Методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их S-параметров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫ

УДК 006: 621.317

МЕТОДЫ АНАЛИЗА УСТОЙЧИВОСТИ АКТИВНЫХ СВЧ-ЦЕПЕЙ И ИЗМЕРЕНИЯ ИХ S-ПАРАМЕТРОВ

Владимир Анатольевич Литовченко

НВВКУ, 630117, Россия, г. Новосибирск, ул. Иванова, 49, начальник лаборатории кафедры разведки; Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)332-50-45, e-mail: [email protected]

Предложены методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их ^-параметров при заданных эксплуатационных характеристиках. Кроме того, предложен принцип построения имитатора-анализатора усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, реализующего эти методы в составе системы автоматизированного проектирования.

Ключевые слова: устойчивость, измерение ^-параметров, имитатор-анализатор усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, система автоматизированного проектирования.

TECHNIQUES FOR ANALYSING ACTIVE SHF-CIRCUITS STABILITY AND THEIR S-PARAMETERS MEASUREMENT

Vladimir A. Litovchenko

Novosibirsk Military Command Academy, 630117, Russia, Novosibirsk, 49 Ivanova St., Head of laboratory of exploration; Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., the post-graduate student of the Department of metrology and technology of optical production, tel. (383)332-50-45, e-mail: [email protected]

Techniques for analyzing active microwave circuits stability and their S-parameters measurement at set operating characteristics of these circuits are offered. They provide adequate measurement of their S-parameters. The principle of constructing simulator-analyzer for self-oscillating SHF-amplifier is offered. It is to realize these techniques in CAD (computer-aided design) system.

Key words: stability, ^-parameters measurement, simulator-analyzer for self-oscillating SHF-amplifier, CAD (computer-aided design) system.

Суть проблемы. Экономическая эффективность современных систем автоматизированного проектирования (САПР) и, следовательно, производства усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, которые повсеместно применяются в телекоммуникационных системах связи, определяется точностью

90

Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы

и адекватностью измерения исходных для проектирования S-параметров активных компонентов этих устройств.

Решению проблемы точного измерения S-параметров активных компонентов посвящены работы [1-4]. В этих работах предложен принцип построения двухсигнального анализатора СВЧ-цепей (АЦ) [1] и способ его калибровки [2], обеспечивающий высокую точность измерения S-параметров активных компонентов в широком динамическом и частотном диапазонах. Кроме того, в этих работах предложена конструкция коаксиального контактного устройства (ККУ) [3] и способ его калибровки [4], обеспечивающий перенос результатов калибровки АЦ коаксиальными мерами на измерение ^-параметров полосковых компонентов. Точность измерения ^-параметров активных компонентов составила |AS| < 0,11S\ по модулю и Аф^ < 100 по фазе.

Проблема адекватного измерения S-параметров активных компонентов вызвана тем, что S = S(Q) - параметры этих компонентов зависят от их режима работы, который определяется их Q - эксплуатационными характеристиками

(d., d. (d., d.

Q = {um> f ' ,P ' >dv', j = 1,2,i * j}, (1)

(di , di

такими как напряжение питания UП-, частота усиления или генерации f J ,

(d',d j

входная мощность J и d-параметры, имеющие физический смысл ККО

dj нагрузок этих компонентов (нагрузочных ККО), задающих их режим усиления или генерации как усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства в целом.

Множеству возможных значений Q-эксплуатационных характеристик (1) активного компонента соответствует множество значений его S-параметров в режиме усиления или генерации. Это требует введения в рассмотрение понятия адекватного измерения S-параметров активного компонента как измерения

S-параметров этого компонента при его заданных Q-эксплуатационных характеристиках (1), выбранных из условия удовлетворения QytA - технических характеристик имитируемого АЦ усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства формату Qy,AT3 его технического задания (ТЗ).

