CC BY
10
Электроника СВЧ
удк 621.317.744
С. В. Савелькаев, С. В. Ромасько, В. А. Литовченко, Н. В. Заржецкая
Сибирский государственный университет геосистем и технологий (Новосибирск)
Теоретические основы построения имитатора-анализатора усилителей и автогенераторов СВЧ
Предложен принцип построения имитатора-анализатора, обеспечивающего имитационное моделирование усилителей и автогенераторов СВЧ в коаксиальном измерительном тракте в соответствии с техническим заданием с последующим измерением комплексных коэффициентов отражения нагрузок активного компонента этих устройств для дальнейшего их проектирования в микрополосковом исполнении. Сформирована математическая модель имитатора-анализатора, а также математическая модель его калибровки. Рассмотрен метод анализа устойчивости активного компонента в пространстве комплексных коэффициентов отражения его нагрузок, облегчающий выбор этих нагрузок и активного компонента при имитационном моделировании усилителей и автогенераторов. Дополнительно рассмотрена возможность использования имитатора-анализатора для измерения комплексных коэффициентов отражения на входе и выходе нагруженного активного компонента, а также измерения его комплексных коэффициентов передачи, которые совместно с измеренными комплексными коэффициентами отражения нагрузок позволяют по предложенной методике определить Б-параметры анализируемого компонента, которые он будет иметь при включении в микрополосковую линию.
Имитатор-анализатор, математическая модель, калибровка, комплексный коэффициент отражения и передачи, метод анализа устойчивости, методика определения 5-параметров, методика переноса результатов измерения из коаксиального тракта в микрополосковый
В настоящее время расчет и проектирование усилителей и автогенераторов СВЧ [1], [2] осуществляют в пространстве измеренных ^-параметров активного компонента (АК) этих устройств, например транзистора [3], [4]. ^-параметры позволяют проанализировать устойчивость АК [1], что облегчает выбор АК, требуемого для реализации усилителя или автогенератора. Кроме того, ^-параметры позволяют рассчитать комплексные коэффициенты отражения (ККО) нагрузок АК (нагрузочные ККО Гн- на входе (( = 1) и на выходе (( = 2)), обеспечивающие требуемые по техническому заданию (ТЗ) полосу пропускания усилителя (А/), частоту генерации автогенератора (/), их требуемую выходную мощность (^вых), а
также последующий расчет топологий согласующих цепей (СЦ) при проектировании этих устройств.
Существенный недостаток расчета и проектирования усилителей и автогенераторов в указанном пространстве заключается в том, что 5-па-
раметры АК, который является нелинейным прибором, измеряются в согласованном измерительном тракте, где режим работы АК далек от режима работы в реальном усилителе или автогенераторе. В результате измеренные ^-параметры не соответствуют ^-параметрам АК в реальном усилителе или автогенераторе (неадекватное измерение), что приводит к низкой экономической эффективности проектирования этих устройств из-за необходимости многократной технологической коррекции опытного образца.
Целью настоящей статьи является повышение эффективности систем автоматизированного проектирования (САПР) усилителей и автогенераторов СВЧ. Предложен принцип построения имитатора-анализатора (ИА), обеспечивающего имитационное моделирование усилителей и автогенераторов в соответствии с их ТЗ с последующим измерением нагрузочных ККО Г^- АК для непосредственного расчета и проектирования таких устройств. Дополнительно ИА обеспечивает измерение ККО Гг- на входе и выходе нагруженного
© Савелькаев С. В., Ромасько С. В., Литовченко В. А., Заржецкая Н. В., 2017
63
о
a1kq
Plk
1 b1kq Г 1
• V г
ПСТ НМ
1 12
P
2kq
ИП
1 2
КП АК КП
1 ККУ 2
Г1 Гп1 Гн2 ^ 21 Л Г2
b2kq
1
КИП
НМ
ПСТ
Рис. 1
АК, а также измерение его комплексных коэффициентов передачи (ККП) Ту для последующего
определения ^-параметров. Сформирована математическая модель ИА, а также математическая модель его калибровки. Рассмотрен метод анализа устойчивости АК в пространстве нагрузочных ККО Гну, облегчающий их выбор при имитационном моделировании усилителей и автогенераторов, а также предложена методика определения 5-параметров АК.
Структурная схема и конструкция ИА. Упрощенная структурная схема ИА показана на рис. 1 [3], [4]. Его основным функциональным узлом является измерительный преобразователь (ИП) [3]. Он содержит коаксиальное контактное устройство (ККУ) [5], [6] к каждому из двух коаксиальных переходов (КП г-, i = 1, 2) которого
подключен пятнадцатидецибельный направленный мост (НМ) второго типа, обеспечивающий преобразование измеряемых ККО Гг- на входе и выходе АК, его нагрузочных ККО Гну, ] = 1, 2, а также
его ККП Ту в измеряемые мощности Р^ 1. Каждый из НМ нагружен на перестраиваемый согласующий трансформатор (ПСТ) с Иш < 3 емкостными шлейфами, задающими нагрузочные ККО Гну АК, что обеспечивает имитационное моделирование усилителя или автогенератора в соответствии с ТЗ на их разработку. Технические характеристики имитируемых устройств регистрируются с помощью контрольно-измерительных приборов
1 k, q - номера сдвига фазы опорного сигнала относительно зондирующего сигнала и амплитуды опорного сигнала соответственно.
