Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы и методы построения управляемых СВЧ устройств 22
1.1. Управляемые СВЧ устройства и их применение 23
1.2. Полупроводниковые управляющие элементы 33
1.3. Схемное построение и характеристики управляемых СВЧ устройств 45
2. Обобщённая концепция построения уу свч высокого уровня мощности 62
2.1. Методы повышения максимально допустимой СВЧ мощности 62
2.2. Обобщённая концепции построения УУ СВЧ высокого уровня мощности 64
3. Исследование нелинейных эффектов в полупроводниковых управляемых секциях 81
3.1. Нелинейный анализ управляемых секций методом гармонического баланса 83
3.2. Нелинейные процессы в управляемой секции с последовательно включенным р - і - п - диодом 89
3.3. Анализ переходных процессов в управляемых секциях на р-і-п- диодах 100
3.4. Спектральный анализ управляемых секций на основе управляющих элементов с комплексной нелинейностью .105
4. векторно-параметрический метод расчёта емкостей полупроводниковых управляющих элементов .125
4.1. Применение векторно-параметрического метода расчёта потенциала заряженного электрода . 126
4.2. Расчёт межэлектродной ёмкости управляющих элементов с электродами дисковой формы 128
4.2.1. Расчёт емкости управляющих элементов с учётом конечной толщины дисковых электродов 142
4.2.2. Приближённый расчёт ёмкости управляющих элементов с бесконечно тонкими дисковыми электродами 144
4.2.3. Влияние межэлектродной ёмкости на полосу рабочих частот и максимальную мощность . 147
4.3. Расчёт ёмкости управляющих элементов с электродами прямоугольной формы .150
4.3.1. Ёмкость системы двух прямоугольных электродов конечной толщины 157
4.4. Расчёт межэлектродной ёмкости управляющих элементов с кольцевой формой электродов 161
5. Анализ и синтез согласующе-компенсирующих цепей на основе фильтровых структур 166
5.1. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью сосредоточенных фильтров нижних частот 167
5.2. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью сосредоточенных полосно-пропускающих фильтров 182
5.3. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью полураспределённых полосно-пропускающих структур 186
5.4. Синтез согласующе-компенсирующих структур с учётом диссипативных потерь . 195
5.5. Синтез согласующе-фильтрующих структур распределённого типа с учётом диссипативных потерь 212
6. Синтез компенсирующих цепей с использованием трансформации характеристического сопротивления . 216
6.1. Синтез компенсирующих цепей на основе ФНЧ, ФВЧ и понижающих трансформаторов Нортона 219
6.2. Синтез компенсирующих цепей на основе ППФ, ФВЧ и понижающих трансформаторов Нортона 226
6.3. Синтез компенсирующих цепей на основе ППФ и повышающих трансформаторов Нортона 228
6.4. Синтез компенсирующих цепей на основе ППФ с высоким характеристическим сопротивлением 232
6.5. Синтез трансформирующих схем компенсации, выполненных на отрезках линий передачи 234
6.6. Применение рядов Фурье для параметрического синтеза трансформирующих схем компенсации на отрезках линий передачи 239
6.7. Синтез трансформирующей схемы компенсации на отрезках линий передачи с короткозамкнутыми корректирующими шлейфами . 246
7. Широкополосные устройства управления амплитудой и фазой высокочастотных колебаний
7.1. СВЧ аттенюаторы повышенной мощности на основе направленных ответвителей
7.2. Полупроводниковые СВЧ аттенюаторы мостового типа
7.3. Полупроводниковые управляемые устройства сантиметрового и миллиметрового диапазона
7.4. Широкополосные аттенюаторы на сосредоточенных элементах
7.5. Переключатели и коммутаторы высокого уровня мощности
7.6. Полупроводниковые СВЧ коммутаторы инверсного типа
7.7. Дифференциальные СВЧ фазовращатели
7.8. СВЧ фазовращатели на основе перестраиваемых фильтров
7.9. Дискретное изменение параметров в управляемых СВЧ устройствах .
Заключение
Список литературы .
