CC BY
10
МЕТРОЛОГИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УДК 621.382.3: 621.373.12:006.9
DOI: 10.33764/2411-1759-2021-26-1-150-162
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ОТРАЖЕНИЙ НАГРУЗОК ТРАНЗИСТОРА НА ИМИТАТОРЕ-АНАЛИЗАТОРЕ УСИЛИТЕЛЕЙ И АВТОГЕНЕРАТОРОВ СВЧ
Сергей Викторович Савелькаев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (383)361-07-31, e-mail: sergei.savelkaev@yandex.ru
Надежда Анатольевна Вихарева
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (383)361-07-31, e-mail: milana-maria@mail.ru
Наталья Викторовна Чекотун
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии, тел.(383)361-07-31
Рассмотрен имитатор-анализатор, обеспечивающий имитационное моделирование сверхвысокочастотных (СВЧ) усилителей и автогенераторов в соответствии с техническим заданием и последующим измерением комплексных коэффициентов отражения нагрузок активного компонента этих устройств для их проектирования. Также рассмотрена методика измерения этих параметров и методика калибровки имитатора-анализатора, обеспечивающая передачу результатов измерения из коаксиального измерительного тракта имитатора-анализатора в микрополосковый тракт. Кроме того, рассмотрен метод анализа устойчивости активного компонента в пространстве комплексных коэффициентов отражения его нагрузок, облегчающий их выбор при имитационном моделировании усилителей и автогенераторов.
Ключевые слова: имитатор-анализатор, калибровка, методика измерения, комплексный коэффициент отражения и его нормировка, метод анализа устойчивости
Введение
В настоящее время расчет и проектирование усилителей и автогенераторов сверхвысоких частот (СВЧ) [1] осуществляют в пространстве измеренных ¿'-параметров активного компонента (АК) этих устройств [2-21], например, транзистора. ¿-параметры позволяют осуществить анализ устойчивости АК [22], что облегчает его выбор для реализации усилителя или автогенератора. Кроме того, ¿-пара-
метры позволяют рассчитать комплексные коэффициенты отражения (ККО) Г^ нагрузок (нагрузочные ККО Г^ ) на входе ( ] = 1) и выходе (] = 2 ) АК для последующего расчета его согласующих цепей (СЦ) при проектировании усилителей и автогенераторов.
Недостатком применения ¿-параметров АК для проектирования усилителей и автогенераторов является сложность измерения этих параметров. Поэтому для расчета СЦ АК таких
устройств целесообразнее измерять его нагрузочные ККО Гну . Этому также способствует то, что погрешность измерения нагрузочных ККО Гну АК меньше, чем суммарная
погрешность измерения его ^-параметров, являющихся многомерной функцией от числа измерений [20, 21, 26].
В статье рассмотрена упрощенная структурная схема имитатора-анализатора (ИА) и его измерительного преобразователя (ИП) [18-21]. ИА обеспечивает имитационное моделирование усилителей и автогенераторов в соответствии с их техническим заданием (ТЗ) и последующим измерением нагрузочных ККО Гну АК для непосредственного расчета его СЦ
при проектировании таких устройств. Также рассмотрена методика измерения нагрузочных ККО Гну и методика калибровки ИА, обеспечивающая передачу результатов измерения из коаксиального измерительного тракта ИА в микрополосковый тракт. Кроме того, рассмотрен метод анализа устойчивости АК в пространстве нагрузочных ККО Гну, облегчающий их выбор при имитационном моделировании усилителей и автогенераторов.
Структурная схема и конструкция ИА
Упрощенная структурная схема ИА показана на рис. 1 [18-21].
а1
и.
п1
СС, БНПУ, КИП
и
у1
а
1кд
и
1кд
и.
2кд
1 2
АК КП 2
КП1
1 ККУ 2
а
2кд
а2, а2т
и
у2
и
п2
АД
Г1
ПСТ
НМ
Ь2
НМ
И
ПСТ
АД
Г1 I Гн1
Гн2 Г2
ИП
Рис. 1. Упрощенная структурная схема ИА: ИП - измерительный преобразователь; БНПУ - блок напряжений питания ип- и управления иу1; СС - синтезатор зондирующих а^, а2т и опорных ак сигналов; КИП -
контрольно-измерительные приборы; АД - адаптер; ПСТ - перестраиваемый согласующий трансформатор; НМ - направленный мост; КП;- - коаксиальный переход; ККУ -коаксиальное контактное устройство; АК - активный компонент
х
х
Его основным функциональным узлом является ИП. Он обеспечивает имитационное моделирование усилителей и автогенераторов СВЧ и содержит коаксиальное контактное устройство (ККУ) [23, 24], которое с помощью двух (/ = 1, 2) коаксиальных переходов ( КПг-)
обеспечивает подключение активного компонента (АК), например, полоскового транзистора, к входному (/ = 1) и выходному (/ = 2) 15-ти дБ направленным мостам (НМ).
НМ обеспечивают физическое преобразование нагрузочных ККО Гн/; у = 1, 2 АК, из-
меряемых при непосредственном соединении плоскостей - -- измерительных входов КП-; i = 1,2 ККУ встык, в мощности Р^. , регистрируемые на выходном информационном полюсе каждого из двух НМ, где к = 1,3 - порядковый номер сдвига фазы ф0 опорного сигнала а^ относительно фазы фi зондирующего сигнала а-; q = 1, Q - порядковый номер значения амплитуды | а0 | опорного сигнала а-к(1 , определяющий поддиапазон измерения нагрузочного ККО Гн/ из общего количества поддиапазонов Q.
