Карушкін Н Ф, Касаткін Л В Державне підприємство Науково-дослідний інститут «Оріон» вул Е Потьє 8а, м Київ, 03057, Україна Факс: +38 (044) 456-52-91, тел: 456-60-71, e-mail: ndiorion@tsuanet

Анотація – Наведено шляхи побудови імпульсних ГЛПД в автономному та синхронному режимах з високою стабільністю СВЧ-параметрів з широкою смугою робочих частот в інтервалі робочих температур, з високими рівнями імпульсної потужності в міліметровому діапазоні хвиль (ММДВ) на основі підсумовування потужностей діодів в єдиній ВЧ-системі Спільне застосування «каскадного підсумовування» і підсумовування потужностей ЛПД в кожному каскаді дозволяє створити потужні когерентні джерела з рівнем імпульсної потужності понад 100 Вт в 8-мм діапазоні хвиль

I                                       Введення

Імпульсні джерела потужності на ЛПД в міліметровому діапазоні хвиль в короткоімпульсних режимі є найбільш потужними напівпровідниковими приладами в даний час

Основними особливостями роботи потужних імпульсних джерел міліметрового діапазону хвиль є: високі рівні імпульсного струму живлення діода, при яких власна частота ЛПД – частота лавинного резонансу Ωπρ-наближається до області робочих частот ω, значні втрати в ВЧ-ланцюгах Власна частота діода істотно залежить від температури напівпровідника, що призводить до нестабільності параметрів вихідного сигналу від робочих температур

Розробки потужних імпульсних джерел міліметрового діапазону хвиль на ЛПД, виконані в ДП НДІ «Оріон», визначили технічні рішення з вибору параметрів напівпровідникових структур діодів, їх корпусів, конструкцій високочастотних систем, вибору режимів електричного живлення та шляхів стабілізації високочастотних параметрів в інтервалі температур навколишнього середовища і в межах тривалості імпульсу струму харчування Застосування цих рішень дозволило створити широкосмугові джерела потужності в режимах автоколебаний і зовнішньої синхронізації з рівнями вихідний імпульсної потужності десятки Ватт в діапазоні частот 30-40 ГГц, до 10 Ватт в діапазоні 90 – 100 ГГц при використанні однодіодних вихідних каскадів Автогенератори 8-мм діапазону з вихідною імпульсною потужністю понад 20 Вт характеризуються нестабільністю частоти, що не перевищує

5 МГц, в межах тривалості імпульсу і в інтервалі робочих температур -50 .. +50 ° С, Синхронізовані джерела потужності з вхідним частотно стабілізованою генератором, виконаний-ні на основі послідовно вкпюченних за допомогою феритових циркуляторов однодіодних каскадів на ЛПД, характеризуються рівнем вихідної потужності десятки Ватт, смугою частот синхронної роботи понад (13-15)%, нестабільністю фази вихідного сигналу в переділах тривалості імпульсу і в інтервалі робочих температур -50 .. +50 С не перевищує 10-15 ° Досягнення рівнів імпульсної потужності, понад 100 Вт в ММДВ реалізується підсумовуванням потужностей ЛПД

У цій доповіді викладаються основні рішення, що забезпечують високі енергетичні, діапазонні та спектральні характеристики потужних імпульсних джерел міліметрового діапазону хвиль

II Параметри і характеристики ЛПД

Визначення параметрів і характеристик напівпровідникових структур, конструкції діода і його корпусу базується на наступних рішеннях, обгрунтованих теоретично і розробками конкретних приладів:

а) Оптимальний профіль легування напівпровідникової структури, при якому досяжний рівень імпульсної потужності максимальний, визначається в результаті чисельного інтегрування системи рівнянь, визначальних фізичні процеси в напівпровіднику

У проведених розробках імпульсних джерел потужності ММДВ застосовані кремнієві двопрольотні ЛПД із структурою ρ · -ρ-η-η ·.

б) Геометрія діода, насамперед діаметр dp р-п-переходу визначається залежно від параметрів імпульсного режиму – скважности Q, тривалості імпульсу Ті та величини опору розтікання діода Rs [1] Так, в 8 мм діапазоні, при збільшенні Q в межах 10-200, τ = 0,3 мкс, Rs = 0,6 Ом оптимальна величина dp зростає від 120 до 200 мкм при максимальній температурі нагріву кристала 0тах = 2ОО ° С Зменшення τ і Rs також призводить до збільшення dp. Для зменшення Rs товщина підкладки структури виконується мінімальний h < (5-10) мкм.

