Нелинейное взаимодействие многочастотных и шумовых сигналов в СВЧ усилителях на полевых транзисторах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

АВЕРИНА Лариса Ивановна

НЕЛИНЕЙНОЕ"ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МНОГОЧАСТОТНЫХ И ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ В СВЧ УСИЛИТЕЛЯХ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Специальность 01.04.03 - "Радиофизика"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена в Воронежском государственном университете.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Э.К.Алгазинов. Научный консультант - кандидат физико-математических наук, -доцент А.М.Бобрешов:-

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор А.Г.Остапенко - кандидат физико-математических наук, доцент В.П.Дудкин

Ведущая организация - Саратовский государственный университет.

Защита состоится 12 ноября 1998 г. в 1520 ч. на заседании диссертационного совета Д 063.48.06 Воронежскою государственного университета. 394693, г.Воронеж, Университетская пл., 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан 11 октября 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук,

доцент В.К.Маршаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследуемой проблемы.

В современных радиофизических исследованиях важное место занимает анализ многочастотных процессов в нелинейных системах. К ним, в частности, относятся транзисторные усилители СВЧ диапазона, наиболее часто применяемые в настоящее время в современной аппаратуре радиосвязи, радиолокации, радионавигации и др. Поэтому, возникающие в этой области исследования задачи довольно разнообразны, содержательны и имеют чёткую практическую направленность - сведение к минимуму нежелательных последствий нелинейных эффектов. Интенсивная деятельность в этих направлениях стимулируется постоянно возрастающими требованиями к показателям качества передачи, приёма и обработки информации в современных радиокомплексах. Интерес к многочастотным явлениям возрос ещё и потому, что резкое увеличение количества радиосредств обострило проблему электромагнитной совместимости (ЭМС). Решение этой важной проблемы может быть осуществлено с одной стороны уменьшением побочных излучений передающих устройств, с другой стороны - снижением восприимчивости к радиопомехам приёмно-усилительных трактов. В последнем случае решающую роль призвано сыграть совершенствование входных цепей приёмника. В диапазоне СВЧ на входе приёмников в настоящее время наиболее часто применяются мало-шумящие транзисторные усилители (МШУ). Преимуществом этих приборов является одновременное сочетание достаточно большого коэффициента усиления и довольно низкого коэффициента шума не только в сантиметровом, но и в миллиметровом диапазоне. Большое число публикаций, вышедших до настоящего времени и то видное место, которое занимают вопросы анализа и изучения исследования транзисторных усилителен (ТРУ) в научных программах, подтверждает незавершённость существующих исследований. В особенности это

относится к различного рода задачам нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов.

Устой читая тенденция—к—кхгмплекгсгфстваншо—радио^ средств, размещаемых на ограниченных площадях (корабль, самолёт, ракета и т.д.) требует поиска конкретных путей значительного увеличения динамического диапазона радиопри-■ёмной техники. В виду того, что конструктивные и технппп-гические возможности в этом направлении в настоящее время ограничены, то актуальной задачей стала разработка способов адаптации малошумящик усилителей, позволяющих реализовать возможность совместной работы радиосредств в экстремальной электромагнитной обстановке (ЭМО).

Повышенное внимание при проектировании и эксплуатации транзисторного усилителя уделяется обеспечению его устойчивой работы в рабочем диапазоне частот. Однако при работе в нелинейном режиме условия обеспечения его устойчивости в рабочем диапазоне изменяются. Появление гармонических и интермодуляционных продуктов вне полосы усиления может приводить к нарушению условий устойчивости устройства, как в рабочей полосе частот, так и вне её, и, как следствие, к возбуждению усилителя. Отсюда возникает задача анализа изменения устойчивости ТРУ в нелинейном многочастотном режиме.

Разработанные в диссертации методики анализа будут способствовать выявлению общих закономерностей многочастотных процессов в нелинейных твердотельных устройствах и улучшению выходных характеристик конкретных приборов.

Целью работы является:

1. Развитие методов анализа нелинейных явлений, возникающих при взаимодействии многочастотных и шумовых сигналов различной интенсивности в твердотельных устройствах.

2. Приложение разработанных методик к исследованию уси-

ления гармонических сигналов на фоне собственных и внешних шумов в транзисторных усилителях.

3. Исследование и определение путей повышения значений верхней границы динамического диапазона ТРУ по различным нелинейным эффектам.

4. Развитие методов анализа нелинейных явлений в твердотельных устройствах для исследования устойчивости транзисторных усилителей.

Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из цели:

- проанализировать влияние интенсивности усиливаемого сигнала на величину спектральной плотности собственного шума твердотельного устройства при нелинейном взаимодействии;

- рассмотреть совместное нелинейное усиление гармонических сигналов и шума;

- на основании теоретических и экспериментальных исследований обосновать возможность оптимизации электрического режима работы МШУ при многосигнальном воздействии;

проанализировать изменение условий устойчивости ТРУ при работе его в нелинейном многочастотном режиме, а также при оптимизации его электрического режима.

