МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНО-ВОЛНОВОДНЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА СУБМИКРОННЫХ ДИОДАХ ШОТТКИ – ЧАСТЬ 2

June 26, 2012 by admin Комментировать »

Все параметры, необходимые для редактирования задаются в диалоговом режиме. После каждого этапа редактирования платы вызываются программа, вносящая изменения в текст ФЗ, и программы сквозного цикла проектирования полосковых устройств. Если редактирование прошло успешно, то на экране отображается отредактированная топология платы. Процесс редактирования сопровождается подсказками в нижней части экрана. Графический редактор позволяет распечатать топологию платы на принтере. Каждый слой многослойной платы изображается своим цветом (может меняться пользователем). Можно также удалять или добавлять изображение любого слоя редактируемой платы на её графическом изображении.

Графический редактор позволяет добавить раздел «оптимизация» и, если он уже существует, отредактировать параметры данного раздела. Базовые элементы, параметры которых необходимо варьировать, указываются с помощью курсора на графическом изображении платы.

Подпрограмма просмотра результатов проектирования в виде графиков зависимостей от частоты (рис.2) позволяет представить на экране следующие характеристики:

–       КСВН; вносимые потери (в дБ);

–       модуль и фазу коэффициента передачи;

–       модуль и фазу коэффициента отражения;

–       разность потерь между двумя парами входов

(в дБ); разность фаз между двумя парами входов (в град);

–       действительную и мнимую части матрицы рассея

ния.

На экране одновременно можно отобразить до 20 графиков. Каждый график рисуется своим цветом и помечается своим маркером. В диалоговом режиме можно изменить цвет и маркер для каждого графика. На листе графиков внизу располагаются автоматически сформированные подписи для каждой линии. В диалоговом режиме можно выбрать любую из перечисленных ранее характеристик и отобразить ее на текущем экране. Предусмотрена возможность перемасштабирования по осям X и У, а также формирование двух У-осей. При наличии нескольких листов графиков на экране отображается первый лист. Остальные можно просмотреть с помощью стрелок, изменяющих номер листа и расположенных внизу экрана.

Помимо указанных возможностей, ДПП позволяет:

–   просмотреть и отредактировать составные базовые элементы; просмотреть и рассчитать задаваемые базовые элементы;

–   произвести синтаксический, семантический и топологический контроль ФЗ;

–   получить описание топологии платы в форматах ЯГТИ, DXF, ЯР-4 и КПА-1200;

–   разделить выбранный файл ЯГТИ по слоям;

–   объединить несколько файлов ЯГТИ в один;

–   получить таблицу координат топологии проектируемого устройства и просмотреть её на экране;

–   сформировать файл топологии с учётом технологического припуска на подтрав;

–   получить данные для программы MATH-CAD.

III.   Заключение

Разработанные программные средства существенно облегчают работу пользователя Системы МРР, заменяя процесс написания ФЗ процессом графического редактирования проектируемого полоскового СВЧ устройства на экране монитора.

IV. Список литературы

[1 ] П. Л. Батов; Е, Н, Данилочкина; О, Л, Доброжанская;

И. Е, Калашник; В, П. Орлов; Г. А, Пронина; А, А, Сергеев; В, Г. Феоктистов, Интегрированный программный комплекс ЛЯМБДА+ корпоративная система математического моделирования и проектирования устройств СВЧ. Часть I. Интегрированная среда разработчика. Системы проектирования волноводных устройств и микрополосковых плат. Москва, ФГУП ВИМИ, Информационные технологии в проектировании и производстве, №2,

2002                год.

DESIGN AND APPLICATION OF GRAPHIC EDITOR AND INTERACTIVE PROGRAMFOR TASK PREPARATION IN CAD-SYSTEM FOR STRIPLINE DESIGN

Danilochkina E. N., Pronina G. A., Sergeev A. A.

Almaz Scientific Industrial Corporation named after A.A. Raspletin Moscow, 125190, Russia phone: (095) 9439203; e-mail: sergalal@mtu-net.ru

Abstract Considered in the paper are the principles and realization of interactive program for the stripline CAD system. It describes Graphic Editor, that allows to connect Basic Elements from the System’s library and to represent the topology of stripline circuits and their engineering characteristics.

I.  Introduction

Interactive software for task preparation is a new tool of LAMBDA+ complex. This CAD is intended for functional and technical design of microwave devices, realized on any type of microstip lines.