(КИП). АК имитируемого устройства подключен в плоскостях i-i измерительных входов КП ККУ
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 размещены: адаптеры 3, подающие напряжения питания на АК 4 со стороны входа (U) и выхода (Ü2), ПСТ 5, НМ 6. К измерительным входам НМ 6 подключены КП 7 ККУ.
КП 7 позволяют посредством подпружиненных цанг 8 подключить в плоскостях 1-1 и 2-2 измерительных входов АК 4, размещенный на пьедестале 11. Подключение АК с ленточными выводами 9 показано на рис. 2, б; АК с микрополосковыми выводами 10 - на рис. 2, в. Кроме того, КП 7 позволяют подключить в указанных плоскостях измерительного входа коаксиальные меры 12 (рис. 2, г) или микрополосковые калибраторы 13 (рис. 2, д) с ленточными выводами 9 при калибровке ИА.
Перемещение подвижных столов 2 (рис. 2, а) при подключении коаксиальных мер 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 микрополосковыми 10 (рис. 2, в) выводами, а также микрополосковых калибраторов 13 - с помощью фиксаторов 15. Возможность горизонтального перемещения каждого из КП 7 (рис. 2, б) обеспечивается коаксиальным тромбоном 16.
При калибровке ИА пьедестал 11 (рис. 2, а-в) удаляется и плоскости 1-1 и 2-2 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. Резьбовую втулку
a
b
2
х
© Щ © 1Ш © ""! ------L.. -.-г- © J^^l © ш\* © 1 Ц ©
& ©( 0 ^ © ©
yT/Z '////Á^ri 'Vi 12/
1©
© ©8
+ m) i с \ i
Рис. 2
17 одного из КП 7 (рис. 2, б, в) надвигают на другой КП 7 (рис. 2, г).
Математическая модель ИА. Комплексная амплитуда сигнала Ъ^ на выходном плече /-го
НМ может быть определена как в [9]-[11]:
А/1 + В/1 Г,
Ъ/кц
1+с, rHj
где к = 1, 3; q = 1, Q; Ai}
'г!1 Hj Ai 2 + Bi2 Гн/ 0 J ai + , , ^ ' %,
1 + С r
(1)
н/
B
nim'
Сг, i, m = 1, 2 -
эквивалентные комплексные константы i-го НМ;
о ~
ai' aikq - i-е зондирующим и опорный сигналы
соответственно.
Нагрузочные ККО АК Гн/ задаются посредством ПСТ (рис. 1) и измеряются при соединении плоскостей i-i измерительных входов КП встык.
Из (1) получим уравнение преобразования, описывающее действие i-го НМ:
Pikq = \bikq |2/2 =
= e,
iq
1 + |piq| + 2 |piq| COS (фгр+фгк )
(2)
где Р/кц — и/кц^ - мощность, которая в случае квадратичного детектирования определена напряжением и/кц, измеряемым на выходном плече /-го
НМ; Е/ц - амплитудный коэффициент, зависящий
> 2 /
о0
от мощности опорного сигнала Рщ — а ргц - эквивалентный ККО с амплитудой |ргц| и фазой фгр; фгк - текущий к-й сдвиг фазы опорного сигнала а^ относительно фазы зондирующего сигнала а/.
Эквивалентный ККО измеряемого нагрузочного ККО Гну определяется следующим образом:
1 + С 2Гщ
рц — С/1. С Г Хц, и ] — 1 2, / * Л (3)
1 + СзГн/
где
С,1 =( V А 2) A exp j'ei1;
Ci 2 = Bi1 / Ai1; Ci3 = Bi 2 / Ai 2 - приведенные комплексные константы i-го НМ;
а
б
в
д
г
Xiq
ai / aiq
a •
= Ai •10aiq
/20
(4)
- относительная амплитуда зондирующего сигнала а^ на q-м поддиапазоне измерения нагрузочного
ККО, причем Ау = а/а0] - неизвестное начальное отношение амплитуд (а у - ослабление амплитуды опорного сигнала а°д на д-м поддиапазоне измерения); 9,1 = ф1 - ф° - неизвестный начальный сдвиг фазы ф° опорного сигнала относительно фазы фу зондирующего сигнала. Начальное отношение амплитуд Ау и начальный фазовый сдвиг 9^ подлежат исключению при последующей калибровке ККО с использованием (3).
Дискретный к-й фазовый сдвиг определяется
как Фгк = 9гк, к = 1, 3, где 9¡к = фу - ф°к, к
причем при к = 1 9г1 - определенный ранее неизвестный начальный сдвиг фазы ф° опорного сигнала относительно фазы фу зондирующего сигнала, а при к = 2, 3 9гк - его известные дискретные приращения. Знак "плюс" выбирается, если стоячая волна мощности Руд движется к плоскости ее индикации, и "минус" - при движении в противоположном направлении.
Эквивалентный ККО (3) задает динамический диапазон стоячей волны мощности:
1 + piq + 2 piq p д. = ioig—Щ.—LM = íoig Pmax
1 + P,q " 2 Pi
Pm
(5)
1д\ угд\
с ее максимумом Ртах и минимумом Ртд.
