Активные свч устройства

4. Активные свч устройства

СВЧ полупроводниковые приборы.

СВЧ устройства в гибридном исполнении с полупроводниковыми активными элементами используют в основном в маломощных трактах радиопередающих устройств и в приемных трактах радиоэлектронной аппаратуры в качестве генераторов, модуляторов, усилителей и преобразователей.

К наиболее употребительным в настоящее время активным полупроводниковым элементам СВЧ можно отнести транзисторы и диоды с отрицательным сопротивлением разных типов. Кроме того, применяют диоды, имеющие нелинейную зависимость емкости  р—n - перехода от напряжения, например параметрические диоды, варакторы и диоды с накоплением заряда (ДНЗ). За исключением параметрических усилителей и генераторов, устройства с нелинейной емкостью не обладают активными свойствами. Это пассивные умножители СВЧ, а также устройства для амплитудной, частотной и фазовой модуляции.

Рассмотрим кратко свойства СВЧ устройств, построенных на активных и нелинейных пассивных элементах.

Усилители СВЧ мощности на транзисторах применяют в метровом и дециметровом диапазонах при выходных мощностях от сотен ватт (в метровом диапазоне) до единиц и долей ватта на длинноволновой границе сантиметрового диапазона. Широкополосность таких усилителей составляет 10...15%. Коэффициент усиления от 20... ... 25 дБ в длинноволновом участке указанного диапазона, до единиц децибел в коротковолновой части этого диапазона. К.П.Д. = 15... ...50%, что заметно больше, чем у усилителей мощности, построенных на других полупроводниковых активных элементах СВЧ.

На транзисторах строят малошумящие усилители СВЧ вплоть до сантиметрового диапазона волн при коэффициенте усиления 20...30 дБ и коэффициенте шума 5...8 дБ. Кроме того, на транзисторах выполняют автогенераторы в диапазоне от метровых до сантиметровых волн как с механической, так и с электронной перестройкой частоты. В таких автогенераторах, как правило, используют внешние цепи обратной связи, что усложняет их по сравнению с диодными генераторами. К основным достоинствам транзисторных устройств СВЧ следует отнести повышенное значение К. П. Д. и обеспечение однонаправленных свойств усилителей без введения дополнительных невзаимных элементов.

Генераторы и усилители на диодах с отрицательным сопротивлением используют главным образом в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Принцип действия таких устройств основан на компенсации сопротивления потерь колебательной системы (с учетом сопротивления, вносимого нагрузкой) отрицательной активной составляющей полного сопротивления диода. При полной компенсации потерь в генераторе устанавливаются автоколебания. При частичной компенсации потерь происходит регенеративное усиление внешних колебаний. Для получения автоколебаний в диодном генераторе не требуется внешних цепей обратной связи. Регенеративные усилители не обладая однонаправленными свойствами, требуют использования невзаимных устройств, например, циркуляторов.

В диодных генераторах и усилителях СВЧ используют диоды с различной природой образования отрицательного сопротивления, а именно: лавинно-пролетные диоды (ЛПД), диоды с переносом электронов (ДПЭ), туннельные диоды (ТД).

На ЛПД строят генераторы с выходной мощностью единицы ватт в сантиметровом диапазоне и сотни милливатт в миллиметровом. Широкому применению усилителей на ЛПД препятствуют неудовлетворительные шумовые характеристики, обусловленные лавинным механизмом генерирования носителей заряда в этих диодах. Генераторы на ДПЭ в 3...10 раз уступают по мощности генераторам на ЛПД, однако ДПЭ характеризуются несколько лучшими, чем ЛПД, шумовыми свойствами: коэффициент шума усилителей на ДПЭ 10...15 дБ. Оба типа генераторов имеют приближенно одинаковый к. п. д., измеряемый единицами процентов.

Туннельные диоды применяют в малошумящих усилителях дециметрового и сантиметрового диапазонов. Коэффициент усиления таких усилителей составляет 10...20 дБ при коэффициенте шума 5...7 дБ. Использованию ТД в генераторах и мощных усилителях СВЧ препятствует малое значение рабочего напряжения на диоде (доли вольта), что вызывает необходимость увеличивать ток диода для увеличения мощности. В режиме больших токов и малых напряжений при М-образной вольт-амперной характеристике трудно обеспечивать устойчивость цепи питания ТД. Устойчивость цепи питания используемых на практике источников может быть обеспечена только при рассеянии существенной части мощности источника в стабилизирующем резисторе, а следовательно, при значительном снижении К. П. Д. генератора.

