Многочастотные взаимодействия во входных СВЧ устройствах радиоприёмного тракта с учётом собственных шумов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

АВЕРИНА Лариса Ивановна

МНОГОЧАСТОТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВО ВХОДНЫХ СВЧ УСТРОЙСТВАХ

РАДИОПРИЁМНОГО ТРАКТА С УЧЁТОМ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

1 9 Д£К 20)3

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Воронеж-2013

005544370

005544370

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Бобрешов Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: Неганов Вячеслав Александрович,

доктор физико-математических наук, профессор, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, кафедра основ конструирования и технологии радиотехнических систем, заведующий

Захарченко Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный университет, кафедра радиофизики, профессор

Базарский Олег Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина (г. Воронеж), профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского»

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 1230 на заседании диссертационного совета Д. 212.038.10 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская площадь, 1, ауд. 428.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «2.1» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

МАРШАКОВ В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ многочастотных взаимодействий в нелинейных системах, как с сосредоточенными, так и с распределёнными параметрами занимает важное место в современных радиофизических исследованиях. К ним, в частности, можно отнести получившие в настоящее время наибольшее распространение транзисторные усилители СВЧ диапазона и преобразователи частоты на различных полупроводниковых элементах. Эти устройства широко применяются в современной аппаратуре радиолокации, радиосвязи, радионавигации и телевидения. Поэтому различные задачи, связанные с многочастотным взаимодействием в данных устройствах, довольно содержательны, разнообразны и сводятся к поиску путей уменьшения нежелательных последствий нелинейных эффектов. Постоянно возрастающие требования к показателям качества передачи, приёма и обработки информации в современных радиокомплексах в связи с использованием многопозиционных сигналов со многими поднесущими, увеличением частотных диапазонов также стимулируют интенсивную деятельность в этом направлении. К тому же резкое увеличение количества радиосредств обострило проблему электромагнитной совместимости (ЭМС), что повысило интерес к многочастотным явлениям.

Проблема обеспечения электромагнитной совместимости является актуальной из-за несовершенства технических характеристик радиоэлектронных средств и их сосредоточения на ограниченной территории. Одним из решений этой важной проблемы является снижение восприимчивости к радиопомехам приёмных трактов. В настоящее время на входе приёмных СВЧ систем используют малошумящие усилители (МШУ) - транзисторные, параметрические - и смесители или преобразователи частоты на диодах, биполярных и полевых транзисторах, выполненные в виде отдельных самостоятельных блоков. Наиболее широкое распространение получили малошумящие транзисторные усилители. Преимуществом этих приборов, особенно гетероструктурных, является достаточно большой коэффициента усиления и довольно низкий коэффициент шума, как в сантиметровом, так и в миллиметровом диапазоне волн. Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) используются в основном в наземных системах спутниковой связи и прослушивания галактики. Что касается преобразователей частоты, то выбор нелинейного полупроводникового элемента, на котором строится устройство, определяется заданными значениями коэффициента передачи, коэффициента шума, энергетических затрат, а также уровнем допустимых нелинейных продуктов на его выходе. Моделированию и расчету параметров полупроводниковых СВЧ усилителей и смесителей, а также исследованию их характеристик, на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций. Однако большинство работ связано либо с улучшением параметров этих устройств, которые обеспечивают выполнение функций усиления и преобразования частоты слабого сигнала, либо со схемотехническими проблемами. Таким образом, проблема разработки научных основ моделирования и анализа многочастотных и шумовых процессов в нелинейных полупроводниковых радиоприёмных устройствах, создания методик расчёта их основных параметров ЭМС является актуальной.

Для анализа многочастотных взаимодействий и оптимизации работы устройств в помеховой обстановке необходимо иметь математические модели, строго описывающих нелинейные эффекты в избирательных цепях, СВЧ усилителях и смесителях на основе различных полупроводниковых элементов. Для построения таких моделей в данной работе использован метод функциональных рядов Вольтерры, пред-

ложенный в работах Н. Винера и развитый трудами Б. М. Богдановича, Ю. Л. Хо-тунцева, Е. А. Волкова, С. Мааса, Д. Педро и других исследователей, который определяет явную связь отклика и входного воздействия через ядра и-го порядка. Причём, если устройство описывается нелинейной зависимостью, то ядра являются стационарными, если нелинейно-параметрической, то ядра будут нестационарны. Выбор метода обусловлен тем, что он является аналитическим и позволяет наглядно показать вклад как прямых, так и повторных нелинейных взаимодействий в формирование нелинейного эффекта в целом.

При моделировании на структурном уровне полупроводниковые элементы представляется в виде эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами, которые учитывают их нелинейные и шумовые свойства. К сожалению, существующие эмпирические зависимости для нелинейных характеристик транзисторов и диодов не всегда позволяют достоверно проанализировать такие явления, как интермодуляция. Поэтому актуальным является разработка и выбор функциональных нелинейных зависимостей для характеристик различных полупроводниковых элементов, адекватно описывающих их работу в режиме несущественной нелинейности, а также развитие и разработка методик определения линейных, нелинейных и шумовых параметров выбранных моделей.

Значительное увеличение количества радиосредств, их комплексирование при размещении на ограниченных площадях (корабль, самолёт, ракета и др.), требует поиска конкретных путей значительного увеличения динамического диапазона радиоприёмной техники. При этом актуальной задачей является как исследование возможных конструктивных усовершенствований устройств, так и разработка способов адаптации преселектора, МШУ и смесителей за счёт изменения режимов работы, позволяющих реализовать возможность совместной работы радиосредств в сложной электромагнитной обстановке.

Если верхняя граница динамического диапазона радиоприёмного тракта определяется уровнем допустимых нелинейных искажений на его выходе, то нижняя его граница определяется чувствительностью устройства, которая в свою очередь зависит от коэффициента шума. Коэффициент шума входного устройства, как известно, определяется как собственными шумами усилителя, так и собственными шумами смесителя. Собственные шумы в полупроводниковых элементах имеют разную физическую природу и статистические характеристики. К тому же смеситель исходно является нелинейным устройством, а усилитель становится таковым при воздействии мощной помехи. Поэтому актуальной является задача теоретического анализа нелинейного взаимодействия интенсивной сосредоточенной помехи с собственными шумами транзисторного усилителя, разработки методики расчёта двухсигнального коэффициента шума усилителей, а также анализа шумовых характеристик усилителей и смесителей при изменении условий функционирования.

Незавершённость исследований рассматриваемой тематики подтверждается большим количеством публикаций и видным местом, которое занимает данная проблема в научных программах и конференциях. Поэтому актуальным является проведение целенаправленного теоретического и экспериментального исследования, позволяющего всесторонне проанализировать многочастотные процессы взаимодействий в полупроводниковых устройствах с учётом собственных шумов и разработать более совершенные входные тракты СВЧ радиоприёмников.

Целью диссертационной работы является развитие методов моделирования и анализа многочастотных процессов нелинейного взаимодействия с учётом соб-

ственных шумов во входных устройствах радиоприёмников СВЧ диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов, и применение этих методов для разработки устройств с расширенным динамическим диапазоном. Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее цели:

- разработка нелинейных эмпирических зависимостей вольт-амперных и вольт-кулоновских характеристик биполярного транзистора с гетеропереходом и диода с барьером Шоттки для анализа слабо нелинейных эффектов; выбор оптимальной эмпирической модели гетероструктурного полевого транзистора, адекватно описывающей его работу в активном и пассивном режимах;

- разработка и реализация аналитических методик определения линейных и нелинейных параметров моделей полевого и биполярного транзисторов и диода из экспериментальных данных;

- построение математических моделей на основе стационарных рядов Вольтерры для теоретического анализа многочастотных взаимодействий в нелинейных динамических СВЧ устройствах, позволяющих проанализировать вклад прямых и повторных взаимодействий в общий нелинейный эффект третьего порядка;

- построение математических моделей на основе нестационарных рядов Вольтерры для теоретического анализа многочастотных взаимодействий в нелинейно-параметрических динамических СВЧ устройствах;

- исследование влияния различных схемных параметров полупроводниковых СВЧ устройств на их нелинейные многочастотные характеристики с целью расширения динамического диапазона радиоприёмника;

- разработка методики расчёта коэффициента шума параметрических СВЧ устройств, учитывающей корреляцию источников собственных шумов;

- построение математических моделей для теоретического анализа нелинейного взаимодействия помехи с собственными и внешними шумами транзисторных СВЧ усилителей;

- исследование влияния различных схемных параметров полупроводниковых СВЧ устройств на их шумовые характеристики с целью увеличения чувствительности приёмного тракта.

Методы исследования. В работе использованы методы линейного и нелинейного анализа, математического и компьютерного моделирования, методы теории электрических цепей и сигналов, численные и статистические методы расчета и анализа.

Научная новизна работы определяется развитием методов моделирования и анализа нелинейных многочастотных взаимодействий с учётом собственных шумов во входных радиоприёмных устройствах СВЧ диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов. Научная новизна, в частности, заключается в следующем:

- разработаны эмпирические зависимости вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и диода для анализа слабо нелинейных эффектов. При этом в качестве основы предлагается выбирать аппроксимирующие функции для зависимостей производной крутизны транзистора и производной проводимости диода от приложенных напряжений. Предложена эмпирическая модель вольт-кулоновской характеристики диода с барьером Шотгки, позволяющая адекватно описывать поведение ёмкости варикапа и её производных как при отрицательных, так и при положительных смещениях;

- разработаны аналитические методики и выведены основные соотношения для определения коэффициентов разложения нелинейных характеристик биполярного и полевого транзисторов и диода на основе экспериментальных измерений;

- на основе стационарных и нестационарных рядов Вольтерры с использованием метода нелинейных токов построены математические модели, позволяющие проанализировать формирование нелинейных продуктов третьего порядка в перестраиваемых полосовых фильтрах, транзисторных и параметрических усилителях, смесителях. С помощью данных моделей показан вклад повторных взаимодействий в конечный нелинейный эффект, объяснено существование минимумов в интермодуляционных характеристиках данных устройств и явление перехода от антиблокирования к блокированию;

- на основе конверсионных матриц и теории циклически стационарных шумов разработана методика и выведены основные соотношения для расчёта коэффициента шума параметрических полупроводниковых СВЧ устройств, учитывающая корреляцию источников собственных шумов;

- на основе стационарных рядов Вольтерры построены математические модели для теоретического анализа нелинейного взаимодействия помехи с собственными и внешними шумами транзисторных СВЧ усилителей. С помощью разработанных моделей проанализировано поведение каждого шумового источника как биполярного, так и полевого транзисторов в присутствии интенсивной помехи;

- исследовано влияния различных схемных параметров полупроводниковых СВЧ устройств на их многочастотные и шумовые характеристики.

Достоверность результатов диссертации. Достоверность теоретических результатов обеспечивается строгостью математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям, соответствием результатов расчёта эксперименту. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением аттестованной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных современными численными методами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Эмпирические зависимости для вольт-амперных и вольт-кулоновских характеристик диода и биполярного транзистора, позволяющие адекватно описывать нелинейные многочастотные взаимодействия в устройствах на их основе.

2. Аналитические методики определения коэффициентов разложения нелинейных характеристик биполярного и полевого транзисторов и диода на основе экспериментальных данных.

3. Математические модели и результаты теоретического анализа многочастотных взаимодействий в СВЧ усилителях и смесителях на основе стационарных и нестационарных рядов Вольтерры.

4. Методика расчёта коэффициента шума параметрических полупроводниковых СВЧ устройств, учитывающая корреляцию источников собственных шумов, на основе конверсионных матриц и теории циклически стационарных шумов.

5. Математические модели и результаты теоретического анализа нелинейного взаимодействия сосредоточенной помехи с собственными и внешними шумами транзисторных СВЧ усилителей.

6. Совокупность теоретических и экспериментальных исследований влияния схемных параметров и режима работы по постоянному току перестраиваемых полосовых фильтров, СВЧ усилителей и смесителей, построенных на базе различных

полупроводниковых элементов, на их многочастотные и шумовые характеристики.

Теоретическая значимость работы. Разработанные в диссертации математические модели позволяют с единых позиций проанализировать и установить закономерности и особенности многочастотных процессов нелинейных взаимодействий с учётом собственных шумов во входных радиоприёмных устройствах СВЧ диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов.

