На правах рукописи МАЗЕЕВ Евгений Валентинович МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

На правах рукописи
МАЗЕЕВ Евгений Валентинович
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
СВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Специальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные
компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов – 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Сивяков Борис Константинович
Официальные оппоненты
доктор физико-математических наук,
профессор
Игнатьев Александр Анатольевич
доктор технических наук
Львов Алексей Арленович
Ведущая организация
ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов.
Защита состоится « 23 » июня 2011 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая,
77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»,
корп.1, ауд.220.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Автореферат разослан «12 » мая 2011 г.
Автореферат размещен на сайде Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « » мая 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Димитрюк А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. СВЧ-транзисторные генераторы нашли широкое
применение в современной радиоэлектронной технике. При их разработке изготовлению экспериментальных образцов предшествует этап схемотехнического проектирования, на котором с использованием математических моделей проводится анализ возможных вариантов конструкции и
выбирается вариант, подлежащий реализации. Это способствует сокращению материальных затрат на разработку и сроков ее проведения.
Вопросы моделирования транзисторных генераторов низкочастотного и высокочастотного диапазонов рассматривались в работах Челнокова О.Л., Богачева В.М., Хотунцева Ю.Л. и др. Такие генераторы строятся
по трехточечной схеме, в которой реализуется внешняя обратная связь, и
в их состав входят элементы с сосредоточенными параметрами.
Пассивные элементы СВЧ-транзисторных генераторов, как правило,
выполняются отрезками микрополосковой линии (МПЛ) и используется
внутренняя обратная связь, при которой упрощается конструкция устройства. Кроме того, при внутренней обратной связи сокращается ее электрическая длина, что является важным условием для работы генератора с
перестройкой частоты. Моделированию СВЧ-транзисторных генераторов
с внутренней обратной связью посвящен ряд работ (Фартушнов С.А., Фурсаев М.А., Горбачев Д.М., Grebennikov A.V.). В них основное внимание
уделено определению параметров электрического режима работы транзистора в составе генератора и параметров электрических цепей, при которых достигаются требуемые выходные параметры устройства. Такой режим принято называть номинальным. Однако при серийном производстве и эксплуатации номинальный режим и условия его обеспечения не
всегда могут быть выдержаны. Поэтому на этапе проектирования необходимо проводить оценку работоспособности генератора в режимах, отличающихся от номинального, что требует решения задачи моделирования
его электрических характеристик. Такая задача ранее не рассматривалась.
При разработке СВЧ-генератора с перестройкой частоты ранее использовалась линейная модель транзистора (Kitcher J., Vidwar A.), что не
позволяло определять уровень выходной мощности и характер ее изменения в диапазоне перестройки. Определение этих данных СВЧ-генератора с
перестройкой частоты должно базироваться на нелинейной модели транзистора.
Таким образом, для повышения эффективности проектирования
СВЧ-транзисторных генераторов представляется актуальным продолжение работ в направлении создания методик и алгоритмов моделирования
электрических характеристик этих устройств.
Целью диссертации является создание методик и алгоритмов моделирования и анализа электрических характеристик СВЧ-генераторов с
внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, предназначенных для работы как на фиксированной частоте, так и с перестройкой частоты.
Задачи исследования.
1. Определение принципов моделирования электрических характеристик СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью.
2. Разработка методик и алгоритмов моделирования электрических
характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, позволяющего проводить анализ работы этого устройства при изменении питающего напряжения и параметров нагрузки.
3. Нахождение условий, ограничивающих работу СВЧ-транзисторного
генератора с внутренней обратной связью при изменении параметров нагрузки на его выходе.
4. Создание методики и алгоритма моделирования СВЧ-транзисторного
генератора с перестройкой частоты на базе нелинейной модели транзистора, обеспечивающих определение величины выходной мощности и ее изменение при перестройке частоты.
5. Экспериментальная проверка результатов моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Построена модель СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на
биполярном транзисторе, обеспечивающая проведение расчета и анализа
его выходных параметров при изменении параметров электрического
режима.
2. Разработаны методики и алгоритмы расчета электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном
транзисторе, позволяющие определить зависимости выходных параметров, в том числе генерируемой частоты, от величин параметров элементов
цепи постоянного тока и нагрузки на выходе устройства.
