Теоретические основы построения имитатора-анализатора активных СВЧ-цепей

Сергей Викторович Савелькаев; Владимир Анатольевич Литовченко; Светлана Владимировна Ромасько; Наталья Викторовна Заржецкая

МЕТРОЛОГИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

УДК 621. 317. 744

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИМИТАТОРА-АНАЛИЗАТОРА АКТИВНЫХ СВЧ-ЦЕПЕЙ

Сергей Викторович Савелькаев

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, тел. (383)361-07-31, e-mail: sergei.savelkaev@yandex.ru

Владимир Анатольевич Литовченко

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (923)100-89-86, e-mail: litovchienko.vladimir@mail.ru

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 теханологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, старший преподаватель, тел. (383)361-07-31

Необходимость передачи неуклонно растущих информационных потоков, создания современных устройств в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) и радиотехнических средств различного назначения (радиолокация, радионавигация, управление, быт), освоения новых частотных диапазонов остро обозначила проблему обеспечения на государственном уровне единства измерений параметров радиоцепей в коаксиальных трактах в диапазоне СВЧ и передачи их результатов измерения в микрополосковый тракт.

В настоящее время одной из важных задач в области метрологического обеспечения единства измерений является разработка и исследование методов и прецизионных средств измерения ¿'-параметров активных СВЧ-цепей, предназначенных для проектирования усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, которое осуществляется в пространстве измеренных ¿-параметров активного компонента этих устройств, например, транзистора. Недостаток такого подхода состоит в том, что ¿-параметры активного компонента измеряются в согласованном измерительном тракте, где режим работы активного компонента далек от его реального режима работы в усилительном или автогенераторном устройстве. Это приводит к неадекватному измерению ¿-параметров и, следовательно, к низкой экономической эффективности проектирования усилительных и автогенераторных устройств из-за необходимости многократной технологической коррекции их опытного образца.

В статье предложен принцип построения имитатора-анализатора активных СВЧ-цепей, обеспечивающего имитационное моделирование усилительных и автогенераторных СВЧ-

устройств, с последующим измерением комплексных коэффициентов отражения нагрузок их активного компонента в его реальном режиме работы, когда имитируемое усилительное или автогенераторное устройство по техническим характеристикам строго удовлетворяет техническому заданию. Измерение комплексных коэффициентов отражения нагрузок активного компонента обеспечивает последующее эффективное проектирование усилительных и автогенераторных устройств и исключает необходимость измерения ¿'-параметров. Кроме того, выписана математическая модель имитатора-анализатора и математическая модель его калибровки, а также рассмотрен метод анализа устойчивости нагруженных активных СВЧ-цепей в пространстве комплексных коэффициентов отражения их нагрузок, облегчающий выбор нагрузок при имитационном моделировании усилительных и автогенераторных устройств.

Ключевые слова: имитатор-анализатор активных СВЧ-цепей, математическая модель, калибровка, метод анализа устойчивости нагруженных активных СВЧ-цепей, комплексные коэффициенты отражения их нагрузок.

THEORETICAL BASIS OF BUILDING SIMULATOR-ANALYZER OF ACTIVE MICROWAVE CIRCUITS

Sergei V. Savelkaev

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor, tel. (383)361-07-31, e-mail: sergei.savelkaev@yandex.ru

Vladimir A. Litovchenko

Siberian State University of Geosy stems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Postgraduate, tel. (923)100-89-86, e-mail: litovchienko.vladimir@mail.ru

Svetlana V. Romasko

Siberian State University of Geosy stems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Graduate Student, Assistant, tel. (383)361-07-45

Natalia V. Zarzhetsky

Siberian State University of Geosy stems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Postgraduate, Senior Lecturer, tel. (383)361-07-31

The need to transmit steadily growing flow of information, the creation of modern devices in the range of ultrahigh frequency (UHF) and radio equipment for different purposes (radar, radio navigation, control, life), the development of new frequency bands sharply marked to ensure problem at the state level, the uniformity of measurements radio circuits parameters in coaxial paths in the range of microwave and ne-transmission of measurement results in a micro-stripline tract.

