Проектирование СВЧ транзисторного генератора с варакторной перестройкой частоты и моделирование его электрических характеристик

УДК 621.382.2

Е.В. Мазеев, М.А. Фурсаев

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА С ВАРАКТОРНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Рассмотрен алгоритм проектирования СВЧ-генератора с варакторной перестройкой частоты на биполярном транзисторе, позволяющий прогнозировать уровень выходной мощности и ее изменение в диапазоне перестройки. Алгоритм предусматривает определение структуры колебательной системы и значения параметров ее элементов, а также частотную зависимость проводимости цепи на выходе транзистора, обеспечивающих требуемый диапазон перестройки.

СВЧ-генератор, перестройка частоты, биполярный транзистор, варактор, колебательная система, выходная мощность

E.V. Maseev, M.A. Fursaev THE MODELING OF ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF MICROWAVE TRANSISTOR OSCILLATOR WITH A VARACTOR FREQUENCY TUNING

The algorithm for the design of microwave bipolar transistor oscillator with varactor frequency tuning was considered. The algorithm allows predicting the level of output power and its variation in the tuning range. The algorithm determine the structure of the oscillating system, the elements parameter values and the frequency dependence of the conductivity of the circuit at the transistor output which provide the required tuning range.

Microwave generator, frequency agility, bipolar transistor, varaktor, oscillating system, the power output

1. Введение

Перестройка частоты СВЧ транзисторных генераторов, как правило, осуществляется с помощью варактора, вводимого в колебательную систему [1]. При изменении напряжения, подводимого к варактору, изменяется резонансная частота этой системы, а следовательно, и генерируемая частота. Такие генераторы строятся по схеме с внутренней обратной связью, в которых колебательная система подключается к входу транзистора, а к его выходу -выходной трансформатор связи, через который генерируемая мощность выводится в нагрузку.

При проектировании СВЧ транзисторных генераторов с перестройкой частоты в первую очередь определяются частотные зависимости проводимостей колебательной системы и цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается необходимый диапазон перестройки частоты. Эти зависимости являются исходными данными для проектирования колебательной системы и выходного трансформатора связи. В [2-4] при определении частотных зависимостей проводимости колебательной системы и цепи на выходе транзистора использовалась его линейная модель, что не позволяет при проектировании провести оценку выходной мощности генератора.

В данной работе рассматривается алгоритм проектирования СВЧ генератора с варакторной перестройкой частоты на биполярном транзисторе, использующий нелинейную модель этого прибора. Такой подход дает возможность провести моделирование электрических характеристик генератора, в том числе определить уровень выходной мощности и его изменение в диапазоне перестройки при неизменных значениях параметров элементов цепи постоянного тока и изменении напряжения, подводимого к варактору.

2. Исходные положения моделирования СВЧ транзисторного генератора с перестройкой частоты

Проектирование СВЧ транзисторного генератора с перестройкой частоты базируется на модели, в основу которой положено его представление в виде параллельного соединения двух двухполюсников: пассивного и активного. В соответствии с [5] пассивным двухполюсником является колебательная система, а активным - вход транзистора, что позволяет записать условие стационарного режима генератора как

укс + Увх = 0,

где Укс - проводимость колебательной системы,

Увх - входная проводимость транзистора.

Вместе с изменением резонансной частоты колебательной системы, обусловленным изменением подводимого к варактору напряжения, изменяется и величина проводимости этой системы, что позволяет говорить о ее частотной зависимости, при которой достигается перестройка генерируемой частоты. Условие стационарного режима генератора должно выполняться на всех частотах диапазона перестройки. Величина входной проводимости транзистора, работающего в составе генератора с перестройкой частоты, должна характеризоваться частотной зависимостью, соответствующей частотной зависимости проводимости колебательной системы.

Входная проводимость транзистора является функцией как проводимости нагрузки на его выходе, зависящей от частоты, так и режима работы прибора, который определяется значениями параметров элементов цепи постоянного тока, в том числе напряжения источников постоянного питания. Определение зависимости величины входной проводимости транзистора от значений параметров элементов цепи постоянного тока, если предполагается прогнозирование уровня выходной мощности, должно проводиться на базе нелинейной модели прибора.

Моделирование СВЧ-генератора с перестройкой частоты ниже рассматривается в предположении его построения на биполярном транзисторе типа КТ919А, включенном по схеме ОБ и работающем в недонапряженном режиме с отсечкой тока. Расчет параметров транзистора проводится с использованием кусочно-квазилинейной модели, отражающей основные нелинейные свойства прибора в этом режиме [6].