Научная новизна. В диссертационной работе разработана методика анализа нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов в твердотельных СВЧ усилителях на основе функциональных рядов Вольтерра. На основании этой методики удалось с единых позиций изучить влияние нелинейности на выходные уровни сигнала, собственного и внешнего шумов в транзисторном усилителе. Теоретически установлен вклад в изменение выходного отношения сигнал/шум комбинационных составляющих различного вида, образующихся в результате нелинейного преобразования спектра. Выбранный подход позволил определить зависимости изменения коэффициента шума ТРУ при многосиг-

нальном воздействии в различных режимах работы. Также на основе рядов Вольтерра создана методика анализа устойчи-

тот, так и вне неё в нелинейном режиме. И, наконец, выявлены режимы, позволяющие увеличить значение верхней границы динамического диапазона ТРУ.

Практическая ценность. В работе показано, что для получения более достоверной оценки входного усилителя с точки зрения его работоспособности в присутствии помех большого уровня необходимо учитывать изменение его собственных шумов.

Предложенные методики и, разработанные на их основе программы, могут найти применение при расчёте характеристик электромагнитной совместимости входных усилителей на полевых транзисторах.

Решённые на основе разработанного метода прикладные задачи представляют самостоятельный научный и практический интерес с точки зрения совершенствования приборов и условий эксплуатации при использовании их в насыщенной электромагнитными помехами обстановке.

Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры электроники ВГУ.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

- методика анализа нелинейного взаимодействия интенсивной помехи и собственного шума в твердотельном устройстве;

- особенности нелинейного анализа взаимодействия интенсивной помехи и слабого сигнала в присутствии шумовых сигналов, создаваемых внешними источниками;

- результаты анализа энергетических соотношений на выходе ТРУ в присутствии собственного и внешнего шумов с учётом его частотных свойств;

- рекомендации по определению линейных и нелинейных параметров модели ПТШ на основе теоретических соотношений и экспериментальных данных;

- методика анализа устойчивости усилителя в нелинейном режиме;

рекомендации по расширению динамического диапазона усилителя в зависимости от его электрического режима.

Апробация работы. Основные материалы по всем разделам диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях: Всесоюзной научно-технической конференции «Развитие и внедрение новой техники радиоприёмных устройств и обработки сигналов» (г.Горький, 1989); научно-техническом семинаре «Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств» (г.Москва, 1991); научно-технической конференции «Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости» (г.Винница, 1991); Всесоюзном симпозиуме «Проблемы электромагнитной совместимости технических средств» (г.Суздаль, 1991); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной . электроники и микроэлектроники» (г.Таганрог, 1995, 1996, 1997); научно-технической конференции «Информационные технологии и системы» (г.Воронеж, 1995); научно-технической конференции «Направления развития систем и средств радиосвязи» (г.Воронеж, 1996); Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи» (г.Воронеж, 1996); Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (г.Санкт-Петербург, 1997); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электроника и информатика» (г.Зеленоград, 1997); научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (г.Воронеж, 1998).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из вве-

и заключения, изложенных на 98 страницах машинописного текста, таблицы и 41 иллюстраций на 27 листах, списка литературы из 136 наименований на 16 листах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются её цель и задачи, отмечается научная новизна и практическая ценность. Даётся краткий обзор состояния рассматриваемых вопросов, охватывающий основную часть отечественных и зарубежных публикаций, а также раскрывается содержание диссертации по главам.

В первом разделе обосновывается выбор нелинейной модели СВЧ усилителя на полевом транзисторе с учётом его шумовых свойств. Для анализа и синтеза ТРУ наиболее часто в качестве модели используется эквивалентная схема с сосредоточенными нелинейными параметрами, которая для самого транзистора может включать до 20 элементов. В работе для качественного исследования работы ТРУ в нелинейном режиме использовалась модель транзистора содержащая только 9 основных элементов. Выбор нелинейных элементов модели и вид их представления основывался как на собственных результатах, так и на экспериментальных исследованиях, проводимых рядом авторов: нелинейными считаются крутизна транзистора, его выходная проводимость и ёмкость затвор-исток, которые представляются в виде разложений в степенные ряды по напряжениям на них в окрестности рабочей точки. Для определения значений линейных и нелинейных параметров модели ПТШ предложены две методики: расчётная и из экспериментальных данных. При использовании эксперимента в качестве исходных данных выбираются вольтампер-ные характеристики транзистора и его малосигналъные 5,-

параметры. Зная связь параметров модели ПТШ с исходными экспериментальными данными, определяются их значения с помощью симплексного модифицированного метода многопараметрической оптимизации. Для расчёта значений параметров эквивалентной схемы ПТШ применялась модифицированная теория Шокли, использующая одномерную модель транзистора, обоснованную для ПТШ с длиной затвора более 0,5 мкм. На основе этой теории рассчитаны зависимости основных параметров модели транзистора от смещающих напряжений на затворе и на стоке.

При сравнении значений параметров модели ПТШ, полученных различными методами, установлено сходство их зависимостей, что позволяет применять расчётные значения линейных и нелинейных параметров транзистора для качественного анализа нелинейных свойств ТРУ. Если же необходимо знать более точные значения характеристик усилителя как в линейном, так и в нелинейном режимах, то необходимо получать значения параметров модели из экспериментальных данных.

