Карушкин Н. Ф., Симончук В. И., Ореховский В. А. Научно-исследовательский институт «Орион» ул. Эжена Потье 8а, г. Киев, 03057 тел.: (044) 456-48-87, факс (044) 456-48-87, e-mail: Viadimiror@ukr.net
Аннотация – Приведены результаты исследований по созданию двухканальных переключателей и широкополосных фазовра-щателей в миллиметровом диапазоне длин волн.
I. Введение
Разработка управляющих СВЧ-устройств связана с решением весьма разнообразных и противоречивых научных и технологических проблем. Устройства должны иметь два различающихся рабочих режима
– пропускания и запирания СВЧ-сигнала. Существенную роль при этом играют требования широкополосности, малых вносимых потерь в одном из режимов и высокой развязки в другом режиме. Важную роль играет требования малого времени перехода кпючевого элемента из высокоимпедансного состояния в низкоимпендансное. Это время в зависимости от назначения управляющего устройства не должно превышать единицы наносекунд или нескольких микросекунд. При этом трудно преодолимым является противоречие между быстродействием и рабочей мощностью.
В настоящей работе рассматриваются устройства для изменения фазы и перекпючения СВЧ-мощности с использованием p-i-n диодов сосредоточенного и распределенного типов.
II. Основная часть
Основой для создания двухканальных перекпю- чателей (рис. 1а) являются волноводные вставки, содержащие диоды сосредоточенного или распределенного типа. В волноводных вставках применена балочная схема вкпючения диодов, изображенное на рис. 16.
Рис. 1. (б)
Рис. 1. (б)
Смещение на диодах подается по коаксиальной линии. P-i-n-диоды сосредоточенного типа смонтированы в рубиновые втулки, металлизированы по торцам. 1/1звестно, что такое корпусирование диодов повышает эксплуатационные характеристики, но ограничивает их применение в миллиметровом диапазоне из-за емкости корпуса шунтирующей p-i-n структуру.
В диапазоне частот 8-26 ГГц потери в открытом состоянии составляли =0,7 дБ.
В диапазоне частот 92-96 ГГц двухканальный волноводный переключатель обеспечивает потери в открытом состоянии 1,7 дБ при развязке между каналами больше 20 дБ. Время переключения составляет -10-15 НС.
С целью увеличения развязки меду каналами до 60 дБ в каналах перекпючателя устанавлива-ются дополнительные волноводные вставки, содержащие диоды распределенного типа. Такое включение увеличило потери перекпючателя в рабочей полосе до 2 дБ.
Для управляющих СВЧ-устройств в гибридноинтегральном исполнении применяются безкорпус- ные быстродействующие p-i-n-диоды с балочными выводами.
При конструировании таких диодов используются эпитаксиальные кремниевые структуры с высокоомным слоем (р=20н-100 Омхсм), выращенном на моно- кристаллической подложке с удельным сопротивлением менее 10’® Омхсм. Снижение сопротивления вносимого подложкой достигается уменьшением её толщины методами химической и электрохимической обработки. Эффективный способ создания p-i-n структур основан на использовании пластины моно- кристаллического кремния с удельным сопротивлением р=100н-500 Омхсм, из которых методом химикодинамического травления формируется тонкий слой с высокой равномерностью по толщине. Достоинством способа является освобождение высокоомного слоя от подложки и возможность формирования тонких областей донорного (п"") и акцепторного (р"") типа проводимости на противоположных сторонах пластины методом одновременного легирования.
В качестве линии передачи энергии находят применение волноводно-щелевые линии передачи (fin- line), удачно сочетающие геометрию прямоугольного волновода с планарной конструкцией и технологией встроенных в волновод металлизированных диэлектрических подложек.
Благодаря свойству щелевой линии локализовать электромагнитное поле в центральной части волновода вдоль рёбер щели появилась возможность в волноводных конструкциях СВЧ-устройств применить элементы гибридно-интегральной технологии вплоть до субмиллиметрового диапазона длин волн.
Слабая дисперсионная зависимость параметров волноводно-щелевой линии (ВЩЛ) делает возможным создание управляющих СВЧ-устройств с полосой пропускания более 40 %. В тоже время размеры диодного корпуса в этом диапазоне становятся соизмеримыми с длиной волны. Поэтому представляет интерес возможность улучшения характеристик модулятора в диапазоне частот за счет трансформации входного импеданса к клеммам диодной структуры через диэлектрическую стенку корпуса. При этом диодный корпус рассматривается в виде радиальной линии, нагруженной на диодную структуру.
