волноводный диодный ОГРАНИЧИТЕЛЬ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

February 4, 2013 by admin Комментировать »

Гудкова Н. Б.

ФГУП НПП «Исток» г. Фрязино, 141190, Россия тел.: +7(095) 4658618 Шнитников А. С.

Московский энергетический институт (технический университет) Кафедра полупроводниковой электроники ул. Красноказарменная, 14, г. Москва, 111250, Россия тел.: +7(095) 3627596, e-mail: ShnitnikovAS@mpei.ru

Аннотация – Рассмотрены возможности создания волноводного ограничителя 5-мм диапазона длин волн на базе полупроводникового диода. Приведены результаты измерения характеристик кремниевых р/л-диодов с тонкой базовой областью, предназначенных для работы в схеме ограничителя.

I.                                       Введение

Разработка мощных генераторов КВЧ диапазона для современных систем радиолокации придает особую актуальность проблеме создания пассивных ограничителей мощности для защиты входных цепей приемников. Однако попытки продвижения pin- диодных ограничителей в диапазон ММВ сталкиваются с принципиальными трудностями, обусловленными пролетными ограничениями [1]. Как правило, р/п-диоды с толщиной базовой области более 1 мкм (способные выдержать необходимую входную мощность при достаточно низкой емкости структуры) не могут заметно изменять свой импеданс под воздействием сигналов с частотой выше 10-15 ГГц. Однако при определенных условиях подобное изменение импеданса удается обнаружить, что позволяет рассчитывать на успех в создании пассивных диодных ограничителей КВЧ диапазона.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование характеристик тонкобазовых р/п-диодов в режиме высокого уровня мощности в 5- мм диапазоне длин волн.

II.                         Методика измерений

в экспериментах использовались кремниевые ограничительные диоды со следующими параметрами: толщина базовой п-области 1.9 мкм и 2.6 мкм; концентрация примеси в этой области 2-10^® см’® при уровнях легирования приконтактных р*- и п’^-слоев 1-10^° и 1-10^® см’® соответственно; толщины этих слоев 0.5 и 5 мкм. Емкость каждого диода близка к 0.07 пФ.

Для выполнения измерений диод размещен в секции прямоугольного волновода с волноводнокоаксиальным переходом. В сечении вкпючения диода последовательно с ним присоединен шлейф индуктивного характера, обеспечивающий настройку макета в режиме переключателя инверсного типа (имеющего максимальную развязку при низком уровне КВЧ мощности). Таким образом, вкпючение диода в резонансную схему с высоким характеристическим сопротивлением (около 400 Ом) позволяет получить высокую чувствительность к изменению импеданса диода. Для контроля постоянной составляющей тока диода его верхний вывод развязан относительно волновода через ФНЧ, расположенный в одном из коаксиальных шлейфов.

Диод выполнен по меза-технологии и расположен на торце штифта диаметром 1.5 мм. Электрический контакт диода с центральным проводником коаксиального шлейфа осуществляется при помощи рубиновой втулки и гальванически выращенного электрода. Посредством перемещения диода относительно волновода достигается максимальная величина потерь запирания в отсутствие входной мощности.

III.                  Результаты исследований

На рис. 1. представлены экспериментальные зависимости вносимых потерь от входной мощности на частоте 60 ГГц для двух макетов с различными диодными структурами.

Рис. 1. Изменение вносимых потерь в зависимости от входной мощности для диодов с различной толщиной базы.

Fig. 1. Insertion loss variation versus input power for diodes with different basewidth values

Видно, что при использовании диода с толщиной базовой области wi = 1.9mkm, начиная с мощности порядка 0.1 Вт, происходит значительное изменение импеданса диода, вызывающее уменьшение вносимых потерь от 21 до 6 дБ. Для диода с W2 = 2.6 мкм снижение потерь при увеличении мощности вплоть до 12 Вт не наблюдается, что свидетельствует о его нечувствительности к сигналу на данной частоте.

В таблице 1 приведены результаты измерения детектированного тока Idet, возникающего в цепи диода, в зависимости от уровня входной мощности. Представлены также измеренные значения потерь L и потери Ц, возникающие при подаче на диод внешнего тока смещения, равного току Idet- Результаты показывают, что режимы управления путем изменения уровня входной мощности и тока смещения дают близкие значения потерь при одинаковых токах.

Table 1.

Заметное снижение потерь (за счет изменения импеданса диода) возникает при уровне тока смещения (детектирования) менее 1 мкА.

Таблица 1.

