CC BY
20
УДК 621. 317. 744
МЕТОД АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ АКТИВНЫХ СВЧ-ЦЕПЕЙ
Сергей Викторович Савелькаев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Владимир Анатольевич Литовченко
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (923)100-89-86, e-mail: [email protected]
Светлана Владимировна Ромасько
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ассистент, тел. (383)361-07-45
Наталья Викторовна Заржецкая
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, старший преподаватель, тел. (383)361-07-31
Предложен метод анализа устойчивости активных СВЧ-цепей, основанный на измерении трех значений комплексных коэффициентов отражения ее нагрузок по входу и выходу в регенеративном режиме работы этой цепи, соответствующего ее промежуточному режиму работы между ее режимами усиления и автогенерации.
Ключевые слова: анализатор СВЧ-цепей и их устойчивость, коэффициент Ленвила, комплексный коэффициент отражения.
STABILITY ANALYSIS METHOD OF ACTIVE MICROWAVE CIRCUITS
Sergei V. Savelkaev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor Department of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: [email protected]
Vladimir A. Litovchenko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Graduate Student, tel. (923)100-89-86, e-mail: [email protected]
Svetlana V. Romasko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Graduate Student, Assistant, tel. (383)361-07-45
Natalia V. Zarzhetsky
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Graduate Student, Senior Lecturer, tel. (383)361-07-31
A method is proposed for stability analysis of active microwave circuits, based on the measurement of three values of the complex reflection coefficients of loads on input and output in the regenerative mode of operation corresponding to its intermediate mode between the modes of amplification and generation.
Key words: analyzer microwave circuits and their stability, Lenvil coefficient, integrated reflection coefficient.
Суть проблемы. В настоящее время анализ устойчивости активных СВЧ-цепей, например, транзистора, необходимый для его выбора при проектировании усилителя или автогенератора, осуществляется по коэффициенту Ленвила [1] с использованием трудно измеряемых ^-параметров [2, 3].
В докладе предложен метод анализа устойчивости активных СВЧ-цепей, основанный на измерении трех значений комплексных коэффициентов отражения ее нагрузок по входу и выходу в регенеративном режиме работы этой цепи, соответствующего ее промежуточному режиму работы между ее режимами усиления и автогенерации.
Метод анализа устойчивости. Структурная схема измерительного преобразователя (ИП) [3] анализатора СВЧ-цепей (АЦ) показана на рис. 1. Он содержит коаксиальное контактное устройство (ККУ) [4] к каждому из двух (/ = 1, 2) коаксиальных переходов которого подключен измерительный 2п - полюсник, нагруженный на перестраиваемый согласующий трансформатор (ПСТ) с = 3 емкостными шлейфами. Исследуемая активная СВЧ-цепь, например, транзистор, подключена в плоскостях I - I измерительных входов коаксиальных переходов (КП).
а1кд Plkq Рг kq
b\kq b2kq
1 2
«1 « • X bi Исследуемая КП Ьг X • • а2
ПСТ 2л-полюсник Kit СВЧ-цепь 7п -полюсник ПСТ
1 ККУ 2
ИП
Рис. 1. Структурная схема ИП АЦ
Сущность анализа устойчивости [1] сводится к измерению трех т = 1, 2, 3 значений нагрузочных ККО Г™ активной СВЧ-цепи в режиме регенерации,
который является промежуточным режимом между его режимами усиления и автогенерации. Измеренные нагрузочные ККО Г^ позволяют определить границы Oj, разделяющие комплексные плоскости входного ( = 1) и выходного (/ = 2) нагрузочных ККО Гj исследуемой цепи на устойчивые и неустойчивые области, как показано на рис. 2, где знаком плюс (+) отмечены устойчивые,
а знаком минус (-) - неустойчивые области; rj, ф j и Rj - координаты центра и радиусы границ О этих областей (параметры устойчивости).
Рис. 2. Области неустойчивых (-) и устойчивых (+) нагрузочных ККО Г j
Метод анализа устойчивости можно реализовать следующим образом. Исследуемую цепь посредством входного и выходного ПСТ вводят в режим устойчивой автогенерации, выбирая его нагрузочные ККО Г j, так чтобы они находились в неустойчивых областях их комплексной плоскости, отмеченные знаком минус (-) на рис. 2, где точками j = 1, 2 отмечены их выбранные значения. При в каждом из ПСТ используют один (Ыш = 1) шлейф.
