опыт РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ мощности МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН НА ЛПД

January 17, 2013 by admin Комментировать »

Карушкин Н. Ф., Касаткин Л. В. Государственное предприятие Научно-исследовательский институт «Орион» ул. Э. Потье 8а, г. Киев, 03057, Украина Факс: 38 (044) 456-52-91, тел.: 456-60-71, e-mail: ndiorion@tsua.net

Аннотация – Приведены пути построения импульсных ГЛПД в автономном и синхронном режимах с высокой стабильностью СВЧ-параметров с широкой полосой рабочих частот в интервале рабочих температур, с высокими уровнями импульсной мощности в миллиметровом диапазоне волн (ММДВ) на основе суммирования мощностей диодов в единой ВЧ-системе. Совместное применение «каскадного суммирования» и суммирования мощностей ЛПД в каждом каскаде позволяет создать мощные когерентные источники с уровнем импульсной мощности свыше 100 Вт в 8-мм диапазоне волн.

I.                                       Введение

Импульсные источники мощности на ЛПД в миллиметровом диапазоне волн в короткоимпульсном режиме являются наиболее мощными полупроводниковыми приборами в настоящее время.

Основными особенностями работы мощных импульсных источников миллиметрового диапазона волн являются: высокие уровни импульсного тока питания диода, при которых собственная частота ЛПД – частота лавинного резонанса Ωπρ- приближается к области рабочих частот ω, значительные потери в ВЧ-цепях. Собственная частота диода существенно зависит от температуры полупроводника, что приводит к нестабильности параметров выходного сигнала от рабочих температур.

Разработки мощных импульсных источников миллиметрового диапазона волн на ЛПД, выполненные в ГП НИИ «Орион», определили технические решения по выбору параметров полупроводниковых структур диодов, их корпусов, конструкций высокочастотных систем, выбору режимов электрического питания и путей стабилизации высокочастотных параметров в интервале температур окружающей среды и в пределах длительности импульса тока питания. Применение этих решений позволило создать широкополосные источники мощности в режимах автоколебаний и внешней синхронизации с уровнями выходной импульсной мощности десятки Ватт в диапазоне частот 30-40 ГГц, до 10 Ватт в диапазоне 90- 100 ГГц при использовании однодиодных выходных каскадов. Автогенераторы 8-мм диапазона с выходной импульсной мощностью свыше 20 Вт характеризуются нестабильностью частоты, не превышающей

5  МГц, в пределах длительности импульса и в интервале рабочих температур -50…+50°С,. Синхронизированные источники мощности с входным частотно стабилизированным генератором, выполнен-ные на основе последовательно вкпюченных при помощи ферритовых циркуляторов однодиодных каскадов на ЛПД, характеризуются уровнем выходной мощности десятки Ватт, полосой частот синхронной работы свыше (13-15)%, нестабильностью фазы выходного сигнала в переделах длительности импульса и в интервале рабочих температур -50…+50 С не превышающей 10-15°. Достижение уровней импульсной мощности, свыше 100 Вт в ММДВ реализуется суммированием мощностей ЛПД.

В этом докладе излагаются основные решения, обеспечивающие высокие энергетические, диапазонные и спектральные характеристики мощных импульсных источников миллиметрового диапазона волн.

II.        Параметры и характеристики ЛПД

Определение параметров и характеристик полупроводниковых структур, конструкции диода и его корпуса базируется на следующих решениях, обоснованных теоретически и разработками конкретных приборов:

а)        Оптимальный профиль легирования полупроводниковой структуры, при котором достижимый уровень импульсной мощности максимален, определяется в результате численного интегрирования системы уравнений, определяющих физические процессы в полупроводнике.

В проведенных разработках импульсных источников мощности ММДВ применены кремниевые двухпролетные ЛПД со структурой ρ·"-ρ-η-η·".

б)        Геометрия диода, прежде всего диаметр dp„ р- п-перехода определяется в зависимости от параметров импульсного режима – скважности Q, длительности импульса Ти и величины сопротивления растекания диода Rs [1]. Так, в 8 мм диапазоне, при увеличении Q в пределах 10-200, τ„=0,3 мкс, Rs=0,6 Ом оптимальная величина dp„ возрастает от 120 до 200 мкм при максимальной температуре нагрева кристалла 0тах=2ОО°С. Уменьшение τ„ и Rs также приводит к увеличению dp„. Для уменьшения Rs толщина подложки структуры выполняется минимальной h<(5-10) мкм.