Currently, one of the important tasks in the field of metrological assurance of measurement is the development and research of methods and precision measuring instruments S-parameters of active microwave - circuits intended for the design of Wuxi-inflammatory and Autogenerating microwave devices, which is carried out in the space of sured S -parameters active component of these devices, such as transistors.The disadvantage of this approach is that S-parameters of the active component are measured in a consistent measuring tract where the operation mode of the active component is far from its real mode of operation of the amplifying or generating device. This leads to not adequate to measure S-parameters and, consequently, low economic efficiency design amplifier and generator devices because of the need for multiple technological correction of the test sample.

In the article the principle of construction of the simulator-analyzer of active microwave circuits, providing a simulation of amplifying and generating microwave devices, followed by measuring complex reflection coefficients of the loads by their active component in its real operation, when the simulated amplification or generator unit technical characteristics strictly meets the technical specification. The measurement of complex reflection coefficients of the loads of the active component further provides the efficient design of amplifier and generator devices and eliminates the need to measure S-parameters. Furthermore, the prescribed mathematical model of simulator-analyzer mathematical model and its calibration, and the method of analysis of stability of the loaded active microwave circuits in the space of complex reflection coefficients with their loads, facilitate the choice of loads in a simulation amplifier and generator devices.

Key words: simulator-analyzer of active microwave circuits, mathematical model, calibration, method of analysis of stability of the loaded active microwave circuits, complex reflection coefficients of their loads.

Суть проблемы. В настоящее время расчет усилителей и автогенераторов СВЧ обычно осуществляют в пространстве измеренных [1-8] или рассчитанных [9-16] ^-параметров активного компонента (АК) этих устройств, например, транзистора. ^-параметры позволяют осуществить анализ устойчивости АК [1, 6, 17], что облегчает выбор требуемого АК для реализации усилителя или автогенератора. Кроме того, ^-параметры позволяют рассчитать комплексные коэффициенты отражения (ККО) Гу нагрузок АК (нагрузочные

ККО Г у ), обеспечивающие требуемые: полосу пропускания Af усилителя,

частоту генерации f автогенератора, их выходную мощность Рвых, а также

последующий расчет топологий согласующих цепей (СЦ) при проектировании этих устройств.

Существенный недостаток расчета усилителей и автогенераторов в пространстве ^-параметров состоит в том, что ^-параметры активного компонента измеряются в согласованном измерительном тракте, где режим работы активного компонента далек от его реального режима работы в усилительном или автогенераторном устройстве. Это приводит к неадекватному измерению ^-параметров и, следовательно, к низкой экономической эффективности проектирования усилительных и автогенераторных устройств из-за необходимости многократной технологической коррекции их опытного образца.

В статье предложен принцип построения имитатора-анализатора активных СВЧ-цепей (ИАЦ), обеспечивающего имитационное моделирование усилителей и автогенераторов в соответствии с их техническим заданием (ТЗ), с последующим измерением нагрузочных ККО Г у их АК. Выписана математическая

модель такого ИАЦ, а также математическая модель его калибровки. Кроме того, рассмотрен метод анализа устойчивости нагруженных активных СВЧ-цепей в пространстве их нагрузочных ККО Г у, облегчающий выбор этих ККО Г у при

имитационном моделировании усилителей и автогенераторов.

Математическая модель ИАЦ. Структурная схема измерительного преобразователя (ИП) [2] ИАЦ показана на рис. 1. Он содержит коаксиальное кон-

тактное устройство (ККУ) [18-21], к каждому из двух (г = 1, 2) коаксиальных переходов которого подключен измерительный 2п-полюсник, нагруженный на перестраиваемый согласующий трансформатор (ПСТ) с Nш = 3 емкостными шлейфами. Исследуемая активная СВЧ-цепь, например, АК в виде транзистора, подключена в плоскостях i - i измерительных входов коаксиальных переходов (КП).

Рис. 1. Структурная схема ИП ИАЦ

Комплексная амплитуда сигнала Ьк, на выходном плече г-го 2п-полюсника может быть определена, как в [3, 4]

ь А + ВцГу а Аг 2 + Вг 2Гу (1)

гкд 1 + с 1 1 + с1 у }

где аг и а^, - г'-й опорный и зондирующий сигналы; А'т, В'т и Сг (г, т = 1, 2) -эквивалентные комплексные константы г'-го 2п-полюсника; Гу - нагрузочные

ККО исследуемой активной СВЧ-цепи, измеряемые при непосредственном соединении плоскостей г - г (г,] = 1, 2; г Ф у) измерительных входов КП встык. Ее входные нагрузочные ККО Г у (у = 1) и выходные Г у (у = 2) задаются посредством ПСТ, как показано на рис. 1.

