Моделирование, синтез и реализация мощных широкополосных СВЧ транзисторных усилителей в существенно нелинейном режиме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Евстигнеев, Алексей Андреевич

• Евстигнеев, Алексей Андреевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Евстигнеев, Алексей Андреевич

Введение.

Научная новизна.

Положения и выводы, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор литературы и формулирование модели транзистора

1.1 Обзор современных методов моделирования применительно к мощным биполярным СВЧ транзисторам, работающим в нелинейном режиме.

1.2 Базовая модель транзистора.

1.3 Макетирование динамического пробоя коллекторного перехода.

1.4 Эквивалентная схема модели транзистора.

1.5 Возможности определения параметров модели.

Выводы.

Глава 2. Алгоритмы модельного анализа транзисторного усилительного каскада с использованием сложных согласующих цепей.

Выводы.

Глава 3. Синтез широкополосных согласующих цепей нелинейного транзисторного каскада.

3.1 Использование базовой модели при рассогласовании нагрузки.

3.2 Синтез выходной цепи на базе ОДН.

3.3 Синтез выходной цепи с использованием параметрической оптимизации.

3.4 Общая задача синтеза выходной цепи нелинейного каскада.

3.5 Примеры последовательного усложнения задачи синтеза.

3.6 Синтез и практическая реализация мощных СВЧ каскадов с рабочей полосой частот 1-1.55 ГГц.

Выводы.

Глава 4. Примеры реализации мощных широкополосных усилителей в радиолокационной аппаратуре.

4.1 Передатчик бортового ответчика 4280.

4.2 Передатчик бортового ответчика перспективных самолетов.

4.3 Опорный передатчик бортового запросчика.

4.4 4-х канальный усилитель, реализующий мощные каскады на транзисторах 2Т9199 А.

4.5 Блок передатчика, реализующий мощные широкополосные каскады на перспективных транзисторах типа А917А.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование, синтез и реализация мощных широкополосных СВЧ транзисторных усилителей в существенно нелинейном режиме»

Развитие радиолокации, в первую очередь, развитие активных фазированных антенных решеток (АФАР) вызвало соответственно активное развитие усилительных СВЧ полупроводниковых приборов большой мощности. Спектр типов таких приборов не слишком велик. Это полевые транзисторы на кремнии, арсениде галлия, карбиде кремния, нитриде галлия и кремниевые биполярные транзисторы.

Полевые транзисторы имеют несомненные преимущества при создании линейных и квазилинейных усилителей. В радиолокационных устройствах в большинстве случаев используются нелинейные усилители мощности, этот факт определил устойчивую нишу мощных биполярных транзисторов Ь- и Б-диапазонов. Дополнительными преимуществами биполярных транзисторов являются: относительная простота цепей смещения и относительно низкая стоимость серийных приборов. При всем том использование существенно нелинейных режимов влечет за собой трудности проектирования широкополосных устройств. Это положение связано с тем, что обширная литература, посвященная синтезу широкополосных цепей, ориентирована исключительно на линейные цепи. Сложилось устойчивое представление, что мощные биполярные транзисторы пригодны лишь для создания узкополосных систем.

Одна из задач настоящей работы - показать реальные возможности проектирования и реализации широкополосных мощных СВЧ нелинейных усилителей, что должно расширить область использования биполярных транзисторов.

Другая задача настоящей работы - создать численные методы оценки комплекса эксплуатационных параметров усилительного каскада, используя модель транзистора. Это позволит поднять уровень проектирования усилителя мощности, кроме того, становится возможным корректировать параметры транзистора в соответствии со специфическими требованиями, предъявляемыми к разрабатываемой аппаратуре. Речь может идти о фазочастотных характеристиках каскада, об устойчивости по отношению к рассогласованию нагрузки, о роли динамического пробоя переходов при вариации режима транзистора, об устойчивости параметров каскада в диапазоне температур и о ряде других.)

Обе названные задачи подчинены весьма важной практической задаче создания мощных широкополосных передающих трактов для радиолокационных систем.

В свою очередь, создание широкополосных передатчиков открывает перспективу снижения массо-габаритных характеристик бортовой радиолокационной аппаратуры за счет совмещения в одном передающем тракте нескольких функционально различных частотных каналов, а это является одной из глобальных проблем современной электронной техники. Указанный момент определяет и инновационную значимость работы.

В рамках названного направления на раннем этапе автор принимал участие в работе по созданию не широкополосного, а двухполосного мощного транзисторного передатчика (бортовой ответчик типа 4280). Идея реализации подобного устройства на отечественных мощных транзисторах, не являющихся в полном смысле широкополосными, защищена патентом на изобретение РФ ( № 2187881 приоритет от 25.04.2001, авторы Аронов В.Д., Евстигнеев A.A. ).

