CC BY
53
Частотш залежност КСХ вхщного плеча та втрат в каналах дшлексера наведет на рис.6 а i б, вщповщно.
Висновки
Запропонована конструкцiя хвилеводного дшлексера з плечима в Н-площиш та ^-площинними фiльтрами, для яко! створена комп'ютерна про-грама електродинамiчного аналiзу та оптимiзацil. Побудована методика синтезу апробована при проектуванш дшлексера з чотирьохрезонаторними фшьтрами для смуги частот 7912...7996 МГц та 8178...8262 МГц i може ви-користовуватись при конструюванш дiплексерiв сантиметрового та мь лiметрового дiапазонiв довжин хвиль дано! та схожих конструкцш.
Лггература
1. Yu Rong, Hui-wen Yao, K.A. Zaki and T. Dolan. Millimeter wave H-plane diplexers //
1999 Vol. III [MWSYM] - PP. 1347-1350.
2. Dittloff J., Arndt F. Rigorous Field Theory Design of Millimeter-Wave E-Plane Inte-
grated Circuit Multiplexers // IEEE Trans.: V. MTT-37.- 1989.- No. 2.- PP. 340-350.
3. Dittloff J., Arndt F. Computer-Aided Design of Slit-Coupled H-Plane T-Junction Di-
plexers with E-Plane Insert Filters//IEEE Trans. MTT-36. 1988. No.12. PP.1833-1840.
4. Маттей Д.Л, Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи свя-
зи - М: Связь, 1972
5. Омеляненко М.Ю., Цымбал В.И. Синтез интегральных фильтров на основе частично заполненных волноводов // Радиоэлектроника.- 1984.- № 5.- С.65-67.
Ежов А.В., Омеляненко М.Ю., Туреева О.В. Диплексеры сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на основе продольных индуктивных диафрагм
Представлена конструкция волноводного диплексера с плечами, расположенными в Н-плоскости, и Е-плоскостными фильтрами. Разработана программа анализа, синтеза и оптимизации размеров диплексера.
Iezhov A., Omelianenko M., Turieieva O. Centimeter and millimeter wavelength diplexers based on longitude inductive septa
The new design of H-plane waveguide di-plexer with E-plane filters is proposed. A program for electromagnetic simulation of the proposed design was developed as well as synthesis principles and diplexer's dimensions optimization program.
УДК 621.382.2.029.64
АНАЛ1З 1МПЕДАНСНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛПД
Березюк Ф.Б., Зоренко О.В.
Наведена модель потужних твердотшьних генератор1в мшметрового д1апазону, що враховуе нестацюнарний Iмпеданс Iмпульсних генераторних лавинно-пролтних дю-д в.
Вступ
Розробка iмпульсного твердотшьного генератора iз заданими електрич-ними характеристиками вимагае розгляду його стацюнарного режиму [1], включаючи: вибiр моделi генератора, яка дозволяе зв'язати його вихщш параметри з характеристиками активного елемента i ВЧ навантаження, що визначаеться геометрiею електродинамiчноl системи; визначення iмпедан-сних характеристик активного двополюсника в дiапазонi частот, ампл^уд, температур i густини струмiв живлення з метою проведення оптимального узгодження з навантаженням. Розв'язання цих задач дозволяе побудувати
г^п
LiJ
ZH( со)
генератори з характеристиками, близькими до оптимальних [2].
Постановка задачi
Для зразка лавино-прол^ного дiоду (ЛПД) структури p+-p-n-n+ необ-хiдно визначити опiр дiодного кристалу Zд на заданiй частотi, його залеж-нiсть вiд розподiлення температури кристалу 9крист та локального перерву p-n переходу A9p-n по профшю, якщо вiдомi довжини його областей Ln, Lp , концентрацп областей Nn, Np , ввiмкнений послщовно питомий опiр втрат р^, та питомий струм живлення js. Розрахунки проведет для Ln =Lp = 0,35 мкм, Nn = Np =1,8-1017 см-3 ю0= 94 ГГц, js =100 кА/см2.
Аналiз моделi генератора
Генератор на ЛПД (ГЛПД) володiе низкою специфiчних особливостей, яьа необхщно враховувати при розробщ потужних гене-ратор1в. Для цього скористаемося узагальненою екв1валентною схемою генератора [3], наведеною на ZM&) рис. 1, де введен! позначення: ZH(со) - частотно залежний ¿мпеданс фщерно! системи генератора, приведений до клем 1-1 нашвпровщникового кристала; Z^a,0) - вщ'ем- Рис. 1
ний iмпеданс дюдно! структури, залежний переважно вщ амплiтуди а високочастотного сигналу i температури 0 кристалу. Z( - слабко залежить вiд частоти, тому для спрощення аналiзу частотною залежшстю Z^ro) можна нехтувати, оскiльки Zn(ro) звичайно е швидко змiнною функщею частоти со. Умова стащонарного режиму в такш cxeMi можна записати як ZH (ю) + Zд (а, 0) = 0 . Геометрична Рис.2
штерпретащя цього рiвняння на комплекснiй площинi (R, jX) при 0 = const представлена на рис.2, де iмпеданс дюда Zд побудований зi знаком мшус. В такому зображеннi перетин лшш iмпедансiв дiоду та генератору Zn(ro) = -Z;{(a,Q) вказуе на точку стащонарного режиму ко-ливань М. Стршками вказано напрям збшьшення амплiтуди a i частоти ю. М - стiйка точка стацiонарного режиму з частотою ю0 i ампштудою а0 при фiксованiй температурi дюда 00. Проте температура дюда при робот в iмпульсному режимi е функцiею часу протягом вше! тривалостi iмпульсу, а отже частота та амплитуда НВЧ iMпульсу е величина, залежна вiд часу. На рис. 3 для шюстрацп, по- Рис.3 будовано iмпеданс високочастотного (ВЧ) навантаження та iмпедансу дюда для фшсованих температур 01 - 04, (01 <02 <03 <04). Штриховими лiнiями показана е^ампштудна залежнiсть (a0<a1<a2<a3). З рисунку видно, що при змiнi температури дюда точка стащонарного режиму перемщуеться таким чином, що змшюеться i ампл^уда i частота коливань. Деякi явища,
важливi для практично! реашзаци потужних iмпульсних ГЛПД, вивчеш недостатньо. Це, зокрема, особливост температурно! залежностi iмпеданс-них характеристик ГЛПД, що працюють за велико! густини струму жив-лення, при розподшенш температурi кристалу, а також вплив параметрiв активного шару (област р i п) на температурну залежшсть динамiчних характеристик дiодiв.
Оптимiзацiя характеристик iмпульсних ЛПД
Одшею з основних задач, що виршуються при розробцi ГЛПД, е ви-значення оптимальних параметрiв активного шару (довжини Ьр, Ьп i рiвня легування Ып, Ыр) та плошд кристалу дiода 5лпд, за яких досягаеться максимальна вихщна потужшсть Рвих в заданому дiапазонi частот. Для iмпульс-них ГЛПД мае практичний штерес визначення вказаних параметрiв, що за-безпечують генеращю гранично велико! вихiдно! потужностi, оскшьки в цьому режимi роботи густина струму, обмеженого розiгрiванням активного шару дюда, i струму, при якому вихщна потужнiсть досягае свого граничного значення, виявляються сумiрними. При роботi iмпульсних ЛПД в дiапазонi температур на змiни повно! провiдностi дiода, обумовленi внут-рiшньоiмпульсним розiгрiванням, накладаються додатковi вiдхилення, спричинеш змiною Тдовк. До важливих питань, також вщносяться особли-востi поведшки комплексно! провiдностi ЛПД, що працюють за велико! густини струму живлення, в дiапазонi температур навколишнього середо-вища i дослiдження способiв !! стабiлiзацi!.
