Активний дискретний нвч пристрій

Реферат: Активний дискретний НВЧ-пристрій з двома каскадами радіальної лінії передачі, який містить в собі розташовані вісесиметрично напівпровідникову активну структуру дискової форми, до плоских сторін якої створені низькоомні катодний та анодний контакти, яка представляє собою діод, циліндричний тримач. На торцевій площині циліндричного виступу якого закріплена катодною стороною напівпровідникова структура, кільцевий ізолятор з кришкою, плоскі поверхні якого металізовані та який нижньою плоскою стороною закріплений на виступі тримача і охоплює напівпровідникову структуру, гнучкі плоскі провідники, що з'єднують анод структури з верхньою металізованою площиною ізолятора. Кільцевий ізолятор додатково має діелектричні металізовані з торців опори, які оточують виступ тримача з напівпровідниковою структурою. UA 87875 U (12) UA 87875 U UA 87875 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до НВЧ-напівпровідникової електроніки терагерцового діапазону та може входити до складу обладнання для космічного зв'язку, медичних приладів, антитерористичного обладнання та наномікроскопії. Найбільш ефективно ці пристрої можуть використовуватися в радарах літальних та космічних об'єктів, в діагностиці для одержання об'ємних зображень м'яких тканин, в приладах для вимірювання концентрацій отруйних речовин. При цьому терагерцове випромінювання не володіє іонізуючими властивостями у відмінності від радіоактивного випромінювання. Заміна рентгенівської техніки на нешкідливу терагерцову техніку може суттєво змінити основи медичної діагностики та терапії. Терагерцові системи відрізняються більш високими чутливістю, швидкодією та роздільною здатністю в порівнянні з аналогами з других спектральних діапазонів. В роботі [1] розглянуто НВЧ-генератор, який працює на круглий хвилевід, та з'єднаний з рупорною антеною. Генераторна секція містить в собі активний елемент - лавинно-пролітний діод, який вісесиметрично закріплений в кільцевому металізованому з торців кварцовому корпусі за допомогою епоксидної композиції. Корпус з діодом установлений вісесиметрично на плоскій поверхні тримача за допомогою шайби із золота товщиною 25 мкм. Весь пристрій змонтовано в круглому хвилеводі, який утворює з передаючою лінією та секцією з коротко замикаючим поршнем Т - подібне з'єднання. В цій конструкції електричне поле направлене по вісі, а магнітне - по колу. Максимальна НВЧ-потужність, що віддається в вільний простір, досягається місцеположенням закорочуючого поршня та тримача з корпусом в якому змонтовано діод. Пристрій, що містить в собі тримач з металізованим діелектричним кільцем, в якому вісесиметрично установлена напівпровідникова структура, в цій роботі названий як "pretuned modul (PTM)». Цей НВЧ-пристрій відносно простий у виконанні, доступний у використанні з різними хвилеводними структурами або безпосередньо на вільний простір. Недоліком є те, що розроблений пристрій міг працювати тільки до робочої частоти (40-50) ГГц. В роботі [2] шляхом вдосконалення пристрою типу "pretuned modul" досягнута потужність в узгодженому навантажені 500 мВт на частоті 94 ГГц (вікно прозорості в повітрі). Це насамперед + досягнуто за рахунок оптимізації рівня та глибини легування зон N, Р та Р . Також вдалося зменшити опір контактної системи Rs та тепловий опір за рахунок інтегрального тепловідводу, який виконаний із золота. При цьому ефективність перетворення в НВЧ-енергію досягнула 7,9 %, температура активної зони діода не досягала 250 °C. Найбільш близьким до заявленого є технічне рішення фірми Thomson [3]. Пристрій "pretuned modul" (тримач з металізованим діелектричним кільцем в якому вісесиметрично установлена напівпровідникова структура) виконаний у вигляді комбінації двокаскадної лінії. Елементи пристрою оптимізовані відносно повного імпедансу діода, що дало змогу ефективно передавати НВЧ-потужність в узгоджене навантаження без паразитних втрат на частотах до 94 ГГц. Висока ефективність перетворення та низькі витрати НВЧ-генератора досягнуті за рахунок узгодження параметрів структури діода та елементів передаючої лінії. Оптимізована площа активної зони . -3 2 ЛПД має величину 1 10 мм . Рівень від'ємного опору - 1,5 Ом. При тепловому опорі діода 35 °C/Вт температура переходу не перевищувала 227 °C. На частоті 94 ГГц одержано потужність в постійному режимі 500 мВт при ефективності 10 %. Незважаючи на високі вихідні параметри пристрою (потужність, ефективність на частоті 94 ГГц), при збільшенні робочої частоти, потужність приладу інтенсивно спадає, що унеможливлює його роботу на частотах > 94 ГГц, це обумовлено наступними причинами: 1. Діелектричний корпус пристрою має значну паразитну ємність. 2. Гнучкі електричні виводи, що з'єднують контакт напівпровідникової структури з анодної сторони та кришкою мають надлишкову індуктивність. 3. Значні втрати НВЧ потужності в діелектричному матеріалі корпусу та в металі за рахунок поверхневого опору. Задачею запропонованої корисної моделі є розробка пристрою з параметрами, які дають змогу розширити діапазон робочих частот до 200 ГГц і вище без великих втрат НВЧ-потужності. Поставлена задача вирішується створенням активного дискретного НВЧ-пристрою з двома каскадами радіальної лінії передачі, який містить в собі розташовані вісесиметрично напівпровідникову активну структуру дискової форми до плоских сторін якої виконані низькоомні катодний та анодний контакти, яка представляє собою діод, циліндричний тримач на торцевій площині виступу якого закріплена катодною стороною напівпровідникова структура, кільцевий ізолятор плоскі поверхні якого металізовані та який нижньою плоскою стороною закріплений на тримачі і охоплює напівпровідникову структуру, гнучкі плоскі провідники, що з'єднують анод структури з верхньою металізованою площиною ізолятора з кришкою. З метою підвищення робочої частоти НВЧ-генератора до 200 ГГц та вище при високій ефективності перетворення 1 UA 87875 U 5 кільцевий ізолятор виконаний у вигляді діелектричних металізованих з торців опор круглого, квадратного або прямокутного перетинів, які оточують виступ тримача з напівпровідниковою структурою, причому сумарна висота b1 напівпровідникової структури з гнучкими виводами, що обмежена кришкою визначається співвідношенням b1  Z1  2r1 , де:   1/ 2 2 Z1  Z (Zн  Z )1/ 3 - сумарний імпеданс діода, гнучких плоских провідників, кришки та виступ тримача, що утворюють перший каскад радіальної лінії передачі, Ом; Z  - повний імпеданс діода, Ом; 10 Zн - повний імпеданс навантаження, Ом; r1 - радіус виступу тримача, мм; а висота діелектричних опор b 2 знаходиться з виразу: b2  де: 15 20 25 30 35 40 45 50 Z2  2r2 ,  2 Z 2  ( Zн  Z  )1/ 3 - сумарний імпеданс зовнішнього радіусу кришки, висоти діелектричних опор, зовнішнього радіусу виступу тримача, що утворюють другий каскад радіальної лінії передачі, Ом; r2 - радіус кришки, яка розміщена на торцях опор, мм;  - відносна діелектрична проникність матеріалу діелектричних опор, безрозм. Пристрій відрізняється також тим, що для додаткового зменшення втрат НВЧ-потужності, торцеві поверхні опор, які виступають за межі кришки не металізовані. Пристрій відрізняється також тим, що для додаткового зменшення втрат НВЧ-потужності, кришка виконана у вигляді кільця з внутрішнім радіусом r1 . Таким чином, заявлене технічне рішення має такі відмінності від прототипу як: 1. Кільцевий ізолятор додатково має діелектричні металізовані з торців опори, які оточують виступ тримача 2. Висота об'єму, в якому розміщена напівпровідникова структура з електричними виводами має необхідну величину b1 . 3. Металізовані з торцевих поверхонь діелектричні опори виконані необхідної висоти b2 . Здатність практичної реалізації корисної моделі підтверджується наступним графічним матеріалом: Фіг. 1 - схематичне зображення запропонованої конструкції активного дискретного НВЧпристрою, розріз по осі Z; Фіг.2 вид зверху. Фіг. 3 - схематичне зображення двокаскадної радіальної лінії передачі. Фіг. 4 - еквівалентна схема трансформації повного імпедансу діода в повний імпеданс узгодженого навантаження. На фіг. 1,2 показаний варіант виконання активного дискретного НВЧ-пристрою, який реалізований на діелектричних опорах 1. Двокаскадна радіальна лінія передачі запропонованого пристрою приведена на фіг. 3, де напівпровідникова структура 6, гнучкі електричні виводи 8, кришка 3 та виступ 4 тримача 5, утворюють перший каскад ємності радіальної лінії. Другий каскад радіальної лінії, утворений зовнішнім діаметром r2 кришки 3, висотою діелектричних опор 1 та зовнішнім радіусом r1 виступу 4 (фіг. 3). В електричній системі з такою геометрією електричне поле направлене по осі, а магнітне - по колу. Для створення еквівалентної схеми пристрою скористаємося декомпозиційним методом, який називається методом автономних блоків [4]. Декомпозиційна схема має каскадну структуру і складається з чотирьох елементів, фіг. 4: Z - повний імпеданс напівпровідникової структури (9); Z1 - повний імпеданс першого каскаду радіальної лінії (10); Z 2 - повний імпеданс другого каскаду радіальної лінії (11); 2 UA 87875 U Zн - повний імпеданс узгодженого навантаження (12). Задовільні результати розрахунків імпедансів Z1 та Z 2 досягаються, користуючись положенням, при якому опір середнього елемента є середнє геометричне сусідніх опорів. Таким чином: Z1  Z  Z2 , (1) Z2  Zн  Z1, далі знаходимо: (2) Z2  Zн Z  Z2 , або: (3) Z 2  Zн Z   Z 2 , 2 (4) 5 звідки: 2 Z 2  ( Zн  Z  )1/ 3  2 Z1  Z (Zн  Z )1/ 3  , 1/ 2 . (5) (6) 10 Вирази (5) та (6) дають змогу знайти необхідну величину повних імпедансів елементів радіальної лінії. Це забезпечує повний опір напівпровідникової структури трансформувати в імпеданс узгодженого навантаження. З другого боку, опір елементів радіальної лінії залежить від радіусів r1 , r2 та висот b1 та b 2 :  b (7) Z1  0 1 , 2r1 15 Z2   0  b2 , 2r2 (8) де: r1 - радіус виступу тримача; r2 - радіус кришки, яка з'єднує діелектричні опори; 20 b1 - висота об'єму, який обмежений кришкою, діелектричними опорами та пласкою поверхнею виступу тримача та в якому розміщена напівпровідникова структура з гнучкими електричними виводами:  2 b1  Z (Zн  Z )1/ 3  1/ 2  2r1, (9) b 2 - висота діелектричних опор: 2 ( Zн  Z )1/ 3  2r1 (10)  ,  - відносна діелектрична проникність матеріалу опор. Втрати НВЧ-енергії складаються із втрат в діелектричних опорах та в елементах радіальної лінії, де видно, що вони менші ніж у прототипі. Для запропонованої моделі, діелектричні витрати знаходяться з рівняння: 2   tg    r2 (11) dPd  V(r ) dr , b2 b2  25 де:   2f - кругова робоча -1 частота, с ; tg - тангенс кута витрат, безрозм. r2 - радіус кришки, мм; b 2 - висота діелектричних опор, мм; 3 UA 87875 U V(r ) - напруга, яка прикладається до кільцевого елемента dr , В. Сумарну величину потужності діелектричних втрат одержуємо шляхом інтегрування рівняння (11) по об'єму діелектричних опор. Втрати потужності в металічних елементах радіальної лінії: dP  2 Rs Ir 2r2 2 dr , (12) 5 F c - поверхневий опір де: неметалічних елементів, Ir - радіальний струм, Rs  Ом; А; F - поверхнева площа елементів 2 радіальної лінії, мм ; c питомий об'ємний Oм  поверхневий опір, мм;  відносна магнітна проникність, безрозм. Сумарну потужність втрат знаходимо шляхом інтегрування рівняння (12) по поверхні металічних елементів, які входять в склад двокаскадної радіальної лінії. Таким чином, виконання діелектричних опор висотою b 2 та напівпровідникової структури з 10 15 гнучкими електричними виводами висотою b1 , зменшує втрати НВЧ-потужності в запропонованому технічному рішенні. З метою додаткового зменшення діелектричних втрат металізація торців діелектричних опор 1, яка виступає за межі кришки 3 (фіг. 1, 2) не металізується. В заявленому пристрої для зменшення втрат потужності в металі, кришка, яка з'єднує опори, може бути виконана у вигляді кільця 3 з радіусами r1 та r2 , фіг. 1, 2. Приклад конкретного виконання корисної моделі приведено на фіг.1, 2. Активний дискретний пристрій НВЧ складається із чотирьох кварцових опор 1 висотою b 2 =0,5 мм, які з торців вкриті металізацією 2 на основі Cr-Au товщиною 70-200 нм відповідно. Опори зверху з'єднані золотим кільцем 3 та охоплюють виступ 4 тримача 5. Внутрішній радіус кільця з складає r1 =0,35 мм, а 20 25 зовнішній - r2 =0,6 мм. Кварцові опори закріплені на тримачі 5 способом дифузійної зварки. Металізація 2 Cr-Au сформована способом вакуумного напилення. Активна напівпровідникова структура 6 являє собою діод Ганна з фосфіду індію. До протилежних сторін структури 6 сформовані омічні контакти 7. Завдяки плоским гнучким виводам 8 верхній анодний контакт з'єднується з кришкою 3. Нижнім катодним контактом, напівпровідникова структура 6 вісесиметрично з'єднується з верхньою площиною виступу 4 тримача 5. Висота об'єму, в якому b 30 35 розміщена напівпровідникова структура з електричними виводами рівна 1 =0,2 мм. Виконаний пристрій дозволив зменшити ємність діелектричних опор до 0,02 пФ, а паразитну індуктивність гнучких виводів до 0,005 мГн. Таким чином на частоті 200 ГГц в узгодженому навантаженні в безперервному режимі одержано НВЧ-потужність 200 мВт. Джерела інформації: [1] G.Cachier., J. Espalgnol., and J. Stevance. Millimeter-Wave pretuned modules. IEEE Trans., vol. MTT-22, №5, May, 1979. - Р. 505-510 [2] Аналог. M. Heitzmann and M. Boudot. New progress in the development of 94-GHz pretuned modul silicon IMPATT diode. IEEE Trans on Electron Devices, vol. ED-30, №7, July, 1983. - Р. 759763 [3] Прототип. С. Dalle, P.-A. Rolland, and G. Lleti. Flat doping profile double-drift silicon IMPATT for reliable CW high-power high-effiency generation in the 94-GHz window. IEEE Trans on Electron Devices, vol. 37, №1, January, 1990. - Р. 228-236 4 UA 87875 U [4] B.B. Никольский, Т.Н. Никольская. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: "Наука", 1989г. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Активний дискретний НВЧ-пристрій з двома каскадами радіальної лінії передачі, який містить в собірозташовані вісесиметрично напівпровідникову активну структуру дискової форми, до плоских сторін якої створені низькоомні катодний та анодний контакти, яка представляє собою діод, циліндричний тримач, на торцевій площині циліндричного виступу якого закріплена катодною стороною напівпровідникова структура, кільцевий ізолятор з кришкою, плоскі поверхні якого металізовані та який нижньою плоскою стороною закріплений на виступі тримача і охоплює напівпровідникову структуру, гнучкі плоскі провідники, що з'єднують анод структури з верхньою металізованою площиною ізолятора, який відрізняється тим, що кільцевий ізолятор додатково має діелектричні металізовані з торців опори, які оточують виступ тримача з напівпровідниковою структурою, причому сумарна висота b 1 напівпровідникової структури з гнучкими виводами, що обмежена кришкою визначається співвідношенням b1  Z1  2r1 , де:  2 Z1  Z (Zн  Z )1/ 3 20  1/ 2 - сумарний імпеданс діода, гнучких плоских провідників, кришки та виступ тримача, що утворюють перший каскад радіальної лінії передачі, Ом; Z  - повний імпеданс діода, Ом; Zн - повний імпеданс навантаження, Ом; r1 - радіус виступу тримача, мм; а висота діелектричних опор b 2 знаходиться з виразу: 25 b2  Z2  2r2 ,  де: 2 Z2  ( Zн  Z )1/ 3 - сумарний імпеданс зовнішнього радіусу кришки, висоти діелектричних опор, 30 35 зовнішнього радіусу виступу тримача, що утворюють другий каскад радіальної лінії передачі, Ом; r2 - зовнішній радіус кришки, мм;  - відносна діелектрична проникність матеріалу діелектричних опор, безрозм. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що торцеві поверхні опор, які виступають за межі кришки, не металізовані. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що кришка виконана у вигляді кільця з внутрішнім радіусом r1 . 5 UA 87875 U 6 UA 87875 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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