Кручинін І. В., Орлов О. С., Шипунова Н. В. ЗАТ НВП «Салют-25» ул.Ларіна, 7, Н. Новгород 603107, Росія Тел. / Факс: (8312) 662267

Анотація Розглянуто види твердотільних самоврядних пристроїв на напівпровідникових діодах. Визначено функціональні характеристики і технічні можливості квазіактівних обмежувачів потужності

– Захисних пристроїв (ЗУ) на напівпровідникових діодах в сантиметровому діапазоні довжин хвиль. Наведено відомості за параметрами розробленої схеми ЗУ з каскадним включенням діодів.

I. Вступ. Загальні відомості

Нелінійні пристрої, призначені для обмеження НВЧ потужності на виході, займають особливе місце серед функціональних пристроїв: вимикачів, атенюаторів, отримали найменування самоврядних твердотільних пристроїв [1].

Відомо, що газорозрядні або ферритові захисні пристрої, що широко застосовуються в приймачах РЛС, не відповідають технічним і експлуатаційним вимогам при їх використанні в малогабаритній апаратурі.

Твердотільне пристрій, включене на вході малошумні підсилювача ЗУ, повинно забезпечувати мінімальні спотворення і втрати в прийнятому слабкому сигналі і глибоке замикання в режимі великих вхідних сигналів, випадкових або навмисно створених. Коефіцієнт передачі такого нелінійного пристрою с1Рвих./с1Рвх. змінюється згідно вихідним характеристикам, показаним на рис. 1.

Рис.1. Вихідні характеристики самоврядних пристроїв:

а) плавно-монотонна, б) кусково-ламана,

в) N-образного типу

Fig. 1. Output characteristics of self-controlled devices:

a)  smooth-monotonous;

6) chain; в) N-type

Енергія імпульсу НВЧ потужності, просочується на вхід МШУ, спайка (spike), залежить не тільки від швидкості перемикання ЗУ, тобто часу наростання спайка на виході ЗУ, але також і від амплітуди цього сигналу. У зв’язку з цим найкращим представляються пристрої з N образними характеристиками. Однак для пристроїв з високою швидкодією стабілізаційного типу вид вхідний характеристики не має істотного значення.

II. Схеми самоврядних захисних пристроїв на напівпровідникових діодах

Пристрої з N-образними характеристиками можуть реалізовуватися на основі найпростіших схем з рп і тонкобазовимі pin діодами [1], на одноперехідного транзисторах або за допомогою спеціальних мікросхем.

Рис. 2. Схема квазіактівного пристрої, обмежувача потужності з відгалужувачі.

1-приймач, 2-відгалужувач (дільник потужності), 3-схема перетворення або запуску,

D1-керуючий діод, D2-demeKmop, (випрямляч)

Fig. 2. Electric circuit of quasi-active device, power limiter with coupler.

1-receiver, 2-coupler (power divider), 3-translation circuit, D1-control diode, D2-detector (rectifier)

Показана на рис.2 схема перетворення або запуску 3 виключається в разі квазіактівного обмежувача, де основну функцію захисту входу приймача виконує керуючий діод D1 з товстою базою, на який надходить струм, випрямлений діодом D2. На основі розробленої моделі та комп’ютерного аналізу [2] проведена оптимізація параметрів і режимів пристрою, зокрема, в залежності від електричної довжини L.

Недоліки схеми з відгалужувачі щодо вузька смуга частот, невисока швидкодія схеми, визначається часом перемикання діода з товстою базою, велика інтенсивність імпульсу просочується потужності.

У розглянутій схемі (ріс.З) має місце каскадне включення декількох діодів різного типу.

Pin-діоди з товстою базою стоять на вході пристрою і розсіюють основну частину потужності в режимі замикання в цілях захисту вхідних ланцюгів приймача. Показано, що в каскадної схемою найбільша частина потужності припадає на перші діоди [1], причому її значення може трохи перевершувати значення падаючої потужності у відсутності подальших діодів. Швидкодія каскадної схеми визначається переважно діодами D2 і D3, причому параметри діода D3 вибирається як проміжні між параметрами D1 і D2.