Залежшсть гранично1 вихщно1 потужностi вiд умов експлуатаци
Дослiдження впливу параметрiв активного шару дводрейфових ГЛПД р-р-п-п-типу на динамiчнi характеристики здiйснювалося методом мате-матичного моделювання на ЕОМ, використовуючи локально-польову модель роботи ЛПД, яка достатньо точно описуе нелшшш процеси в ЛПД i дозволяе дослщити динамiчнi характеристики дiодiв з рiзною структурою активного шару в широкому дiапазонi частот, густини струму живлення, ампл^уди змшно! напруги i температури активного шару. Розраховували-ся значення активно! Я i реактивно! X складових повного опору, вихщно! потужностi Р i ККД дiодiв з рiзними довжинами р- i п- шарiв Ьп, Ьр та рiв-нем !х легування Ип, Ыр. Розрахунки виконаш при температурi активного шару 0...200 0С в iнтервалi значень густини робочого струмуамплiтуди змiнно! напруги на дiодi и~(и~~а) i питомого опору втрат р^. В розрахун-ках довжина р- i n-шарiв варiювалася вiд 0,3 до 0,5 мкм, що на частой 94 ГГц при 0крисх=150°С вщповщае оптимальному куту прольоту електрошв i дiрок. Рiвень легування активного шару вибирався так, щоб збщнена область за робочих умов займала приблизно всю його довжину. Для вибра-них довжин р- i n-шарiв необхiдний iнтервал значень (визначених за результатами розрахунюв залежностi товщини збiдненого шару вщ концент-
17 3
рацi! домшок) рiвня легування складае (1,2...2,0)-10 см .
Дослщження впливу опору втрат на динамiчнi характеристики прово-дилися при змш1 р^ вiд 1-10- до 5-10- Ом/см, що приблизно вщповщае до-сяжним значенням для дiодiв короткохвильово! частини мм-дiапазону. Для всiх дослщжених моделей дiодiв з рiзними параметрами активного шару густина струму при якiй досягаеться гранична вихщна потужнiсть Ргр, знаходилася в межах 80... 120 кА/см2. Меншим граничним струмам вщпо-вiдае модель з меншими рiвнями легування Ып i Ир i бiльшими довжинами прольот1в Ьп i Ьр. Амплiтуда напруги и~, за яко! досягалася Ргр, змшювала-ся в залежностi вщ параметрiв активного шару в дiапазонi 6...12 В. Меншi оптимальнi амплггуди вiдповiдали слабколегованим моделям i зростали зi збiльшенням струму Змша р^ мало впливала на частотт та iмпеданснi характеристики. Визначене стввщношення напруг и~/и0 ~ 0.6...0.65 (и0 -постiйна напруга на дiодi), при якому отримувалась потужшсть Ргр.
Результати дослiджень
Результатом роботи програми е чисельт значення параметрiв робочо! точки ЛПД, геометричне мюце точок (ГМТ) яких зображене на рис. 4, 5.
