АВТОДИННЫЕ ГИС КВЧ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕЗОВЫХ ПЛАНАРНЫХ ДИОДОВ ГАННА

March 29, 2012 by admin Комментировать »

Воторопин С. Д.*, Носков В. Я.**

*ОАО «НИИПП», г. Томск, Россия e-mail: votoropin@mail.tomsknet.ru ** ГПУ’ г. Екатеринбург, Россия

Аннотация. Представлены результаты теоретических исследований автодинной ГИС КВЧ, использующей в качестве активного элемента многофункциональный кристалл с N мезапланарными структурами. Рассмотрен непрерывный режим работы ГИС как многоэлементной автодинной системы при полигармонической генерации, находящейся под воздействием собственного отражённого излучения на каждой из гармоник. Получены основные соотношения для анализа автодинного отклика. Сделаны выводы общего характера относительно особенностей автоколебаний таких автодинов, позволяющих улучшить характеристики и расширить функциональные возможности автодинных систем ближней радиолокации.

I.  Введение

Системы ближней радиолокации, построенные по автодинному принципу, имеют простейшую конструкцию приёмопередающего модуля, который содержит лишь антенну и автогенератор (собственно автодин), сочетающий в себе одновременно функции передатчика и приёмника. Не смотря на простоту конструкции этих модулей, они обеспечивают возможность решать значительный круг задач и поэтому находят самое широкое применение [1]. Тенденции дальнейшего совершенствования автодинных систем в последние годы связаны, прежде всего, с освоением диапазона КВЧ и созданием гибридных интегральных схем (ГИС) этого диапазона [2]. К настоящему времени накоплен достаточно богатый опыт разработки и широкого использования автодинных ГИС КВЧ на планарных линиях передачи, выполненных с применением различных типов активных элементов как в корпусном, так и бескорпус- ном исполнении. Созданные ГИС КВЧ для автодинных систем на базе слаботочных диодов Ганна имеют небольшую массу и экономичны при достаточно высокой чувствительности [1-3]. Возможности автодинных систем особенно эффективно реализуются на основе современных бескорпусных многоэлементных активных элементов, использующих структуры GaAs с междолинным переносом электронов [4- 8]. В связи с этим представляется перспективным исследование автодинных характеристик генераторов КВЧ выполненных на основе новой структуры активного элемента ГИС, представляющего собой мезапланарный многофункциональный кристалл Ганна с малым потреблением тока по цепи питания, включенного в резонансный отрезок копланарной полосковой линии передачи.

II.  Основная часть

Гибридно-интегральные схемы крайне высокочастотного диапазона длин волн (ГИС КВЧ) состоят из трёх конструктивных узлов: кристалла, диэлектрической подложки с топологией и основания- теплоотвода. Очевидно, наиболее важным узлом, определяющим параметры устройства, является кристалл, который в рассматриваемом здесь случае может содержать несколько мезапланарных диодных структур на эффекте Ганна. Мезапланарные ганнов- ские структуры (МПГС) сформированы на поверхности эпитаксиальной плёнки GaAs и предназначены для включения в резонаторы КВЧ на планарных полосковых линиях передачи. При этом анодный и катодный электроды диодной структуры могут отличаться площадью контактов и конфигурацией. В результате проведённых исследований оптимизированы форма МПГС (за счёт взаимного расположения катодного и анодного электродов) и соотношения их площадей с точки зрения использования площади кристалла. Кроме того, минимизирована потребляемая мощность по цепи питания и исследованы различные варианты взаимосвязи активной области МПГС с полем КВЧ резонатора [1]. Основные результаты этих исследований сводятся к следующему. Конструкция кристалла простейшего диода Ганна с двух мезовой структурой приведена на рис.1, где 1- катодный вывод диода, 2-анодный вывод, 3-5 – омический, буферный и активный слои, 6 – кристалл GaAs, 7 – резонансный отрезок щелевой полосковой линии передачи. Контакт 2 большей площади вб имеет форму равнобедренного треугольника с катетами, параллельными сторонам квадрата кристалла. Значительная разница в площадях мезаструктур обеспечивает при подаче питающего напряжения такую плотность тока в мезаструктуре 1, имеющей меньшее сечение, что она становится активной и формирует домены сильного поля. Мезаструктура