Рекомендуемые материалы

Наилучшими шумовыми свойствами по сравнению с рассмотренными обладают полупроводниковые параметрические усилители, коэффициент шума которых порядка 0,5...3 дБ. Усилители на параметрических диодах применяют в диапазоне от дециметровых до миллиметровых волн с коэффициентами усиления 15...40 дБ. В генераторах накачки параметрических усилителей могут быть использованы ЛПД и ДПЭ. К стабильности частоты, уровню мощности и спектральным характеристикам таких генераторов предъявляют жесткие требования.

Умножители СВЧ на варакторах и ДНЗ применяют обычно для умножения частоты колебаний транзисторных усилителей мощности. С помощью таких транзисторно-варакторных цепочек получают колебания в коротковолновой части дециметрового диапазона и в сантиметровом диапазоне с удовлетворительными для многих практических применений значениями мощности и к. п. д. На выходе варакторных умножителей, работающих с запертым р — n - переходом, могут быть получены колебания миллиметрового диапазона. Как уже отмечаясь, такие умножители не имеют усилительных свойств, коэффициент передачи по мощности у них всегда меньше единицы и тем меньше, чем больше коэффициент умножения.

Особенности гибридных устройств СВЧ с активными и нелинейными элементами.

Полупроводниковые активные элементы СВЧ в настоящее время не могут быть выполнены интегрально с остальными элементами СВЧ устройства. Устройства СВЧ с полупроводниковыми элементами состоят из электромагнитных систем СВЧ, выполненных по тонкопленочной технологии, и навесных полупроводниковых приборов в обычном или бескорпусном исполнении, т. е являются гибридными. Основной задачей в этом случае является миниатюризация устройства. Малые размеры активных полупроводниковых элементов и ограниченность электронного К. П. Д. приводя к чрезмерной локализации тепловыделения и необходимости применять в случае больших мощностей рассеяния эффективные теплоотводы и устройства охлаждения, ограничивающие степень миниатюризации.

Возможности миниатюризации электромагнитных систем в пленочном исполнении связаны со следующим. Основным типом электромагнитной системы в пленочном исполнении является микрополосковая несимметричная линия. Колебательные цепи генераторов и усилителей СВЧ должны содержать резонансные отрезки линий. длина которых соизмерима с длиной полуволны. Для уменьшения эффективной длины волны в линии (примерно в 2,5 раза), а также для сокращения поперечных размеров линии (до десятых долей миллиметра) можно использовать тонкие диэлектрические подложки с большими значениями диэлектрической проницаемости (порядка 10). Однако столь малые поперечные размеры приводят к увеличению потерь проводимости. Кроме того, диэлектрики с большими значениями диэлектрической проницаемости обладают повышенными потерями. В результате добротность колебательных систем такого типа оказывается в среднем на 0,5... 1,5 порядка меньше, чем у волноводных и коаксиальных колебательных систем. В результате уменьшается электромагнитный К. П. Д. мощных усилителей и генераторов и ухудшаются шумовые свойства маломощных устройств.

В дециметровом диапазоне резонансные отрезки линий даже при использовании материалов подложек с большой диэлектрической проницаемостью получаются неприемлемо длинными. Поэтому в указанном диапазоне волн приходится отказываться от использования микрополосковых линий и строить колебательные системы на сосредоточенных индуктивных элементах в виде плоских спиралей в сосредоточенных конденсаторах навесного типа или в пленочном исполнении. Для уменьшения уровня излучения таких элементов их размеры должны быть достаточно малы по сравнению с длиной волны, а следовательно, поперечные размеры проводников (например, плоских спиралей) уменьшаются по сравнению с размерами полосковых линий, потери же проводимости соответственно увеличиваются. Тем не менее значения добротности сосредоточенных элементов могут быть порядка сотни (рис. 2.26). При малых значениях частоты добротность уменьшается из-за уменьшения реактивного сопротивления, а при больших значениях частоты — из-за увеличения потерь проводимости, вызванных скинэффектом, и главным образом потерь на излучение. Практически сосредоточенные индуктивные и емкостные элементы применяют на частотах, не превышающих 1 ГГц.