Далее в этом разделе рассматривается природа и источники собственных шумов ПТШ. Установлено, что для этих транзисторов в СВЧ диапазоне необходимо учитывать тепловые шумы паразитных сопротивлений затвора и истока, шумы канала и индуцированные шумы затвора. Приведены соотношения для расчёта спектральных плотностей этих шумов. В процессе исследований также установлено, что в режиме насыщения тока стока, где обычно и работает ПТШ при использовании его в ТРУ, шумы канала и индуцированные шумы затвора имеют чисто диффузионную природу и полностью коррелированы. В модели ТРУ источники собственных шумов представляются в виде шумовых генераторов тока.

Во втором разделе разрабатывается методика анализа нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов в транзисторном СВЧ усилителе на основе функ-

циональных рядов Вольтерра. Шумовые токи представляются случайным процессом, являющимся суперпозицией гармонических Kujie6trmríh—а-мтта и ту д а-и -ф аз а-к ото р ы х-сл v-ч a ii и а Это более общий случай модели, предложенной Релеем, для которой им получено известное распределение. В таком представлении реальный процесс со спектральной плотностью С(со) чачрнортгя нруптпрмм -жинаялвнтным случайным процессом в полосе Дсо, представляющим собой суперпозицию п колебаний со слу чайными начальными фазами и средним квадратом амплитуд, равным G((ú)A(ú/ii.

В настоящее время достаточно хорошо исследованы источники собственных шумов ТРУ и природа их возникновения. Однако дальнейшей разработки требуют вопросы, связанные с исследованием изменения уровней этих шумов при работе усилителя в многочастотном нелинейном режиме. Решение такой задачи представляет интерес во-первых, с радиофизической точки зрения, так как позволяет расширить представление о многочастотных процессах в твердотельных устройствах, во-вторых, с практической - поскольку может служить основой совершенствования современных МШУ.

Для анализа работы усилителя в нелинейном режиме используется метод функциональных рядов Вольтерра. Основа метода, как известно, заключается в том, что исходя из значений линейных и нелинейных параметров модели устройства, составляются системы алгебраических уравнений, в которых все свободностоящие токи и напряжения заменяются ядрами соответствующих порядков, а входное воздействие заменяется 1 для линейной подсистемы и 0 для подсистем высших порядков. Эти подсистемы последовательно решаются относительно ядра искомой переменной. Особенностью анализа собственных шумов усилителя является то, что воздействие в виде сигнала подаётся на вход усилителя, а воздействие в виде источника шума находится в одной из внутренних ветвей схемы. Поэтому при расчёте ядра первого порядка на частоте сигнала изображение входного возденет-

вия находится в правой части уравнения, описывающего входную ветвь, а при расчёте ядер первого порядка на частотах составляющих шума изображение входного воздействия должно стоять в правой части уравнения, описывающего соответствующую ветвь схемы. Ядра высших порядков находят из ядер первого порядка, рассчитанных для разных точек включения генераторов воздействия.

На основе этого метода выведено соотношение для расчёта изменения спектральной плотности собственного шума ТРУ под действием помехи, мощность которой соответствует нелинейной области усиления. Это соотношение учитывает изменение спектральных плотностей всех источников собственных шумов в усилителе. Показано, что коэффициент изменения собственных шумов ТРУ в нелинейном режиме зависит не только от коэффициентов изменения шумов паразитных сопротивлений затвора и истока и совместного шума затвора и канала, но и от уровня вклада каждого шумового источника в собственный шум усилителя.

С помощью выведенных соотношений проведён расчёт коэффициента изменения собственного шума ТРУ при воздействии на его вход интенсивной помехи. Показано, что с увеличением мощности помехи происходит подавление собственного шума. При этом выявлено, что шум канала практически не изменяется, остальные же источники шумов подавляются приблизительно одинаково. Также установлено, что помеха оказывает различное влияние на величину подавления собственного шума и усиливаемого сигнала. Существующее различие в подавлении приводит к изменению в нелинейном режиме коэффициента шума усилителя.

Для анализа выходного спектра ТРУ в полосе частот введены в рассмотрение его частотные свойства. Возможность учёта частотных свойств позволила проанализировать нелинейные явления в широкой полосе частот.

Далее в разделе проведён анализ нелинейного взаимодействия в твердотельном устройстве многочастотных и шу-

мовых сигналов, создаваемых внешними источниками естественного или искусственного происхождения. В отличие от -со б ст п ен н ы х—ш ум ы-в н е ш н и х-и ст-оч н и к о в-и м сю-Т—такой—ж е механизм усиления, что и сигналы. Поэтому в нелинейном режиме изменение уровней сигнала и составляющих шума осуществляется в одинаковой степени. Однако, наряду с упмрнснием происходит и образование комбинационных со-ставляюших второго, третьего и более высоких порядков, которое приводит к ухудшению выходного отношения сигнал/шум. В работе исследован вклад комбинационных спектров различного вида в общую шумовую картину. Установлено, что наибольшее влияние оказывают составляющие третьего порядка вила 2<ап-о)к (сйп - частота помехи, сок - составляющая из спектра шума). При рассмотрении взаимодействия в полосе частот проанализированы зависимости входной мощности монохроматической помехи от её частоты для постоянной величины выходного уровня основных и комбинационных составляющих шума, приходящихся на частоту сигнала. Такого рода характеристики, определяющие частотную избирательность по известным нелинейным эффектам, принято использовать при решении задач ЭМС. Подобные характеристики позволяют выделить частотную область расстроек помехи относительно сигнала, при которых сказывается влияние комбинационного шума.