Практическая значимость работы. Разработанные эмпирические зависимости для твердотельных элементов могут применяться при расчёте нелинейных многочастотных характеристик входных модулей радиоприемных устройств. Предложенные методы определения параметров будут полезны при формировании адекватных моделей транзисторов и диодов, а также СВЧ устройств на их основе. Для перестраиваемых полосовых фильтров предложенные способы уменьшения интермодуляционных искажений позволят выбрать необходимый диапазон управляющих напряжений и схемы включения варикапов исходя из допустимых уровней нелинейных искажений на выходе фильтра и увеличения количества элементов его схемы. Результаты, полученные в работе, определяют подходы по выбору режима работы по постоянному току транзисторных СВЧ усилителей для улучшения их характеристик электромагнитной совместимости. Проведённые исследования параметрических устройств -трёх типов смесителей и параметрического усилителя - позволяют выбрать их режим работы по постоянному току и уровень подаваемого гетеродина с целью улучшения нелинейных многочастотных и шумовых характеристик. Из-за учёта взаимного влияния каскадов радиоприемного тракта усилитель-смеситель при выборе элементной базы можно улучшить ЭМС характеристики тракта за счет компенсации интермодуляционных составляющих. Предложенные методики расчёта коэффициента шума параметрических устройств и двухсигналыюго коэффициента шума транзисторных усилителей позволят разработчикам радиоэлектронных средств проектировать устройства с заданными характеристиками. Прикладные задачи, решённые на основе разработанных моделей и алгоритмов, представляют самостоятельный научный и практический интерес с точки зрения совершенствования радиоэлектронной аппаратуры при использовании в сложной электромагнитной обстановке.

Полученные результаты использовались в учебном процессе кафедры электроники ВГУ, в федеральных целевых программах «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 14.740.11.1081, соглашение № 14.В37.21.0620), «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 14.514.11.4079), а также в ряде серийно выпускаемых приёмовозбудителей с цифровой обработкой сигналов в ОАО «Концерн «Созвездие».

Апробация результатов работы. Основные материалы по всем разделам диссертации докладывались на следующих симпозиумах и конференциях: Всесоюзной научно-технической конференции «Развитие и внедрение новой техники радиоприёмных устройств и обработки сигналов»: Горький, 1989; Всесоюзной научно-технической конференции «Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств»: Киев, 1991; республиканской научно-технической конференции "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости": Винница, 1991; Всесоюзном симпозиуме «Проблемы электромагнитной совместимости технических средств»: Суздаль, 1991; Всероссийской конференции "Информационные технологии и системы": Москва, 1995; научно-технической конференции "Направления

развития систем и средств связи": Воронеж, 1996; международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи": Воронеж, 1997; Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика»: Зеленоград, 1997; международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении»: Воронеж, 2000; Всероссийской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов»: Санкт-Петербург, 2000; международной конференции «Беспроводные системы телекоммуникаций»: Воронеж, 2000; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники»: Таганрог, 1995 - 1998, 2000, 2006; Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности: Санкт-Петербург, 2008; международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов»: Казань, 2007, Самара, 2008, Санкт-Петербург, 2009, Самара, 2011, Екатеринбург, 2012; международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Санкт-Петербург, 1997, 2003, 2007, 2009, 2011; международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь": Воронеж, 1998 - 2004, 2006 - 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 99 работ. Из них 27 статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 67 работ - публикации докладов в трудах всероссийских и международных конференций.

Личный вклад автора. Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту, и составляющих научную новизну работы, получены автором лично. В статьях и докладах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка задач, выбор методов их решения, ряд аналитических результатов, физическая интерпретация результатов, разработка методик и алгоритмов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка. Общий объём диссертации составляет 379 страниц, включая 152 рисунка на 94 страницах, 4 таблицы на 3 страницах и библиографического списка из 337 наименований на 32 страницах.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели, основные задачи исследования, изложена научная новизна полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту. Также отмечено практическое значение работы и приведены сведения об апробации работы, основных публикациях и структуре диссертации.

Первая глава посвящена нелинейному моделированию полупроводниковых СВЧ элементов - диода, гетероструктурных полевого и биполярного транзисторов. При проектировании и анализе полупроводниковых радиоэлектронных средств обычно используется структурное моделирование, когда устройство представляется в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными и распределёнными параметрами, которые отражают внутреннюю структуру и физические особенности исходного объекта. Для учёта нелинейных свойств устройства параметры эквивалентной схемы задаются в виде зависимостей от напряжений, которые аппроксимируются заранее выбранными аналитическими функциями. Вид этих функций может быть получен как из анализа физики работы устройства, так и путём экспертного подбора. Главные недостатки физических зависимостей - большое количество параметров и недостаточная

точность. Параметры эмпирических зависимостей определяются из измеренных характеристик устройства. Поэтому точность эмпирического моделирования зависит как от точности эксперимента, так и от корректности процесса извлечения параметров. К тому же, адекватно описывая одни характеристики устройства, эмпирические зависимости могут оказаться неприменимыми при анализе каких-либо других его характеристик. Так, например, при расчёте многочастотных эффектов в полупроводниковых устройствах в режиме несущественной нелинейности необходимо задавать коэффициенты ряда Тейлора нелинейных характеристик элемента, которые являются значениями производных этих характеристик в рабочей точке. Поэтому для адекватного описания многочастотных нелинейных взаимодействий в устройстве эмпирические зависимости должны достаточно точно описывать не только нелинейные характеристики элемента, но и поведение их высших производных. Очевидно, что для увеличения точности анализа наилучшей аппроксимацией для данного случая будет результат интегрирования функции, которая аппроксимирует одну из высших производных.

В работе рассматриваются эквивалентные схемы основных нелинейных полупроводниковых элементов, проводится анализ имеющихся на данный момент эмпирических зависимостей для их вольт-амперных и вольт-кулоновских характеристик с точки зрения адекватности применения для анализа многочастотных эффектов, предлагаются эмпирические зависимости для тока диода и тока коллектора биполярного транзистора.

Для большинства СВЧ полевых транзисторов, работающих в типовых электрических режимах, нелинейные свойства определяются, в основном, за счёт нелинейной зависимости заряда под затвором и нелинейной зависимости тока стока транзистора от смещающих напряжений на затворе и стоке. В современных пакетах схемотехнического проектирования имеется достаточно большой набор эмпирических моделей как традиционного, так и гетероструктурного полевого транзистора. В работе проведён анализ этих эмпирических моделей с точки зрения адекватности описания ими нелинейных многочастотных эффектов в режиме несущественной нелинейности. В результате анализа установлено, что для достоверного расчёта многочастотных характеристик устройств на основе традиционных полевых транзисторов, работающих в активном режиме, в качестве эмпирических зависимостей необходимо выбирать либо модель Мааса-Нейлсона (Maas-Neilson), либо модель Паркер-Скеллера (Parker-Skellerri) для аппроксимации тока стока. Для гетероструктурных полевых транзисторов наиболее адекватными являются модели Ангелова (Angelov) для GaAs транзисторов и Педро (Pedro) для GaN транзисторов. Что касается эмпирических зависимостей для заряда под затвором, то здесь наилучшими являются аппроксимации Ангелова и Педро. Также показано, что в настоящее время имеется только одна эмпирическая зависимость для тока стока полевого транзистора - модель Мааса-Вирка (Maas-Virk), которая пригодна для расчёта нелинейных многочастотных характеристик пассивного транзисторного смесителя. Причём она позволяет адекватно описать и кратные, и смешанные производные тока стока несмещённого по стоку полевого транзистора.

Для моделирования биполярного транзистора в настоящее время в основном применяется ж-образная эквивалентная схема, которая и использовалась в данной работе. Нелинейные свойства биполярного транзистора формируются, в основном, за счёт нелинейной зависимости заряда базы и нелинейной зависимости тока коллектора транзистора от смещающих приложенных напряжений. В современных пакетах схемотехнического проектирования имеется достаточно большой набор эмпирических

моделей биполярного транзистора. При этом наибольшее распространение получила модель Гуммеля-Пуна (Ситте1-Рооп), так как все остальные являются её модификацией и вносят лишь небольшие улучшения в точность моделирования. Эта модель построена на основе физических процессов, протекающих в элементе, и достаточно адекватно описывает его различные статические характеристики. Однако найденные на её основе производные неадекватно описывают поведение реальных динамических зависимостей, особенно при больших значениях тока коллектора. Поэтому в работе предлагается эмпирическая зависимость для тока коллектора биполярного транзистора, в том числе и с гетеропереходом, имеющая непрерывные высшие производные и позволяющая достоверно анализировать нелинейные многочастотные взаимодействия в устройствах на его основе (рис.1). Модель разрабатывалась для транзистора, работающего в режиме насыщения, что характерно для малошумящих входных усилителей. Поэтому зависимость тока коллектора /к является одномерной от напряжения база-эмиттер 116э:

1к(и6э) = 2ау [(и6э - Ут1) + ~1п (2созк(а2(.ибэ ~ ^1)))] + 2Ь, [(У6э - Кт2) +

¿;п(2С05й(Ь2(и6э-Кт2)))].

Для получения параметров данной зависимости в качестве функции, аппроксимирующей экспериментальные данные, предлагается выбирать зависимость производной крутизны тока коллектора от напряжения на базе в виде:

ЗтгУбэ) = аха2 • 5сс/г2(а2(У6э - Ут1)) + ЬХЬ2 ■ $еск2(Ь2{и6з - Ут2)).

Зависимость имеет шесть подбираемых параметров аъ а2,Ь1,Ь2,Ут1, Ут2, причём один из них Ут1 определяется как напряжение на базе, при котором производная крутизны имеет максимум. Если производная крутизны транзистора симметрична, то в модели остаётся лишь первое слагаемое. Предложенные аппроксимации справедливы для области напряжений на базе, при которых ток коллектора ещё не достиг насыщения. Если же необходима модель, учитывающая насыщение тока стока, то эмпирическую зависимость необходимо в общем случае дополнить ещё двумя подобными слагаемыми. При этом общее число параметров модели увеличится в два раза.

Так как поведение тока полупроводникового диода определяется похожими физическими процессами, что и для биполярного транзистора, то для описания его ди-

9т1> Ят2

9тЗ

> /

9т ? У / /

!/ / \ •

9т2 / X

—"""

0,7

-4

-20

0,75 0,8 0,85 0,9 {/6„ В

Рис.1 Зависимость крутизны биполярного транзистора и её производных от напряжения смещения на базе: сплошные линии — разработанная модель, пунктирные — модель Гуммеля-Пуиа, точки - данные, полученные из эксперимента

намической вольт-амперной характеристики при анализе многочастотных эффектов в режиме несущественной нелинейности предлагается использовать разработанную зависимость для тока коллектора биполярного транзистора (рис.1). При этом в качестве основы рекомендуется аппроксимирующая функция для зависимости производной проводимости диода. Причём вид предложенной зависимости позволяет применять методы нелинейной регрессии для определения параметров модели.

И, наконец, проводит-

-4

Л

Сд1 'ДЗ

Л

1 (

а.

\1 с »2

ся анализ имеющихся эмпирических зависимостей для барьерного заряда варикапа и указывается, что они достаточно точно описывают поведение ёмкости устройства и её высших производных в инверсном режиме. Это позволяет их использовать при анализе многочастотных взаимодействий в перестраиваемых полосовых фильтрах. Однако в полупроводниковых параметрических усилителях варикап работает при небольших отрицательных смещающих напряжениях. При этом подаваемая мощная накачка

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 £/д, В Рис. 2 Зависимость барьерного заряда варикапа и его производных от приложенного напряжения: сплошные линии - разработанная модель, точки - данные, полученные из эксперимента

может выводить его в область положительных напряжений, больших, чем встроенный потенциал. В этом случае эмпирическая зависимость заряда (или ёмкости) должна быть достоверна и для положительных смещающих напряжений. К сожалению, имеющиеся модели не удовлетворяют данным требованиям. Поэтому в работе предлагается уточнить общеизвестное соотношение для барьерного заряда <?д, введя дополнительную функцию, которая сглаживает кусочную аппроксимацию заряда (рис.2). Это позволяет адекватно описывать поведение ёмкости варикапа и её производных, как для отрицательных, так и для положительных смещений 11Д

УМ

Фв

^((/д) = К06 -\lni_ 1 + е-л(ид-«^)).

Здесь С60 — ёмкость барьера при нулевом смещении, ф6 - потенциал барьера, М- показатель степени ёмкости диода, Л, А - подбираемые параметры.

Вторая глава посвящена методам определение значений линейных элементов эквивалентных схем и параметров нелинейных зависимостей характеристик полупроводниковых СВЧ элементов из экспериментальных данных.