3. Этапы проектирования СВЧ генератора с перестройкой частоты

На первом этапе проектирования определяется режим работы транзистора на одной из частот диапазона перестройки, обеспечивающий задаваемые величины выходной мощности и напряжение источника постоянного питания. При этом, по предложенной в [5] методике, в качестве исходного выбран его электрический режим работы на частоте 1 ГГц со следующими значениями параметров:

- проводимость цепи на выходе транзистора Ун = 0,0165 - _]0,14 См;

- входная проводимость транзистора Увх = - 0,0198 - ]0,182 См;

- напряжение источника постоянного питания Ек = 19,5 В;

- напряжение источника смещения в эмиттернои цепи постоянного тока исм = 3,98 В;

- сопротивление резистора смещения в этоИ цепи Ясм = 5 Ом;

- выходная мощность Рвых = 5,5 Вт.

На втором этапе проектирования определяются состав и топология колебательной

системы, а также частотная зависимость ее проводимости, при которых обеспечивается

практическая реализация этой системы. Исходными данными на втором этапе являются

значения частоты и соответствующая ее проводимость колебательной системы. Согласно

условию (1), значение этой проводимости на частоте 1 ГГц равно 0,0198 + ]0,182 См.

Предполагается, что в генераторе используется колебательная система, в которой

короткозамкнутый отрезок микрополосковой линии, варактор и резистор соединены

параллельно. При расчете параметров элементов этой системы полагалось, что варактор

представляется в виде последовательно соединенных емкости и резистора, учитывающего

сопротивление полупроводникового материала и контактов [7]. При предположении, что

-12

сопротивление этого резистора равно 0,15 Ом, величина емкости варактора - 40.10 Ф, сопротивление резистора колебательной системы - 96 Ом. Отрезок микрополосковой линии, выполненной на поликоровой подложке, имеет ширину 16 мм, длину - 18,6 мм.

Для расчета частотной зависимости проводимости колебательной системы необходимо выбрать соответствие между емкостью варактора и частотой. Это соответствие в рассматриваемом примере определяется зависимостью

Св(яФ) = 90 - 50ДГГц),

с учетом которой получаются частотные зависимости активной и реактивной проводимости колебательной системы, приведенные на рис. 1. Необходимо иметь в виду, что при выбранном соответствии между емкостью варактора и частотой активная проводимость колебательной системы в диапазоне перестройки должна быть положительной величиной.

Рис.1. Данные расчета частотных зависимостей а) активной и б) реактивной проводимости колебательной системы генератора

На третьем этапе проектирования определяется ширина диапазона перестройки частоты, которая получается при значениях параметров элементов колебательной системы, рассчитанных на втором этапе. При этом с использованием модели биполярного транзистора [6] рассчитываются зависимости значений проводимости цепи на выходе транзистора, выходной мощности и постоянного эмиттерного тока прибора от амплитуды напряжения его открытого эмиттерного перехода. Такой расчет проводится при фиксированных значениях частоты и проводимости колебательной системы. На каждой частоте также определяются интервалы значений амплитуды этого напряжения, при которых возможна работа генератора, по резкому изменению расчетных значений активной и реактивной проводимости цепи на выходе транзистора на их границах. Расчет ограничивается частотами, для которых значение активной проводимости цепи на выходе транзистора 70

становится отрицательным. По этому критерию определяются границы диапазона перестройки.

По результатам расчета для ряда частот строятся кривые зависимости реактивной

проводимости цепи на выходе транзистора Вн от ее активной проводимости Он, значения которых находятся в определенных интервалах значений амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода, как показано на рис. 2 для рассматриваемого примера. На таком рисунке проводится непрерывная линия с неизменным знаком тангенса угла наклона,

которая должна пересекать построенные кривые зависимостей Вн(Он) (пунктирная линия на рис. 2). Точки пересечения определяют значения компонент проводимости цепи на выходе транзистора, а также значение амплитуды напряжения его открытого эмиттерного перехода, при которых обеспечивается работа прибора на фиксированных частотах диапазона перестройки. На частотах, для которых отсутствует пересечение проведенной линии и

кривых зависимостей Вн(Он), работа генератора невозможна.

0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 о 030 Сн,См

-0.04----т----—і-----і-----Ч------л----5^

-р’6 4 ^ 0,7 N 0,8

Ч \ ч ^ 0,9 N N

/ / / / £=1,0 ГГю

ч ч. Ч _ V 1Д

¥Вн,См

Рис. 2. Построения для определения компонент проводимости цепи на выходе транзистора, при которых обеспечивается работа генератора на фиксированных частотах диапазона перестройки

В том случае, если нельзя получить пересечение линии, определяющей возможные

электрические режимы транзистора, с кривыми зависимостей Вн(Он), построенными для всех частот диапазона перестройки, для ее достижения может быть проведена корректировка:

- величин параметров элементов колебательной системы или ее структуры при сохранении неизменным электрического режима транзистора, который был исходным при их определении, а также принимаемого соответствия между емкостью варактора и частоты;

- исходного электрического режима транзистора для определения значений параметров элементов колебательной системы и ее структуры.