На рис. 4 показана залеж-тсть питомого опору дюда 2д на комплексны площинi вiд температури Гдовк при рiзних величинах напруги В. Температурний крок мiж точками для кожно! ль нп складае 500С i змшюеть-ся вiд 0 до 2000С. Для лiнiй при малих величинах и~ кь льюсть точок зменшуеться з боку менших температур. З ростом температури модуль опору 2д| зменшуеться. При великих значеннях и~ (>14 В) спостер1гаеться виродження активно! складово! опору (Яе(2д) >0), при якш зникае вiд'емна провiднiсть, а отже, й умови генерацй НВЧ- сигналу. В област малих значень напруги и~ спостерiгаеться виродження реактивно! складово! опору (—]Хд—> +]Хд), при якому 2д набувае чисто активного ха-
Рис.4 Температурна залежшсть 1мпедансу дюда на комплекснш пдощинi при р1зних значеннях и~ , В
N —«— 200+50 —л— 150+50 -я- 100+50 —*— 50+50 —•— 0+50
М \
/ ///1 1/ \ ' \\\
1 / \ V \
У / V >
7/ / \ \\
// / /
/ 1 / |/ / м
/ / /
/ / / В
Рис.5 Залежшсть вихщно! потужностi Рвих, Вт/см2 вiд вхщно! напруги и~ при рiзних зна-
ченнях температури 6крист+Л0р-п, С рактеру. Реакгившсть ]ХТк ви-
значае частоту генерацп, тому остання е швидкозмшною у чаш \ знаходиться значно вище робочо!. З1 зменшенням амплпуди сигналу температурна зале-
жшсть зростае, хоча одночасно при цьому зменшуеться тепловий розпрш дь ода. Даний ефект пояснюе нестабiльнiсть роботи ГЛПД при струмах, значно менших за робоч^ З ростом температури спостер^аеться значна змiна нахилу лши iмпедансу дЪд /дд та дЪд /да, що необхiдно враховувати при сиш^ сис-теми узгодження опорiв Ъд та навантаження. Крiм того, для мiнiмiзацi! внут-рiшрьоiмпульсного температурного та частотного дрейфу слщ виконати умо-ви ортогонального перетину лшш Ъд та Ън. Цю операцш неможливо виконати для обох дестабшзуючих чинникiв, бо вектор вiдхилення в них рiзний. Перс-пективним е дослщження можливостi амплiтудного або/i частотного компен-сування за рахунок використання змiнного у часi iмпульсу струму живлення
На рис.5 зображеш кривi питомо! вихiдно! потужностi Рвих при рiзних температурах кристалу та перерву в областi р-п переходу Д9р_п . Температура локального перерву Д0р_п задана i рiвна розрахунковому значенню. З рисунку видно, що максимум потужност Рвих знаходиться в межах 90...100 кВт/см , що близько до практично досяжних результат. Залежшсть екст-ремуму Рвих вiд температури виражена слабко i дае максимум при робочих температурах Экрист^150иС При цьому очiкуеться дзвоноподiбна форма НВЧ сигналу при оптимальному енергетичному налаштуванш ГЛПД. Ге-нерацiя НВЧ потужност спостерiгаеться у широкому дiапазонi амплiтуд З ростом температури напруга и~, що вiдповiдае максимальнш Рвих зменшуеться. Перехiд вiд питомих параметрiв до еквiвалентних здшсню-еться через площу кристалу 5Лцд- Велик значення 5Лцд потенцiйно можуть дати бшьшу вихiдну потужнiсть, але потребують складного механiзму узгодження i трансформацi! опору, який складае одиницi i долi омiв на робо-чiй частотi.
Висновки
Врахування приведених особливостей роботи iмпульсних ГЛПД дозволяе апрюрно проектувати твердотiльнi генератори з параметрами, близькими до оптимальних. Перспективним е проведення оптимiзацi! структури активного шару для менших питомих струмiв, дослщження впливу похибки виготов-лення та розробка ушверсальних методик розрахунку i проектування генератора пiд конкретний НВЧ параметр.
Лггература
1. Касаткин Л.В., Чайка В.Е. Полупроводниковые устройства миллиметровых волн.-Севастополь: Вебер, 2006, с.31-47.
2. Б.А. Коцержинский, В.П. Тараненко, В.А. Трапезон. Импульсные генераторы миллиметрового диапазона волн на лавинно-пролетных диодах. - Изв. Вузов СССР. Радиоэлектроника. №10. 1982, с. 56-64.
3. Новожилов У.В., Чайка В.Е. Импедансные характеристики ЛПД мм-диапазона.// Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ - 1989 - Вып. 2. с. 36-41.
Березюк Ф.Б., Зоренко А.В. Анализ импедансных характеристик ГЛПД
Приведена модель мощных твердотельных генераторов миллиметрового диапазона, учитывающая нестационарный импеданс импульсных генераторных лавинно-пролетных диодов
Berezuk F.B., Zorenko A.V. Analysis of impedance characteristics of IMPATT-generators
Model of power solid-state oscillators in a millimeter wave band is presented. This model based on non-stationary impedance characteristics of pulse oscillating impact avalanche transit time diodes.