Для решения проблемы адекватного измерения S-параметров активных компонентов в статье предложен метод анализа устойчивости [5] этих компонентов, определяющий границы Oj областей устойчивых и неустойчивых нагрузочных ККО dj на их комплексной плоскости, что существенно облегчает выбор этих компонентов для усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, а также метод измерения S-параметров этих компонентов [6, 7] при их заданных Q-эксплуатационных характеристиках (1). Кроме того, предложен принцип

91

Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015

построения имитатора-анализатора усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств (имитационного АЦ (ИАЦ)) [6, 7], реализующего эти методы в составе САПР.

Метод анализа устойчивости. Предварительным этапом измерения 5-параметров активного компонента является анализ его устойчивости [5]. Сущность такого анализа сводится к измерению трех m = 1, 2, 3 значений нагрузочных

ККО dJ этого компонента в режиме регенерации, который является промежуточным режимом между его режимами усиления и генерации. Измеренные нагрузочные ККО d(m позволяют определить границы O:, разделяющие ком-

J J

плексные плоскости входного J = 1 и выходного J = 2 нагрузочных ККО dJ этого компонента на устойчивые и неустойчивые области, как показано на рис. 1, где знаком + dj отмечены устойчивые, а знаком -dJ - неустойчивые области;

rJ, фj и RJ - координаты центра и радиусы границ OJ этих областей (параметры устойчивости).

Рис. 1. Области неустойчивых -dJ и устойчивых + dJ нагрузочных ККО d J

При необходимости может быть определен максимально достижимый диапазон

f = \f(2 - /(3i

(2)

92

Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы

Jdi , dj

перестройки частоты j J генерации активного компонента по его входу

А 2 А 3 1

и выходу, где jj и jj - граничные частоты генерации, как показано на рис. 1. Метод измерения S-параметров. Сигнальный граф нагруженного активного

компонента показан на рис. 2, где ai, a, и Ь:, Ь, - падающие и отраженные

.

волны в линиях передач и в плоскостях i - i входов этого компонента; Гi и Ту -

ККО и комплексные коэффициенты передачи (ККП) в этих же плоскостях i - i' входов этого компонента.

Рис. 2. Сигнальный граф нагруженного активного компонента

Сигнальный граф, показанный на рис. 2, устанавливает связь измеряемых ККО Г: и ККП Ту активного компонента с его ^-параметрами уравнениями [6, 7]:

!

Ь.

■ (3)

Ь

ri = 4

а.

i

— S.. + S..G

л ii ij j а. * 0,а . = 0 J J

i j

Ь.

T.. =-L-У

a .

j

a * — 0, a * ^ 0 i j

— Sy f(l - Гjdj ); i, j = 1, 2, i * j,

где Gj - относительная амплитуда

a . S ..d .

G. —j = —1LJ_

j a i-s..d

ai jj j

a. * 0,a ■ — 0 i j

(4)

93

Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015

выраженная через падающие волны:

(5)

Sij -параметры активного компонента можно определить из (3)

У

Sij = ТУ(1 - Г jdj); *’7' = 1,2i Ф d

У У

(6)

Для определения Sjj -параметров из (3) была сформирована следующая

и

система уравнений:

где a ii — а 22 — а 31 — 1, а 12 — Г1d2, а 21 — Г2d 1, а 32 — (Т21 — S2i)d2 /Т2id 1, а 13 — а33 — -d2 и а23 — -d1 - коэффициенты при неизвестных x1 — S11, x2 — S22, X3 — As — S11S22 - S12S21; с1 = Г1, с2 = Г2 и сз — (Т21 - S21)IT21d 1 - свободные чле-

ны.

Решение системы уравнений (7) позволяет определить S^ - параметры

где A i и А - определители.

Таким образом, предлагаемый метод измерения S-параметров активного компонента сводится к измерению Г, Т и d-параметров этого компонента с последующим определением его S-параметров из (6)-(8).