II.  Main part

Interactive editor allows to examine and edit all parts of the whole microwave device, examine such electrical characteristics of this device as VSWR, insertion loss, mag (Sij) and arg (Sij), Re (Sij) and Im (Sij) in the form of tables and multiple graphs. Editor allows to change the parameters of any part of the task, to insert or delete paragraphs of the task (optimization, tweaks, configuration). User can view any element from system’s library, add it to the task and change the parameters of such an element. Recalculated characteristics of the device are immediately depicted on a screen. All changes are hard controlled and any possible error messages appear on the screen. When the design is completed, the topology of a device may be saved on a hard disk in any suitable format.

III.  Conclusion

Developed user-friendly program essentially lightens the developer’s work, when the task writing is replaced by graphical editing of microwave devices’ topology on a PC screen.

Рис, 2, Пример вывода на экран графиков зависимостей инженерных характеристик от частоты

Fig. 2. Frequency dependent electrical characteristics on PC screen (example)

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ СКВОЗНОГО ЦИКЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛОСКОВЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ

Сергеев А. А., Данилочкина Е. Н., Пронина Г. А. ОАО “НПО “АЛМАЗ” имени академика А. А. Расплетина”, Москва, 125178, Россия Тел.: (095) 9439203; e-mail: sergalal@mtu-net.ru Надеждин Б. Б., Поляков Г. Б. ФГУП ЦНИРТИ, Москва, 105066, Россия Тел.: (095) 2639800; e-mail: bornad@ok.ru

Аннотация В Московском ОАО “НПО “АЛМАЗ” имени академика А. А. Расплетина” продолжается разработка Систем Автоматизированного Проектирования устройств СВЧ. Система Сквозного цикла проектирования полосковых устройств (МРР), представляющая собой (наряду с волноводной, магнитной и антенной Системами) одну из четырех взаимосвязанных Систем проектирования Интегрированного программного комплекса ЛЯМБДА+ [1] (см. также URL: http://www.raspletin.ru), позволяет проектировать устройства, реализуемые на микрополосковой, симметричной, подвешенной, высокодобротной, копланарной или щелевой полосковых линиях (или их комбинациях на одном или нескольких параллельных диэлектрических слоях, связанных между собой специальными конструкциями элементами перехода с одного слоя или типа линии на другой).

I.  Введение

Для проектирования полосковых СВЧ-устройств в Системе МРР пользователем должно быть составлено Формализованное Задание (ФЗ), описывающее конструкцию платы, диапазон моделирования, способы перебора параметров, методы оптимизации и т.п., а также состав (топологию) устройства в терминах Функциональных и Конструктивных Базовых Элементов (ФБЭ и КБЭ) и схему соединения их в устройстве. В составе библиотеки Базовых Элементов Системы МРР в настоящее время насчитывается более 150 ФБЭ (многополюсники СВЧ, включая элементы с синтезируемыми размерами и элементы с задаваемыми матрицами рассеяния и рисунком), для которых рассчитывается матрица рассеяния и формируется описание рисунка, и более 30 КБЭ, для которых только формируется описание рисунка границы металла или резистора.

При составлении ФЗ пользователь может применить Текстовый или Графический редакторы Системы МРР. Для составления описательной части ФЗ пользователь должен заполнить (или изменить предлагаемые по умолчанию) значения в таблицах, отражающих содержание разделов ФЗ. Для составления раздела ‘ТОПОЛОГИЯ:’ пользователю предлагается выбрать требуемый БЭ из каталога библиотеки Системы МРР, задать числовые значения параметров элемента и указать данные для размещение на плате выбранного БЭ или требование на соединение выбранного элемента со свободными входами создаваемого устройства, удаление элемента из схемы и т.п.

Написанное пользователем или подготовленное с помощью Текстового или Графического редакторов ФЗ подвергается синтаксическому и топологическому контролю и обрабатывается Основными Программными модулями Системы МРР. В процессе работы модулей от единого ФЗ производится синтез размеров отдельных ФБЭ, производится моделирование (расчет матрицы рассеяния) и оптимизация требуемых инженерных характеристик, а также формируется послойное описание рисунка топологии СВЧустройства в целом (в формате языка ЯГТИ). По результатам моделирования пользователь Системы МРР может получить графики требуемых характеристик или сформировать файл с матрицами рассеяния для передачи в систему MATH-CAD, а описание рисунка топологии используется далее на этапе технического проектирования (рис.2).