1  большего сечения является пассивной, имеет значительно большую проводимость и фактически включена последовательно с активной мезой как по питанию, так и по отношению к колебательной системе. Как показали проведённые исследования, устойчивая генерация колебаний

Fig. 2

При создании монолитных и гибридномонолитных автодинных генераторов на планарных линиях передач используется также 3-мезовый полупроводниковый чип [6], конструкция которого представлена на рис.З. Цифрами обозначено: 1-3 – проводники топологии резонансной системы расположенные на подложке 4, 5 – трёхмезовый кристалл GaAs, 6, 7 – щелевые линии, образующие копланар- ную линию передачи, 8 – центральный полосок ко- планарной линии передачи, 9 – подложка АГЭТ ар- сенида галлия, 10, 11 – активные области, 12 – шлейфы, 13- выходной отрезок линии передачи. Данная конструкция кристалла может использоваться в качестве генераторных и управляющих элементов автодина. Кристалл монтируется непосредственно на диэлектрическую подложку, центральной ме- зой на полосок копланарной линии методом пайки. При создании полупроводникового кристалла и пассивной части (топологии ГИС) датчика применяются хорошо известные, освоенные технологические операции вакуумного напыления металлов, химического и плазменного травления металлов и GaAs, электрохимического осаждения Аи, окисления GaAs. Катодами мезапланарных диодных структур являются непосредственно площадки самих мез, на которых также сформированы омические контакты из эвтектического сплава AuGe. Кристаллы с ганновским ме- запланарными структурами в обоих случаях монтируются непосредственно на металлические проводники платы ГИС методом обратного монтажа,

В докладе проведен вывод основных уравнений для автодинных ГИС как в одночастотном, так многочастотном режимах. Отмечается что для автодинных изменений частоты Дин являются, как и в случае одночастотной генерации [14], трансцендентными. Вследствие этого многоэлементным полигармониче- ским автодинам также свойственно искажение синусоидальной формы автодинного сигнала даже при слабых отражённых воздействиях, однако степень этих искажений, зависящая от величины коэффициентов системы (10), углов фазового смещения и времени запаздывания, в данном случае может быть получена существенно меньше благодаря эффекту взаимной синхронизации.

В работе [14] показано, что связанные между собой изменения автосмещения и параметров автоколебаний (мощности, амплитуды и частоты генерации) одночастотных автодинов имеют относительные фазовые сдвиги, которые отсутствуют лишь у идеализированного изохронного генератора. Однако в случае многоэлементного полигармонического ав- тодина в предположении изохронности парциальных генераторов относительные фазовые смещения не исчезают. Фазовые углы смещения ф™ и О отсутствуют лишь в режиме асинхронных колебаний изохронных не связанных парциальных генераторов.

Однородная часть системы уравнений (10) [13, 19] позволяет для конкретного случая провести исследование устойчивости автономного многоэлементного генератора, сводящееся к анализу знаков вещественной части корней характеристического уравнения ([S] – р [I]) = 0, где [I] – единичная матрица [19]. В случае больших N получаемое характеристическое уравнение удобно анализировать с помощью критерия Рауса-Гурвица. При наличии комплексносопряжённых корней вида Pi = Oi + jvi, у которых выполняется неравенство Oi<0, автодинная система имеет частотно-зависимые функции передачи автодинного сигнала с характерными пиками в окрестности собственных частот Vi. Переходные процессы в таких системах, как это наблюдалось у одночастотных автодинных СВЧ генераторов [16], сопровождаются релаксационными колебаниями.