Структурная схема ИАЦ и его взаимодействие с САПР. Предлагаемые методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их S-параметров могут быть реализованы ИАЦ [6], структурная схема которого показана на рис. 3. Он содержит синтезатор 1, блок обработки и программного управления 2, измерительный преобразователь (ИП) 3 и детекторы 4.

Синтезатор 1 вырабатывает напряжения питания U ^ активного компонента 14, например, транзистора, имитируемого ИАЦ усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства, а также зондирующие а^ и опорные а0 сигналы. Кроме того, он измеряет QУА - технические характеристики этого СВЧ-устройства, такие как токи Ii потребления, напряжения питания U, входная

и выходная мощности Рвх, вых и рабочая частота f посредством измерителя токов и напряжений 5, измерителя мощности 6 и частотомера 7.

Блок обработки и программного управления 2 осуществляет преобразование формата

ап Х1 + а12 Х2 + а13 Х3 = с.; i = 1, 2, 3,

(7)

Sii = А , /А; i = 1, 2,

(8)

94

Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы

Yy,А - {Qy, А,

б**}

(9)

управления ИАЦ, математически модулируемого САПР, в его внутренние команды управления у ь у2 и у3, где Qy А и Q - математически моделируемые

САПР: QyA -технические и Q ** -эксплуатационные характеристики имитируемого ИАЦ усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства и его активного компонента 14.

Рис. 3. Структурная схема ИАЦ

Кроме того, этот блок осуществляет преобразование измеренных Q* А -технических характеристик имитируемого ИАЦ усилительного или автогенераторного устройства в измеренные Q -эксплуатационные характеристики его актив-

95

Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015

* *

ного компонента, а также преобразование измеренных мощностей P= U-qk

в измеренные Г*, Т* и ^-параметры этого компонента с последующим определением его S -параметров (6)-(8) и формированием формата

X

У, a = {Qy, A ,Q ,Г ,Т ,d ,S , rj , tyj , Rj }•

(10)

измерения ИАЦ.

ИП 3 выполнен в виде самостоятельного функционального узла [6], который совместно с синтезатором 1 посредством команд управления y 1, у2 и у3 ИАЦ обеспечивает имитационное моделирование усилительных и автогенераторных устройств, задавая Q-эксплуатационные характеристики (1) их активного компонента 14. Для реализации этой функции ИП 3 содержит фильтры 11 напряжений UП- питания активного компонента 14, перестраиваемые согласующие трансформаторы (ПСТ) 12, задающие его нагрузочные ККО d j. Кроме

того, ИП 3 содержит направленные мосты (НМ) 13, осуществляющие физическое преобразование измеряемых ККО Г j ККП Т j и нагрузочных ККО dj ак-

тивного компонента в измеренные мощности

P

*

ikq'

»

К измерительным входам n- - n- НМ 13 подключены коаксиальные пере-

ходы (КП) ККУ [3], обеспечивающие подключение к ИАЦ активного компонента 14.

В случае когда измеренные Qj, А -технические характеристики (10) имитируемого усилительного или автогенераторного устройства удовлетворяют формату QXM3 его ТЗ, не превышая предельно допустимую ошибку I Ql,а - Qy,атз | У 5

имитационного моделирования, ИАЦ осуществляет измерение Г, Т и d-параметров активного компонента 14 этих имитируемых СВЧ-устройств. Измерительное уравнение ИАЦ имеет вид [1]

Pikq = Eiq [1+1 Pq |2 +2 1 Pq 1 cos(Pp + Pk )]’k =1 23 (11)

0

где tyjk - k-й дискретный сдвиг фазы ф° опорного сигнала а0 относительно

фазы tyj зондирующего сигнала а-

tyik

+Z©

k

ik;

(12)