Из выражения (1) можно получить измерительное уравнение

1,=чжр.г+.р,:..^ )>. =ик,/2, (2)

где Р'к, - мощность, которая в случае квадратичного детектирования определена напряжением и ¡к,, измеряемым на выходном плече г'-го 2п-полюсника;

д = 1, 2,.., N и к = 1, 2, 3 - индексы состояний амплитуды | а° | и фазы ф°к опорного сигнала а°д, первый из которых определяет поддиапазон д измерения нагрузочного ККО Г у, а второй - текущий к-й сдвиг

фк=±^>к (3) к

фазы фг°к опорного сигнала относительно фазы ф, зондирующего сигнала аI; 0,к = ф, -фг°к - при к = 2, 3 дискретное приращение 0, 0,3 фазы фг°к опорного сигнала относительно фазы ф, зондирующего сигнала а,; | руд | и ф /р - модуль и фаза эквивалентного ККО

'}р

= 1 + С 2 г у

руд = С/1 1 + 3г , (4)

измеряемого нагрузочного ККО Гу; Са = (/ ^ 2)А, ехр у0п, С,2 = В^/ ^ и С|з = В^2 / 2 - приведенные комплексные константы 1-го 2и-полюсника; А = | а, / а° | и 0,к = ф, - фг°к - при к = 1 неизвестные начальное отношение амплитуд и начальный сдвиг фазы ф°к опорного сигнала а°д относительно фазы ф, зондирующего сигнала а,, подлежащие исключению при калибровке ИАЦ; х/д - относительная амплитуда

=| а, / а° |= А • 1° щ (5)

зондирующего а и опорного а°кд сигналов на д-м поддиапазоне измерения нагрузочного ККО Г у, задающая посредством модуля | р уд | эквивалентного ККО руд (4) динамический диапазон

1+ | р уд |2 +2| р уд К., Рт

а. /2°

А,=1°ь ■■уд 2 я\=1°1вР^; I,у = 1, 2; ^ у (6)

1+ | руд | -2 | руд | Рш1и

стоячей волны мощности с ее минимумом и максимумом Рш,п шях ; а, - ослаб-

11д I и ^ШПйЛа и,кд на д-м подд

ление амплитуды | а°д | опорного сигнала а°кд на д-м поддиапазоне измерения;

Ejq - амплитудный коэффициент, зависящий от мощности Piq =| aiq | / 2 опорного сигнала a0q.

Измерительное уравнение (2) было преобразовано в систему измерительных уравнений вида

Xi1 + aik2Xi2 + aik3Xi3 = aikq4 ; k = 1 2, 3, (7)

где aikq4 = Pikq, aik2 = 2c0S Ф/k, aik3 = -2sin Ф/k.

Решение системы уравнений (7) относительно переменных Xjk для k = 1, 2, 3 мощностей Pikq при q = const позволяет определить модуль | рjq | и фазу фJp эквивалентного ККО рjq (4) измеряемого нагрузочного ККО Гj как:

| Р jq |=1/ 2Pi ±41/4Р? - 1 , Ф jp = arCtg( Xi3 / Xi 2) ,

_ (8)

Pi ^V(Xi2/Xii)7+(Xi3^Xii7; к J = 1, 2; i * j .

По эквивалентному ККО pjq (8) значения измеренных нагрузочных ККО Г j активной СВЧ-цепи можно определить из формулы

Gi iX iq riq Gi3piq - Gi2^Ciq

rj = ^ i: iq ; i, J = 1, 2; i * j , (9)

где Ру, = Ру, / рг14 и рг14 - нормированный эквивалентный ККО измеряемого

нагрузочного ККО Г у и нормирующий эквивалентный ККО, измеренный при

калибровке ИАЦ короткозамкнутой коаксиальной мерой с ККО Г у = Ж4 = -1,

подключаемой к плоскости г - г измерительного входа КП на , = 1 поддиапазоне; X/, - нормированная относительная амплитуда

X,=X, / X* = 10(а*-а")/20 (10)

на ,-м поддиапазоне; Хл и аг1 - начальная относительная амплитуда (5) и начальное ослабление амплитуды | а0 | опорного сигнала а°, на , = 1 поддиапазоне; Ок = [(1 - Сл)/(1 - С2)], ^2 = Сг2[(1 - С;3)/(1 - Сх2)] и ^ = С/3 - нормированные комплексные параметры г-го 2п-полюсника, подлежащие определению при калибровке ИАЦ.