По эквивалентному ККО р;д (3) значения измеренных нагрузочных ККО Гну АК можно определить из формулы
°11% 1д - р,
Гн/ = _
G,3p,q - Gi
,q
(6)
Ji3piq Gi2X iq полученной посредством нормировки (3) на величинУ p iq = Piq / Pi14 , гДе
Gi1 = [( - Ci1 )/í1 - Ci2V; Gi3 = Ci3Gih Gi2 = Ci2Gi1 - нормированные комплексные параметры i-го НМ;
X iq
-хфи = 10(aiq-afl^20; i, j = 1, 2; i * j (7)
- нормированная относительная амплитуда на q-м поддиапазоне; p,14 - эквивалентный ККО эквивалентного ККО piq, измеренный при калибровке
ИА короткозамкнутой подвижной коаксиальной мерой с ККО г, = W4 = -1, подключаемой к плоскости i-i измерительного входа КП на первом поддиапазоне (х,1 и a,1 - начальная относительная амплитуда (4) и начальное ослабление амплитуды опорного сигнала aна первом поддиапазоне).
Для определения измеренного эквивалентного ККО p,q, входящего в (3), уравнение (2) было преобразовано в систему измерительных уравнений вида
xi1 + aik2xi2 + aik3xi3 = aikq4, k = 1, 3, (8)
где aik2 = 2cos9,'k; aik3 =-2sÍn ф,к; aikq4 = Pikq.
Решение системы уравнений (8) относительно переменных x,k, k = 1, 3, под которыми понимаются мощности P,kq, определяемые через измеряемые напряжения U^q (2), позволяет при q = const определить модуль |p ,q| и фазу ф ,p эквивалентного ККО p iq, входящего в (6), следующим образом:
|p iq i = Р,7 2 ±>/р2А -1;
(9)
ф ,'p = arctg (W xi2 ),
где Р,- = ^(х-2/ Х1 )2 + (х«/ х-1 )2; и ] =1 2; у * ].
Таким образом, решение системы измерительных уравнений (8) для трех значений регистрируемых мощностей Рукд, к = 1, 3 позволяет из (9) определить эквивалентный ККО руд измеряемого нагрузочного ККО Гну и нормирующий ККО ру14, а затем из (6) получить измеренный нагрузочный ККО Гну.
Если же ослабление а;-д амплитуды опорного
О
сигнала а ^ неизвестно, нормированную относительную амплитуду %уд на д-м поддиапазоне, входящую в (6), вместо (7) можно определить как
X iq
1 + Gi3Wq
iqq
G,'1 + G,'2Wq
(10)
где рiqq = PiqqjPü4 - нормированное значение эквивалентного ККО p;-qq, измеряемого при калибровке ИА короткозамкнутой подвижной коаксиальной мерой с ККО Г; = Wq, подключаемой к
плоскости i-i измерительного входа КП на q-м поддиапазоне измерения.
Количество поддиапазонов Q измерения нагрузочных ККО Гну с модулем 0 <|Гн/| < 1 для
каждого i-го НМ выбираются так, чтобы на каждом q-м поддиапазоне выполнялось двухстороннее амплитудное ограничение Am¡n < А < Amax (безусловная адаптация ИА) [7], где Д - текущее значение динамического диапазона; Am¿n, Amax -предельно допустимые минимальное и максимальное значения динамического диапазона Д (5). Кроме того, согласно [7], дискретное приращение
9i2, 9i3
фазы ф°к опорного сигнала а^ должно
удовлетворять фазовому условию 9 у2, Од = 9о , где 9о - оптимальное значение дискретного приращения. При одновременном выполнении этих условий суммарная погрешность Дг измерения
нагрузочного ККО Гну с модулем О <|Гну| < 1 не превышает предела ее допуска Дг <[Дг] [7], [8]. При Д т;п = 6 дБ Д тах = 14 дБ и она составляет по модулю |Дг| <[|Дг|] = 0.061Г|. Фазовый допуск при 9о = ±2л/3 составляет фг <[фг ] = 5°.
Режим безусловной адаптации ИА, которому в (9) соответствует знак плюс, реализуется при
0
< Ш I. Если же
iq
> шл реализуется режим
адаптации ИА сверху в виде одностороннего амплитудного ограничения Д<Дтах [7], [8]. Этому режиму в (9) соответствует знак "минус". Недостатком последнего режима является то, что предельная суммарная погрешность измерения нагрузочного ККО Гну при его модуле |Гну| < 0.3 превышает предел ее допуска Дг > [Дг] [7], [8].
Уравнение (2), система уравнений (8), а также выражения (6), (7), (9), (10) образуют математическую модель ИА, которая позволяет определить измеренные нагрузочные ККО Гну АК.
Калибровка ИА. Возможность подключения к КП 7 ККУ [5], [6] стандартных коаксиальных мер 12 (см. рис. 2, г) позволяет осуществить калибровку
ИА относительно плоскостей i-i измерительных входов КП, которые одновременно являются плоскостями подключения АК 4 с ленточными 9 (рис. 2, б) или полосковыми 10 (рис. 2, в) выводами, которые подключаются к КП 7 посредством цанг 8.