II.  Основная часть

В процессе развития Системы Сквозного цикла проектирования полосковых и микрополосковых устройств СВЧ серьезное внимание уделяется конструкторско-технологическому проектированию (подготовка информации для выпуска конструкторской документации и технологической оснастки для выпуска фотошаблонов, которые производятся специальными подразделениями предприятия, но от единого задания на проектирование, предоставляемого разработчиком СВЧ-устройства).

Наличие в Системе МРР универсального перекодировщика графических форматов DJKODJK позволяет обрабатывать описание топологии плат не только в формате ЯГТИ (генерируемом Системой МРР), но и в других форматах (ЯР-4, КПА-1200 и DXFформате системы AutoCAD 12-ой версии).

Для улучшения процесса визуального контроля проектируемой топологии была разработана усовершенствованная программа просмотрщика топологии (рис.1). Её отличие от предыдущей версии заключается в более точном представлении координатной информации, обширном применением оконного интерфейса, значительном увеличении объема отображаемой топологической информации, введении возможности распечатки информации на лазерном НР-принтере.

Традиционно в состав Системы МРР входит программа формирования топологии с учетом технологического припуска по нормали контуров для компенсации эффекта подтрава при напылении или травлении и программа формирования Таблицы координат, которая теперь может содержать разное количество строк на странице и распечатываться на принтере любого типа, определенного в WINDOWS на ПЭВМ пользователя.

За последнее время по заданиям конструкторского и технологического подразделений в систему МРР введены программы трансляторов топологической информации в формат PDF для P-CAD 4.5 и в формат PDF 8.5 для P-CAD 2000. В первом случае контуры металлизации представляются в виде отрезков линий и дуг, а во втором в виде полигонов и выре

зов в них с интерполяцией дуговых отрезков ломаными линиями. В процессе преобразования информации решаются задачи определения вложенности контуров, задания направления обхода внешних и внутренних контуров, разбиения дуг окружностей на хорды с требуемой точностью.

Puc. 2. Увеличенное на экране изображение фрагмента топологии платы

Fig. 2. DV viewer: zoomed image, a part of printed circuit’s topology

Fig. 1. A circuit layout as seen via the DV viewer

Рис. 1. Пример отображения топологии платы просмотрщиком DV

Для использования совместно с системой МРР популярных зарубежных систем моделирования и проектирования в систему МРР введены программы формирования входной информации для системы МАТНCAD, формирования входной и обработки выходной информации для системы AutoCAD, разработан аппарат поддержки в качестве разделов библиотеки Задаваемых Базовых элементов СВЧ полосковых узлов произвольной геометрии, рассчитанной программой Microwave Office.

III.  Заключение

Большинство перечисленных в данном сообщении программ предназначено для работы в операционной системе MS-DOS, но они успешно работают и при автономном запуске в операционных системах WINDOWS, а также под управлением Диалоговой программы подготовки ФЗ и обработки результатов проектирования Системы МРР [1], реализованной на языке C++ и применяемой в операционных системах WINDOWS.

[1] П. Л. Батов; Е. Н.Данилочкина; О. Л.Доброжанская;

И. Е. Калашник; В. П. Орлов, Г. А. Пронина; А. А. Сергеев, В. Г.Феоктистов. Интегрированный программный комплекс ЛЯМБДА+ корпоративная система математического моделирования и проектирования устройств СВЧ. Часть I. Интегрированная среда разработчика. Системы проектирования волноводных устройств и микрополосковых плат.

–        Москва, ФГУП ВИМИ, Информационные технологии в проектировании и производстве, № 2, 2002 г.

NEW OPPORTUNITIES OF DESIGN AND ENGINEERING OFFERED BY A FULLCYCLE MICROWAVE STRIPLINE CAD SYSTEM

Sergeyev A. A., Danilochkina Ye. N. , Pronina G. A. Academician A. A. Raspletin ‘Almaz’ Scientific

&                        Production Corporation Moscow, Russia, 125190 phone +7 (95) 9439203; e-mail: sergalal@mtu-net.ru Nadezhdin В. B., Polyakov G. B.

Federal State-Owned Unitary Enterprise

‘Central Research Institute of Radio Engineering’ Moscow, Russia, 105066 phone +7 (95) 2639800; e-mail: bornad@ok.ru

Abstract The report considers the main principles behind an interactive program intended for a stripline CAD system and their implementation. A description is given of a graphics editor allowing for the coupling of basic elements from the system library and for the representation of stripline circuits layout and their engineering characteristics.

