Введение к работе
Актуальность проблемы. Транзисторные генераторы СВЧ-диапазона нашли широкое применение в современной радиоэлектронной технике. Эти устройства представляют собой схему, в состав которой, кроме активного элемента, каким является транзистор, входят пассивные элементы. Пассивные элементы, которые обычно выполняются на отрезках микрополосковой линии (МПЛ), входят в состав цепи обратной связи. Особое место в этой цепи занимает колебательная система, которая определяет генерируемую частоту.
При создании новых типов СВЧ-транзисторных генераторов или модернизации ранее созданных перед конструкторско-технологической реализацией экспериментальных образцов решается комплекс схемотехнических задач, позволяющий конкретизировать состав генератора, в том числе выбрать тип используемого транзистора, а также определить параметры его электрического режима и пассивных элементов, обеспечивающих требуемые выходные параметры устройства. Решение схемотехнических задач, как правило, осуществляется при использовании моделирования. Именно такой подход позволяет существенно сократить сроки разработки и материальные затраты за счет уменьшения числа экспериментальных образцов.
Транзисторные генераторы СВЧ могут выполняться как с внешней, так и с внутренней цепями обратной связи. В генераторах первого типа информация с выхода транзистора на его вход передается по цепи обратной связи, проходящей вне прибора. В генераторах второго типа такой специальной цепи нет, а передача информации с выхода прибора осуществляется через транзистор.
Первыми создавались транзисторные генераторы низкочастотного и высокочастотного диапазонов. В основном они строились, как и генераторы на триодах, по трехточечной схеме, в которой реализуется внешняя обратная связь, на базе элементов с сосредоточенными параметрами. Для таких генераторов создана целая иерархия математических моделей (О.Л. Челноков, В.М. Богачев, Ю.Л. Хотунцев, А..К. Балыко и др.). Попытки распространения модельных представлений, свойственных генераторам низкочастотного и высокочастотного диапазонов, на СВЧ-генераторы не дают должного эффекта, поскольку при таком подходе не учитываются многие факторы, характерные для СВЧ-диапазона.
Разработка транзисторных генераторов СВЧ - диапазона потребовала создания математических моделей, в которых учитывалась специфика этого диапазона. Созданные модели, как правило, отражают работу генераторов с внутренней обратной связью (М.А. Фурсаев, С.А Фартушнов, Д.М. Горбачев, A.V. Grebennikov). Такие генераторы содержат меньше пассивных СВЧ-элементов, но обладают существенным недостатком, связанным с возникновением в транзисторе опасных для него перенапряжений, создаваемых полем стоячей волны, которая возникает из-за наличия рассогласования цепей на выходе и входе транзистора. Перенапряжений можно избежать, уменьшив питающие напряжения, но это приводит к снижению выходной мощности.
Генераторы с внешней цепью обратной связи лишены этого недостатка. Но, как показано в работах М.А. Фурсаева и Е.М. Мазеевой, при отсутствии в цепи обратной связи невзаимного элемента, который обеспечивает развязку входной и выходной цепей, только половина мощности транзистора передается в нагрузку, что приводит к снижению КПД. Однако в объеме, достаточном для практического применения, вопросы математического моделирования и схемотехнические решения транзисторных генераторов СВЧ с внешней обратной связью, содержащей невзаимные элементы, не рассматривались.
Этим объясняется актуальность дальнейшего развития модельных представлений относительно СВЧ-транзисторных генераторов с внешней обратной связью и разработки методик решения задач их схемотехники, что необходимо для создания таких устройств высокого уровня мощности и КПД.
Цель работы. Построение математической модели стационарного режима СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент, решение задачи синтеза элементов цепи внешней обратной связи, анализ работы генератора при изменении напряжений источников питания и параметров нагрузки, а также решение задачи обеспечения устойчивости стационарного режима генераторов данного типа.
Эти вопросы решаются на примере использования в генераторе биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, и ферритового вентиля в качестве невзаимного элемента.
