Нелинейные многочастотные режимы твердотельных смесителей СВЧ диапазона

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список используемых сокращений........................................5
Введение..............................................................6
Глава 1. Методы нелинейного многочастотного анализа твердотельных СВЧ смесителей..........................................................28
1.1. Параметры электромагнитной совместимости приёмного тракта............................................................29
1.1.1. Общая структура радиоприёмных устройств............29
1.1.2. Виды каналов приёма................................31
1.1.3. Интермодуляция.....................................33
1.1.4. Блокирование.......................................36
1.1.5. Перекрёстная амплитудно-фазовая конверсия..........38
1.2. Методы анализа нелинейных динамических систем............38
1.2.1. Метод конверсионных матриц.........................42
1.2.2. Метод стационарных рядов Вольтерра.................47
1.2.3. Метод нестационарных рядов Вольтерра...............60
Глава 2. Моделирование полупроводниковых СВЧ-элементов...............65
2.1. Структурные модели полупроводниковых СВЧ-элементов.......66
2.1.1. Эквивалентная схема полевого транзистора...........67
2.1.2. Эквивалентная схема биполярного транзистора с гетеропереходом...................................................70
2.1.3. Эквивалентная схема диода с барьером Шоттки........72
2.2. Физические модели полупроводниковых СВЧ-элементов........74
2.2.1. Модифицированная теория Шокли для полевых транзисторов.......................................................74
2.2.2. Диффузионно-дрейфовая модель биполярного транзистора с гетеропереходом.........................................78
2.2.3. Физическая модель диода с барьером Шоттки..........83
з
2.3. Эмпирические модели полупроводниковых СВЧ-элементов 85
2.3.1. Эмпирическая модель несмещённого по стоку полевого транзистора.................................................87
2.3.2. Эмпирическая модель биполярного транзистора с гетеропереходом для расчёта слабо нелинейных эффектов...............93
2.3.3. Эмпирическая модель диода с барьером Шоттки для расчёта слабо нелинейных эффектов................................96
2.4. Определение параметров эмпирических моделей................99
Глава 3. Нелинейные многочастотные характеристики твердотельных СВЧ
смесителей.....................................................108
3.1. Общие принципы построения и основные параметры смесителей СВЧ диапазона..................................................109
3.2. Нелинейные многочастотные характеристики диодного балансного смесителя...................................................113
3.3. Нелинейные многочастотные характеристики пассивного смесителя на полевом транзисторе.............................117
3.3.1. Структурная схема резистивного смесителя............117
3.3.2. Учёт двумерного разложения передаточной функции транзистора при расчёте нелинейных характеристик смесителя 119
3.3.3. Влияние режима работы и уровня подаваемого гетеродина на характеристики смесителя................................121
3.4. Нелинейные многочастотные характеристики активного смесителя на биполярном транзисторе с гетеропереходом.................126
3.5. Анализ нелинейных многочастотных эффектов третьего порядка в смесителях на транзисторах.....................................133
Глава 4. Шумовые характеристики СВЧ смесителей........................140
4.1. Коэффициент шума радиоприёмного устройства................140
4.2. Математические методы описания шумов в электронных устройствах..........................................................142
4
4.2.1. Статистические характеристики шумовых процессов....143
4.2.2. Физическая природа собственных шумов полупроводниковых элементов.............................................145
4.2.3. Шум в параметрических устройствах..................147
4.3. Представление источников шума в схемах....................152
4.4. Методика расчёта коэффициента шума СВЧ смесителя..........158
4.5. Шумовые модели твердотельных элементов....................161
4.5.1. Шумовая модель диода...............................161
4.5.2. Шумовая модель биполярного транзистора.............164
4.5.3. Шумовая модель полевого транзистора при нулевом..смещении на стоке............................................166
4.6. Влияние режима работы и уровня гетеродина на коэффициент шума СВЧ смесителей......................................167
Заключение...........................................................173
Библиографический список использованной литературы...................175
5
Список используемых сокращений
РЭС - радиоэлектронные средства;
СВЧ - сверхвысокие частоты;
ЭМС - электромагнитная совместимость;
РПУ - радиоприемное устройство;
МШУ - мало шумящий усилитель;
ЭС - эквивалентная схема;
УПЧ - усилитель промежуточной частоты;
ПАФК - перекрёстная амплитудно-фазовая конверсия;
НЕМТ - полевой транзистор с высокой подвижностью электронов; НВТ - биполярный транзистор с гетеропереходом; мис - монолитная интегральная схема;
ВАХ - вольт-амперная характеристика.