I.  Introduction

A CAD system user has initially to provide a requirements specification for the design of a microwave device using either a text or a graphics editor. There are over 150 functional basic elements and over 30 constructive basic elements available in the system library. As distinct from the functional elements, the constructive basic elements have no electrical characteristics, at the same time providing a layout representation. Applying textual or graphic representations of basic elements the user creates a complete CAD job. Following a rigorous syntactic and semantic control of this job the results of simulation for the whole device are presented in table and graphic forms.

II.  Main part

The CAD system discussed here is the so-called full-cycle system, which means that by using a job only the user obtains a complete topological description of all layers of the designed microwave device along with the full set of electrical characteristics of this device in various forms, as well as files for subsequent photocomposing or transferring to any other equipment used in manufacturing microwave printed circuits.

The software is capable of transferring topologic descriptions of layers between representations, displaying all of the layers or any of them on a computer monitor, as well as of zooming or resizing the layer topology. Compatibility with MathCAD, ACAD, P-CAD 4.5, P-CAD 2000 and Microwave Office software is one of the distinct features of the above CAD program.

III.  Conclusion

Most of the above software was written for the MS-DOS environment, but it as well functions if launched from the Windows

OS or under the control of an interactive stripline CAD program written in the C++ language and intended for the Windows OS.

Надеждин Б. Б., Поляков Г. Б. ФГУП ЦНИРТИ, Москва, 105066, Россия Тел.: (095) 2639800; e-mail: bornad@ok.ru

Аннотация Описывается комплекс программ для ПЭВМ, обеспечивающий подготовку управляющих команд для изготовления фотошаблонов слоев СВЧ-плат с помощью фотонаборных устройств.

I.  Введение

Пакеты прикладных программ (ППП) для технического проектирования и технологической подготовки производства СВЧ-устройств должны, в идеале, обеспечивать выход на всю гамму отечественных и зарубежных станков с ЧПУ, используемых для изготовления фотошаблонов СВЧ-плат. Если требуется изготовить фотошаблоны микронной точности, используются фотонаборные устройства (ФНУ), например, отечественные ФНУ ЭМ-559 и ЭМ-5009. В данном сообщении описаны программные средства, с помощью которых осуществляется подготовка на ПЭВМ управляющей информации для этих ФНУ.

II.  Основная часть

В пакет прикладных программ технического проектирования СВЧ-устройств ТОПАЗ входит ряд программ, обеспечивающих подготовку управляющей информации для фотонаборных устройств типов ЭМ559 и ЭМ-5009. Прежде всего, это универсальный просмотрщик графических файлов DJKVIEW, или, кратко, DV. Эта программа позволяет увидеть на экране ПЭВМ изображение слоев СВЧ-платы. Входными файлами могут быть файлы следующих форматов: DXF, HPGL, ЯГТИ, ЯР-4, коды координатографа КПА-1200 и команды указанных выше ФНУ. С помощью этой же программы на магнитный диск выводятся координаты топологии слоев СВЧ-платы во внутреннем двоичном IDF-формате ППП ТОПАЗ.

Затем с помощью программы FILLPAT, обрабатывающей IDF-файл, решается задача покрытия замкнутых контуров платы прямоугольниками размерами W х Н с центром тяжести в точке (X, Y), повернутыми под углом А к оси X. Последовательное перечисление значений W,H,X,Y,A для каждого прямоугольника покрытия и есть текстовый файл РАТформата, управляющая последовательность команд для фотонаборного устройства. Можно произвести сортировку РАТ-файла по углам поворота диафрагмы (наиболее медленное механическое движение рабочей головки ФНУ) и по координатам с помощью программы SORTPAT (или SORTP386), или только по углам поворота с помощью программы PAT_SORT. Пример покрытия металлизированной поверхности платы приводится на рисунке 1.

В дальнейшем предстоит перекодировать ASCIIтекст РАТ-файла в ДКОИ и создать образ магнитной ленты с помощью ряда служебных программ РАТцикпа.

