Спосіб селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників

Реферат: Спосіб селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників включає опромінювання нелінійного розсіювача двома зондуючими сигналами, приймання та реєстрацію кратної гармоніки як сигналу відгуку. Для виявлення та ідентифікації нелінійних розсіювачів, при почерговому опромінюванні двома зондуючими сигналами, різними за рівнями потужності та значеннями робочої частоти, використовують ефект інерційності процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур. UA 71287 U (12) UA 71287 U UA 71287 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області радіолокації, зокрема до області нелінійної радіолокаційної техніки, і може використовуватися для пошуку, виявлення та розпізнавання об'єктів з нелінійними електричними властивостями (нелінійних розсіювачів). Відомий спосіб виявлення нелінійного розсіювача із застосуванням імпульсного нелінійного локатора, що здійснює зондування нелінійного розсіювача імпульсним високочастотним сигналом і приймання відгуку на другій або третій гармоніці зондуючого сигналу [1]. Імпульсний нелінійний локатор містить у своєму складі послідовно з'єднані імпульсний задаючий генератор, що формує високочастотний зондуючий сигнал, прийомопередавальну антену, а також підключений до останньої приймач, настроєний на другу або третю гармоніку зондуючого сигналу. Принцип дії нелінійного локатора заснований на тому, що при опроміненні об'єктів, що містять нелінійні елементи (перехід "метал-окисел-метал", р-n перехід та ін.), відбувається відбиття на вищих кратних гармоніках зондуючого сигналу. Коефіцієнт перетворення енергії зондуючого сигналу в енергію вищих гармонік дуже малий, що відносить нелінійні локатори до систем близької дії. Основними недоліками імпульсного нелінійного локатора є невелика дальність дії та неможливість розпізнавання типу нелінійного розсіювача. Найбільш близьким за досягнутим результатом до заявленого способу селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників є спосіб виявлення із застосуванням нелінійного локатора, що здійснює приймання сигналу відгуку по двом каналам на другій та третій гармоніках вторинного електромагнітного поля і розпізнаванні типу нелінійного розсіювача за співвідношенням амплітуд вихідних сигналів в каналах [2]. В способі з застосуванням двоканального нелінійного локатора в процесі радіолокаційного зондування нелінійного розсіювача додатково модулюють амплітуду зондуючого сигналу за пилкоподібним законом, а на виході приймача реєструють залежність амплітуди сигналу відгуку від амплітуди зондуючого сигналу та по її виду здійснюють оцінку правильного розпізнавання типу нелінійності за двома гармоніками. До таких локаторів належить, наприклад, нелінійний локатор NR-900 [2]. Практика експлуатації даного нелінійного локатора показує, що в ряді випадків при виявленні нелінійності типу "метал-окисел-метал" (МОМ-структура) рівень третьої гармоніки сигналу відгуку перевищує рівень сигналу відгуку на другій гармоніці частоти зондуючого сигналу, а при виявленні об'єкта зі стійким р-n переходом (транзистор, діод і т.п.) рівень другої гармоніки перевищує рівень третьої гармоніки. Однак ця ознака розпізнавання є нестійкою, оскільки величини прийнятих на гармоніках сигналів залежать не тільки від властивостей нелінійного елемента, але й від форми діаграм зворотного розсіювання об'єкта та елементів середовища. Ці форми на різних гармоніках можуть відрізнятися між собою. Тому основним недоліком цього способу є велика кількість помилкових спрацьовувань і, як наслідок, низька ймовірність розпізнавання типу нелінійного розсіювача. В основу заявленого способу селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників поставлена задача використання додаткових демаскуючих властивостей нелінійних розсіювачів штучного походження, які створюють ефект інерційності процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур, за допомогою якого можливо суттєво підвищити ефективності та ймовірності виявлення і правильного розпізнавання типу нелінійного розсіювача. Поставлена задача вирішується тим, що в способі селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників, що включає опромінювання нелінійного розсіювача двома зондуючими сигналами, приймання та реєстрацію кратної гармоніки як сигналу відгуку, згідно з корисною моделлю, новим є те, що для виявлення та ідентифікації нелінійних розсіювачів, при почерговому опромінюванні двома зондуючими сигналами, різними за рівнями потужності та значеннями робочої частоти, використовують ефект інерційності процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур та додатково аналізують ймовірність існування та вираженість ефекту інерційності процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур від співвідношення різних рівнів потужностей та робочих частот почергово діючих зондуючих сигналів. Суть корисної моделі пояснюється ілюстративним матеріалом, де зображені: на фіг. 1 - структурна схема нелінійного локатора, що базується на способі селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників; на фіг. 2 - вольт-амперна характеристика (ВАХ) кремнієвих p-n переходів для різних значень потужності зондуючого сигналу; на фіг. 3 - часова характеристика першого періодично діючого зондуючого сигналу; 1 UA 71287 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 на фіг. 4 - часова характеристика другого періодично діючого зондуючого сигналу; на фіг. 5 - часова характеристика рівня перевипромінюваної нелінійним розсіювачем другої гармоніки другого періодично діючого зондуючого сигналу; Заявлений спосіб реалізують наступним чином. Середовище, де потенційно знаходиться штучний нелінійний розсіювач, опромінюється двома різними за потужністю та робочою частотою почергово діючими моногармонічними НВЧ зондуючими сигналами. Нехай, перший зондуючий сигнал має потужність 0.4 Вт та робочу частоту 450 МГц, а потужність та робоча частота другого відповідно - 0.1 Вт та 848 МГц. Нижча частота для нелінійної радіолокації першого зондуючого сигналу забезпечує кращу проникаючу здатність випромінювання всередину предметів і середовищ, у яких можуть міститися нелінійні розсіювачі. Відносно великий рівень потужності першого зондуючого сигналу забезпечує суттєві спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур нелінійних розсіювачів. Висока частота другого зондуючого сигналу забезпечує вузьконаправленість діаграми направленості антени нелінійного локатора при фіксованих геометричних розмірах, тобто вищу щільність потоку потужності зондуючого сигналу, крім того, на високих частотах кращими властивостями володіють випадкові антени. У випадку існування нелінійного розсіювача, який у своєму складі містить напівпровідникові елементи (діоди, біполярні транзистори, тощо), маємо додаткове перевипромінювання кратних гармонік. Як сигнал відгуку приймається перевипромінювача нелінійним розсіювачем штучного походження друга гармоніка другого періодично діючого зондуючого сигналу, рівень якої із-за ефекту інерційності процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур зменшується за експоненціальним законом після припинення дії першого періодично діючого зондуючого сигналу та початку дії другого періодично діючого зондуючого сигналу. Якщо спостерігається картина зменшення за експоненціальним законом рівня перевипромінюваної нелінійним розсіювачем другої гармоніки другого періодично діючого зондуючого сигналу після припинення дії першого періодично діючого зондуючого сигналу та початку дії другого періодично діючого зондуючого сигналу, то з ймовірністю 95 % можна стверджувати, що в просторі, який опромінюється зондуючими сигналами, міститься нелінійний розсіювач штучного походження. Як показано на фіг. 1, найпростіший нелінійний локатор, що базується на способі селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників, працює наступним чином. Перший періодично діючий моногармонічний зондуючий НВЧ сигнал (див фіг. 3) генерує високостабільний генератор 1, генерований сигнал відфільтровується від можливих паразитних гармонік в першому смуговому фільтрі 2, після чого виконується його підсилення підсилювачем потужності 3, коефіцієнт підсилення якого змінюється відповідно до прямокутного керуючого імпульсу від генератора прямокутних імпульсів 12 через інвертор 4 (синхронізація з другим періодично діючим моногармонічним зондуючим НВЧ сигналом), далі періодично діючий сигнал остаточно відфільтровується від можливих паразитних гармонік в другому смуговому фільтрі 5 та подається на випромінюючу вузьконаправлену антену 6. Другий періодично діючий моногармонічний зондуючий НВЧ сигнал (див. фіг. 4) генерує високостабільний генератор 14, генерований сигнал відфільтровується від можливих паразитних гармонік в третьому смуговому фільтрі 13, після чого виконується його підсилення підсилювачем потужності 11, коефіцієнт підсилення якого змінюється відповідно до прямокутного керуючого імпульсу від генератора прямокутних імпульсів 12, далі періодично діючий сигнал остаточно відфільтровується від можливих паразитних гармонік в четвертому смуговому фільтрі 10 та подається через подільник потужності 9 на випромінюючу вузьконаправлену антену 8. Таким чином, нелінійний розсіювач 7, який у своєму складі містить напівпровідникові елементи (діоди, біполярні транзистори, тощо), опромінюється двома почергово діючими зондуючими сигналами S1(t ) та S2(t) , після чого перевипромінює ці сигнали з кратними їм гармоніками (для S1(t ) відповідно H1(t )  R11  S1(t )  R12  2  S1(t )  R13  3  S1(t )  ...  R1n  n  S1(t ) для 55 H2(t )  R  S2(t )  R  2  S2(t )  R  3  S2(t )  ...  R  n  S2(t ) R 21 22 23 2n 2n відповідно , де R1n та коефіцієнти пропорційності для n-ї гармоніки відповідних зондуючих сигналів, n - деяке дійсне число). Перевипромінювач нелінійним розсіювачем друга гармоніка другого періодично діючого зондуючого сигналу приймається прийомною вузькосмуговою антеною 15, після чого додатково відфільтровується в п'ятому смуговому фільтрі 16 та подається на підсилювач 17. Вихід підсилювача навантажений на лінію затримки 18, час затримки якої визначається зворотним зв'язком з другим періодично діючим зондуючим сигналом через подільник потужності 9 для узгодження системи з метою забезпечення коректної роботи. Сигнал з лінії затримки 18 S2(t ) 2 UA 71287 U 5 10 15 20 25 30 подається на останній шостий вузькосмуговий фільтр 19, після якого надходить як інформаційний до аналізатора 20. Якщо аналізатор 20 фіксує картину зменшення за експоненціальним законом рівня перевипромінюваної нелінійним розсіювачем другої гармоніки другого періодично діючого зондуючого сигналу після припинення дії першого періодично діючого зондуючого сигналу та початку дії другого періодично діючого сигналу (див. фіг. 5), то аналізатор 20 формує цифровий сигнал з інформацією про наявність в просторі з відповідною ймовірністю нелінійного розсіювача штучного походження. Цифровий сигнал надходить на дисплей (індикатор) 16. Відповідно до прийнятого цифрового коду дисплей (індикатор) 16 виводить інформацію щодо ймовірності існування в опромінюючому просторі нелінійного розсіювача штучного походження та поради стосовно подальших дій. Можливість практичної реалізації запропонованого способу селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників пояснюється наступним. Відомо, що залежність коефіцієнта перетворення сигналу нелінійним розсіювачем від потужності в першому наближенні (до 80 %) повторює структуру його вольтамперної характеристики. Різні типи нелінійних елементів відрізняються один від одного видом ВАХ та її здатністю до спотворення під час зондування засобами нелінійної радіолокації. Так, наприклад, вольт-амперні характеристики об'єктів "метал-діелектрик-метал" ("метал-окиселметал") і напівпровідникових діодів суттєво відрізняються один від одного за формою. Наявність цієї стійкої ознаки забезпечує можливість розпізнавання типу нелінійного розсіювача за рівнями двох гармонік. Дана ознака не завжди є надійною, тому доцільним є використання знання про схильність ВАХ напівпровідникових структур до спотворення при зондуванні засобами нелінійної радіолокації - ідентифікація нелінійних розсіювачів за другорядними (додатковими) ознаками. На фіг. 2 показані експериментальні (1-4) і теоретичні (1-4) ВАХ кремнієвих р-n переходів для різних значень потужності зондуючого сигналу, мВт: 1, 1' - 0; 2, 2-150; 3, 3-350; 4, 4-500 (дані спотворення притаманні для широкого діапазону частот зондуючого сигналу - від 300 до 1300 МГц). Це пояснюється впливом відносно потужного НВЧ поля (100…800 мВт) на характеристики струмопереносу в структурах на основі р-n-переходів. Ефект виникнення негативного диференціального опору на ВАХ напівпровідникових структур пов'язаний з впливом відносно потужного НВЧ поля на інтенсивність протікання процесів розігріву носіїв заряду та детекторного ефекту. Розігрів вільних носіїв заряду в НВЧ полі при протіканні струму через напівпровідникову структуру можна описати наступною математичною моделлю, 1( V )   eVk eDnnp0S   exp Dnn   pkT0    eV eDppn0S   k  exp  nkT0 Dp p    35  Tp  T0  eV       1  Tp  nkTp        , (2.5) D  T де Dn , p , n , p , Tn , p - коефіцієнти дифузії, часи життя та температури електронів і дірок відповідно, 40  Tn  T0  eV       T  pkT   1  n n      To - температура решітки, np0 pn0 і - концентрації неосновних носіїв заряду в n- і p-областях p-n переходу, k - стала Больцмана, Vk - контактна різниця потенціалів між напівпровідниковими структурами, e - заряд електрона, S - площа поперечного перерізу напівпровідникової структури, n і p - концентрації електронів і дірок в n - і p - областях p-n переходу відповідно. Детекторний ефект. Орієнтація вектора НВЧ поля пов'язана з електричним ефектом, який полягає в появі змінного і зміні постійного (детектуванні) струмів при наявності в поперечному напрямі (y) постійного електричного поля (E0 ) , а в повздовжньому напрямі (x) змінного поля (Ex  E1 cos t ) 45 . Аналіз поперечного струму детектування розглядається через рівняння дрейфу P для квазіімпульсів Px і y носіїв заряду (векторних величин, аналогічних імпульсу, що характеризують стан квазічастинки в періодичних системах, наприклад, кристалічній решітці) dPy dt  eE0  Py y ; dPx P  eE1 cos t  x dt x ;  P  P (де e - заряд електрона; t - час; x , y - тривалість релаксації x і y відповідно), звідки Py  eyE0 ; Px  e xE1(cos t  t x sin t ) /(1  22 ) x 3 . UA 71287 U З аналізу постійної складової рівняння розігріву носіїв: dW ePxE x  dt m0 x  W  W0  ePxE0 1  l x   W0  m0 y    W  W0  W  W0 1  l y   W0  w   , Ex  E0  0 m0x m0y (де W - енергія носіїв; W0  W при маси носіїв на дні зони провідності по осям х і у; 5 і ; lx і ly - компоненти тензора ефективної - коефіцієнти першого члена розкладу  W  W0   W  W0  1 1    f  f  W   W  m0 x m0 y 0 0   та   в ряд Тейлора;  w функцій - час релаксації енергії) логічним є вираз для зміни густини постійного струму j0 y  j0 y  j0 y E1 0  2  E0 (ly  lx )  2 2  e2  xE0E1 nEПY  ly      2   E1 lx  xm0 y 2 2 2 2  2m0 x (1  2 2 )(EПY  E0 ) EПY  E0  x  2lym0 x  y (1  2 2  x   ; m0 y W0 2 EПY  ly e2 y  w 10 15 20 25 30 35 40 45 (де n - концентрація носіїв заряду; квадрат напруженості граничного поля в поперечному напрямі), котрий визначає детекторний ефект зміни густини постійного струму в поперечному напрямі при появі НВЧ поля в повздовжньому напрямі. Приклад. Для перевірки працездатності заявленої корисної моделі у лабораторії НДЦ "ТЕЗІС" при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" зібрано макет пристрою, що реалізує заявлений спосіб селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників. Як джерело першого періодично діючого зондуючого сигналу використовувався генератор стандартних сигналів типу Г4-76А з регульованим рівнем виходу за потужністю, до якого послідовно підімкнений підсилювач потужності (власної розробки, максимальна потужність до 2 Вт на виході). Перший періодично діючий зондуючий сигнал випромінювався на частоті 450 МГц. Як передавальна антена використовувалася вузьконаправлена логарифмічна антена, діаграма направленості (ДН) якої подібна до ДН антени ДР-3 з комплекту селективного мікровольтметра SMV-8.5. Як джерело другого періодично діючого зондуючого сигналу використовувався нелінійний локатор (детектор нелінійних переходів) "NR-ц". В даному нелінійному локаторі випромінювана потужність вузьконаправленого зондуючого сигналу змінюється в діапазоні 0.1-0.3 Вт, робоча частота зондування становить 848±6 МГц. Генератор Г4-76А та нелінійний локатор "NR-u" були підключені до блока керування "Старт" (комутатор з цифровою логікою, власна розробка НДЦ "ТЕЗІС"), який забезпечує почергову дію першого та другого зондуючих сигналів. Під час припинення дії першого зондуючого сигналу блок керування "Старт" з мінімально можливою технічно реалізованою затримкою запускає другий зондуючий сигнал. Як прийомний пристрій в експерименті використовувався калібрований аналізатор спектра Anritsu Spectrum Master MS2711 D, до якого була підключена логарифмічно-періодична антена ETS 3146, причому паразитні впливи (перевідбиття зондуючого сигналу, наведення від інших джерел, тощо) на прийомну антену аналізатора спектра були максимально мінімізовані для одержання зважених даних. Сам аналізатор спектра Anritsu Spectrum Master MS2711 D був підключений до персонального комп'ютера з відповідним програмним забезпеченням, що дозволяє запис зміни спектральної картини та окремих її компонентів в часі. Приймання сигналу відгуку здійснювалося від нелінійного розсіювача, за який використовувалися різні типи діодів, біполярних транзисторів та еквіваленти МОМ-структур, навантажених на відповідні антенні структури, переважно симетричні вібратори. Нелінійний розсіювач розміщувався на відстані 50 см від передавальної та прийомної антен установки, що відповідає реаліям використання типових нелінійних локаторів. Аналіз отриманих експериментальних результатів показав, що при опроміненні нелінійних розсіювачів почергово діючими різними за рівнем потужності та величиною робочої частоти зондуючими сигналами, лише для нелінійних розсіювачів штучного походження спостерігається картина зменшення за експоненціальним законом рівня перевипромінюваної нелінійним розсіювачем другої гармоніки другого періодично діючого зондуючого сигналу після припинення 4 UA 71287 U 5 10 дії першого періодично діючого зондуючого сигналу та початку дії другого періодично діючого зондуючого сигналу. Таким чином, за рахунок використання ефекту інерційності процесів спотворення вольтамперних характеристик напівпровідникових структур в заявленій корисній моделі досягається зменшення кількості помилкових спрацьовувань і, як наслідок, підвищення ймовірності правильного розпізнавання типу нелінійного розсіювача (штучного на фоні завадового) в порівнянні зі способом розпізнавання за співвідношенням амплітуд другої та третьої гармонік сигналу відгуку. Джерела інформації: 1. Вернигоров Н.С. Нелинейный локатор - принцип действия и основные особенности // Безопасность от А до Я. - 1997. - №3. - С. 8-9. 2. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения // Зарубежн. радиоэлектроника. Успехи соврем, радиоэлектроники.-2000. - № 5. - С. 59. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Спосіб селекції нелінійних розсіювачів за інерційністю процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідників, що включає опромінювання нелінійного розсіювача двома зондуючими сигналами, приймання та реєстрацію кратної гармоніки як сигналу відгуку, який відрізняється тим, що для виявлення та ідентифікації нелінійних розсіювачів, при почерговому опромінюванні двома зондуючими сигналами, різними за рівнями потужності та значеннями робочої частоти, використовують ефект інерційності процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур та додатково аналізують ймовірність існування та вираженість ефекту інерційності процесів спотворення вольт-амперних характеристик напівпровідникових структур від співвідношення різних рівнів потужностей та робочих частот почергово діючих зондуючих сигналів. 5 UA 71287 U 6 UA 71287 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7