Передавальний модуль мікрохвильового мосту для імпульсного когерентного спектрометра електронного парамагнітного резонансу 8-міліметрового діапазону довжин хвиль з підсилювачем на польовому транзисторі

Реферат: Передавальний модуль мікрохвильового мосту для генерації надвисокочастотних (НВЧ) імпульсів у складі імпульсних когерентних спектрометрів електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) 8-міліметрового діапазону довжин хвиль складається з задавального генератора на діоді Ганна, двох дискретних фазообертачів з дискретністю 90° та 180°, вентилів, двох високошвидкісних амплітудних PIN-модуляторів, підсилювача НВЧ потужності на лавиннопролітних діодах (ЛПД), амплітудного детектора. Як підсилювач НВЧ потужності встановлено підсилювач на польовому транзисторі разом з атенюатором та попереднім підсилювачем на його вході. UA 105184 U (12) UA 105184 U UA 105184 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки високочастотної спектроскопії і може бути використана як передавальний модуль мікрохвильового мосту, що генерує та детектує надвисокочастотну (НВЧ) потужність в імпульсних спектрометрах електронного парамагнітного резонансу (ЕПР). Мікрохвильовий міст є невід'ємною частиною спектрометра ЕПР [див. Ч. Пул "Техника ЭПР спектроскопии", Изд-во "Мир", 1970, с. 131-205], який складається з передавального та приймального модулів, що генерує та детектує НВЧ потужність у мікрохвильовому тракті спектрометра ЕПР. Принцип дії імпульсного мікрохвильового мосту засновано на генерації серії короткочасних мікрохвильових імпульсів, енергія яких поглинається парамагнітною речовиною в умовах ЕПР, та реєстрації сигналу відгуку спінової системи парамагнітної речовини на імпульсне збудження. Цей сигнал має назву сигналу електронної спінової луни (ЕСЛ) - відповідь електронної спін системи на імпульсне збудження. При вимірюваннях спектрів ЕПР у передавальному модулі мікрохвильового мосту генерується НВЧ потужність, яка подається до резонатора, а потім сигнал відбитий від робочого резонатора детектується та підсилюється у приймальному модулі мікрохвильового мосту. Діапазон НВЧ потужності, що генерується у передавальному модулі мікрохвильового мосту, відрізняється для імпульсного та неперервного НВЧ збудження. При вимірюваннях сигналів ЕПР при неперервному НВЧ збудженні потужність НВЧ повинна бути невисокою та мати величини не більш ніж 100-200 мВт. При вимірюваннях сигналів ЕСЛ при імпульсному НВЧ збудженні потужність НВЧ у імпульсі повинна бути високою, а тривалість імпульсів короткою. Із співвідношення між тривалістю імпульсів, які визначають часове розв'язання спектрометра ЕСЛ, частотою та потужністю НВЧ імпульсів випливає, що те ж саме значення тривалості імпульсів можна отримати з меншою величиною потужності НВЧ імпульсів із зростанням робочої частоти спектрометра. Так на частоті 9 ГГц (X - діапазон частот) тривалість імпульсів від 100 нсек до 20 нсек можна досягти при потужності у імпульсі від 1 до 10 кВт, в той час як на частоті 35-37 ГГц (Q - діапазон частот) для цього потрібно мати потужність НВЧ імпульсів від 1 до 100 Вт у залежності від добротності резонатора [див. К.М. Салихов, А.Г. Семенов, Ю.