Надвисокочастотний перемикаючий пристрій

Надвисокочастотний перемикаючий пристрій, що містить в собі металевий корпус, забезпечений коаксіальними вводом та виводом енергії, вводом живлення постійної напруги, закріплену всередині корпуса металізовану діелектричну підкладинку з чотирма мікросмужковими відрізками передавальної лінії та послідовно ввімкненими між ними р-і-n діодами, фільтрами, які розв'язують лінію передачі від джерела живлення, два співвісні коаксіальномікросмужкові переходи, який відрізняється тим, що діелектрична підкладка виконана з синтетичного алмазу визначеної товщини, при цьому довжина відрізків лінії передачі зумовлена співвідношенням: 1 2Z 2 С 2 1 1 вх l ; B B 0.1p( ) ; Корисна модель, що заявляється, належить до напівпровідникової техніки надвисоких частот (НВЧ) і може бути використана в різних комутаційних пристроях. Особливо ефективно заявлене технічне рішення може бути реалізовано в розробці таких пристроїв як ключі, перемикачі, вимикачі НВЧ потужності, атенюатори та фазообертачі. Основними перевагами заявленої корисної моделі в практичній реалізації пристроїв НВЧ є невеликі габарити, вага, незначна потужність керування та висока швидкодія протягом довгого терміну експлуатації. Як показано в джерелах інформації: 1 [И. Я. Иммореев, B. C. Черняк – Краткий очерк истории развития радиолокации в Советском Союзе и России – «Радиотехника», 2009, №3, с. 25-36] і 2 [Ю.Н. Гуськов – Основные направления разработки бортовых РЛС с АФАР 3-х сантиметрового диа пазона – «Радиотехника», 2009, №7. с. 65-71], існує велика потреба в таких пристроях для створення активних фазованих антенних ґраток (АФАГ) для радіолокаційних станцій (РЛС) як бортових, так і наземного базування. Відомі технічні рішення, в яких використані НВЧ перемикаючі модулі у вигляді мікросмужкових гібридних інтегральних мікросхем з послідовно ввімкненими р-i-n діодами, наприклад [The pin diode circuit designers' handbook – MicrosemiWatertown, 1998, Chapter 2, p.4-9]. Це технічне рішення взято за прототип. Підкладку, на якій реалізована гібридно-інтегральна схема НВЧ, як правило, виконують з полікора або композитних матеріалів. Незважаючи на беззаперечні переваги таких гібридних інтегральних схем (мінімальні габарити, вага і низька потужність перемикання) розглянуте технічне рішення має притаманні йому недоліки. p( ) 4 arctg ln(1 2) 2 ln 1 1 ; 2 2h ; d d - ширина відрізка мікросмужкової лінії передачі, [мм], h - товщина діелектричної підкладинки, [мм], Zвх - вхідний імпеданс пристрою, [Ом], 2 , f - робоча частота, [ГГц], LC C - паралельна ємність відрізка лінії передачі, [пФ], L - індуктивність відрізка лінії передачі, [нГн]. (19) UA (11) 50180 (13) U 2 f, 3 50180 Це в першу чергу стосується втрат НВЧ енергії в діелектричному матеріалі, нагрів підкладинки, недостатня теплопровідність і в результаті підвищення робочих температур р-i-n діодів вище оптимальних. При використанні цих пристроїв в приймально-передавальних модулях в АФАГ необхідне примусове охолодження, що погіршує технічні характеристики бортових РЛС. В основу корисної моделі, що заявляється, покладена задача удосконалення перемикаючого пристрою НВЧ на р-i-n діодах шляхом використання в якості підкладинки для мікросмужкової схеми металізованого синтетичного алмазу необхідної товщини для досягнення технічного результату – зниження нагріву активних елементів, зниження втрат перемикання та збільшення перемикаючої НВЧ потужності. Вказана мета досягається за рахунок того, що в НВЧ перемикаючому пристрої, що містить в собі металевий корпус, забезпечений коаксіальними вводом та виводом енергії, вводом живлення постійної напруги, закріплену всередині корпуса металізовану діелектричну підкладинку з чотирма мікрополосковими відрізками передаючої лінії та послідовно