3. Показано, что при увеличении модуля коэффициента отражения
нагрузки на выходе СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью увеличивается интервал изменения генерируемой частоты при
изменении фазы этого коэффициента, а увеличение добротности колебательной системы сопровождается уменьшением интервала изменения частоты при изменении как питающего напряжения, так и фазы коэффициента отражения нагрузки (при фиксированном значении модуля этого коэффициента).
4. Разработаны методика и алгоритм моделирования СВЧ-генератора с
перестройкой частоты на биполярном транзисторе, позволяющая опреде-
лить границы диапазона перестройки, а также уровень выходной мощности и ее изменение при перестройке частоты.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы
обосновывается применением методов моделирования и расчетов, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого
математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических
цепей, экспериментальным подтверждением результатов проведенного
моделирования.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Методики и алгоритмы моделирования электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном
транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока,
обеспечивающие проведение анализа его работы при изменении параметров элементов цепей постоянного тока и нагрузки на его выходе.
2. Методика решения задачи расчета выходных параметров СВЧтранзисторного генератора с внутренней обратной связью, в котором
определяемым является один из параметров электрического режима
устройства (например, напряжение источника постоянного питания или
проводимость нагрузки на выходе устройства), а задаваемым – генерируемая частота.
3. Результаты анализа зависимостей выходных параметров СВЧгенератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от
величин питающих напряжений и параметров нагрузки на выходе
устройства.
4. Алгоритм расчета электрических характеристик СВЧ-генератора на
биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты, позволяющая прогнозировать ширину диапазона перестройки, выработать
требования, предъявляемые к колебательной системе и цепи на выходе
транзистора, при которых обеспечивается этот диапазон перестройки частоты, а также определить уровень выходной мощности и ее изменение
при перестройки частоты.
Практическую значимость имеют:
- разработанные алгоритмы расчета зависимостей величин выходных параметров СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от напряжений источников постоянного питания,
который необходимо проводить на этапе схемотехнического проектирования для оценки работоспособности таких устройств при напряжениях
этих источников, отличающихся от номинальных;
- результаты анализа зависимости выходных параметров СВЧгенератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе от
параметров цепи на его выходе, позволяющие выработать требования,
предъявляемые к выходной ферритовой развязке, используемой в этом
устройстве;
- разработанная методика расчета электрических характеристик СВЧгенератора с перестройкой частоты на биполярном транзисторе, позволяющая определить ширину диапазона перестройки и величину выходной
мощности, которая может быть использована при проектировании таких
устройств.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008,
2010, Новосибирск, 2010) и научной конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства, технология и материалы» (Саратов,
2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в
том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Ее объем
113 стр., 47 рисунков, 52 наименования цитируемых источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной
работы, сформулированы ее цель, научная новизна, а также положения и
результаты, выносимые на защиту.
В первой главе излагаются основы моделирования электрических характеристик СВЧ-транзисторного генератора с внутренней обратной связью, основными элементами которого, кроме транзистора, являются колебательная система, включенная на его входе, и выходной трансформатор связи. Схема, иллюстрирующая принцип построения такого генератора, приведена на рис.1. Обратная связь в нем формируется за счет
переотражения ВЧ сигнала между выходным трансформатором связи
и колебательной системой, которой определяется генерируемая частота.
Рис. 1. Эквивалентная схема СВЧ- транзисторного генератора
с внутренней обратной связью (1 – транзистор, 2 – колебательная
система, 3 – выходной трансформатор связи, 4 – нагрузка)
Моделирование электрических характеристик СВЧ-транзисторного
генератора предполагает самосогласованное совместное решение системы
следующих уравнений:
- уравнений условия стационарного режима генератора;
- уравнений математической модели транзистора, используемого в
гене- раторе;
- уравнений, определяющих значения проводимостей колебательной
системы и цепи на выходе транзистора.
Введение последних из этих уравнений в состав решаемой системы
уравнений обеспечивает моделирование электрических характеристик генератора.