Для определения комплексных параметров Оц,
Gi2 и Gi3, входящих в (6), необходимо выполнить четыре измерения напряжений Uikqm,
m = 1, 4 (2) на выходном плече i-го НМ при подключении к плоскости i-i входа КП стандартной подвижной короткозамкнутой меры для четырех различных фиксированных значений ее фазы [7]:
Фт = 2ßlm ±л> (11)
где ß = 2л/Х и lm < X/4 - фазовые постоянная и переменная шкалы этой меры, причем при m = 4 I4 = 0, W4 = -1; X - длина волны.
Измерение напряжений Ukqm (2) и определение эквивалентного ККО Piqm (7) необходимо осуществлять на первом поддиапазоне (q = 1). При этом начальное ослабление ац относительной амплитуды х i1 (7) и фазовые сдвиги 9i2, 9i3 должны быть выбраны так, чтобы динамический диапазон Ai (5) и фазовый сдвиг удовлетворяли амплитудному условию Ai = Ao = (Amin + Amax )/2 и фазовому условию 912, 9i3 = 9o, что обеспечивает
минимум погрешности AWm = min AWm = min AT
T i
измерения ККО Ti = Wm и, следовательно, минимум погрешности AGj = min Gj последующего определения эквивалентных комплексных параметров Gjj (6) i-го НМ.
Так как для первого поддиапазона нормированная амплитудная метрика хiq = 1 (7), выражение (8) при Ti = Wm было преобразовано к виду
Gi1 + cim2Gi2 + cim3Gi3 = cim4; m = 1, 3, (12)
где cim2 =-Wm ; cim3 =-pi1mWm; cim4 = Pi1m, причем Pi1m =Pi1mlPi14 ; Pi14 - н°рмированнЬШ эквивалентный ККО измеряемого ККО Ti = Wm подвижной короткозамкнутой меры, подключаемой в плоскости i-i измерительных входов КП в трех состояниях ее фазы фm (11) и нормирующий эквивалентный ККО измеряемого ККО Tj = W4 = -1 этой меры при m = 4.
Решение системы уравнений (12) позволяет определить комплексные параметры Оц = D©/ D,
Gi2 = Di2/D; Gi3 = Дз/D (8) i-го НМ, где Dib Di2, Di3 и D - определители системы.
Для определения нормированной относительной амплитуды %iq (10) на q-м поддиапазоне измерения необходимо измерить напряжения U^qq
(2) на выходном плече i-го НМ при подключении в плоскости i-i измерительного входа КП 7 коаксиальной меры 12 (см. рис. 2, г) с модулем ККО |Wq| = {1.00; 0.80; 0.50; 0.33; 0.18}. Значения модулей выбираются так, чтобы предельно допустимый интервал динамического диапазона Am¡n < А < Amax для нагрузочного ККО Гну с модулем 0 < |Гну| < 1
не нарушался. Согласно указанному набору значений модуля ККО для обеспечения условия Аг <[Аг ] количество поддиапазонов измерения
должно составлять Q = 5.
После измерения напряжений U^qq определяют эквивалентный ККО p;-qq (9) измеряемого ККО Wq. При этом ослабление a;-q относительной амплитуды % iq (7) на q-м поддиапазоне должно быть
выбрано так, чтобы динамический диапазон (5) эквивалентного ККО piqq измеряемого ККО Wq
составлял Ai =А 0 =(А min +А max V2 при 0i 2, 9г3 =9q, что обеспечивает минимум погрешности &Wq = min &Wq = min аГ его измерения.
Система измерительных уравнений (8) совместно с системой уравнений (12) представляют собой математическую модель калибровки ИА, позволяющую определить комплексные параметры Gi1, Gi2 и Gi3 (6) его i-го НМ и нормированную
относительную амплитуду %q (10) на q = 1, Q
поддиапазонах измерения нагрузочных ККО Гну.
Для переноса результатов калибровки анализатора коаксиальными мерами на измерение ККО Гну нагрузок, включенных в микрополосковый
тракт, в котором в последующем будет осуществлен расчет и проектирование усилителя или автогенератора, необходима калибровка КП расчетным микрополосковым калибратором 13 (см. рис. 2, д) или же двумя отрезками микрополосковой линии (МПЛ) [5], [6]. Калибратор содержит отрезки
г(0)* 0
Г(„0) = 0
Гн = 0
= Z0
Рис. 3
I'
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 Zq - волновое сопротивление отрезка МПЛ, нагруженного на согласованную нагрузку с сопротивлением Zн = Zq.
При подключении МПЛ к КП в плоскостях i-i возникают неоднородности, обусловленные конструктивным различием этих узлов. В процессе
измерений ККО Г(0) при калибровке КП эти неоднородности моделируются вводом вспомогательных плоскостей B, - B, и расположением
между плоскостями i-i и B, - B, четырехполюсников с Rг -параметрами рассеяния, характеризующих указанные неоднородности. При этом плоскости i-i и Bг - Bг для одинаковых значений i совмещены в пространстве, а в плоскостях
(0)
Bi - Bi ККО г в
= 0.
40)
По измеренным ККО Гг- R -параметры рассеяния определяются следующим образом:
rut =г
(0).
Я12/ — —(1 + Ящ / — 1, 2; (13)
*22/ — (1 + ХЩ ) о -1,
где 2/ - волновое сопротивление КП, равное волновому сопротивлению коаксиальных мер, используемых при калибровке ИА.
Я/ -параметры могут быть нормированы на
волновое сопротивление 20 согласованного полос-
кового калибратора, выбранного для калибровки КП.