Каждый из НМ нагружен на перестраиваемый согласующий трансформатор (ПСТ) с N < 3 емкостными шлейфами. Оба ПСТ управляются напряжениями управления и у-;
i = 1, 2, которые вырабатывает блок напряжений питания итй и управления и у- (БНПУ).
Напряжения питания ЦУШ-, также вырабатываемые БНПУ, подаются на АК через адаптеры (АД) и задают его режим по постоянному току, тогда как ПСТ задают нагрузочные ККО Гн/- на входе (/ = 1) и выходе (/ = 2) транзистора на фиксированной частоте / . Зондирующие а0 и опорные а-, а2т сигналы генерируются их синтезатором (СС). Технические характеристики имитируемого усилительного или автогенераторного устройства СВЧ, например, такие как его выходная мощность Рвых, рабочая частота / усиления или генерации, коэффициент усиления по мощности Кр и шуму Кш регистрируются контрольно-измерительными приборами (КИП), как показано на рис. 1.
ИП выполнен в виде самостоятельного функционального узла, конструкция которого показана на рис. 2, а. Он содержит основание 1, на каждом из двух подвижных столов 2 которого последовательно размещены: АД 3, подающий напряжение питания ип- на АК 4 со
стороны его входа (- = 1) и выхода (- = 2), ПСТ 5, НМ 6. К измерительным входам НМ 6 подключены КП-- 7 ККУ. КП-- 7, разрез одного
из которых показан на рис. 2, б и в, позволяют посредством подпружиненных цанг 8 подключить в плоскостях - - -; - = 1, 2 их измерительных входов АК 4 как с ленточными 9 (рис. 2, б), так и с микрополосковыми 10 (рис. 2, в) выводами. При этом АК 4 размещают на пьедестале 11. Кроме того, КП- 7 позволяют подключить в указанных плоскостях - - - коаксиальную меру 12 (как, например, для рис. 2, б показано на рис. 2, г) или расчетные согласованные микрополосковые калибраторы 13 (рис. 2, д для рис. 2, б и рис. 2, е для рис. 2, в) при калибровке ИА. Также при калибровке ИА к входному (-' = 1) и выходному (-' = 2) отрезкам микрополосковой линии (МПЛ) 10 в их вспомогательных измерительных плоскостях -' - -' (рис. 2, в) можно подключить (при удалении АК 4) короткозамыкатель 19 (рис. 2, ж).
Перемещение подвижных столов (рис. 2, а) при подключении коаксиальной меры 12 (рис. 2, г) осуществляется с помощью приводного механизма 14 (рис. 2, а), а перемещение кп- 7 при подключении АК 4 с ленточными 9 (рис. 2, б) или микрополоско-выми 10 (рис. 2, в) выводами, а также согласованных микрополосковых калибраторов 13 (рис. 2, д для рис. 2, б и рис. 2, е для рис. 2, в) осуществляется с помощью фиксаторов 15. Возможность горизонтального перемещения каждого из кп- 7 обеспечивается посредством коаксиального тромбона 16 (рис. 2, б).
При калибровке ИА пьедестал 11 (рис. 2, а, б и в) удаляют и плоскости - - -; - = 1, 2 измерительных входов кп- 7 могут быть включены встык. При этом цанга 8 с большим усилием пружины утапливает цангу 8 другого кп- 7 с меньшим усилием пружины аналогично рис. 2, г. При этом резьбовую втулку 17 одного из кп- 7 (рис. 2, б и в) надвигают на
другой кп- 7 аналогично рис. 2, г.
г) д) е) ж)
Рис. 2. Конструкция ИП:
а) общий вид ИП; б) ив) подключение к К11 7 Л К 4 с ленточными 9 и микрополосковыми 10
выводами; г) подключение к КП 7 коаксиальной меры 72; О) и с) согласованный микрополос-
ковый калибратор 13; ж) короткозамыкатель 19; 1 - основание; 2 - подвижный стол; 3 - адаптер; 4 - АК; 5 - ПСТ; б - НМ; 7 - КП,; 8 - подпружиненная цанга; 9 и 10 - ленточный вывод и отрезок полосковой линии; 11 - пьедестал; 12 - коаксиальная мера; 13 - расчетные согласованные микрополосковые калибраторы; 14 - приводной механизм; 15 - фиксатор; 16- коаксиальный тромбон; 77- резьбовая втулка; 18 - резистивная нагрузка; 19 - короткозамыкатель
Методика измерения нагрузочных ККО Гн/
Измеренные ККО Г7 в плоскости / - / входа КП; (/ = 1,2, см. рис. 1), а также измеренные нагрузочные ККО Гн/ транзистора,
измеряемые при непосредственном соединении входов КП7 в плоскостях 1-1 (/ = 1,2)
встык (Гн/ измеряют / -м НМ), можно определить по формуле [18-21]
Г, , Г
щ
'Щ
н/
(1)
щ
при сц Ф 0, а• = (Ум] Ф 0, аш = 0; = 1,2; IФ у", где - относительная ам плиту да
_1л(а!Га|1Р
(2)
где ак/ и (х,| - ослабление амплитуды | о}а \
1С]
опорного сигнала а1кс1 на с/-\\ поддиапазоне
измерения и начальное значение этого ослабления на первом (д = 1) поддиапазоне измерения;
а,
°а и св
комплексные константы
НМ, подлежащие определению при калиб-
ровке ИА подвижной короткозамкнутой коаксиальной мерой.