Приложение
- Полупроводниковые управляющие элементы
- Обобщённая концепции построения УУ СВЧ высокого уровня мощности
- Анализ переходных процессов в управляемых секциях на р-і-п- диодах
- Расчёт межэлектродной ёмкости управляющих элементов с электродами дисковой формы
Введение к работе
Актуальность проблемы. -Развитие современных систем радиолокации,
радионавигации/ подвижной радиосвязи, глобальных телекоммуникаций, циф
рового телевидения и радиовещания, а также.радиоизмерительных систем ха
рактеризуется интенсивным проведением теоретических.и экспериментальных
исследований в области разработки полупроводниковых СВЧ устройств разли
чного назначения, В общем случае, по выполняемой функции полупроводнико
вые устройства можно разделить на два больших класса:' 1) усилительные и ге
нераторные; 2).устройства управления амплитудой и: фазой высокочастотных
колебаний, или управляемые СВЧ устройства (УУ СВЧ), Необходимо отмстить,
что на основе УУ СВЧ могут быть также реализованы устройства сдвига час
тоты за счёт применения.квадратурной.балансной модуляции или фазовраща
телей с линейной характеристикой управления. Особенно актуальным является
использование УУ СВЧ.. для получения цифровых видов'модуляции, Анализ
технических параметров УУ СВЧ, достигнутых на сегодняшний день, показы
вает, что основными тенденциями их развития являются: повышение мощно
сти входного высокочастотного сигнала; улучшение качества согласования;
расширение полосы рабочих.частот; увеличение динамического диапазона из
менения, управляемых параметров; обеспечение требуемого уровня:подавлсния
высших и комбинационных гармонических составляющих; применение цифро
вых методов для дискретного изменения управляемых параметров; повышение
быстродействия; .уменьшение массогабаритных показателей и интегральная
микроминиатюризация. В настоящее время в ведущих .европейских странах,
США, в странах юго-восточной Азии и в Китае резко возрос объем исследова
ний, практических разработок и публикаций,по проблеме построения УУ СВЧ
высокого .уровня мощности,,В России также, проводятся.аналогичные исследо
вания многими научно-исследовательскими институтами,, предприятиями, ву
зами и научно-производственными фирмами; Тем не менее, имеется острая по
требность в управляемых устройствах, обеспечивающих совместную работу'
приёмо-передающих трактов фазированных антенных решеток с большой
мощностью излучения. Широкополосные УУ СВЧ. необходимы для построения
измерительного оборудования,, используемого для настройки и проверки пара
метров радиовещательных и телевизионных, передатчиков. Управляемые уст
ройства, востребованы операторами связи для реализации цифровых модулято
ров^ компенсаторов нелинейных искажений в усилительных трактах децимет
рового и сантиметрового диапазона, а также для подключения резервных бло
ков, Однако перечисленные выше потребности. сдерживаются .отсутствием
управляемых устройств нового поколения, способных «работать в предельно
широкой полосе частотна уровне входной мощности до (1+2) кВт в непрерыв
ном режиме, . ' г ,' ,
Таким образом, создание УУ СВЧ высокого уровня мощности является актуальной проблемой и требует дальнейшего обобщения и систематизации концептуальных принципов построения,. а также. обуславливает необходимость разработки новых адекватных методов анализа и синтеза управляемых уст-
ройств различного вида, реализованных в базисе сосредоточенных и распределенных элементов
В данной работе обобщены научно-технические и патентные исследования, выполненные автором на протяжении ряда лет в Новосибирском государственном техническом университете по проблеме создания широкополосных управляемых СВЧ >стройств высокого уровня мощности.
Целью работы является развитие теоретических основ и практики построения полупроводниковых управляемых СВЧ устройств высокого уровня мощности, широкополосные свойства которых близки к предельно достижимым.
Задачи исследований. Поставленная цель достигается решением следующих основных задач.
1 Обоснование и разработка обобщенной концепции построения мощных многоканальных УУ СВЧ на основе делителей мощности и управляемых секций, содержащих сосредоточенные и распределенные элементы в виде одномерных и двумерных линий передачи различного типа
-
Разработка спектральных методов анализа нелинейных явлений в УУ СВЧ, позволяющих учитывать инерционные свойства и комплексную нелинейность управляющих элементов, работающих в режиме динамического смещения на повышенном уровне мощности входного высокочастотного сигнала.
-
Развитие теории фильтров применительно к построению симметричных цепей компенсации влияния межэлектродной емкости мощных управляющих элементов, обеспечивающих заданігую трансформацию характеристического сопротивления и выполненных на основе каскадного соединения фильтровых структур различного вида с перекрывающимися областями полос пропускания.
4. Разработка критериев для оценки эффективности широкополосных
свойств сосредоточенных и полураспределённых цепей компенсации влияния
межэлектродной емкости сосредоточенных управляющих элементов по отно
шению к предельно достижимой полосе частот при заданном уровне входной
мощности
-
Разработка новых схемотехнических, конструктивных и технологических решений для построения мощных широкополосных управляемых секций с параллельным и последовательным включением управляющих элементов.
-
Разработка конструктивных и технологических решений для построения аттенюаторов, фазовращателей и управляемых делителей мощности сантиметрового диапазона, содержащих планарные резонаторы с высокой электрической прочностью.
-
Разработка принципов построения и новых схемных решений мощных широкополосных СВЧ коммутаторов инверсного типа с использованием фазированных компенсационных режекторных структур, обеспечивающих большую величину вносимого затухания в режиме выключения.
-
Разработка принципов построения УУ СВЧ повышенной мощности с цифровым управлением на основе параллельно-последовательного включения управляющих элементов с дискретным изменением управляемого параметра в большом динамическом диапазоне.
, Методы исследований. Решение перечисленных выше задач выполнено с применением:.теории матриц и ориентированных графов; теории функций комплексного переменного, включая преобразование Фурье и его свойства; теории дифференциальных уравнений в частных производных; теории рядов; дифференциального и интегрального исчисления; асимптотических методов определения значений функций ]и интегралов; методов оптимизации. Кроме,того, в работе используется..теория. цепей, теория,электромагнитного поля, .теория фильтров, метод декомпозиции,,метод синфазного и противофазного возбуждения, метод характеристических параметров,
Достоверность основных положений и і выводов подтверждена результатами .теоретических и экспериментальных'. исследований,. а' также созданием. широкого, класса СВЧ аттенюаторов, переключателей и фазовращателей большой мощности, внедрённых в различные радиотехнические системы и комплексы, .
Научная'новизна,.