Для определения значений линейных элементов эквивалентных схем в СВЧ диапазоне обычно используются ¿'-параметры устройства, измеренные в широком диапазоне частот при различных смещающих напряжениях. В качестве метода определения

М

(1 - яу-м

используется либо процесс многопараметрической оптимизации, либо прямое извлечение. Хотя прямой метод обычно требует допущения каких-либо пренебрежений, он обеспечивает более реальные, физические результаты, чем оптимизация. После определения значений линейных параметров эквивалентной схемы устройства необходимо определять набор параметров, описывающих нелинейные аналитические зависимости его характеристик. Вид и параметры эмпирической зависимости, предназначенной для расчёта нелинейных многочастотных эффектов, должны быть определены из измеренных на переменном токе нелинейных продуктов высокого порядка. Иначе нельзя говорить о точном количественном расчёте интермодуляционных составляющих с помощью данной модели.

В главе рассматриваются методы прямого определения значений линейных элементов эквивалентных схем диода, биполярного и полевого транзисторов из экспериментально измеренных ¿'-параметров при различных условиях работы, и предлагаются методики прямого определения коэффициентов разложения нелинейных характеристик данных полупроводниковых элементов из высокочастотных измерений.

Сначала рассматривается аналитический метод определения линейных параметров модели полевого транзистора. При этом эквивалентная схема разделяется на две основных части - внутреннюю и внешнюю. Суть метода заключается в нахождении значений сначала всех внешних элементов схемы из ¿-параметров, измеренных в «холодном» режиме, то есть при нулевом питании на стоке. После чего, используя их и ¿■-параметры, измеренные в активном режиме, находятся значения всех внутренних элементов. В работе приводятся основные соотношения, позволяющие связать элементы эквивалентной схемы транзистора с его экспериментально измеренными параметрами, а также анализируются условия, при которых эти параметры должны быть измерены. При этом указывается, что паразитные ёмкости необходимо определять из У-параметров, полученных из ¿-параметров для «холодного» режима в отсечке, то есть при напряжениях Кси = О, Узи < Котс на низких частотах, чтобы пренебречь влиянием индуктивностей. Значения индуктивностей и сопротивлений контактов предлагается определять с помощью высокочастотных ¿'-параметров, измеренных в «холодном» режиме при нулевом, а не положительном, как предлагается в некоторых работах, напряжении смещения на затворе. При этом не будет происходить деградации затвора из-за наличия на нём прямого тока, а также не потребуются дополнительные измерения для определения динамического сопротивления затвора. Для определения внутренних параметров эквивалентной схемы используются ¿-параметры, измеренные уже в активном режиме, то есть при напряжении на стоке больше нуля.

Далее в работе предлагается разработанная методика прямого определения коэффициентов разложения крутизны, выходной проводимости и входной ёмкости ге-теропереходного полевого транзистора из экспериментально измеренных нелинейных характеристик. Её суть заключается в том, что сначала определяется набор нелинейных напряжений или токов высшего порядка, которые выражаются через неизвестные коэффициенты, а затем происходит их сравнение с экспериментально измеренными характеристиками. Для анализа используется аппарат рядов Вольтерры с применением метода нелинейных токов, так как только они дают решения в аналитической форме. При этом выводятся основные соотношения, связывающие коэффициенты разложения нелинейных элементов транзистора с высокочастотными нелинейными продуктами. Так, например, для определения коэффициенты разложения крутизны и выходной проводимости транзистора необходимо измерить уровень вторых и третьих гармоник на его стоке при подаче сначала на его затвор, а затем на его сток гармони-

ческого сигнала. При этом отмечается, что частоты подаваемых сигналов должна быть невысокими для возможности пренебрежения нелинейностью входной емкости, а амплитуды - небольшими для соблюдения условий слабой нелинейности.

Далее рассматривается аналитический метод определения линейных параметров модели биполярного транзистора. Здесь также как и для полевого транзистора, сначала определяются значения всех внешних элементов, а затем - внутренних. В работе приводятся основные соотношения, позволяющие связать элементы эквивалентной схемы транзистора с его экспериментально измеренными параметрами, а также анализируются условия, при которых эти параметры должны быть измерены. После этого рассматривается разработанная методика прямого определения коэффициентов разложения крутизны, входной ёмкости и проводимости гетеропереходного биполярного транзистора из экспериментально измеренных нелинейных характеристик. Она аналогична рассмотренной выше методике для полевого транзистора, при этом выведенные соотношения для вторых и третьих гармоник выходного напряжения соответствуют эквивалентной схеме биполярного транзистора.

И, наконец, рассматриваются основные соотношения и требуемый набор экспериментальных данных для определения линейных и нелинейных параметров эквивалентной схемы СВЧ диода.

На основе рассмотренных и разработанных методик проведено моделирование реальных исследуемых полупроводниковых элементов: гетероструктурного полевого транзистора АТР35143, биполярного транзистора с гетеропереходом ВРР620, диода 0353 и варикапа КВ156. Результаты моделирования представлены в виде таблиц и графических зависимостей от режима работы. Для подтверждения корректности выбранных и разработанных методик экстракции параметров моделей проведён сравнительный анализ рассчитанных и экспериментально измеренных характеристик элементов: ¿'-параметров в диапазоне частот при фиксированном режиме работы и уровня интермодуляционного продукта третьего порядка на частоте 2/г/2 от смещающего напряжения. Ошибка расчётов составила не более 7%, что говорит о возможности применения данных алгоритмов.

Третья глава посвящена теоретическому анализу многочастотных нелинейных эффектов в полупроводниковых СВЧ устройствах на основе стационарных рядов Вольтерры.

Основная задача, которая решается в рамках теории электромагнитной совместимости, это получить отклик устройства на многочастотное входное воздействие в условиях, когда процесс преобразования сигнала является нелинейным. Отклик системы на входное воздействие содержит информацию о том, как зависят параметры выходного сигнала от частоты и амплитуды помех, которые действуют на вход. Данные зависимости представляют собой нелинейные многочастотные параметры и характеристики устройства, которые и рассматриваются в начале данной главы. Одними из основных характеристик при этом являются характеристики, описывающие явление интермодуляции и блокирования.

Многочастотная нелинейная теория твердотельных СВЧ устройств обычно строится на анализе моделей этих устройств, рассмотренных в главах 1 и 2, с помощью нелинейных методов теории цепей. При работе устройств в режиме несущественной нелинейности широко применяется метод нелинейных токов с использованием аппарата функциональных рядов Вольтерры. Поэтому вторая часть данной главы посвящена основным принципам работы данного метода и математическому аппарату, который он использует.

Далее на основе рассмотренного метода нелинейного анализа строятся полные математические модели, строго описывающие нелинейные эффекты третьего порядка во входных избирательных цепях и транзисторных СВЧ усилителях на основе различных полупроводниковых элементов для дальнейшей оптимизации их работы в помеховой обстановке. Метод рядов Вольтерры позволяет наглядно показать вклад как прямых, так и повторных нелинейных взаимодействий в формирование многочастотного эффекта в целом.

Сначала теоретически анализируются нелинейные преобразования многочастотных сигналов в перестраиваемых полосовых фильтрах, которые строятся на основе встречно-последовательного включения двух варикапов. Для этого выводятся соотношения для коэффициентов разложения их совместной ёмкости, из которых видно, что уменьшить нежелательные нелинейные эффекты в таких устройствах можно либо за счёт уменьшения смещающего напряжения на варикапах, либо за счёт уменьшения высокочастотного напряжения на каждом из варикапов. Последнее можно достичь путём применения двойного, тройного и т.д. встречно-последовательного соединения варикапов.

Далее, основываясь на теоретическом анализе, с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных измерений рассматривается возможность уменьшения интермодуляционных продуктов в перестраиваемых полосовых фильтрах, как за счёт подбора диапазона изменения управляющего напряжения, так и за счёт применения последовательного соединения нескольких пар варикапов. Для этого были промоделированы и изготовлены схемы фильтров с одинарным, двойным и тройным встречно-последовательным включением варикапов и рассчитаны и измерены их интермодуляционные характеристики при различных условиях работы. В результате анализа было установлено, что при изменении напряжения смещения на варикапах с 4 до 14В уровень интермодуляционного продукта уменьшается на 14дБ. Для схемы с двойным встречно-последовательным включением варикапов уровень интермодуляционного продукта уменьшается на 17-19 дБ. И, наконец, использование тройного встречно-последовательного включения варикапов позволило уменьшить уровень комбинационных продуктов третьего порядка на 25-27 дБ. При этом потери увели-чись на 0,5 дБ. Кроме описанных выше методов также были промоделированы схемы фильтров со встречно-параллельными диодами в цепях управляющих напряжений. Введение диодов позволяет повысить импеданс для низкочастотных составляющих, практически не изменяя сопротивление цепи по постоянному току. Однако оказалось, что эффективность данного метода зависит от частотной расстройки помех. В результате анализа установлено, что при расстройках менее 1МГц введение встречно-параллельных диодов в цепи управляющих напряжений дает выигрыш порядка 15-20 дБ. При увеличении расстройки эффективность уменьшения интермодуляционных составляющих резко падает. Поэтому данный подход целесообразен при ожидаемых частотных расстройках 0,5-1 МГц.

В следующем разделе анализируются многочастотные взаимодействия в режиме несущественной нелинейности в транзисторных СВЧ усилителях. Сначала рассматривается усилитель на гетероструктурном полевом транзисторе, для которого на основе рассмотренной ранее модели транзистора с использованием метода нелинейных токов и рядов Вольтерры выводятся соотношения для нелинейных составляющих выходного напряжения. Из полученных выражений установлено, что в СВЧ усилителе на полевом транзисторе при многочастотном нелинейном взаимодействии может происходить взаимная компенсация нелинейных продуктов, генериру-

емых в цепи затвора и стока, а также компенсация прямых и повторных нелинейных взаимодействий. При этом уровень интермодуляционных составляющих в режиме несущественной нелинейности будет зависеть от знаков и соотношений между коэффициентами разложения нелинейных характеристик транзистора, которые определяются режимом работы по постоянному току, значением входного импеданса и анализируемой частоты. Следовательно, изменяя режим работы транзистора и его входной импеданс, можно добиться значительного ослабления интермодуляционных составляющих.

Аналогичные вычисления были произведены и для СВЧ усилителя на биполярном транзисторе с гетеропереходом. Из полученных выражений для нелинейных составляющих выходного тока можно увидеть, что в СВЧ усилителе на биполярном транзисторе при многочастотном нелинейном взаимодействии может происходить взаимная компенсация нелинейных продуктов, генерируемых в цепи базы и коллектора, а также компенсация прямых и повторных нелинейных взаимодействий. Следовательно, изменяя режим работы транзистора и его входной импеданс, можно добиться значительного ослабления интермодуляционных составляющих и для этого типа усилителя. Далее при определённых упрощениях найдены условия, при которых уровень нелинейного продукта третьего порядка достигает минимума. Установлено, что для этого необходимо решить систему уравнений, из которой определяется оптимальное входное сопротивление Ивх и проводимость базы дбз, задаваемая режимом работы транзистора по постоянному току.

1 - К„х<7бэ - /?Яэ5бэ - 4/?йэ562з«вх - 2/?2Яэ25бэ " 2д26зЯт2 = О Явх(С6к + С0) - 2/?^э5бэ(/?Яэ5бэ + д6эЯвх) - /?ДЭ56эЯвх(С6к + С0 + 2/}дйэт) -Квх2£Тбэ(С6к + С0 + 2/?5бэт) = О

В следующем разделе проводится анализ влияния режима работы по постоянному току и входного импеданса транзисторного СВЧ усилителя на его нелинейные многочастотные характеристики. Сначала моделируется усилитель на гетерострук-турном полевом транзисторе и рассчитываются его основные линейные и нелинейные характеристики. В результате анализа установлено, что для каждого заданного значения входного сопротивления существует минимум интермодуляционного продукта при определённых значениях напряжения смещения на затворе. Если же рассматривать параметр 1РЪ, который позволяет одновременно учесть усилительные и нелинейные свойства устройства, то его поведение имеет ярко выраженный максимум при Лвх=20 Ом и {УЗИ=-0.25В для исследуемого МШУ (рис.3). В работе также исследовалось влияние режима работы на ко-

1Рг, дБмВт

Рис.3 Зависимости 1Р3 МШУ па гетерострук-турном полевом транзисторе от напряжения смещения на затворе для различных значений входного импеданса

эффициент блокирования данного усилителя. Установлено, что, во-первых, наибольшее блокирование наблюдается при смещающих напряжениях, где коэффициент усиления максимален. Во-вторых, происходит переход от блокирования к антиблокированию приблизительно при тех же смещениях, где наблюдаются минимумы интермодуляционных продуктов.