Затем на основе теоретических результатов, полученных ранее в этом разделе, выведено соотношение для двухсиг-нального коэффициента шума (ДКШ) ТРУ. Этот коэффициент учитывает как изменение коэффициента усиления в нелинейном режиме, так и изменение уровней собственных и внешних шумов. Эффективность использования такого параметра при решении задач ЭМС очевидна, так как он позволяет достоверно оценить реальную чувствительность приёмника в конкретной помеховой обстановке.

В третьем разделе на основе нелинейной шумовой модели ТРУ, предложенной в разделе 1, и разработанного в раз-

деле 2 метода анализа рассмотрены вопросы обеспечения оптимального сочетания односигнальных и многосигнальных характеристик, позволяющего использовать потенциальные возможности усилителя в насыщенной электромагнитными помехами обстановке. Речь идёт об отыскании путей управления характеристиками МШУ в меняющейся ЭМО. Проведены теоретические исследования зависимостей коэффициента усиления, выходной мощности собственных шумов, динамического диапазона по блокированию (ДДБ) и ДКШ усилителя от смещающих напряжений на стоке и затворе транзистора, которые характеризуют режим работы ТРУ. Было установлено, что при увеличение напряжения на стоке начинает возрастать уровень собственных шумов на выходе усилителя. Это указывает на нецелесообразность изменения смещающего напряжения на стоке. Увеличение же напряжения на затворе по абсолютной величине приводит не только к расширению ДДБ, но и уменьшению уровня собственных шумов ТРУ при допустимом снижении коэффициента усиления. Совместный анализ расчётных кривых позволяет определить для каждого уровня помехи такое значение напряжения смещения на затворе, при котором достигается максимальное для данных условий отношение сигнал/шум. Экспериментальные результаты, приведённые в разделе, подтверждают эффективность предлагаемых способов оптимизации характеристик в соответствии с выбранным .критерием качества путём изменения электрического режима работы ТРУ. Показано, что верхняя граница динамического диапазона МШУ по критерию возрастания ДКШ на 1 дБ может быть увеличена на 4-6 дБ.

В четвёртом разделе разрабатывается методика анализа устойчивости твердотельного усилителя при работе его в нелинейном режиме на основе рядов Вольтерра. Как известно, устойчивость ТРУ определяется »^-параметрами транзистора и сопротивлениями, на которые он нагружен. При работе усилителя в нелинейном режиме для анализа его устойчиво-

сти необходимо знать значения больше сигнальных 5-параметров транзистора. Поэтому была разработана методи--ка—расчета-^агадометров транзистора—и режиме большого сигнала из параметров его нелинейной эквивалентной схемы и выведены соотношения для них через ядра Вольтерра.

С помощью этой методики проведён анализ изменения устойчивости исследуемого ТРУ при воздействии на его вход интенсивной помехи. Показано, что для рабочей полосы частот этого усилителя его устойчивость не ухудшится в нелинейном режиме. Однако, при этом появляются гармонические и комбинационные составляющие входного воздействия, которые могут вызвать внеполосное возбуждение усилителя. Поэтому, необходимо учитывать возможность неустойчивости работы усилителя на частотах этих составляющих.

С целью улучшения характеристик ЭМС усилителя, как показано в разделе 3, возможно изменять режим его работы в зависимости от помеховой обстановки. Однако, при этом необходимо анализировать изменение его устойчивости. Поэтому, далее в этом разделе проводится анализ изменения устойчивости ТРУ при изменении его электрического режима. Зная зависимости 5-параметров транзистора от его напряжения смещения на затворе, получены зависимости коэффициента устойчивости транзистора и его областей неустойчивости от этого напряжения. Проведённые исследования этих зависимостей показывают, что устойчивость усилителя ухудшается при увеличении напряжения на затворе по абсолютной величине, что необходимо учитывать при проектировании МШУ с дальнейшей возможностью изменения его электрического режима.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты:

1. Разработана методика анализа нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов в твердотельных устройствах, которая позволила проанализировать взаимодействие мощной гармонической помехи с собствен-

ным шумом транзисторного усилителя. Учёт частотных свойств ТРУ позволил исследовать выходной спектр собственного шума в полосе усиления устройства.

2. Показано, что составляющие собственного шума, 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.

3. Рассмотрены особенности нелинейного взаимодействия слабого сигнала и интенсивной помехи в присутствии поля внешнего шума. Показано, что изменение уровня слабого сигнала и основных составляющих внешнего шума в нелинейном режиме осуществляется в одинаковой степени. Однако результатом взаимодействия интенсивной помехи и составляющих внешнего шума является возникновение интермодуляционных составляющих третьего порядка, которые вносят существенный вклад в общую шумовую картину.

4. Разработана методика определения линейных и нелинейных параметров модели ПТШ из его экспериментальных данных, а также показана возможность использования теоретических соотношений для этих параметров при качественном анализе нелинейных явлений в транзисторном усилителе.