Отметим еще одну особенность гибридных СВЧ устройств трудность введения элементов настройки и регулировки электромагнитных систем. Введение навесных элементов механической регулировки резко ухудшает технологичность изделия. Неизбежный разброс параметров полупроводниковых элементов, а также ошибки изготовления при отсутствии регулировочных элементов могуг затруднить реализацию оптимальных режимов работы устройства. Поэтому желательно предусматривать элементы подбора параметров электро-магнитных систем, а также использовать электронные способы перестройки.

Итак, гибридные устройства СВЧ могут иметь худшие параметры, чем аналогичные устройства на объемных электромагнитных системах. Тем не менее их применение оправдывается существенным улучшением технологичности, а также уменьшением габаритов и массы, особенно для маломощных устройств.

Конструктивные и топологические решения

При конструировании гибридных устройств СВЧ возможны разнообразные решения, различающиеся способами установки диэлектрических подложек с пленочными и навесными элементами в металлический корпус, способами соединения элементов, выполненных на отдельных подложках, а также способами крепления полупроводниковых приборов.

В маломощных устройствах полупроводниковые приборы можно навешивать на диэлектрическую подложку так же, как и пассивные навесные элементы. При повышенных мощностях желательно обеспечить контакт полупроводникового прибора с корпусом устройства, который в этом случае выполняет роль теплоотвода и радиатора. Для эгого в подложке делают отверстие, в котором и устанавливают полупроводниковый прибор. Соединение усчройств, выполненных на отдельных подложках, может быть либо с использованием коаксиальных разъемов, либо безразъемное. В последнем случае подложки соединяемых устройств располагают вплотную друг к другу в одной плоскости и паяют пленочные проводники и металлизированные основания подложек. При безразъемном соединении могут быть применены как отдельные металлические корпуса, так и один общий для нескольких подложек корпус.

При разработке топологии устройств учитывают требования к плотности размещения микрополосковых и других плeнoчныx элементов, требования минимизации неоднородностей при изгибах и ответвлениях, а также некоторые технологические требования, например, к минимальной ширине полоски или зазора между полосками. В некоторых случаях учитывают соображения, связанные с тепловым режимом устройства. Колебательные системы однокаскадного транзисторного усилителя выполнены на основе микрополосковых линий с использованием навесных конденсаторов в системе блокировки источника питания. Выводы транзистора соединяются с соответствующими контактными поверхностями, обозначенными буквами на рисунке

Расчет геометрических размеров пленочных элементов.

В случае реализации электромагнитных систем СВЧ устройств с использованием отрезков несимметричных микрополосковых линий их геометрические размеры, необходимые для обеспечения заданных электрических характеристик, рассчитывают по формулам и графикам.

Значения пленочных индуктивных элементов, используемых в СВЧ диапазоне, лежат в пределах от единиц до нескольких десятков наногенри. Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде отрезков пленочного проводника, а также в виде плоских спиралей.

Значение индуктивности [нГ] металлической полоски без учета влияния металлического основания подложки равно

                                                                 (10)

где l, o —длина и ширина полоски, мм

С учетом влияния металлического оспорения индуктивность рассчитывают по формле:

                                                                                 (11)

где h — толщина подложки

Значение индуктивности в форме круглой или квадратной спирали равно

                                                                                   (12)

где k — коэффициент (k = 5 для круглой и k = 6 для квадратной спирали), D_k—внешний диаметр (сторона) спирали, мм; d_к — внутренний диаметр (сторона) спирали, мм; N_к — число витков. Для внешнего диаметра спирали справедлива формула

D_k-d_k+(2N_k—1)s_k+2w,                                                                                   (13)

где s_k — шаг спирали, мм; w— ширина спиральной полоски, мм.

Ещё посмотрите лекцию "Квантовомеханическая теория атома водорода. Уравнение Шредингера для атома водорода, анализ его решения" по этой теме.

Число витков спирали

N_k = [(D_k+s_k)-(d_k+2w)]/2s_k,                                                                            (14)

Добротность пленочных индуктивных элементов определяют как

                                                                       (15)

где k' = 2 для круглой и k = 1,6 для квадратной спирали; f— частота ГГц.

Погрешность расчета индуктивных спиральных элементов по приведенным формулам составляет ± 10%. Для расчета геометрических размеров по заданному значению индуктивности следует пользоваться последовательными приближениями.