Для определения эквивалентного ККО
Рiq = / Р-14 , (3)
измеряемого нагрузочного ККО гн/, входящего в (1), была использована система уравнений вида:
Х-1 + а-к2Х-2 + а-к3Х-3 = aikq4 ; к = 1,3 , (4)
где в формуле (3): р^ - эквивалентный ККО,
который определяют при калибровке ИА ко-роткозамкнутой подвижной коаксиальной мерой с ККО гг- = Ж4 = -1, подключаемой к плоскости - - - измерительного входа кп- на первом (ц = 1) поддиапазоне измерения, а в (4): акц 4 = Ркц , а-к2 = 2с°* ф-к, а-к3 = -2 ф-к ;
ФЛ =±zQik; к = 1,3,
\piq | = 1/2pi ±yj 1/4Р2 -1;
Фф = arCtg( Xi3/ xi 2),
жения Uiкq, измеряемые на детекторах выходных плеч НМ (см. рис. 1) для трех дискретных фазовых сдвигов ф-к (5).
Эквивалентный ККО (6) задает динамический диапазон стоячей волны мощности Р-к^ :
1+ 1 Piq |2 +21 Piq 1
Pm
(5)
где фгк - сдвиг фазы ф°к опорного сигнала a°kq относительно фазы фг- зондирующего сигнала at с дискретным приращением
Qik = фг- - ф°к . Знак «плюс» для фг£ (5) выбирают, если стоячая волна мощности Pfcq движется к плоскости ее индикатора, и «минус» -при движении в противоположном направлении.
Решение системы уравнений (4) относительно переменных xik для трех значений мощностей Pikq; к = 1,3 позволяет при q = const определить модуль | рг^ | и фазу фгр эквивалентных ККО p;-q и рг-14, входящего в (3), следующим образом:
(6)
где =>/(х-2/ х-1)2 +(х-3/ х-1)2; ^/ = 1, 2; - */.
Мощности Р\кч = и^ /2, входящие в систему уравнений (4), определяют через напря-
д. = 101ё—-= 10^1^ (7)
1+ 1 Рiq 1 -2 1 Рщ 1 РШ1П
с ее минимумом Ртп и максимумом Ртах.
Количество поддиапазонов Q измерения ККО гн/ с модулем 1 < | гн/ | < 1 для каждого --го НМ выбирают так, чтобы на каждом q = 1, Q поддиапазоне для модуля измеряемого ККО | гтт ч | < | Гн/ | < | Гтах Ч | выполнялось двухстороннее амплитудное ограничение Дт1П < Д < Дтах (безусловная адаптация
ИА) [20, 21], где | ГттЧ,тахq | - граничные значения, разбивающие модуль 0 < | гн/ | < 1 измеряемого ККО гн/ на Q поддиапазонов измерения; Д - текущее значение динамического диапазона (7) и Дт1П, Дтах - его предельно допустимые минимальное и максимальное значения. Количество поддиапазонов Q = 5 , значения модулей | = {1; 0,7; 0,5; 0,33; 0,18},
| гт1пq,тахq | = {[1; 0,8], [0,8; 06], [0,6; 0,4],
[0,4; 0,25], [0,25; 0,13]} и динамического диапазона Дт1П тах = {6; 14} дБ были выбраны
при определении метрологических характеристик ИА посредством оценки и ограничения предельной суммарной погрешности измерения дГ ККО гн/ по ее предельному допуску ДГ < [ДГ ] [20, 21, 26].
Режим безусловной адаптации, которому в (6) соответствует знак «плюс», реализуется при Ь1 >| а0 |, где Ь- - отраженный
сигнал (см. рис. 1).
Кроме того, согласно [20, 21], дискретное
приращение 9г-2,9г-3 фазы фгк (5) опорного сигнала должно удовлетворять фазовому
к
условию 0г-2,0-3 = 00, где 90 = 3л/ 2 - его оптимальное дискретное приращение, которое может быть определено на основе анализа обусловленности системы уравнений (4).
При одновременном выполнении амплитудного ограничения 6 <Д<14 дБ и фазового условия 0-2,0 - 3 = 0 0 = 3 л /2 суммарная погрешность ДГ измерения ККО гн/
на любом из q = 1, 5 поддиапазонов составляет | Дг |< [| Дг |] = 0,05 | гн/- | по модулю
и фГ < [фГ] = 50 по фазе, где [| ДГ |] и | фг | -предел допуска на погрешность измерения Дг по модулю | Дг | и фазе фг.
Если Ь <| а0 |, реализуется режим адаптации ИА сверху в виде одностороннего амплитудного ограничения Д < Дтах . Этому режиму в (6) соответствует знак «минус». Недостатком последнего режима является то, что предельная суммарная погрешность Д Г измерения ККО гн/- при его модуле | гн/-1< 0,3
превышает предел ее допуска ДГ > [ДГ ].
Для аттестации методики по погрешности измерения ККО Г использовались нагрузки Э9-83/5 №161 и НОВ-23-1.14, аттестованные ФГУП СНИИМ с погрешностью < 0,024 | Г |
по модулю и < 1° по фазе. Погрешность измерения ККО Г этих нагрузок составила < 0,071 Г | по модулю и < 4° по фазе.
Методика измерения нагрузочных ККО гн/ реализуется следующим образом. АК
(транзистор) подключают к кп- ; - = 1, 2 ККУ
ИА (см. рис. 1) и осуществляют имитационное моделирование усилителя или автогенератора.
