КОПЛАНАРНЫИ МОНОЛИТНЫМ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С УЛЬТРА НИЗКИМИ вносимыми ПОТЕРЯМИ НА МАЛОМ СИГНАЛЕ

January 13, 2013 by admin Комментировать »

и. м. Аболдуев, В. М. Вальд-Перлов, В. В. Вейц, А. М. Зубков, Г. 3. Гарбер, В. М. Миннебаев ФГУП НПП «Пульсар» г. Москва, Окружной пр. 21, 105187, Россия факс. 095-366-55-83, e-mail: pulsar@dol.su

Аннотация – Представлены результаты моделирования, оптимизации и изготовления копланарной МИС широкополосного (2…18 ГГц) ограничителя мощности на GaAs p-i-n диодах. Ограничитель имеет вносимые потери на малом сигнале менее 0.3 дБ, выходную мощность не более 100 мВт при входной мощности 1 Вт и может быть использован в качестве устройств защиты входных цепей мало- шумящих усилителей.

I.                                       Введение

Рис. 2. Задание на электромагнитное моделирование МИО.

в системах радиолокации, связи и навигации вход приемного устройства должен быть защищен от воздействия синхронных и несинхронных помех, приводящих как к временной потере работоспособности, так и к выходу из строя входных устройств приемного канала. В качестве устройств защиты используются ограничители мощности. Эти устройства должны характеризоваться минимальными вносимыми потерями принимаемого СВЧ сигнала, так как ЭТИ потери непосредственно увеличивают коэффициент шума приемника.

Данная работа является продолжением работы

[1]     . Ставилась задача создания монолитной интегральной схемы (МИС) ограничителя СВЧ мощности, вносящей минимальные потери малого сигнала в максимально широком диапазоне частот.

II.                              Проектирование

Puc. 3. Зависимость вносимых потерь МИО ограничителя от частоты.

Fig. 3. Small signal insertion loss of the limiter MMIO vs. frequency

Fig. 2. information for the MMiO EM analysis

в качестве исходного материала для изготовления МИС выбран арсенид галлия (GaAs). Преимущества GaAs p-i-n диодов для ограничителей СВЧ мощности сформулированы в работе [1]. Для минимизации паразитного влияния элементов подключения диодов в схему на работу ограничителя выбран вариант МИС, построенный на отрезках копланарных волноводов. Электрическая схема МИС показана на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема МИС.

Fig. 1. ММ 10 circuit

С ТОЙ же целью уменьшения потерь в качестве подложки выбрана достаточно толстая (400 мкм) пластина высокоомного (> Ю^Ом см) GaAs. Исходная эпитаксиальная структура МИС содержит слои п", р"^. P-i-n диоды построены на переходах круглой формы диаметром 38 и 28 мкм и имеют емкость

0.       08 и 0.04 пФ, соответственно. Диаметры переходов задаются путем селективного травления р"^ и п" областей. Для уменьшения паразитного сопротивления диодов используется технология самосовмещения.

Для изоляции диодов ОТ других элементов схемы используется ионная бомбардировка. Двухслойная металлизация в местах включения диодов в копланар- ный волновод использует 2-мкм слой фоточувстви- тельного полиимида.

Показанные на рис. 1.копланарные волноводы W1 и W3 имеют волновое сопротивление 50 Ом. После выбора параметров диодов проектирование МИС свелось к оптимизации ширины центральных полосков волноводов, длины и волнового сопротивления волновода W2.

При оптимизации МИС на малом сигнале использовалась система программ «Microwave Harmonica». Для анализа работы схемы при подаче на вход большой МОЩНОСТИ во ФГУПНПП «Пульсар» были разработаны программы DIPIND и FOMOPL, основанные на диффузионно-дрейфовой модели p-i-n диода. Оценка зависимости от частоты выходной мощности ограничителя при подаче большого сигнала проводилась с помощью системы «Microwave Office». Окончательная доводка размеров МИС проводилась с использованием системы электромагнитного моделирования интегральных схем «Sonnet Suite».