В случае, когда в (1°) ослабление а,д амплитуды | а°д | опорного сигна-

°

ла а,кд неизвестно нормированную относительную амплитуду х 1д на д-м поддиапазоне, входящую в (9), можно определить из формулы

(11)

Х 1д

1 + ^д

'щд

О"1 + О 2^д

где р гдд = рг дд / рг14 - нормированное значение эквивалентного ККО рг дд, измеряемого при калибровке ИАЦ коаксиальной мерой с ККО Г, = Жд , подключаемой к плоскости г - г измерительного входа КП на д-м поддиапазоне измерения.

Количество поддиапазонов д = 1, 2,.., N измерения нагрузочных ККО Г у

с модулем ° <| Г у |< 1 для каждого г-го 2п-полюсника выбирается так, чтобы на

каждом д-м поддиапазоне выполнялось двухстороннее амплитудное ограничение Аш^п < А < Ашах (безусловная адаптация ИАЦ) [3, 4]. Кроме того, согласно

[3, 4], дискретное приращение 0,2,0г3 фазы ф°к опорного сигнала а^кд должно удовлетворять фазовому условию 0,2,0,3 =0°. При одновременном выполнении

двухстороннего ограничения Аш^п <А<Ашах и фазового условия 0,2,0,3 =0° суммарная погрешность Аг измерения нагрузочного ККО Гу с модулем ° < | Г у | < 1 не превышает предела ее допуска А г < [А г ] [3, 4], где А ш^п = 6 дБ,

Ашах = 14 дБ, 0° =±2л /3 и [| Аг |] = °,°5| Г | и [фг] = 5° - предельно допустимые значения динамического диапазона А, (6) и оптимальное дискретное приращение для 0, 2,0;3 и предел допуска на суммарную погрешность А г измерения нагрузочного ККО Г у .

Режим безусловной адаптации ИАЦ, которому в (8) соответствует знак «плюс», реализуется при | а° |<| а, |. Если же | а° |>| а, |, реализуется режим

адаптации ИАЦ сверху в виде одностороннего амплитудного ограничения А < Ашах [3, 4]. Этому режиму в (8) соответствует знак «минус». Недостатком этого режима является то, что предельная суммарная погрешность измерения нагрузочного ККО Г у при его модуле | Г у |< °,3 превышает предел ее допуска

А г > [А г ].

Выражения (2), (7)—(11) представляют собой математическую модель ИАЦ, которая позволяет определить измеренные нагрузочные ККО Г у исследуемой активной СВЧ-цепи.

Калибровка ИАЦ Возможность подключения КП 1 ККУ [18-21] стандартных коаксиальных мер 2, как показано на рис. 2, позволяет осуществить калибровку ИАЦ относительно плоскостей I - I измерительных входов КП, которые одновременно являются плоскостями подключения исследуемой полос-ковой СВЧ-цепи, которая подключается посредством цанги 3.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 2. Калибровка ИАЦ

Для определения комплексных параметров G^, Gj 2 и Gj 3, входящих в выражение (9), необходимо осуществить m = 1, 2, ..., 4 измерений напряжений Ujkqm (2) на выходном плече i-го 2п-полюсника при подключении к плоскости j - j входа КП стандартной подвижной короткозамкнутой меры для m = 1, 2, ..., 4 различных фиксированных значений ее фазы [22]

фт = 2ß/m ±Я , (12)

где ß = 2л /X и /m <X /4 - фазовая постоянная и фазовая переменная шкалы этой меры, последняя из которых при m = 4 принимает значение /4 = 0, для которого W4 = -1; X - длина волны.