P/„, w

Idet, μΑ

L, dB

Lb dB

0.12

0.147

20

20

0.76

0.21

12.1

15.0

1.9

0.3

11.5

14.7

4.77

0.61

10.5

13.6

7.56

4.6

9

12.0

11.99

12.1

6.2

8.5

Проведен цикл расчетов характеристик диода в условиях, близких к реальным, с использованием программы приборно-схемотехнического моделирования ISTOC, основанной на решении фундаментальной системы уравнений полупроводника с использованием одномерной изотермической модели структуры [2]. Подобные расчеты дают удовлетворительно согласие с экспериментом для ограничительного диода на более низких частотах [3]. Однако в данном случае изменение импеданса диода не обнаружено, хотя расчетное значение тока Idet даже превышало измеренные значения.

Причина расхождения экспериментальных и расчетных результатов может быть вызвана недостаточно полным учетом электродинамической модели волноводного устройства. Возможно также, что диффузи- онно-дрейфовая модель, лежащая в основе анализа, становится не вполне корректной на данной частоте.

IV.                                  Заключение

По-видимому, значительное повышение рабочей частоты диодного ограничителя мощности возможно при использовании резонансных волноводных макетов, для которых величина вносимых потерь более чувствительна к изменению импеданса диода. В дальнейшем предполагается провести испытание диодов в прямой схеме ограничителя мощности.

Существующая методика моделирования требует коррекции для учета физических явлений в КВЧ диапазоне и особенностей электродинамики волновод- но-резонансной конструкции.

V.                           Список литературы

[1]  Lebedev I. V., ShnitnikovA. S., Drozdovski N. V., Drozdov- skaia L.. M. Solid-state control devices for millimetre waveband// Electron. Letters. 1995. Vol. 31, No. 3. P. 211-212.

[2]  ShnitnikovA. S., PhilatovN. I. Microwave limiter diode performance analyzed by mathematical modeling // Solid-State Electron. 1991. Vol. 34, No. 1. P. 91-97.

[3]  Шнитников A. C., Виноградов В. Г., Гудкова Н. Б. Проектирование диодного СВЧ ограничителя с низким уровнем выходной мощности // Материалы 13-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2003.

С. 181-182.

MILLIMETER-WAVE WAVEGUIDE DIOIDE LIMITER

N. В. Gudkova Res. and Prod. Corp. «Istok»

Fryazino, 141190, Russia Pii.: 095-4658618

A. S. Shnitnikov Moscow Power Engineering lnstitute(Techn. University)

14  Krasnokasarmennaya str, Moscow, 111250, Russia e-mail: ShnitnikovAS@mpei.ru

Abstract – The potentiality of realizing waveguide p/n-diode limiter for the 5-mm wavelength range is investigated. Characteristics of Si thin-base diodes intended for limiter application are measured and discussed.

I.                                         Introduction

The attempts to move conventional microwave р/л-diode limiters to the mm-wave range are hindered by transit-time problems [1]. The purpose of the present work is to investigate a waveguide structure, which helps to detect the variation of the p/n-diode impedance versus the input power for the frequency range of 60 GHz.

II.                          Measurement Technique

Experimental diodes have basewidth equal to 1.9 or 2.6 цт with doping level of 2-10^®cm“^. Capacitance of each structure is about 0.07 pF. The diode is inserted into a waveguide section with coaxial induction stub. The circuit is equivalent to an in- verse-type switch having maximum insertion loss under low input power. The stub is adjusted to reach the resonance condition for operating frequency. The use of resonant circuit with enhanced characteristic impedance (about 400 Ω) ensures high loss sensitivity to the variation of diode parameters. In order to control the direct current flowing through the diode, one of its leads is decoupled from the waveguide using a low-pass filter.

III.                              Investigation Results

The diode with a lower basewidth has shown the insertion loss variation from 21 to 6 dB (see Fig. 1). The loss is decreasing under the influence of about 0.1 W input power. The diode with a thicker base has shown no insertion loss variation for the input power range up to 12 W.

Direct current measured detected by the diode is presented in Table 1. Using external bias current with the same value, the insertion loss Li is obtained (for the low-power condition), which does not differ substantially from the L value measured in the high-power regime. Considerable loss decrease corresponds to the current level under 1 μΑ.

A set of calculations has been carried out using 1-dimensional physical-topological diode model [2], which has been proved useful in designing microwave limiters [3]. In this case however, no noticeable variation of diode impedance has been found. The discrepancy obtained may be explained by unsatisfactory description of the resonant circuit electrodynamics or by incorrectness of using diffusion-drift model for describing semiconductor diode parameters within mm-wave frequency band.

IV.                                      Conclusion

Experimental results have demonstrated, that the use of resonant waveguide structure with enhanced characteristic impedance helps to obtain considerable loss variation for inverse- type p/f?-diode switch circuit within the mm-wave band. Limiter circuit based on similar diodes is under investigation at present. The conventional simulation technique shall be upgraded in order to be used correctly in designing waveguide mm-wave limiters.

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