Далее моделируется усилитель на биполярном транзисторе с гетеропереходом и рассчитываются его основные линейные и нелинейные характеристики. Для данного усилителя наблюдаются те же эффекты, что и в предыдущем случае: для каждого значения входного сопротивления существует минимум интермодуляционного продукта при определённых значениях тока коллектора, для 1Рз проявляется выраженный максимум при Лвх=260 Ом и /к=3,ЗмА (рис.4), переход от блокирования к антиблокированию происходит приблизительно в той же рабочей точке, где достигается минимум интермодуляционного продукта.

В четвёртой главе проводится теоретический анализ нелинейного взаимодействия многочастотных сигналов в параметрических полупроводниковых СВЧ устройствах на основе нестационарных рядов Вольтерры.

Сначала рассматриваются методы линейного и нелинейного анализа, применяемые для расчёта характеристик СВЧ смесителей и параметрических усилителей. Данные устройства в приёмных трактах обычно работают при больших амплитудах гетеродина (режим существенной нелинейности) и при малых амплитудах сигнала и помехи (режим несущественной нелинейности). Чтобы упростить анализ, устройство приводят к нелинейно-параметрической цепи. Это возможно в том случае, когда один из воздействующих сигналов существенно превосходит остальные. Тогда анализируемое устройство можно рассматривать как нелинейное, параметры элементов которого изменяются под воздействием большого сигнала, например, гетеродина или накачки. При применении существующих методов анализа нелинейно-параметрических цепей реальное устройство заменяется эквивалентным ему нелинейно-параметрическим элементом, параметры которого представляют собой функции известного управляющего переменного напряжения, т.е. функции времени. Данные параметры элемента можно найти путём представления его передаточной характеристики в виде ряда Тейлора, коэффициенты которого раскладываются в ряд Фурье по гармоникам управляющего колебания.

£(0 = ¿!(0 + ¿2 (О + ¿з(0 = лСО^оСО + д2(ФоЮ2 + язСО^оСО3.

1РЪ, дБмВт

Рис.4 Зависимости 1Р} МШУ на биполярном транзисторе с гетеропереходом от тока коллектора для различных значений входного импеданса

5п( О =

1 йп/(К)

п! ¿У

,дп{0 = V

Для анализа работы параметрических устройств в линейном режиме широко применяется метод конверсионных матриц, а для режима несущественной нелинейности - метод нелинейных токов с использованием нестационарных рядов Вольтерры. Поэтому первая часть данной главы посвящена основным принципам работы данных методов и математическому аппарату, который они используют.

Далее на основе рассмотренных методов строятся полные математические модели, строго описывающие многочастотные взаимодействия в полупроводниковых параметрических усилителях и СВЧ смесителях на основе различных полупроводниковых элементов.

Сначала теоретически анализируются нелинейные преобразования многочастотных сигналов в ППУ. Чтобы понять физическую природу многочастотных взаимодействий в ППУ и определить условия их минимизации, в работе выводится и рассматривается соотношение для нелинейного источника тока третьего порядка. В результате анализа установлено, что добиться уменьшения общего интермодуляционного продукта в ППУ можно путём уменьшения либо продукта, образующегося за счёт прямого многочастотного взаимодействия на нелинейности третьего порядка, либо образующегося в результате повторных взаимодействий на нелинейности второго порядка, либо за счёт их взаимной компенсации. Для удовлетворения последнего условия данные продукты должны находиться в противофазе и иметь приблизительно одинаковые значения на анализируемой частоте или в анализируемом контуре. Основываясь на теоретических выводах, рассматривается возможность уменьшения интермодуляционных искажений в полупроводниковом параметрическом усилителе за счёт изменения напряжения смещения на варикапе и уровня подаваемого сигнала накачки (рис.5). При этом моделируется и рассчитывается как одноконтурный, так и двухконтурный усилитель. Рассчитанные характеристики для обоих типов устройств ведут себя аналогично. В результате анализа установлено, что для каждого фиксированного значения амплитуды накачки можно подобрать смещение на варикапе, где коэффициент усиления будет максимален. Также можно подобрать смещающее напряжение, чтобы минимизировать

-4,2 -3,7 -3,2 -2,7 -2,2 -1,7 [7Д> . Рис.5 Зависимости коэффициента усиления (пунктирные кривые) и уровня иптермодуляциониого продукта третьего порядка (сплошные кривые) от напряжения смещения па варикапе для одноконтурного ППУ при различных значениях амплитуды накачки

интермодуляционный продукт. К сожалению, эти два напряжения не совпадают между собой, что не позволяет выбрать оптимальный по двум критериям режим работы усилителя. Отличие двухконтурного усилителя от одноконтурного заключается в наличии дополнительного контура холостого хода, обладающего собственными потерями. Поэтому в работе было проанализировано влияние сопротивления контура холостого хода на одночастотные и многочастотные характеристики устройства. Из полученных результатов установлено, что, во-первых, с ростом потерь в контуре холостого хода уменьшается и коэффициент усиления ППУ, и уровень интермодуляционного продукта в нём. Во-вторых, также как и для одноконтурного усилителя, можно подобрать амплитуду накачки, где уровень нелинейных искажений будет минимален. Причём, значение этой амплитуды не зависит от сопротивления контура холостого хода. И, в третьих, для двухконтурного ППУ также существует амплитуда накачки, при которой усиление устройства максимально. Значение этой амплитуды также не зависит от сопротивления контура холостого хода.

В следующем разделе рассматриваются нелинейные многочастотные взаимодействия в СВЧ смесителях. Сначала анализируется влияние учёта смешанных производных передаточной функции полевого транзистора на результаты расчёта интермодуляционных характеристик пассивного смесителя. При этом выводится соотношение для нелинейной составляющей тока стока третьего порядка для данного устройства: ¿с3(0 = 25с2(0Ыси1(0Ыси2(0 + 5тс(0("зи1(0"си2(0 + Изи2(0"си1(0)

+ 5т2с(0"си1(0"з2и1(0 +5те2(0"зи1(0"?и1(0 + 5сз(0"си1(0-

Установлено, что учёт смешанных производных сдвигает минимум интермодуляционной характеристики и немного повышает уровень нелинейного продукта (рис.6). При этом характеристика приближается к экспериментально измеренным данным. Из проведённого исследования следует, что для получения количественно и

качественно более точного результата при расчёте многочастотных взаимодействий в резистивном смесителе необходимо раскладывать нелинейную зависимость тока стока транзистора в двумерный ряд Тейлора. Затем, на основе выведенных соотношений анализируются многочастотные эффекты в смесителях на транзисторах. При этом установлено, что получить значительного уменьшения продуктов третьего поряд-Рис.6 Зависимость уровня интермодуляционного про- ка при многочастотном дукта третьего порядка от напряжения смещения на взаимодействии в смеси-затворе пассивного смесителя на полевом транзисто- телях на транзисторах ре, рассчитанная без учёта (кривая 1) и с учётом можно лишь за счёт вза-(кривая 2) смешанных производных разложения тока имной компенсации нели-стока. Точки - экспериментальные данные нейных продуктов, обра-

зованных на одной и той же нелинейности в результате прямых и повторных взаимодействий.

В следующем разделе исследуется влияние режима работы устройства и уровня подаваемого гетеродина на нелинейные многочастотные характеристики смесителей, построенных на различных полупроводниковых приборах, с целью минимизации интермодуляционных искажений в них. Анализ проводится методом нелинейных токов и нестационарных рядов Воль-терры с использованием разработанных и выбранных моделей нелинейных элементов. Сначала рассматривается диодный балансный смеситель, для которого уровень интермодуляционного продукта при определённом значении гетеродина (около 1 ЗдБмВт) достигает минимума (рис.7). Коэффициент передачи устройства при этом практически максимален. Это позволяет подобрать оптимальный режим работы смесителя при наличии помех.

Далее анализируется пассивный резистивный смеситель на полевом транзисторе. Для него установлено, что увеличение уровня гетеродина увеличивает коэффициент передачи смесителя и уменьшает уровень продуктов нелинейных многочастотных взаимодействий независимо от смещающего напряжения на транзисторе. Однако увеличение уровня гетеродина приводит к значительным дополнительным энергетическим затратам. Поэтому, чтобы их уменьшить, следует более тщательно подходить к выбору режима работы смесителя по постоянному току. То есть необходимо задавать такое смещение на затворе транзистора, при котором минимумы интермодуляционных продуктов или максимумы 1Р3 достигаются при меньших уровнях гетеродина. Если же задан высокий уровень допустимых интермодуляционных искажений, то необходимо выбирать менее энергозатратный режим работы смесителя. И, наконец, аналогичные исследования были проведены для активного СВЧ смесителя на биполярном транзисторе. Результаты анализа показали, что значения гетеродина, при которых активный смеситель обеспечивает желаемый коэффициент передачи, значительно меньше, чем значения гетеродина пассивных смесителей. Также для данного смесителя можно наблюдать минимумы в интермодуляционных характеристиках при определённых значениях тока коллектора. Значение мощности нелинейного продукта в этих минимумах значительно больше, чем для пассивных смесителей. Это говорит о достаточно небольшом динамическом диапазоне по интермодуляции активного смесителя, что также подтверждается низким уровнем 1Р3. Из анализа характеристик можно увидеть, что с ростом постоянной составляющей тока коллектора коэффициент передачи смесителя падает, а потери по питанию при этом возрастают. Данное

Рис.7 Зависимость коэффициента передачи (пунктирная кривая) и уровня иптермодуляциониого продукта третьего порядка (сплошная кривая) от мощности гетеродина для диодного балансного смесителя

уменьшение коэффициента передачи можно объяснить тем, что с увеличением значения смещающего напряжения передаточная характеристика биполярного транзистора становится более линейной, то есть уменьшаются его преобразовательные свойства.

И, наконец, в данной главе рассматриваются механизмы формирования интермодуляционных продуктов во входном радиоприёмном тракте усилитель-смеситель. На основе анализа выведенных соотношений установлено, что для минимизации общего интермодуляционного продукта необходимо подобрать такие фазовые и амплитудные соотношения в тракте, чтобы происходила взаимная компенсация интермодуляционных составляющих, образованных в МШУ и преобразованных смесителем, и интермодуляционных составляющих, образованных в самом смесителе. Для этого необходимо решать соответствующую систему уравнений. То есть для уменьшения интермодуляционных искажений в тракте должны выполняться два условия: противоположности фаз их нелинейных продуктов и равенства их амплитуд.

Для проверки выполнения первого условия в работе проводилось компьютерное моделирование фазовых соотношений усилитель-смеситель для различных структурных схем входных трактов приемника. В качестве малошумящего усилителя исследовались устройства, как на полевых, так и на биполярных транзисторах, для преобразования частоты рассматривались различные типы смесителей: балансный диодный, двойной балансный диодный, активный на биполярном транзисторе с гетеропереходом и двойной балансный на полевых транзисторах. Анализ показал, что противофаз-ность интермодуляционных составляющих достигается при сочетании любого типа МШУ с двойным балансным диодным смесителем. Однако даже в такой структуре разность фаз интермодуляционных продуктов на выходе диодного смесителя зависит как от уровня подаваемого гетеродина, так и от уровня входной мощности помех, что, во-первых, требует дополнительной оптимизации смесителя по уровню гетеродина, а, во-вторых, приводит к ограничению диапазона входных уровней, для которых возможна компенсация.

Для выполнения условия равенства амплитуд нелинейных продуктов, образованных в усилителе и смесителе по отдельности, между ними был введён переменный резистор который выполняет роль аттенюатора. Далее теоретически и экспериментально исследовалось влияние этого сопротивления на интермодуляционные и усилительные характеристики тракта усилитель на полевом транзисторе - двойной балансный диодный смеситель. В результате анализа было установлено, что для заданного значения мощ-

Рис.8 Интермодуляционные характеристики тракта усилитель - двойной балансный смеситель: 1 - структура без Яш, 2 - структура с оптимизированным точки - экспериментальные данные

ности помех на входе существует минимум интермодуляционного продукта при определённой величине Д,„. При этом выигрыш по сравнению с трактом без Яш составил 26дБ при уменьшении общего коэффициент передачи на 5дБ (рис.8). При увеличении мощности помех на входе данный минимум незначительно смещается в сторону больших значений 7?П1.