96

Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы

&ik = Ф7- -ф% - начальная фаза 0^и фазовый сдвиг 0Ь И, характери-

i2,i3

зующий k = 2, 3 дискретное приращение фазы ф% опорного сигнала а% относительно фазы ф ■ зондирующего сигнала а ■ ; | р. | и ф. - модуль и фаза эк-

i I i р

вивалентного ККО

1 + Г

р = C __________12 I- х

Рщ i11 + С в Г

(13)

измеряемого ККО Г.; Сц С■^ и С.з - комплексные константы НМ 13; х.

iq

относительная амплитуда

% % а. /20

xiq =| ai/ aiq |=| ai / ai 110 ^

(14)

0

зондирующего а^ и опорного а^ сигналов на q-м поддиапазоне измерения ККО Г; | а, /а% | - неизвестное начальное отношение амплитуд зондирующего а-

0

и опорного аi сигналов, подлежащее исключению при калибровке ИАЦ;

0/0

0

0

aiq = -20 log | а^ / q. | - ослабление амплитуды | | опорного сигнала q. на

nq

iq

q-м поддиапазоне измерения; Eiq - амплитудный коэффициент, зависящий от мощности piq =| а0 |2 /2 опорного сигнала а0 на q-м поддиапазоне измерения. По измеренному эквивалентному ККО р.^ (13) значения измеренных ККО

Гi и dj можно определить из формулы

г ^ = Gnxiq рiq

i , j GEp. -G.~x.

i3viq i2 iq

(15)

где p^ = р^ / p^ и р.1 - нормированный эквивалентный ККО измеряемого

ККО Гi и нормирующий эквивалентный ККО, измеренный при калибровке ИАЦ короткозамкнутой коаксиальной мерой с ККО Г; = W4 = -1 на q = 1

97

Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015

поддиапазоне измерения; ~- нормированная относительная амплитуда [8-

10]

х.

гд

Щ / Хг1 =10

(|агд -“я)/20.

(16)

~г1 и a.i - относительная амплитуда (14) и начальное ослабление амплитуды | а01

опорного сигнала а0 на q =1 поддиапазоне измерения; Gi = [(1 -Cр/ (1 -C2)],

G2 = C2[(1 - C3)/ (1 - C2)] и G3 = C3 - нормированные комплексные константы

НМ 13, подлежащие определению при калибровке ИАЦ.

Измеренный ККП Т.. был определен в виде

J

ь.

T.. = -L

У

а . J

а. = 0, а ■ Ф 0 . J

р.. / (1 - dd)х.. , ^ijq v 1 2’ цд’

гуд

(17)

где ьг =Рудаг 1°

п -а. /20 О1 ^ гд

комплексная амплитуда зондирующего сигна-

ла ау, прошедшего к плоскости г — г входа активного компонента, выражен, 0 ' 0 -а- /20

ная через эквивалентный ККП руд = Ьг / а0q = Ьг /[а010 гд ], измеряемый при включении активного компонента в ККУ; а

0 -а .л /20 -■ = Ргу!10 г1 -

квивалентный ККП

0 -а.120

] = а у /[аги 10 г (1 - d^)], измеряемый при непо-

зондирующий сигнал, выраженный через м а -а ,л /20 Р J1 = VK10 г

I I

средственном соединении плоскостей г —г и J—J входов КП ККУ;

I»

Ьг = а у /(1 - 2) - комплексная амплитуда зондирующего сигнала а у, про-

I I

шедшего к плоскости г — г при непосредственном соединении плоскостей г — г и у — у входов КП ККУ; р уд =руд / р у - нормированный эквивалентный

ККП; ~г- - нормированная относительная амплитуда, получаемая из (14) Уд

и (16) при замене зондирующего сигнала аг на а ..

г J

98

Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы

В таблице приведен тест зондирующих и аj опорных а0 сигналов при измерении Г, Т и ^-параметров активного компонента в его режиме усиления и генерации.