При имитационном моделировании усилителя ИА работает на фиксированных частотах в заданном диапазоне частот. При этом поддерживается требуемая выходная мощность имитируемого усилителя во всем диапазоне частот, посредством выбора эксплуатационных характеристик АК этого усилителя.
При имитационном моделировании автогенератора ИА работает на фиксированной частоте автоколебаний автогенератора.
В процессе имитационного моделирования задают эксплуатационные характеристики транзистора, определяющие его режим по постоянному току. А именно, с помощью БНПУ (см. рис. 1) задают напряжения питания ип- АК (в режиме усиления или генерации), а с помощью СС амплитуду | а11 входного непрерывного зондирующего сигнала а1
транзистора (в режиме усиления). Заданные эксплуатационные характеристики АК регистрируются КИП. Кроме того, посредством емкостного шлейфа входного (/ = 1) и выходного (/ = 2) ПСТ задают нагрузочные ККО гн/ АК,
обеспечивающие его режим усиления (как усилителя) или генерации (как автогенератора) этого прибора [25]. Положение шлейфов задается напряжениями управления Цу-,
формируемыми БНПУ.
Для облегчения выбора нагрузочных ККО гн/ может быть использован метод анализа
устойчивости АК.
Перечисленные выше эксплуатационные характеристики АК должны быть выбраны так, чтобы технические характеристики имитируемого усилителя или автогенератора, такие как выходная мощность Рвых, рабочая частота / усиления или генерации, коэффициент усиления по мощности Кр и шуму Кш
и др., регистрируемые КИП, удовлетворяли ТЗ на проектирование этих устройств.
После выбора эксплуатационных характеристик АК осуществляют измерение нагрузочных ККО гн/ (1) при непосредственном соединении входов кп- в плоскостях - - - (- = 1, 2) встык. Такое измерение нагрузочных ККО гн/ является адекватным.
Калибровка ИА
Возможность подключения к кп- 7 ККУ
[18-21] стандартных коаксиальных мер 12 (см. рис. 2, г) позволяет осуществить калибровку ИА относительно плоскостей - - - измерительных входов кп-; - = 1, 2, которые одновременно являются плоскостями подключения
АК 4 с ленточными 9 (см. рис. 2, б) или полос-ковыми 10 (см. рис. 2, в) выводами, которые подключаются к кп. 7 посредством цанг 8.
Для определения комплексных параметров G. Gi2 и Gi3, входящих в формулу (1),
необходимо выполнить измерение напряжений Uikqm на детекторе выходного плеча i-го
НМ (см. рис. 1) при подключении к плоскости i - i входа кп.; i = 1, 2 стандартной подвижной короткозамкнутой меры для четырех m = 1,4 различных фиксированных значений ее фазы [21-24]
Фш = 2ßlm , (8)
где ß = 2п / X и 1ш <X /4 - фазовая постоянная и переменная шкалы этой меры, причем при ш = 4 значения l4 = 0 и W4 = -1; X -длина волны.
Измерение напряжений и определе-
ние эквивалентного ККО p.qm (6) необходимо
осуществлять на первом (q = 1) поддиапазоне. При этом начальное ослабление аг1 амплитуды Хп (2) и дискретные приращения 0i2, 0.3 фазовых сдвигов yik; k = 2,3 (5) должны быть выбраны так, чтобы динамический диапазон (7) и дискретные приращения 0i 2, rj, Удовлетворяли амплитудному Q = 5
(Аmin +Аmax)/2 и фазовому Ri условиям, что обеспечивает минимум погрешности AWm = min AWm = min А^. измерения ККО
Г, = Wm и, следовательно, минимум погрешности AGj = min Gj последующего определения эквивалентных комплексных параметров Gj (1) i-го НМ.
Так как для первого (q = 1) поддиапазона относительная амплитуда %iq = 1 (2), формула (1)
при г. = Wm была преобразована к виду
Gi1 +aim2Gi2 + aim3Gi3 = aim4 ш = 1,33 , (9)
где aim2 = -Wm ; aim3 = -Pi1mWm; aim4 = Pi1m , причем р.1ш = рг1ш / p.14 - эквивалентный
ККО (определяют из (6)) при измерении ККО г = Wm подвижной короткозамкнутой меры, подключаемой в плоскости i - i измерительных входов кпг- для трех ( m = 1,3 ) состояний ее фазы фт (8).
Решение системы уравнений (9) позволяет определить комплексные параметры Gii = DJ D, Gi2 = Д2/ D и Gi3 = Д3/ D (8) i-го НМ, где Di1, Di2, Di3 и D - определители системы.
Если же ослабление aiq амплитуды | at
iq
опорного сигнала ащ неизвестно, то относительную амплитуду (2) на q-м поддиапазоне измерения можно определить как
X iq
1 + GW
iqq
Gil + G 2Wq
(10)
/ Pi
где Р iqq - рiqq ' Рг14 •
Для определения эквивалентного рг^ (9) на
q-м поддиапазоне измерения необходимо измерить напряжения Ui^qq на выходном плече ьго
НМ при подключении в плоскости i - i измерительного входа кпг-; i -1, 2 7 коаксиальной меры 12 (см. рис. 2, г) с модулем ККО | | = {1; 0,8; 0,5; 0,33; 0,18}. Значения модулей выбираются так, чтобы предельно допустимый интервал динамического диапазона Д< Д < Дтах для нагрузочных ККО гну
с модулем 0 < | гну | < 1 не нарушался. Согласно указанному набору значений модуля ККО | Wq | для обеспечения | ДГ | < [| ДГ |] - 0,05 | гну |
и фг < [фг ] - 5° количество поддиапазонов измерения должно составлять Q - 5 .