6
Введение
Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов анализа и синтеза СВЧ смесителей, построенных на базе различных полупроводниковых приборов, и применению данных методов для улучшения нелинейных многочастотных характеристик данных устройств.
Актуальность темы
Исследования, проводимые в данной работе, неразрывно связаны с проблемами электромагнитной совместимости (ЭМС) и устойчивого функционирования радиоэлектронной аппаратуры при воздействии помех [1-7]. Резкое усложнение электромагнитной обстановки обусловлено непрерывным возрастанием общего числа радиоэлектронных средств (РЭС) и загруженностью освоенных диапазонов, что влечет за собой возрастание общего уровня электромагнитных помех. Если при этом учесть несовершенство технических характеристик РЭС и их сосредоточение на ограниченной территории, то проблема обеспечения электромагнитной совместимости стано-;, \ • вится особенно актуальной. Особый интерес данные исследования пред-1 \\
г I /' I
* *г^Л'
ставляют для разработчиков радиоприемных устройств (РПУ), входящих в ' .
комплексы подвижных объектов (кораблей, самолетов) и функционирующих в наиболее сложных помеховых условиях.
Как известно, одним из основных элементов приёмного тракта является смеситель или преобразователь частоты. В настоящее время широкое применение во входных каскадах РПУ находят различные типы смесителей: на диодах, биполярных и полевых транзисторах. Причём последние могут работать как в активном, так и в пассивном режимах [8-12]. Выбор того или иного устройства определяется заданными требованиями на коэффициент передачи, коэффициент шума, энергетические затраты, а также на уровень допустимых нелинейных продуктов на выходе устройства. Также учитываются схемотехнические и технологические особенности реализации разных типов смесителей [13-16].
Исследованию характеристик смесителей, их моделированию и расчету параметров на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций [17-22]. Однако во многом направленность работ связана либо со схемотехническими проблемами (улучшение развязки между сигнальным, гетеродинным входами и выходом устройства), либо с улучшением параметров этих устройств, обеспечивающих выполнение функции преобразования частоты слабого сигнала. Так как смеситель завершает широкополосный входной тракт, то уровни помех на его входе могут достигать достаточно больших величин. Поэтому динамический диапазон всего радиоприемного устройства будет определяться, в том числе и динамическим диапазоном смесителя. Исходя из этого, при разработке к смесителю предъявляются высокие требования по блокированию и интермодуляции, причем численно они жестче, чем для малошумящего усилителя (МШУ) из-за более высокой чувствительности устройства.
Как известно, ослабление нелинейных эффектов в МШУ достигается линеаризацией каскада. Для смесителя этот путь неприемлем, поскольку
преобразование частоты является продуктом нелинейного взаимодействия
►
сигнала и гетеродина. Это противоречие между существенно нелинейным основным процессом и необходимостью предотвращения других нежелательных нелинейных явлений объясняет трудности выполнения преобразователя частоты, удовлетворяющего высоким требованиям [23, 24]. Как показали проведенные исследования, критерии качества прохождения сигнала через смеситель зависят от уровня подаваемого гетеродина и режима работы смесителя по постоянному току. За счет их оптимизации может быть достигнуто значительное увеличение порога восприимчивости устройства к помехам. Это позволит улучшить ЭМС характеристики всего приемного тракта. Большое число публикаций, вышедших до настоящего времени и то видное место, которое занимают вопросы анализа и синтеза различных типов смесителей в научных программах, подтверждает незавершенность су-
8
шествующих исследований. В особенности это относится к различного рода задачам нелинейного взаимодействия многочастотных сигналов в смесителях, а также их шумовых свойств.
На современном этапе моделирования полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы) представляется в виде эквивалентной схемы (ЭС) с сосредоточенными элементами, учитывающей их нелинейные и шумовые свойства. Связь вход/выход преобразовательного каскада в слабо нелинейном по основному сигналу режиме описывается функциональным рядом Вольтерра [25-27). Хотя имеется большое количество достаточно сложных моделей биполярных транзисторов и диодов, но в основном они описывают работу устройства в существенно нелинейном режиме и неприменимы для анализа таких явлений, как интермодуляция [28-32]. Поэтому необходимо разработать модели этих устройств для режима несущественной нелинейности, а также выбрать оптимальную модель полевого транзистора, адекватно описывающую его работу при нулевом питании на стоке.