Вот перечень этих программ в алфавитном порядке:

PAT_A-D перекодировка РАТ-файлов из ASCII в ДКОИ;

PAT_ABZ покадровое разбиение РАТ-файла ASCII;

PAT_CNT подсчет числа экспозиций в РАТ-файле; PAT_EXTR извлечение РАТ-файла из образа магнитной ленты;

PAT_ML подготовка образа магнитной ленты РАТформата;

PAT2DXF преобразование формата РАТ в DXF.

Программа PAT_A-D перекодирует РАТ-файл из ASCII в ДКОИ. Этого, в общем, достаточно, чтобы ФНУ "понимало" команды управления. Однако, программное обеспечение, входящее в состав ФНУ, в оригинальном варианте работает с магнитной лентой (перфоленту как устаревший носитель мы не рассматриваем). Чтобы получить образы записей на магнитной ленте, используется программа PAT_ML. Она преобразует группу файлов с расширением .РАТ в записи нужного формата и формирует (в качестве первой записи на МЛ) так называемый справочник магнитной ленты, в котором приводятся сведения о последующих записях (управляющих командах). Обратную задачу преобразование записей на магнитной ленте в РАТ-файлы решает программа PAT_EXTR.

Программа FILLPAT обеспечивает покрытие замкнутых контуров с точностью порядка одного микрона. Хуже всего покрываются, естественно, острые углы. При покрытии дуги заменяются ломаными линиями; максимальная ошибка отклонения ломаной от дуги задается в пределах от 0.1% до 10% от радиуса дуги. По умолчанию задается максимальная точность (0.1%). Программное покрытие контуров как правило выполняется с высоким качеством. Если же возникает желание подправить какие-то участки вручную, то это можно сделать с помощью программы PAT_RED, позволяющей редактировать файлы РАТ-формата в графическом диалоге. В штатную поставку ППП ТОПАЗ эта программа не входит, так как необходимости в ручном редактировании обычно не возникает. И только при работе с очень сложными устройствами (пример кристаллодержатель СВИС) приходится комбинировать программное покрытие с ручным.

В данном сообщении не рассматривается проблема передачи управляющей информации с ПЭВМ на ФНУ. Разумеется, уже давно известны программно-аппаратные средства, обеспечивающие прямую передачу образов МЛ с ПЭВМ на ФНУ, минуя физическую запись информации на магнитную ленту. При этом, вероятно, необходимость использования программы PAT_ML отпадает. Так, например, в Московском КБ "ЛИРА" для подготовки образа магнитной ленты на магнитном диске ПЭВМ используется программа МК_ТАРЕ. Полученные образы справочника и управляющих команд передаются на ФНУ с ПЭВМ с помощью диалоговой программы, входящей в состав программно-аппаратного комплекса.

Все перечисленные в данном сообщении программы предназначены для работы в операционной системе MS-DOS, но успешно работают и при запуске в операционных системах WINDOWS. Основные программы, обеспечивающие получение управляющей информации для фотонаборных устройств, включены в состав Системы сквозного цикла проектирования полосковых устройств МРР, входящей в Интегрированный программный комплекс ЛЯМБДА+ [1].

Рис. 1. Пример покрытия металлизированной поверхности платы Fig. 1. An example of coating the board metallized surface

CONTROL DATA SOFTWARE FOR EM-559 AND EM-5009-TYPE PHOTOCOMPOSERS

Nadezhdin В. B., Polyakov G. B.

Federal State-Owned Unitary Enterprise ‘Central Research Institute of Radio Engineering’ Moscow, Russia, 105066 phone +7 (95) 2639800; e-mail: bornad@ok.ru

Abstract PC software tools intended for generating PATformat control files for EM-559 and EM-5009 photocomposing devices are described.

I.  Introduction

Precision photomasks for MICs are produced using photocomposing techniques. In order to generate control files for the above devices a PC program should implement algorithms of filling in closed contours by using arbitrarily oriented rectangles with suitable WxH dimensions.

II.  Main part

Fig. 2. Examples of power divider topology in the PAT format

A brief step-by-step description of generating PAT-format control files is given. An initial description of MIC layers must be prepared in the format of an AutoCAD DXF file, an HPGL file or in any Russian file format (.jgt, .jar, .kpa, etc.). DjkView, a multiformat graphics viewer, displays any chosen layer of the MIC or all the layers simultaneously. Topological coordinates for visible layer(s) are saved to the hard disk in the internal DJK format (.idf). Then the FILLPAT program is used to fill in the contours of the layers. As soon as an ASCII PAT-file is ready, we can check the quality of coverage using DjkView. When all the layers of the MIC are ready, the PAT_ML program is launched to recode PATfiles into the magnetic tape format. Then a magnetic tape image is sent to a photocomposing device.