ввімкненими між ними р-і-n діодами, фільтрами, які розв'язують лінію передачі від джерела живлення, два співвісні коаксіальномікросмужкових переходи, які відрізняються тим, що з метою зниження нагріву активних елементів, зниження втрат перемикання та збільшення перемикаючої НВЧ потужності діелектрична підкладинка виконана з синтетичного алмазу визначеної товщини, при цьому довжина відрізків лінії передачі зумовлена співвідношенням: 1 2Z 2 С 2 1 1 вх l ; B B 0.1p( ) ; p( ) 4 arctg ln(1 2) 2 ln 1 1 ; 2 2h ; d d – ширина відрізка мікросмужкової лінії передачі, [мм], h – товщина діелектричної підкладинки, [мм], 4 Zвх – вхідний імпеданс пристрою, [Ом], 2 , f - робоча частота, [ГГц], LC C – паралельна ємність відрізка лінії передачі, [пФ], L – індуктивність відрізка лінії передачі, [нГн]. Новими ознаками, які має заявлене технічне рішення в порівнянніз прототипом, є виконання підкладинки гібридної мікросмужкової схеми з металізованого з двох боків синтетичного алмазу визначеної товщини. При цьому довжина лінії передачі зумовлена заявленим співвідношенням, що забезпечує відповідність корисної моделі, що заявляється, критерію "новизна". Ці ознаки дають змогу досягти технічний результат, що заявляється – збільшення перемикаючої НВЧ потужності, який пояснюється у такий спосіб. Можливість здійснення корисної моделі і доказ співвідношення, що заявляється, підтверджується наступними малюнками: Фіг.1 – топологія мікрополоскової гібридної схеми НВЧ перемикача. Фіг.2 – еквівалентна схема НВЧ перемикаючого пристрою. Фіг 3 – конструкція безкорпусного р-i-n діода. Фіг.4 – розташування р-i-n діодів в гібридній схемі НВЧ перемикача. Фіг 5 – залежність коефіцієнту пропускання та відбиття НВЧ перемикаючого пристрою від частоти при закритих р-i-n діодах. Фіг 6 – залежність коефіцієнту пропускання та відбиття НВЧ перемикаючого пристрою від частоти при відкритих р-i-n діодах. Підкладинки з синтетичного алмазу були одержані з газової фази в плазмо-хімічному реакторі на основі НВЧ розряду при частоті 2,45 ГГц і потужності 5кВт. Процес осадження матеріалу з газової фази в плазмовому реакторі називається Chemical Vapor Deposition (CVD). В основі процесу CVD лежить розкладання метану в суміші з воднем та наступним осадженням на нагріту підкладинку. Швидкість росту алмазних плівок на кремнієвих підкладинках складає 1-20 мкм/год. Властивості алмазних підкладинок та підкладинок з інших матеріалів показані в таблиці 1. 2 f Таблиця 1 Матеріал Синтетичний алмаз Кварц Сапфір Композитні матеріали Діелектрична стала, 5,7 3,8 9,4 2-10 Тангенс кута діелектричних втрат, tan (10-4) 0,08 3 2 9-40 З Табл. 1 видно, що підкладинки з синтетичного алмазу вигідно відрізняються від кварцу, сапфіру та композитних матеріалів – мають низькі діелектричні втрати, високу теплопровідність, малий коефіцієнт термічного розширення. Теплопровідність при 300 К, Вт/смК 16 0,014 0,4 0,001-0,008 Коефіцієнт термічного розширення, , 10-6 К-1 0,8 0,5 8,2 8-280 Поєднання малих діелектричних втрат в ГГц/ТГц діапазоні, високої теплопровідності та здатності зберігати свої властивості в широкому діапазоні температур відрізняє алмаз від інших матеріалів, які широко використовуються сьогодні 5 50180 в НВЧ приладах. Ці властивості алмаза дозволяють розробляти з його використанням новітні компактні твердотільні системи з унікальними характеристиками для роботи в діапазоні частот від одиниць ГГц до одиниць ТГц. З використанням алмазних підкладинок можуть бути розроблені прилади для авіаційної та космічної техніки, такі як потужні джерела надвисокочастотного випромінювання, радіометри, приймальні та передавальні модулі. На підкладинках з синтетичного алмазу з двох сторін було сформовано систему металізації TiPd-Au загальною товщиною 2 мкм. На одній з сторін за допомогою фотолітографії було виконано топологію мікросмужкової схеми НВЧ перемикаючого пристрою, яка показана на Фіг.1. Як показано на Фіг.2, лінію передачі, в яку послідовно включені р-i-n діоди можна розглядати як послідовно ввімкнуті фільтри низьких частот типу Т. Згідно джерела [Л. А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Высшая школа. Москва. 