в) Параметри корпусу ЛПД у всіх імпульсних джерелах в діапазоні 30-100 ГГц визначаються з умови резонансної трансформації імпедансу структури Таке рішення в режимі сильного сигналу забезпечує узгодження імпедансів діода і навантаження при зниженні втрат у високочастотних ланцюгах Це рішення реалізується застосуванням монтажних елементів корпусу (ємності втулки З «й індуктивності контактної пластинки U) при побудові корпусу з резонансною трансформацією імпедансу

III Забезпечення сталості СВЧ параметрів в інтервалі температур навколишнього середовища

Стабілізація СВЧ-параметрів в інтервалі температур вимагає, насамперед стабілізації импедансов діода Широко застосовуваним рішенням є термостатирование корпусу генератора або його вузлів Це рішення, однак, значно збільшує споживану потужність і непридатний-мо при швидких змінах температури Можлива токовая компенсація температурних змін імпедансу діода У відповідності з цим методом необхідне збільшення струму живлення діода при збільшенні температури і навпаки [1] При зниженні температури і

відповідному змен-шення струму живлення, однак, значно знижується потужність НВЧ сигналу Повна компенсація температурних змін імпедансу неможлива Ступінь компенсації знижується в області низьких температур

У розробках НДІ «Оріон» застосовується термостабилизация р-п-переходу діода Це рішення засноване на введенні додаткового струму підігріву, що забезпечує сталість напруги лавинного пробою, залежного від температури кристала Ток підігріву встановлюється таким, що напруга лавинного пробою приймає максимальне значення, відповідне найбільшою робочій температурі Застосовуються безперервний і імпульсний режими підігріву з автоматично керованими тривалістю або амплітудою струму

[2] При зменшенні тривалості імпульсу струму підігріву середня потужність підігріву зменшується, проте збільшується його амплітуда Введення додаткового підігріву для стабілізації температури кристала вирішує задачу стабілізації СВЧ-параметрів в інтервалі робочих температур, у тому числі і при швидких змінах, наприклад, в режимі кодово-імпульсної модуляції

IV Стабілізація СВЧ параметрів імпульсних автогенераторів на ЛПД

Відомі імпульсні автогенератори на ЛПД характеризуються значним вибігом частоти в межах тривалості імпульсу: Δf> 50MΓц при τ = 50-100 НС, f = 35ΓΓц У розробках НДІ «Оріон» значне поліпшення стабільності СВЧ-параметрів досягнуто введенням додаткового підігріву діода, застосуванням струмового компенсації температурних змін у межах τ , включенням резонатора з необхідною добротністю в високочастотну ланцюг У результаті створено 8-мм малогабаритні імпульсні ГЛПД з Pout> 15-20 Вт, з нестабільністю частоти Af <5 МГц при Ти = 50-200нс і Q> 200 [1] Наведені методи застосовні у всьому діапазоні 30-100 ГГц

V Розширення смуги синхронної

роботи імпульсних ГЛПД

Істотне розширення смуги робочих частот синхронізованих ГЛПД засноване на низці рішень при побудові ВЧ-ланцюга генератора: а) трансформація імпедансу діода в резонансному корпусі, побудованому на монтажних елементах діода б) погодження импедансов діода і навантаження без застосування додаткових реактивностей в хвилеводі, і шляхом вибору геометрії СВЧ системи з мінімально досяжною добротністю в) включення послідовного резонансного контуру, компенсуючого реактивні параметри ВЧ-ланцюга Реалізація такого компенсуючого резонансного контуру досягається за допомогою Антипаразитні навантаження зі значним коефіцієнтом відображення і необхідним видаленням її від діода [4] Застосування зазначених методів забезпечує робочу смугу частот синхронізованого імпульсного ГЛПД 13-15% npn ^ Pout> 15-20 Вт в 8-мм діапазоні

VI Підсумовування потужностей ЛПД

Побудова потужних імпульсних джерел з потужностями, що перевищують 100 Ватт в 8-и і десятки Ватт в 3-х міліметровому діапазоні засноване на підсумовуванні потужностей діодів Вимоги когерентності і стабільності параметрів вихідного сигналу задовольняються в режимі зовнішньої синхронізації високостабільним безперервним сигналом

Найбільш очевидний метод підсумовування в режимі зовнішньої синхронізації – це каскадне підсумовування, при якому потужності наступних один за одним ступенів (каскадів) сумуються У широкому інтервалі амплітуд струму через діод ККД підсумовування потужностей ηΣ> (80-90)% при відношенні потужності вхідного сигналу до максимальної потужності автоколебаний Ps / Pamax = 0,4 … 1,0 При цьому максимальний рівень вихідної потужності визначається як Роі1тах = ЛЄ (Р5 + Ратах) Режим сумування реалізується при Ps, близької до Ратах Для досягнення максимальної вихідної потужності необхідно ввести такі предискаженія у вихідний щаблі, при яких напруга на діод прийме максимальне значення тільки при впливі вхідної потужності Каскадне підсумовування становить значний інтерес в ММДВ, коли розміщення великої кількості діодів в одному щаблі утруднено через малих розмірів Каскадне підсумовування застосовно при різних конструкціях ступенів, в тому числі, коли наступні один за одним каскади самі є суматорами потужностей N діодів