Для нормировки нагрузочных ККО гну АК,
измеренных в коаксиальном тракте ИА, относительно микрополоскового тракта, в котором в последующем будет осуществлен расчет и проектирование усилителя или автогенератора, необходима калибровка кпг- совместно с НМ расчетным микрополосковым калибрато-
ром 13 (см. рис. 2, д) или же двумя отрезками микрополосковой линии (МПЛ) [20, 21]. Калибратор содержит отрезки МПЛ 10, которые с одной стороны нагружены на согласованную резистивную нагрузку 18, а с другой снабжены ленточным выводом 9. Схема подключения такого калибратора к кп- показана на рис. 3,
где Z0 - волновое сопротивление отрезка МПЛ, который нагружен на согласованную нагрузку с сопротивлением 7н = 20.
Г(0) * 0
ГВ} = 0 Гн = 0
в,
¿н = ¿0
I -
1в,
Рис. 3. Эквивалентная схема замещения кп-
при подключении к нему согласованного микрополоскового калибратора
При подключении МПЛ к кп- в плоскостях --- возникают неоднородности, обусловленные конструктивными различиями этих узлов. В процессе измерений ККО г(0) при калибровке кп- эти неоднородности моделируются вводом вспомогательных плоскостей В1 - В1 и введением между плоскостями - - - и В- - В1 четырехполюсников с Я, -параметрами рассеяния, характеризующими указанные неоднородности. При этом плоскости - - - и В- - В[ для одинаковых значений - совмещены в пространстве, а в плоскостях В, - В, ККО ГВ0) * 0.
I í в,
По измеренным ККО Г(0) Я, -параметры рассеяния определяют следующим образом:
Я111 = Г(0); Я12- = Я21- = (1 + Я11- )\1 / 70 ; Я22- = (1 + Яи-)11 /¿0 -1; - = 1, 2,
где - волновое сопротивление кп-, равное волновому сопротивлению коаксиальных мер, используемых при калибровке ИА.
Я- -параметры (11) могут быть нормированы на произвольное волновое сопротивление ¿0 согласованного полоскового калибратора, выбранного для калибровки кп- .
С учетом Я- -параметров (11) нагрузочные ККО г^у АК в микрополосковом тракте можно определить следующим образом:
г/ = (Яп, -гн/)/(Дя, -Я22,гн/), (12)
где Д я- = Я11-Я22-- Я12-Я21-; -, у =1,2; - * у.
Метод анализа устойчивости
Предварительным этапом имитационного моделирования усилителя или автогенератора является анализ устойчивости их АК [22]. Сущность такого анализа сводится к измерению трех значений нагрузочных ККО
Г/т = 1,3 АК в режиме регенерации, который является промежуточным режимом между его режимами усиления и автогенерации, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Области неустойчивых «-» и устойчивых «+» нагрузочных ККО Гн/
Измеренные нагрузочные ККО Гу ^ позволяют определить границы О /, разделяющие комплексные плоскости входного (/ = 1)
и выходного (j = 2) нагрузочных ККО гну АК
на устойчивые (на рис. 4 отмечены знаком плюс «+») и неустойчивые (отмечены знаком минус «-») области. Координаты центров rj, фj границ Oj этих областей и их радиусы
Rj являются параметрами устойчивости.
Метод анализа устойчивости реализуется следующим образом. АК посредством входного и выходного ПСТ вводят в режим устойчивой автогенерации, выбирая его нагрузочные ККО гну так, чтобы они находились в неустойчивых областях их комплексной плоскости (знаки «-» на рис. 4, где точками j = 1, 2 отмечены их выбранные значения). При этом в каждом из ПСТ используют только один шлейф ( N = 1).
Далее при фиксированном значении выходного нагрузочного ККО гн2 = const в точке j = 2 осуществляют прогонку входного нагрузочного ККО гн1 , уменьшая, а затем увеличивая его модуль | гн1 | с вариацией фазы его фх = 0 - 2 % для каждого из выбираемых значений модуля 0 <| гн1 |< 1. Изменение модуля | гн1 | обеспечивается изменением глубины погружения емкостного шлейфа входного ПСТ, а его фазы фх - перемещением этого емкостного шлейфа по длине ПСТ.
Прогонкой входного нагрузочного ККО
гн1 находят минимальное r^ и два максимальных граничных значения его модуля Г<2), r^ (см. рис. 4), при которых наблюдается срыв автогенерации. После чего АК отключают и измеряют эти три значения нагрузочных ККО гн1 при непосредственном соединении входов кпг-; i = 1, 2 в плоскостях
i - i встык. Далее входной нагрузочный ККО гн1 возвращают в исходную точку j = 1 и осуществляют аналогичное измерение трех значений Г^, Г^ и Г® выходного нагрузочного ККО гн2.