-
Предложена обобщённая концепция многоканального построения широкополосных управляемых СВЧ устройств высокого уровня мощности на основе базового двухканального модуля; содержащего делитель мощности, суммарно-разностное устройство,.' фазосдвигающие. четырёхполюсники и управляемые . секции с цепями компенсации влияния межэлектродной ёмкости и индуктивности выводов управляющих'полупроводниковых элементов сосредоточенного типа,. Концепция ориентирована' на. реализацию полосы частот, приближающуюся к предельно достижимой полосе частот, и,позволяет за счёт принципа вложения, декомпозиции и каскадного соединения нескольких управляемых секций описать вес схемотехнические реализации УУ СВЧ,.
-
Разработан спектральный метод анализа нелинейных эффектов в управляемых секциях с инерционными р-і-п- структурами, основанный.на дифференциальных уравнениях непрерывности для двух взаимодействующих, переходов и позволяющий устранить квазистатические ограничения,зарядовой модели p-t-n- диода,
-
Разработан- быстродействующий метод спектрального! анализа для управляемых секций на основе применения функциональных рядов и законов ' теории цепей, позволивший впервые исследовать режим динамического'смещения, обусловленный проявлением детекторного эффекта в полупроводниковых управляющих элементах с комплексной нелинейностью при повышенном уровне высокочастотного сигнала,'
-
Предложен оригинальный векторно-параметрический метод расчёта межэлектродной емкости полупроводниковых приборов с различной формой электродов конечной толщины, учитывающий краевые эффекты, неравномерное распределения заряда на внутренних и внешних поверхностях электродов и их несимметричное расположение относительно друг друга,
-
Определена предельно достижимая полоса частот сосредоточенных и полураспределённых цепей компенсации влияния межэлектродноЙ ёмкости
управляющих элементов, являющаяся критерием для оценки эффективности широкополосных свойств компенсирующих структур различного вида с заданным значением характеристического сопротивления в плоскости симметрии
-
Развита теория фильтров в виде: а) метода синтеза полураспределённых фильтровых цепей компенсации влияния межэлектродной ёмкости и индуктивности выводов управляющих элементов на основе сосредоточенного прототипа; б) итерационного метода синтеза корректирующих цепей для компенсации искажений амплитудно-частотных характеристик симметричных частотно-избирательных структур, обусловленных диссипативными потерями; в) метода синтеза согласующе-трансформирующих цепей компенсации влияния межэлектродной емкости и индуктивности выводов управляющих элементов, основанного на трансформации характеристического сопротивления сосредоточенных и полураспределенных фильгровых структур с перекрывающимися областями полос пропускания.
-
Сформулированы правила построения широкополосных УУ СВЧ высокого уровня мощности, выполненных на основе последовательного включения управляемых секций, в которых отдельные элементы подключаются параллельно друг другу для дискретного изменения управляемого параметра.
8 Синтезированы новые с хорошей физической реализуемостью элементов схемы широкополосных СВЧ коммутаторов, аттенюаторов и фазовращателей большой мощности, в том числе мостового и инверсного типа, широкополосные свойства которых близки к предельно достижимым.
Практическая значимость работы. На основе предложенной концепции разработаны, созданы и внедрены на ряде предприятий широкополосные аттенюаторы, многоканальные управляемые делители, коммутаторы и фазовращатели, работающие на уровне мощности до 1,2 кВт. Эффективность широкополосных свойств разработанных УУ СВЧ в соответствии с предложенными в работе критериями составляет (70- 80)%.
Повышение допустимой мощности входного высокочастотного сигнала и расширение полосы рабочих частот достигнуто за счёт нового подхода, заключающегося в создании управляемых секций на основе широкополосных сосредоточенных и полураспределенных структур с большим коэффициентом трансформации характеристического сопротивления, что обеспечило возможность параллельного включения нескольких мощных управляющих элементов.
Разработаны и экспериментально исследованы новые конструкции широкополосных СВЧ атгенюаторов, переключателей, управляемых делителей мощности и фазовращателей для диапазона частот 0,02*12 ГТц, выполненных на основе сосредоточенных элементов, полосковых и щелевых линий передачи, в которые включены управляющие элементы и планарные резонаторы с распределенной связью. Предложенные схемотехнические и конструктивные решения органично вписываются в технологию гибридных и многослойных плёночных интегральных микросхем
Наряду с повышением уровня входной мощности практическая значимость работы заключается также в комплексном улучшении технических характеристик вновь созданных УУ СВЧ. Разработанные устройства управления амплиту-
дойи фазой высокочастотных колебаний отличаются: 1) повышенной допустимой мощностью входного сигнала за счёт комбинированного использования управляющих элементов и дополнительных плёночных резисторов; 2) многофункциональными возможностями, то есть реализацией на основе одной конструкции трёх устройств - аттенюатора,,выключателя и фазового манипулятора; 3) уменьшенными'в 2+3 раза массогабаритными показателями; 4) высокой технологичностью СВЧ блоков и схем управления, достигнутой за счёт обеспечения режима качественного? согласования; при' произвольных, но одинаковых токах или напряжениях, подводимых.к управляющим элементам; 5) высокой точностью дискретного изменения .управляемого параметра.в широкополосных аттенюаторах (0,2'дБ) и фазовращателях (5Р),< предназначенных для СВЧ систем с цифровым управлением.
Создано программное обеспечение для расчёта спектра1 выходного сигнала мощных УУ СВЧ, содержащих нелинейные инерционные управляющие элементы и элементы с комплексным характером нелинейности.'