Выражения (12) и (13) представляют собой математическую модель калибровки ИА.
С учетом Я/ -параметров (13) нагрузочные ККО Гн АК в микрополосковом тракте определяются следующим образом:
в
Гн/ = (( -Гн;)/( ") (14) где ar. = rii,.r22 -Ri2iR2ii; j =1,2; * * j-
Метод анализа устойчивости. Предварительным этапом имитационного моделирования усилителя или автогенератора является анализ устойчивости их АК [4]. Сущность такого анализа сводится к измерению трех значений нагрузочных
ККО АК rj ^, m = 1, 3 в режиме регенерации,
который является промежуточным режимом между режимами усиления и автогенерации (рис. 4).
Измеренные нагрузочные ККО Г^т) позволяют определить границы О- , разделяющие комплексные плоскости входного (j = 1) и выходного (j = 2) нагрузочных ККО Гн- АК на устойчивые
области (на рис. 4 отмечены знаком "+") и неустойчивые области (отмечены знаком "—"). Ко -ординаты центров r-, 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 Гн-,
так, чтобы они находились в неустойчивых областях их комплексной плоскости (знаки "—" на рис. 4, где точками j = 1, 2 отмечены выбранные значения). При этом в каждом из ПСТ используют только один шлейф = 1).
Далее при фиксированном значении выходного нагрузочного ККО Гн2 = const в точке j = 2 осуществляют прогонку входного нагрузочного ККО Гн1, уменьшая, а затем увеличивая модуль с вариацией фазы ф1 в пределах 0.. ,2п для каждого
из выбираемых значений модуля 0 <|Гн1 < 1. Изменение модуля |Гн1 обеспечивается изменением глубины погружения емкостного шлейфа входного ПСТ, а его фазы ф1 - перемещением этого емкостного шлейфа по длине ПСТ.
Прогонкой входного нагрузочного ККО Гн1 Г(1)
находят минимальное Г н1 и два максимальных
граничных значения его модуля Гн^), (рис. 4),
при которых наблюдается срыв автогенерации. После этого АК отключают и измеряют эти три значения нагрузочных ККО Гн1 при непосредственном соединении КП встык. Далее возвращают входной нагрузочный ККО Гн1 в исходную точку
] = 1 и аналогично измеряют три значения Г^,
Гн2) и Г^^ выходного нагрузочного ККО Гн2.
Параметры устойчивости г-, фj и Rj - координаты центра и радиусы границ Oj неустойчивых областей нагрузочных ККО Гн- - определяются решением системы уравнений
= xj + amУj + Ъmzj, т = ^ 3
Г( т)
н
где am = 2
т) Hj
cos ф
(т).
rj '
= 2
-km)
н
sin ф
(т)
г
константы, значения которых зависят от модуля
Г
(т)
н
и фазы измеренных нагрузочных ККО;
xj = R2 - rj; yj = rjcos ф j; zj=rjsin ф j
- переменные, с учетом которых определяются параметры устойчивости:
rj Чх)+; ф j=агсс°8 ); ^ Чх)+о2.
Значения модуля нагрузочного ККО |Гн^|, принадлежащие границам Oj, в зависимости от его фазы фг-, можно рассчитать по формуле
5(ф j - фЛ ) -.
Г— = Rj cos(
При необходимости может быть определен максимально достижимый диапазон перестройки частоты fj автогенерации АК по его входу и выходу:
f =
Л2) - A3) jj
Рис. 4
А 2) А3)
где и / ■ - частоты срыва автогенерации
(см. рис. 4).
При имитационном моделировании усилителей во входном и выходном ПСТ используются три шлейфа, что обеспечивает относительную полосу пропускания порядка 10-15 % на центральной частоте / в пределах 4.. .12 ГГц. При имитационном моделировании автогенераторов используется один шлейф. При имитационном моделировании усилителей нагрузочные ККО Гн- выбираются в
устойчивой области (символ "+" на рис. 4), а при имитационном моделировании автогенераторов -в их неустойчивых областях (символы "-").
Методика определения ^-параметров. Предлагаемая методика усовершенствует аналогичную приближенную методику работ [3], [4]. Для определения ^-параметров нагруженного АК необходимо дополнительно измерить ККО Г/ на его входе (/ —1) и выходе (/ — 2), а также его ККП Т- (/, - — 1, 2, / * -) (см. рис. 1) при включении АК в ККУ
Измерение ККО АК Г/ аналогично измерению его нагрузочных ККО Гн- при замене в выражениях (6) Гн- на Г/.
Для выяснения физической сущности измерения ККП АК Т- представим его сигнальным графом в
виде нагруженного четырехполюсника (рис. 5, а, где нагрузочные ККО Гн- отнесены к плоскостям
/ - / его входа ((, - — 1) и выхода (, - — 2)).
б
Рис. 5
Измерение ККП Т- осуществляется в следующем порядке. Первоначально измеряется отношение комплексных амплитуд (КА) волны Ъ/, прошедшей через АК к плоскости / - / его входа (/ — 1) или выхода (/ — 2) (рис. 5, а), и /-го опор-
ного сигнала а,
о
Р/ц ='
лщ
а/ — 0, а° * 0, а- * 0, /, - — 1, 2, / * -,
(15)
где р/ц - измеряемый эквивалентный ККО, который может быть определен из (6) и (7).