Рис. 3. Схема квазіактівного пристрої каскадного типу. 1-приймач, 2-схема корекції, D1, D2, D3 керуючі діоди

Fig. 3. Electric circuit of quasiactive device of stage type 1-receiver, 2-correction circuit, D1, D2, D3 control diodes

Для зменшення часу спаду (відновлення) імпульсу застосована спеціальна RC схема на діодах, що забезпечує швидке розсмоктування заряду, накопиченого діодами під час імпульсу. Особливе значення має структура схеми включення діодів на вході ЗУ, яка розрахована на замикання понад 20дБ і розсіювання (відображення) максимальної потужності.

Конкретні параметри пристрою:

-Втрати

~ 0,4 дБ

-Діапазон довжин хвиль

~ 10см

-Потужність в імпульсі

при шпаруватості 20

~ 450Вт

-Час встановлення

-0,1 Мкс

-Тривалість імпульсу

150мкс

-Час спаду при наявності

коректує ланцюжка

2-Змкс

Наведені результати дозволили

створити мо-

дуль сантиметрового діапазону довжин хвиль в складі: ЗУ, малошумливий підсилювач (МШУ), фазовий коректор.

Основні параметри модуля:

Робочий діапазон частот, ГГц 2,7-3,2

Нерівномірність коефіцієнта посилення по потужності, дБ 1,4

Коефіцієнт шуму, дБ 3,5

Коефіцієнт стоячої хвилі входу / виходу модуля, од 2,0

до зразка, град ± 20

Неідентичність ФЧХ від зразка до зразка, град ± 20

Загасання з входу модуля в режимі захисту, дБ 40

Верхня межа лінійності амплітудної характеристики по входу, Вт 10 ‘4

Час відновлення коефіцієнта посилення після впливу імпульсної потужності, мкс 12,0

Допустима вхідна імпульсна потужність при шпаруватості 20 і тривалості імпульсу 150 мкс, Вт 450

Напруга живлення, В 12,0

Габаритні розміри, мм 121x45x30

III. Висновок

Результати розрахунку та експериментального дослідження показують, що запропонована схема каскадного включення діодів в комплексі з коригуючими ланцюгами за сукупністю електричних параметрів: швидкодією, розсіюваною потужності, внесеним втрат, може бути рекомендована при розробці як вузькосмугових, так і широкосмугових захисних пристроїв.

IV. Література

1. Орлов О. С. та ін Самокеровані напівпровідникові пристрої діапазону СВЧ. Мікроелектроніка і напівпровідникові прилади. 1979 р., вип. 4, с. 262-275.

2. І. В. Лебедєв, М. В. Семенча. Квазіактівний захисний обмежувач НВЧ потужності. Радіотехніка, 2001 р.,

№ 2, с.75-83.

SOLID-STATE DEVICES FOR MICROWAVE POWER LIMITATION

Kruchinin I. V., Orlov O. S., Shipunova N. V.

Salut-25

Larina 7, N. Novgorod, 603107, Russia tei./fax. (8312) 66-22-67

Some kinds of solid-state devices are considered. Functional parameters and technology features are determined. In our opinion, this circuit and package have some advantage in respect to a coupler protector circuit.

СВЕРХМАЛОШУМЯЩІЙ ПРИЙМАЧ із змішувачем НА діодів з бар’єром Шоттки ДІАПАЗОНУ ЧАСТОТ 85-115 ГГц

В. М. Шульга, В. І. Подьячий, А. М. Корольов, В. В. Мишенко, А. В. Мишенко Радіоастрономічний інститут НАН України 61002, Україна, м. Харків, вул. Червонопрапорна, 4 E-mail: shulga@rian.kharkov.ua, тел: (0572)-448-591

Анотація У роботі описаний сверхмалошумящій приймач Змм діапазону зі змішувачем на діоді з бар’єром Шоттки (ДБШ). Значення шумової температури приймальної системи, виміряні в двосмуговому (DSB) режимі при кімнатній температурі і охолодженні до -40 С і 20 К складають 245 К, 180 К і 55 К відповідно. Ці значення є рекордними в даний час для приймачів Змм діапазону зі змішувачами на ДБШ.

