Широкополостные управляемые СВЧ устройства высокого уровня мощности

                Монографии НГТУ




Серия основана в 2004 году

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ»


   д-р техн, наук, проф. (председатель) А. С. Востриков
   д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) А.Г. Вострецов
   д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь) В.Н Васюков

   канд. техн. наук, проф. Ю.А. Афанасьев
   д-р техн. наук, проф. А. А. Воевода
   д-р техн. наук, проф. А. А. Батаев
   д-р техн. наук, проф. В.В. Губарев
   д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
   д-р физ.-мат. наук, проф. ВТ. Дубровский
   д-р филос. наук, проф. В.И Игнатьев
   д-р юрид. наук, доц. Ю.П Егоров
   д-р техн. наук, проф. КП. Кадомская
   д-р физ.-мат. наук, проф. О.В. Кибис
   д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
   д-р физ.-мат. наук, проф. АК. Дмитриев
   д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев
   д-р техн. наук, проф. Ю.Г Соловейчик
   д-р техн. наук, проф. А. А. Спектор
   д-р экон. наук, проф. В.А. Титова
   д-р техн. наук, проф. ЛИ Шалин
   д-р техн. наук, проф. ГМ. Шумский
   д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко

В.П. РАЗИНКИН, В.А. ХРУСТАЛЕВ, С.Ю. МАТВЕЕВ



ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ СВЧ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ






НОВОСИБИРСК 2 0 14

УДК 621.382.2.029.6
      Р 173



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.Н Сычев, д-р техн. наук, проф. ГН Девятков





      Разинкин В.П.
Р 173 Широкополосные управляемые СВЧ устройства высокого уровня мощности : монография / В.П. Разинкин, В.А. Хрусталев, С.Ю. Матвеев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. -316 с. (серия «Монографии НГТУ»).


          ISBN 978-5-7782-2326-4


         Рассмотрены вопросы построения многоканальных управляемых СВЧ устройств высокого уровня мощности, выполненных с использованием диодов и транзисторов различного типа. Описаны методы синтеза согласующе-компенсирующих цепей в сосредоточенном и распределенном базисах, полоса рабочих частот которых близка к предельно допустимой. Приведены результаты экспериментального исследования широкополосных управляемых устройств дециметрового и сантиметрового диапазонов на уровень мощности до 1 кВт в непрерывном режиме.
         Книга предназначена для специалистов в области телевизионного вещания, радиолокации и систем связи, а также для студентов старших курсов, обучающихся по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникационные системы».





                                          © Разинкин В.П., Хрусталев В.А., Матвеев С.Ю., 2008, 2014

                                         © Новосибирский государственный технический университет, 2008, 2014



УДК 621.382.2.029.6

ISBN 978-5-7782-2326-4

V.P. RAZINKIN, V.A. KHRUSTALEV, S.YU. MATVEEV



            BROADBAND MICROWAVE HIGH-POWER CONTROLLABLE DEVICES








NOVOSIBIRSK 2 0 14

UDC 621.382.2.029.6
      R 173



Reviewers:
Prof. AN. Sychev, D.Sc. (Eng.), Prof. G.N. Devjatkov, D.Sc. (Eng.)





       Razinkin V.P.
R173 Broadband Microwave High-Power Controlled Devices : monograph / V.P. Razinkin, V.A. Khrustalev, S.Yu. Matveev. - Novosibirsk : NSTU Publisher, 2014. - P. 316 (“NSTU Monographs” series).

          ISBN 978-5-7782-2326-4

          Design principles of multichannel microwave high-power controlled devices based on various diodes and transistors are proposed. Methods of synthesizing matching-compensating circuits in lumped and distributed bases, with operating frequency bands being near maximum permissible widthbands, are described. Experimental results of investigating broadband micro- and centimeter- wave controlled devices up to 1kW under continuous operation are presented.
          The book is intended for specialists in television broadcasting, radiolocation and communication systems as well as for senior students specializing in radio engineering and telecommunication systems.






UDC 621.382.2.029.6


                                                     © Razinkin V.P., Khrustalev V.A., Matveev S.Yu., 2008, 2014
                                                      © Novosibirsk State
                                                         Technical University, 2008, 2014


ISBN 978-5-7782-2326-4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ............................................13
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...................................17

Глава 1. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ....................................20
       1.1. Управляемые СВЧ устройства и их применение.20
       1.2. Полупроводниковые управляющие элементы.....29
      1.3. Схемное построение и характеристики управляемых СВЧ устройств....................................40

Глава 2. ОБОБЩЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ УУ СВЧ ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ...............................54
      2.1. Методы повышения максимально допустимой СВЧ мощности.........................................54
      2.2. Обобщенная концепция построения УУ СВЧ высокого уровня мощности..................................56