Далее измеряется отношение КА прошедшей к соединенным встык плоскостям / - / (/ — 1, 2)
волны Ъ/ к /-му опорному сигналу а° (рис. 5, б):
Ргд =■
лгд
а/ — ° а/ * 0, а- * 0, (16)
/, - — 1, 2, / * -,
где р'ц - измеряемый эквивалентный ККО, который также может быть определен из (6) и (7).
Из сигнального графа (рис. 5, б) КА волны Ъ/ можно определить как
Ъ — -
1 -Гн1Гн2
/, - — 1, 2, / *
(17)
Подставив (17) в (16), а затем разделив (15) на результат подстановки, найдем измеренный ККП:
т-. — Ъ. — р/ц
а- р/ц (1 - Гн1Гн2 )
/, - — 1, 2, / * -,
где ККО Гн- определены с учетом (14).
Установим взаимосвязь измеренных ККО Г/ и ККП Т- с ^-параметрами АК и ранее измеренными его нагрузочными ККО Гн- .
Волны возбуждений а/ и Ъ/ в плоскостях / - / входа (, - — 1) и выхода (, - — 2) АК связаны между собой через его ^-параметры выражениями Ъ/ — 5I ¡а/ + З-а'-, /, - — 1, 2, /* откуда ККО Г/
на его входе и выходе можно определить как
Г / — За +
I II I] г
а.^ * 0, а- — 0,
(18)
/, - — 1, 2, / * Волну возбуждения а' (18) в плоскости - - -входа АК (( — 2) определим из сигнального графа (рис. 5, б) в виде
' ' 5>/Гн/ а- — аг- —-—-—
1 - 55-- Гн-
а/ * 0, а- — 0, /, - — 1, 2, / *
откуда
ГЧ/
щ
1 - Гн-
а{ * 0, а- — 0, /, - — 1, 2, / *
а
Подстановка (19) в (18) дает 5/5РГ1
1- 5// Гн/ ', / = 1, 2, ' * /
а Ф 0, а/ = 0,
(20)
Применив к сигнальному графу (рис. 5, а) правило некасающихся контуров [1], определим ККП Т/ нагруженного АК:
Т/ = 5'//А' ;, / =1 2 ; Ф /,
(21)
где определитель
а = (1 - 5ПГН1 )(1 - 522ГН2 ) - 512 521Гн1Гн2. (22)
Вынося поочередно первые два члена (1 - 5цГн1) и (1 - 522гн2 ) (22) с подстановкой (20), получим другой вид определителя: А = (1 - 5пГн1 )(1 -Г2Гн2 ) =
= (1 - 522гн2 )(1-Г1Гн1 )■ (23)
Из равенства представлений А (23) найдем:
522 = 511с1 + с2' (24)
где
с Гн1 (1 -Г2Гн2 ) . с Г2Гн2 -Г1Гн1 1 Гн2 (1 -Г1Гн1) 2 Гн2 (1 -Г1Гн1)
Подстановка (24) в (20) при ;, / = 1, 2, ; Ф / с исключением произведения 512521 дает
511 =[Гн2 (Г2 -С2)-Гн1Г1 (1 + С2Гн2)]/Я, (25) где
° = Гн2 [С1 +Гн1 (Г2 +с2)]-
-Гн1 [1 + Гн2 (С1Г1 + с2)] ■ Из (21) при ;, / = 1, 2, I ф / имеем:
512 = Т12А; 521 = Т21 А. (26)
Таким образом, выражения (24)-(26) устанавливают связь измеренных ККО Г;, Гн/ и ККП
Т/ с 5-параметрами нагруженного АК в коаксиальном тракте.
С учетом Щ -параметров (13) 5-параметры (24)-(26) АК в коаксиальном тракте можно представить в виде каскадного соединения 5 = / ((, 5', Щ )■ Тогда 5'-параметры АК в ми-
крополосковом тракте можно определить из выражений [6]
511 = [Щ112 (Щ111522 - А5 ) + + (5П - Щ111 )Ащ2 ]/А;
512 = -Щ211Щ212 512/А; 521 = -Щ121Щ122521/А;
522 = [ Щ221 (Щ222511 - А5 ) + + (522 - Щ222 )АЩ1 ]/А,
(27)
где
А5 = 511522 - 512521;
АЩ 2 = Щ112 Щ222 - Щ122 Щ212;
А = Щ112 (522АЩ1 - Щ221А 5 ) +
+ (Щ221511 - АЩ1 )АЩ2; АЩ1 = Щ111Щ221 - Щ121Щ211-
Здесь последний индекс при Щ -параметрах определяет их принадлежность к входу (; = 1) или выходу (; = 2).
Выражения (27) обеспечивают перенос результатов калибровки анализатора коаксиальными мерами на измерение 5-параметров АК, предназначенных для включения в МПЛ. Для 5-параметров коаксиальных узлов 5' = 5.
В таблице приведено содержание теста зон-
0
дирующих а; и опорных а; сигналов при измерении ККО Г; и ККП Т/ АК в режиме усиления и генерации.