Задачи исследования:
- построение математической модели стационарного режима СВЧ - транзисторного генератора с внешней обратной связью, в состав которой введен невзаимный элемент, обеспечивающий развязку входной и выходной цепей;
- поиск путей схемного решения задачи обеспечения устойчивости СВЧ-генератора с внешней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
- моделирование фазовых характеристик биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
- разработка алгоритмов решения задачи определения параметров пассивных элементов цепи внешней обратной связи с ферритовым вентилем;
- применение построенной математической модели СВЧ - генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей ферритовый вентиль, для исследования работы такого устройства в составе аппаратуры.
Научная новизна работы:
- построена математическая модель стационарного режима СВЧ - генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей невзаимный элемент;
- предложены алгоритмы решения задач схемотехники СВЧ - транзисторного генератора, учитывающие наличие в его цепи внешней обратной связи ферритового вентиля, в том числе определения параметров и топологии пассивных элементов электродинамической системы;
- решена задача обеспечения устойчивости стационарного режима СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью, построенного на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
- получены уравнения для исследования фазовых характеристик биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока;
- разработана методика анализа СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с внешней обратной связью, содержащей ферритовый вентиль, позволяющая определить его выходные параметры при изменении питающих напряжений и параметров нагрузки.
Достоверность результатов работы.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается применением методов математического моделирования, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием используемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, соответствием исходных положений реальным условиям, свойственным исследуемому объекту. Результаты выполненного анализа подтверждены экспериментальными данными.
Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель СВЧ-генератора на биполярном транзисторе, в которой учитывается наличие невзаимного элемента, исключающего влияние входа транзистора на его выход, в цепи внешней обратной связи, позволяет проектировать такие устройства с высоким уровнем выходной мощности и КПД;
- одинаковые условия работы транзистора в составе СВЧ-генератора с внешней обратной связью и в составе СВЧ-усилительного каскада позволяют свести решение задачи моделирования такого генератора к решению задачи синтеза цепи обратной связи, при которой обеспечивается электрический режим транзистора с параметрами, предварительно определенными с учетом требуемых выходных параметров генератора при использовании математической модели прибора;
- алгоритм поэтапного синтеза элементов сначала выходного, а затем входного участков цепи обратной связи СВЧ-транзисторного генератора, в состав которого введен невзаимный элемент, позволяет существенно упростить проектирование СВЧ-генератора, обладающего улучшенными выходными параметрами, такими как выходная мощность и КПД;
- устойчивость стационарного режима СВЧ-генератора с невзаимным элементом во внешней обратной связи, на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, возможна при определенных режимах эмиттерной цепи постоянного тока, которые обеспечиваются выбором величин сопротивления резистора смещения и напряжения источника питания в этой цепи;
- алгоритм расчета электрических параметров СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с ферритовым вентилем в цепи обратной связи при реализации самосогласованного решения задачи позволяет определить величину изменения этих параметров при изменении значений питающих напряжений и параметров нагрузки, если сохраняется работоспособность генератора.
Практическая значимость работы:
1. Математическая модель СВЧ-транзисторного генератора с внешней обратной связью, включающей ферритовый вентиль, может использоваться для решения задач схемотехники устройств этого типа с высоким уровнем мощности и КПД при их разработке, а также при прогнозировании их выходных параметров в условиях эксплуатации;
2. Алгоритм решения задачи синтеза цепи внешней обратной связи с невзаимным элементом СВЧ-транзисторного генератора, при задании значений параметров электрического режима транзистора позволяет определять величины параметров элементов этой цепи, а также их топологию;
3. Схемное решение обеспечения устойчивости СВЧ-генератора с внешней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, может быть использовано при создании устройств этого типа.
Личный вклад автора. Автором разработаны алгоритмы и методики решения задач схемотехники рассматриваемого типа СВЧ-транзисторных генераторов, проведены необходимые расчеты и теоретические исследования, выполнен анализ полученных результатов.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета. Ее материалы докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008 г.), «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009 г.), «Проблемы управления, передачи и обработки информации» (Саратов, 2009 г.), «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, 2009 г.).
Публикации. По материалам научных исследований, проведенных в рамках диссертации, опубликовано 12 печатных работ, одна из которых - в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 113 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, включает 35 рисунков, 7 таблиц. Список используемой литературы включает 50 наименований.