Выражения (11 )-(14) [19] позволяют уточнить условия малости возмущений стационарного состояния многоэлементного полигармонического автоди- на, вызванных воздействием отражённого излучения. При таких условиях амплитудные значения относительных откликов парциальных генераторов должны удовлетворять неравенствам: rnLni «1, rnKni«1 и rnHni «тт/2. Отсюда следуют соответствующие требования к величине коэффициента отражения Гп, при котором отражённый сигнал можно считать достаточно слабым. В случаях, когда эти неравенства не выполняются, система линеаризованных уравнений (10) некорректна и исследование процессов в авто- дине должно проводиться с учётом нелинейности коэффициентов матрицы [S],

Из полученных общих соотношений [19] для многоэлементного полигармонического автодина следуют основные выражения для анализа ряда частных случаев. Так, при изменении начальных условий сформулированной здесь задачи анализа легко получить основные уравнения в форме (10) как для одночастотных автодинов с учётом цепи автосмещения [10] и без неё [16], так и для случая бигармони- ческого [17] и многочастотного [9] автодинов; при п =

2  имеем систему уравнений, описывающую поведение двухэлементного автодина в режиме синхронизации одночастотных колебаний.

III.  Заключение

Таким образом, в результате проведённых исследований ГИС КВЧ, использующих в качестве активного элемента многофункциональный кристалл с N мезапланарными структурами, получены достаточно общие для анализа многоэлементных многочастотных автодинов соотношения, обобщающие результаты предшествующих исследований автодинов на основе дискретных активных элементов. Анализ этих соотношений показывает, что автодины на основе многоэлементных полигармонических генераторов по сравнению с широко известными с одночастотными и одноэлементными автодинами обладают рядом принципиально отличных свойств, которые позволяют значительно расширить функциональные возможности и улучшить характеристики автодинных систем ближней радиолокации в реализации новых способов обнаружения, идентификации и измерения параметров движения отражающих объектов [18].

IV.  Список литературы

1. Воторопин С. Д., Носков В. Я. Приемопередающие модули на слаботочных диодах Ганна для автодинных систем // Электронная техника, сер. СВЧ-техника. – 1993. – вып. 4 (458). – С. 70-72.

2. Воторопин С. Д., Носков В. Я. и др. Автодин-ные СВЧ- датчики для бесконтактных измерений и контроля // Ш-я Крымская конференция «СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». Материалы конференции. – Севасто-поль. – 1992. – С.159-164.

3. Воторопин С. Д., Юрченко В. И. Автодины на диодах Ганна и устройства на их основе // Электронная промышленность. – 1998. – вып. 1 -2. – С. 110-115.

4. Воторопин С. Д., Юрченко В. И. Автодинные микроволновые датчики на маломощных диодах Ганна // Vlll-я Международная конференция «Датчик-96». Сборник докладов. – Гурзуф: – 1996. – С. 61-62.

5. Воторопин С. Д. Гибридно-интегральные схемы КВЧ на диодах Ганна // V-я Международная конференция АПЭП- 2000. Сборник докладов. – Новосибирск. – 26-

28    сентября 2000. – С. 114-116.

6. Патент РФ № 2064718, МКИ Н01 L 47/02. Диод Ганна /

С. Д. Воторопин, В. И. Юрченко, А. М. Кожемякин (РФ).- 5046020/25; Заявлено 04.06.92; Зарег. 27.07.96., Б. И.

№ 21.-3.: ил.З.

7. Воторопин С. Д., Носков В. Я. и др. Автодинная ГИС КВЧ на диодах Ганна // Vlll-я НТК «Теория и техника радиовы- сотометрии и радиометрии». Материалы конференции. – Каменск-Уральский: УКТБ «Деталь». – сентябрь 1988 г.

8. Воторопин С. Д. Радиоволновые автодинные датчики на щелевых и копланарных линиях передачи // VI- я Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии» СТТ’2000. Сборник докладов.

–       Томск. – февраль-март 2000. – С.164-165.

9. Носков В. Я. Автодинный эффект в многочастотных автогенераторах // изв. Вузов. Радиофизика. – 1992. -т.35. –

№ 9-10,-С. 778-7789.

