Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Моделирование и автоматизированное проектирование широкополосных преобразователей частоты. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 76 7 > Следующая >>>

4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗ

ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ЧАСТОТЫ НА ДИОДАХ С ПРИОТКРЫВАНИЕМ

p–n-ПЕРЕХОДА С ПОМОЩЬЮ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ППП

Широкополосные преобразователи частоты на диодах с приоткры-

ванием p–n-перехода, как показано в разд. 3 настоящей работы, являются достаточно сложными нелинейными устройствами, которые могут работать на высоких уровнях мощности в диапазоне СВЧ. При этом к ним одновременно могут предъявляться требования снижения веса и габаритов, повышения надежности и технологичности, которые успешно решаются применением гибридно-интегральных схем, где в качестве нелинейного элемента используется твердотельный прибор (диод), а пассивная часть выполнена с использованием микрополосковых линий передачи, что приводит к необходимости учета неоднородностей, потерь и дисперсии СВЧ тракта.

В существующих отечественных, зарубежных системах и специа-

лизированных пакетах прикладных программ автоматизированного проектирования СВЧ устройств реализованы в основном процедуры анализа и параметрического улучшения решения, а процедуры синтеза функциональных узлов представлены недостаточно и ограничиваются отдельными классами фильтрующих устройств и устройств согласования простейших импедансов.

В связи с этим весьма актуальной является разработка моделей

широкополосных преобразователей частоты, позволяющих проводить автоматизированное сквозное проектирование на ЭВМ в рамках существующих перспективных САПР, а также специализированных пакетов прикладных программ, решающих следующие задачи:

– нахождение требуемого режима нелинейного элемента в задан-

ной полосе частот;

– синтез широкополосных согласующе-фильтрующих цепей в

нужном элементном базисе (сосредоточенном, сосредоточеннораспределенном электрическом и геометрическом);

– анализ получаемого решения и параметрическое улучшение ре-

шения, если в этом есть необходимость.

Анализ получаемого решения и параметрическое улучшение реше-

ния, как правило, должны производиться в том элементном базисе, в

котором будет реализовано устройство. Это определяет разработку специализированных ППП, которые позволяют строить решение на всех перечисленных этапах. Ниже дается краткая характеристика ППП, в основу которых положены модели и методы, рассмотренные в разделах 2 и 3.

4.1. Автоматизированный анализ и нахождение

оптимальных режимов работы диодов с приоткрыванием

p–n-перехода в реальных конструкциях

преобразователей частоты

Для решения нелинейного этапа общей задачи проектирования ре-

альных конструкций широкополосных преобразователей частоты на диодах с приоткрыванием p–n-перехода используется специализированный пакет прикладных программ «MOD», в основу которого положена одномерная нелинейная зарядоуправляемая математическая модель реального диода с приоткрыванием p–n-перехода (2.22), учитывающая основные виды потерь и наиболее полно удовлетворяющая следующим требованиям, предъявляемым к моделям, предназначенным для использования в специализированных пакетах прикладных программ и САПР СВЧ устройств:

– точность, достаточная для практических расчетов различных

устройств;

– быстродействие и малый объем оперативной памяти; – система входных параметров диода практически не должна от-

личаться от системы его паспортных параметров;

– возможность анализа стационарного режима работы диода в ре-

альном устройстве по заданным импедансам внешних цепей и мощностям источников сигналов по выбранным гармоникам;

– возможность нахождения оптимального режима преобразования

частоты с учетом конкретных заданных условий и ограничений (холостые контуры, уровни и направления преобразования мощностей, режим смещения и т. д.).

Нахождение стационарного режима работы диода осуществляется

в результате итерационного процесса, где на каждой итерации производится численное решение уравнений (2.22) для входного воздействия в виде ограниченного числа гармонических составляющих тока диода, протекающих через p–n-переход (2.23), методом Рунге–Кутта

четвертого порядка с фиксированным шагом, обладающим высокой

1 1 2 3 4

( 2 2 )

q q k k k k

( ), ,

j j j

k f i q

2 2 2

j j j

k f i q

2 2 2

j j j

k f i q

j j j

k f i q k

()

( , , )

f i q i

зап

( , , ) ( )f i q i i e

зап

0, ( ) 0.qq

точностью и наименьшей критичностью к шагу интегрирования.

Неизменность шага интегрирования упрощает разложение функ-

ции в ряд Фурье при проведении гармонического анализа и позволяет табулировать значения тригонометрических функций, необходимых для определения тока, протекающего через p–n-переход, что существенно сокращает время решения уравнений (2.22).

Интегрирование производится на периоде основной частоты с ис-

пользованием следующих формул:

где

– нормированный заряд, накопленный в базе диода в момент

времени j;

;

– величина шага интегрирования;

– величина нормированно-

го тока, протекающего через переход в момент времени j;

при

;

Критерием нахождения стационарного решения, учитывая перио-

дический характер изменения заряда, является выполнение условия равенства заряда в начале и в конце периода с некоторой наперед заданной относительной погрешностью :

(0) (2 )

(2 )

(0) (2 ).