Новизна технических решений подтверждается отечественными патентами и авторскими свидетельствами на изобретения, а также актами внедрения на ряде ФГУП России и предприятий со смешанной формой собственности, производящих радиотехническую, радиовещательную и передающую телевизионную аппаратуру;
Реализация результатов работы. Под руководством и' при непосредственном участии автора созданы и внедрены следующие разработки. ..
-
Широкополосные аттенюаторы, управляемые.делители и переключатели. повышенной мощности сантиметрового диапазона (НИИ автоматических систем, г. Москва, участие в хоздоговорных работах по разработке и созданию УУ СВЧ, 1983-1990 г.),
-
Коммутатор СВЧ сигналов большой мощности (ОАО «Институт прикладной физики»; г. Новосибирск), ......
-
СВЧ коммутаторы высокого уровня мощности,,многоканальные СВЧ измерительные аттенюаторы (ООО «НЛП Триада-ТВ», г. Новосибирск),,
-
Шестиканальные измерительные аттенюаторы на уровень входной мощности 30Вт (ЗЛО «МИКРОТЕК», г. Новосибирск),.
5, Многоканальный СВЧ аттенюатор дециметрового диапазона на уровень
входной мощности 1,2' кВт (государственное унитарное предприятие «ПРОМ-
СВЯЗЬ», г. Алматы),! ,
-
Ступенчатый СВЧ аттенюатор метрового диапазона на уровень входной мощности-1 кВт (ОАО «Мощная аппаратура радиовещания и телевидения», г. Санкт-Петербург), ..".
-
Двухканальный.СВЧ аттенюатор дециметрового диапазона на уровень входной?мощности.50СЬВт (ООО «Алмаз-Антей Телекоммуникации», г. Москва). " .. : .
8. Новосибирский; государственный технический университет, кафедра
теоретических основ радиотехники. Внедрено в учебный процесс программное
обеспечение для расчёта спектральных компонент в широкополосных управ
ляемых секциях,
Документы о внедрении разработанных устройств приведены в приложении к диссертационной работе.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в " Новосибирском государственном техническом университете, в научно исследовательской работе студентов, при подготовке магистерских диссертаций, в дипломном проектировании и в материалах лекционных курсов «Электроника» и «Основы аудио-видеотехники». С использованием результатов диссертационной работы для студентов специальностей 210302 - «Радиотехника» и 210402 - «Средства связи с подвижными объектами» изданы учебно-методические пособия: «Радиотехнические цепи и сигналы. Задачи и задания» (Москва, ИН-ФРА, НГТУ, 2003 г.), «Основы электроники» (НГТУ, 2006 г.).
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Обобщенная концепция многоканального построения широкополосных управляемых СВЧ устройств позволяет реализовать все существующие способы повышения уровня входной мощности за счёт использования базового двух-канального модуля, содержащего делитель мощности, суммарно-разностное устройство, фазосдвитающие четырехполюсники и управляемые секции.
-
Спектральный метод анализа нелинейных эффектов в управляемых секциях на р- і —п - диодах, основанный на физико-топологической модели двух взаимодействующих переходов p — i-n - структуры и уравнениях гармонического баланса, обеспечивает высокую адекватность определения гармоник в широком диапазоне частот при большом уровне высокочастотного сигнала.
-
Метод расчёта спектральных составляющих в управляемых секциях, основанный на использовании функциональных рядов и законов теории цепей, позволяет описать режим динамического смещения, проявляющийся при достаточно большом уровне входного высокочастотного сигнала на полупроводниковых управляющих элементах, в том числе с комплексной нелинейностью.
-
Векторно-параметрический метод расчёта межэлектродной емкости полупроводниковых управляющих элементов, основанный на использовании функции поверхностной плотности заряда, удовлетворяющей граничным условиям, применим для системы электродов трёхмерной формы.
-
Установленные значения предельно достижимой полосы частот сосредоточенных и полураспределённых цепей, предназначенных для компенсации влияния межэлектродной емкости управляющих элементов, являются критерием эффективности широкополосных свойств существующих и вновь создаваемых управляемых устройств.
-
Метод синтеза широкополосных полураспределё'нных фильтровых цепей компенсации влияния межэлектродной емкости и индуктивности выводов управляющих элементов, в основе которого лежит использование сосредоточенного прототипа, позволяет в 2 раза уменьшить массогабаритные параметры.
-
Итерационный метод синтеза корректирующих цепей для симметричных частотно-избирательных структур обеспечивает с минимальным значением начального затухания компенсацию искажений их амплитудно-частотных характеристик, обусловленных диссипативными потерями.
8, Метод синтеза согласующсттрансформирующих цепей компенсации
влияния межэлектродной емкости и индуктивности выводов управляющих
элементов, основанный на трансформации характеристического сопротивления
сосредоточенных и полураспределённых фильтровых структур с перекрываю
щимися і областями полос пропускания, позволяет реализовать любое заданное
значение коэффициента трансформации,
9, Правила построения УУ СВЧ, выполненных на основе последователь
ного включения нескольких управляемых секций, в которых для реализации
дискретного изменения управляемого параметра отдельные элементы подклю
чаются параллельно друг другую позволяют синтезировать широкополосные
устройства с максимально достижимым уровнем входной мощности.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международных,, Всероссийских и региональных конференциях: «Опыт применения автоматизации проектирования интегральных приборов СВЧ» (Киев - 1988); III- Сибирская научно-практическая.конференция «Сибметрология - 2001» (Новосибирск - 2001); «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности» (Томск - 2005); «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск-1996, 1997, 1999, 2000; 2001; 2002, 2003, 2005); «Актуальные проблемы.электронного приборостроения» (Новосибирск- 1996, 1998, 2000, 2002; 2004); «Микроволновая электроника» (Новосибирск - 1997, 2001, 2003, 2005); Российско:Корейская международная конференция - KORUS (Томск - 2001, Новосибирск - 2001; :2002, 2005); «Электронные средства и системы управления» (Томск - 2004,.2005), «Измерения, контроль, информатизация» (Барнаул - 2003).