I. Вступ

В даний час найбільшу чутливість в мм і субмм діапазонах довжин хвиль забезпечують супергетеродинні приймачі зі змішувачами на SIS-елементах (надпровідник-ізоляторсверхпроводнік). Але такі приймачі працездатні тільки при глибокому охолодженні (Т <5 К), що вимагає введення до їх складу громіздких дорогих систем охолодження. Останнє зумовило застосування SIS-приймачів тільки в радіоастрономії в складі великих радіотелескопів. У свою чергу приймачі зі змішувачами на ДБШ працездатні в широкому інтервалі температур (від кімнатних до кріогенних) з істотним поліпшенням своїх шумових характеристик при охолодженні. Цим пояснюється їх широке застосування в різних областях науки і техніки, включаючи і радіоастрономію, де використовуються криогенні варіанти таких систем. Якщо врахувати, що на частотах вище 1ТГц приймачі зі змішувачами на ДБШ є єдиними прийомними системами в даний час, то актуальність підвищення їх чутливості не викликає сумнівів. Тим більше що ні в одному діапазоні довжин хвиль поки не реалізовані граничні характеристики використовуваних в таких приймачах напівпровідникових діодів і транзисторів.

В даній роботі описаний приймач зі змішувачем на ДБШ діапазону частот 85-115 ГГц з рекордною чутливістю, реалізованої при кімнатній температурі, -40 С і 20 К і показано, за рахунок чого були отримані такі результати.

II. Основна частина

Критично важливим елементом, в основному визначальним шумові характеристики приймача, є змішувач. Детальний опис розроблених нами раніше змішувачів Змм діапазону представлено в [1, 2]. У даній роботі з метою просування до більш високих частотах (> 110 ГГц) була використана конструкція змішувача з частковим зниженням висоти робочого хвилеводу (в 2 рази). Це дозволило реалізувати смугу робочих частот приймача практично не поступається широко використовуваним у світовій практиці конструкцій змішувачів з висотою хвилеводу, зниженою в 4 рази [3]. При цьому наш змішувач більш простий у виготовленні і володіє меншим загасанням у вхідному ланцюзі і на короткозамикающем поршні. Інша важлива відмінність розробленого змішувача використання в його складі ДБШ з високим значенням критичної частоти (ємність бар’єру діода З = 10 fF, послідовне опір rs= 4Q, критична частота 1/2лСоГ5= 4ТГц). Це дозволило, оптимізувавши відповідним чином електродинамічну систему змішувача і вузла сполучення з ППЧ, реалізувати дуже низькі втрати перетворення змішувача (втрати в DSB режимі власне на нелінійному елементі, включаючи паразитні втрати, не перевищують 1,5 дБ). Високе значення критичної частоти використовуються ДБШ реалізовано за рахунок низького значення їх послідовного опору. Це досягнуто не в останню чергу за рахунок високої концентрації носіїв в епітаксиальні шарі ДБШ (2 * 1017см ‘3). До цих пір існує широко поширена думка, що ефективність роботи таких діодів при криогенному охолодженні дуже низька через високий рівень їх власних шумів при кріогенних температурах [3]. Проте, проведені нами експерименти по глибокому охолодженню (до 20 К) розробленого приймача зі змішувачем на високодобротних ДБШ показали, що виграш по втратах перетворення, отриманий в такому змішувачі, істотно компенсує програш за власними шумів діода. Це дозволило нам в кінцевому підсумку отримати досить низьку шумову температуру приймача Змм діапазону при 20 К.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.