4. Моделирование электрических характеристик генератора

На основании данных, полученных при построениях на рис. 2, проводится определение электрических характеристик СВЧ генератора с перестройкой частоты. Так, из этих данных следует, что при выбранных электрическом режиме работы транзистора, а также составе колебательной системы и параметрах ее элементов, перестройка частоты генератора может осуществляться в диапазоне от 0,6 до 1,1 ГГц при изменении емкости варактора в пределах от 60 до 35 рФ. По данному интервалу изменения емкости выбирается тип варактора, с учетом чего определяется интервал изменения подводимого к нему напряжения, при котором обеспечивается перестройка частоты в необходимом диапазоне.

Из данных рис. 2 непосредственно следует частотная зависимость компонент проводимости цепи на выходе транзистора, при которой обеспечивается перестройка частоты. Для рассматриваемого генератора эти зависимости приведены на рис. 3.

По координатам точек пересечения кривых зависимостей на рис. 2 определяются значения амплитуд напряжения открытого эмиттерного перехода транзистора, при которых он работает на фиксированных частотах диапазона перестройки. При определенных таким образом значениях амплитуды этого напряжения с использованием соотношений модели [6] рассчитываются величины выходной мощности и постоянного эмиттерного тока транзистора. На рис. 4 представлены данные по изменению этих параметров при перестройке частоты рассматриваемого в качестве примера генератора.

Рис. 3. Расчетные зависимости компонент проводимости цепи на выходе транзистора от частоты, при которых обеспечивается ее перестройка в генераторе

Г, ГГц

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

Рис. 4. Данные расчета изменения выходной мощности (Рвых) и постоянного эмиттерного тока транзистора (1оэ) при перестройке частоты в генераторе

5. Заключение

При проектировании СВЧ транзисторных генераторов с перестройкой частоты, как правило, одновременно определяются частотные зависимости проводимости цепей, подключаемых к входу и выходу транзистора, при которых предполагается получить необходимый диапазон перестройки. Полученные данные затем используются в качестве исходных при проектировании колебательной системы и выходного трансформатора связи. Однако практическая реализация этих участков схемы генератора, частотные зависимости проводимости которых совпадали бы с исходными, является весьма сложной задачей. Особенно сложной представляется задача в части колебательной системы.

Преимуществом рассмотренного алгоритма является то, что на первых этапах проектирования представляется возможность выбора такой комбинации элементов колебательной системы и таких значений их параметров, при которых частотная зависимость проводимости этой системы может быть реализована. И только после этого решается задача определения частотной зависимости проводимости цепи на выходе транзистора. Кроме того, алгоритм обеспечивает проведение моделирования электрических характеристик генератора, 72

в том числе зависимости его выходных параметров от напряжения, подводимого к варактору.

ЛИТЕРАТУРА

1. Grebennikov A. RF and Microwave Trabsictor Oscillator Desing. John Wiley and Sons. Ltd. 2007. P. 437.

2. Kitchen J. Octave Bandwidth Varactor-tuned Oscillator. Microwave Journal. Vol. 30. №5. 1987. Р. 347-353.

3. Vidwar A. M. Wideband Varactor-tuned Microsteip VCO. Microwave Journal. 1999. Vol. 42. №6. Р. 80-86.

4. Мазеев Е.В. Определение пассивных элементов СВЧ транзисторного генератора с перестройкой частоты // Вестник СГТУ. Саратов. 2010. №2 (45). С. 193-196.

5. Горбачев Д.М., Мазеев Е.В., Фурсаев М.А. Решение задач проектирования СВЧ-генератора с внутренней обратной связью на биполярном транзисторе // Радиотехника. 2011. №1. С. 42-46.

6. Горбачев Д. М., Фурсаев М. А. Развитие кусочно-квазилинейной модели биполярного транзистора // Вестник СГТУ. Саратов. 2008. №1. Вып.1. С. 74-80.

7. Пасынков И.И., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 198б. 479 с.

Мазеев Евгений Валентинович -

ассистент кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета

Фурсаев Михаил Александрович -

профессор кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета

Maseev Evgeny Valentinovich -

Junior Research Staff Member of the Department «Electrical Engineering and Electronics», Saratov State Technical University

Fursaev Mikhail Aleksandrovich -

Associate Professor of the Department «Electrical Engineering and Electronics», Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 06.02.2011, принята к опубликованию 07.07.2011