-29 июня 2010 г.;
Пятый научно-технический семинар по твердотельной СВЧ электронике «Практика применения тепловых моделей и расчётов при проектировании нового поколения СВЧ транзисторов и твердотельных модулей», ФГУП «НПП «Пульсар», Москва, 29 сентября 2010 г.;
Шестой научно-технический семинар по твердотельной СВЧ электронике «Перспективы создания отечественной СВЧ электронной компонентной базы для высокоскоростных систем передачи информации 4-го поколения», ФГУП «НПП «Пульсар», Москва, 21 апреля 2011 г.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, среди которых 3 статьи в научно-технических журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии, а также тезисы и сборники трудов 6 международных конференций и 2 научно-технических семинаров. Основные положения, выносимые на защиту:
Учёт ТОС в математической модели АГ;
Результаты исследования влияния ТОС на устойчивость стационарного режима и шумовые характеристики АГ;
Способ повышения запаса устойчивости стационарного режима АГ с учётом воздействия ТОС и, как следствие, устранения деградации шумовых характеристик АГ, вызванной влиянием ТОС;
4. Методика экспериментального определения параметров однозвенной ТЭС БТ.
Структура и состав работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, биб
лиографического списка из 148 наименований (включая научные труды автора), пя
ти приложений, а также списка основных сокращений и обозначений. Общий объём
диссертации составляет 216 страниц, в том числе 94 рисунка и 15 таблиц.