III.  Conclusion

Puc. 2. Примеры топологий делителей мощности в формате ФНУ

The developed PC software is capable of generating PATformat control files for EM-559 and ЕМ-5009-type photocomposing devices. The initial topologic description of a printed circuit may be provided in any available format (.dxf, HPGL or any Russian format).

III.  Заключение

Разработанные программные средства обеспечивают подготовку на ПЭВМ управляющей информации для фотонаборных устройств ЭМ-559 и ЭМ5009. При этом первичное описание топологии слоев СВЧ-платы может быть представлено в любом из форматов, применяемых при техническом проектировании таких плат.

IV. Список литературы

[1 ] П. П. Батов: Е. Н. Данилочкина; О. Я Доброжанская;

И. Е. Калашник; В. П.Орлов, Г. А.Пронина; А. А.Сергеев,

В.      Г. Феоктистов. Интегрированный программный комплекс ЛЯМБДА+ корпоративная система математического моделирования и проектирования устройств СВЧ. Часть I. Интегрированная среда разработчика. Системы проектирования волноводных устройств и микрополосковых плат. Москва, ФГУП ВИМИ, Информационные технологии в проектировании и производстве, № 2, 2002 г.

О  ВОЗМОЖНОСТЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЧ ЭНЕРГИИ В ПОСТОЯННЫЙ ток

Галдецкий А. В. ФГУП «НПП Исток», ул. Вокзальная 2а, Фрязино, 141120, Россия Тел.: (095) 465-8620; e-mail: galdetskiy@mail.ru


Аннотация Теоретически рассмотрены возможности использования диодов с автоэмиссионным катодом для эффективного преобразования СВЧ энергии в постоянный ток. Показано существенное влияние пролетных эффектов на повышение КПД. Найдены оптимальные углы пролета и получены выражения для синтеза параметров прибора. Показано, что для частоты 10 ГГц КПД выпрямителя достигает 60 % при выходной мощности 4.3 кВт

I.  Введение

В последние годы широко обсуждается проблема передачи энергии на большие расстояния с помощью СВЧ излучения [1, 2]. Эта проблема актуальна для энергоснабжения космических и воздушных судов, труднодоступных пунктов (острова, горная местность), при техногенных или природных катаклизмах. При этом рассматриваются варианты использования массива полупроводниковых диодов Шоттки (ректенн) для преобразования СВЧ энергии в постоянный ток. Однако из-за небольшой парциальной мощности диода (доли ватта), его низкой надежности и сильной зависимости КПД от уровня сигнала приемник излучения оказывается дорогим и не слишком практичным. В данной работе рассматривается возможность использования автоэмиссионного диода для выпрямления СВЧ колебаний. При этом мощность единичного диода может в сотни раз превышать мощность полупроводникового аналога, что позволяет существенно сократить количество диодов и стоимость приемника в целом.

II.  Аналитические оценки

Электронный и контурный КПД такого приемника существенно зависят от параметров автокатода и геометрии диода. Поскольку в режиме большого сигнала эмиссия происходит в виде коротких сгустков,

Рис. 1. Модель диода в СВЧ резонаторе Fig. 1. The model of the diode in microwave cavity

Мы рассматриваем диод с автокатодом, встроенный в тороидальный СВЧ резонатор, разорванный по постоянному току (Рис. 1). Такой преобразователь является инвертированным аналогом СВЧ генератора [3] с автокатодом. При подаче СВЧ сигнала возникает эмиссия электронов и появляется запирающее напряжение смещения.

то для аналитических оценок движение сгустка можно рассматривать в одночастичном приближении. Уравнение движения сгустка имеет вид:

Рис. 2. Зависимость контурного КПД цс и общего КПД qt от угла пролета в диоде

Fig. 2. Circuit efficiency and total efficiency vs. transit angle

IV. Заключение

Таким образом, в работе показана возможность преобразования СВЧ энергии в постоянный ток с высокой эффективностью (60%) с помощью автоэмиссионного диода. Выходная мощность преобразователя существенно превышает выходную мощность полупроводниковых аналогов, что делает его эксплуатацию экономически целесообразной. Эти результаты закладывают основу для разработки нового типа СВЧ преобразователей.