Параметры устойчивости rj, фj и Rj -координаты центров и радиусы границ O j
неустойчивых областей «-» нагрузочных ККО гн/ - определяются решением системы
уравнений:
| Гнт} |= -у + атУ/ + Ьт?у; т = 1,3, (13)
где ат = 2|г/> и Ьт = 2|1<т) |81пф(т) -
константы, значения которых зависят от мо-
I тЧт) | 1 (т)
дуля |гн/ | и фазы фг/ измеренных нагрузочных кко гнт};
н/ '
Х/ =ЯУ- / У/=г/со8 ф/; 2з =г/81П ф/ (14)
переменные, с учетом которых определяются параметры устойчивости:
г/ ; ф/=агссо^(У//г/); Я/ =/;. (15)
Значения модуля | гн/ | нагрузочного ККО гн/, принадлежащие границам О/ в зависимости от его фазы фг/ , можно рассчитать по формуле
|Гн/|=Я/ со<ф/-фг/)-/Я2 со§2(ф/-фг/) + г/ . (16)
При необходимости может быть определен максимально достижимый диапазон перестройки частоты // генерации АК по его
входу и выходу
а// =|//2) - / |, (17)
где //2) и // - граничные частоты срыва автогенерации (см. рис. 4).
При имитационном моделировании усилителей во входном и выходном ПСТ используется по три шлейфа, что обеспечивает относительную полосу пропускания порядка 10-15 % на центральной частоте/ в пределах 4-12 ГГц. При имитационном моделировании автогенераторов в ПСТ используют по одному шлейфу. При имитационном моделировании усилителей нагрузочные ККО гн/ выбираются из устойчивой области «+», а при имитационном моделировании автогенераторов - в их неустойчивых областях «-», которые показаны на рис. 4.
Заключение
Таким образом, рассмотрена методика точного и адекватного измерения нагрузочных ККО Гну транзисторов, исключающая
необходимость трудоемкого измерения их ¿'-параметров. Кроме того, рассмотрена структурная схема ИА и конструкция ИП, реализующих эту методику.
Погрешность измерения нагрузочных ККО Гну составляет < 0,071 Г | по модулю
и < 5° по фазе без коррекции измерений и < 0,041 £ | по модулю и < 3° по фазе с коррекцией по среднему.
Эта погрешность измерения меньше суммарной погрешности измерения £-парамет-ров транзисторов, которую из-за отсутствия
активных проходных мер невозможно достоверно оценить.
Точное и адекватное измерение нагрузочных ККО Гну обеспечивает сокращение
цикла опытно-конструкторских работ не менее чем в 2 раза, так как исключает необходимость воспроизводства и технологической коррекции опытного образца этих имитируемых устройств за счет того, что в ИА им является перестраиваемый ИП. При этом воспроизводимый после проектирования образец в пределах его технологических подстроек удовлетворяет ТЗ.
Рассмотренный метод анализа устойчивости транзистора облегчает выбор его нагрузочных ККО Гну при имитационном моделировании усилителей и автогенераторов без использования £-параметров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полупроводниковые входные устройства СВЧ / под ред. В. С. Эткина. - М. : Сов. радио, 1975. -Т. 1. - 344 с.
2. User's Guide. Agilent E5061A/E5062A ENA Series RF Network Analyzers. - Agilent Technologies : Manufacturing № E5061-90050, June 2007. - 413 p.
3. Dunsmore J. P. Handbook of Microwave Component Measurements: with Advanced VNA Techniques. - Wiley, 2012. - 636 p.
4. Teppati V., Ferrero A., Sayed M. Modern RF and Microwave Measurement Techniques. - Cambridge University Press, 2013. - 476 p.
5. Коротков К. С., Левченко А. С., Мильченко Д. Н., Гатченко М. А. Особенности измерения S-параметров с помощью рефлектометров в диапазоне СВЧ // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. - 2010. - № 3. - С. 20-24.
6. Коротков К. С., Мильченко Д. Н. Особенности измерителей, использующих рефлектометры для определения S-параметров четырехполюсников СВЧ // Телекоммуникации. - 2011. - № 9. - С. 22-26.
7. Савин А. А., Губа В. Г., Быкова О. Н. Определение погрешности измерений импеданса электронных компонентов с помощью векторного анализатора цепей // Метрология. - 2014. - № 10. -С.20-29.
8. Крылов А. А., Лавричев О. В., Никулин С. М. Измерение S-параметров электронных компонентов в полосковых линиях передачи // Датчики и системы. - 2014. - № 11. - С. 34-41.
9. Измерение S22 в «горячем» режиме с импульсными сигналами на анализаторе цепей. R&SZVA
[Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.rohde-schwarz.ru/439/AN001rus_ HotS22_pulse.pdf.
10. Root D. E., Horn J., Betts L., Gillease Ch., Verspecht J. Х-параметры: новый принцип измерений, моделирования и разработки нелинейных ВЧ и СВЧ компонентов // Контрольно-измерительные приборы и системы. - 2009. - № 2. - C. 20-24.
11. Саяпин В. Ю. Описание нелинейных цепей на основе Х-параметров и методика их измерения // Доклады ТУСУР. - 2012. - № 2 (26). - Ч. 1. - С. 83-86.
12. Никулин С. М., Торгованов А. И. Измерение S-параметров нелинейных СВЧ-цепей методом пространственно удаленной переменной нагрузки // Датчики и системы. - 2014. - № 11 (186). -С.27-34.
13. Никулин С. М., Торгованов А. И. Измерение S-параметров СВЧ транзисторов при высоком уровне мощности методом пространственно удаленной нагрузки // Датчики и системы. - 2014. -№ 4 (191). - С. 14-18.
14. Никулин С. М., Торгованов А. И. Проектирование усилителей СВЧ-мощности. Эффективность метода удаленной переменной нагрузки // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2015. -№ 3 (143). - С. 148-153.
