СЛАБОТОЧНЫЕ ДИОДЫ ГАННА ДЛЯ КВЧ ТЕРАПИИ

March 1, 2013 by admin Комментировать »

Яцуненко А. Г., Винтман 3. Л., Джевинский В. П., Козленке Э. И. Институт технической механики (ИТМ) НАН и НКА Украины ул. Ляшко-Попеля, 15, г. Днепропетровск, 49005, Украина тел.:+38 (056)-7135341, e-mail: anatoly@ramed.dp.ua Ковтонюк В. М., Иванов В. Н. Научно-исследовательский институт «Орион» ул. Э. Потье, 8-а, г. Киев, 03057, Украина тел.:+38 (044)-4555916, e-mail: ivan@tsua.net

Аннотация – Приведены результаты разработки, изготовления и исследования диодов Ганна мм- диапазона, позволившие создать миниатюрные сверхмалогабаритные генераторные модули для КВЧ терапии. Представлена технология изготовления диодов с повышенной эффективностью и надежностью, что значительно улучшает технические и эксплуатационные характеристики аппаратуры и расширяет ее функциональные возможности.

I.                                       Введение

в условиях постоянного влияния на человека множества вредных факторов, порожденных интенсивным развитием цивилизации, в частности, непрерывно ухудшающейся экологии, сильнодействующих лекарств и стрессовых ситуаций ослабляются многие системы организма, снижается его иммунитет.

Передовая медицинская мысль, СМИ, общественное мнение все чаще обращаются к историческому «не традиционному» лекарскому наследию, склоняясь к гомеопатическим и безмедикаментозным методам профилактики и терапии. Медики заинтересованно взаимодействуют с инженерами, физиками и математиками с целью лучше понять и воплотить в современные медицинские средства многовековые методические лечебные наработки.

Одно из направлений такого успешного сотрудничества – использование для диагностики функционального состояния организма, его профилактики и лечения электромагнитных волн (ЭМВ) крайне высокой частоты (КВЧ) и субнизкой интенсивности [1].

Разработки перспективных КВЧ – устройств для этих целей развиваются в таких основных направлениях:

–         миниатюризация и энергоавтономия;

–         снижение интенсивности воздействия;

–         повышение эффективности лечения;

–         расширение функциональных возможностей;

–         автоматизация лечебно-диагностического процесса.

Первостепенное значение для успешного решения сложных задач на указанных перспективных направлениях имеют подходящие по параметрам активные (генерирующие ЭМВ) элементы.

В разработках оригинальных многоканальных КВЧ-аппаратов «РАМЕД ЭКСПЕРТ» (Днепропетровск) с миниатюрными генераторными модулями, контактирующими с телом больного, применялись диоды Ганна российского и американского производства. Их основные параметры оставляли желать лучшего, поскольку эти элементы не предназначались для медицинских целей. Широкий разброс значений собственных частот в пределах диапазона, потребляемых токов, мощности излучения и других важных параметров, требовали длительного и скрупулезного отбора подходящих диодов. В то же время, высокая стоимость, из-за низкого процента выхода годной продукции, зарубежное производство и, в целом, значительные мощность и энергопотребление, затрудняли их применение.

Единственным приемлемым выходом из непростой ситуации оказалось налаживание отечественного производства диодов с необходимыми параметрами и приемлемой стоимостью. Значительный (более 30-ти лет) опыт исследований в ИТМ (Днепропетровск) в области КВЧ- техники, разработок и производства в НИИ «Орион» (Киев) генерирующих диодов обеспечили успех нашего сотрудничества [1 – 3].

II.                              Основная часть

Разработанные совместно слаботочные диоды Ганна УАА701А и УАА701Б из GaAs, работающие на основной гармонике в пролетном режиме на частотах 42-53 ГГц и 56-65 ГГц, потребляют ток не более 120 мА при напряжении 3,2 В.

Рис. 1. Конструкция слаботочного диода Ганна.

Fig. 1. Low current Gunn-diode design

Диод Ганна (рисунок 1) состоит из золоченного латунного основания- анода- 1, на котором закреплена рубиновая втулка- 3 диаметром 0,9 мм и толщиной

0,     3 мм. Внутри втулки, в центре основания помещен кристалл GaAs 5, к верхнему, катодному контакту которого приварена золотая проволока 4, соединяющая его с герметизирующей контактной крышкой 2.

Положительные особенности конструкции следующие:

–          максимально снижены реактивные параметры ее частей, что позволило добиться устойчивой работы генератора в унифицированном корпусе разных активных элементов (кристаллов) в частотных диапазонах 42-53 ГГц и 56-65 ГГц;

–          это, а также пониженные ток потребления и мощность излучения ЭМВ, обеспечиваются заменой керамического материала втулки на искусственный рубин и значительным уменьшением диаметра катодного контакта;

–          устойчивость параметров, надежность и долговечность, высокий процент выхода годных диодов обеспечиваются упрощением конструкции и улучшенным теплоотводом за счет значительного уменьшения толщины подложки кристалла и теплового сопротивления системы анодного контакта, удерживающей кристалл на основании.