При использовании метода эквивалентных двухполюсников, при
котором пассивным двухполюсником является колебательная система, а
активным – вход транзистора, условие стационарного режима генератора
записывается в виде
Yвх + Yкс = 0,
где Yвх = Gвх + jВвх – входная проводимость транзистора, Yкс = Gкс + jВкс
– проводимость колебательной системы.
В составе генератора транзистор работает в нелинейном режиме. Поэтому величина входной проводимости транзистора, зависящая не только от проводимости цепи на его выходе Yн = Gн + jВн, но и от параметров электрического режима прибора, определяется с использованием
его математической модели.
Если в генераторе не осуществляется перестройка частоты, ее величина при изменении электрического режима изменяется незначительно.
Это позволяет при моделировании таких генераторов колебательную
систему представлять в виде LС-контура, а для расчета ее проводимости
использовать соотношение
Yкс = Gкс + j2GксQ(
f  1 ),
fp
где Q – добротность колебательной системы, fр – ее резонансная частота.
Проводимость цепи на выходе транзистора Yн может быть определена
как входная проводимость пассивного четырехполюсника, на выходе
которого подключена внешняя нагрузка, характеризующаяся величиной
коэффициента отражения.
В диссертации рассматривается СВЧ-генератор на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой и работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока, который характеризуется пониженным
уровнем шумов. Электрические параметры транзистора рассчитываются с
использованием кусочно-квазилинейной модели, которая является частным случаем модели Эберса-Молла. Используемая модель вполне адек-
ватно отражает основные нелинейные свойства транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока. Ее аналитические
уравнения позволяют проводить расчеты с малыми затратами машинного
времени.
Кусочно-квазилинейная модель биполярного транзистора строится на
базе эквивалентной схемы, приведенной на рис.2, которой учитывается
подключение к прибору в составе генератора со стороны входа колебательной системы, а со стороны выхода – нагрузки. Ключи в этой схеме отражают пребывание транзистора в течение одного периода в открытом
и закрытом состояниях.
В схеме приняты следующие обозначения:
Zэ = rэ' + jLэ – комплексное сопротивление эмиттерного электрода;
Zб = rб + jLб – комплексное суммарное сопротивление базового электрода и базового слоя транзистора;
Zк = rк + jLк – комплексное сопротивление коллекторного электрода;
rэ – сопротивление эмиттерного перехода, усредненного за время его
пребывания в открытом состоянии;
Сдэ – диффузионная емкость эмиттерного перехода;
Сэ – барьерная емкость эмиттерного перехода;
Iкг – источник тока, обусловленного частью эмиттерного тока, прошедшего через базовый слой к коллектору;
Ск – барьерная емкость коллекторного перехода, усредненная за период.
Рис.2. Эквивалентная схема СВЧ-генератора с внутренней
обратной связью на биполярном транзисторе, работающем
в недонапряженном режиме с отсечкой тока
Транзистор рассматривается как активный четырехполюсник. Теория электрических цепей и гармонический анализ позволяют связать
действующие значения первых гармоник входных и выходных напряжений и токов системой двух уравнений с коэффициентами Z-типа. При
этом учитывается, что первая гармоника соответствует генерируемой частоте, на которую настроена колебательная система. Соотношения Zкоэффициентов имеют вид
Z 11  Z э  Z б  Z ЭП
Z 12  Z б ,
Z 21  Z б 
1
jCk (1  j )
Z 22  Z б  Z к 
,
1
,
jCk
где Zэп – комплексное сопротивление эмиттерного перехода транзистора, усредненного за период, величина которого является функцией
амплитуды напряжения на этом переходе в открытом состоянии Uom;
.
γ 1 - коэффициент, характеризующий уровень первой гармоники напря-
жения открытого эмиттерного перехода;
 - параметр, характеризующий время жизни рабочих носителей заряда
в базовом слое;
 - коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь.
Амплитуда напряжения открытого эмиттерного перехода транзистора Uom в кусочно-квазилинейной модели используется в качестве
параметра электрического режима прибора. От величины этого параметра,
кроме сопротивления эмиттерного перехода Zэп, зависят значения тока
Iкг и барьерной емкости коллекторного перехода Сэ. С учетом этого рассчитываемые значения выходной мощности, постоянного эмиттерного тока и входной проводимости транзистора являются функциями амплитуды напряжения его открытого эмиттерного перехода. Значение входной
проводимости транзистора в соответствии с теорией четырехполюсников
определяется как
Zн  Z 22
Y вх 
,
Z11 Zн  Z11 Z22  Z12 Z 21 
где Zн – сопротивление цепи на выходе прибора.