Величина и характер импеданса радиальной линии, приводимой к клеммам диодной структуры, определяется выражением:
где: С((х, у) – большой радиальный котангенс;
где: λ-длина волны в свободном пространстве, ε-диэлектрическая проницаемость материала втулки,
г – внешний радиус втулки.
Го – внутренний радиус втулки, h – высота втулки.
Режим пропускания мощности СВЧ обеспечивается при положительном смещении и при условии реализации на кпеммах диода параллельного резонанса, диапазон частот которого задается выбором индуктивной проводимости монтажа диода и проводимой к диоду емкостной проводимости радиальной линии.
Режим запирания мощности СВЧ может быть реализован за счет собственного последовательного резонанса диода. В общем случае оптимизация режима запирания требует включения последовательно с диодами реактивного сопротивления, которым может служить короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии.
Характерной особенностью таких волноводных вставок (одноканальных переключателей) является отражение СВЧ-мощности в режиме запирания.
Разработанные волноводные двухканальные переключатели с применением описанных выше волноводных диодных вставок в диапазоне 28-40 ГГц обеспечивают переключение импульсной СВЧ-мощности с уровнем 2,5 кВт за время не более 1 мкс.
Длительность СВЧ-импульса и скважность СВЧ- сигналов передатчика составляли 2,5 мкс и 100 соответственно, потери перекпючателя в открытом состоянии не более 1,5 дБ, развязка между каналами более 20 дБ.
С использованием такой линии разработан оригинальный широкополосный фазовращатель на два положения 0; π. Конструкция фазовращателя проходного типа содержит два p-i-n-диода, включенных на входе кольцевого моста щелевой линии, установленной в волноводе регулярного сечения. Фазовращатель обеспечивает потери пропускания не более
2 дБ в рабочей полосе 28-40 ГГц при уровне амплитудной модуляции не более 0,3 дБ с точностью установки фазы ±3°. Время переключения состояния не более 15 не.
III. Заключение
с использованием диодов сосредоточенного типа, диэлектрический корпус которых выбран специальным образом, созданы двухканальные перекпю- чатели миллиметрового диапазона. Использование щелевых линий с диодами балочного типа позволяет создавать широкополосные и компактные фазовращатели.
MILLIMETER-WAVE CONTROL P-I-N-DEVICES
Karushkin N. Р., Simonchuk V. I., Orehovski V. A.
Research Institute «Orion»
E. Pautier str 8a, Kyiv, 03057 Ph.: (044) 456-48-87, fax: (044) 456-48-87 e-mail: Vladimir_or@ukr.net
Presented in this paper are the results of design of millime- ter-wave double-pole single-throw switches and broadband phase shifters. Microwave solid-state components on the basis of pin-diodes for modulation switching and phase shifting are considered. Experimental parameters and characteristics of the components in the operating frequency band are given.
In particular, millimeter-wave double-pole single-throw switches with concentrated type diodes within special dielectric package are designed. Fin-line transmission lines successfully combining geometry of rectangular waveguide with co-planar design and built-in dielectric substrates technology are used.
Small dispersion dependence of fin-line transmission line parameters and beam-lead p-i-n-diodes allows the development of compact control devices with more than 40 % bandwidth.
Communicating type phase shifter design includes two p-i- n-diodes mounted at the input of circular bridge of fin-line set in the waveguide with regular cross-section. The phase shifter provides insertion loss no more than 2 dB within operating frequency band 28-40 GHz at amplitude modulation level no more than 0,3 dB and phase setting accuracy ± 3 with switching time no more than 15 ns.
Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г.
- Предыдущая запись: КРЕАТИВНАЯ ПСИХОПЕДАГОГИКА КАК ТВОРЧЕСКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКЕ И ПРАКТИКЕ
- Следующая запись: ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В КОГЕРЕНТНЫХ СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
- ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ АУДИОСИГНАЛОВ C АРУ (2)
- МИНИ-ПЕРЕДАТЧИК ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ (0)
- ТРЕХКАНАЛЬНЫЙ ПЕРЕДАТЧИК ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ B ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 420-450 МГЦ (0)
- Эффективный УВЧ для приемника (0)
- Широкодиапазонные усилители с управляемым усилением (0)
- Усилители видеосигнала (0)
- АКТИВНЫЙ 3-ПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР (0)