Измерение напряжений Ujkqm (2) и определение эквивалентного ККО pjqm

(8) необходимо осуществлять на q = 1 поддиапазоне. При этом начальное ослабление aj1 относительной амплитуды Хл (10) и фазовый сдвиг 0j 2j 3 должны

быть выбраны так, чтобы динамический диапазон Aj (6) и фазовый сдвиг удовлетворяли амплитудному Aj = A 0 и фазовому 0j 2 j3 = 90 условиям, что обеспечивает минимум минимума погрешности AWm = min min AWm = min min АГ

Г j

измерения ККО Г = Wm и, следовательно, минимум минимума погрешности AGj = min min Gj последующего определения эквивалентных комплексных

параметров G-. (9) i-го 2п-полюсника.

Так как для поддиапазона q =1 нормированная амплитудная метрика Xiq = 1 (10), выражение (9) при Г/ = Wm было преобразовано к виду

Gi1 + aim2Gi2 + aim3Gi3 = aim4 , m = 1, 2 3, (13)

где aim2 = -Wm; aim3 = —i1mWm; aim4 = Pi1m и Pi1m = Pi1m / Pi14 и P/14 - нормированный эквивалентный ККО измеряемого ККО г/ = Wm подвижной коротко-

замкнутой меры, подключаемой в плоскости i - i измерительных входов КП в m = 1, 2, 3 состояниях ее фазы 9m (12) и нормирующий эквивалентный ККО измеряемого ККО Г = W4 = -1 этой меры при m = 4.

Решение системы уравнений (13) позволяет определить комплексные параметры Gi1 = Dn / D, Gi2 = Di2 / D и Gi3 = Di3 / D (9) i-го 2п-полюсника, где Df\, Dj2, Di3 и D - определители.

Для определения нормированной относительной амплитуды хiq (11) на

q-м поддиапазоне измерения необходимо осуществить измерение напряжений U (2) на выходном плече i-го 2п-полюсника при подключении в плоскости i - i

ikqq

измерительного входа КП 1 меры с модулем ККО | Wq | = {1; 0,8; 0,5; 0,33; 0,18},

как показано на рис. 2, с последующим определением эквивалентного ККО Piqq (8) измеряемого ККО Wq. При этом ослабление aiq относительной амплитуды Xiq (5) на q-м поддиапазоне должно быть выбрано так, чтобы динамический диапазон А ^ (6) эквивалентного ККО Piqq измеряемого ККО Wq составлял Ai = А0 при Qi2 i3 = 00, что обеспечивает минимум минимума погрешности AWq = min min AWq = min min А^ его измерения.

Уравнение (2) совместно с системой уравнений (13) представляет собой математическую модель калибровки ИАЦ, позволяющую определить комплексные параметры G^, Gi2 и Gi3 (9) его i-го 2п-полюсника и нормированную относительную амплитуду хiq (11) на q = 1, 2, ..., N поддиапазонах измерения ККО Гi, где согласно [3, 4] для обеспечения Аг < [Аг ] было выбрано N = 5.

Для переноса нагрузочных ККО Г j, измеренных в коаксиальном тракте

в микрополосковый тракт, в котором в последующем будет осуществлено проектирование усилителей или автогенераторов, необходима калибровка КП расчетным полосковым калибратором, например, отрезком микрополосковой линии (МПЛ) с волновым сопротивлением Z0, нагруженным на согласованную нагрузку ZE = Z 0 [23, 24], как показано на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная схема замещения КП при включении к нему согласованного микрополоскового калибратора

При калибровке КП измеряют ККО Г(0 этого калибратора в плоскостях

г - г его подключения к КП. По измеренным ККО Г(0 определяют Я -параметры рассеяния:

Я - Г (0-

Я11г - Г г ;

Яш - Я21 - (1 + г / 20 ; (14)

г = 1, 2,

где - волновое сопротивление КП, равное волновому сопротивление измерительного 2п-полюсника.

Яг-параметры (14) являются параметрами рассеяния неоднородностей в плоскостях г - г подключения МПЛ к КП. Сами неоднородности обусловлены конструктивным различием МПЛ и КП. Нормировка / 20 Я -параметров может быть осуществлена относительно произвольного волнового сопротивления 20 согласованного и проходных полосковых калибраторов, выбранных для калибровки КП.

Выражения (14) представляют собой математическую модель калибровки

КП.