Публикации. Всегопотеме диссертации опубликовано 73 научные работы. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 63. научных1 работах: в 18 статьях в центральных периодических журналах: и изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций; в одной статье в ведущем научном периодическом издании; в 32 статьях и докладах в сборниках трудов международных и Российских научно-технических конференций; в описаниях 4 патентов и 9 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 198 наименований, и приложения. Работа изложена на 355 страницах основного текста, иллюстрируется 159 рисунками, содержит 5 таблиц.
Полупроводниковые управляющие элементы
Наибольшее распространение при построении УУ СВЧ в качестве управляющих элементов получили переключательные p-i-n- диоды, диоды сбарьером Шоттки, импульсные диоды с лавинным умножением, варикапы (ва-ракторы), полевые транзисторы с управляющим р-п- переходом и изолированным затвором. Следует отметить, что наряду с полупроводниковыми управляющими приборами в последнее время у разработчиков появляется интерес к использованию плёночных и жидкокристаллических управляющих элементов с оптическим каналом управления. Эти элементы позволяют обеспечить работоспособность в миллиметровом диапазоне, однако обладают малой мощностью рассеивания [22].
Переключательные диоды на основе p-i-n- структуры содержат двесильнолегированные р, п- области и базовую і- область из собственного по-лупроводника толщиной 10-гЗОО мкм. В основе работы p-i-n- диода лежит свойство инерционности: нелинейная зависимость тока от напряжения на высоких частотах не проявляется, то есть при выполнении условия сот І »1 отсутствует детекторный эффект (со - частота высокочастотного сигнала, г, - время жизни неравновесных носителей заряда в базе). В области высоких частот ам плитуда высокочастотного тока может в сотни раз превышать постоянную составляющую тока, являющуюся управляющим воздействием.
При прямом смещении диода осуществляется высокого уровня инжекция дырок и электронов в базовую і- область, в результате чего уменьшается её сопротивление. В СВЧ диапазоне сопротивление р-і-п- диода практическиопределяется сопротивлением базовой области, поскольку в первом приближении сопротивлением сильно легированных областей, шунтированных соответствующими диффузионными ёмкостями, и сопротивлением контактов можно пренебречь. В [23] показано, что по отношению к высокочастотному сигналу р-і-п - диод при прямом смещении представляет собой резистор, управляемый постоянной составляющей тока /:Эффективность коммутационных свойств p-i-n- диода описываетсядвумя параметрами - качеством диода и его критической частотой [13, 24]:где L3, Ln- соответственно потери запирания и прямые потери управляемого устройства; R_ сопротивление базовой области диода при нулевом или обрат Є Б Sном смещении; / - критическая частота, на которой Ln=L3; Cd= г р амежэлектродная ёмкость диода без учёта краевых эффектов; е0- абсолютная диэлектрическая постоянная; ег- относительная диэлектрическая постоянная.
Чем больше параметр качество диода, тем больше динамический диапазон вносимого,затухания и более высокочастотным является прибор. В случае работы на высоком уровне мощности увеличить качество диода Kd можно за счёт уменьшения сопротивления при прямом смещении R+. Для более подробного анализа влияния электрофизических параметров диода на величину качества проведём некоторые преобразования в (1.1). В соответствии с известным принципом подобия в электростатике межэлектродная ёмкость и сопротивление полупроводникового диода связаны соотношениями:где а+- средняя удельная электропроводность базовой области диода при прямом смещении; У0 - qjup(b +1) щ- удельная электропроводность собственного полупроводника базовой области при нулевом смещении; и,-(/?,) - собственнаяконцентрация носителей заряда в базовой области.
Далее воспользуемся аналитическим выражением для средней удельной проводимости базовой области, полученным в [25]: электрофизическими параметрами полупроводника.
Выражения (1.4) и (1.5) позволяют сформулировать требования к конструкции р-і-п диода, предназначенного для работы в сантиметровом и миллиметровом диапазоне. Его конструкция должна обеспечивать как можно большую величину накопленного заряда Qp при минимальном объёме базовойобласти a-S. Увеличить критическую частоту диода f можно также за счёт некоторого снижения прямого тока / при неизменном заряде Qp. P-i- n - диоды с малым объёмом базовой области и соответственно с малыми линейными размерами электродов обладают ёмкостью порядка 0,l-f0,01 пФ [6]. Экспериментальное измерение таких небольших межэлектродных емкостей затрудняет сильное проявление краевых эффектов и индуктивность выводов. Краевая ёмкость может достигать 30% общей ёмкости. Поэтому разработка аналитических методик расчёта межэлектродных емкостей, имеющих различную форму и размеры, при которых проявляются краевые эффекты, является практически важной задачей, как для разработчиков p-i-n- диодов, так и для разработчиков УУ СВЧ.