Рабочие характеристики смесителей определяются как режимом работы по постоянному току, так и уровнем подаваемого гетеродина. В работе проводится исследование влияния этих параметров на нелинейные многочастотные характеристики различных типов смесителей с целью увеличения их верхней границы динамического диапазона. Электрические режимы смесителей определяются напряжениями внешних источников питания, что позволяет использовать адаптивный выбор режима в зависимости от поме-ховой обстановки и уровня подаваемого гетеродина.
При расчётах и экспериментальных измерениях многочастотных характеристик наблюдался минимум уровня интермодуляционного продукта третьего порядка для смесителей на транзисторах. Поэтому стояла задача построения математической модели, подробно описывающей нелинейный процесс в смесителях для анализа существующих закономерностей.
9
Важным параметром, определяющим чувствительность радиоприёмного тракта, является коэффициент шума, который в свою очередь зависит и от коэффициента шума смесителя [33-36] .Собственные шумы в смесителях имеют разную физическую природу и статистические характеристики. К тому же смеситель исходно является нелинейным устройством, осуществляющим преобразование сигнала с одной частоты на другую. Всё это усложняет расчёт его коэффициента шума. Поэтому необходимо разработать единую методику расчёта коэффициента шума твердотельных СВЧ смесителей и на её основе проанализировать шумовые свойства разных типов устройств.
Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики диссертации.
Целью работы является:
1. Разработка эмпирических моделей биполярного транзистора и диода для расчёта интермодуляционных характеристик устройств на их основе.
2. Выбор оптимальной эмпирической модели несмещённого по стоку полевого транзистора.
3. Исследование влияния режима работы и уровня подаваемого гетеродина диодного балансного смесителя, активного смесителя на биполярном транзисторе и пассивного смесителя на полевом транзисторе на их нелинейные многочастотные характеристики с целью улучшения.
4. Анализ формирования нелинейных эффектов третьего порядка в СВЧ смесителях на транзисторах на основе математической модели, учитывающей вклад каждого нелинейного продукта.
5. Разработка методики расчёта коэффициента шума СВЧ смесителей.
6. Исследование влияния режима работы и уровня подаваемого гетеродина на шумовые характеристики различных СВЧ смесителей.
10
Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:
синтезировать модели диода, биполярного и полевого транзисторов, позволяющие анализировать нелинейные и шумовые характеристики СВЧ смесителей на их основе;
разработать эмпирические модели биполярного транзистора и диода для расчёта слабо нелинейных эффектов;
выбрать оптимальную эмпирическую модель полевого транзистора, адекватно описывающую его работу при нулевом питании на стоке; выбрать адекватные методики определения параметров эмпирических моделей;
исследовать влияние уровня подаваемого гетеродина диодного балансного смесителя на его нелинейные многочастотные характеристики; исследовать влияние режима работы и уровня подаваемого гетеродина активного смесителя на биполярном транзисторе на его нелинейные многочастотные характеристики;
исследовать влияние режима работы и уровня подаваемого гетеродина пассивного смесителя на полевом транзисторе на его нелинейные многочастотные характеристики;
построить математическую модель на основе нестационарных рядов Вольтерра, позволяющую проанализировать вклад каждого нелинейного продукта в конечный нелинейный эффект третьего порядка в СВЧ смесителях на транзисторах;
разработать методику расчёта коэффициента шума СВЧ смесителей, учитывающую корреляцию источников собственных шумов; исследовать влияние режима работы и уровня подаваемого гетеродина на шумовые характеристики различных СВЧ смесителей.
11
Методы исследования В работе использованы методы теории электрических цепей и сигналов, методы линейного и нелинейного анализа, математического и компьютерного моделирования, физического моделирования, численные методы расчета и анализа.
Научная новизна
1. Разработаны эмпирические модели диода и биполярного транзистора, позволяющие анализировать многочастотные характеристики СВЧ смесителей на их основе в нелинейном режиме.
2. Обоснована необходимость учёта смешанных производных тока стока полевого транзистора при расчёте многочастотных нелинейных характеристик смесителя. :
3. Проведено исследование влияния режима работы и уровня подаваемого гетеродина на интермодуляционные характеристики трёх типов смесителей и сформулированы рекомендации для разработчиков смесителей с улучшенными интермодуляционными характеристиками.
4. На основе нестационарных рядов Вольтерра проанализировано формирование нелинейных продуктов третьего порядка в смесителях и предсказаны минимумы интермодуляционных характеристик.
5. Разработана методика расчёта коэффициента шума СВЧ смесителей на основе конверсионных матриц, позволяющая проводить его оптимизацию по режиму работы и уровню подаваемого гетеродина.
