МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО СВЧ ОГРАНИЧИТЕЛЯ НА рш-ДИОДЕ

May 18, 2012 by admin Комментировать »

Шнитников А. С.

Московский энергетический институт (технический университет) Кафедра полупроводниковой электроники ул. Красноказарменная, 14, Москва – 111250, Россия Тел.: (095) 3627596, e-mail: ShnitnikovAS@mpei. ru Гудкова Н. Б.

ФГУП НПП «Исток», г. Фрязино, Моск. о6л.-141120, Россия. Тел.: (095) 4658618

Puc. 2. Расчетные (1) и измеренные (2) ограничительные характеристики.

Fig. 2. Calculated (1) and measured (2) power-limiting characteristics

Анализ характеристик диода и ограничительного модуля выполняется с помощью программы смешанного приборно-схемотехнического моделирования ISTOC, базирующейся на численном решении фундаментальной системы уравнений полупроводника с использованием одномерной изотермической модели. В схеме используются Si диоды со следующими параметрами: концентрация примеси в базовой n-области составляет 2-1015 см-3 при уровне легирования приконтактных р+– и п+-слоев соответственного20 и 1-1019 см-3; время жизни электронов и дырок принимается равным 5 не. Толщина базы w для двух вариантов диодов равна 1 и 1,5 мкм (активная площадь структуры соответственно 3,46-10-6 и 9,62-10-6 см2). Параметры структур приближены к параметрам диодов, использованных в экспериментальных макетах. Ограничительный каскад содержит один p/n-диод, шунтирующий микрополосковую линию с характеристическим сопротивлением 50 Ом. Чтобы учесть при моделировании условие короткого замыкания постоянной составляющей тока диода (которое обязательно реализуется на практике), диод был условно разбит на два одинаковых встречно включенных диода половинной площади [4].

III.Результаты анализа и испытаний

Расчетная вольт-амперные характеристика pin- диода с w = 1,5 мкм приведена на рис. 1 совместно с измеренной ВАХ (показана штриховой линией). На смещение экспериментальной кривой в область более высоких напряжений может влиять последовательное сопротивление, связанное с контактами.

На рис. 2 представлены ограничительные характеристики на частоте 12 ГГц для 1-каскадных устройств с диодами, имеющими толщину базы w, равную 1 и 1,5 мкм. Можно отметить удовлетворительное согласие расчетных характеристик с измеренными. Интересно отметить, что все кривые имеют падающий участок, наиболее ярко выраженный для диода с w= 1,5 мкм. Характеристики такого типа типичны для толстобазовых диодов, но в ряде случаев встречаются и для диодов с w порядка 1 мкм. Подобное поведение может быть связано с проявлением «инжекционного пробоя» [6]. В этом случае в определенных условиях за несколько периодов СВЧ колебаний в базе диода накапливаются инжектированные носители заряда в количестве, достаточном для резкого снижения его импеданса, приводящего к уменьшению выходной мощности.

Штриховые линии P^/s на рис. 2 соответствуют рассчитанным значениям мощности, рассеиваемой в диодах. При максимальной заданной входной мощности Рт = 25 Вт (на практике используется импульсный режим) в диодах рассеиваются мощности, равные 5,10 и 5,36 Вт для w=1mkm и w = 1,5 мкм соответственно. Выходная мощность в обоих случаях близка к 3,5 Вт. Это означает, что диод большей площади с w= 1,5 мкм находится в более выгодном тепловом режиме. Однако при более низкой мощности на входе толстобазовый диод пропускает на выход значительно более высокий сигнал.

I.     Заключение

Созданы 1-каскадные ограничители на тонкобазовых p/n-диодах, способные работать в Х-диа- пазоне. С использованием метода математического моделирования рассмотрено влияние толщины базы диода на ограничительную характеристику каскада и на мощность, рассеиваемую в диоде. Подтверждена эффективность применения физико-топологической модели диода при проектировании управляющих устройств СВЧ диапазона.

II.   Список литературы

[1]  Лебедев И. В., Шнитников А. С, Купцов Е. И. Твердотельные СВЧ ограничители – проблемы и решения (Обзор) // Изв. Вузов. Радиоэлектроника. 1985. Т. 28,

№ 10. С. 34-41.

MODELING AND TESTING OF AN 1-STAGE MICROWAVE pm-DIODE LIMITER

ShnitnikovA. S.

Moscow Power Engineering Institute (Technical University)

14 Krasnokasarmennaya str., Moscow-111250, Russia Tel.: 095-3627596 e-mail: ShnitnikovAS@mpei.ru

Gudkova N. B.

Res. and Prod. Corp. «Istok»

141190, Fryazino, Moscow reg. Russia Tel.: 095-4658618

Abstract- The characteristics of an X-band p/n-diode limiter are presented. The one-dimensional numerical diode model is used for the analysis. The influence of the diode base thickness on the computed and measured power-limiting characteristic and on the power dissipated in the diodes is investigated.

I.  Introduction

The problems connected with the development of microwave limiters for radar and communication systems are getting more actual with the increase of the operating frequency [1-3]. The effective modeling technique helps to optimize the limiter diode structure.

The purpose of the present work is to analyze the characteristics of a simple 1-stage limiter with a silicon p/n-diode and to compare them to experimental data.

II. Analysis technique

The analysis is carried out using an 1-dimensional physical- topological diode model [4, 5]. The p/n-diode base has the thickness w of 1 |xm or 1.5 |xm with the doping level 2-1015 cm-3, the diode cross-section is respectively 3,46-10-6 and 9,62-10-6 cm[2]. The electron and hole lifetime equal to 5 ns is assumed. The structure parameters correspond to diodes used in the experimental device. The limiter stage is designed using the microstrip technique, the line characteristic impedance is equal to 50 Q.

III.  Analysis and measurement results

Calculated and measured current-voltage characteristics are given in Fig.1; the increased measured voltage may be attributed to the contact resistance.

The power-limiting characteristics at a frequency of 12 GHz are presented in Fig.2, the power dissipated in the diode is also calculated (dashed lines). The Pouf characteristics are N- type curves, which may be explained using the «injection breakdown» concept [6]. The output power maximum is more pronounced for the diode with 1.5-|xm base. The agreement between the computed and measured data may be considered satisfactory.

Under maximum input power Pin = 25 W (pulsed-power regime is used in the experiment), the diode with a thicker base is in a better thermal condition and ensures the same isolation, as the 1-|xm diode, but its peak output power is considerably higher.

IV.  Conclusion

Experimental 1-stage X-band p/n-diode limiters have been designed and tested. The influence of the diode base thickness on the power-limiting characteristics, as well as on the power dissipated in the diode is investigated. The used modeling technique has proved to be an effective tool for the development of microwave control devices.

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