Чтобы повысить линейность радиоприемного тракта и его общий коэффициент передачи, в качестве преобразователя частоты был выбран модифицированный двойной балансный диодный смеситель, в каждом плече которого последовательно расположены два диода. Данный смеситель обладает большей линейностью по сравнению с рассмотренным выше устройством, однако требует и большего уровня гетеродина. Для данной структуры уменьшение интермодуляционного продукта при введении и подборе составило 27-28дБ при уменьшении общего коэффициент передачи на ЗдБ. Аналогичные теоретические и экспериментальные исследования были проведены для тракта усилитель на биполярном транзисторе - двойной балансный диодный смеситель. В данном тракте за счёт подбора условий работы было получено уменьшение интермодуляционных продуктов третьего порядка на 27-29дБ. Коэффициент усиления при этом понизился на ЗдБ.

В пятой главе анализируются источники собственных шумов и шумовые модели полупроводниковых СВЧ элементов, а также коэффициент шума радиоприёмного тракта. Сначала рассматривается физическая природа собственных шумов твердотельных элементов, их статистические характеристики, теория циклически стационарных шумов в параметрических устройствах, способы представления источников шума в схемах. Далее синтезируются шумовые модели диода, биполярного и полевого транзисторов. Причём последний рассматривается как в активном, так и в пассивном режимах. Анализируются основные соотношения для собственных и взаимных спектральных плотностей источников собственного шума данных полупроводниковых элементов. Указывается, какие источники являются стационарными, а какие циклически стационарны при анализе параметрических устройств на основе данных элементов. И, наконец, на основе представленных выше шумовых моделей рассматриваются и разрабатываются алгоритмы расчёта коэффициентов шума малошумящих усилителей и смесителей, а также анализируются шумовые характеристики исследуемых устройств.

Сначала рассматривается соотношение для коэффициента шума усилителя на полевом транзисторе в терминах его шумовых параметров. При этом определяется связь данных параметров с шумовыми параметрами транзистора, элементами его эквивалентной схемы и частотой. В результате анализа установлено, что шум затвора оказывает влияние на шумовые характеристики транзистора даже на низких частотах. С ростом же рабочей частоты это влияние увеличивается. При этом с учётом шумов затвора значение минимального коэффициента шума уменьшается. Это связано с тем, что корреляция шумовых источников частично компенсирует шумы стока. Что касается частотной зависимости шумовых параметров полевого транзистора, то можно наблюдать практически линейную зависимость минимального коэффициента шума и резкое уменьшение оптимального и шумового сопротивлений с ростом рабочей частоты. При анализе шумовых параметров транзистора в зависимости от режима его работы по постоянному току выявлены следующие закономерности. При приближении смещающего напряжения на затворе к отсечке минимальный коэффициент шума транзистора и его шумовая проводимость уменьшаются. Однако при этом сильно возрастают значения действительной и мнимой частей оптимального

сопротивления сигнала, что создаст дополнительные трудности при согласовании входа транзистора.

Также в работе определяются соотношения для коэффициента шума и шумовых параметров усилителя на биполярном транзисторе через его модельные параметры, которые затем и анализируются. В результате анализа установлено, что корреляцию шумов базы и коллектора необходимо учитывать уже при работе транзистора на частотах выше 1ГГц, а частотной зависимостью шумов базы можно пренебрегать до 15ГГц. При этом с учётом корреляции источников шума значение минимального коэффициента шума уменьшается, так как она частично компенсирует шумы коллектора. Что касается частотной зависимости шумовых параметров биполярного транзистора, то для минимального коэффициента шума и действительной части оптимальной входной проводимости можно наблюдать сначала квадратичную, а затем практически линейную зависимость от рабочей частоты. Мнимая часть оптимальной входной проводимости линейно возрастает по абсолютной величине с ростом частоты. При исследовании зависимости шумовых параметров биполярного транзистора от режима его работы по постоянному току установлено, что при приближении смещающего напряжения на базе к отсечке минимальный коэффициент шума транзистора сначала уменьшается, а затем начинает возрастать, его шумовое сопротивление при этом увеличивается.

В следующем разделе на основе метода конверсионных матриц с использованием теории циклически стационарных шумов разрабатывается методика расчёта коэффициента шума параметрических СВЧ устройств. Её основные этапы заключаются в следующем. Сначала задаётся модель устройства в виде эквивалентной схемы с переменными параметрами и рассчитывается её конверсионная матрица для заданных условий работы - напряжений смещения, уровня и частоты подаваемого гетеродина (накачки). Затем задаются источники собственных шумов устройства, для которых определяются ветви включения в схеме и рассчитываются собственные и взаимные спектральные плотности в виде корреляционных матриц, представляющие собой коэффициенты разложения Фурье по гармоникам гетеродина (накачки). Далее, с помощью методов машинного линейного анализа, рассчитываются коэффициенты передачи частотных составляющих каждого шумового источника. Используя полученные данные и выведенные соотношения, которые представлены в работе, рассчитывается коэффициент шума устройства.

И, наконец, на основе рассмотренных соотношений и разработанных методик расчёта было проанализировано влияние различных параметров СВЧ устройств на их коэффициент шума.

Для транзисторных СВЧ усилителей исследовалось влияние режима работы по постоянному току и входного сопротивления на их коэффициент шума (рис.9). Установлено, что в МШУ на полевом транзисторе коэффициент шума уменьшается с ростом сопротивления источника сигнала. При изменении режима работы усилителя по постоянному току его коэффициент шума начинает сильно возрастать при приближении напряжения смещения на затворе к нулю и к отсечке. Первое явление связано с возрастанием минимального коэффициента шума, а второе - с возрастанием шумового сопротивления и рассогласования входа транзистора по шумам. Исходя из этого, оптимальными с точки зрения шумовых свойств являются режимы работы усилителя, когда его рабочая точка находится на линейном участке вольт-амперной характеристики полевого транзистора. Для усилителя на биполярном транзисторе были получе-

мы аналогичные результаты, только при увеличении сопротивления источника сигнала коэффициент шума устройства наоборот увеличивается.

-0-' и,т В о ™ ад о.« ад» с. ц р

6

Рис9 Зависимость коэффициента шума СВЧусилителя на полевом (а) и биполярном (б) т/нт ни тирах от режима работы по постоянному току при рагтичных точениях входного импеданса

В работе также были рассчитаны и проанализированы шумовые характеристики тр£х типов смесителей: балансного диодного, пассивного на полевом транзисторе и активного на биполярном транзисторе. На основе проведенных исследований даны рекомендации по оптимальному выбору режима работы по постоянному току и уровню подаваемого гетеродина с точки зрения усилительных и шумовых свойств.

Далее проводится расчет и анализ шумовых характеристик полупроводникового параметрического усилителя. Для одноконтурного усилителя коэффициент шума определяется только значением последовательного сопротивления варикапа и не зависит от других параметров устройства. Для двухкоитуриого ПНУ ощутимым становится вклад шумового источника контура холостого хода. С увеличением сопротивления -»того контура коэффициент шума устройства уменьшается, однако при этом палает и коэффициент усиления. Максимл.эмнм- *шячпшс коэффициент шума принимает при больших значениях амплитуды накачки, где и коэффициент усиления максимален. Однако при уменьшении значения амплитуды накачки коэффициент шума уменьшается медленнее и достигает насыщения. Для таких амплитуд определяющую роль начинают играть шумы последовательного сопротивления варикапа. Что касается влияния напряжения смещения на варикапе на шумовые свойства усилителя, то при его увеличении по абсолютной величине максимум коэффициента шума будет возрастать с ростом коэффициента усиления.

В шестой 1.1апс рассматриваются шумовые характеристики транзисторных СВЧ усилителей при многочастотном воздействии.

Сначала разрабатывается методика анализа нелинейного взаимодействия интенсивной сосредоточенной помехи с собственными шумами транзисторных СВЧ усилителей. Шумовой ток представляется случайным процессом, который является суперпозицией гармонических колебании со случайными амплитудами и фазами. В данном представлении реальный процесс, имеющий спектральную плотность 5(ш) в полосе Дш, заменяется некоторым эквивалентным случайным процессом, который прелстав-

ляет собой суперпозицию N гармоник со случайными начальными фазами и средним квадратом амплитуд, равным 5(«)Дш/Ы.

Чтобы провести многочастотный анализ работы усилителя в режиме несущественной нелинейности с учётом собственных шумов, используется метод нелинейных токов на основе стационарных рядов Вольтерры. При расчёте взаимодействия полезного сигнала и помехи с помощью данного метода оба воздействия подаются на вход усилителя. При анализе же собственных шумов усилителя помеха воздействует на вход устройства, а источники шума располагаются во внутренних ветвях схемы. Поэтому, когда рассчитываются ядра первого порядка на частоте помехи, входное воздействие должно находиться в правой части уравнения, описывающего входную ветвь, а, когда происходит расчёт ядер первого порядка шумовых частотных составляющих, то входное воздействие необходимо ставить в правую часть уравнения, описывающего соответствующую ветвь схемы.

Используя данный метод, были выведены соотношения для расчёта изменения спектральных плотностей собственных шумов двух типов транзисторных усилителей - на полевом и на биполярном транзисторах - в присутствии помехи, уровень которой соответствует области несущественной нелинейности усилителя. Данные соотношения позволяют учесть изменение спектральной плотности каждого источника собственных шумов в СВЧ усилителе. Показано, что коэффициент подавления собственных шумов транзисторного усилителя монохроматической помехой зависит от коэффициентов подавления шумов паразитных сопротивлений, коэффициента изменения совместных диффузионных (дробовых) шумов и от их вклада в собственный шум усилителя.

Далее на основе выведенных соотношений сначала анализируется поведение коэффициента изменения собственных шумов усилителя на гетероструктурном полевом транзисторе при наличии на его входе монохроматической помехи. Установлено, что с ростом уровня помехи происходит подавление собственного шума усилителя. При этом шумы паразитных сопротивлений уменьшаются, причём практически одинаково, а совместные шумы затвора и канала незначительно увеличиваются (рис. 10а). Это связано с тем, что источники шумов паразитных сопротивлений находятся на входе транзистора и в полной мере взаимодействуют с помехой. Источник же шума канала находится на выходе устройства. Поэтому его нелинейное взаимодействие с помехой осуществляется лишь на выходной проводимости.

Рис.10 Зависимости коэффициентов подавления различных источников собственных шумов усилителя на полевом транзисторе (а) и па биполярном транзисторе (б) от входной мощности помехи 24

Аналогичные исследования были проведены для усилителя на биполярном транзисторе с гетеропереходом. Для него также установлено, что с увеличением входного уровня помехи происходит подавление собственного шума. Что касается отдельных источников шума, то подавление шумов паразитных сопротивлений базы и эмиттера происходит одинаково, собственные дробовые шумы базы подавляются немного меньше, а вот дробовые шумы коллектора увеличиваются. Это связано с тем, что источники шумов паразитных сопротивлений и базы расположены на входе транзистора и результат их нелинейного взаимодействия с помехой находится в противофазе с линейным продуктом. Источник же шума коллектора находится на выходе устройства. Поэтому результат его нелинейного взаимодействия с помехой синфазеп с линейным продуктом.

В следующем разделе анализируется нелинейное взаимодействие в транзисторных усилителях многочастотных и внешних шумовых сигналов, имеющих естественное или искусственное происхождение. Внешние шумовые источники, в отличие от собственных, преобразуются в усилителе таким же образом, что и сигналы. Поэтому в присутствии монохроматической помехи и уровень сигнала, и уровень составляющих шума изменяются одинаково. Однако наряду с изменением уровня составляющих шума образуются и новые комбинационные составляющие, которые ухудшают выходное отношение сигнал/шум. Поэтому в работе проведено исследование влияния вклада комбинационных составляющих в общую шумовую картину как для усилителя на полевом, так и на биполярном транзисторе.

Так как для обоих типов СВЧ усилителей помеха по разному влияет на изменение уровня собственного шума и уровня усиливаемого сигнала, то существующее различие в подавлении приведёт к изменению коэффициента шума усилителя при воздействии на его вход интенсивной помехи. Поэтому в работе проанализировано изменение коэффициента шума обоих типов входных транзисторных СВЧ усилителей в присутствии монохроматической помехи, уровень которой соответствует режиму несущественной нелинейности. Для обоих типов усилителей двухсигнальный коэффициент шума увеличивается с ростом интенсивности помехи. Наличие комбинационных шумов приведёт к более быстрому его возрастанию.

И, наконец, для комплексной оценки работы входных малошумящих усилителей исследовано влияние режима работы по постоянному току на их шумовые характеристики в присутствии помехи. В результате анализа установлено, что для всех режимов по постоянному току для МШУ на полевом транзисторе определяющим является совместный шум затвора и канала. Однако на линейном участке вольт-амперной характеристики его вклад в общий шум уменьшается. В данном диапазоне смещений коэффициента подавления собственных шумов имеет отрицательное значение, что говорит о существенном вкладе шумов паразитных сопротивлений, которые, как было показано выше, в этом диапазоне смещений подавляются. При других смещающих напряжениях на затворе коэффициент подавления собственных шумов либо стремится к О (режим насыщения тока стока), либо становится положительным (режим, близкий к отсечке). Первое объясняется доминирующим вкладом совместного шума затвора и канала, а второе явление определяется «антиподавлением» шумов паразитных сопротивлений в этом диапазоне.

