Воторопін С. Д. *, Носков В. Я. **

* ВАТ «НІІПП», м. Томськ, Росія e-mail: votoropin@mail.tomsknet.ru ** ГПУ ‘м. Єкатеринбург, Росія

Анотація. Представлені результати теоретичних досліджень автодінного ГІС КВЧ, що використовує в якості активного елементу багатофункціональний кристал з N мезапланарнимі структурами. Розглянуто безперервний режим роботи ГІС як багатоелементної автодінного системи при полігармонічного генерації, що знаходиться під впливом власного відбитого випромінювання на кожній з гармонік. Отримано основні співвідношення для аналізу автодинного відгуку. Зроблено висновки загального характеру щодо особливостей автоколивань таких автодінного, що дозволяють поліпшити характеристики і розширити функціональні можливості автодінного систем ближньої радіолокації.

I. Вступ

Системи ближньої радіолокації, побудовані по автодінного принципом, мають найпростішу конструкцію приемопередающего модуля, який містить лише антену і автогенератор (власне автодінного), що поєднує в собі одночасно функції передавача і приймача. Не дивлячись на простоту конструкції цих модулів, вони забезпечують можливість вирішувати значне коло завдань і тому знаходять саме широке застосування [1]. Тенденції подальшого вдосконалення автодінного систем в останні роки пов’язані, перш за все, з освоєнням діапазону КВЧ і створенням гібридних інтегральних схем (ГІС) цього діапазону [2]. До теперішнього часу накопичений досить багатий досвід розробки та широкого використання автодінного ГІС КВЧ на планарних лініях передачі, виконаних із застосуванням різних типів активних елементів як в корпусному, так і бескорпус-ном виконанні. Створені ГІС КВЧ для автодінного систем на базі слабкострумових діодів Ганна мають невелику масу і економічні при досить високій чутливості [1-3]. Можливості автодінного систем особливо ефективно реалізуються на основі сучасних безкорпусних багатоелементних активних елементів, які використовують структури GaAs з міждолинним переносом електронів [4 – 8]. У зв’язку з цим представляється перспективним дослідження автодінного характеристик генераторів КВЧ виконаних на основі нової структури активного елементу ГІС, що представляє собою мезапланарний багатофункціональний кристал Ганна з малим споживанням струму по ланцюгу харчування, включеного в резонансний відрізок копланарной Полоскова лінії передачі.

II. Основна частина

Гібридне-інтегральні схеми вкрай високочастотного діапазону довжин хвиль (ГІС КВЧ) складаються з трьох конструктивних вузлів: кристала, діелектричної підкладки з топологією і підстави-відводу тепла. Очевидно, найбільш важливим вузлом, що визначає параметри пристрою, є кристал, який в даному випадку тут може містити кілька мезапланарних діодних структур на ефекті Ганна. Мезапланарние Ганнов-ські структури (МПГС) сформовані на поверхні епітаксіальної плівки GaAs і призначені для включення в резонатори КВЧ на планарних полоськових лініях передачі. При цьому анодний і катодний електроди діодним структури можуть відрізнятися площею контактів і конфігурацією. В результаті проведених досліджень оптимізовані форма МПГС (за рахунок взаємного розташування катодного і анодного електродів) і співвідношення їх площ з точки зору використання площі кристала. Крім того, мінімізована споживана потужність по ланцюгу харчування та досліджені різні варіанти взаємозв’язку активної області МПГС з полем КВЧ резонатора [1]. Основні результати цих досліджень зводяться до наступного. Конструкція кристала найпростішого діода Ганна з двох мезовой структурою наведена на рис.1, де 1 – катодний висновок діода, 2-анодний висновок, 3-5 – омічний, буферний та активний шари, 6 – кристал GaAs, 7 – резонансний відрізок щілинної Полоскова лінії передачі. Контакт 2 більшої площі вб має форму рівнобедреного трикутника з катетами, паралельними сторонам квадрата кристала. Значна різниця в площах мезаструктур забезпечує при подачі напруги живлення таку щільність струму в мезаструктур 1, що має менший перетин, що вона стає активною і формує домени сильного поля. Мезаструктур