15. Савин А. А., Губа В. Г. Измерение параметров полупроводниковых приборов на пластине // Измерительная техника. - 2016. - № 7. - С. 56-61.
16. Энген Г. Ф. Успехи в области СВЧ измерений // Труды института инженеров по электронике и радиоэлектронике. - 1987. - Т. 66. - № 4. - С. 8-20.
17. Петров, В. П., Рясный Ю.В. Коммутационные многополюсные измерители параметров цепей СВЧ // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-96) : Тр. третьей международной науч.-техн. конф. - Новосибирск, 1996. - Т. 4. - С. 8-9.
18. Савелькаев С. В., Ромасько С. В., Литовченко В. А., Заржецкая Н. В. Теоретические основы построения имитатора-анализатора активных СВЧ-цепей // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 1 (33). -
C.175-188.
19. Савелькаев С. В. Теоретические основы построения имитаторов-анализаторов усилителей и автогенераторов СВЧ : монография. - СПб. : Лань, 2019. - 100 с.
20. Савелькаев С. В., Данилевич С. Б. Проектирование и контроль качества устройств СВЧ методами и средствами имитационного моделирования и измерения : монография. - Новосибирск : СГУГиТ, 2019. - 187 с.
21. Savel'kaev S. V., Danilevich S. B. (2020). Methods and Tools for Simulation and Quality Control of Design and Production of Microwave Devices. - Newcastle upon Tyne, United Kingdom Publisher: Cambridge Scholars Publishing, 283 p.
22. Литовченко В. А. Методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их S-параметров // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 1 (29). - С. 90-100.
23. Заржецкая Н. В., Литовченко В. А. Коаксиальное контактное устройство и способ его калибровки // Интерэкспо Гео-Сибирь : XV Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Наука. Оборона. Безопасность-2019» : сб. материалов (Новосибирск, 24-26 апреля 2019 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2019. - Т. 9. - С. 77-86.
24. Zhu N. H. Phase uncertainty in calibrating microwave test fixtures // IEEE Trans. - 1999. -Vol. VTT-47, № 10. - P. 1917-1922.
25. Савелькаев С. В., Литовченко В. А. Отсчетный .N-шлейфный перестраиваемый согласующий трансформатор для имитаторов-анализаторов усилителей и автогенераторов СВЧ // Вестник СГУГиТ. -2018. - Т. 23, № 1. - С. 200-213.
26. Петров В. П., Рясный Ю. В., Пальчун Ю. А., Хворостов Б. А. Оценка погрешности методик выполнения измерений // Законодательная и прикладная метрология. - 1998. - № 4. - С. 47-51.
Получено 16.09.2020
© С. В. Савелькаев, Н. А. Вихарева, Н. В. Чекотун, 2021
METHOD OF COMPLEX REFLECTION PARAMETERS MEASUREMENT OF TRANSISTOR LOADS USING A SIMULATOR-ANALYZER OF MICROWAVE AMPLIFIERS AND OSCILLATORS
Sergei V. Savelkaev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia,
D. Sc., Professor, Department of Special Devices, Innovations and Metrology, phone: (383)361-07-31, e-mail: sergei.savelkaev@yandex.ru
Nadezhda A. Vikhareva
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Special Devices, Innovations and Metrology, phone: (383)361-07-31, e-mail: milana-maria@mail.ru
Natalia V. Chekotun
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Senior Lecturer, Department of Special Devices, Innovations, and Metrology, phone: (383)361-07-31
The article considers a simulator/analyzer that provides simulation modeling of microwave amplifiers and oscillators in accordance with their technical specifications, followed by the measurement of complex load reflection coefficients of the active component of these devices for their design. It also considers a method of measurement of these parameters and a method of calibration of the simulator/analyzer providing transfer of measurement results from the coaxial measuring line of the simulator-analyzer to the microstrip line. In addition, the article considers a method for analyzing the stability of the active component in the space of complex reflection coefficients of its loads, which facilitates their selection in the simulation of amplifiers and oscillators.
Keywords: simulator/analyzer, calibration, measurement technique, complex reflection coefficient and its normalization, stability analysis method
REFERENCES
1. Etkin, V. S. (Ed.). (1975). Poluprovodnikovye vkhodnye ustroystva SVCh: T. 1 [Semiconductor input devices of microwave: Vol. 1]. Moscow: Sov. Radio Publ., 344 p. [in Russian].
2. User's Guide. Agilent E5061A/E5062A. ENA Series RF Network Analyzers. Agilent Technologies: Manufacturing No. E5061-90050, June 2007, 413 p.
3. Dunsmore, J. P. (2012). Handbook of Microwave Component Measurements: with Advanced VNA Techniques. Wiley, 636 p.
4. Teppati, V., Ferrero, A., & Sayed, M. (2013). Modern RF and Microwave Measurement Techniques. Cambridge University Press, 476 p.
5. Korotkov, K. S., Levchenko, A. S., Milchenko, D. N., & Gatchenko, M. A. (2010). Features of measuring S-parameters using reflectometers in the microwave range. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of Scientific Centers of the Black Sea Economic Cooperation], 3, 20-24 [in Russian].
6. Korotkov, K. S., & Milchenko, D. N. (2011). Features of meters using reflectometers for determining the S-parameters of four-pole microwave. Telekommunikatsii [Telecommunications], 9, 22-26 [in Russian].