5. Разработана методика анализа устойчивости ТРУ в нелинейном режиме как в рабочей полосе частот, так и вне её, которая может быть использована на этапе проектирования устройства с учётом дальнейшей его работы в насыщенной электромагнитной обстановке.

6. Проанализированы и показаны возможные пути улучшения характеристик ЭМС ТРУ путём изменения его электрического режима по постоянному току.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Изменение

шумов в усилителе па полевом транзисторе в нелинейном режиме// Радиотехника и электроника,- 1996,- т.41, N11.-С. 1386-1389.__

2. Бобрешов A.M., Михалёва Л. И., Мымрикова H.H. Влияние режима входных каскадов ТРУ на помехозащищённость РПУ// Тез.докл. Всес.конф. "Развитие и внедрение новой техники радиоприёмных устройств и обработки сигналов" - М.: Радио и связь, 1989.- С.23.

3. Ксензенко П.Д., Луговский В.В., Михалёва Л.И. Модель МШУ на полевом транзисторе СВЧ-диапазона для расчёта его ЭМС характеристик// Тез.докл. н.-т.семинара "Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств" -Москва- 1991,- С.9.

4. Алгазинов Э.К., Михалёва Л.И., Мымрикова H.H. Анализ ЭМС характеристик транзисторного МШУ// Тез.докл. н.т.семинара "Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств" - Москва- .1991.- С. 10.

5. Алгазинов Э.К., Михалёва Л.И., Обрезан О.И. Автоматизированная методика прогнозирования параметров и характеристик ЭМС транзисторных СВЧ усилителей// Труды конф. "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости"- Винница- 199 1.- С.231-233.

6. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Обрезан О.И. Устойчивость входных транзисторных СВЧ усилителей в условиях действия интенсивных помех// Тез.докл. Всес.симпозиума "Проблемы электромагнитной совместимости технических средств"- Суздаль- 1 99 1 .- С.39.

7. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Моделирование работы транзисторных СВЧ усилителей в нелинейном режиме// Тез.докл. конф. "Информационные технологии и системы"-Воронеж- 1995.-С.54.

8. Алгазинов Э.К., Аверина Л. И., Бобрешов A.M. Анализ устойчивости транзисторных СВЧ усилителей в нелинейном режиме// Тез.докл. Всерос. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"- Таганрог-

1995.-С.89.

9. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Мымрикова H.H. Методика расчёта коэффициента шума транзисторного СВЧ усилителя в нелинейном режиме// Тез.докл. Всерос. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"- Таганрог- 1995.- С.90.

10. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Нестеренко Ю.Н., Фертиков В. В. Опыт информатизации обучения студентов по радиофизическим специальностям Вузов// Сб.трудов конф. "Образовательные технологии"- Воронеж-

1995.- ч.1.- С.14-19.

11. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Влияние помех на шумовые^параметры входных транзисторных каскадов приёмников СВЧ// Сб.трудов конф. "Направления развития систем и средств радиосвязи" - Воронеж - 1996.- С.1163-1165.

12. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Коррекция режимов работы транзисторного усилителя в присутствии помех// Сб.трудов конф. "Направления развития систем и средств радиосвязи"- Воронеж - 1996,- С. 1 166-1168.

13. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Частотные характеристики шумовых параметров транзисторных усилителей в присутствии помех// Сб.трудов Всерос. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"- Таганрог- 1996.- С. 114.

14. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Оптимизация режима работы транзисторного каскада при наличии помех// Сб.трудов Всерос. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"- Таганрог-

1996,- С.105-107.

15. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Расчёт нелинейной модели полевого СВЧ транзистора на основе его электрофизических параметров// Сб.трудов Между-нар. конф. "Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи"- Воронеж- 1996,- Т.2.- С.301-306.

16. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Нелинейные режимы в транзисторных усилителях и способы их оптимизации// Сб.трудов Междунар. конфТ^ТштттсИгагдерные уст--ройства, системы и средства радиосвязи"- Воронеж- 1996.-Т.2.- С.307-313.

17. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Влияние режима работы гранзш юркого СВЧ усилителя на его чувствительность при наличии помех// Сб.трудов Всерос. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"-Таганрог- 1997,-С.72.

18. Аверина Л.И. Изменение собственных шумов СВЧ усилителя на ПТШ в режиме насыщения при интенсивном внешнем воздействии// Сб.трудов Всерос. конф. "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"- Таганрог- 1997,- С.74.

19. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Автоматизированная система определения параметров нелинейной модели полевого СВЧ транзистора для анализа и синтеза усилителей на его основе// Сб.трудов симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии- Санкт-Петербург- 1997,- Ч.2.- С.194-197.

20. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Улучшение параметров ЭМС входного транзисторного усилителя с учётом его устойчивости// Сб.трудов симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии-Санкт-Петербург- 1997,- Ч.2.- С.198-201.

21. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Автоматизированное моделирование нелинейных и шумовых свойств полевого СВЧ транзистора с затвором Шотки// Тез.докл. Всерос. конф. "Электроника и информатика"-М.-.МИЭТ, 1997,-С.248.

22. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Исследование зависимости нелинейных характеристик входных малошумящих усилителей от конструктивных параметров GaAs полевого транзистора с затвором Шотки//

Сб.трудов конф. "Радиолокация, навигация и связь"- Воронеж- 1998.-Т.З.-С.1253-1257.

23. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M. Проблемы проектирования транзисторных СВЧ усилителей с учётом работы их в нелинейном режиме// Сб.трудов конф. "Радиолокация, навигация и связь"- Воронеж- 1998.- Т.3.- С.1258-1264.

Заказ от;Й5!(?£1998 г. Тир.-ta? экз. Лаборатория оперативной полиграфии ВГУ

'О /

Воронежский Государственный Университет

На правах рукописи

АВЕРИНА Лариса Ивановна

НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МНОГОЧАСТОТНЫХ И ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ В СВЧ УСИЛИТЕЛЯХ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Специальность 01.04.03 - "Радиофизика"

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Э.К.Алгазинов Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент А.М.Бобрешов

Воронеж - 1998

/

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ...................... 4

Глава 1. Моделирование транзисторного СВЧ усилителя

с учётом его шумовых и нелинейных свойств . 2 6

1.1. Моделирование усилителя СВЧ на полевом транзисторе в нелинейном режиме............2 6

1.1.1. Нелинейная физическая модель полевого транзистора ..................27

1.1.2. Определение параметров модели транзистора

из экспериментальных данных ........ 33

1.1.3. Определение параметров модели транзистора расчётным путём .............. 38

1.1.4. Модель СВЧ усилителя...........-44

1.2. Основные источники возникновения шумов в полевых транзисторах................50

Глава 2. Исследование нелинейных шумовых характеристик твердотельных СВЧ усилителей......61

2.1. Теоретический анализ нелинейного взаимодействия интенсивной сосредоточенной помехи с собственным шумом транзисторного усилителя.......62

2.2. Анализ усиления сигнала на фоне внешних шумов в нелинейном режиме ТРУ...........• . . 7 4

2.3. Изменение коэффициента шума входного ТРУ в нелинейном режиме................80

Глава 3. Оптимизация режима работы транзисторного усилителя с целью улучшения его характеристик помехозащищённости...........8 9

3.1. Влияние напряжения смещения на стоке транзисто-

ра на характеристики электромагнитной совместимости ТРУ...................91

3.2. Влияние напряжения смещения на затворе транзистора на характеристики электромагнитной совместимости ТРУ..................97

Глава 4. Влияние дестабилизирующих факторов на устойчивость усилителя............108

4.1. Изменение устойчивости усилителя в нелинейном режиме.....................114

4.2. Изменение устойчивости усилителя при изменении его рабочего режима..............122

Заключение.....................128

Библиографический список использованной литературы .130

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена развитию методов анализа нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов в твердотельных устройствах и приложению этих методов к решению практически важных задач совместного усиления сигнала, собственного и внешнего шумов в транзисторных СВЧ усилителях.

Актуальность темы. В современных радиофизических исследованиях важное место занимает анализ многочастотных процессов в нелинейных системах. К ним, в частности, относятся транзисторные усилители СВЧ диапазона, наиболее часто, применяемые в настоящее время в современной аппаратуре радиосвязи, радиолокации, радионавигации и др. Поэтому, возникающие в этой области исследования задачи довольно разнообразны, содержательны и имеют чёткую практическую направленность - сведение к минимуму нежелательных последствий нелинейных эффектов. Интенсивная деятельность в этих направлениях стимулируется постоянно возрастающими требованиями к показателям качества передачи, приёма и обработки информации в современных радиокомплексах. Интерес к многочастотным явлениям возрос ещё и потому, что резкое увеличение количества радиосредств обострило проблему электромагнитной .совместимости (ЭМС)

[1.2]. Решение этой важной проблемы может быть осуществлено с одной стороны уменьшением побочных излучений передающих устройств, с другой' стороны - снижением восприимчивости к радиопомехам приёмно-усилительных трактов

[1.3]. В последнем случае решающую роль призвано сыграть

совершенствование входных цепей приёмника. В диапазоне СВЧ на входе приёмников в настоящее время наиболее часто применяются малошумящие транзисторные усилители (МШУ). Преимуществом этих приборов является одновременное сочетание достаточно большого коэффициента усиления и довольно низкого коэффициента шума не только в сантиметровом, но и в миллиметровом диапазоне [4-7]. Большое число публикаций, вышедших до настоящего времени и то видное место, которое занимают вопросы анализа и изучения исследования транзисторных усилителей (ТРУ) в научных программах, подтверждает незавершённость существующих исследований. В особенности это относится к различного рода задачам нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов.

Устойчивая тенденция к комплексированию радиосредств, размещаемых на ограниченных площадях (корабль, самолёт, ракета и т.д.) требует поиска конкретных путей значительного увеличения динамического диапазона радиоприёмной техники. В виду того, что конструктивные и технологические возможности в этом направлении в настоящее время ограничены, то актуальной задачей стала разработка способов адаптации малошумящих усилителей, позволяющих реализовать возможность совместной работы радиосредств в экстремальной электромагнитной обстановке (ЭМО).