Окончательная топология МИС, заложенная в систему электромагнитного моделирования, показана на рис.2.

Информация для электромагнитного моделирования содержит чертеж кристалла МИС и переходы с копланарных линий на микрополоски, размещенные на входе и выходе анализируемого устройства. Результат моделирования демонстрирует рис.З.

Видно, что моделирование предсказывает потери на малом сигнале менее 0.35 дБ в диапазоне частот

2..         .18 ГГц.

III.                                    Измерение

Кристаллы МИС ограничителя имеют размер

1.6  X 2.3 мм. Они устанавливались в разрыв между микрополосковыми платами и соединялись с ними золотыми проволоками, как показано на рис. 2. Земляные полоски копланарных линий заземлялись через металлизированные торцы микрополосковых плат. Количество и размеры золотых проволок точно соответствуют рис.2.

Платы и кристаллы размещались на золоченом фрезерованном основании МД-40. Входная и выходная плата изготовлены из AI2O3толщиной 0,5мм.

Испытывались два типа кристаллов МИС ограничителя: с двумя одинаковыми диодами на входе и выходе диаметром 38 мкм и с тремя диодами (см. рис.2). В последнем случае на входе МИС параллельно вкпючены два диода диаметром 28 мкм, а на выходе один диод диаметром 38 мкм. Предполагается, что МИС ограничителя с тремя диодами должны выдерживать большую мощность из-за меньшего теплового сопротивления входных диодов.

Измерения на малом сигнале проводились в диапазоне частот 8… 18 ГГц. Потери, вносимые двухдиодными МИС не превышали 0.2 дБ, а трехдиодными МИС-0.3 дБ.

Реакция МИС на большой сигнал исследовалась на частоте 9.5 ГГц при изменении входной мощности до 1 Вт. Результаты измерений для трехдиодных МИС показаны на рис.4. Также, как и в работе [1], при изменении уровня входной мощности (увеличение или уменьшение) наблюдается изменение вида выходной характеристики типа «гистерезис». Сопоставление измеренных данных с результатами моделирования (рис.4) позволяет предположить, что скачек с верхней ветви характеристики на нижнюю может быть связан с перестройкой встроенного потенциала диода (Vb): по- видимому величина Vb уменьшается из-за накопления электронов и дырок в п- слое диода.

Как видно из рис. 4 выходная мощность ограничителей на частоте 9.5 ГГц не превышает 100 мВт. Расчеты по программам «IVIicrowave Office» показывают, что с увеличением частоты выходная мощность должна падать.

IV.                                  Заключение

Разработана МИС ограничителя мощности для защиты приемников, например, в системах многоканальных усилителей мощности с резко изменяющимися уровнями входного сигнала. Ограничитель будет увеличивать коэффициент шума приемников на величину, меньшую 0.3 дБ.

Рис. 4. Измеренные и рассчитанные характеристики трехдиодного ограничителя на частоте 9.5 ГГц открытые значки – увеличение Рвх, закрытые и крестики – уменьшение Рвх; треугольники и крестики – результаты моделирования.

Fig. 4. Measured and simulated parameters of 3-diodes power Limiter at 9.5 GHz open points – increase of Pin, close points and crosses- decrease of Pin; triangles and crosses – simulated response

ULTRA-LOW SMALL SIGNAL INSERTION LOSS COPLANAR MMIC OF THE BROADBAND POWER LIMITER

I.          M. Abolduyev, V. M. Vald-Perlov, V. V. Veits,

G. Z. Garbetr, A. M. Zubkov, V. M. Minnebaev SRI «Pulsar»

Okrugnoi pr, 27, Moscow, 105187, Russia fax.: 095-366-55-83, e-mail: pulsar@dol.su

Abstract – Presented in this paper are the results of simulation, optimization and fabrication of GaAs coplanar MMIC of the p-i-n diodes power limiter with small signal insertion loss lower than 0.3 dB and power limit level less than 100 mW at the input power 1 W within the frequency band up to 18 GHz. The MMIC can be used in order to protect input low noise amplifiers, increasing receiver noise figure less than 0.3 dB.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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