Вторая глава посвящена разработке методик и алгоритмов моделирования электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, а также исследованию зависимости электрических параметров генератора от значений параметров
элементов цепей постоянного тока и нагрузки. Расчеты проводятся в
предположении использования в генераторе биполярного транзистора
типа КТ919А, работающего в режиме класса С. Генерируемая частота 1
ГГц.
Моделирование зависимости выходных электрических параметров
СВЧ-генератора от напряжений источников постоянного питания проводилось на базе разработанного алгоритма, использующего методику последовательных приближений. При этом исходными данными являются
значения параметров генератора в номинальном режиме работы, а искомыми – значения выходных параметров при напряжениях, отличающихся
от номинального. Такой подход позволяет получить быструю сходимость
результатов расчета.
Рис.3. Расчетные зависимости генерируемой частоты (а),
выходной мощности генератора и постоянного эмиттерного тока
транзистора (б) от напряжения источника постоянного питания
На рис.3 приведены данные расчета зависимости генерируемой частоты, выходной мощности генератора и постоянного эмиттерного тока транзистора от напряжения источника постоянного питания. Величины изменения генерируемой частоты и напряжения нормированы к величинам
этих параметров в номинальном режиме. Как видно из рис.3,а, значение
электронного смещения частоты уменьшается при увеличении добротности колебательной системы. Величины выходной мощности генератора и
постоянного эмиттерного тока транзистора практически не зависят от ее
добротности.
В связи с тем, что работа СВЧ-транзисторных генераторов весьма критична к нагрузке, использование методики последовательных приближений для определения зависимостей его выходных параметров от параметров нагрузки оказывается нерациональной. Поэтому для решения задачи
моделирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе предлагается иная методика. В соответствии с ней
задаваемым параметром является генерируемая частота, а определяемым –
проводимость нагрузки. На базе этой методики в диссертации разработан алгоритм расчета зависимости от амплитуды напряжения открытого
эмиттерного перехода транзистора следующих параметров: проводимости нагрузок как на выходе прибора, так и на выходе генератора, а также модуля коэффициента отражения внешней нагрузки, при которых
обеспечивается работа устройства с задаваемой частотой, и выходной
мощности.
Рис. 4. Расчетные зависимости активной (а) и реактивной (б) проводимости нагрузки на выходе генератора, а также его выходной мощности (в)
от амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода
транзистора, при котором обеспечивается работа устройства,
для ряда значений генерируемой частоты
(1 - f = 0,996 ГГц, 2 - f = 0,998 ГГц, 3 - f = 1,0 ГГц,
4 – f = 1,002 ГГц, 5 – f = 1,004 ГГц)
На рис. 4-5 приведены результаты расчета при величине добротности
колебательной системы, равной 185, и топологии выходного трансформатора связи, обеспечивающим согласование выхода генератора с внешним ВЧ трактом на частоте 1 ГГц. Значения компонент проводимости
нагрузки на выходе генератора отнесены к значению волновой проводимости выходного ВЧ тракта (0,02 См). Данные на рис.4 дают информацию
о возможных комбинациях параметров, при которых может работать генератор. Конкретная комбинация этих параметров определяется величиной модуля коэффициента отражения нагрузки на выходе генератора, что
иллюстрируется построением на рис.5.
С этой целью на рис.5 проведена пунктиром горизонтальная прямая,
соответствующая фиксированному значению модуля коэффициента отражения нагрузки Го. Она пересекает кривую зависимости для частоты 1
ГГц в двух точках и только касается таких кривых для частот 0,998 и
1,002 ГГц. Это значит, что при изменении фазы коэффициента отражения
нагрузки с модулем Го изменяются амплитуда напряжения открытого
эмиттерного перехода транзистора и генерируемая частота (в интервалах
Uom1 – Uom2 и 0,998 – 1,002 ГГц соответственно). При этом изменение
фазы коэффициента отражения может происходить в ограниченном интервале. На частоте 1 ГГц транзистор работает при двух величинах амплитуды эмиттерного перехода, а генератор – при двух значениях фазы коэффициента отражения. Знание величин амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода транзистора с использованием данных рис.4в
позволяет определить изменение выходной мощности генератора при
изменении фазы коэффициента отражения.
