Введение к работе
Актуальность темы. Создание и совершенствование pin-диодов позволило улучшить характеристики управлявших СВЧ-устройств по сравнению с газоразрядными СВЧ-приборами . Выпуск промышленностью бескорпусных pin-диодов облегчил вадачу создания интегральных схем для управления СВЧ-сигналом. Однако существенными недостатками интегральных управляющих устройств, использующих промышленные pin-диоды, являются ограниченное быстродействие и вначительное токопотребление, а тага» трудоемкие сборочно-мон-тажныэ операции, приводящие к разбросу параметров и снижению надежности. Пээтому микроминиатюризация, увеличение быстродействия и уменьшение токопотребления представляют собой ваяние задачи при разработке сверхвысокочастотных управляющих устройств.
Проблемный характер указанных задач обусловлен сложностью физических процессов, происходящих в твердотельных структурах, а такие существованием у управляющих СВЧ-устройств двух рабочих состояний, реэко различающихся мелду собой по физическим характеристикам и противоречащих друг другу по требованиям режимов низкого и высокого уровней мощности. Условия работы управляющих приборов оказываются слоднее, чем у генераторных, усилительных и преобразовательных твердотельных приборов.
Одним из путей разрешения проблем интегральных управляючих устройств является совероенствование самих активных элементов. Здесь представляет интерес выбор новых типов полупроводниковых материалов, оптимизация профиля легирования полупроводниковых структур. Создание быстродействующих микроминиатюрных СВЧ устройств становится возможным при использовании современных достижений полупроводниковой техники. Эта возможность, связанная о созданием монолитных СБЧ приборов и устройств на основе арсенида галлия, неоднократно дискутировалась в прошлом и. как известно, начала использоваться в зарубежной электронной технике. При работах в этом направлении возникает и немгин научных и практических проблем щ>оектирорания управляющих устройств, таких как
- создание нелинейных моделей полупроводниковых приоров, учитшчаїзіх специфику применения в . упрнвлячкпих уст
роАствах;
разработка методов повышения входной модности и обеспечения эффективного теплоотвода;
обеспечение надежности и сохранения работоспособности устройства при выходе иэ строя одного или .нескольких активных элементов.
Указанные выше трудности возрастают при создании монолитных управлявших устройств. Приходится решать не только проблему получения высокого ослабления и иалой просачивающейся моіщіости в режиме запирания, но и задачу пропускания сигнала с минимальными потерями в другом рабочем режиме. Требование повышенной рабочей мощности, весьма важное в современной электронике, еда более ватрудняет повышение быстродействия управляющих устройств ввиду необходимости увеличения активного объема твердотельных структур.
Разработка интегральных ограничителей, в частности, производится на основе приемов и решений, заимствованных из хорошо развитой техники дискретных управляющих устройств. В результате возрастающие требования к ограничительным устройствам удовлетворяются главным образом за счет роста сложности их электрических схем, бев учета нелинейных свойств управляющего элемента и характера поставленной задачи. Этот путь проектирования устройств практически исчерпал себя - он приводит к применению схем со структурной избыточностью, затрудняющей достижение требуемого эффекта или параметров.
В работах /1-17/ показана вовмохностъ преодоления большинства указанных трудностей и создания нового поколения монолитных ограничительных устройств. В основу зтих устройств положен принцип использования управляемого СВЧ мощностью элемента (детектора) и элемента управления мощностью (ключевой ячейки). Однако возможность непосредственной их монолитизации на базе микрополосковой линии передачи не является вполне очевидной. До последнего времени практически не имелось сведений о создании монолитных ограничительных устройств. Основное внимание в данной работе уделено монолитным ограничителям на полевых транзисторах и диодах с барьером Шэттки на-основе арсенида галлия.
Актуальность данной работы обусловлена развитием современных радиоэлектронных систем и в особенности требованиями к ин-
- 5 -теграливации и микроминиатюризации бортовой и носимой аппаратуры при повышенных требованиях к надежности и быстродействию. Создание твердотельных малоинерционных интегральных и монолитных ограничителей мощности, способных в ряде случаев заменить существующие типы волноводных управляющих и защитных устройств, относится к числу важных вадач, стоящих перед твердотельной СВЧ электроникой.