(0)q

1 0 1

(0) cos

ост

2 в

(1 ),

Re ,

i i i

P U I

При невыполнении этого условия осуществляется следующая ите-

рация, причем заряд в начале следующего периода принимается равным заряду в конце предыдущего периода:

Для сокращения количества итераций начальное приближение для

заряда на начало периода первой итерации

рассчитывается по

формуле

где

– амплитуда постоянной составляющей тока; 1 – время жизни

неосновных носителей в базе диода; N – количество гармонических составляющих тока диода;

– амплитуда k-й гармоники тока; k –

фаза k-й гармоники тока.

В модели учитывается изменение времени восстановления 2 за-

пертого состояния диода в зависимости от величины остаточного заряда в базе

в соответствии с выражением

где в – паспортное значение времени восстановления обратного сопротивления перехода;

– константа, характеризующая изменение

времени восстановления.

После нахождения стационарного режима работы диода определя-

ется спектр напряжения на нем путем разложения функции напряжения в ряд Фурье и вычисляются все необходимые параметры, характеризующие найденный режим:

– мощности гармоник

где

– напряжение и ток i-й гармоники;

– собственные динамические импедансы по гармоникам

3ii

3 3 3 3 3

8 Re , .

i i i ii i

U P z z z

;

– матрица импедансов z (2.24). Матрица импедансов z диода, как показано в подразд. 2.5, позво-

ляет построить достаточно эффективную итерационную процедуру анализа и нахождения оптимального стационарного режима нелинейного элемента в реальной конструкции, работающей в «терминах» мощностей и импедансов, что дает возможность также легко учитывать различные ограничения, встречающиеся в практических задачах:

– заданный уровень входной мощности по нужным частотным со-

ставляющим;

– отсутствие выделения или потребления мощности на частотах

соответствующих гармоник;

– заданный уровень реальной и (или) мнимой части импеданса ли-

нейной цепи по нужным гармоническим составляющим.

Рассмотрим наиболее характерные для практических приложений

варианты.

1. Заданы мощность В этом случае на каждой

(2.26) соответствующие компоненты

и импеданс

-й итерации итерационного процесса

по i-й гармонике.

вектора

матрицы

будут определяться из следующих соотношений:

В результате итерационной процедуры (2.26) определяется стацио-

нарный режим работы нелинейного элемента при заданных мощности источника сигнала и импедансе по данной гармонике.

2. Задана мощность

определяется из условий идеального согласования.

В этом случае на каждой

(2.26) вначале определяется требуемый импеданс цепи гармонике, который рассчитывается по z-матрице диода, найденной

на

-й итерации,

по i-й гармонике, а требуемый импеданс

-й итерации итерационного процесса по i-й

Ti ik

Tii

1 1 1 1 *

8 Re , ( ) .

j j j j

i i Ti Tii Ti

U P z z z

11jj

Tii Ti

3ji

1 1 1 1

Re , Im Im .

j j j j

ii i Tii Ti

z r z z

1 1 1 1 1 1

8 Re , Re Re ,

j j j j j j

i i Ti Tii Tkk ik ki

U P z z z z z

1 1 1 1

Im Im , Im Im .

j j j j

Tii ii Tkk kk

z z z z

а затем формируются компоненты

вектора

матрицы

В результате итерационной процедуры (2.26) определяется опти-

мальный стационарный режим работы нелинейного элемента при заданной мощности источника сигнала по данной гармонике.

В случае, если

i-й гармоники равна нулю, то

и в ре-

зультате определяется стационарный режим работы нелинейного элемента при максимальной передаче мощности в нагрузку по данной гармонике.

3. Задана реальная часть импеданса по i-й гармонике

, а требуе-

мая мнимая часть импеданса определяется из условия идеального согласования

В результате итерационной процедуры (2.26) определяется стацио-

нарный режим работы нелинейного элемента при заданной реальной и требуемой мнимой частям импеданса по данной гармонике.

Этот вариант позволяет легко учесть требования, предъявляемые к

«холостой цепи» по i-й гармонике.

4. Задана мощность

по i-й гармонике, а требуемые импедансы

по i-й и k-й гармоникам определяются из условий максимальной передачи мощности между ними (см. подразд. 2.3):

В результате итерационной процедуры (2.26) определяется оптимальный стационарный режим работы нелинейного элемента при заданной мощности источника сигнала по i-й гармонике и равным реальным составляющим требуемых импедансов по i-й и гармоникам.

-й

Рассмотренные варианты позволяют оперативно, в реальном масштабе времени провести анализ работы диода в различных устройствах, найти режимы его работы, оптимальные по ряду критериев, а также определить требования, которым должны удовлетворять синтезируемые линейные цепи, обеспечивающие найденные оптимальные режимы работы.