Достоверность результатов Достоверность полученных результатов диссертации определяется корректным применением математических методов, соответствием выводов известным фундаментальным теоретическим представлениям, соответствием результатов расчётов полученным экспериментальным данным.
12
Личный вклад
Личный вклад определяется проведением теоретических и экспериментальных исследований, а также анализом полученных результатов.
Практическая ценность Полученные в работе результаты определяют подход по выбору режима работы по постоянному току и уровню подаваемого гетеродина для трёх типов СВЧ смесителей - диодного балансного, активного на биполярном транзисторе и пассивного на полевом транзисторе - с улучшенными нелинейными многочастотиыми и шумовыми характеристиками.
Разработанные эмпирические модели полупроводниковых элементов могут найти применение при расчёте характеристик ЭМС входных модулей радиоприемных устройств. Предложенная методика расчёта коэффициента шума смесителя позволит разработчикам РЭС проектировать и анализировать устройства с заданными параметрами.
Прикладные задачи, решенные на основе разработанных подходов, представляют самостоятельный научный и практический интерес с точки зрения совершенствования радиоэлектронных устройств и условий эксплуатации при использовании их в сложной электромагнитной обстановке.
Полученные результаты используются в учебном и научно-исследовательском процессе кафедры электроники Воронежского государственного университета, а также в ряде серийно выпускаемых в «ОАО Концерн «Созвездие» приёмовозбудителей с цифровой обработкой сигналов.
Состояние исследуемой проблемы В настоящее время при разработке и проектировании радиоприёмных устройств большое внимание уделяется их нелинейным многочастотным характеристикам. Это связано, во-первых, с проблемой обеспечения электромагнитной совместимости радиоприёмного тракта, а, во-вторых, с минимиза-
1
13
цией нелинейных искажений в цифровых системах связи. Первая проблема возникает из-за постоянного увеличения числа радиоэлектронных средств и их уплотнения, которое приводит к возрастанию уровня шума в радиочастотном диапазоне. В результате изменение уровня помех и полезного сигнала на входе радиоэлектронных устройств в обычных условиях может составлять 90-100 дБ. При работе в экстремальной электромагнитной обстановке перепад уровней может превышать 100-160 дБ и более [48]. Это относится и к области военного применения, но здесь проблема усугубляется еще и тем, что помехи могут создаваться противником преднамеренно, что еще более повышает требования к надежности радиоприемных устройств и их способности эффективно работать в условиях действия различных типов помех. Особое внимание проблемам ЭМС уделяется в измерительных приемниках, используемых для целей радиоконтроля, которые работают в значительно более тяжелых условиях, чем обычные связные приемники [112]. В идеальном случае станции радиоконтроля должны располагаться в местах,'' где наблюдениям за состоянием радиочастотного спектра не будут мешать расположенные близко радиопередатчики, высоковольтные линии электропередачи, радиорелейные линии и т.д. Однако в реальных условиях подобные требования далеко не всегда могут быть соблюдены. Поэтому приемники станций радиоконтроля обычно работают в присутствии сильных помех, часто имеющих значительно более высокие уровни, чем те, с которыми сталкиваются связные приемники. Таким образом, усложняющаяся электромагнитная обстановка требует повышенного внимания к восприимчивости к помехам радиоэлектронных средств [113, 114, 121]. Любое устройство нельзя считать качественным, если в отсутствии помех оно выполняет свое назначение и не выполняет при наличии помех даже допустимого уровня. Если изделие не удовлетворяет требованиям ЭМС, то остальные показатели качества могут потерять значение, поскольку изделие не сможет обеспечить прием полезного сигнала.
14
Вторая проблема связана с увеличением числа цифровых систем радиосвязи и использованием современных видов модуляции, которые требуют от приемной радиочасти емкости и гибкости в увеличении линейности. Для повышения объемов передаваемой информации необходимо использовать многопозиционные сигналы со многими поднесущими [122], которые очень чувствительны к нелинейным искажениям, возникающим в приёмо-передающих цепях. Следовательно, возрастает необходимость в проектировании и оптимизации схем с целью минимизации проявляющихся в них паразитных нелинейных эффектов.