Перенос нагрузочных ККО Г у, измеренных в коаксиальном тракте, в мик-рополосковый тракт с учетом Яг -параметров рассеяния (14) можно осуществить по формулам:

Г у - (Ящ - Г у )/(Аяг - Я22г Г у ), (15)

где АЯг - Я11гЯ22г - Я12гЯ21г; г, У -1,2; г * У; Гг - нагрузочные ККО, перенесенные в микрополосковый тракт.

Метод анализа устойчивости. Предварительным этапом имитационного моделирования усилителей или автогенераторов является анализ устойчивости их АК [1]. Сущность такого анализа сводится к измерению трех т = 1, 2, 3 значений нагрузочных ККО Г(,т АК в режиме регенерации, который является промежуточным режимом между его режимами усиления и автогенерации. Измеренные нагрузочные ККО Г(,т позволяют определить границы Оу, разделяющие комплексные плоскости входного (у = 1) и выходного (у = 2) нагрузочных ККО Гу АК на устойчивые и неустойчивые области, как показано на рис. 4, где

знаком «плюс» отмечены устойчивые, а знаком «минус» - неустойчивые области; Гу, фу и Яу - координаты центра и радиусы границ Оу этих областей (параметры устойчивости).

Рис. 4. Области неустойчивых (-) и устойчивых (+) нагрузочных ККО Г

Метод анализа устойчивости можно реализовать следующим образом. АК посредством входного и выходного ПСТ вводят в режим устойчивой автогенерации, выбирая его нагрузочные ККО Г у, так чтобы они находились в неустойчивых областях их комплексной плоскости, отмеченные знаком «минус» на рис. 4, где точками у = 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 у = 2 осуществляют прогонку входного нагрузочного ККО

Г посредством итерационного уменьшения, а затем итерационного увеличения его модуля | Гх | с вариацией его фазы в пределах = 0 - 2 л для каждого из выбираемых значений его модуля 0 <| ^ |< 1. При этом изменение модуля | Г | входного нагрузочного ККО Г1 осуществляется посредством изменения глубины погружения емкостного шлейфа входного ПСТ, а его фазы ф1 - посредством перемещения этого емкостного шлейфа по длине ПСТ. Посредством прогонки входного нагрузочного ККО Г1 находят минимальное rj1 и два максимальных граничных значений его модуля Г(2, Г(3, показанных на рис. 4, при которых

наблюдается срыв автогенерации. После чего АК отключают и измеряют эти три значения нагрузочных ККО Г1 при непосредственном соединении КП

встык. Далее возвращают входной нагрузочный ККО Г1 в исходную точку

j = 1 и осуществляют аналогичное измерение трех значений Г21, Г22 и Г23 выходного нагрузочного ККО Г2 .

Координаты центров Tj, фj и Rj радиусы границ Oj неустойчивых областей (-) нагрузочных ККО Гj можно определить решением системы уравнений:

| Г(Г |= Xj + amyj + bmz]; m = 1, 2, 3, (16)

Xj = r] - rj; у] = rj cos фj; Zj = Tj sin фj, (17)

с учетом которых Tj, фj и Rj можно определить из выражений:

t]

= y¡ х] + y ] ; ф j = arccos( yj / Tj); Rj = ^ x2 + rj . (18)

Произвольные значения модуля | Г - | нагрузочного ККО Г-, принадлежащие границам О- в зависимости от его фазы фг-, можно рассчитать по формуле

1 Г- |= Щ С08(ф- " Фг- ) Щ С082(ф- - Фг- ) + г- . (19)

При необходимости может быть определен максимально достижимый диапазон

/ = /-2 - - (20)

перестройки частоты /у автогенерации АК по его входу и выходу, где /(2

J

и /у - граничные частоты срыва автогенерации, показанные на рис. 4.

При имитационном моделировании усилителей число шлейфов входного (I = 1) и выходного (/ = 2) ПСТ составляет = 3, что обеспечивает относительную полосу пропускания порядка 10-15 % на центральной частоте лежащей в пределах / = 4-12 ГГц. При имитационном моделировании автогенераторов число шлейфов составляло = 1. При имитационном моделировании усилителей нагрузочные ККО Гу выбираются в их устойчивой области (+),

а при имитационном моделировании автогенераторов - в их неустойчивых областях (-), которые показаны на рис. 4.