Характерными особенностями p-i-n- диодов являются относительно не _л _обольшое быстродействие (10 -4-10 ) с, которое ограничивает их применение в системах с цифровыми методами модуляции, и значительная мощность рассеивания (0,05 4-100) Ватт, которая позволяет им оставаться основным типов управляющего элемента во всех случаях, где допустима определённая инерционность управления.
Мощность СВЧ сигнала Pd, которая рассеивается на p-i-n- диоде,рассчитывается следующим образом:где RT - тепловое сопротивление диода, определяемое конструкцией корпуса и площадью радиатора охлаждения; Td - температура сосредоточенной р-г-п-структуры, которая не должна превышать максимально допустимую температуру; Тг - температура корпуса или радиатора.
Расчёт температурного режима, создаваемого сосредоточенными источниками мощности (полупроводниковыми управляющими элементами), можно провести методом декомпозиции, описанным в [26]. Сущность этого метода поясним на примере разбиения подложки с полосковой линией передачи на m декомпозиционных блоков. На рис. 1.4 изображено металлическое основание
Обобщённая концепции построения УУ СВЧ высокого уровня мощности
На основе обобщения, изложенных в разделе 2.1 трёх методов увеличения входной СВЧ мощности, в данной работе предлагается новая концепция построения мощных управляемых устройств.
Концепция представлена в виде структурной схемы рис. 2.1, на которойприняты обозначения: М- количество каналов делителя мощности (ДМ) и сумматора мощности (СМ); УМ - двухканальные управляемые модули; УСВ -устройства суммирования и вычитания сигналов (суммарно разностное устройство); УС - управляемая секция, содержащая управляющие элементы; (ри, рп, ср2\, Р22 - фазосдвигающие четырёхполюсники.
Дадим краткую характеристику отдельных блоков, входящих в структуру рис. 2.1, и опишем методы их реализации.
В общем случае многоканальный делитель и сумматор мощности, а также двухканальные делители и суммарно-разностные устройства в управляемых модулях могут быть синфазными либо квадратурными. Отметим, что любой делитель мощности является обратимым устройством и может выполнить функцию суммирования, поэтому данные устройства, показанные на рис. 2.1, имеют идентичное построение. Развязка между выходными плечами делителя и сумматора обеспечивается с помощью балластных резисторов. Балластные резисторы могут иметь параллельное и последовательное включение в СВЧ тракт. Минимально необходимое количество резисторов равно 0,5М, однако известны схемы делителей мощности с избыточным количеством балластных резисторов [49]. Наличие развязки позволяет получить режим качественного согласования в режиме аттенюации при любых одинаковых импедансах управляющих элементов [18, 61]. Как уже отмечалось выше, этот способ построения аттенюаторов наиболее желателен для практической реализации. В этом случае упрощается формирование управляющих сигналов и обеспечивается взаимозаменяемость УУ СВЧ с минимальной подстройкой. Кроме того, обеспечивается стабильность фазочастотных характеристик. В режиме коммутации развязка между выходными плечами делителя и сумматора может отсутствовать, однако при таком построении для обеспечения согласования к управляющим элементам соответствующих управляемых модулей должны подводится противофазные управляющие сигналы. Простейший синфазный делитель мощности без развязки состоит из четвертьволновых отрезков линий передачи, подключенных к входу параллельно. В предельном случае делитель мощности может быть выполнен в виде параллельного подключения нескольких нагрузок к генератору. В этом случае для обеспечения согласования сопротивления нагрузок должны превышать внутреннее сопротивление генератора. Квадратурные делители мощности без развязки выполнены аналогично на отрезках линий передачи, имеющих различную длину.
В настоящее время теория и практика построения широкополосных делителей мощности с развязкой на полосковых и спиральных линиях передачи, в том числе связанных, достаточно хорошо развиты и известные устройства [ 47, 60, 61, 65, 66] в полной мере удовлетворяют всем необходимым требованиям для применения в УУ СВЧ. Например, в метровом и дециметровом диапазоне квадратурные делители мощности на связанных спиральных линиях передачи способны работать на уровне мощности до 10 кВт в непрерывном режиме при минимальных массогабаритных показателях. В области частот l-f20 ГГц для построения делителей мощности оправданным оказывается использование полосковых линий передачи, тенденция развития которых постоянно поддерживается появлением новых материалов с большим значением диэлектрической постоянной и высоким коэффициентом теплопроводности [51, 67]. В полоско-вом исполнении также предпочтительнее использование широкополосных квадратурных делителей по сравнению с синфазными делителями, поскольку для первых требуются несимметричные балластные нагрузки большой мощности, которые проще реализуются технологически [30, 31].
Базисным элементом обобщённой структуры рис. 2.1 является двухканаль-ный управляемый модуль УМ, который содержит: делитель мощности с двумя выходами, систему четырёх фазосдвигающих четырёхполюсников; две однока-нальные управляемые секции; суммарно-разностное устройство. Отметим, что построение управляемого модуля рис. 2.1 является новым и впервые предложено в [68].
Основным блоком управляемого модуля является управляемая секция,структура которой показана на рис. 2.2. В состав управляемой секции входят: параллельно и последовательно включенные в тракт СВЧ управляющие элементы; схема согласования, компенсирующая влияние межэлектродных емкостей управляющих элементов и индуктивностеи их выводов; понижающие и повышающие трансформаторы характеристического сопротивления.