Аналогичные исследования были проведены и для усилителя на биполярном транзисторе с гетеропереходом. Получено, что для небольших значений тока коллектора доминирующим является шум базы. Однако при увеличении смещающего напряжения на базе его вклад в общий шум уменьшается. Поэтому при малых значе-

ниях тока коллектора коэффициент подавления собственных шумов ведёт себя так же, как и коэффициент подавления шума базы, то есть аналогично коэффициенту блокирования. При увеличении значения тока коллектора начинает проявляться вклад шумов коллектора, которые, как было показано ранее, испытывают явление «антиподавления». Тогда поведение коэффициента подавления собственных шумов уже будет отличаться от коэффициента блокирования. При этом для смещений, близких к отсечке, в присутствии помехи и сигнал, и собственный шум будут испытывать антиблокирование, а при больших значениях тока коллектора - блокирование.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты.

Основные результаты работы

В работе проведён комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на улучшение характеристик электромагнитной совместимости входных трактов приёмников СВЧ диапазона.

1. Предложены эмпирические зависимости для тока коллектора биполярного транзистора, в том числе и с гетеропереходом, и тока диода, имеющие непрерывные конечные высшие производные и позволяющие достоверно рассчитывать многочастотные характеристики устройств на их основе. Модифицирована эмпирическая зависимость для барьерного заряда путём введения сглаживающей функции, что позволяет адекватно описывать поведение ёмкости варикапа и её производных, как для отрицательных, так и для положительных смещений. Установлено, что для достоверного расчёта слабо нелинейных эффектов в устройствах на основе гетероструктурных полевых транзисторов в качестве эмпирических зависимостей для аппроксимации тока стока и заряда под затвором необходимо выбирать модели Ангелова и Педро. При определении параметров данных эмпирических соотношений в качестве дополнительного условия необходимо контролировать поведение высших производных нелинейной зависимости.

2. Рассмотрены и программно реализованы аналитические методы определения линейных параметров моделей полупроводниковых элементов из экспериментально измеренных 8-параметров. Разработаны методики и выведены соотношения, позволяющие достоверно определять параметры модели Вольтерры полевого и биполярного транзисторов, а также диода при прямом и обратном смещении на основе нелинейных высокочастотных измерений. Проведенное моделирование реальных элементов и сравнительный анализ теоретических и экспериментальных многочастотных характеристик устройств на их основе доказали работоспособность рассмотренных и разработанных методик.

3. На основе метода нелинейных токов с использованием аппарата стационарных рядов Вольтерры построены математические модели, позволяющие проанализировать нелинейные многочастотные взаимодействия третьего порядка во входных избирательных цепях и транзисторных СВЧ усилителях. При этом показано, что для достижения минимума интермодуляционного продукта в СВЧ усилителе на биполярном транзисторе необходимо применять оптимальное входное сопротивление и режим работы по постоянному току, рассчитанные с помощью выведенных соотношений.

4. Разработанные способы уменьшения интермодуляционных искажений в перестраиваемых полосовых фильтрах путем выбора оптимального диапазона изменения управляющего напряжения, а также с помощью последовательного соединения нескольких пар варикапов и с использованием диодов в цепях управляющих напряжений позволили улучшить многочастотные характеристики фильтров на 20-25дБ. По-

казано, что за счёт выбора режима работы по постоянному току и входного импеданса транзисторных СВЧ усилителей можно расширить их динамический диапазон по интермодуляции на 4-5дБ.

5. На основе метода нелинейных токов с использованием аппарата конверсионных матриц и нестационарных рядов Вольтерры построены математические модели, которые позволяют проанализировать формирование нелинейных многочастотных продуктов третьего порядка в СВЧ параметрических усилителях и смесителях, показав вклад как прямых, так и повторных нелинейных взаимодействий в формирование многочастотного эффекта в целом. Также доказано, что для получения количественно и качественно более точного результата при расчёте многочастотных взаимодействий в резистивном смесителе необходимо раскладывать нелинейную зависимость тока стока транзистора в двумерный ряд Тейлора.

6. Установлено, что путём подбора амплитуды накачки (или напряжения смещения на варикапе) при заданном напряжении смещения (или амплитуде накачки) можно расширить динамический диапазон полупроводникового параметрического усилителя на 3-4дБ. Показано, что для трёх типов смесителей - диодного балансного, пассивного на полевом транзисторе и активного на биполярном транзисторе с гетеропереходом - за счёт выбора режима работы по постоянному току и уровня подаваемого гетеродина можно улучшить их многочастотные нелинейные характеристики на 5-12дБ.

7. Выведенные соотношения для интермодуляционных продуктов, образующихся во входном радиоприёмном тракте усилитель-смеситель, позволяют найти условия для их минимизации. С помощью компьютерного и натурного экспериментов показана возможность компенсации интермодуляционных составляющих в тракте малошу-мящий усилитель - двойной балансный диодный смеситель за счёт выбора оптимального коэффициента усиления МШУ и уровня гетеродина смесителя. При этом возможное уменьшение интермодуляционного продукта третьего порядка на выходе тракта составляет порядка 26-28 дБ.

8. Синтезированы шумовые модели диода, полевого и биполярного транзисторов, позволяющие рассчитывать шумовые характеристики различных СВЧ полупроводниковых устройств как в линейном, так и в нелинейном режимах. Установлено, что при расчёте коэффициента шума усилителя на полевом транзисторе в СВЧ диапазоне необходимо учитывать индуцированные шумы затвора, а также их корреляцию с шумами канала. Также доказано, что при расчёте коэффициента шума усилителя на биполярном транзисторе в СВЧ диапазоне необходимо учитывать корреляцию источников дробового шума в цепи базы и коллектора. При этом показано, что коэффициент корреляции является частотно зависимой величиной и увеличивается с ростом частоты.

9. Разработана методика и выведены основные соотношения на основе конверсионных матриц и теории циклически стационарных шумов, позволяющие рассчитывать коэффициента шума параметрических полупроводниковых СВЧ устройств с учётом корреляции источников собственных шумов.

10. Проведено исследование влияния различных параметров СВЧ устройств на их шумовые параметры и коэффициент шума, что позволяет указать пути оптимизации их передаточных и шумовых характеристик.

11. Разработана методика анализа нелинейного взаимодействия мощной гармонической помехи с собственным шумом транзисторного СВЧ усилителя и выведены соотношения, позволяющие рассчитывать шумовые характеристики устройства в не-

линейном режиме. В результате анализа установлено, что составляющие собственного шума как в усилителях на полевых, так и на биполярных транзисторах, образованные различными шумовыми источниками, под действием интенсивной помехи изменяются различным образом, причём отличным от изменения мощности сигнала. Данные результаты могут быть использованы для расчёта чувствительности приёмника при наличии интенсивных помех.

12. Показано, что при изменении режима работы СВЧ усилителя по постоянному току изменяются не только коэффициенты подавления различных источников собственных шумов, но и их весовые коэффициенты. Всё это приводит к изменению двухсигнального коэффициента шума устройства.

Таким образом, на основе проведённых исследований получены новые научные результаты, совокупность которых представляет собой научное и практическое достижение, имеющее важное значение для такой области радиофизики как установление закономерностей и особенностей многочастотных процессов нелинейных взаимодействий с учётом собственных шумов во входных радиоприёмных устройствах и построение устройств с расширенным динамическим диапазоном. Список публикаций по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации

1. Алгазинов Э.К. Изменение шумов в усилителе на полевом транзисторе в нелинейном режиме / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов // Радиотехника и электроника. - 1996. - т.41, N11,- С. 1386-1389.

2. Алгазинов Э.К. Влияние электрофизических и геометрических параметров GaAs полевого транзистора с затвором Шотки на нелинейные характеристики входных ма-лошумящих усилителей / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Дыбой// Известия вузов. Электроника. - 1998. - № 6 - С.63-66.

3. Алгазинов Э.К. Коррекция режима работы усилителя на полевом транзисторе при наличии помех / Э.К. Алгазинов, A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина // Электронная техника. Сер. 1, СВЧ-техника. - 1999. - Вып.2(474). - С.36-38.

4. Алгазинов Э.К. Определение S-параметров твердотельного прибора в нелинейном режиме работы / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов// Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. - 2000. -Т.43, N6. - С.33-36.

5. Аверина Л.И. Анализ нелинейных характеристик усилителя на полевом транзисторе с учётом паразитных сопротивлений / Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. - 2000. -Т.43, N9. - С.78-80.

6. Алгазинов Э.К. Шумовые свойства усилителя на НЕМТ-транзисторе в нелинейном режиме / Э.К. Алгазинов, A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, А.И. Лопатин // Известия ВУЗов. Электроника,- 2001,- № 2,- С. 66 - 70.

7. Бобрешов А. М. Влияние напряжений затвора и стока в модели НЕМТ-транзистора на границу линейности малошумящего усилителя / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, А.И. Лопатин // Известия ВУЗов. Электроника,- 2001.- №1.- С. 64 - 69.

8. Аверина Л.И. Моделирование малошумящего усилителя на НЕМТ- транзисторе в нелинейном режиме его работы / Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, А.И. Лопатин // Теория и техника радиосвязи.- 2001.- №1,- С. 51-55.

9. Бобрешов А. М. Моделирование малошумящего усилителя на НЕМТ-транзисторе / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, А.И. Лопатин // Вестник Воронежского университета. Серия: Физика. Математика,- 2001.- №1.- С. 11-24.

10. Алгазинов Э.К. Характеристики нелинейного взаимодействия помехи и собственного шума в транзисторном усилителе / Э. К. Алгазинов, A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. - 2001. - Вып. 1 (477) - С. 17-20.

11. Bobreshov А. М. The Influence of Dependence of HEMT's Model Parameters on Gate and Drain Voltages on Upper Boundary of LNA's Linearity / A.M.Bobreshov, L.I.Averina, A.I.Lopatin // Computers and Electrical Engineering. - 2002. - V.28, N6. - P.643-648.

12. Аверина Л.И. Влияние конструктивных параметров и режима по постоянному току AlGaAs/GaAs биполярных транзисторов с гетеропереходом на нелинейные характеристики входных усилителей / Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Хрипушин // Вестник Воронежского гос. Ун-та. Серия: Физика. Математика,- Воронеж, 2006.-№2,- С. 14-18.

13. Бобрешов A.M. Определение параметров структурных моделей транзистора по экспериментальным данным / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, Г.К. Усков, И.С. Ко-ровченко // Вестник Воронежского гос. Ун-та. Серия: Физика. Математика,- Воронеж, 2006,-№2,-с. 19-23.

14. Бобрешов А. М. Изменение собственного шума усилителя на биполярном транзисторе с гетеропереходом в нелинейном режиме / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, A.B. Хрипушин, Д.А. Макаренко // Известия вузов. Электроника. - 2007. - №4. - С. 15-20.

15. Бобрешов А. М. Оптимизация конструктивных параметров биполярного транзистора с гетеропереходом с целью улучшения помехозащищённости СВЧ усилителя / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, A.B. Хрипушин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2007. - Т. 10, №2. - С. 76 - 80.

16. Аверина Л.И. Влияние температуры на характеристики биполярного транзистора с гетеропереходом / Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, А.И. Курашов // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2008. - Т.51, №12. - С. 26 - 34.

17. Аверина Л. И. Анализ нелинейных эффектов и расчёт характеристик ЭМС СВЧ усилителя на биполярном транзисторе с гетеропереходом / Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Хрипушин // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2009. - Т.52, №4. - С. 38 -45.

18. Аверина Л. И. Применение метода рядов Вольтерры для многочастотного анализа СВЧ усилителей при больших входных воздействиях / Л.И. Аверина, A.B. Тагиев, A.B. Исаев // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2009. - Т. 12, №1,-С. 58 -62.

19. Аверина Л.И. Многочастотные характеристики СВЧ смесителей/ Л.И. Аверина, Ж.В. Шапошникова // Теория и техника радиосвязи. - 2009. - №2. - С. 85-90.

20. Аверина Л. И. Применение аппарата нестационарных рядов Вольтерра для многочастотного анализа полупроводникового параметрического усилителя/ Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, H.H. Мымрикова, A.B. Тагиев, Д.В. Глущенко// Известия вузов. Радиоэлектроника. - Т.53, 2010. - №10. - С. 50 - 56.