Рассмотренный метод анализа устойчивости активных СВЧ-цепей облегчает выбор нагрузочных ККО Г у при имитационном моделировании усилителей и автогенераторов.

Заключение. Таким образом, предложена качественно новая измерительная система, такая как имитатор-анализатор, обеспечивающий имитационное моделирование усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств, с последующим измерением комплексных коэффициентов отражения нагрузок их активного компонента в его реальном режиме работы, когда имитируемое усилительное или автогенераторное устройство по техническим характеристикам строго удовлетворяет техническому заданию. Измерение комплексных коэффициентов отражения нагрузок активного компонента исключает необходимость измерения его ¿-параметров и обеспечивает повышение экономической эффективности проектирования усилительных и автогенераторных устройств за счет сокращения цикла опытно-конструкторских работ примерно в 2-3 раза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Савелькаев С. В. Методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их ¿-параметров // Метрология. - 2005. - № 4. - С. 19-28.

2. 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.

3. Савелькаев С. В. Теоретические основы построения двухсигнальных анализаторов СВЧ-цепей // Измерительная техника. - 2005. - № 3. - С. 41-46.

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

5. Анализ высокоточных методов измерения параметров отражения в коаксиальных трактах / С. В. Владимирова, Ю. А. Пальчун [и др.] // Вестник ТГТУ. - 2012. - Т. 18, № 4. -С.856-862.

6. Литовченко В. А. Методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их Б-параметров // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 1 (29). - С. 90-98.

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

8. Шауэрман А. А, Жариков М. С, Борисов А. В. Автоматизированный измеритель комплексного коэффициента отражения на основе логарифмического усилителя // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Ре-шетнёва. - 2010. - Вып. 5 (31). - 276 с.

9. 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.

10. Петров В. П., Савелькаев С. В. Расчет параметров рассеяния линейных пассивных и активных устройств СВЧ // Радиотехнические системы и устройства СВЧ. - Л. : Тр. учеб. институтов связи. - 1987. - С. 98-102.

11. Полупроводниковые входные устройства СВЧ / Под редакцией В. С. Эткина. - М. : Сов. Радио. - 1975, Т. 1. - 344 с.

12. Савелькаев С. В., Айрапетян В. С., Литовченко В. А. Методика расчета автогенератора СВЧ в пространстве ¿-параметров // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 164-172.

13. Каганов В. И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. - М. : Радио и связь, 1985. - 192 с.

14. 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.

15. Савелькаев С. В., Айрапетян В. С., Литовченко В. А. Методика расчета автогенератора СВЧ в пространстве Б-параметров // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 164-171.

16. 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.

17. А.с. 1758595 СССР, О 01 Я 27/28. Способ анализа устойчивости активного СВЧ -четырехполюсника / В. П. Петров, С. В. Савелькаев. - Опубл. Бюл. № 32 // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 32. - С. 32-36.

18. Савелькаев С. В. Коаксиальное контактное устройство // Измерительная техника. -2005. - № 5. - С. 65-68.

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

20. А.с. 1682942 СССР, О 01 Я 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. - С. 8-12.

21. Савелькаев С. В., Устюгов М. Б., Плавский Л. Г. Коаксиальное контактное устройство // Вестник СГГА. - 2004. - Вып. 9. - С. 131-139.

22. А. с. 1830564 СССР, О 01 Я 27/28. Способ калибровки двухсигнального анализатора цепей / С. В. Савелькаев. - Опубл. Бюл. // Открытия. Изобретения. - 1993. - № 28. - С. 15-18.

23. А. с. 1774286 СССР, О 01 Я 27/28. Способ калибровки коаксиального устройства / С. В. Савелькаев. - Опубл. Бюл. // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 41. - С. 23-26.

24. Савелькаев С. В. Вариационная методика оценки суммарной погрешности измерения анализаторов СВЧ-цепей // Измерительная техника. - 2008. - № 12. - С. 43-46.

Получено 15.02.2016

Н. В. Заржецкая, 2016

THEORETICAL BASIS OF BUILDING SIMULATOR-ANALYZER OF ACTIVE MICROWAVE CIRCUITS

Текст научной работы на тему «Теоретические основы построения имитатора-анализатора активных СВЧ-цепей»