Анализ переходных процессов в управляемых секциях на р-і-п- диодах
Рассмотренный подход позволяет аналогичным образом исследовать нелинейные свойства при параллельном включении p-i-n - диода в тракт СВЧ, атакже и в многодиодных управляемых секциях. Отметим, что при численном решении системы нелинейных уравнений (3.15) в области достаточно высоких частот (сотІ 10) требуется значительное время, потому в этом случае спектральный анализ целесообразно проводить методом функциональных рядов, в котором применяются быстрые итерационные алгоритмы [40].
Используя графики рис. 3.3, можно найти изменение вносимого затухания управляемой секции, обусловленное изменением постоянной составляющей тока I0. Для этого необходимо рассчитать статическую модуляционную характеристику p-i-n - диода, представляющую собой зависимость проводимости базовой области Yb от управляющего тока через диод /, который определяется при заданных значениях Е0 и Uin =0 с помощью системы уравнений (3.15).
Далее с помощью численного интегрирования рассчитывается проводимость / - области: Рассчитанная по описанному выше алгоритму статическая модуляционная характеристика p-i-n - диода 2А517 приведена на рис. 3.4. Отметим, что в статическом режиме управляющий ток равен постоянной составляющей тока диода, то есть I = 10.
Как видно из рассмотрения рис. 3.4, в области небольших значений управляющих токов расчётная статическая модуляционная характеристика близка к линейной зависимости, что хорошо согласуется с экспериментальными данными [13, 21, 23, 24, 79]. Совместный анализ графиков рис. 3.3 и рис. 3.4 показывает, что при изменении 10 за счёт детекторного эффекта от 1 мА до 1,4 мА, коэффициента передачи схемы рис. 3.2 возрастает на 0,8 дБ. При меньших значениях 10 изменение коэффициента передачи составляет 2 -3 дБ.Рис. 3.4. Статическая модуляционная характеристика p-i-n - диода 2А517При больших значениях управляющих токов / необходимо учитывать зависимость подвижности электронов и дырок от уровня инжекции. Для крем 97 ниевых диодов известна следующая эмпирическая формула для расчёта подвижности электронов [10]:
Из выражения (3.24) следует, что при условии n N подвижность электронов ju„ будет заметно уменьшаться. Если условие (3,24) использовать в системе уравнений (3.15), то в теоретической зависимости Yb =/(/) появится насыщение при значениях тока 10 5 мА. Это ещё одно проявление нелинейных свойств p-i-n- диода, обусловленное нелинейной зависимостью jun = /(/).Таким образом, разработанная методика анализа нелинейных эффектов в управляемых секциях на p-i-n- диодах обладает хорошей эффективностью в широком диапазоне изменения управляющих токов / на частотах, удовлетворяющих неравенству сот, 10 при уровне высокочастотного сигнала— (1-S- 50). На частотах, удовлетворяющих неравенству сот{ 10 данный ме- Рттод оказывается не экономичным с точки зрения вычислительных ресурсов.
При асимптотическом увеличении частоты соті »1 проявление нелинейных эффектов затухает и можно пользоваться для анализа управляемых секций линейной схемой замещения p-i-n- диода, изображённой на рис. 3.5,а.
На рис. 3.5 приняты обозначения: Rp,Cp,Rn,Cn - дифференциальные сопротивления и диффузионные ёмкости двух переходов; R+,Cr сопротивление и ёмкость і- базы; rp,rn,Lp,Ln- сопротивления и индуктивности легированных слоев и контактов; Ск - ёмкость корпуса диода. R,Рис. 3.5. Эквивалентная схема сосредоточенной p-i-n- структуры: а) область низких частот; б) область высоких частот
Учитывая высокую степень легирования крайних областей, начиная с метрового диапазона длин волн и выше, обычно используют упрощенную малосигнальную эквивалентную схему, показанную на рис. 3.5,6. Это объясняется тем, что при высоком уровне инжекции, то есть при протекании больших управляющих токов /, в базовой /- области значение диффузионных емкостей С (п) составляет несколько сотен пикофарад и практически всегда выполняются
Процесс управления амплитудой и фазой высокочастотных колебаний осуществляется за счёт изменения сопротивления базовой области R+ под дей 99 ствием внешнего постоянного или меняющегося с частотой модуляции управляющего тока. Поскольку инжектированные управляющим током в базовуюобласть неосновные носители заряда, имеют время жизни - = 10-3-Ю-8секунды, р-і-п- диод является элементом с инерционным параметром. Это приводит к тому, что при асимптотическом увеличении частоты т диод не детектирует высокочастотный сигнал, и, следовательно, не проявляет нелинейных свойств. При этом коэффициент нелинейных искажений и коэффициент гармоник будут стремиться к нулю. В соответствии со схемой рис. 3.5,6 комплексная нормированная проводимость р-і-п- диода равна:
Таким образом, в области высоких частот для анализа управляемых секций на р-і-п- диодах основным расчётным соотношением является (3.26). Припроектировании УУ СВЧ в схемотехнических САПР следует использовать линеаризованную эквивалентную схему рис. 3.5 с приведёнными выше параметрами. Данная схема справедлива для р-і-п - диодов сосредоточенного типа вплоть до сантиметрового диапазона при уровне входной мощности до нескольких Вт.