21. Аверина Л.И. Уменьшение интермодуляционных искажений во входном радиоприёмном тракте/ Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Исаев, Г.К. Усков // Известия вузов. Радиоэлектроника. - Т.53, 2010. -№12. - С. 40 - 45.

22. Аверина Л.И. Моделирование резистивного смесителя в нелинейном режиме/ Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, Ж.В. Шапошникова // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - Т. 13, 2010. - №4. - С. 51 - 56.

23. Аверина Л.И. Интермодуляционные искажения в перестраиваемых полосовых фильтрах/ Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Исаев // Вестник Воронежского университета. Серия: Физика. Математика. - Воронеж, 2010. - №2. - С.81-88.

24. Аверина JI. И. Шумовые характеристики СВЧ смесителей/ Л. И. Аверина, А. М. Бобрешов, Ж. В. Шапошникова // Вестник Воронежского университета. Серия: Физика. Математика. - Воронеж, 2011. - №1. - С.5-11.

25. Аверина Л.И. Нелинейное моделирование и интермодуляционные характеристики СВЧ смесителей/ Л.И. Аверина // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2011. -№5 - С. 100-107.

26. Аверина Л.И. Экстракция параметров моделей гетероструктурного полевого транзистора/ Л. И. Аверина и др. // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Физика. Математика. - Воронеж, 2012. - №1. - С.5-12.

27. Аверина Л.И. Бесструктурное моделирование усилителей мощности с учётом инерционных свойств / Л.И. Аверина, В.Д. Шутов, P.A. Рыбалкин // Известия вузов. Радиоэлектроника. - Т.56, 2013. -№1. - С. 50 - 57.

Труды Международных и Всероссийских конференций

1. Алгазинов Э.К. Влияние помех на шумовые параметры входных транзисторных каскадов приёмников СВЧ / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов // Научно-техническая конференция "Направления развития систем и средств связи", 23-25 апреля 1996г. - 1996.-Т.З.-С.1163-1165.

2. Алгазинов Э.К. Коррекция режимов работы транзисторного усилителя в присутствии помех / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов // Научно-техническая конференция "Направления развития систем и средств связи", 2325 апреля 1996г. - 1996,- Т.З.- С.1166-1168.

3. Алгазинов Э.К. Оптимизация режима работы транзисторного каскада при наличии помех / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тр.З-й Все-рос.науч.-техн.конф. с междунар.участием, Дивноморское, 8-13 сент.1996г,-1996,- С.105-107.

4. Алгазинов Э.К. Нелинейные режимы в транзисторных усилителях и способы их оптимизации / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов // "Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи", (Воронеж-май-97): Сб.тр.Ш Между-нар.науч.-техн.конф. - 1997.-Т.2.-С.307-313.

5. Автоматизированная система определения параметров нелинейной модели полевого СВЧ-транзистора для анализа и синтеза усилителей на его основе / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Дыбой // 3 Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Сб.науч.докл., 23-27 июня 1997г.- 1997,- Ч.2.- С.194-197.

6. Аверина Л.И. Изменение собственных шумов СВЧ усилителя на ПТШ в режиме насыщения при интенсивном внешнем воздействии// Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тр.4-й Всерос.науч,-техн.конф. с междунар.участием, Дивноморское, 7-12 сент. 1997г.- 1997.- С.74.

7. Алгазинов Э.К. Проблемы проектирования транзисторных СВЧ усилителей с учётом работы их в нелинейном режиме / Э.К. Алгазинов, Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов // IV международная научно-техническая конференция "Радиолокация, навигация и связь", 26-28 мая 1998г. -1998,- Т.З.- С.1253-1257.

8. Аверина Л.И. Влияние паразитных сопротивлений полевого транзистора на нелинейные характеристики усилителя на его основе// Радиолокация, навигация и связь: V международная научно-техническая конференция, 20-23 апреля 1999г. - 1999. - Т.З -С.1474 -1476.

9. Аверина Л.И, Определение параметров модели полевого транзистора из экспериментальных данных // Радиолокация, навигация и связь: VI международная научно-техническая конференция, 25-27 апреля 2000г. - 2000. - Т.З - С.1975-1981.

10. Изменение шумов в усилителе на НЕМТ-транзисторе в нелинейном режиме / Л.И. Аверина, Э.К. Алгазинов, A.M. Бобрешов, А.И. Лопатин // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тр.Седьмой междунар.науч.-техн.конф., Дивноморское, Россия, 17-22 сент.2000г.- 2000. - С.122-124.

11. Бобрешов A.M. Шумовые свойства усилителя на НЕМТ-транзисторе / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, А.И. Лопатин // Сборник докладов Шестой Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». - 2000. - С.300-307.

12. Аверина Л.И. Характеристики нелинейного взаимодействия помехи и шума в многокаскадном усилителе / Л.И. Аверина, Бобрешов A.M., Зверев A.M. // Радиолокация, навигация и связь: IX международная научно-техническая конференция, 22-24 апреля 2003г. - 2003. - Т. 1. - С.452 - 456.

13. Влияние параметров нелинейной модели полевого транзистора Materka на ЭМС характеристики усилителя / Л.И. Аверина, Э.К. Алгазинов, A.M. Бобрешов, A.M. Зверев, Г.К. Усков // V Международный симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: ЭМС-2003, 16-19 сент. 2003г.: Сб.науч.докл. -2003. - С.244-247.

14. Нелинейное моделирование усилителей на полевых транзисторах в СВЧ диапазоне / Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, М.А. Корольков, Г.К. Усков // Радиолокация, навигация и связь: X международная научно-техническая конференция, 13-15 апреля 2004г.-2004. - Т.1.- с.449 - 455.

15. Аверина Л.И. Сравнительный анализ нелинейных моделей полевого транзистора, используемых в САПР / Л.И. Аверина, Д.В. Цицилин, Л.М. Филипцова // Радиолокация, навигация и связь: XII Международная научно-техническая конференция, г.Воронеж, 18-20 апреля 2006г.-Воронеж, 2006. - Т.2.-С.1205- 1213.

16. Аверина Л.И. Нелинейные характеристики биполярных СВЧ транзисторов с гетеропереходом / Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Хрипушин // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Труды 10-й междуна-род.науч.конф. и школы-семинара, Дивноморское, 24-29 сент. 2006г. - Таганрог,

2006. -4.2- С.191-193.

17. Аверина Л.И. Методика анализа нелинейных эффектов в полупроводниковых параметрических устройствах / Л.И. Аверина, A.B. Тагиев, И.С. Свиридов // Радиолокация, навигация, связь: XIII Междунар. науч. - техн. конф., г. Воронеж, 17-19 апр. 2007 г. - Воронеж, 2007. - Т.2. - С. 1379 - 1383.

18. Бобрешов A.M. Влияние интенсивной помехи на шумовые характеристики СВЧ усилителя на биполярном транзисторе с гетеропереходом / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, A.B. Хрипушин // 7-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: тр. симп., 26-29 июня 2007 г СПб

2007. -С. 260-263.

19. Аверина Л.И. Характеристики помехозащищённости параметрических СВЧ усилителей / Л.И. Аверина, A.B. Тагиев // Физика и технические приложения волновых процессов: VI Междунар. науч. - техн. конф., 17-21 сент. 2007 г.: тр. конф. - Казань, 2007. - С. 226 - 227.

20. Аверина Л.И. Влияние температуры на характеристики биполярного транзистора с гетеропереходом / Л.И. Аверина, А.М, Бобрешов, А.И. Курашов, Ж.В. Шапошнико-

ва // Радиолокация, навигация, связь : XIV Междунар. науч. - техн. конф., г. Воронеж, 15-17 апр. 2008 г. -Воронеж, 2008. - Т.2. - С. 1475 - 1482.

21. Бобрешов A.M. Модификация рядов Вольтерры для анализа характеристик ЭМС смесителей / A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, Ж.В. Шапошникова // Физика и технические приложения волновых процессов: VII Междунар. науч. - техн. конф., посвящ. 150-летию со дня рождения A.C. Попова, 15-21 сент. 2008 г.: тр. конф. - Самара, 2008. - С. 236-237.

22. Аверина Л.И. Уменьшение нелинейных эффектов во входном радиоприёмном тракте/ Л.И. Аверина, A.M. Бобрешов, A.B. Исаев // Радиолокация, навигация, связь: XV Междунар. науч. - техн. конф., г. Воронеж, 14-16 апр. 2009 г. - Воронеж, 2009. -Т.2.-С.971 -976.

23. Аверина Л.И. Характеристики электромагнитной совместимости СВЧ смесителей/ Л.И. Аверина, Ж.В. Шапошникова // 8-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: тр. симп., 16-19 июня 2009 г. - СПб., 2009. - С.294-297.

24. Бобрешов A.M. Уменьшение интермодуляционных искажений во входном радиоприёмном тракте/ A.M. Бобрешов, Л.И. Аверина, A.B. Исаев // Физика и технические приложения волновых процессов: VIII Междунар. науч.-техн. конф., 15-18 сент. 2009 г. - СПб., 2009. - С.177-178.

25. Аверина Л.И. Коэффициент шума полупроводникового параметрического усилителя/ Л.И. Аверина [и др]// Радиолокация, навигация, связь: XVI Междунар. науч. -техн. конф., г. Воронеж, 14-16 апр. 2010 г. - Воронеж, 2010. - Т.1. - С..528 - 534.

26. Аверина Л.И. Коэффициент шума СВЧ смесителей / Л.И. Аверина, Ж.В. Шапошникова // Радиолокация, навигация, связь: XVII Междунар. науч. - техн. конф., г. Воронеж, 12-14 апр. 2011 г.-Воронеж, 2011.-Т.1.-С.577-584.

27. Аверина Л.И. Методика определения параметров модели Вольтерры гетеро-структурного СВЧ полевого транзистора / Л.И. Аверина // Радиолокация, навигация, связь: XVIII Междунар. науч. - техн. конф., г. Воронеж, 17-19 апр. 2012 г. - Воронеж, 2012.-Т.1.-С.1338-1346.

28. Аверина Л.И. Алгоритмы экстракции структурных моделей гетеропереходного полевого транзистора / Л.И. Аверина, Д.А. Бессонов, P.A. Рыбалкин // Физика и технические приложения волновых процессов: Тр. XI Междунар. науч.-техн. конф., 2628 сент. 2012 г. - Екатеринбург, 2012. - С.173-174.

29. Аверина Л.И. Теоретический анализ нелинейных многочастотных эффектов в СВЧ усилителе мощности на основе полевого транзистора / Л.И. Аверина, Д.А. Бессонов // Радиолокация, навигация, связь: XIX Междунар. науч. - техн. конф., г. Воронеж, 16-18 апр. 2013 г. -Воронеж, 2013.- Т.2.-С.1225-1231.