Далее при фиксированном значении выходного нагрузочного ККО Г2 = const в точке j = 2 осуществляют прогонку входного нагрузочного ККО Г1 посредством итерационного уменьшения, а затем итерационного увеличения его модуля | Г11 с вариацией его фазы ср1 в пределах <р1 = 0 - 2ж для каждого из выбираемых значений его модуля 0 <| Г1 |< 1. При этом изменение модуля | Г11 входного нагрузочного ККО Г1 осуществляется посредством изменения глубины погружения емкостного шлейфа входного ПСТ, а его фазы р1 - посредством перемещения этого емкостного шлейфа по длине ПСТ. Посредством прогонки входного нагрузочного ККО Г1 находят минимальное Г}1 и два максимальных граничных значений его модуля Г}2 , Г}3, показанных на рис. 2, при
которых наблюдается срыв генерации. После чего Исследуемую активную цепь отключают и измеряют эти три значения нагрузочных ККО Г1 при непосредственном соединении КП встык. Далее возвращают входной нагрузочный ККО
Г в исходную точку у = 1 и осуществляют аналогичное измерение трех значений Г, Г(2 и Г(3 выходного нагрузочного ККО Г2.
Координаты центров Г/ ,р/ и Rj радиусы границ О/ неустойчивых областей (-) нагрузочных ККО Гj можно определить решением системы уравнений:
| г(п |= xj + amyj + bmzj; m = 1,2,3, (19)
|= j 1
<m\n™ Jm ™ h - Лт
где am = 21 Г( | cospy и bm = 21 Г( | sinp - константы, значения которых определены модулем | Г(m | и фазой (j измеренных нагрузочных ККО r(m; xj, y j и zj - переменные:
Xj = Rj ~ rj; У j = rj c°s (j; z j = rj sin (j, (20)
с учетом которых rj,(j и Rj можно определить из выражений:
2 2 /2 2 г7 = V *j+ уj; (/'= агс^у / ^); Rj = V*j+ г>•. (21)
Произвольные значения модуля | Гj | нагрузочного ККО Гj , принадлежащие границам Оj в зависимости от его фазы р^, можно рассчитать по формуле
/2 2 2 1 Г7' |= ^ С08((7' - (ц ) - VRj С088 (Р7' - (г/) + г7 . (22)
При необходимости может быть определен максимально достижимый диапазон
А// = /'2 - ' (23)
перестройки частоты /j автогенерации исследуемой активной цепи по его входу и выходу, где /(2 и /(3 - граничные частоты срыва автогенерации, показанные на рис. 2.
Рассмотренный метод анализа устойчивости активных СВЧ-цепей облегчает выбор нагрузочных ККО Г/ при имитационном моделировании усилителей и автогенераторов СВЧ, а также выбор этих цепей, таких как транзисторы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полупроводниковые входные устройства СВЧ / Под редакцией В. С. Эткина. - М.: Сов. Радио. - 1975, Т. 1. - 344 с.
2. Савелькаев С. В. Методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их ^-параметров // Метрология. - 2005. - № 4. - С. 19-28.
3. Савелькаев С. В. Двухсигнальный метод измерения ^-параметров активных СВЧ-цепей в режиме большого сигнала // Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1991. -Вып. 5 (439). - С. 30-32.
4. Савелькаев С. В. Коаксиальное контактное устройство // Измерительная техника. -2005. - № 5. - С. 65-68.
5. Савелькаев С. В., Айрапетян В. С., Литовченко В. А. Методика расчета автогенератора СВЧ в пространстве S-параметров // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 164-171.
6. Савелькаев С. В., Айрапетян В. С., Литовченко В. А. Методика расчета автогенератора СВЧ в пространстве Б-параметров // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 164-171.
7. Владимирова С. В., Пальчун Ю. А., Колпаков А. В. Использование интерполирующих и экстраполирующих функций для определения межповерочного интервала коаксиальных мер // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. Т. 5, ч. 2. - С. 127-129.
8. Владимирова С. В., Пальчун Ю. А. Алгоритмические методы определения функции поправки по модулю при измерении параметров отражения // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 261-263.
9. Ромасько С.В. Методика определения коэффициентов интерполяции и экстраполяции СВЧ мер ослабления по модулю коэффициента отражения // ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2015 г.). - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. Т. 5, ч. 2. - С. 127-129.
10. Савелькаев С. В., Айрапетян В. С., Литовченко В. А. Трехсекционная дейфово-диффузионная математическая модель полевого транзистора с барьером Шоттки // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. - 2015. - Т. 10, Вып. 1. - С. 57-62.
11. Петров В. П., Савелькаев С. В. Расчет параметров рассеяния линейных пассивных и активных устройств СВЧ // Радиотехнические системы и устройства СВЧ. - Л.: Тр. учеб. инс-тов связи. - 1987. - С. 98-102.
12. Полупроводниковые входные устройства СВЧ / Под редакцией В. С. Эткина. - М.: Сов. Радио. - 1975, Т. 1. - 344 с.
© С. В. Савелькаев, В. А. Литовченко, С. В. Ромасько, Н. В. Заржецкая, 2016
