УПРАВЛЯЮЩИЕ СВЧ УСТРОЙСТВА НА P-i-N-ДИОДАХ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

January 7, 2013 by admin Комментировать »

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. 

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