Подписано в печать 29.10.13. Формат 60x84 '/16. Усл. печ. л. 1,86. Тираж 100 экз. Заказ 1069.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-полшрафического центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

Воронежский Государственный Университет

На правах рукописи

05201450269

Аверина Лариса Ивановна

Многочастотные взаимодействия во входных СВЧ устройствах радиоприёмного тракта с учётом собственных шумов

Специальность 01.04.03 - "Радиофизика"

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор A.M. Бобрешов

Воронеж - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список используемых сокращений......................................................6

Введение.......................................................................................7

Глава 1. Структурное описание нелинейных свойств твердотельных СВЧ элементов....................................................................................51

1.1 Нелинейные характеристики гетероструктурного полевого транзистора в пассивном и активном режимах...................................................55

1.1.1 Представление полевого транзистора на структурном уровне......55

1.1.2 Эмпирические зависимости для характеристик полевого транзистора в активном режиме...............................................................58

1.1.3 Характеристики несмещённого по стоку полевого транзистора....68

1.2 Нелинейные характеристики биполярного транзистора с гетеропереходом..........................................................................................70

1.2.1 Представление биполярного транзистора на структурном уровне 70

1.2.2 Эмпирические зависимости для характеристик биполярного транзистора.................................................................................75

1.3 Нелинейные характеристики диода с барьером Шоттки в прямом и инверсном режимах........................................................................79

Глава 2. Методы определения параметров линейных и нелинейных характеристик полупроводниковых СВЧ элементов.........................................91

2.1 Определение параметров модели гетероструктурного полевого транзистора.......................................................................................94

2.1.1 Аналитический метод определения линейных параметров полевого транзистора...........................................................................95

2.1.2 Методика определения коэффициентов разложения нелинейных характеристик полевого транзистора..........................................105

2.2 Определение параметров модели биполярного транзистора с гетеропереходом..................................................................................111

2.2.1 Аналитический метод определения линейных параметров биполярного транзистора....................................................................112

2.2.2 Методика определения коэффициентов разложения нелинейных

характеристик биполярного транзистора......................................124

2.3 Методы определение линейных и нелинейных параметров диода с барьером Шоттки........................................................................129

Глава 3. Теоретический анализ многочастотных нелинейных эффектов в твердотельных СВЧ устройствах на основе стационарных рядов Вольтер-ры..................,...........................................................................142

3.1 Параметры электромагнитной совместимости приёмного тракта......143

3.1.1 Общая структура радиоприёмных устройств.........................143

3.1.2 Интермодуляция.............................................................146

3.1.3 Блокирование................................................................148

3.2 Метод стационарных рядов Вольтерры......................................150

3.3 Нелинейные преобразования многочастотных сигналов в избирательных цепях...........................................................................165

3.3.1 Теоретический анализ формирования нелинейных продуктов третьего порядка во входных перестраиваемых фильтрах............166

3.3.2 Уменьшение интермодуляционных искажений в перестраиваемом полосовом фильтре.........................................................169

3.4 Многочастотные взаимодействия во входных малошумящих транзисторных СВЧ усилителях............................................................177

3.4.1 Теоретический анализ процесса взаимодействия многочастотных сигналов в режиме несущественной нелинейности в СВЧ усилителе на гетероструктурном полевом транзисторе..................177

3.4.2 Теоретический анализ формирования многочастотных взаимодействий третьего порядка в СВЧ усилителе на биполярном транзисторе с гетеропереходом..............................................183

3.4.3 Многочастотные характеристики малошумящих транзисторных СВЧ усилителей............................................................193

Глава 4. Теоретический анализ нелинейного взаимодействия многочастотных сигналов в параметрических полупроводниковых СВЧ устройствах на основе нестационарных рядов Вольтерры...................................................204

4.1 Методы анализа параметрических динамических систем...............204

4.1.1 Метод конверсионных матриц...........................................205

4.1.2 Метод нестационарных рядов Вольтерры.............................209

4.2 Многочастотное взаимодействие сигналов в СВЧ полупроводниковых параметрических усилителях.......................................................213

4.2.1 Теоретический анализ формирования интермодуляционных продуктов третьего порядка в параметрических усилителях..................213

4.2.2 Многочастотные характеристики ППУ.................................219

4.3 Нелинейные преобразования многочастотных сигналов в СВЧ смесителях........................................................................................227

4.3.1 Учёт двумерной зависимости тока стока полевого транзистора при анализе интермодуляционных характеристик пассивного смесителя.. 230

4.3.2 Теоретический анализ многочастотных взаимодействий третьего порядка в смесителях на транзисторах........................................234

4.3.3 Многочастотные характеристики твердотельных СВЧ смесителей....................................................................................238

4.4 Теоретический анализ формирования интермодуляционных продуктов во входном радиоприёмном тракте и оптимизация его структуры.........251

Глава 5. Источники собственных шумов и описание шумовых свойств полупроводниковых СВЧ элементов.......................................................263

5.1 Математические методы описания шумов в электронных устройствах......................................................................................263

5.1.1 Статистические характеристики шумовых процессов...............264

5.1.2 Физическая природа собственных шумов полупроводниковых элементов.................................................................................266

5.1.3 Шум в параметрических устройствах...................................268

5.2 Структурное представление собственных шумов твердотельных СВЧ элементов...............................................................................27 3

5.2.1 Методы представления источников собственного шума полупроводниковых элементов на структурном уровне..............................273

5.2.2 Шумовая модель диода при прямом и обратном смещении.......279

5.2.3 Шумовая модель биполярного транзистора...........................281

5.2.4 Шумовая модель полевого транзистора в активном и пассивном режимах..............................................................................283

5.3 Коэффициент шума радиоприёмного устройства..........................288

5.3.1 Коэффициент шума транзисторных СВЧ усилителей...............290

5.3.2 Методика расчёта коэффициента шума параметрических СВЧ устройств.............................................................................298

5.3.3 Влияние различных параметров СВЧ устройств на их коэффициент шума...................................................................................304

Глава 6. Шумовые характеристики транзисторных СВЧ усилителей при многочастотном воздействии...............................................................315

6.1 Теоретический анализ нелинейного взаимодействия интенсивной сосредоточенной помехи с собственным шумом транзисторного усилителя..........................................................................................316

6.2 Анализ усиления сигнала на фоне внешних шумов в режиме несущественной нелинейности усилителя................................................327

6.3 Изменение коэффициента шума входного транзисторного СВЧ усилителя при воздействии интенсивной помехи......................................331

6.4 Влияние режима работы МШУ на его шумовые характеристики в присутствии помехи.......................................................................335

Заключение.................................................................................343

Библиографический список использованных источников.......................348

Список используемых сокращений

РЭС - радиоэлектронные средства;

СВЧ - сверхвысокие частоты;

ЭМС - электромагнитная совместимость;

РПУ - радиоприемное устройство;

МШУ - малошумящий усилитель;

ЭС - эквивалентная схема;

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

НЕМТ — полевой транзистор с высокой подвижностью электронов;

НВТ - биполярный транзистор с гетеропереходом;

ВАХ - вольт-амперная характеристика;

ВКХ - вольт-кулоновская характеристика;

ППУ - полупроводниковый параметрический усилитель;

ЭМО - электромагнитная обстановка;

САПР - системы автоматизированного проектирования;

ППРЧ — псевдослучайная перестройка рабочей частоты;

ПУ - параметрический усилитель.

Введение

Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов моделирования и анализа многочастотных процессов нелинейного взаимодействия с учётом собственных шумов во входных устройствах радиоприёмников сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов, и приложению этих методов к решению практически важных задач электромагнитной совместимости (ЭМС).

Актуальность темы. Анализ многочастотных взаимодействий в нелинейных системах, как с сосредоточенными, так и с распределёнными параметрами занимает важное место в современных радиофизических исследо-

*

ваниях. К ним, в частности, можно отнести транзисторные усилители СВЧ диапазона и преобразователи частоты на различных полупроводниковых элементах, получившие в настоящее время наибольшее распространение. Эти устройства широко применяются в современной аппаратуре радиолокации, радиосвязи, радионавигации и телевидения. Поэтому различные задачи, связанные с многочастотным взаимодействием в данных устройствах, довольно содержательны, разнообразны и сводятся к поиску путей уменьшения нежелательных последствий нелинейных эффектов. Постоянно возрастающие требования к показателям качества передачи, приёма и обработки информации в современных радиокомплексах в связи с использованием многопозиционных сигналов со многими поднесущими, увеличением частотных диапазонов также стимулируют интенсивную деятельность в этом направлении. К тому же резкое увеличение количества радиосредств обострило проблему электромагнитной совместимости [1-7], что повысило интерес к многочастотным явлениям.

Проблема обеспечения электромагнитной совместимости является актуальной из-за несовершенства технических характеристик радиоэлектронных средств (РЭС) и их сосредоточения на ограниченной территории. Одним из решений этой важной проблемы является снижение восприимчиво-

7

сти к радиопомехам приёмных трактов [1-3]. В настоящее время на входе приёмных СВЧ систем используют малошумящие усилители (МШУ) - транзисторные, параметрические - и смесители или преобразователи частоты на диодах, биполярных и полевых транзисторах [4-8], выполненные в виде отдельных самостоятельных блоков. Наиболее широкое распространение получили малошумящие транзисторные усилители. Преимуществом этих приборов, особенно гетероструктурных, является достаточно большой коэффициента усиления и довольно низкий коэффициент шума как в сантиметровом, так и в миллиметровом диапазоне волн [9-11]. Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) используются в основном в наземных системах спутниковой связи и прослушивания галактики. Что касается преобразователей частоты, то выбор нелинейного полупроводникового элемента, на котором строится устройство, определяется заданными значениями коэффициента передачи, коэффициента шума, энергетических затрат, а также уровнем допустимых нелинейных продуктов на его выходе [12-15]. Моделированию и расчету параметров полупроводниковых СВЧ усилителей и смесителей, а также исследованию их характеристик, на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций. Однако большинство работ связано либо с улучшением параметров этих устройств, которые обеспечивают выполнение функций усиления и преобразования частоты слабого сигнала, либо со схемотехническими проблемами. Таким образом, проблема разработки научных основ моделирования и анализа многочастотных и шумовых процессов в нелинейных полупроводниковых радиоприёмных устройствах, создания методик расчёта их основных параметров ЭМС является актуальной.

При моделировании на структурном уровне полупроводниковые элементы представляется в виде эквивалентных схем (ЭС) с сосредоточенными параметрами, учитывающих их нелинейные и шумовые свойства. К сожалению, существующие эмпирические зависимости для нелинейных характеристик транзисторов и диодов не всегда позволяют достоверно проанализиро-

8

вать такие явления, как интермодуляция [25-29]. Поэтому актуальным является разработка и выбор функциональных нелинейных зависимостей для характеристик различных полупроводниковых элементов, адекватно описывающих их работу в режиме несущественной нелинейности, а также развитие и разработка методик определения линейных, нелинейных и шумовых параметров выбранных моделей.

Для анализа многочастотных взаимодействий и оптимизации работы устройств в помеховой обстановке необходимо иметь математические модели, строго описывающих нелинейные эффекты в избирательных цепях, СВЧ усилителях и смесителях на основе различных полупроводниковых элементов. Для построения таких моделей в данной работе использован метод функциональных рядов Вольтерры, предложенный в работах Н. Винера и развитый трудами Б. М. Богдановича, Ю. Л. Хотунцева, Е. А. Волкова, С. Мааса, Д. Педро [16-20] и других исследователей, который определяет явную связь отклика и входного воздействия через ядра п-го порядка. Причём, если устройство описывается нелинейной зависимостью, то ядра являются стационарными, если нелинейно-параметрической, то ядра будут нестационарны. Выбор метода обусловлен тем, что он является аналитическим и позволяет наглядно показать вклад как прямых, так и повторных нелинейных взаимодействий в формирование нелинейного эффекта в целом.

Значительное увеличение количества радиосредств, их комплексирова-ние при размещении на ограниченных площадях (корабль, самолёт, ракета и др.), требует поиска конкретных путей значительного увеличения динамического диапазона радиоприёмной техники. При этом актуальной задачей является как исследование возможных конструктивных усовершенствований устройств, так и разработка способов адаптации преселектора, МШУ и смесителей за счёт изменения режимов работы, позволяющих реализовать возможность совместной работы радиосредств в сложной электромагнитной обстановке.

Если верхняя граница динамического диапазона радиоприёмного тракта определяется уровнем допустимых нелинейных искажений на его выходе, то нижняя его граница определяется чувствительностью устройства, которая в свою очередь зависит от коэффициента шума. Коэффициент шума входного устройства, как известно, определяется как собственными шумами усилителя, так и собственными шумами смесителя [21-24]. Собственные шумы в полупроводниковых элементах имеют разную физическую природу и статистические характеристики. К тому же смеситель исходно является нелинейным устройством, а усилитель становится таковым при воздействии мощной помехи. Поэтому актуальной является задача теоретического анализа нелинейного взаимодействия интенсивной сосредоточенной помехи с собственными шумами транзисторного усилителя, разработки методики расчёта двухсигнального коэффициента шума усилителей, а также анализа шумовых характеристик усилителей и смесителей при изменении условий функционирования.

Незавершённость исследований рассматриваемой тематики подтверждается большим количеством публикаций и видным местом, которое занимает данная проблема в научных программах и конференциях. Поэтому актуальным является проведение целенаправленного теоретического и экспериментального исследования, позволяющего всесторонне проанализировать многочастотные процессы взаимодействий в полупроводниковых устройствах с учётом собственных шумов и разработать более совершенные входные тракты СВЧ радиоприёмников.

Целью диссертационной работы является развитие методов моделирования и анализа многочастотных процессов нелинейного взаимодействия с учётом собственных шумов во входных устройствах радиоприёмников СВЧ диапазона, построенных на базе различных полупроводниковых элементов, и применение этих методов для разработки устройств с расширенным динамическим диапазоном.

Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее цели:

10

- разработка нелинейных эмпирических зависимостей вольт-амперных (ВАХ) и вольт-кулоновских (ВКХ) характеристик биполярного транзистора с гетеропереходом и диода с барьером Шоттки для анализа слабо нелинейных эффектов; выбор оптимальной эмпирической модели гетероструктур-ного полевого транзистора, адекватно описывающей его работу в активном и пассивном режимах;

- разработка и реализация аналитических методик определения линейных и нелинейных параметров м