7. Savin, A. A., Guba, V. G., & Bykova, O. N. (2014). Determination of the measurement error of the impedance of electronic components using a vector circuit analyzer. Metrologiya [Metrology], 10, 20-29 [in Russian].
8. Krylov, A. A., Lavrichev, O. V., & Nikulin, S. M. (2014). Measurement of S-parameters of electronic components in strip transmission lines. Datchiki i sistemy [Sensors and Systems], 11, 34-41 [in Russian].
9. Measurement in "hot" mode with pulse signals on the circuit analyzer. R&SZVA. (n. d.). Retrieved from www.rohde-schwarz.ru/439/AN001rus_ HotS22_pulse .pdf.
10. Root, D. E., Horn, J., Betts, L., Gillease, Ch., & Verspecht, J. (2009). X-parameters: a new principle of measurement, modeling and development of non-linear RF and microwave components / Control and measurement devices and systems. Agilend Technologies, 2, 20-24.
11. Sayapin, V. Yu. (2012). Description of nonlinear circuits based on X-parameters and methods of their measurement. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki [Reports of the Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics], 2-1(26), 83-86 [in Russian].
12. Nikulin, S. M., & Torgovanov, A. I. (2014). Measurement of S-parameters of nonlinear microwave circuits by the method of spatially remote Variable load. Datchiki i sistemy [Sensors and Systems], 11(186), 27-34 [in Russian].
13. Nikulin, S. M., & Torgovanov, A. I. (2014). Measurement of S-parameters of microwave transistors at a high power Level by the method of spatially remote load. Datchiki i sistemy [Sensors and Systems], 4(191), 14-18 [in Russian].
14. Nikulin, S. M., & Torgovanov, A. I. (2015). Design of microwave power amplifiers efficiency of the remote variable load method. Elektronika: Nauka, tekhnologiya, biznes [Electronics: Science, Technology, Business], 3(143), 148-153 [in Russian].
15. Savin, A. A., & Guba, V. G. (2016). Measurement of parameters of semiconductor devices on a plate. Izmeritel'naya tekhnika [Measuring Equipment], 7, 56-61 [in Russian].
16. Engen, G. F. (1987). Successes in the field of microwave measurements. Trudy instituta inzhenerov po elektronike i radioelektronike [Proceedings of the Institute of Electronics and Radioelectronics Engineers], 66(4), 8-20 [in Russian].
Вестник CTyTuT, Tom 26, № 1, 2021
17. Petrov, V. P., & Ryasny, Yu. V. (1996). Switching multipolar meters of parameters of microwave circuits. In Sbornik trudov tret'ey mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii: T. 4. Aktual'nyeprob-lemy elektronnogo priborostroeniya (APEP-96) [Proceedings of the Third International Scientific and Technical Conference: Vol. 4. Actual Problems of Electronic Instrument Making (APEP-96)] (pp. 8-9). Novosibirsk [in Russian].
18. Savel'kaev, S. V., Romas'ko, S. V., Litovchenko, V. A., & Zarzhetskaya, N. V. (2017). Theoretical bases of construction of the simulator-analyzer of active microwave circuits. Uspekhi sovremennoy radio-tekhniki [Successes of Modern Radio Engineering], 2, 50-61 [in Russian].
19. Savel'kaev, S. V. (2019). Teoreticheskie osnovypostroeniya imitatorov-analizatorov usiliteley i avto-generatorov SVCh [Theoretical bases of construction of imitators-analyzers of amplifiers and microwave autogenerators]. St. Petersburg: Lan Publ., 100 p. [in Russian].
20. Savel'kaev, S. V., & Danilevich, S. B. (2019). Proektirovanie i kontrol' kachestva ustroystv SVCh metodami i sredstvami imitatsionnogo modelirovaniya i izmereniya [Design and quality control of microwave devices by methods and means of simulation and measurement]. Novosibirsk: SSUGT Publ., 187 p. [in Russian].
21. Savel'kaev, S. V., & Danilevich, S. B. (2020). Methods and Tools for Simulation and Quality Control of Design and Production of Microwave Devices. Newcastle upon Tyne, United Kingdom Publisher: Cambridge Scholars Publishing, 283 p.
22. Litovchenko, V. A. (2014). Methods for analyzing the stability of active microwave circuits and measuring their S-parameters. VestnikSGGA [VestnikSSGA], 1(29), 90-100 [in Russian].
23. Zarzhetskaya, N. V., & Litovchenko, V. A. (2019). Coaxial contact device and its calibration method. In Sbornik materialov Interekspo GE0-Sibir'-2019: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 9. Nauka. Oborona. Bezopasnost' - 2019 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2019: International Scientific Conference: Vol. 9. Science. Defense. Security - 2019] (pp. 77-86). Novosibirsk: SSUGT Publ. [in Russian].
24. Zhu, N. H. (1999). Phase uncertainty in calibrating microwave test fixtures. IEEE Trans., VTT-47(10), 1917-1922.
25. Savel'kaev, S. V., & Litovchenko, V. A. (2018). Reference-loop tunable matching transformer for imitators-analyzers of amplifiers and microwave autogenerators. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 23(1), 200-213 [in Russian].
26. Petrov, V. P., Ryasny, Y. V., Palchun, Y. A., & Hvorostov, B. A. (1998). Estimation of the error of measurement methods. Zakonodatel'naya i prikladnaya metrologiya [Legislative and Applied Methodology], 4, 47-51 [in Russian].
Received 16.09.2020
© S. V. Savelkaev, N. A. Vikhareva, N. V. Chekotun, 2021