Кристалл представляет собой эпитаксиальную структуру типа п-п*-п**, закрепленную на золотом держателе. Контакты многослойные, сплавные из AuGe-TiB2-Au, соединены с кристаллом при температуре около 500 °С в водородной атмосфере. Подложка сошлифована до 25 мкм химико-динамической полировкой в растворе (ΝΗ)4θ4Η5. Омический контакт сформирован селективно-гальваническим осажденным золотым термокомпенсирующим слоем толщиной до 60 мкм между латунным основанием и мезаст- руктурой из арсенида галлия при термообработке.

Катодный барьер, ограничивающий ток инжекции основных носителей в активную область и сообщающий дополнительную энергию электронам для перехода в боковую долину зоны проводимости, формируется вместе с контактом. Существование барьера на катодном контакте легко определяется по вольтам- перной характеристике, снятой при обратной полярности напряжения, превышающего пороговое значение генерации, которое определяется в рабочем режиме. В этом случае наблюдается инжекция неосновных носителей в активный слой диода и наблюдается лавинный пробой. По температурной зависимости вольтамперной характеристики (из линейной при комнатной температуре она трансформируется в показательную функцию при температуре жидкого азота) было определено, что катодный контакт содержит барьер Шоттки относительно малой высоты.

Вышеизложенные меры позволили реализовать работу диодов в указанных частотных диапазонах на основной гармонике с эффективностью преобразования постоянного напряжения в ЭМВ более 2 %.

Аналогичная зависимость получена для диодов УАА701Б с контактом, ограничивающим инжекцию то

Рис. 2. Зависимости выходной мощности Р от частоты F диодов УАА701А с различными катодными контактами.

В – катодный контакт с ограниченной инжекцией тока;

С – катодный омический контакт;

Fig. 2. Р vs F dependence for УАА701А with different cathode contacts.

В – cathode contact with limited current injection;

С – cathode ohmic contact

Типичные зависимости СВЧ-мощности от частоты для двух типов контактов, представлены на рисунке 2.

ка, в диапазоне частот 58—67 ГГц (диоды с омическим контактом в этом диапазоне не работают). Максимальная мощность для диодов УАА701А на частоте 42 ±0,5 ГГц достигает 10 мВт. Изменяя индуктивность вывода от кристалла на этапе сборки диода УАА701А, можно смещать максимум выходной мощности в диапазоне частот 42—53 ГГц примерно на 2,5 ГГц.

III.                                  Заключение

Диоды, выпускаемые по технологии НИИ «Орион», открыли заманчивые и многообещающие перспективы не только при разработке медицинской аппаратуры, но и в традиционных радиотехнических областях, где применение диодов Ганна ранее было менее эффективным или невозможным. Это системы связи и навигации, устройства для телеметрии, радиоаппаратура специального назначения и охранные комплексы.

В ИТМ, его, специализированной на медикотехнических проблемах, структурой «Рамед», разработаны, изготовлены и применяются, не имеющие аналогов многоканальные аппараты КВЧ- терапии серии «РАМЕД ЭКСПЕРТ». Разработаны и испытаны терапевтические генераторные модули нового поколения, питающиеся от автономных малогабаритных источников постоянного тока. Это значительно повышает эксплуатационные характеристики аппаратуры и расширяет ее функциональные возможности.

IV.                           Список литературы

[^]Яцyнeнκo А. Г., Ковтонюк В. М., Иванов В. Н., Николаенко Ю. Е. Использование электромагнитного излучения в медицине и требования к построению КВЧ-аппаратов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.— 2005 — № 2 — С. 41—42.

[2]  Яцуненко А. Г., Ковтонюк В. М., Иванов В. Н., Николаенко Ю. Е. Слаботочные диоды Ганна на основе арсенида галлия для КВЧ-аппаратов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.— 2005 — № 3 — С. 46—48.

[3]  Заявка 20041210387 Украины. Нап1впров1дниковий над- високочастотний д1од Ганна з арсен1ду гал1ю / В. М. 1ванов, В. М. Ковтонюк, Ю. Θ. Н|колаенко — 2004.

LOW-CURRENT GUNN DIODES FOR MILLIMETER-WAVE THERAPY

Yatsunenko A. G., Vintman Z. L.,

Dzhevinsky V. P., Kozlenko E. I.

Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the National Space Agency of Ukraine

15  Lyashko-РореГ St., Dnepropetrovsk, 49005, Ukraine Ph.: +38 (056)-7135341, e-mail: anatoly@ramed.dp.ua KovtonyukV. М., Ivanov V. I.

Orion Research Institute 8-a E. Potier St., Kiev, 03057, Ukraine Ph.: +38 (044)-4555916, e-mail: ivan@tsua.net

Abstract – Presented in this paper are the results of development, creation and characterization of millimeter-wave Gunn diodes, which have made it possible to create subminiature oscillator modules for millimeter-wave therapy. A technology for creation of high-efficiency and high-reliability diodes is presented, which considerably improves devices performance and extends their functional capabilities.

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