Если база p-i-n - диода является собственной, то на основании (3.2) и(3.3) для концентрации инжектированных носителей заряда в общем виде можно записать: Р=Р_ + _ 1 ФПри высоком уровне инжекции, соответствующему прямому переходному процессу (управляющий сигнал имеет прямоугольную форму) для p-i-n - диода с достаточно высокой точностью выполняютсяследующие граничные условия:
Расчёт межэлектродной ёмкости управляющих элементов с электродами дисковой формы
Величина межэлектродной ёмкости для различных конструкций управляющих элементов в общем случае определяется с учётом неравномерного распределения заряда на электродах. Однако известные методики [32, 89, 90, 91] расчёта ёмкости конденсаторов для некоторых типов электродов справедливы вограниченном диапазоне геометрических размеров, поскольку опираются на приближённые и эмпирические соотношения для учёта краевых эффектов. С целью исключения данного ограничения для расчёта ёмкости управляющих элементов с электродами в виде диска конечной толщины применим метод потенциальных коэффициентов [51, 94, 95], в соответствии с которым потенциалы и заряды на электродах связаны следующими соотношениями:тенциальные коэффициенты; Q[0- заряд на внутренней поверхности первого электрода при условии, что заряд на втором электроде равен нулю; Q20 - заряд на внутренней поверхности второго электрода при условии, что заряд на первом электроде равен нулю; р10, р20- собственные потенциалы электродов, созданные соответственно зарядами Q[0 и Q20; р[0- потенциал, наведённый первым электродом в области второго электрода с нулевым зарядом.
На основании теоремы взаимности при любом расположения электродов для системы уравнений (4.9) справедливо условие [96]: ап = а2Х. Кроме того, за счёт того, что наведённый потенциал всегда меньше собственного потенциала, выполняются неравенства: щ { а]2, а22 al2.
На основе закона сохранения заряда для каждого электрода конденсатора запишем следующие соотношения:где Q\,Q2- полные заряды соответствующих электродов конденсатора; Q{,Q2 заряды на внешних поверхностях электродов.
Распределение заряда в поперечном сечении на внутренних и внешних поверхностях электродов конденсатора показано нарис. 4.1.
Для определения заряда на внешних поверхностях электродов Q" запишем следующую систему уравнений:где С0 - собственная ёмкость электрода; (z (z = 0)- потенциал электрода, создаваемый зарядом Q; p(z = d)- потенциал, создаваемый электродом на расстоянии d от него.
Из системы уравнений (4.11) следует, что: Полученное соотношение подтверждается теоремой Грина [94], которая для произвольной системы электродов имеет следующую математическую формулировку:где Qr заряды на электродах при значениях потенциалов pt,; заряды наэлектродах при значениях потенциалов qy].Для каждого электрода дискового конденсатора выражение (4.13) приводится к виду:
Из выражения (4.14) непосредственно следует формула (4.12). Чем ближе расположены электроды относительно друг друга, тем более сильно электрическое поле концентрируется между ними и становится однородным. При этом величина зарядов Q\ и Q\ уменьшается.
Ёмкость системы двух электродов в соответствии с принципом суперпозиции, применяемым для описания взаимодействия зарядов и электрических полей, определяется соотношением:где С - ёмкость, обусловленная полем между внутренними поверхностями электродов; С- ёмкость, обусловленная полем между внешними поверхностями электродов.На основании системы уравнений (4.9) запишем выражение для составляющей ёмкости С":При симметричном расположении одинаковых электродов выражение (4.16) может быть упрощено:
Учитывая, что ёмкость С описывает заряд Q", обусловленный разностью потенциалов Ар = (p(Q) - p(d), запишем выражение для ёмкости, учитывающей заряд на внешних поверхностях электродов: Как видно из рассмотрения соотношений (4.12) и (4.19), коэффициент экранирования количественно характеризует величину заряда, и, следовательно, интенсивность электрического поля на внешней поверхности электродов кон Dденсатора. При выполнении условия — »1 коэффициент экранированияк = - 1. Это означает, что электрическое поле практически полностью со Dсредоточено между электродами. При условии — 1 коэффициент экраниро вания к 1 и на внешних поверхностях электродов будет существенная величина электрического поля.
На основе определения (4.19) и с учётом обозначений, введённых в системе уравнений (4.9), выражение (4.18) запишем в виде:Подставив (4.17) и (4.20) в уравнение (4.15), получим следующее расчётное соотношение:В случае различных размеров электродов и несимметричного их расположения справедливо более общее выражение для расчёта ёмкости:
Отметим, что соотношение (4.22) носит общий характер и может применяться для расчёта ёмкости системы двух электродов произвольной формы, например, дисковых, плоских прямоугольных, а также в виде шайбы (кольца). В каждом конкретном случае определяются соответствующие выражения для потенциальных коэффициентов. Наиболее просто это делать с помощью вектор-но-параметрического метода.
В рамках векторно-параметрического подхода в качестве прототипа дискового электрода возьмём эллипсоид вращения, показанный на рис. 4.2. Эллипсоид вращения представляет собой односвязанный трёхмерный проводник, поверхность которого описывается следующим векторно-параметрическим уравнением:p = i-Rcos -cosi9 + j-Rsin -cosi9 + k-bsirii9, (4.23)где R - большая полуось в центральном сечении (радиус вращения); Ъ - малая полуось эллипса в центральном сечении; i, j, k - орты трёхмерного базиса. Отметим, что для односвязанного электрода параметрические переменные у/, & соответственно изменяется в следующих пределах [93]:
