Справочник по радиолокации (ред. Сколник М. И.) т. 4 - 1978 г. (1151803), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Кесогд", ч. !0, 91. 5, р. 50 — 57. Глава 5 РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ НА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ Т. Хайтлин 5.1. Генерирование СВЧ полупроводниковыми приборами Непрерывно, начиная с первых магнетронов для применения в радиолокации проводились разработки СВЧ генераторов большой мощности, которые обладали бы высокой надежностью и улучшенными рабочими параметрами. Разработии основывались на исследованиях в области электронно-лучевых, плазменных и ферритовых устройств, а также на изучении объемных эффектов в полупроводниковых материалах.
Генерирование больших импульсной н средней мощностей, необходимых для решения радиолокационных задач, было и продолжает оставаться предметом наиболее значительного технического поиска в радиоэлектронике. Даже для обычных радиолокационных систем со средними параметрами необходима импульсная мощность порядка 100 кВт и средняя мощность от 50 до 200 Вт. В зависимости от назначения РЛС требуемая выходная мощность меняется в самых широких пределах, начиная от весьма малых мощностей небольших переносных РЛС до громадных мощностей, необходимых для станций контроля космического пространства и противоракетной обороны. Между этими пределами заключено большое количество типов наземных, судовых и самолетных РЛС.
При небольшой мощности излучения может решаться относительно малое число радиолокационных задач. Наиболее применима твердотельная аппаратура для решения таких задач, которые стоят, например, перед радиовысотомерами или доплеровскими навигационными системами.
В более мощных радиолокационных системах гражданского и военного назначения возникают серьезные проблемы, обусловленные эксплуатационными ограничениями, тре. буемыми надежностью и ремонтопригоднастью. Для того чтобы твердотельные приборы могли применяться в таких системах, необходимо довести их импульсную мощность до нескольких сот киловатт нли нескольких мегаватт, как это требуется в настоящее время для наземных и самолетных РЛС, Полупроводниковым приборам присущ ряд механизмов генерирования СВЧ мощности. Полупроводники вполне пригодны для массового производства, и для их изготовления может быть использована технология производства, обеспечивающая дешевую эксплуатацию элементов и аппаратуры.
Полупроводниковые СВЧ генераторы удобнее всего разделить на две группы. К одной относятся транзисторные генераторы и транзисторные умножителн частоты, а к другой — генераторы, в которых использованы объемные эффекты в самом материале полупроводника. Ниже будут описаны основные устройства каждой группы и их параметры. Транзисторные СВЧ генераторы. Первыми биполярными транзисторами, предназначенными для работы в диапазоне СВЧ, были микросплавиые диффузные транзисторы и мезатраизисторы, однако и те и другие могли работать только при очень низких уровнях мощности. 170 б.й Генерирование СВЧ полупроводниковыми приборами Кснминлгаг емимюери ил!инсииленый ей с лринесаги мили Рнс.
а. Гребенчатый СВЧ мощный транзистор. (Длина транзнстора ! мм). Выходная мощность СВЧ транзистора может быть увеличена путем увеличении его размеров. Предельно возможный размер определнется входным сопротивлением. Как видно из рис. 3, чем больше количество взаимосвязанных транзисторных элементов, тем меньше входное и выходное сопротивления, На рисунке представлена зависимость средней выходной мощности н модуля входного сопротивления от площади транзистора. Максимальный размер и, следовательно, максимальная выходная мощность транзистора определнются возможностью согласования низких сопротивлений. Транзисторные генераторы с умножением частоты.
С помощью эффективного метода генерирования гармоник может быть значительно расширен диапазон частот и мощностей твердотельных приборов, что позволяет получить большую мощность на частотах, превышающих предельную частоту генератора. В течение длительного времени изучалась возмо>к- 171 Только посла разработки тех. йнияглгер с лринеснни нологии изготовления планарных р-мили транзисторов была получена на Кснлгинтоы частоте 1 ГГц мощность, превысив- Ешы шая !00 мВт. Структура СВЧ пла- 'с лринесями парного транзистора покаазна на ' ' ""„...: л-ягела рис.
1, На сильно легированную лзяилилижмЖ, кремниевую подложку с высокой удельной проводимостью нанесен сл не столь сильно легированный сл слой кремния с более высоким р удельным сопротивлением. В этом сусйлслгни слое методом диффузии образова- л лринесгнср лгилгс ны базовая и эмитерная области Ки лгиюпниллетлири в нанесены выводные контакты, 7!ля увеличения рабочей ча- Рнс. г. структура свч нланарного транстоты расстояние между эмитте- знстора. ром и базой, а также их толгцнна должны быть уменьшены подобно тому, как в электровакуумиых лампах уменьшены шаг сетки и расстояние между сеткой и катодом. Однако для увеличения рабочей мощности необходима большая поверхность эмиттера, базы и коллектора.