1 більшого перерізу є пасивною, має значно більшу провідність і фактично включена послідовно з активною мезой як з харчування, так і по відношенню до коливальної системи. Як показали проведені дослідження, стійка генерація коливань

Fig. 2

При створенні монолітних і гібрідномонолітних автодінного генераторів на планарних лініях передач використовується також 3-мезовий напівпровідниковий чіп [6], конструкція якого представлена ​​на ріс.З. Цифрами позначено: 1-3 – провідники топології резонансної системи розташовані на підкладці 4, 5 – трехмезовий кристал GaAs, 6, 7 – щілинні лінії, що утворюють копланар-ную лінію передачі, 8 – центральний смужок ко-планарной лінії передачі, 9 – підкладка АГЕТ ар-сеніда галію, 10, 11 – активні області, 12 – шлейфи, 13 – вихідний відрізок лінії передачі. Дана конструкція кристала може використовуватися в якості генераторних і керуючих елементів автодінного. Кристал монтується безпосередньо на діелектричну підкладку, центральної ме-зою на смужок копланарной лінії методом пайки. При створенні напівпровідникового кристала і пасивної частини (топології ГІС) датчика застосовуються добре відомі, освоєні технологічні операції вакуумного напилення металів, хімічного і плазмового травлення металів і GaAs, електрохімічного осадження Аі, окислення GaAs. Катодами мезапланарних діодних структур є безпосередньо майданчика самих мез, на яких також сформовані омические контакти з евтектичного сплаву AuGe. Кристали з Ганнівської ме-запланарнимі структурами в обох випадках монтуються безпосередньо на металеві провідники плати ГІС методом зворотного монтажу,

У доповіді проведено виведення основних рівнянь для автодінного ГІС як в одночастотної, так многочастотном режимах. Відзначається що для автодінного змін частоти Дін є, як і у випадку одночастотної генерації [14], трансцендентними. Внаслідок цього багатоелементних полігармоніче-ським автодінного також властиво спотворення синусоїдальної форми автодинного сигналу навіть при слабких відбитих впливах, однак ступінь цих спотворень, що залежить від величини коефіцієнтів системи (10), кутів фазового зсуву і часу запізнювання, в даному випадку може бути отримана істотно менше завдяки ефекту взаємної синхронізації.

В роботі [14] показано, що пов’язані між собою зміни автосмещение і параметрів автоколивань (потужності, амплітуди і частоти генерації) одночастотних автодінного мають відносні фазові зрушення, які відсутні лише у ідеалізованого ізохронного генератора. Однак у випадку багатоелементного полігармонічного ав-Тодина в припущенні ізохронний парціальних генераторів відносні фазові зміщення не зникають. Фазові кути зміщення ф ™ і О відсутні лише в режимі асинхронних коливань ізохронних не пов’язаних парціальних генераторів.

Однорідна частина системи рівнянь (10) [13, 19] дозволяє для конкретного випадку провести дослідження стійкості автономного багатоелементного генератора, яке зводиться до аналізу знаків речовій частини коренів характеристичного рівняння ([S] – р [I]) = 0, де [I] – одинична матриця [19]. У разі великих N отримується характеристичне рівняння зручно аналізувати за допомогою критерію Рауса-Гурвіца. При наявності комплексносопряженних коренів виду Pi = Oi + jvi, у яких виконується нерівність Oi <0, автодінного система має частотно-залежні функції передачі автодинного сигналу з характерними піками в околиці власних частот Vi. Перехідні процеси в таких системах, як це спостерігалося у одночастотних автодінного СВЧ генераторів [16], супроводжуються релаксаційними коливаннями.