1973. с 450], вираз для характеристичного або хвильового опору має вигляд: 2L C Zc 2L , (1) де: C – паралельна ємність відрізка лінії передачі, [пФ]; L – індуктивність відрізка лінії передачі, [нГн]; 2 , f - робоча частота [ГГц]. LC 2L При 2L , ZC 0 C Таким чином, при: 2 f 2 (2) LC фільтр пропускає НВЧ потужність, а хвильовий 0 має виопір має кінечну величину, яка при гляд: 2L (3) , C Для безпосереднього проходження НВЧ потужності хвильовий опір ZC мікросмужкової лінії повинен бути рівний вхідному і вихідному опору: ZC ZВХ ZВИХ , (4) Або: 2L 2L2 Z2 , (5) вх C Звідси: 2L2 2L Z2 С 0 , (6) вх Квадратне рівняння (6) розв'язуємо відносно індуктивності L: ZC L 2 2 4 4 2ZвхC , 2 2 Після спрощення (7) маємо: (7) 6 L 1 1 1 2Z 2 C 2 , вх (8) При цьому слід відмітити, що імпеданс відкритого р-і-n діоду (ZД) для узгодженої передачі НВЧ енергії також повинен дорівнювати ZC (Фіг.2). В свою чергу імпеданс р-і-n діоду залежить від опору і-шару Ri. ємності р-і-n структури С, та опору омічних втрат Rs в напівпровіднику та контактній системі. При заданій ширині d передаючої лінії, індуктивність відрізка лінії між ввімкнутими р-і-n діодами необхідно з моделі, запропонованої в роботі [Л. А. Вайнштейн, А. Т. Фиалковский. Волны в щелевом и полосковом волноводах: вариационный метод и простейшие результаты. Радиотехника и электроника. 1976. Т. 21. №6 с. 1137-1148]. Індуктивність смужкового струмопровода: L 0,1 ( )l [нГн], (9) де l - довжина струмопровода, [мм]. ( ) 4 arcctg 2h , d ln(1 2) 2 ln 1 1 , (10) 2 (11) де: h - товщина підкладинки з синтетичного алмазу, [мм]; d - ширина відрізка мікросмужкової лінії передачі, [мм]. Підставляючи (10) в (9) і прирівнюючи з виразом (8) маємо: 1 2 (12) 1 [1 2 ZвхC] 2 , l B де B 0,1 ( ) . В якості перемикаючого активного елементу використаний кремнієвий безкорпусний р-і-n діод, який має мінімальну паразитну ємність. Конструкція перемикаючого елемента показана на Фіг.3. Кремнієва р-і-n меза-структура 1 має оптимальну геометрію для роботи в заданому діапазоні робочих частот. З протилежних сторін структури 1 виконані плівкові контактні системи 2. Крізь з'єднувальні металічні шари 3 виконані балочні виводи 4. На Фіг.4. показаний варіант виконання мікросмужкової схеми НВЧ перемикаючого пристрою згідно корисної моделі, що заявляється. Залежності коефіцієнтів пропускання між входом та виходом пристрою (S11) при прямо зміщених р-і-n діодах зображені на Фіг.5. Як видно з графіків у всій смузі частот внесене загасання пристрою у відкритому стані не перевищує 0,6 дБ, що є задовільним значенням (згідно поставлених вимог цей параметр не повинен перевищувати 2 дБ). Аналогічні характеристики комутуючої гібридної НВЧ схеми при обернено зміщених діодах наведені на Фіг.6. В цьому режимі (пристрій знаходиться в закритому стані) внесене загасання у всій робочій смузі частот перевищує 40 дБ, що відповідає поставленим вимогам (більше 20 дБ) і забезпечує якісну ізоляцію джерела сигналу від навантаження. Таким чином, створення надвисокочастотного перемикаючого пристрою за корисною моделлю, 7 що заявляється, дає змогу отримати прилад, який відрізняється від аналогічних зразків високою швидкодією і значно вищою допустимою робочою 50180 8 температурою, при невеликих габаритах, невеликій вазі та незначній потужності керування. 9 50180 10 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 50180 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601