Сигнал Режим усиления
Г1 Г2 Т12 Т21
Непрерывный, модулированный а]_, а}0 ах, а2, а2 а1, а2, а10 а-1, а°
Сигнал Режим генерации
Г1 Г2 Т12 Т21
Модулированный а-1, а]0 0 а2, а1
Режим усиления АК задается входным непрерывным зондирующим сигналом а^ При этом измерение ККО Г2 и ККП Т12 АК осуществляется методом выделения амплитудно-модулиро-ванных зондирующих и опорных сигналов а2,
а20 и а2, а10, что обеспечивает их селекцию от входного непрерывного зондирующего сигнала а1. В режиме генерации измерение всех ККО Г; и ККП Т/ АК осуществляется методом выделения амплитудно-модулированных зондирующих и опорных сигналов а; и а0, что обеспечивает их селекцию от собственного выходного сигнала АК ¿2- Амплитуда зондирующего сигнала а2 в ре-
71
жиме усиления и амплитуды зондирующих сигналов а1 и а2 в режиме генерации выбираются из условия их минимального влияния на эти режимы.
Таким образом, предложен принцип построения ИА, обеспечивающего имитационное моделирование усилителей и автогенераторов в коаксиальном тракте в соответствии с их ТЗ с последующим измерением нагрузочных ККО Гн- их
АК в его реальном режиме работы для непосредственного проектирования этих устройств в мик-рополосковом исполнении. Такое адекватное измерение нагрузочных ККО Гн- обеспечивает повышение экономической эффективности САПР этих устройств, поскольку позволяет сократить цикл опытно-конструкторских работ (ОКР) в 2-3 раза за счет исключения необходимости многократной
технологической коррекции опытного образца этих устройств. Сформирована математическая модель ИА, а также математическая модель его калибровки. Рассмотрен метод анализа устойчивости АК в пространстве его нагрузочных ККО Гн-, облегчающий выбор ККО АК для последующего проектирования усилителей и автогенераторов,
Дополнительно рассмотрена возможность использования ИА для измерения ККО Г/ на входе и выходе нагруженного АК, а также измерения его ККП Т-, которые совместно с его измеренными нагрузочными ККО Гн- позволяют по
предложенной методике определить 5-параметры этого компонента, которые он имел бы при включении в микрополосковую линию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Савелькаев С. В. Коаксиальное контактное устройство // Измерительная техника. 2005. № 5. С. 65-68.
6. А. с. Б11 1774286 А1. МПК5 601Р27/28. Способ калибровки коаксиального контактного устройства / С. В. Савелькаев. Опубл. 07.11.1992. Бюл. № 41.
7. Савелькаев С. В. Теоретические основы построения двухсигнальных анализаторов СВЧ-цепей // Измерительная техника. 2005. № 3. С. 41-46.
8. Савелькаев С. В. Вариационная методика оценки суммарной погрешности измерения анализаторов СВЧ-це-пей // Измерительная техника. 2008. № 12. С. 43-46.
1. Полупроводниковые входные устройства СВЧ: в 2 т. / под ред. В. С. Эткина. М.: Сов. радио, 1975. Т. 1. 344 с.
2. Савелькаев С. В., Заржецкая Н. В. Расчет и проектирование автогенераторов СВЧ в пространстве S-параметров // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2016. Вып. 1. С. 30-37.
3. Савелькаев С. В. Двухсигнальный метод измерения S-параметров активных СВЧ-цепей в режиме большого сигнала // Электрон. техника. Сер. Электроника СВЧ. 1991. Вып. 5(439). С. 30-32.
4. Савелькаев С. В. Методы анализа устойчивости активных СВЧ-цепей и измерения их S-параметров // Метрология. 2005. № 4. С. 19-28.
Статья поступила в редакцию 16 ноября 2016 г.
Для цитирования: Теоретические основы построения имитатора-анализатора усилителей и автогенераторов СВЧ / С. В. Савелькаев, С. В. Ромасько, В. А. Литовченко, Н. В. Заржецкая // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. № 1. С. 63-74.
Савелькаев Сергей Викторович - д. т. н. (2007), доцент (2013), профессор кафедры специальных устройств и технологий Сибирского государственного университета геосистем и технологий (г. Новосибирск). Автор 90 научных работ. Сфера научных интересов - радиотехника; радиотехнические измерения; механика. E-mail: sergei.savelkaev@yandex.ru
Ромасько Светлана Владимировна - аспирантка и ассистент кафедры метрологии и технологии оптического производства Сибирской государственной геодезической академии (г. Новосибирск). Инженер-метролог (2009, Сибирская государственная геодезическая академия). Автор 20 научных работ. Сфера научных интересов -метрология и метрологическое обеспечение радиотехнических измерений; методы и средства измерения параметров активных компонентов усилителей и автогенераторов СВЧ с использованием имитаторов-анализаторов. E-mail: s_romasko@mail.ru
Литовченко Владимир Анатольевич - менеджер по управлению персоналом (2009, Московское высшее военное командное училище), начальник учебной лаборатории кафедры разведки и воздушной десантной подготовки Новосибирского высшего военного командного училища, аспирант кафедры метрологии и технологии оптического производства Сибирского государственного университета геосистем и технологий. Автор 16 научных работ. Сфера научных интересов - радиотехнические измерения; проектирование и анализ СВЧ-устройств. E-mail: litovchienko.vladimir@mail.ru
Заржецкая Наталья Викторовна - инженер-системотехник (1988, Новосибирский электротехнический институт), старший преподаватель кафедры специальных устройств и технологий, аспирант кафедры метрологии и технологии оптического производства Сибирского государственного университета геосистем и технологий (г. Новосибирск). Автор 18 научных работ. Сфера научных интересов - радиотехнические измерения; системы автоматического управления. E-mail: zaijetskaya@yandex.ru
S. V. Savelkaev, S. V. Romasko, V. A. Litovchenko, N. V. Zarzhetskaya Siberian State University of Geosystems and Technology (Novosibirsk)
Theoretical basis of simulator-analyzer building-up for microwave amplifiers and oscillators
Abstract. The construction principle of simulator-analyzer is proposed providing simulation modeling of amplifiers and oscillators in coaxial microwave measurement chain according to their technical specifications, followed by measurement of complex load reflection coefficients of the active component of the devices for their further development in microstrip design. Mathematic model of simulator-analyzer as well as mathematic model of its calibration is presented. Analysis method of active component stability in the area of its complex load reflection coefficients is considered that facilitates the choice of the loads and the most active component in simulation of amplifiers and oscillators. In addition, the possibility of using the simulator-analyzer for measuring complex reflection coefficients at the input and the output of the loaded active component is described, as well as measurement of its complex transmission coefficients which together with the measured complex load reflection coefficients allow to determine S-parameters of the analyzed component it will have when included in a micro strip line.