Поэтому структура СВЧ транзисторов всегда является периодической. На рис. 2 показана гребенчатая (встречно-штыревая] структура СВЧ транзистора. Благодаря малой паразитной емкости такая структура выгоднее на более высоких частотах. В диапазоне дециметровых волн получены хорошие параметры прибора с многоэмиттерной структурой, в которой большое количество небольших транзисторов соелинялось металлической пленкой определенной конфигурации. Гл 5 Радиолокационно!э станции на тяердогельных приборах ф Ю ф г ъ ' ч 4 1йРа ность использования нелиней„аэ„ ного реактивного сопротивле- Б зэх !г Э ,,э ээО ния для эффективного умножения частоты, однако только после создания полупроноднико- 1 1,1аГГ ваго р — п.перехода почти без в потерь генерирование гармоник в СВЧ диапазоне оназалось возможным.
Независимо от состояния развития полупроводников сочезание транзисторного генератора с умножителем частоты 1а 1РР на варакзоре чожет обеспечить Фаатасэ, га. лгалэг во всем диапазоне частот бо- лее высокую мо!цность, чем 'эвс. 3. Зависимость ввоввого соввотвввсввв сам транзистор Это с очевид. в вмвоявов можвоств от ввосивхв снч гэвв костью вытекает из того обввстоэв (! ва мвв=ачз мвм'). стоятельства, что выходная ыогцность транзистора уменьшается на высоких частотах пропорционально !/гз, т. е, яа 6 дБ на октаву, а снижение мощности высококачественного умножителя на вэракторе в СВЧ диапазоне обычно меньше, чем коэффициент умножения частоты, и, следовательно, при удвоении частоты не преаытаает 3 дБ. В первых умножителях на варакторах была использована зависимость емкости перехода от приложенного напряжения, обычно свойственная обратно смещенным р — и-переходам.
В пропессе первых исследований было обнаружено, что некогорые использованные в умножнтелях типы варакторов (преимущественно кремниевые диффузионные] обладают меньшими потерями и большими энергетическими возможностями, чем зто можно было оисидать в соответствии с их добротностью и напряжением пробоя. Было найдено, что такое улучшение параметров обусловлено длительным временем рекомбинации кремниевого диффузионного р — п-перехода.
Благодаря этому в течение тех интервалов времени подачи высокочастотной энергии, когда полупроводниковый переход смещен в прямом направлении, выпрямление отсутствует. В тех случаях, когда для умножения частоты используется зарядная емкость в области прямого смещения, использование изменения емкости при напряжении обратного смешения не является ни необходимым, ни желательным. Это привело к созданию разновидности более раннего классического типа варактора — варактора с резким или ступенчатым восстановле.
пнем. Высокочастотным умножителям на варвкторах присущи определенные предельные значения н. п, д. и энергетических возможностей. Однако вскоре было найдено, что простым последовательным соединением нескольких высококачественных варакторов можно создать со~ганной варактор, значения параметров которого значительно превышают теоретически достижимые для одиночного варактора. Поэтому не существует принципиальных причин, которые ограничивали бы энергетические возможности умножителей частоты на варанторах. Генераторы на основе объемного эффекта. Кроме СВЧ транзисторных генераторов и транзисторных генераторов с умножителями частоты, существует класс полупроводниковых двухполюсников, работающих в качестве генераторов или усилителей с отрицательным сопротивлением и обладающих большими энергетическими возможностями в СВЧ диапазоне.
Это приборы на основе объемного эффекта. К ним относятся лавинные генераторы и усилители [!], генераторы Ганна [3] н генераторы, работающие в режиме ограяичснного накопления объемного заряда [2]. Работа этих приборов в режи!72 3.1. Генерирование СВЧ полупроводниковыми араборамп ме отрицательного сопротивления аналогична работе туннельных диодов, но с более высоким уровнем мощности. Работа устройства с отрицательным сопротивлением может быть пояснена на примере линии передачи с волновым сопротивлением Ле, нагруженной на активное сопротивление )г, меньшее Яе.
Коэффициент стоячей волны по напряжению определяется выражением Кев = 3«/)(е л коэффициент отражения — выражением 3« — Ь' г,+г Коэффициент потерь на отражение (или усиление) соответственно равен и определяется как отношение отраженной мощности к падающей. Если )с н 3» равны, отражение отсутствует. При уменьшении )г отраженная мощность увеличивается и при )г=О ноэффициент потерь при отражении равен единице (О дБ). Рассмотрим случай, когда вещественная часть комплексного сопротивления нагрузки является отрицательной величиной. Согласно уравнению для потерь иа отражение, сохраняющему свою силу и в этом случае, отраженная от иагруаки мощность окажется больше падающей мощности. Таким образом, устройство с отрицательным сопротивлением является в этом случае усилителем.
Именно так работают туннельные диоды и некоторые типы параметрических усилителей. Когда отрицательное сопротивление становится равным волновому сопротивлению линии передачи, усиление оказывается бесконечно большим. Это означает, что устройство с отрицательным сопротивлением начинает работать как генератор с самовозбуждением, частота «оторого определяется внешними цепями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