Рис.5. Расчетные зависимости модуля
коэффициента отражения нагрузки на выходе генератора
от амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода
транзистора, при котором обеспечивается работа устройства,
для ряда значений генерируемой частоты
(1 – f = 0,996 ГГц, 2 – f = 0,998 ГГц, 3 - f = 1,0 ГГц,
4 – f = 1,002 ГГц, 5 - f = 1,004 ГГц)
Анализ построений на рис.5 позволяет сделать вывод, что при увеличении модуля коэффициента отражения нагрузки происходит увеличение интервала изменения генерируемой частоты при изменении фазы этого коэффициента, а при отсутствии согласования выхода генератора с
внешним ВЧ трактом работа устройства на нагрузку с модулем коэффициента отражения, равным нулю, не всегда возможна.
Рис.6. Расчетные зависимости модуля коэффициента
отражения нагрузки, при котором может работать
генератор на фиксированных частотах, от амплитуды
напряжения открытого эмиттерного перехода транзистора
при добротности колебательной системы, равной 92,5
На рис.6 приведены расчетные зависимости модуля коэффициента
отражения нагрузки от амплитуды напряжения открытого эмиттерного
перехода транзистора, при которых он работает в составе генератора при
добротности колебательной системы, равной 92,5. Как видно из сравнения с данными рис.5, при фиксированном модуле коэффициента отражения нагрузки (величина Го на рис. 5 и 7 одинакова) уменьшение добротности колебательной системы приводит к увеличению интервала изменения генерируемой частоты при изменении фазы коэффициента отражения.
В третьей главе решаются вопросы моделирования электрических характеристик СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с перестройкой
частоты при использовании нелинейной модели этого прибора. В ней
предложен поэтапный подход к решению этой задачи, Такой подход, развиваемый в предположении использования в генераторе варакторной перестройки частоты, реализуется по следующему алгоритму.
На первом этапе с применением методики моделирования номинального режима генератора при заданной величине напряжения источника
постоянного питания на одной из частот диапазона перестройки определя-
ется величина проводимости колебательной системы, при которой
обеспечивается требуемый уровень выходной мощности и которая используется для определения состава и значений параметров элементов
этой системы. Затем при выбранном соответствии между величинами емкости варактора и частоты рассчитывается частотная зависимость проводимости колебательной системы в диапазоне перестройки, а также оценивается возможность практической реализации конструкции этой системы. На последующих этапах с использованием рассчитанной частотной
зависимости проводимости колебательной системы и математической модели транзистора рассчитывается частотная зависимость проводимости
цепи на выходе этого прибора, по которой определяется топология выходного трансформатора связи. По полученным результатам на последнем этапе определяется ширина диапазона перестройки частоты, изменение выходной мощности в этом диапазоне и зависимость генерируемой частоты от напряжения, подводимого к варактору. С целью увеличения диапазона перестройки возможна корректировка ранее выбранного соответствия между емкостью варактора и частотой.
Рис.7. Выбранное соответствие между величинами емкости варактора
и частоты при расчете колебательной системы генератора
Предложенный подход к моделированию электрических характеристик
СВЧ-транзисторного генератора с перестройкой частоты в диссертации
иллюстрируется при предположении использования колебательной системы, которая представляет собой параллельное соединение короткозамкнутого отрезка МПЛ, варактора и резистора. Такое построение колебательной системы и значения параметров ее элементов определены по результатам расчета ее проводимости на частоте 1 ГГц. При принятом соответствии между величинами емкости варактора и частоты, представленном на рис.7, частотные зависимости активной и реактивной проводимости колебательной системы имеют вид, показанный на рис.8. На рис. 9 и
10 приведены результаты расчета частотных зависимостей компонент
проводимости цепи на выходе транзистора, а также изменения выходной
мощности генератора и постоянного тока транзистора в диапазоне перестройки.
Рис.8. Результаты расчета частотных зависимостей
активной (а) и реактивной (б) проводимостей
колебательной системы
Рис.9. Результаты расчета частотных зависимостей
активной (а) и реактивной (б) проводимостей цепи
на выходе транзистора
Рис.10. Результаты расчета частотных зависимостей выходной
мощности генератора и постоянного эмиттерного тока
транзистора в диапазоне перестройки
Рис.11. Экспериментальный образец СВЧ- транзиторного генератора
Рис.12. Сравнение результатов расчета зависимостей
от питающего напряжения генерируемой частоты (а),
выходной мощности генератора (б) и постоянного эмиттерного тока
транзистора (в) с экспериментальными данными
Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке результатов
расчета зависимости электрических параметров СВЧ-генератора от напряжения источника постоянного питания. Экспериментальные данные получены на макете генератора, представленного на рис. 11. Он построен на
биполярном транзисторе типа 2Т948Б и работает на частоте 2 ГГц. В диссертации дается описание конструкции макета и методика измерения его
электрических параметров.
С учетом различия генерируемых частот и использованных в эксперименте и моделировании типов транзистора на базе данных изменений
проводится проверка качественного соответствия результатов расчета и
эксперимента. Для такой оценки данные расчета и эксперимента представляются в отношении к значениям соответствующих параметров в номинальном режиме сравниваемых генераторов. Результаты сравнения приведены на рис.12. Как видно, расчетные зависимости электрических параметров СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном
транзисторе от напряжения источника постоянного питания правильно передают характер экспериментальных зависимостей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Построена модель СВЧ-транзисторного генератора с внутренней
обратной связью, позволяющая проводить расчет и анализ его электрических характеристик. В ее основу положена эквивалентная схема, в которой
генератор представляется в виде параллельно соединенных активного и
пассивного двухполюсников. Моделирование электрических характеристик генератора обеспечивается введением в систему используемых уравнений соотношений, отражающих частотные свойства колебательной
системы и зависимость проводимости цепи на выходе транзистора от параметров внешней нагрузки.
В качестве объекта моделирования выбран СВЧ-генератор с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе, работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока. Моделирование проводится с использованием кусочно-квазилинейной модели биполярного транзистора, отражающей основные его нелинейные свойства при работе в этом режиме.
2. Разработан алгоритм расчета электрических характеристик СВЧгенератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе,
построенный на базе методики последовательных приближений. С его
использованием проведен анализ зависимости генерируемой частоты и
выходной мощности генератора от питающего напряжения. Показано, что
величина электронного смещения частоты уменьшается при увеличении
добротности колебательной системы, а от значения добротности практически не зависит выходная мощность генератора.
3. Предложена методика расчета электрических характеристик СВЧтранзисторного генератора с внутренней обратной связью, в котором
определяемым является один из параметров электрического режима генератора, а задаваемым параметром – генерируемая частота. Он показал
свою эффективность при анализе зависимости работы генератора от параметров нагрузки.
4. Разработан алгоритм расчета зависимости значений выходной мощности и генерируемой частоты от модуля коэффициента отражения нагрузки
на выходе генератора при заданной топологии выходного трансформатора связи. Проведенный с его использованием анализ показал, что от топологии этого трансформатора зависит величина модуля коэффициента отражения нагрузки, меньше которого не всегда возможна работа генератора, а при увеличении модуля коэффициента отражения увеличивается
интервал изменения генерируемой частоты при изменении фазы этого коэффициента. Также показано, что интервал этого изменения генерируемой
частоты уменьшается при увеличении добротности колебательной системы.
5. Предложена методика моделирования электрических характеристик
СВЧ-транзисторного генератора с перестройкой частоты на базе нелинейной модели прибора, при которой на первых этапах определяются структура и значения параметров элементов колебательной системы и оценивается возможность ее практической реализации. Разработан алгоритм
расчета генератора с варакторной перестройкой частоты, построенного на
биполярном транзисторе. Алгоритм предполагает использование задаваемого соответствия между величинами емкости варактора и частоты, которое может корректироваться в процессе расчета, в частности с целью увеличения диапазона перестройки.