Альтернативное направление снижения габаритов и массы бортовой аппаратуры осуществляется на нашем предприятии за счет конструктивного объединения в одном корпусе четырех приемопередающих трактов фазированной антенной решетки. Эта идея реализована при участи автора в трех типах модулей (Проспект 2004, Ирбис, Покосник-ППУМ) и защищена патентом на изобретение РФ (№ 2380803 приоритет от 23.04.2008г., авторы Аронов В.Л., Евстигнеев A.A., Евстигнеев A.C., Подадаева A.A., Поляков С.А., Требоганов H.A.).

Две названные первичные задачи определяют основу настоящей диссертационной работы.

Актуальность работы в известной степени подтверждается примерами реализации расчетных параметров в конкретных разработках широкополосных блоков, востребованных предприятиями-разработчиками радиолокационных систем (НИИП, ГРГТЗ). Из этих разработок три выполнены под руководством , а три других - при участии автора.

Научная новизна:

- Сформулирована нелинейная модель транзистора, включающая эффект лавинного умножения с учетом его инерционности, режимные зависимости емкостей переходов, элементы автосмещения, принудительного смещения эмиттера, параметры безынерционного электрического пробоя эмиттерного перехода. Перечисленные эффекты дают дополнительные возможности проведения исследований.

Решение системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих работу модели транзистора в эксплуатационном режиме во временной области с последующим спектральным анализом доведено до уровня инструмента инженерного проектирования.

- Для осуществления синтеза широкополосного усилительного каскада по результатам модельного анализа введено понятие «область допустимых нагрузок» ОДН, которое сформулировано в координатах "активная проводимость нагрузки - эффективная выходная емкость". ОДН позволяет сформировать целевую функцию для параметрического синтеза выходной цепи.

- Показана возможность анализа критичности численных значений полученных из синтеза параметров цепей согласования, а также параметров собственно транзистора при реализации усилительного каскада. Это позволяет корректировать параметры транзистора и оптимально конструировать пассивные согласующие платы.

- В практическом плане расчетным путем показана возможность совмещения высокой выходной мощности с широкой полосой пропускания для транзисторного СВЧ усилительного каскада (300 Вт в полосе 1-1,5 ГГц на транзисторных кристаллах с типовой полосой 200 МГц), что не имеет аналогов в отечественной и зарубежной технике

Положения, выносимые на защиту

Для полноценного проектирования транзисторных мощных СВЧ усилителей, включая их полосные характеристики, необходима модель, отражающая существенно нелинейные процессы в приборе такие как эффект квазинасыщения, лавинное умножение, падение Л при больших токах и др.

- Синтез максимально широкополосных выходных цепей возможен с использованием «области допустимых нагрузок», получаемой из модельного анализа, которая позволяет сформировать целевую функцию для поиска параметров согласующей цепи.

- Мощный биполярный СВЧ транзистор при оптимальном проектировании согласующих цепей может обеспечивать широкую полосу пропускания, достигающую половины октавы.

- Эффект лавинного умножения в коллекторном переходе наиболее ярко проявляется в виде искажения заднего фронта импульса коллекторного тока, когда напряжение на переходе еще не достигает пикового значения. Этот эффект приводит не столько к падению выходной мощности, а - к падению коэффициента полезного действия.

- Модельный анализ после завершения синтеза согласующих цепей позволяет исследовать широкий комплекс эксплуатационных характеристик усилителя, включая фазовые характеристики, фронты радиоимпульсов, температурные зависимости параметров, реакцию на колебания уровней питания, возбуждения.

- Анализ разработанной составной модели позволяет исследовать явление поперечной неустойчивости в мощном биполярном транзисторе, которое является важным ограничительным фактором для допустимых режимов работы приборов этого класса.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Евстигнеев, Алексей Андреевич

Основные результаты работы:

- Сформулирована нелинейная модель, отражающая важнейшие нелинейные эффекты, включая квазинасыщение, которая при этом остается достаточно лаконичной, чтобы быть использованной в сложной процедуре синтеза широкополосного усилительного каскада, работающего в существенно нелинейном эксплуатационном режиме.

- Сформулирован принцип анализа эксплуатационных параметров нелинейного усилительного каскада, при котором нелинейный анализ проводится для нелинейной модели транзистора с добавлением эквивалентной нагрузки в виде параллельного соединения активной проводимости и эквивалентной индуктивности, а также эквивалентного генератора возбуждения в виде одночастотного ЭДС, активного сопротивления и эквивалентной последовательной емкости. Все дополнительные эквивалентные параметры вычисляются путем свертки линейных цепей входного и выходного согласования к зажимам нелинейной модели в одночастотном приближении.