Режим усиления активного компонента задается входным непрерывным зондирующим сигналом а^. При этом измерение ККО Г2 и ККП этого

компонента осуществляется методом выделения амплитудно-модулированных зондирующих и опорных сигналов а2, а2 и а2, а0, что обеспечивает их селекцию от его входного непрерывного зондирующего сигналов а^. В режиме генерации измерение всех ККО Гj и ККП Тj осуществляется методом выделения амплитудно-модулированных зондирующих и опорных сигналов аj и а0,

I

что обеспечивает их селекцию от его собственного выходного сигнала b 2. Амплитуда | а21 зондирующего сигнала а2 в режиме усиления и амплитуды | а^ | и | а21 зондирующих сигналов а^ и а2 в режиме генерации выбираются из условия их минимального влияния на эти режимы.

Таблица

Сигнал Режим усиления

Г1 Г 2 Т12 Т21

Непрерывный Модулированный а 1, а 0 а 1 „ 0 а 2, а2 а 1 а 2, а0 а 1, а 2

Режим генерации

Г1 Г 2 Т12 Т21

Модулированный а1, а0 а 2, а2 а 2, а0 а 1, а0

Измеренные Г*, Т* и ^-параметры активного компонента и определенные

из (6)-(8) его S -параметры, включая и параметры устойчивости rj, ф j и Rj,

передаются в САПР (10) для проектирования усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства.

Предложенные методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и адекватного измерения их S-параметров, а также принцип построения ИАЦ, реализующего эти методы, обеспечивают повышение экономической эффективности САПР усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, поскольку позволяют сократить цикл опытно-конструкторских работ (ОКР) в 2-3 раза. Сокращение цикла ОКР достигается тем, что ИАЦ имитирует опытный образец проектируе-

99

Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015

мого САПР усилительного или автогенераторного СВЧ-устройства, что исключает необходимость его многократной технологической коррекции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Савелькаев С. В. Теоретические основы построения адаптивных цифровых анализаторов СВЧ-цепей // Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1991. - Вып. 9. - С. 34-39.

2. А.с. 1830564 СССР, G 01 R 27/28. Способ калибровки двухсигнального анализатора СВЧ-цепей/ С. В. Савелькаев / Опубл. Бюл. № 28 // Открытия. Изобретения. - 1993. - № 28.

3. Савелькаев С. В. Коаксиальное контактное устройство // Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1991. - Вып. 6. - С. 30-33.

4. А.с. 1682942 СССР, G 01 R 27/28. Держатель транзисторов в устройствах для измерения электрических параметров / В. П. Петров, С. В. Савелькаев, А. В. Борисов. - Опубл. Бюл. № 37 // Открытия. Изобретения. - 1991. - № 37.

5. А.с. 1774286 СССР, G 01 R 27/28. Способ калибровки коаксиального контактного устройства / С. В. Савелькаев. - Опубл. Бюл. № 41 // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 41.

6. А.с. 1758595 СССР, G 01 R 27/28. Способ анализа устойчивости активного СВЧ-четырехполюсника / В. П. Петров, С. В. Савелькаев. - Опубл. Бюл. № 32 // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 32.

7. Савелькаев С. В., Устюгов М. Б. К вопросу повышения эффективности систем автоматизированного проектирования усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств // Вестник СГГА. - 2004. - Вып. 9. - С. 128-130.

8. 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.

9. Савелькаев С. В. Двухсигнальный метод измерения S-параметров активных СВЧ-цепей в режиме большого сигнала // Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1991. -Вып. 5. - С. 30-32.

10. Петров В. П., Савелькаев С. В. Двухсигнальный метод измерения ^-параметров транзисторов в режиме большого сигнала // Тр. первой IEEE-Российской конференции «Микроволновая электроника больших мощностей: измерения, идентификация, применение», сент., Новосибирск, НГТУ, 1997. - Новосибирск: НГТУ, 1997. - С. 60-62.

Получено 03.02.2015

© В. А. Литовченко, 2015

100