Повышенное внимание при проектировании и эксплуатации транзисторного усилителя уделяется обеспечению его устойчивой работы в рабочем диапазоне частот [8,9]. Однако, при работе в нелинейном режиме условия обеспечения его устойчивости в рабочем диапазоне изменяются. Появле-

ние гармонических и интермодуляционных продуктов вне полосы усиления может приводить к нарушению условий устойчивости устройства, как в рабочей полосе частот, так и вне её, и, как следствие, к возбуждению усилителя. Отсюда возникает задача анализа изменения устойчивости ТРУ в нелинейном многочастотном режиме.

Разработанные в диссертации методики анализа будут способствовать выявлению общих закономерностей многочастотных процессов в нелинейных твердотельных устройствах и улучшению выходных характеристик конкретных приборов.

Целью работы является:

1. Развитие методов анализа нелинейных явлений, возникающих при взаимодействии многочастотных и шумовых сигналов различной интенсивности в твердотельных устройствах.

2. Приложение разработанных методик к исследованию усиления гармонических сигналов на фоне собственных и внешних шумов в транзисторных усилителях.

3. Исследование и определение путей повышения значений верхней границы динамического диапазона ТРУ по различным нелинейным эффектам.

4. Развитие методов анализа нелинейных явлений в твердотельных устройствах для исследования устойчивости транзисторных усилителей.

Основные, задачи диссертации вытекают непосредственно из цели:

проанализировать влияние интенсивности усиливаемого сигнала на величину спектральной плотности собственного шума твердотельного устройства при нелинейном взаимодей-

ствии;

- рассмотреть совместное нелинейное усиление гармонических сигналов и шума;

- на основании теоретических и экспериментальных исследований обосновать возможность оптимизации электрического режима работы МШУ при многосигнальном воздействии;

проанализировать изменение условий устойчивости ТРУ при работе его в нелинейном многочастотном режиме, а также при оптимизации его электрического режима.

Научная новизна. В диссертационной работе разработана методика анализа нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов в твердотельных СВЧ усилителях на основе функциональных рядов Вольтерра. На основании этой методики удалось с единых позиций изучить влияние нелинейности на выходные уровни сигнала, собственного и внешнего шумов в транзисторном усилителе. Теоретически установлен вклад в изменение выходного отношения сигнал/шум комбинационных составляющих различного вида, образующихся в результате нелинейного преобразования спектра. Выбранный подход позволил определить зависимости изменения коэффициента шума ТРУ при многосигнальном воздействии в различных режимах работы. Также на основе рядов Вольтерра создана методика анализа устойчивости транзисторного усилителя как в рабочей полосе частот, так и вне неё в нелинейном режиме. И, наконец, выявлены режимы, позволяющие увеличить 'значение верхней границы динамического диапазона ТРУ.

Практическая ценность. В работе показано, что для получения более достоверной оценки входного усилителя с

точки зрения его работоспособности в присутствии помех большого уровня необходимо учитывать изменение его собственных шумов.

Предложенные методики и, разработанные на их основе программы, могут найти применение при расчёте характеристик электромагнитной совместимости входных усилителей на полевых транзисторах.

Решённые на основе разработанного метода прикладные задачи представляют самостоятельный научный и практический интерес с точки зрения совершенствования приборов и условий эксплуатации при использовании их в насыщенной электромагнитными помехами обстановке.

Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры электроники ВГУ.

Состояние исследуемой проблемы. Постоянно возрастающее количество радиосредств приводит в настоящее время к резко увеличивающейся загрузке радиодиапазона. Несмотря на то, что практика показала перспективность освоения новых сверхвысокочастотных диапазонов, процесс использования уже освоенных диапазонов не только не снижается, но ещё более возрастает, что соответственно влечёт за собой и возрастание непреднамеренных электромагнитных помех [10]. В результате чего, относительное изменение уровней помех и полезных сигналов на _входе радиоприёмных устройств даже в обычных условиях может составить 90-100 дБ. А при работе радиоэлектронных средств (РЭС) в условиях экстремальной ЭМО перепад уровней достигает 140-160 дБ и более [11] . Поэтому очень остро стоит проблема обеспечения ЭМС РЭС, решение которой может быть осущест-

влено только на основе системного подхода, когда при разработке средств целенаправленно закладывается свойство аппаратуры функционировать совместно с другими средствами [12,13]. Это относится как к аппаратуре в целом, так и к отдельным её элементам. В области исследования приёмных систем существуют монографии [10,14-16], определяющие пути совершенствования главного тракта приёма. Ввиду того, что наиболее уязвимой частью при воздействии сильных помех являются входные цепи, значительное число работ посвящено их отдельному исследованию [17-20]. Исследование нелинейности в усилителе СВЧ является важной задачей, так как от характеристик его помехозащищённости будет зависеть и помехозащищённость приёмника в целом.

В приёмниках СВЧ диапазона на входе используются ма-лошумящие усилители, конструктивно выполненные в виде отдельных функциональных блоков, имеющих свой набор параметров и характеристик [21,22], аналогично тому, который имеет приёмное устройство [23].

В настоящее время в качестве входных усилителей в СВЧ диапазоне наиболее часто используются транзисторные усилители, в частности усилители на полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ). Их применение обусловлено высоким коэффициентом усиления и низким коэффициентом шума в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. В последние годы появилось значительное число отечественных [24-26] и зарубежных [27-30] публикаций, посвящённых различным аспектам функционирования СВЧ усилителей на транзисторах в нелинейных режимах работы. Однако, исследованию характеристик в широкой полосе частот уделено недостаточное

внимание, практически отсутствует информация об ЭМС характеристиках транзисторных МШУ.