V.  Список литературы

1.     W. С. Brown, “The History of Power Transmission by Radio Waves,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techn.,

Vol.32, No.9, pp. 1230-1242, September 1984.

2.     N. Shinohara, H. Matsumoto, “Experimental Study of Large Rectenna Array for Microwave Energy Transmission,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techn., Vol. 46, No.3, pp. 261-267, March 1998.

3.     Galdetskiy A. V., Mukhurov N. I. The efficiency of microwave generator based on field emission and the electric field profile in the gap. IVMC’2001: Proc. 14th Int. Vacuum Microelectronics Conf., UC Davis California, August 2001. P.165.

ON THE APPLICATION OF VACUUM DIODES WITH COLD CATHODE FOR DIRECT CONVERSION OF MICROWAVE POWER TO DC

A.                               V. Galdetskiy SRI “istok”, Vokzainaya st. 2a, Fryazino, 141120, Russia Tel.: (095) 465-8620; e-mail: galdetskiy@mail.ru

Abstract The opportunities of application of field emission cathodes for effective conversion of microwave power to DC are investigated. The significant influence of transit time effects on the conversion efficiency is demonstrated. Optimal transit angle is calculated and main parameters of the device are obtained. It is demonstrated that at frequency 10 GHz the efficiency achieves 60% at output power 4.3 kW.

I.  Introduction

Last years the problem of power transportation through long distances by microwave beam is widely discussed [1,2]. This problem is actual for energy supply of space and airborne vehicles, out-of-path places (islands, mountains), at man-caused or natural emergencies. Various types of Schottky diode arrays (rectennas) are considered for microwave power conversion to DC. However the receiver turns out to be expensive due to small partial power of the diode (fractions of watt), its low reliability and strong dependence of the efficiency on power level. We consider the possibility of the application of field emission diode for the rectification of microwave signal. The output power of the vacuum diode can exceed power of its solid-state analogue hundred times. This allows significant decreasing of the amount of the diodes and the cost of the receiver as a whole.

II. Analytical estimations

We consider the field effect diode embedded into toroidal cavity broken for DC (Fig. 1). Such converter is inverse analogue of microwave generator [3] with a field effect cathode. At application of microwave power to the cavity the emission of electrons appears and braking bias voltage arises.

The electron and circuit efficiency of such receiver depends significantly on the characteristics of the field effect cathode and geometry of the diode. Since at the large-signal operation the emission occurs in the form of short bunches, we can consider the motion of bunches in single-particle approximation.

The equation of bunch motion has the form (1):

Where dimensionless variables are

, andind DC

bias voltages applied to the gap, cl the gap thickness, A wavelength. The solution of (1)at x= 1 defines transit angle <p. Taking into account properties of cathode: I average current density, E extraction field, we can express parameters of the diode for the highly efficient regime through <p

(2).

It is evident that the gap d and output voltage U0 are proportional to A2. Particularly at A = 3 cm, E = 10 kV/mm, <p = 1.9 DC voltage is equal to (7o = 3.74kV, gap cl =0.38 mm, rf voltage U, = 7.5 kV.

Circuit efficiency is determined by intrinsic Q-factor О and emission current and can be estimated by expression (3).

Its dependence on the transit angle is shown on Fig. 2. Optimal transit angle is equal to 1.9. At intrinsic Q-factor О = 2000 and emission current density 1 = 2 A/cm2 circuit efficiency is equal to 78%, total efficiency achieves 63% and output power is equal to 4.3 kW (emission area 0.6 cm2). Thermal power dissipated on the anode does not exceed permissible value. Thus simple analytical estimations show that considered approach of microwave power conversion into DC looks rather attractive.

For more accurate calculations we used numerical simulation of particles dynamics

III.  Numerical simulation

We considered emission and the dynamics of the ensemble of the electrons in the diode’s gap. Emission is described by Fowler-Nordheim equation with the coefficients approximating experimental l-V curves of carbon field emitters. Electric fields of electrodes and space charge were included in simulation. The influence of the secondary emission on the conversion efficiency was also taken into account. Numerical simulation of the regime obtained by analytical formulas demonstrated the possibility of achieving efficiency around 60%.

IV.  Conclusion

The work demonstrates the possibility of efficient (60%) conversion of microwave power to DC by means of field effect diodes. The output power of the converter is much higher than power of solid-state analogues, which makes this design very attractive for the development of the new class of microwave converters.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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