Гудкова Н Б

ФГУП НПП «Исток» м Фрязіно, 141190, Росія тел: +7 (095) 4658618 Шнитников А С

Московський енергетичний інститут (технічний університет) Кафедра напівпровідникової електроніки вул Красноказарменная, 14, м Москва, 111250, Росія тел: +7 (095) 3627596, e-mail: ShnitnikovAS@mpeiru

Анотація – Розглянуто можливості створення волноводного обмежувача 5-мм діапазону довжин хвиль на базі напівпровідникового діода Наведено результати вимірювання характеристик кремнієвих р / л-діодів з тонкою базовою областю, призначених для роботи в схемі обмежувача

I                                       Введення

Розробка потужних генераторів КВЧ діапазону для сучасних систем радіолокації надає особливу актуальність проблеми створення пасивних обмежувачів потужності для захисту вхідних ланцюгів приймачів Однак спроби просування pin-діодних обмежувачів в діапазон ММВ стикаються з принциповими труднощами, зумовленими прогоновими обмеженнями [1] Як правило, р / п-діоди з товщиною базової області більше 1 мкм (здатні витримати необхідну вхідну потужність при досить низькою ємності структури) не можуть помітно змінювати свій імпеданс під впливом сигналів з частотою вище 10-15 ГГц Однак за певних умов подібна зміна імпедансу вдається виявити, що дозволяє розраховувати на успіх у створенні пасивних діодних обмежувачів КВЧ діапазону

Метою цієї роботи є експериментальне дослідження характеристик тонкобазових р / п-діодів в режимі високого рівня потужності в 5 – мм діапазоні довжин хвиль

II                         Методика вимірювань

в експериментах використовувалися кремнієві обмежувальні діоди з наступними параметрами: товщина базової п-області 19 мкм і 26 мкм концентрація домішки в цій області 2-10 ^ ® см ® при рівнях легування приконтактних р * – і п ^-шарів 1-10 ^ ° і 1-10 ^ ® см ® відповідно товщини цих шарів 05 і 5 мкм Ємність кожного діода близька до 007 пФ

Для виконання вимірювань діод розміщений в секції прямокутного хвилеводу з волноводнокоаксіальним переходом У перетині вкпюченія діода послідовно з ним приєднаний шлейф індуктивного характеру, що забезпечує настройку макета в режимі перемикача інверсного типу (що має максимальну розвязку при низькому рівні КВЧ потужності) Таким чином, вкпюченіе діода в резонансну схему з високим характеристичним опором (близько 400 Ом) дозволяє отримати високу чутливість до зміни імпедансу діода Для контролю постійної складової струму діода його верхній висновок розвязаний щодо хвилеводу через ФНЧ, розташований в одному з коаксіальних шлейфів

Діод виконаний за Меза-технології і розташований на торці штифта діаметром 15 мм Електричний контакт діода з центральним провідником коаксіального шлейфу здійснюється за допомогою рубінової втулки і гальванічно вирощеного електрода Допомогою переміщення діода щодо хвилеводу досягається максимальна величина втрат замикання в відсутність вхідної потужності

III                  Результати досліджень

На рис 1 представлені експериментальні залежності внесених втрат від вхідної потужності на частоті 60 ГГц для двох макетів з різними діодними структурами

Рис 1 Зміна внесених втрат в залежності від вхідної потужності для діодів з різною товщиною бази

Fig 1 Insertion loss variation versus input power for diodes with different basewidth values

Видно, що при використанні діода з товщиною базової області wi = 19mkm, починаючи з потужності порядку 01 Вт, відбувається значна зміна імпедансу діода, що викликає зменшення внесених втрат від 21 до 6 дБ Для діода з W2 = 26 мкм зниження втрат при збільшенні потужності аж до 12 Вт не спостерігається, що свідчить про його нечутливості до сигналу на даній частоті

У таблиці 1 наведені результати вимірювання детектированного струму Idet, що виникає в ланцюзі діода, залежно від рівня вхідної потужності Представлені також виміряні значення втрат L і втрати Ц, що виникають при подачі на діод зовнішнього струму зміщення, рівного току Idet-Результати показують, що режими управління шляхом зміни рівня вхідної потужності і струму зміщення дають близькі значення втрат при однакових токах

Table 1

Помітне зниження втрат (за рахунок зміни імпедансу діода) виникає при рівні струму зміщення (детектування) менше 1 мкА