Знаходять широке застосування різні типи конструкцій суматорів потужностей діодів У короткохвильової частини ММДВ найбільш просто реалізується підсумовування потужностей діодів в мостових і розгалужених системах У цих системах виконується складання потужностей незалежних джерел НВЧ коливань при забезпеченні найбільшого досяжного ККД підсумовування в широкому частотному діапазоні і розвязки джерел один від одного У реалізованих системах, що володіють втратами в підсумовуючих чотириполюсником і в ВЧ-ланцюгах, помітно зменшується при збільшенні числа N джерел У звязку з цим зазвичай N <8 в короткохвильового частини ММДВ. При N = 6-8 і втратах в ланцюзі кожного джерела L = 0,5 дБ ηΣ <0,65-0,55.

Істотно кращі результати по ККД досягаються при підсумовуванні потужностей діодів в єдиній ВЧ системі У суматорах цього типу ηχ збільшується при збільшенні Ν Конструкції сумматоров даного типу засновані на застосуванні загального підсумовуючого резонатора, повязаного з корисним навантаженням і з діодними лініями, в яких встановлені діоди і антипаразитні опору Ran Звязок резонатора з діодними лініями повинна бути максимальною, а величини Ran мінімальними, але достатніми для придушення паразитних автоколивань Використання розглянутих суматори в режимі зовнішньої синхронізації дозволяє застосувати многодіодние конструкції в декількох каскадах і завдяки цьому істотно збільшити вихідну потужність при «каскадному підсумовуванні» При використанні частотно стабілізованого когерентного вхідного джерела досягається високий ступінь когерентності вихідного імпульсного сигналу В якості вхідного джерела можуть застосовуватися синтезатори стабільних частот сантиметрового діапазону спільно з помножувачами частоти високої кратності [5] Для досягнення максимальної робочої смуги частот підсумовування потужностей слід проводити в хвилеводі, навантаженому на узгоджене опір і застосувати методи поліпшення діапазону, такі ж, як в однодіодних генераторах У 8-мм діапіазоне при каскадному підсумовуванні потужностей двох ідентичних ступенів з чотирма ідентичними ЛПД в кожному ступені досягнута імпульсна потужність Pout> 120 Вт при τ <200 не й для Q> 300 при ηχ> 80% [4]

[1] Касаткін л В Твердотільні імпульсні генератори на ЛПД міліметрового діапазону / / Електронна техніка Серія 1-1996-Вип2 – С23-26

[2] Карушкін Н Ф, Касаткін Л В Стабілізація СВЧ параметрів імпульсних ГЛПД / / Електронна техніка Серія 1 – 2000 -Вип1 – С22-27

[3] Касаткін Л В Широкосмугові імпульсні генератори СВЧ на ЛПД в режимі зовнішньої синхронізації / / Известия ВУЗ Радіоелектроніка, 2002, том 45, № 2, стор 15-24

[4] Ракітін С П, Карушкін Н Ф, Касаткін Л В, Мальцев С Б Твердотільні компоненти для перспективної радіоелектронної апаратури ММДВ і субММДВ Ю ‘ Intern Conf «Microwave & Telecom Technology»- 2000- P33-36

[5]  V A Khitrovskiy Circuitry and technological aspects of frequency synthesizers design for modern radars The Fifth International Kharkov Symposium of physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves Symposium Proceedings 2004 Volume 1, p 223-225

EXPERIENCE IN DEVELOPMENT OF HIGH POWER IMPATT DIODE SOURCES FOR MM-WAVE RANGE

Karushkin N F, Kasatkin L V, Malcev S B

Kyiv, 03057, Ukraine Ph: (044) 456-60-71, fax: 456-52-91, e-mail: ndiorion@tsuanet

Abstract – IMPATT oscillators are the most powerful pulsed semiconductor sources for millimeter wave band The methods for pulsed IMPATT oscillator parameters stabilization within a wide range of ambient temperatures are described Combination of current compensation method, semiconductor diode preheating by additional current, the use of stabilization resonator in free running oscillators provides stability of the output signal amplitude and phase On the base of injected-locked pulsed IMPATT diodes combiners in the MM wave range the high power output coherent signal is achievable (Poui>100W at λ=8 mm)

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р