- Сформулирован принцип синтеза широкополосной выходной цепи транзисторного каскада, основанный на предварительно вычисленной области допустимых нагрузок. Модификация области допустимых нагрузок, сводящая ее к эквивалентной окружности, позволяет ввести целевую функцию как радиус-вектор в модифицированной плоскости нагрузок.

- Для нескольких типов отечественных мощных СВЧ транзисторов с помощью предложенных методов синтезированы широкополосные согласующие цепи, что позволило получить расчетные значения полос пропускания мощных СВЧ усилительных каскадов, существенно превышающие известные данные по соотношению выходная мощность -полоса пропускания . Экспериментальные результаты, подтвердили достижение полос пропускания, соответствующих по порядку величины расчетным ожиданиям.

- Синтезированные усилительные каскады реализованы в завершенных разработках пяти типов блоков радиолокационной аппаратуры, что опровергает сложившуюся оценку мощных СВЧ биполярных транзисторов, как относительно узкополосных приборов.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Евстигнеев, Алексей Андреевич, 2011 год

1. Богачев В.М., Кунина C.JL, Петров Б.Е., Попов И.А. Расчет каскадов полупроводниковых передатчиков. Под ред. Попова И.А., М., МЭИ, 1964г.

2. Валитов P.A., Попов И.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. М., «Советское радио», 1972г.

3. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. М., Энергия, 1976г 448с.

4. Аронов B.J1. Расчет нелинейного режима работы генераторного СВЧ транзистора в схеме с общей базой. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1973 вып.9 (81).

5. Аронов B.JL, Милютина И.П. Машинный расчет транзисторного усилителя мощности с общей базой. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1975 вып.7. с.15-31.

6. Аронов В.Д., Милютина И.П. Анализ работы СВЧ генераторного транзистора с учетом нелинейности по току и по напряжению. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1975 вып.8. с. 17-30.

7. Аронов B.JL, Савельев Ю.Н., Милютина И.П. Нелинейная модель генераторного СВЧ транзистора. «Электронная промышленность» 1975г. вып.10,с.12.

8. Аронов B.JL, Брежнев В.В. Расчет характеристик мощного СВЧ генератора с использованием параметров режима нелинейной базовой модели транзистора. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1977г. вып. 7. с.74-98.

9. Богачев В.М., Никифоров В.В. Транзисторные усилители мощности. М., «Энергия», 1978г.

10. М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, A.B. Журиков и др.; Под ред. O.A. Челнокова. Радиопередающие устройства. М., «Радио и связь», 1982г.11. «Транзисторы генераторные СВЧ. Система параметров» ОСТ В 1 l.aAO.336.005, 1972 г.

11. Applications, 2002. EDMO 2002. The 10th IEEE International Symposium. On page(s): 196-201

12. Fuse, T.; Shuto, Y.; Oowaki, Y. An accurate quasi-saturation BJT model for very-high-frequency analog/digital applications. VLSI Circuits, 1995. Digest of Technical Papers., 1995 Symposium. Publication Year: 1995 , Page(s): 121 122

13. Heeres, R.M.; Visser, H.A.; Versleijen, M.P. An accurate large-signal model for a high-efficient Si bipolar GSM power transistor . Microwave Symposium Digest, 2001 IEEE MTT-S International. Volume: 2. Publication Year: 2001 , Page(s): 975 -978 vol.2

14. J. Verspecht, "Black Box Modelling of Power Transistors in the Frequency Domain,"Conference Record of the INMMC 1996 Workshop Duisburg (Germany)

15. Polyharmonic distortion modeling .Verspecht; Root, D.E.; Microwave Magazine, IEEE Volume: 7 , Issue: 3

16. Digital Object Identifier: 10.1109/MMW.2006.1638289 Publication Year: 2006 , Page(s): 44 57

17. J. Wood and D. E. Root, Eds., Fundamentals of Nonlinear Behavioral Modeling for RF and Microwave Design. Norwood, MA: Artech House, 2005.

18. New techniques for non-linear behavioral modeling of microwave/RF ICs from simulation and nonlinear microwave measurements Root, D.E.; Wood, J.; Tufillaro, N.; Design Automation Conference, 2003. Proceedings

19. Publication Year: 2003, Page(s): 85 90

20. Verspecht, J., Schreurs D., Barel A., Nauwelaers B. Black box modelling of hard nonlinear behavior in the frequency domain. Microwave Symposium Digest, 1996., IEEE MTT-S International. Volume: 3. Publication Year: 1996 , Page(s): 1735 -1738.

21. Takayama, Y. A New Load-Pull Characterization Method for Microwave Power Transistors. Microwave Symposium, 1976 IEEE-MTT-S International. Publication Year: 1976 , Page(s): 218 220.

22. David Vye, X-parameters Fundamentally Changing Nonlinear Microwave Design, Microwave Journal, Issue March 2010, Vol.53. No.3 Cover Article.

23. Bespalko D.T., Boumaiza S. X-parameter measurement challenges for unmatched device characterization. Microwave Measurements Conference (ARFTG), 2010 75th ARFTG. Publication Year: 2010 , Page(s): 1 4

24. Root D.E., Xu J., Horn J., Iwamoto M., Simpson, G. Device modeling with NVNAs and X-parameters.Integrated Nonlinear Microwave and Millimeter-Wave Circuits (INMMIC), 2010 Workshop on Publication Year: 2010 , Page(s): 12 15

25. Horn J., Root D.E., Simpson G GaN Device Modeling with X-Parameters. Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2010 IEEE Publication Year: 2010 , Page(s): 1-4.45 . http ://www. openwaveforum.org

26. C. Tsironis, "Prematched programmable tuners for very high VSWR testing," in IEEE juAPS Microwave

27. Application & Product Seminars, Anaheim (CA),June 1999.

28. Aboush Z., Lees J., Benedikt J., Tasker P. Active harmonic load-pull system for characterizing highly mismatched high power transistors. Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S International. Publication Year: 2005.

29. Bensmida S., Poire P., Negra R., Ghannouchi F.M., Brassard G.

30. New Time-Domain Voltage and Current Waveform Measurement Setup for Power Amplifier Characterization and Optimization.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume: 56 , Issue: 1. Publication Year: 2008 , Page(s): 224 -231.

31. Woodington S., Saini R., Williams D., Lees, J., Benedikt J., Tasker P.J. Behavioral model analysis of active harmonic load-pull measurements. Microwave Symposium Digest (MTT), 2010 IEEE MTT-S International. Publication Year: 2010, Page(s): 1688- 1691.

32. Аронов В.JI. Анализ явлений поперечной неустойчивости в мощных СВЧ транзисторах. Электронная техника. Сер. II,. 2007, №2, с.65-75.

33. Аронов В.JI. Евстигнеев A.A. Моделирование мощного биполярного транзистора в усилительном режиме с учетом квазинасыщения. М.: Электронная техника. Сер. II,. 2005, №1-2, с.24-33.

34. Аронов В.Л., Федотов Я.А. Испытание и исследование полупроводниковых приборов. Москва. "Высшая школа". 1975.

35. А.Л. Захаров и И.М. Мартиросов. Электрические свойства слоя умножения. "Полупроводниковые приборы и их применение". Сб. статей под ред. Я.А. Федотова. Вып. 18. 1967 "Сов. радио". Москва, с. 3-21.

36. Тагер A.C., Вальд-Перлов В.М. Лавино-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. "Советское радио". Москва. 1963 г.

37. Аронов В.Л. Низкочастотное возбуждение в мощном СВЧ транзисторном каскаде. Электронная техника. Сер. II,. 2009, №2, с.33-39.70. GaN

38. Аронов В.Л., Евстигнеев A.A. Двухполосный усилитель мошности. // Патент №2187881 приоритет от 25.04.2001

39. Аронов В.Л., Евстигнеев А.А, Евстигнеев A.C. Эмиттерная модуляция в мощном СВЧ транзисторном каскаде. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 2008, вып. 1, с. 38-46

40. Аронов В.Л., Евстинеев A.A., Евстинеев A.C. Модуляционные возможности мошного СВЧ биполярного транзистора. // Тез. докл. VII научно-техн. конф. Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. 2008г., стр. 42.

41. Аронов В.Л., Евстигнеев А.А, Евстигнеев A.C. Подадаева A.A., Поляков С.А., Требоганов H.A. Конструкция 4-х канального приемо-передающего модуля для боротовой АФАР // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 2007, вып. 1, с. 94-102

42. Аронов В.Л., Евстигнеев A.A., Евстигнеев A.C. Подадаева A.A., Поляков С.А., Требоганов H.A. патент №2380803 приоритет от 23.04.2008

43. Евстигнеев A.A. Мощный широкополосный усилитель для комплексированных систем радиолокации и связи. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 2009, вып. 2, с. 73-77.119