Таблиця 1

P/„, w

Idet, μΑ

L, dB

Lb dB

012

0147

20

20

076

021

121

150

19

03

115

147

477

061

105

136

756

46

9

120

1199

121

62

85

Проведено цикл розрахунків характеристик діода в умовах, близьких до реальних, з використанням програми приладно-схемотехнічного моделювання ISTOC, заснованої на вирішенні фундаментальної системи рівнянь напівпровідника з використанням одновимірної изотермической моделі структури [2] Подібні розрахунки дають задовільно згоду з експериментом для обмежувального діода на більш низьких частотах [3] Проте в даному випадку зміна імпедансу діода не виявлено, хоча розрахункове значення струму Idet навіть перевищувало виміряні значення

Причина розбіжності експериментальних і розрахункових результатів може бути викликана недостатньо повним врахуванням електродинамічної моделі волноводного пристрою Можливо також, що дифузія-Онно-дрейфова модель, яка лежить в основі аналізу, стає не цілком коректною на даній частоті

IV                                  Висновок

Мабуть, значне підвищення робочої частоти діодного обмежувача потужності можливо при використанні резонансних хвилеводних макетів, для яких величина внесених втрат більш чутлива до зміни імпедансу діода Надалі передбачається провести випробування діодів в прямій схемою обмежувача потужності

Існуюча методика моделювання вимагає корекції для обліку фізичних явищ в КВЧ діапазоні і особливостей електродинаміки хвилевід-но-резонансної конструкції

V                           Список літератури

[1]  Lebedev I V, ShnitnikovA S, Drozdovski N V, Drozdov- skaia L. M Solid-state control devices for millimetre waveband// Electron Letters 1995 Vol 31, No 3 P 211-212

[2]  ShnitnikovA S, PhilatovN I Microwave limiter diode performance analyzed by mathematical modeling // Solid-State Electron 1991 Vol 34, No 1 P 91-97

[3] Шнитников AC, Виноградов В Г, Гудкова Н Б Проектування діодного СВЧ обмежувача з низьким рівнем вихідної потужності / / Матеріали 13-й Міжнародній Кримській конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології » Севастополь, 2003

С 181-182

MILLIMETER-WAVE WAVEGUIDE DIOIDE LIMITER

N В Gudkova Res and Prod Corp «Istok»

Fryazino, 141190, Russia Pii: 095-4658618

A S Shnitnikov Moscow Power Engineering lnstitute(Techn University)

14  Krasnokasarmennaya str, Moscow, 111250, Russia e-mail: ShnitnikovAS@mpeiru

Abstract – The potentiality of realizing waveguide p/n-diode limiter for the 5-mm wavelength range is investigated Characteristics of Si thin-base diodes intended for limiter application are measured and discussed

I                                         Introduction

The attempts to move conventional microwave р / л-diode limiters to the mm-wave range are hindered by transit-time problems [1] The purpose of the present work is to investigate a waveguide structure, which helps to detect the variation of the p/n-diode impedance versus the input power for the frequency range of 60 GHz

II                          Measurement Technique

Experimental diodes have basewidth equal to 19 or 26 ЦТ with doping level of 2-10 ^ ® cm ^ Capacitance of each structure is about 007 pF The diode is inserted into a waveguide section with coaxial induction stub The circuit is equivalent to an in- verse-type switch having maximum insertion loss under low input power The stub is adjusted to reach the resonance condition for operating frequency The use of resonant circuit with enhanced characteristic impedance (about 400 Ω) ensures high loss sensitivity to the variation of diode parameters In order to control the direct current flowing through the diode, one of its leads is decoupled from the waveguide using a low-pass filter

III                              Investigation Results

The diode with a lower basewidth has shown the insertion loss variation from 21 to 6 dB (see Fig 1) The loss is decreasing under the influence of about 01 W input power The diode with a thicker base has shown no insertion loss variation for the input power range up to 12 W

Direct current measured detected by the diode is presented in Table 1 Using external bias current with the same value, the insertion loss Li is obtained (for the low-power condition), which does not differ substantially from the L value measured in the high-power regime Considerable loss decrease corresponds to the current level under 1 μΑ

A set of calculations has been carried out using 1-dimensional physical-topological diode model [2], which has been proved useful in designing microwave limiters [3] In this case however, no noticeable variation of diode impedance has been found The discrepancy obtained may be explained by unsatisfactory description of the resonant circuit electrodynamics or by incorrectness of using diffusion-drift model for describing semiconductor diode parameters within mm-wave frequency band

IV                                      Conclusion

Experimental results have demonstrated, that the use of resonant waveguide structure with enhanced characteristic impedance helps to obtain considerable loss variation for inverse- type p/f-diode switch circuit within the mm-wave band Limiter circuit based on similar diodes is under investigation at present The conventional simulation technique shall be upgraded in order to be used correctly in designing waveguide mm-wave limiters

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