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СЕКЦИЯХ................70
      3.1. Нелинейный анализ управляемых секций методом гармонического баланса..................................70
      3.2. Нелинейные процессы в управляемой секции с последовательно включенным р - i - п -диодом..............78

      3.3. Анализ переходных процессов в управляемых секциях на р - i - п -диодах.............................88

       3.4. Спектральный анализ управляемых секций на основе управляющих элементов с комплексной нелинейностью....93

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 4. ВЕКТОРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЕМКОСТЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ.........................................111
       4.1. Применение векторно-параметрического метода для расчета потенциала заряженного электрода...................111
       4.2. Расчет межэлектродной емкости управляющих элементов с электродами дисковой формы.......................114
          4.2.1. Расчет емкости управляющих элементов с учетом конечной толщины дисковых электродов..............127
          4.2.2. Приближенный расчет емкости управляющих элементов с бесконечно тонкими дисковыми электродами..129
          4.2.3. Влияние межэлектродной емкости на полосу рабочих частот и максимальную мощность.................132
       4.3. Расчет емкости управляющих элементов с электродами прямоугольной формы...............................135
       4.4. Расчет межэлектродной емкости управляющих элементов с кольцевой формой электродов.....................146

Глава 5. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СОГЛАСУЮЩЕ-КОМПЕНСИРУЮ-ЩИХ ЦЕПЕЙ НА ОСНОВЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ СТРУКТУР..................149
       5.1. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью сосредоточенных фильтров нижних частот..149
       5.2. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью полосно-пропускающих сосредоточенных фильтров..........................................164
       5.3. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью полураспределенных полосно-пропускающих структур..........................................168
       5.4. Синтез согласующе-фильтрующих структур с учетом диссипативных потерь.................................175
       5.5. Синтез согласующе-фильтрующих структур распределенного типа с учетом диссипативных потерь..............190

Глава 6. СИНТЕЗ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРАНСФОРМАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ............................................193
       6.1. Частотные свойства компенсирующих цепей с трансформацией характеристического сопротивления.193

6.2. Синтез компенсирующих цепей на основе ФНЧ, ФВЧ и понижающих трансформаторов Нортона................196
       6.3. Синтез компенсирующих цепей на основе НПФ, ФВЧ и понижающих трансформаторов Нортона.................202
       6.4. Синтез компенсирующих цепей на основе ННФ и повышающих трансформаторов Нортона.......................205
       6.5. Синтез компенсирующих цепей на основе ППФ с высоким характеристическим сопротивлением....................208
       6.6. Синтез трансформирующих схем компенсации, выполненных на отрезках линий передачи.......................210
       6.7. Применение рядов Фурье для параметрического синтеза трансформирующих схем компенсации на отрезках линий передачи............................................214
       6.8. Синтез трансформирующей схемы компенсации на отрезках линий передачи с короткозамкнутыми корректирующими шлейфами............................................220

Глава 7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ И ФАЗОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ...........................................228
       7.1. СВЧ аттенюаторы повышенной мощности на основе направленных ответвителей.............................228
       7.2. Полупроводниковые СВЧ аттенюаторы мостового типа.235
       7.3. Полупроводниковые управляемые устройства сантиметрового и миллиметрового диапазонов.....................245
       7.4. Широкополосные аттенюаторы на сосредоточенных элементах ..............................................260
       7.5. Переключатели и коммутаторы высокого уровня мощности... 263
       7.6. Полупроводниковые СВЧ коммутаторы инверсного типа.269
       7.7. Дифференциальные СВЧ фазовращатели...............278
       7.8. СВЧ фазовращатели на основе перестраиваемых фильтров.... 286
       7.9. Дискретное изменение параметров в управляемых СВЧ устройствах............................................291
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................298
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................300

CONTENTS


NOTATION............................................................13

Chapter 1.D  ESIGN PRINCIPLES AND METHODS OF MICROWAVE CONTROLLED DEVICES.................................................20
        1.1. Microwave controlled devices and their application.....20
        1.2. Semiconductor control elements.........................29
        1.3. Circuit design and characteristics of microwave controlled devices....................................................40

Chapter 2. GENERALISED DESIGN CONCEPT OF MICROWAVE HIGH-POWER CONTROLLED DEVICES...........................................54
        2.1. Methods of increasing maximum permissible microwave power......................................................54
        2.2. Generalised design concept of microwave high-power controlled devices....................................................56

Chapter 3. NONLINEAR EFFECTS IN SEMICONDUCTOR CONTROLLED DEVICES.....................................................70
        3.1. Nonlinear analysis of controlled sections by harmonic balance method.....................................................70
        3.2. Nonlinear processes in controlled p-i-n-diode sections.78
        3.3. Transient process analysis in controlled p-i-n-diode sections....................................................88
        3.4. Spectral analysis of controlled sections based on control elements with complex nonlinearity.............................93