' Silk-5 Р. 5 5 9. Ї И является совдание планарных. гибридных и монолитных ограничителей мощности, сочетающих высокое быстродействие с малыми габаритами.надежностью при обеспечении высоких энергетических параметров и характеристик, диктуемых требованиями современных радиоэлектронных систем. Цель достигается путем:
- совдания математической модели ключевого полевого тран
зистора с затвором Шэттки и использования этой модели для про
ектирования управляющих устройств;
-анализа с помощью ЭВМ и экспериментального исследования разрабатываемых твердотельных интегральных и монолитных ограничителей мощности, при согдании которых использованы достижения пленарной и монолитной СВЧ техники и технологии;
поиска новых конструктивных решений., обеспечивающих интеграцию, монолиткзацию и существенное повышение быстродействия 8а счет использования диодов и полевых транзисторов с барьером ПЬттки;
разработки путей инженерного расчета предлагаемых
КОНСТРУКТИВНЫХ реиеНИЙ. ;
Научная новизна, исследованы, обоснованы и реализованы пути обеспечения самоуправляемости твердотельных СВЧ ограничителей мощности при использовании ключевых полевых транзисторов с ватвором ПЬттки. Предложена и применена в разработках новая разновидность монолитных СВЧ ограничителей мощности на основе арсенида галлия. СВЧ ограничители, построенные данным способом, позволяют существенно расширить рабочий диапазон частот, уменьшить габариты и повысить быстродействие по сравнению с известными в настоящее время плачарными ограничителями, использующими традиционные pin-диода Предложены, исследованы и применены в серийной аппаратуре новые схемы пла-нарно-интегральных согласованных ограничителей СВЧ. в которых рассеяние СОТ мощности происходит в согласованной ня'-руэке
- 6 -Согласованные СВЧ ограничители, разработанные по этому методу, позволяют повысить рабочую мощность и уменьшить нелинейные искажения по сравнению с известными отражающими ограничителями каскадного типа
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты направлены на решение важной задачи современной СВЧ электроники - микроминиатюризации и повышения быстродействия пленарно- и монолитно-интегральных СВЧ устройств при использовании принципов проектирования современных твердотельных СВЧ элементов с сохранением других электрических параметров. Предложены и защищены авторскими свидетельствами принципы и схемы пленарных и монолитных СВЧ ограничителей мощности.
Впервые реализованы экспериментальные макеты твердотельных монолитных самоуправляемых ограничителей мощности, изготовленных на основе GaAs кристалла размером 1x1 мм с рабочим диапазоном от постоянного тока до 10-см диапазона длин волн. Зарубежные и отечественные аналоги устройств, обладающие сходным комплексом параметров, до настоящего времени отсутствовали.
Применение нелинейной модели ключевого ПТШ, предложенной в данной работе, позволило проектировать защитные устройства на ЭВМ в системе автоматизированного проектирования типа PSPICE, NAP2, не прибегая к обработке большого количества экспериментальных данных.
Щ защиту выносятся следующие научные положения.
-
Предложенные разновидности монолитных ограничителей мощности, основанных на взаимодействии полевых транзисторов и диодов с барьером Шоттки, с использованием материала GaAs, обеспечивают их сашуправляемость и существенное расширение полосы рабочих частот от постоянного тока до сантиметрового диапазона волн с уменьшением габаритов и увеличением быстродействия. Реализация СВЧ ограничителей в виде арсенид-галлие-вых монолитных схем, созданных в результате проведенной работы, решает проблему совмещения их с защищаемыми монолитными усилителями на одном кристалле.
-
Нелинейная модель ключевого полевого транзистора с затвором Шоттки, включающая полную эквивалентную схему полевого транзистора и учитывающая насыи^ние проходной вольт-амперной характеристики, пробой аатворл Шоттки и вольт-сродные характеристики барьера, oOvcii^MMEa^T расчет кик статических харак-
- 7 -теристик (в перв/г очередг прямой и обратной ветвей вольт-ам-тгерной характеристики транзистора), так и амплитудных характеристик управляющих устройств на ПГШ, в том числе и в условиях высокого уровня мощности СВЧ сигнала.
-
Повышение предельной средней входной мощности СВЧ ограничителей планарно - интегрального типа сантиметрового диапазона длин воля и приближение их по этим параметрам к объемно- волноводным твердотельным ограничителям (при современных типах полупроводниковых структур) достигается созданной пленарной согласованной системы, обеспечивающей рассеяние мощности в сосредоточенном или распределенном резисторе.
-
Предложенные решения обеспечивают создание как узкополосных устройств с оптимальными параметрами в режимах пропускания и запирания СВЧ сигнала, так и устройств, обеспечивающих широкую полосу рабочих частот в самоуправляемых ограничителях и модулях СВЧ.
Реализация в науке и технике. Научно-исследовательский раздел работы выполнялся в соответствии с Координационными планами научных исследований АН РФ по проблеме "Физическая электроника", раздел 1.5.2.8. - "Твердотельная электроника СВЧ". Результаты диссертационной работы внедрены в 20 опытно конструкторских и научно-исследовательских работах Научно-производственного предприятия "Салют", НИПКТИ "Радар", НПО "Волна", что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научно-технических семинарах и конференциях:
-
VI Всесоюзный научно-технический семинар "Автоколебательные системы и усилители в радиотехнических устройствах" (Рязань, 1987).
-
VII Всесоюзная школа-семинар "Автоколебательные системы п усилители в радиопередающих устройствах" (Рыбачье, 1988).
-
Всесоюзная научно-техническая конференция "Интегральная электроника СВЧ" (Красноярск, 1988).
-
Всесоюзная научно-техничрская конференция "Твердотельная электроника СЕЧ" (Киев, 1Э90).
-
Всесоюзный научно-технический семинар "Шрспективные элементы СВЧ" (Ленинград, 1991).
Ії^ликации^ Пс томе диссертационной работе опубликовано 15 статей и тчзиссв доклэдгв и получено 7 авторских свидетельств
- 8 -на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложении, имеет общий объем 145 страниц, в том числе 44 рисунка на 26 страницах, 13 страниц приложения п список литературы из 106 наименования.