Несмотря на многочисленные достижения в развитии радиотехники и технологии смесители остаются наиболее критической частью радиоприемных систем. Прогресс в области коммуникационных сетей увеличивает требования к смесителям, особенно в отношении таких параметров как рабочие частоты, ширина полосы, потери или коэффициент передачи, линейность, коэффициент шума и динамический диапазон. В добавлении к этому, размер схемы и требуемая мощность гетеродина должны быть минимизированы [11, 115]. Смеситель является последним элементом в аналоговой приемной цепочке, поэтому его линейность доминирует в динамическом диапазоне приемника. Улучшение характеристик смесителя ведет к улучшению динамического диапазона всего приемника. Однако нелинейность внутренне присуща смесителю, так как он осуществляет преобразование частоты. Поэтому его линеаризация становится конфликтной, часто трудноразрешимой задачей. Нелинейные преобразования сигналов сложны для анализа, поскольку на выходе, кроме полезной составляющей, возникает множество продуктов комбинационного взаимодействия, взаимный уровень которых зависит от схемы смесителя, от количества входных сигналов и соотношения их частот, от амплитуд каждого из них.
Рассмотрению общих принципов построения смесителей, их моделированию и расчету параметров на сегодняшний день посвящено достаточно
1
15
большое количество публикаций. Например, в работах [9, 14, 116] рассматриваются схемотехнические аспекты построения смесителей на основе ге-тероструктурных приборов, проводится сопоставительный анализ различных типов смесителей. В работах [10, 15, 16, 117] обсуждаются вопросы, связанные с разработкой и анализом широкополосных смесителей на биполярных транзисторах в активном одночастотном режиме для различных современных полупроводниковых структур. В статьях [118-120, 132-136] рассматриваются вопросы, связанные с работой смесителя в режиме существенной нелинейности (в ключевом режиме и режиме отсечки), а интермодуляционные явления исследуются лишь с точки зрения анализа экспериментально полученных данных. Таким образом, изучение различного рода задач нелинейного взаимодействия многочастотных сигналов в смесителях, а также исследование и расчет интермодуляционных и шумовых свойств смесителей на основе различных полупроводниковых структур до конца не проведено. г
Что касается методов нелинейного анализа, используемых для расчёта характеристик СВЧ смесителей, то в настоящее время наиболее распространёнными являются метод гармонического баланса [123, 124] и метод нестационарных рядов Вольтерра [19, 125, 126, 131]. Метод гармонического баланса позволяет достаточно полно исследовать нелинейные СВЧ устройства в режиме существенной нелинейности и определять его передаточные характеристики. Однако при полигармоническом возбуждении анализ данным методом значительно усложняется и требует значительного увеличения времени для расчетов, особенно при расчете интермодуляционных искажений. Анализ на основе рядов Вольтерра является наиболее подходящим методом для моделирования схем со слабой нелинейностью. Он идеально подходит для оценки интермодуляционных искажений. Анализ на основе рядов Вольтерра имеет значительно большую точность и скорость по сравнению с методом гармонического баланса. Кроме того, он хорошо интегрируется с рас-
16
пространёнными методами анализа линейных схем и конверсионных матриц [17] и даёт возможность одновременной оптимизации нелинейных эффектов и коэффициентов передачи и отражения. С учётом всех перечисленных преимуществ этот метод может считаться оптимальным для анализа схем в режиме несущественной нелинейности. Однако чтобы он корректно работал, необходимы соответствующие математические модели полупроводниковых элементов, в частности транзисторов и диодов, адекватно описывающие не только их вольт-амперные и вольт-кулоновские характеристики, но и их производные. Хотя имеется большое количество достаточно сложных моделей биполярных транзисторов и диодов, но в основном они описывают работу устройства при сильных нелинейностях и не применимы для анализа таких явлений, как интермодуляция [28]. К тому же такие модели содержат
большое количество подбираемых параметров, что снижает точность расче-
)
тов. Поэтому необходимо разработать модели этих устройств для режимов несущественной нелинейности. Одним из важных применений этих моделей в дальнейшем является возможность внедрения в некоторые САПР СВЧ, например ADS[127]. Что касается полевых транзисторов, то к настоящему времени также предложено большое число их моделей [72-79]. Однако далеко не все они адекватно описывают работу устройства при нулевом питании на стоке, а также не учитывают двумерную зависимость тока стока. Поэтому перед разработчиками возникает проблема выбора наиболее оптимальной модели полевого транзистора, позволяющей рассчитывать нелинейные многочастотные характеристики резистивного смесителя на его основе.
Важным параметром, определяющим чувствительность радиоприёмного тракта, является коэффициент шума, который в свою очередь зависит и от коэффициента шума смесителя. Собственные шумы в смесителях имеют разную физическую природу и статистические характеристики [95]. К тому же смеситель исходно является нелинейным устройством, осуществляющим