Вирази (11) – (14) [19] дозволяють уточнити умови малості збурень стаціонарного стану багатоелементного полігармонічного автодом-ну, викликаних впливом відбитого випромінювання. При таких умовах амплітудні значення відносних відгуків парціальних генераторів повинні задовольняти нерівностям: rnLni «1, rnKni«1 і rnHni «тт / 2. Звідси випливають відповідні вимоги до величини коефіцієнта відбиття Гп, При якому відбитий сигнал можна вважати досить слабким. У випадках, коли ці нерівності не виконуються, система лінеаризованих рівнянь (10) некоректна і дослідження процесів в авто-Діні повинно проводитися з урахуванням нелінійності коефіцієнтів матриці [S],

З отриманих загальних співвідношень [19] для багатоелементного полігармонічного автодінного слідують основні вирази для аналізу ряду окремих випадків. Так, при зміні початкових умов сформульованої тут завдання аналізу легко отримати основні рівняння у формі (10) як для одночастотних автодінного з урахуванням ланцюга автосмещение [10] і без неї [16], так і для випадку бігармоні-чеського [17] і многочастотного [9] автодінного; при п =

2 маємо систему рівнянь, що описує поведінку двоелементною автодінного в режимі синхронізації одночастотних коливань.

III. Висновок

Таким чином, в результаті проведених досліджень ГІС КВЧ, що використовують як активного елементу багатофункціональний кристал з N мезапланарнимі структурами, отримані досить загальні для аналізу багатоелементних багаточастотних автодінного співвідношення, узагальнюючі результати попередніх досліджень автодінного на основі дискретних активних елементів. Аналіз цих співвідношень показує, що автодінного на основі багатоелементних полігармонічного генераторів в порівнянні з широко відомими з одночастотними і одноелементні автодінамі мають ряд принципово відмінних властивостей, які дозволяють значно розширити функціональні можливості та поліпшити характеристики автодінного систем ближньої радіолокації в реалізації нових способів виявлення, ідентифікації та вимірювання параметрів руху відображають об’єктів [18].

IV. Список літератури

1. Воторопін С. Д., Носков В. Я. приемопередающие модулі на слабкострумових діодах Ганна для автодінного систем / / Електронна техніка, сер. СВЧ-техніка. – 1993. – Вип. 4 (458). – С. 70-72.

2. Воторопін С. Д., Носков В. Я. та ін автодінного-ні СВЧ-датчики для безконтактних вимірювань і контролю / / Ш-я Кримська конференція «СВЧ-техніка і супутникові телекомунікаційні технології». Матеріали конференції. – Севасто-поль. – 1992. – С.159-164.

3. Воторопін С. Д., Юрченко В. І. автодінного на діодах Ганна та пристрої на їх основі / / Електронна промисловість. – 1998. – Вип. 1 -2. – С. 110-115.

4. Воторопін С. Д., Юрченко В. І. автодінного мікрохвильові датчики на малопотужних діодах Ганна / / Vlll-я Міжнародна конференція «Датчик-96». Збірник доповідей. – Гурзуф: – 1996. – С. 61-62.

5. Воторопін С. Д. Гібридне-інтегральні схеми КВЧ на діодах Ганна / / V-а Міжнародна конференція АПЕП-2000. Збірник доповідей. – Новосибірськ. – 26 –

28 вересня 2000. – С. 114-116.

6. Патент РФ № 2064718, МКИ Н01 L 47/02. Діод Ганна /

С. Д. Воторопін, В. І. Юрченко, А. М. Кожем’якін (РФ). – 5046020/25; Заявлено 04.06.92; зареєструва. 27.07.96., Б. І.

№ 21.-3.: іл.З.

7. Воторопін С. Д., Носков В. Я. та ін автодінного ГІС КВЧ на діодах Ганна / / Vlll-я НТК «Теорія і техніка радіови-сотометріі і радіометрії». Матеріали конференції. – Каменськ-Уральський: УКТБ «Деталь». – Вересень 1988

8. Воторопін С. Д. Радіохвильові автодінного датчики на щілинних і копланарних лініях передачі / / VI-та Міжнародна науково-практична конференція «Сучасні техніка і технології» СТТ’2000. Збірник доповідей.

– Томськ. – Лютий-березень 2000. – С.164-165.

9. Носков В. Я. автодінного ефект в багаточастотних автогенераторах / / изв. Вузів. Радіофізика. – 1992. -Т.35. –

№ 9-10,-С. 778-7789.