Во входных усилителях уровень полезного сигнала, как правило, соответствует линейному участку его односиг-нальной амплитудной характеристики, а электрический режим - максимальному усилению при минимальном коэффициенте шума. Обычно считается, что нелинейные явления возникают главным образом из-за действия интенсивного мешающего излучения, называемого помехой, частотно-энергетические параметры .которого не могут контролироваться. Поэтому многосигнальные- характеристики входных усилителей исследуются в широкой полосе частот, и, в основном, являются типовыми характеристиками частотной избирательности по тем или иным нелинейным эффектам радиоприёмных трактов [23,31].

Основными параметрами, характеризующими МШУ, являются коэффициент усиления и коэффициент шума [32,33] . Присутствие интенсивной помехи на входе МШУ приводит к снижению коэффициента усиления, определяемому коэффициентом блокирования [21] . Этот эффект выражается в уменьшении выходной мощности полезного сигнала [23,34]. Однако, помеха воздействует не только на полезный сигнал. Её влияние способствует также и .изменению собственного шума МШУ.

Анализ нелинейных и шумовых свойств твердотельных СВЧ устройств базируется на математических моделях используемых твердотельных приборов и подключённых к ним линейных цепей с сосредоточенными и распределёнными параметрами. Корректность модели определяет полноту и

и

строгость анализа рассматриваемой нелинейной системы. Анализ процессов с помощью строгой модели позволяет оценить границы применимости упрощённых моделей. В СВЧ диапазоне наиболее удобно описание твердотельных приборов с помощью ^-параметров при синтезе линейных устройств [35] . Однако, уже при оценке устойчивости необходимо знание ¿"-параметров в широкой полосе частот, а при анализе нелинейных явлений необходимо вводить дополнительные константы для описания зависимостей 5-параметров прибора от амплитуды сигналов на его входе и выходе. Задача дополнительно усложняется, если падающая и отражённая волны содержат ряд гармоник с различными амплитудами. Поэтому для ПТШ в качестве моделей широко используются эквивалентные схемы с сосредоточенными нелинейными элементами [36-38].

Если выбор количества элементов схемы определяется решаемыми задачами, то проблема идентификации нелинейных параметров, определения наборов констант, характеризующих линейные элементы эквивалентной схемы конкретных типов ПТШ остаётся важной и не до конца решённой и в настоящее время. Одни авторы используют модифицированную теорию Шокли для определения параметров модели ПТШ, исходя из геометрических и электрофизических параметров прибора и приложенных напряжений [39-41]. Другие для этих целей используют экспериментальные зависимости [4245]. И тот, и другой метод имеет свои преимущества и недостатки и выбирается, исходя из решаемых задач и предоставленных возможностей.

Собственные шумы ПТШ имеют тепловую и диффузионную

природу и моделируются, обычно, четырьмя шумовыми генераторами тока в эквивалентной схеме транзистора [46-48]. Значения этих шумовых источников также рассчитываются на основе модифицированной теории Шокли, исходя из геометрических размеров структуры, электрофизических параметров материала и режима по постоянному току [39,49,50].

Необходимо Отметить, что теория Шокли и рассчитанные на её основе шумовые, линейные и нелинейные параметры модели ПТШ применимы только для транзисторов с длиной затвора не менее 0,5 мкм. Что касается субмикронных ПТШ, которые не исследовались в работе, то для них существуют другие теории, позволяющие рассчитывать значения параметров модели [51-54].

Анализу нелинейных многочастотных характеристик СВЧ усилителей на ПТШ посвящено много работ [28,5563,97,98], но в них исследовались только либо одночас-тотные нелинейные характеристики [55,59,61], либо амплитудные интермодуляционные характеристики [56,58,63]. В качестве методов анализа нелинейных свойств в этих работах использовались метод функциональных рядов Вольтерра [57,58,63,97,98], метод гармонического баланса [28,62] и метод обобщённых рядов [56,60]. В работах [64,65] сравнение результатов, полученных разными методами, и показано, что для слабо нелинейных систем, нелинейные характеристики которых можно- аппроксимировать рядом третьей степени, или для небольших уровней мощностей входного воздействия наиболее эффективным является метод рядов Вольтерра [66]. К достоинствам этого метода относятся: 1. Явная связь отклика и воздействия.

2. Одновременный компактный учёт инерционных и нелинейных свойств цепи.

3. Блочное представление преобразования входного воздействия в виде суммы позволяет упростить задачу разделения нелинейных продуктов различных порядков. В итоге оказывается возможным изучение отдельных видов нелинейных преобразований.

4. Возможность введения известного понятия передаточной характеристики цепи, связывающей воздействие и отклик в явном виде.

5. Простая связь применяемых на практике нелинейных критериев с характеристиками ядер цепи.

6. Удобство использования аппарата рядов Вольтерра при анализе нелинейных искажений в устройствах. Это объясняется линеаризацией и алгебраизацией системы нелинейных дифференциальных уравнений цепи при использова