Методы расчёта нелинейных СВЧ устройств

Методов анализа нелинейных СВЧ устройств в настоящее время существует множество. Основными на данный момент являются метод гармонического баланса (ГБ) и метод функциональных рядов Вольтерра (ФВР). Методы машинного анализа СВЧ нелинейных устройств также в основном используют эти два метода.

Метод гармонического баланса, являясь численным методом, позволяет достаточно полно исследовать нелинейные СВЧ устройства с сильной нелинейностью и определять его передаточные характеристики (коэффициент передачи и др.). Этот метод используется для исследования таких СВЧ нелинейных устройств как умножители, генераторы, смесители. Однако при полигармоническом возбуждении анализ данным методом значительно усложняется и требует значительного увеличения времени для расчетов (особенно при расчете интермодуляционных искажений) [2].

Метод ФРВ обычно используется для исследования СВЧ устройств со слабой нелинейностью, и позволяет достаточно точно и быстро определять интермодуляционные искажения различных порядков, с учетом взаимодействия гармоник и комбинационных частот через линейную часть цепи. Минусом данного метода для большинства биполярных и полевых транзисторов является малый уровень входного сигнала. Необходимо отметить, при малых сигналах это фактически единственный метод, который позволяет проводить качественный анализ [2, 3].

В работе представлены результаты моделирования основной и интермодуляционной составляющей 3-ого порядка (ИМИ) при двухчастотном входном сигнале на частоте 1 ГГц методами ФРВ и ГБ.

На рисунке1 изображены зависимости выходной мощности от входной полезного сигнала и ИМИ, рассчитанные методом ГБ и методом ФРВ для GaN-транзистора В004.

 – уровень основной мощности, метод ГБ;  – уровень основной мощности, метод ФРВ;  – уровень мощности ИМИ, метод ГБ;  – уровень мощности ИМИ, метод ФРВ

Рис. 1. Уровни выходной мощности от входного полезного сигнала и ИМИ 3-го порядка, полученные методом ГБ и методом ФРВ для GaN-транзистора (Angelov2 B004)

На рисунке 1 мы наблюдаем разницу в 10 Дб между ИМИ, полученными разными методами.

На рисунке 2 изображены зависимости выходной мощности от входной полезного сигнала и ИМИ 3-го порядка, рассчитанные методом ГБ и методом ФРВ для ПТШ 3П373.

 – уровень основной мощности, метод ГБ;  – уровень основной мощности, метод ФРВ;  – уровень мощности ИМИ, метод ГБ;  – уровень мощности ИМИ, метод ФРВ

Рис. 2. Уровни выходной мощности от входного полезного сигнала и ИМИ 3-го порядка, полученные методом гармонического баланса и методом рядов Вольтерра для ПТШ 3П373 (ТОМ1)

Результаты моделирования показали, что для ПТШ фактически основные и комбинационные частоты сходятся с высокой точностью до определённого уровня воздействия. На основании проведенных исследований можно отметить, что метод ФРВ можно применять для расчета ИМИ устройств на ПТШ в режиме малого сигнала. Для GaN транзисторов метод ФРВ имеет достаточно большую погрешность при расчете ИМИ и его использование предпочтительней при качественном анализе, а расчет производить по методу ГБ.

Сокращения

ИМИ 3 – интермодуляционные искажения 3-го порядка

ФРВ – функциональные ряды Вольтерра