Разработанный ППП «MOD» обеспечивает интерактивный режим работы разработчика и предназначен для решения следующих проектных задач:

– выбор типа диода;

– оценка достижимости поставленных требований к проектируемому устройству;

– оценка предельных значений выходных характеристик устройства;

– анализ режима работы диода в реальной конструкции;

– нахождение оптимальных режимов работы диода в соответствии с выбранными критериями оптимальности и ограничениями.

Описание ППП «MOD» приведено в Приложении. Результаты практического использования разработанного ППП «MOD» при решении конкретных задач приведены в подразд. 2.4, 3.1 и 3.2.2.

4.2. Автоматизированный синтез согласующефильтрующих цепей широкополосных

преобразователей частоты на диодах

Для решения второго этапа общей задачи проектирования реаль-

ных конструкций широкополосных преобразователей частоты параллельного типа на диодах: синтеза согласующе-фильтрующих цепей в сосредоточенном и сосредоточенно-распределенном электрическом элементном базисе – используется специализированный ППП «Расчет умножителя частоты», в котором реализация процедуры синтеза осуществляется с использованием z-матриц диода, согласующих импедансы на разных частотах (см. подразд. 3.1). Это позволяет легко учесть расстройки во входных и выходных цепях преобразователя частоты, не прибегая к решению сложной нелинейной задачи, и дает возможность получить оптимальную структуру всего устройства.

В основу ППП «Расчет умножителя частоты» положены соотношения (3.1), позволяющие легко учитывать ограничения на физическую реализуемость элементов синтезируемого преобразователя частоты, а

также взаимное влияние согласующе-фильтрующих цепей, работающих на разных частотах. На практике это осуществляется с помощью простой итерационной процедуры, которая быстро сходится.

Результатом работы ППП «Расчет умножителя частоты» является синтезированная в выбранном сосредоточенном или сосредоточеннораспределенном электрическом элементном базисе согласующефильтрующая цепь широкополосного преобразователя частоты, имеющая заданные рабочие характеристики и не содержащая идеальных трансформаторов.

Описание ППП «Расчет умножителя частоты» приведено в При- ложении. Результаты практического использования разработанного ППП «Расчет умножителя частоты» при решении конкретных задач приведены в подразд. 3.1.1–3.2.2.

Список литературы

1. Пильдон В.И. Полупроводниковые умножительные диоды /

В.И. Пильдон. – М.: Радио и связь, 1981. – 136 с.

2. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики / В.И. Каганов. –

М.: Энергия, 1970. – 328 с.

3. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных ан-

тенных решеток): учеб. пособие для вузов / Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, И.С. Давыдова и др. / Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1981. – 432 с.

4. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной

связью / Г. Боде. – М.: Иностр. лит., 1948. – 641 с.

5. Schunemann K. Hystereerscheinungen bei frequenzvervielfatcher mit

speicherdiode / K. Schunemann // Nachrichtentechnik. – 1970. – B. 2. – № 8.

6. Schunemann K. Theory der Frequez vervielfacher mit speicherdiode /

K. Schunemann // Archiv der Elekrischen Ubertragung. – 1970. – B. 24. – № 6.

7. Девятков Г.Н. Модель диода с накоплением заряда и расчет ум-

ножителя частоты с использованием ЭЦВМ / Г.Н. Девятков, Л.Г. Плавский, О.Н. Фурсов // Исследования по радиотехнике: сб. науч. тр. НЭТИ. – Новосибирск, 1973. – Вып. 6. – С. 76 – 80.

8. Красноголовый Б.Н. Варакторные умножители частоты /

Б.Н. Красноголовый, Л.Г. Плавский. – Минск: БГУ, 1979.

9. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные

дифференциальные уравнения) / Н.С. Бахвалов. – М.: Наука, 1973. – 632 с.

10. Плавский Л.Г. Коррекция АЧХ широкополосного варакторного

умножителя / Л.Г. Плавский, Г.Н. Девятков // Исследования по радиотехнике: сб. науч. тр. НЭТИ. – Новосибирск, 1973. – Вып. 5. – С. 83–86.

11. Маттей Г.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие

цепи и цепи связи: пер. с англ. / Г.Л. Маттей, Л. Янг, Е.М.Т. Джонс / Под ред. Л.В. Алексеева и Ф.В. Кушнира. – М.: Связь, 1971. – Т. 1. –

439 с.

12. Richards P.I. Resistor – transmission – line Circuits / P.I. Richards //

Proc. IRE. – 1948. – Vd. 36. – P. 217 – 220.

Приложение

Пакеты прикладных программ «MOD»

Данный пакет программ предназначен для анализа стационарных режимов работы диодов с приоткрыванием p–n-перехода в реальных конструкциях, а также нахождения оптимальных режимов работы диодов в соответствии с выбранными критериями оптимальности и ограничениями (рис. П.1.1–П.1.4).

Рис. П. 1.1. Рабочее окно ППП «MOD»

Рис. П. 1.2. Рабочая область «Ввод частоты

и количества гармоник»

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 76 7 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]