Key words: Simulator, Analyzer, Mathematic Model, Calibration, Complex Reflection Coefficient and Transmission, Analysis method of active component stability, Method of S-Parameters Determining, Method of Transfer of the Measurement Results from the Coaxial Line to the Micro Strip
REFERENCES
1. Etkina V. S. Poluprovodnicovye vkhodnye ustroistva [UHF Semiconductor Input Devises]. Moscow, Sov. radio Publ. 1975, vol. 1, 344 p. (In Russian)
2. Savelkaev S. V., Zarzhetskaja N. V. Calculation and Design of UHF Oscillators in the Space of S-Parameters. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelekt-ronika. 2016, no. 1, pp. 30-37. (In Russian)
3. Savelkaev S. V. Two signal method of measuring of S-parameters of active UHF circuits in large-signal mode. Electronnaja tehnika. Ser. Electronika SVCH. 1991, no. 5(439), pp. 30-32. (In Russian)
4. Savelkaev S. V. Methods of stability analysis of active UHF circuits and measure their S-parameters. Metrologiya. 2005, no. 4, pp. 19-28. (In Russian)
Received November, 16, 2016.
5. Savelkaev S. V. Koaksalnoe kontaktnoe uctroistvo [Coaxial contact device]. Izmeritelnaya tekhnika. 2005, no. 5, pp. 65-68. (In Russian)
6. Savelkaev S. V. Sposob kalibrovki koaksialnogo kontaktnogo ustroystva [A method of calibrating of the coaxial contact device]. Pat. SU, no. 1774286, 1992. (In Russian)
7. Savelkaev S. V. Theoretical basics of building of two signals UHF circuits analyzers. Izmeritelnaya tekhnika. 2005, no. 3, pp. 41-46. (In Russian)
8. Savelkaev S. V. A variation method of estimating the total error of measurement of the UHF circuits analyzers. Izmeritelnaya tekhnika. 2008, no. 12, pp. 43-46. (In Russian)
For citation: Savelkaev S. V., Romasko S. V., Litovchenko V. A., Zarzhetskaja N. V. Theoretical basis of simulator-analyzer building-up for microwave amplifiers and oscillators. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika. [Journal of the Russian Universities. Radioelectronics]. 2017, no. 1, pp. 63-74. (In Russian)
Sergey V. Savelkaev - D.Sc. in engineering (2007), Associate Professor (2013), professor of the Department of Special Devices and Technologies of Siberian State University of Geosystems and Technologies (Novosibirsk). The author of 90 scientific publications Area of expertise: radio equipment; radio measurement; mechanics. E-mail: sergei.savelkaev@yandex.ru
Svetlana V. Romasko - Dipl.-engineer on metrology (2009, Siberian State Geology Academy), post graduate student and teaching assistant of the Department of Metrology and Optics Engineering of named academy (t. of Novosibirsk). The author of 20 scientific publications. Area of expertise: metrology and metrological support of radio engineering measurements; methods and means of measurement of parameters of the active components amplifiers and oscillators microwave using simulators analyzers. E-mail: s_romasko@mail.ru
Vladimir A. Litovchenko - Manager on human resources (2009, the Moscow Higher Military Command School), Chief of the Laboratory of the Department of Intelligence and Airborne Training of the Novosibirsk Higher Military Command School, post graduate student of the Department of Optics Engineering of Siberian State University of Geosystems and Technologies. The author of 16 scientific publications. Area of expertise: radio measurement; design and analysis of UHF devices. E-mail: litovchienko.vladimir@mail.ru
Natalya V. Zarzhetskaya - System Engineer (1988, Novosibirsk Electrotechnical Institute), Senior Tutor of the Department of Special Devices and Technologies, post graduate student of the Department of Metrology and Technologies of Optical Production of Siberian State University of Geosystems and Technologies (t. of Novosibirsk). The author of 18 scientific publications. Area of expertise: electronic measurement, automatic control systems. E-mail: zarjetskaya@yandex.ru