Д. Цветков "Электронное спиновое эхо и его применение", Изд-во "Наука", Новосибирск, 1976, с. 83]. Таким чином, головними характеристиками, які визначають рівень якості імпульсного спектрометра ЕПР, є його імпульсні характеристики (тривалість імпульсів, частота їх повторювання) та чутливість. Тому основною проблемою при створенні імпульсних спектрометрів ЕПР залишається вибір конструкції мікрохвильового мосту, зокрема конструкції передавального модуля, у якому формуються НВЧ імпульси. Загальний принцип побудови передавального модуля імпульсного мікрохвильового мосту реалізується за наступною схемою: опорний (задавальний) генератор, амплітудний модулятор, підсилювач НВЧ потужності. Задавальний генератор працює у неперервному режимі. Амплітудний модулятор формує з НВЧ коливань опорного генератора імпульси, які потім потрапляють на підсилювач НВЧ потужності. Функції модулятора та підсилювача потужності НВЧ можуть бути сполучені у одному пристрої. Таким пристроєм є, наприклад, електровакуумний підсилювач на лампі біжучої хвилі (ЛБХ). Відомі конструкції передавального модуля, у яких використовують електровакуумний підсилювач на ЛБХ [див. І. Gromov, J. Shane, J. Forrer, R. Rakhmatoullin, Yu.Rozentzweig, A. Schweiger, "A Q-band Pulse EPR/RNDOR Spectrometer and the Implementation of Advanced Oneand Two-Dimensional Pulse EPR Methodology", J. Magn. Reson. vol. 149, pp. 196-203, 2001; С E. Davoust, P.E. Doan, В.М. Hoffman, Q-band Pulsed Electron Spin-Echo Spectrometer and Its Application to ENDOR and ESEEM", J. Magn. Reson. A, vol. 119, pp. 38-44, 1996], до яких також відноситься і спектрометр ELEXSYS Е 580, що серійно випускається фірмою "Брукер" з вихідною потужністю у Q - діапазоні частот 2 Вт [див. P. Hofer, R. Heilig, D. С. Maier, I. Prisecaru D. Schmalbein D. "The super Q-FT Accessory", Bruker BioSpin GmbH, EPR Division; Реклама FTEPR Spectrometer E 580, ELEXSYS, Bruker]. Недоліком використання ЛБХ у передавальному модулі мікрохвильового моста є обмежений ресурс її роботи (від 500 до 1500 часів), високий рівень шумів, необхідність юстування та настроювання підсилювача при встановленні та у процесі експлуатації, погіршення технічних характеристик підсилювача під впливом магнітних полів, велике енергоспоживання та висока ціна. У разі використання твердотільного напівпровідникового підсилювача на основі кремнієвих (Si) лавинно-пролітних діодів (ЛПД) – [див. Л.В. Касаткин "Твердотельные импульсные генераторы на лавино-пролетных диодах миллиметрового диапазона длин волн" Электронная техника, сер. СВЧ техника № 2 (468), с. 41-47, 1998; М.Г. Ищенко, Л.В. Касаткин, В.М. Тарасюк, А.В.Цвир, P.M. Рахматулин, Ю.К. Розенцвайг, "Импульсный когерентный полупроводниковый генератор для спектрометра электронного спинового эха миллиметрового диапазона волн" 1 UA 105184 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Радиоэлектроника № 8, c. 50-55, 2000] функції модулятора та підсилювача потужності НВЧ залишаються роздільними. Для амплітудної модуляції НВЧ потужності використовуються PIN діоди, а підсилювання імпульсів здійснюється пристроєм на основі ЛПД. Відома конструкція передавального модуля мікрохвильового мосту, вибрана нами за прототип [див. Калабухова К.М., Сітніков О.О. Цвір А.В., Іщенко М.Г., Олійник В.В. Деклараційний патент на корисну модель UA № 58891 "Передавальний модуль мікрохвильового мосту для імпульсного когерентного спектрометра електронного парамагнітного резонансу 8-міліметрового діапазону довжин хвиль // опубл. 26.04.2011, бюл. "Промислова Власність" № 8] побудована на основі твердотільного підсилювача НВЧ потужності. Вона складається із задавального генератора на діоді Ганна, двох дискретних фазообертачів з дискретністю 180° та 90°, вентилів, двох високошвидкісних амплітудних PIN модуляторів, двокаскадного підсилювача НВЧ потужності на основі кремнієвих ЛПД, амплітудного детектора та атенюатора. Така конструкція передавального модуля забезпечує -8 потужність у імпульсі до 20 Вт при часовому розв'язанні Δτ=1 сек. При цьому завдяки втратам у атенюаторі (3 дБ), розташованому на виході підсилювача, потужність, яка потрапляє з передавального модуля на резонатор, не перевищує 10 Вт. Але незважаючи на такі переваги підсилювача НВЧ потужності на основі кремнієвих ЛПД, як стабільний протягом всього терміну експлуатації рівень шумів; стійкість до впливу магнітних полів; невелике енергоспоживання та низька вартість, ЛПД мають суттєві недоліки. До них належить паразитна імпульсна модуляція сигналу, яка викликана швидким розігрівом ЛПД до температури вище 250 °C в момент проходження імпульсів, що накладає обмеження як на тривалість та стабільність фронтів імпульсів, так і на їх шпаруватість. Крім цього, серйозною перешкодою для використання ЛПД у режимі підсилення є високі рівні їх шумів, властиві механізму лавинної іонізації, що досягають 40 дБ. Задачею корисної моделі є створення такої конструкції передавального модуля мікрохвильового мосту 8 мм діапазону довжин хвиль, яка дозволить при збереженні надійності підвищити стабільність та зменшити тривалість імпульсів, знизити амплітудні та фазові шуми і тим самим покращити імпульсні характеристики, чутливість та стабільність імпульсного спектрометра ЕПР. Поставлена задача вирішується тим, що в передавальному модулі мікрохвильового мосту, призначеного для генерації НВЧ імпульсів у складі імпульсних когерентних спектрометрів ЕПР 8-міліметрового діапазону довжин хвиль, який складається з опорного генератора на діоді Ганна, двох дискретних фазообертачів з дискретністю 90° та 180°, вентилів, двох високошвидкісних амплітудних PIN модуляторів, підсилювача на основі кремнієвих лавиннопролітних діодів, амплітудного детектора, як підсилювач НВЧ потужності встановлено підсилювач на польовому транзисторі разом з атенюатором та попереднім підсилювачем на його вході. Використання запропонованого нами підсилювача НВЧ потужності на основі твердотільних польових транзисторів має наступні переваги: більш висока швидкодія та температурна стабільність, що забезпечує як більш високу стабільність фронтів імпульсів, так і їх шпаруватість, високий рівень ККД (22 %), малий рівень шумів (2-6 дБ), високий коефіцієнт підсилення, більш висока надійність та термін служби. На кресленні представлено схему передавального модуля імпульсного мікрохвильового мосту. Вона складається із задавального генератора на діоді Ганна (1) двох дискретних фазообертача (2, 3), зібраних на циркуляторах (4), вентилів (5), високошвидкісних амплітудних PIN модуляторів (6), що керуються ТТЛ імпульсами, атенюатора для регулювання потужності на вході НВЧ підсилювача (7), попереднього підсилювача НВЧ потужності задавального генератора (8), підсилювача НВЧ потужності на польовому транзисторі (9), амплітудного детектора (10) для контролю послідовності НВЧ імпульсів на виході підсилювача. Як приклад, виготовлений авторами, згідно з запропонованою корисною моделлю, передавальний модуль мікрохвильового мосту на основі польового (рНЕМТ) транзистора, виконаного на мікросхемі TGA 2575 Компанії TriQuint, для імпульсного когерентного спектрометра ЕПР 8 мм діапазону довжин хвиль має наступні технічні характеристики: 1. Робоча частота імпульсного підсилювача – 34,6-35,4 ГГц. 2. Максимальна вихідна потужність 3,6 Вт. 3. Діапазон регулювання потужності 25-27 дБ. 4. Коефіцієнт підсилення 19 дБ. 5. Тривалість імпульсів 10-200 нc. 6. Частота повторювання пачок імпульсів 100 Гц-1 кГц. 7. Тривалість фронтів імпульсу (