в)        Параметры корпуса ЛПД во всех импульсных источниках в диапазоне 30-100 ГГц определяются из условия резонансной трансформации импеданса структуры. Такое решение в режиме сильного сигнала обеспечивает согласование импедансов диода и нагрузки при снижении потерь в высокочастотных цепях. Это решение реализуется применением монтажных элементов корпуса (емкости втулки С« и индуктивности контактной пластинки U) при построении корпуса с резонансной трансформацией импеданса.

III.       Обеспечение постоянства СВЧ параметров в интервале температур окружающей среды

Стабилизация СВЧ-параметров в интервале температур требует, прежде всего стабилизации импедансов диода. Широко применяемым решением является термостатирование корпуса генератора или его узлов. Это решение, однако, значительно увеличивает потребляемую мощность и непримени-мо при быстрых изменениях температуры. Возможна токовая компенсация температурных изменений импеданса диода. В соответствии с этим методом необходимо увеличение тока питания диода при увеличении температуры и наоборот [1]. При понижении температуры и

соответствующем умень-шении тока питания, однако, значительно снижается мощность СВЧ сигнала. Полная компенсация температурных изменений импеданса невозможна. Степень компенсации снижается в области низких температур.

В разработках НИИ «Орион» применяется термостабилизация р-п-перехода диода. Это решение основано на введении дополнительного тока подогрева, обеспечивающего постоянство напряжения лавинного пробоя, зависящего от температуры кристалла. Ток подогрева устанавливается таким, что напряжение лавинного пробоя принимает максимальное значение, соответствующее наибольшей рабочей температуре. Применяются непрерывный и импульсный режимы подогрева с автоматически управляемыми длительностью или амплитудой тока

[2]     . При уменьшении длительности импульса тока подогрева средняя мощность подогрева уменьшается, однако увеличивается его амплитуда. Введение дополнительного подогрева для стабилизации температуры кристалла решает задачу стабилизации СВЧ- параметров в интервале рабочих температур, в том числе и при быстрых изменениях, например, в режиме кодово-импульсной модуляции.

IV.          Стабилизация СВЧ параметров импульсных автогенераторов на ЛПД

Известные импульсные автогенераторы на ЛПД характеризуются значительным выбегом частоты в пределах длительности импульса: Δf>50MΓц при τ„=50-100 НС, f=35ΓΓц. В разработках НИИ «Орион» значительное улучшение стабильности СВЧ- параметров достигнуто введением дополнительного подогрева диода, применением токовой компенсации температурных изменений в пределах τ„, включением резонатора с необходимой добротностью в высокочастотную цепь. В результате созданы 8-мм малогабаритные импульсные ГЛПД с Pout>15-20 Вт, с нестабильностью частоты Af<5 МГц при Ти=50-200нс и Q>200 [1]. Приведенные методы применимы во всем диапазоне 30-100 ГГц.

V.           Расширение полосы синхронной

работы импульсных ГЛПД

Существенное расширение полосы рабочих частот синхронизированных ГЛПД основано на ряде решений при построении ВЧ-цепи генератора: а) трансформация импеданса диода в резонансном корпусе, построенном на монтажных элементах диода; б) согласование импедансов диода и нагрузки без применения дополнительных реактивностей в волноводе, и путем выбора геометрии СВЧ системы с минимально достижимой добротностью; в) включение последовательного резонансного контура, компенсирующего реактивные параметры ВЧ-цепи. Реализация такого компенсирующего резонансного контура достигается при помощи антипаразитной нагрузки со значительным коэффициентом отражения и необходимым удалением ее от диода [4]. Применение указанных методов обеспечивает рабочую полосу частот синхронизированного импульсного ГЛПД 13-15 % npn^Pout>15-20 Вт в 8-мм диапазоне.

VI.          Суммирование мощностей ЛПД

Построение мощных импульсных источников с мощностями, превышающими 100 Ватт в 8-и и десятки Ватт в 3-х миллиметровом диапазоне основано на суммировании мощностей диодов. Требования когерентности и стабильности параметров выходного сигнала удовлетворяются в режиме внешней синхронизации высокостабильным непрерывным сигналом.

Наиболее очевидный метод суммирования в режиме внешней синхронизации – это каскадное суммирование, при котором мощности следующих друг за другом ступеней (каскадов) суммируются. В широком интервале амплитуд тока через диод КПД суммирования мощностей ηΣ>(80-90)% при отношении мощности входного сигнала к максимальной мощности автоколебаний Ps/Pamax=0,4….1,0. При этом максимальный уровень выходной мощности определяется как Рои1тах=ЛЕ(Р5+Ратах). РеЖИМ СуММИрОВаНИЯ реализуется при Ps, близкой к Ратах. ДЛЯ ДОСТИЖеНИЯ максимальной выходной мощности необходимо ввести такие предыскажения в выходной ступени, при которых напряжение на диоде примет максимальное значение только при воздействии входной мощности. Каскадное суммирование представляет значительный интерес в ММДВ, когда размещение большого числа диодов в одной ступени затруднено из-за малых размеров. Каскадное суммирование применимо при различных конструкциях ступеней, в том числе, когда следующие друг за другом каскады сами являются сумматорами мощностей N диодов.

Находят широкое применение различные типы конструкций сумматоров мощностей диодов. В коротковолновой части ММДВ наиболее просто реализуется суммирование мощностей диодов в мостовых и разветвленных системах. В этих системах выполняется сложение мощностей независимых источников СВЧ колебаний при обеспечении наибольшего достижимого КПД суммирования в широком частотном диапазоне и развязки источников друг от друга. В реализуемых системах, обладающих потерями в суммирующих четырехполюсниках и в ВЧ-цепях, заметно уменьшается при увеличении числа N источников. В связи с этим обычно N<8 в коротковолновой части ММДВ. При N=6-8 и потерях в цепи каждого источника L=0,5 дБ ηΣ<0,65-0,55.

Существенно лучшие результаты по КПД достигаются при суммировании мощностей диодов в единой ВЧ системе. В сумматорах этого типа ηχ увеличивается при увеличении Ν. Конструкции сумматоров данного типа основаны на применении общего суммирующего резонатора, связанного с полезной нагрузкой и с диодными линиями, в которых установлены диоды и антипаразитные сопротивления Ran. Связь резонатора с диодными линиями должна быть максимальной, а величины Ran минимальными, но достаточными для подавления паразитных автоколебаний. Использование рассматриваемых сумматоров в режиме внешней синхронизации позволяет применить многодиодные конструкции в нескольких каскадах и благодаря этому существенно увеличить выходную мощность при «каскадном суммировании». При использовании частотно стабилизированного когерентного входного источника достигается высокая степень когерентности выходного импульсного сигнала. В качестве входного источника могут применяться синтезаторы стабильных частот сантиметрового диапазона совместно с умножителями частоты высокой кратности [5]. Для достижения максимальной рабочей полосы частот суммирование мощностей следует производить в волноводе, нагруженном на согласованное сопротивление и применить методы улучшения диапазонности, такие же, как в однодиодных генераторах. В 8-мм диапиазоне при каскадном суммировании мощностей двух идентичных ступеней с четырьмя идентичными ЛПД в каждой ступени достигнута импульсная мощность Pout>120 Вт при τ„<200 не и Q>300 при ηχ > 80 % [4].

[1]  Касаткин л. В. Твердотельные импульсные генераторы на ЛПД миллиметрового диапазона// Электронная техника. Серия 1 .-1996.-Вып.2.- С.23-26.

[2]  Карушкин Н. Ф., Касаткин Л. В. Стабилизация СВЧ параметров импульсных ГЛПД// Электронная техника. Серия 1.- 2000. -Вып.1.- С.22-27.

[3]  Касаткин Л. В. Широкополосные импульсные генераторы СВЧ на ЛПД в режиме внешней синхронизации // Известия ВУЗ Радиоэлектроника, 2002, том 45, № 2, стр. 15-24.

[4]  Ракитин С. П., Карушкин Н. Ф., Касаткин Л. В., Мальцев С. Б. Твердотельные компоненты для перспективной радиоэлектронной аппаратуры ММДВ и субММДВ. Ю"’ Intern. Conf. «Microwave & Telecom. Technology».- 2000.- P.33-36.

[5]  V. A. Khitrovskiy. Circuitry and technological aspects of frequency synthesizers design for modern radars. The Fifth International Kharkov Symposium of physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves. Symposium Proceedings. 2004. Volume 1, p. 223-225.

EXPERIENCE IN DEVELOPMENT OF HIGH POWER IMPATT DIODE SOURCES FOR MM-WAVE RANGE

Karushkin N. F., Kasatkin L. V., Malcev S. B.

Kyiv, 03057, Ukraine Ph.: (044) 456-60-71, fax: 456-52-91, e-mail: ndiorion@tsua.net

Abstract – IMPATT oscillators are the most powerful pulsed semiconductor sources for millimeter wave band. The methods for pulsed IMPATT oscillator parameters stabilization within a wide range of ambient temperatures are described. Combination of current compensation method, semiconductor diode preheating by additional current, the use of stabilization resonator in free running oscillators provides stability of the output signal amplitude and phase. On the base of injected-locked pulsed IMPATT diodes combiners in the MM wave range the high power output coherent signal is achievable (Poui>100W at λ=8 mm).

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