6. Проведено моделирование электрических характеристик СВЧ-генератора на биполярном транзисторе с варакторной перестройкой частоты. В
результате моделирования определяются диапазон перестройки частоты,
частотные зависимости проводимости колебательной системы и проводимости цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается перестройка частоты в этом диапазоне, а также зависимость выходной мощности в диапазоне перестройки.
7. Представлены результаты измерений зависимостей генерируемой
частоты, выходной мощности и постоянного эмиттерного тока биполярного транзистора от питающего напряжения, полученные на экспериментальном макете СВЧ-генератора с внутренней обратной связью. Их
сравнение с результатами расчета показало, что моделирование правильно передает ход экспериментальных зависимостей. Это позволяет рекомендовать выработанные методики и алгоритмы моделирования электрических характеристик СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на
биполярном транзисторе для применения при проектировании таких
устройств.
Публикации по теме диссертации
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Мазеев Е.В. Определение параметров пассивных элементов СВЧтранзисторного генератора с перестройкой частоты / Е.В. Мазеев, М.А.
Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №2 (45). С. 193-198.
2. Горбачев Д.М. Решение задач проектирования СВЧ-генератора с
внутренней обратной связью на биполярном транзисторе / Д.М. Горбачев,
Е.В. Мазеев, М.А.Фурсаев // Радиотехника. 2011. №1. С.42-46.
3. Мазеев Е.В. Анализ работы СВЧ-транзисторного генератора от
питающего напряжения / Е.В. Мазеев, Б.К. Сивяков, М.А. Фурсаев // Электронная техника. Сер.1. Техника СВЧ. 2011. №2. С. 17-20.
В других изданиях
4. Мазеев Е.В. Особенности схемотехнического проектирования СВЧтранзисторных генераторов с внутренней обратной связью на биполярном
транзисторе / Д.М. Горбачев, Е.В. Мазеев, М.А. Фурсаев // Актуальные
проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн.
конф. Саратов, 2008. С. 38-41.
5. Мазеев Е.В. Алгоритмы решения задач схемотехнического проектирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном
транзисторе / Д.М. Горбачев, Е.В. Мазеев // Техническая электродинамика
и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С. 12-16.
6. Мазеев Е.В. Оценка работоспособности СВЧ-транзисторных генераторов с учетом действия эксплуатационных факторов / Д.М. Горбачев, Е.В.
Мазеев, М.А. Фурсаев // Электроника и вакуумная техники: приборы и
устройства, технология и материалы: матер. науч. конф. Вып.3. Саратов,
2009. С. 126-128.
7. Мазеев Е.В. Обеспечение условий работы биполярного транзистора в
составе СВЧ-генератора с внутренней обратной связью / Д.М. Горбачев,
Е.В. Мазеев, М.А. Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника:
сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 10-13.
8. Мазеев Е.В. Алгоритмы решения задач проектирования СВЧгенератора на биполярном транзисторе / Е.В. Мазеев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 138141.
9. Мазеев Е.В. Анализ работы СВЧ-транзисторного генератора при изменении параметров нагрузки / Е.В. Мазеев, Б.К. Сивяков, М.А. Фурсаев //
Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар.
науч.-техн. конф. Саратов, 2010. С. 55-59.
10. Мазеев Е.В. Определение частотных зависимостей проводимостей
пассивных элементов СВЧ-транзисторного генератора с перестройкой частоты / Е.В. Мазеев, М.А Фурсаев // Актуальные проблемы электронного
приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 2010. С.
72-76.
11. Мазеев Е.В. Расчет зависимости параметров СВЧ-транзисторного генератора от питающего напряжения / Е.В. Мазеев, М.А. Фурсаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.техн. конф. Т.4. Новосибирск, 2010. С. 192-195.
12. Мазеев Е.В. Ограничение режимов работы СВЧ-транзисторного генератора, обусловленные колебательной системой / Е.В. Мазеев, М.А. Фурсаев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2010. С.17-21.
13. Мазеев Е.В. Экспериментальная проверка результатов исследования
работы СВЧ-транзисторного генератора при изменении питающего напряжения / Е.В. Мазеев, В.Ю. Позняков // Техническая электродинамика и
электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2010. С. 27-30.
14. Мазеев Е.В. Расчет колебательной системы СВЧ-транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты / Е.В. Мазеев // Техническая
электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2010. С.
31-34.