10. Носков В. Я. Аналіз автодинного ефекту в СВЧ генераторах з ланцюгом зміщення першого порядку / / Електронна техніка. Сер. СВЧ-техніка. – 1992. – № 6. – С.24-30.

11. Двірників С. А., Уткін Г. М. Фазовані автогенератори радіопередавальних пристроїв. – М.: Енергія, 1980. – 176 с., Ил.

12. Малахов А. Н. Флуктуації в автоколивальних системах. – М.: Наука, 1968. – 660с.

13. Ланда П. С. Автоколивання в системах з кінцевим числом ступенів свободи. – М.: Наука, 1980. – 360 с.

14. Туманов Б. Н., Бузикін В. Т. Особливості автоколивань в автодінного генераторах НВЧ / / Електронна техніка. Сер. Електроніка НВЧ. – 1983. – Вип. 2. (350). – С.3-9.

15. Резонанс релаксаційних коливань в автодінного генераторах / Е. М. Гершензон, В. М. Калигін

Б. І. Левит, Б. Н. Туманов / / Радіофізика. -1981. – № 8.

– С.1028-1034 (Ізв. вищ. навч. закладів).

16. Загальні характеристики і особливості автодинного ефекту в автогенераторах / Е. М. Гершензон,

Б. Н. Туманов, В. Т. Бузикін та ін / / Радіотехніка та електроніка. – 1982. – № 1. – С.104-112.

17. Носков В. Я. Особливості автоколивань бігармоніче-ського автодінного при впливі відбитого випромінювання / / Радіоелектроніка. -1991. – № 10. – С.44-50. (Ізв. Висш. Навч. Закладів).

18. Воторопін С. Д., Носков В. Я. Сигнали автодінного КВЧ діапазону довжин хвиль при контролі параметрів рухомих об’єктів / / Изв. ВНЗ. – Томськ. – 2000 вип. 7. –

С. 54-60.

19. С. Д. Воторопін, В. Я. Носков. Узагальнена модель і основні рівняння автодінного ГІС КВЧ на основі мезапланарних Ганнівської структур. Изв. Вузів. Фізика.

– Томськ – 2001 вип. 12. – С. 23-30.

AUTODYNE UHF GEOINFORMATION SYSTEM ON THE BASE OF PLANAR GUNN DIODES

Votoropin S. D.*, Noskov V. Ya.**

*Public corporation «SRISD»

Tomsk, Russia e-mail: votoropin@mail. tomsknet.ru **STTU Yekaterinburg, Russia

Presented in this paper are the results of theoretic research of autodyne UHF geoinformation system (GIS), using multifunction crystal with N mesaplanar structures as an active element. We considered continuous mode of GIS operation at polyharmonic generation, with GIS being radiated by its native reflected radiation at each harmonic. We received the basic ratios for autodyne response analysis. The conclusion has been made regarding peculiarities of self-oscillations of such autodynes.

Further improvement of autodyne systems is concerned mainly with introduction of UHF band and creation of hybrid ICs for this band [2]. Now a great experience is accumulated in the field of design and wide use of autodyne GIS on planar transmission lines, executed using different types of active elements. The recently created UHF GIS for autodyne systems on the base of feeble current Gunn diodes have low mass and are efficient at rather high sensitivity [1 -3]. Possibilities of autodyne systems are efficiently realized on the base of advanced unpackaged active elements, using GaAs structures [4-8]. Due to this fact it seems prospective to investigate autodyne characteristics of UHF oscillators, created on the base of fundamentally new structure of GIS active element. This is multifunction Gunn diode with low current drain in feed network, which is incorporated into resonant section of coplanar microstrip transmission line.

From the ratios obtained [19] for multielement polyharmonic autodyne the basic expressions follow for analysis of a number of special cases. Thus, at changing of initial conditions of analysis problem, it is easy to get the basic expressions in the form of (10), as for single-frequency autodynes taking into consideration self-bias circuit (10) and without it (16), as for biharmonic (17) and multi-frequency autodynes. For n = 2 we have equations set, which describes response of two-element autodyne in the mode of synchronization of single-frequency oscillations.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»