10. Носков В. Я. Анализ автодинного эффекта в СВЧ генераторах с цепью смещения первого порядка // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. – 1992. – № 6. – С.24-30.

11. Дворников С. А., Уткин Г. М. Фазированные автогенераторы радиопередающих устройств. – М.: Энергия, 1980.- 176 с., ил.

12. Малахов А. Н. Флуктуации в автоколебательных системах. – М.: Наука, 1968. – 660с.

13. Ланда П. С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. – М.: Наука, 1980. – 360 с.

14. Туманов Б. Н., Бузыкин В. Т. Особенности автоколебаний в автодинных генераторах СВЧ // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. – 1983. – Вып. 2. (350). – С.3-9.

15.  Резонанс релаксационных колебаний в автодинных генераторах / Е. М. Гершензон, В. М. Калыгина

Б. И. Левит, Б. Н. Туманов // Радиофизика. -1981. – № 8.

–       С.1028-1034 (Изв. высш. учебн. заведений).

16.  Общие характеристики и особенности автодинного эффекта в автогенераторах/Е. М. Гершензон,

Б. Н. Туманов, В. Т. Бузыкин и др.// Радиотехника и электроника. – 1982. – № 1. – С.104-112.

17.  Носков В. Я. Особенности автоколебаний бигармониче- ского автодина при воздействии отражённого излучения // Радиоэлектроника. -1991. – № 10. – С.44-50. (Изв. Высш. учебн. заведений).

18.  Воторопин С. Д., Носков В. Я. Сигналы автодинов КВЧ диапазона длин волн при контроле параметров подвижных объектов // Изв. ВУЗов. – Томск. – 2000 вып. 7. –

С. 54-60.

19.  С. Д. Воторопин, В. Я. Носков. Обобщённая модель и основные уравнения автодинной ГИС КВЧ на основе мезапланарных ганновских структур. Изв. Вузов. Физика.

–        Томск – 2001 вып. 12. – С. 23-30.

AUTODYNE UHF GEOINFORMATION SYSTEM ON THE BASE OF PLANAR GUNN DIODES

Votoropin S. D.*, Noskov V. Ya.**

*Public corporation «SRISD»

Tomsk, Russia e-mail: votoropin@mail. tomsknet.ru **STTU Yekaterinburg, Russia

Presented in this paper are the results of theoretic research of autodyne UHF geoinformation system (GIS), using multifunction crystal with N mesaplanar structures as an active element. We considered continuous mode of GIS operation at polyharmonic generation, with GIS being radiated by its native reflected radiation at each harmonic. We received the basic ratios for autodyne response analysis. The conclusion has been made regarding peculiarities of self-oscillations of such autodynes.

Further improvement of autodyne systems is concerned mainly with introduction of UHF band and creation of hybrid ICs for this band [2]. Now a great experience is accumulated in the field of design and wide use of autodyne GIS on planar transmission lines, executed using different types of active elements. The recently created UHF GIS for autodyne systems on the base of feeble current Gunn diodes have low mass and are efficient at rather high sensitivity [1 -3]. Possibilities of autodyne systems are efficiently realized on the base of advanced unpackaged active elements, using GaAs structures [4-8]. Due to this fact it seems prospective to investigate autodyne characteristics of UHF oscillators, created on the base of fundamentally new structure of GIS active element. This is multifunction Gunn diode with low current drain in feed network, which is incorporated into resonant section of coplanar microstrip transmission line.

From the ratios obtained [19] for multielement polyharmonic autodyne the basic expressions follow for analysis of a number of special cases. Thus, at changing of initial conditions of analysis problem, it is easy to get the basic expressions in the form of (10), as for single-frequency autodynes taking into consideration self-bias circuit (10) and without it (16), as for biharmonic (17) and multi-frequency autodynes. For n = 2 we have equations set, which describes response of two-element autodyne in the mode of synchronization of single-frequency oscillations.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты