автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Быстродействующие диодно-транзисторные ограничители мощности для приемных модулей СВЧ в гибридно-интегральном и монолитном исполнениях

ЮСКОБСШ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Р г 6 ОД ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ •

; 1 * *п / ^ г- л

к I 1-.,,п ¡...,.;: ' , ,

> • '

На правах рукописи

ЛЛЗУНИН Юрий /Нэксеовнч

ШСЯРОДЕЙСТБУКВДЕ ДИОДНО-ТРЛШКСТОРШЕ 0ГРШЧИ1ЕЛИ ШЕВОСТИ ДЛЯ ПРКЕШХ ШДУЛЕЯ СВЧ В ГКБРЩСУ ИНТЕГРАЛЬНОМ И ШЮШЮН ИСПОЛНЕНИЯХ

Об. 27.01 - Твердотельная адектропика и ьжроэлектрошш!

л ■

Автореферат

диссертации на соисшше ученой степегш кандидата технических наук

Цэсква - 1993

Работа выполнена а паучпо-проиэводствеппом пред- . приятия "Салит"

Яаучный руководитель - доктор технических ипук

профессор ЛЕ&Седев . Офвдпиагшо оппоненты - доктор технических паук .

профессор Е Г. Калика - кандидат технических парс Д. Я Ропкй

Ведутя организация - указала в ре сепии

специализированного Совета

• Заарста диссертации состоятся 11 июля 1ВСЗ г. п 15 час. 00 иш. в ауд. N Г-409 па заседали! спэцма- ■ : ¿пганроваппого Совета К 053. 10.00 Кэсковского ордена Лепила и ордена ОктяОрьсгоД Резолиция спэргетичэского института по адресу: 100033, ГСП, Иэсква Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Совет М

. С дпссортащгей штао ознакомиться в ОнЗототега 1211.

. Автореферат разослан " ^ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. ф. м. я.

И. А. Каретников

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание и совершенствование pin-диодов позволило улучшить характеристики управлявших СВЧ-устройств по сравнению с газоразрядными сВЧ-приборами . Выпуск промышленностью бескорпусных pin-диодов облегчил вадачу создания интегральных схем для управления СВЧ-сигналом. Однако существенными недостатками интегральных управляющих устройств, использующих промышленные pin-диоды, являются ограниченное быстродействие и значительное токопотребление, а тага® трудоемкие сборочно-мон-тахные операции, приводящие к разбросу параметров и снижению надежности. Пээтому микроминиатюризация, увеличение быстродействия и уменьшение токопотребления представляют собой важные задачи при разработке сверхвысокочастотных управляющих устройств.

Проблемный характер указанных задач обусловлен сложностью физических процессов, происходящих в твердотельных структурах, а таю® существованием у управляющих СВЧ-устройств двух рабочих состояний, резко различающихся тяду собой по физическим характеристикам и противоречащих друг другу по требованиям режимов низкого и высокого уровней мощности. Условия работы управляющих приборов оказываются слоднее, чем у генераторных, усилительных и преобразовательных твердотельных приборов.

Одним из путей разрешения проблем интегральных управляющих устройств является соверщенствование самих активных элементов. Здесь представляет интерес выбор новых типов полупроводниковых материалов, оптимизация профиля легирования полупроводниковых структур. Создание быстродействующих микроминиатюрных СВЧ устройств становится возмогшим при использовании современных достижений полупроводниковой техники. Эта возможность, связанная о созданием монолитных СВЧ приборов и устройств на основе арсенида галлия, неоднократно дискутировалась в прошлом и. как известно, начала использоваться в зарубежной электронной технике. При работах в этом направлении возникает и немала научных и практических проблем щ>оектирорания управляющих устройств, таких как

- создание н»>лин«'йных моделей полупроводниковых приоров, учитииающих специфику приминания в . управляппих уст•

роАствах;

- разработка методов повышения входной модности и обеспечения эффективного теплоотвода;

- обеспечение надежности и сохранения работоспособности устройства при выходе из строя одного или.нескольких активных элементов.

Указанные выше трудности возрастают при создании монолитных управляющих устройств. Приходится решать не только проблему получения высокого ослабления и юлой просачивающейся мощности в режиме запирания, но и задачу пропускания сигнала с минимальными потерями в другом рабочем режиме. Требование повышенной рабочей моелости, весьма важное в современной электронике, епр более ватрудняет повышение быстродействия управляющих устройств ввиду необходимости увеличения активного объема твердотельных структур.

Разработка интегральных ограничителей, в частности, производится на основе приемов и решений, заимствованных из хорошо развитой техники дискретных управляющих устройств. В результате возрастающие требования к ограничительным устройствам удовлетворяются главным образом за счет роста сложности их электрических схем, бев учета нелинейных свойств управлявшего элемента и характера поставленной задачи. Этот путь проектирования устройств практически исчерпал себя - он приводит к применению схем со структурной избыточностью, затруднявшей достижение требуемого эффекта или параметров.

В работах /1-17/ показана возможность преодоления большинства указанных трудностей и создания нового поколения монолитных ограничительна устройств. В основу атих устройств положен принцип использования управляемого СВЧ мощностью элемента (детектора) и элемента управления мощностью (ключевой ячейки). Однако возможность непосредственной их монолитизащи на базе микрополосковой линии передачи не является вполне очевидной. До последнего времени практически не имелось сведений о создании монолитных ограничительных устройств. Основное внимание в данной работе уделено монолитным ограничителям на полевых транзисторах и диодах с барьером Шэттки на-основе арсенида галлия.

Актуальность данной работы обусловлена развитием современных радиоэлектронных систем и в особенности требованиями к ин-

теграливации и микроминиатюризации бортовой и носимой аппаратуры при повышенных требованиях к надежности и быстродействию. Создание твердотельных малоинерционных интегральных и монолит-рыж ограничителей мощности, способных в ряде случаев заменить существующие типы воляоводных управляющих и галопных устройств, относится к числу важных вадач, стоящих перед твердотельной СВЧ электроникой.

' ¡¡елью работы является создание план арньа, гибридных и монолитных ограничителей мощности, сочетающих высокое быстродействие с малыми габаритами.надежностью при обеспечении высоких энергетических параметров и характеристик, диктуемых требованиями современных радиоэлектронных систем.

Цель достигается путем:

- совдшшя математической модели ключевого полевого транзистора с ватвором Шэттки и использования этой модели для проектирования управлявших устройств;

-анализа с помощью ЭВИ и экспериментального исследования раврабатываемых твердотельных интегральных и монолитных ограничителей модности, при создании которых использованы достижения пленарной и монолитной СВЧ техники и технологии;

- поиска новых конструктивных решений.. обеспечиваших интеграцию, монолитк8а»аш и существенное повышение быстродействия 8а счет использования диодов и полевых транзисторов с барьером ПЬттки;

- разработки путей инженерного расчета предлагаемых конструктивных реиений. ;

Научная но вив «а Исследованы, обоснованы и реализованы пути обеспечения самоуправляемости твердотельных СВЧ ограничителей мощности при использовании ключевых полевых транзисторов с ватвором ПЬттки. Предложена и применена в разработках новая разновидность монолитных СВЧ ограничителей мощности на основе арсенида галлия. СВЧ ограничители, построенные данным способом, позволяют существенно расширить рабочий диапазон частот, уменьшить габариты и повысить быстродействие по сравнению с известными в настоящее время пленарными ограничителями, использующими традиционные pin-диода Предложены, исследованы и применены в серийной аппаратуре новые схемы пла-нарно-интегральных согласованных ограничителей СВЧ, в которых рассеяние СОТ мощности происходит в согласованной на'-руэке

Согласованные СВЧ ограничители, разработанные по этому методу, позволяют повысить рабочую мощность и уменьшить нелинейные искажения по сравнению с известными отражающими ограничителями каскадного типа

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты направлены на решение важной задачи современной СВЧ электроники - микроминиатюризации и повышения быстродействия планарно- и монолитно-интегральных СВЧ устройств при использовании принципов проектирования современных твердотельных СВЧ элементов с сохранением других электрических параметров. Предложены и защищены авторскими свидетельствами принципы и схемы пленарных и монолитных СВЧ ограничителей мощности.

Впервые реализованы экспериментальные макеты твердотельных монолитных самоуправляемых ограничителей мощности, изготовленных на основе GaAs кристалла размером 1x1 мм с рабочим диапазоном от постоянного тока до 10-см диапазона длин волн. Зарубежные и отечественные аналоги устройств, обладающие сходным комплексом параметров, до настоящего времени отсутствовали.

Применение нелинейной модели ключевого ПГШ, предложенной в данной работе, позволило проектировать защитные устройства на ЭВМ в системе автоматизированного проектирования типа PSPICE, NAP2, не прибегая к обработке большого количества экспериментальных данных.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Предложенные разновидности монолитных ограничителей мощности, основанных на взаимодействии полевых транзисторов и диодов с барьером Шоттки, с использованием материала GaAs, обеспечивают их самоуправляемость и существенное расширение полосы рабочих частот от постоянного тока до сантиметрового диапазона волн с уменьшением габаритов и увеличением быстродействия. Реализация СВЧ ограничителей в виде арсенид-галлие-вых монолитных схем, созданных в результате проведенной работы, решает проблему совмещения их с защищаемыми монолитными усилителями на одном кристалле.

2. Нелинейная модель ключевого полевого транзистора с затвором Шоттки, включающая полную эквивалентную схему полевого транзистора и учитывающая насыи^ние проходной вольт-амперной характеристики. пробой аитворл Шоттки и вольт-сродные характеристики барьера, оО"С11"чие«*т расчет кик статических харак-

теристик (в первую очередь прямой я обратной ветвей вольт-ам-яерной характеристики транзистора), так и амплитудных характеристик управляющих устройств на ПТШ, в том числе и в условиях высокого уровня мопдаости СВЧ сигнала.

3. Повышение предельной средней входной мощности СВЧ ограничителей планарно - интегрального типа сантиметрового диапазона длин воля и приближение их по этим параметрам к объемно- волногодным твердотельным ограничителям (при современных типах полупроводниковых структур) достигается созданиеи планарно й согласованной системы, обеспечивающая рассеяние мощности в сосредоточенном или распределенном резисторе.

4. Предложенные решения обеспечивает создание как узкополосных устройств с оптимальными параметрами в режимах пропускания и запирания СВЧ сигнала, так и устройств, обеспечивающих широкую полосу рабочих частот в самоуправляемых ограничителях и модулях СВЧ.

Реализация в науке и технике. Гйучно-исслэдовательский раздел работы выполнялся в соответствии с Координационными планами научных исследований АН РФ по проблеме "Физическая электроника", раздел 1.5.2.8. - "Твердотельная электроника СВЧ". Результаты диссертационной работы внедрены в 20 опытно конструкторских и научно-исследовательских работах Научно-производственного предприятия "Салют", ШЕСТИ "Радар", НПО "Волна", что подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следуюсзге научно-технических семинарах и конференциях:

1. VI Всесоюзный научно-технический семинар "Автоколебательные системы и усилители в радиотехнических устройствах" (Рязань, 1987).

2. VII Всесоюзная пкола-семинар "Автоколебательные системы и усилители в радиопередающих устройствах" (Рыбачье, 1988).

3. Всесоюзная научно-техническая конференция "Интегральная электроника СВЧ" (Красноярск, 1988).

4. Всесоюзная научно-техничрская конференция "Твердотельная электроника СЕТ (Киев, 1Э9С0.

5. Всесоюзный научно-технический семинар "Пэрспективныв элементы СВЧ" (Ленинград, 1991).

Г^ликации^ Пс теме диссертационной работе спубл^тковано 15 статей и тезкссв доклэдгв и псдучено 7 авторских свидетельств

на изобретения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, закшочения и приложений, имеет общий объем 145 страниц, в том числа рисунка на 26 страницах, 13 страниц приложений п список литературы из 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, кратко рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цель диссертации, научная новизва и практическая ценность полученных результатов, приведены научные положения, выносимые на защит/.

В первой главе рассматривается состояние разработок по тематике диссертационной работы, приводятся исходные положения создания диодко-транзисторных ограничителей. Существуют по крайней мере три подхода, взаимно дополняющие друг друга:

1. Оптимизация и конструктивно-технологическое совершенствование существующих типов ограничительных pin-диодов с тонкой базой, а также диодов Шоттки; повышение их рабочей частоты и быстродействия с использованием достижений современной электроники.

2. Разработка и совершенствование электродинамических систем ограничителей с использованием успехов, достигнутых в последнее время в интегральной технике СВЧ, в особенности в миллиметровом диапазоне длив волн.

3. Синтез новых типов нелинейных ограничительных элементов, не сводящихся к традиционным вариантам диодных пассивных или квазиактивных ограничителей.

Приведена методика расчета амплитудной характеристики, достаточно удобная для проектирования ограничителей на полупроводниковых диодах. Однако возникает проблема нахождения амплитудной характеристики для ограничительных устройств на полевых транзисторах. Более того, недостаточно хорошо изучена нелинейная модель ключевого ПГШ, который, в отличие от pin-диодов, имеет более сложную эквивалентную схему, параметры которой зависят от напряжений на электродах.

Рассматриваются особенности микроминиатюризации управляющих устройств СВЧ диапазоне.

Показаны пути повышения быстродействия СВЧ ограничителей:

- 9 -

- применение диодов с барьером Шоттки;

•- использование полупроводникового материала с Оолее высокими подвижностью и дрейфовой скоростью носителей заряда ((ЗзАз Вместо 51);

- использование кшочевых полевых транзисторов вместо рт-дио-■дов, поскольку в структуре ПТШ отсутствует накопление заряда, обусловленное неосновными носителям!.

Перспективным путем создания твердотельных ограничителей является сочетание как диодов с барьером Шэттки и рт-диодов, так и полевых транзисторов в единой полупроводниковой структуре на основе ВаАз.

Вторая глава посвящена описанию принципов действия, конструкций и эквивалентных схем интегральных СВЧ ограничителей мощности, предложенных в ходе работы.

Резонансный микрополосковый СВЧ ограничитель {рис. 1,а) содержит два диода, один из которых - переключательный, а второй

- диод ПЬттки, включенные раанополярно на расстоянии, равном четверти длины волны. Замыкание диодов на корпус по СВЧ сигналу осуществлено посредством разомкнутых емкостных плейфов. Параллельно диодам подключены индуктивные плей£ы, длина которых выбрана из условия параллельного резонанса индуктивного импеданса шлейфа с емкость» закрытого Диода. В то же время индуктивности открытых диодов (в режиме ограничения высокого уровня мощности) образуют контуры последовательного типа с емносткыи импедансом шлейфов.

Для расширения рабочей полосы частот предложена схема трех-диодного ограничителя. Частотный диапазон данного устройства разбивается на два поддиапазона: верхний и нижний. При достижении определенного уровня падащей на вход ограничителя мощности детекторные диоды открываются, выпрямленный ими ток открывает рт-диод. Для верхнего поддиапазона электромагнитное взаимодействие осуществляется преимущественно между первой парой диодов, а для нижнего поддиапазона - между второй парой диодов. Полоса рабочих частот в режиме запирания СВЧ сигнала составляет не менее 4 октав в дециметровом диапазоне волн.

Исследования совге»#гнных токкойаэовкх рт-диодов показали, что такие диоды не могут обеспечить сильную зависимость импеданса от уровня входной СЕЧ мощности без подпитки, на-шнзя с сантиметрового диапчз-.-нз длин волн. Поэтому для создания т^ка

Qi

62

fpiO fpift)

л t,k

\7 yi>2

\7 VDi

Рис i

[рямого смешения pin-дкода необходимо применять диоды Шоттки, (ключенные как в тракт СВЧ, гак и связанные с линией передачи госредством пассивных или активных элементов. Сочетание ключе-юй ячейки и детекторной секции приводит к созданию иирокопв-тосного ограничителя (рис. 1,6). Замыкание переключательных ди-)дов VD1 (pin) и VD2 (pin) на корпус осуществлено посредством юроткозамкнутьи заземляющих полосков VP1,...,VP4. ГЬследова-:ельно соединенные диоды VD3 (pin) и VD4 (ДЕШ) - детекторная :екция - замыкаются на корпус заземляющим полоском VP5. Шро-■овая мощность определяется соотношением импедансов диодов fDl,YD3 и YD4.

Создание широкополосных малошумяших транзисторных усилите-ней привело к необходимости совмевзения усилителей и устройств !ащяты в едином модуле СВЧ. Такой подход обусловлен в первую зчередь увеличением надежности и улучшением совместных элект-зических параметров МШУ и защитных устройств, в частности, уменьшением коэффициента шума, увеличением допустимого уровня зходной мощности и снижением пороговой мощности. На ряс. 1,в токазан модуль СВЧ с уменьшенным коэффициентом шума и малой юроговой мощностью. Это достигается за счет переноса детекторной ячейки (диод Шэттки VD2 и блокировочный конденсатор }бл) со входа МШУ на его выход. Снижение ^ коэффициента шума >супрствляется путем уменьшения потерь пропускания входного эграничителя, а уменьшение пороговой мощности - путем усиления зходного сигнала МШУ.

Условия работы ряда радиоэлектронных систем требуют использования ограничителей СВЧ мощности, коэффициент отражения которых во всем динамическом диапазоне которых не превышает заданного малого значения. В пассивном диодном ограничителе, триведенном на рис. 1,г, обеспечивается согласованное ограничение сигнала в определенной полосе частот.• В режиме запирания все напряжение падающей СВЧ волны прикладывается к цепочке, :остоящей из последовательно соединенных диода VD2, сосредоточенного резистора диодов VD3 и VD1. Импеданс данной цепочки близок к волновому сопротивлению линии передачи. Тем самым осуществляется режим, близкий к согласованию ограничителя со :тороны его входа.

Повышение рабочей частоты приводит к уменьшению геометрических размеров сосредоточенного резистора Ra • Одновременно

уменьшается и рассеиваемая мощность ограничительного уст ройства. Этот недостаток устраняется применением распределен ного резистора На рис. 1,д приведена топологическая схема ог раничителя, где роль сопротивления С. играет распределении резистор £В0 .

Предложенные устройства не требуют разработки новых техно логических приемов и базируется на хорошо освоенной технологи фотолитографии. Параметры ограничителей приведены в таблице.

В третьей главе предлагается нелинейная модель полевоп транзистора с затвором Шэттки, предназначенная для проектирования управляющих устройств в режимах малого и вьсокого уровней мощности.

Анализ переходной характеристики 1сСУ,и) (зависимость тока сток-исток от напряжения У^ ) выявляет недостаток существующих выражений для тока стока 1С - ни одно из них ж описывает эффекта насьшекия тока стока при положительных управляющих напряжениях яа затворе, которое играет основную ролг при расчете обратных ветвей.'

В настоящей работе предложены два выражения, обеспечивая®« более полное феноменологическое описание рассматриваемых зависимостей с учетом особенностей насыщения при положительных напряжениях на затворе:

, с«

или '___

F.[iЛШ(Vs-\/.)/^^[l^~Vi/Vвrc)l1-Vi/^tв)))/z , (2)

где У} - управляющее напряжение на затворе; V.«- напряжение отсечки; % • контактная разность потенциалов;

(1-0,... ,5), V, " параметры юделк. Тогда выражение для генератора тока [с при произвольны:« значениях напряжения сток-исток Уси можно представить как

11с. Г (V,) 1к (« У<и/( V, - Увтс)), о < V, < V.,, .

]t.] ]<ы 1кЫ Уси /К - Ус.£ )). V, , ^ , (3)

I о , V, * ,

СТОК

и

'си

ИСТОК

Рис.2.

Рйс.З

- и -

где

У,И , при У,и< О, У к .при Ки> О,

где 1<„ - ток насыщения 1ТГШ при V, «V,, с< - параметр. С помощью выражения (3) и эквивалентной схемы ГПШ, приведенной на рис. 2, можно рассчитать статическую вольт-амперную характеристику ПТ" (рис.3). Из рис.3 видно, что в данной работ« впервые произведен достоверный расчет вольт-амперной характеристики ГПШ и проведено сравнение с экспериментальными данными.

На основе предложенной модели ПТШ и с учетом характерЕ распределения пространственного заряда в различных точках ВАЗ по поперечному сечению ПТШ объясняется причины асимметрии прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики, а также механизм ограничения входного сигнала в ключевом устройстве не полевом транзисторе, шунтирующем линию передачи.

С помощью указанной нелинейкой модели проведен расчет амплитудно-частотных и амплитудных характеристик монолитного ограничителя на сочетании ПТШ и ДБШ (рис. 4. в). Проведенный расчеты показывают согласование с экспериментальными данными.

В четвертой главе описаны конструкций и принципы работы новых разновидностей монолитных ограничителей на основе ОаАз и пути повышения их быстродействия.

Принцип построения монолитных ограничителей на сочетании ПТШ и ДБШ основывается на модификацию! каскадной схемы, содержаний управляемый мощностью элемент (детектор - ДБШ) и элемент управления мощностью, в качестве которого используется рш-диод. Замена рш-диода на ключевой ПТШ, последовательно или параллельно включенный в микрополосковую линию передачи, позволяет получить ключевую ячейку.

На рис. 4,а приведена схема резонансного ограничителя. Ограничитель представляет комбинацию ДБШ и ПЛИ Дроссчль совместно с емкостью закрытого ГГТШ образует резонансны!» контур на рабочей частоте. Воздействие высокого уровня мошн.^тк на ограничитель приводит к появление на контактах ПТИ' гист-янного напряжения, вызванного детектированием сигнала СВЧ. На::ряя=-

нас, продетектнрованное ДСЗ, прикладывается к переходам ПТ1 (затвор-нсток и сток-затвор). Начниая с определенного уровня входной мощности, это напряжение приближается к напряженка отсечки ПТЗ. Сопротивление канала ПТ1 увеличивается, что приводит к ослабления входного сигнала.

Для снижения просачивавшейся моцности предложено устройство, эквивалентная схема которого приведена на рис.4.б. О данной схене ДБЗ выступает как источник постоянного смежения для ПТЗ и как элемент СВЧ тракта, дополнительно ослаблявший входнув СВЧ мощность и, следовательно, цменьвавчий величина просачивавшейся модности.

Однако данные схемы (рис.4.1,а и б) резонансного типа. Для расширения полосы рабочих частот необходимо параллельное вклв-чение двух ПТЗ 1)Т1 и ()Т2 и сосредоточенной индуктивности меяду ними (рис.4,в).

В режиме пропускания напряжение от источника смешения через рсзистори (?„ . Я, и К обеспечивает смешение на затворе ПТЗ из условия |Ц„|> |1ЛГ«1 .. Рабочая полоса частот в режиме пропускания сигнала определяется в основном фильтром нижних частот, образованным емкостями ПТЗ 0Т1, ЧТ2 и вклвченной между пик« индуктивности . '

При увеличении уровня входной мощности СВЧ сигнал создает на резисторе детектора (?д постоянное напряжение автоматического смешения, которое пнчитастсв из напряжения и приводит к уменьшение напряжения на затворах ПТЗ. Когда напряжение на затворах становится больше напряжения отсечки, входной импеданс клвчевой ячейки уиеньжается, что приводит к ослаблении СВЧ сигнала.

Экспериментальные макеты изготавливались на основе полуизо-лируидего арсенида галлия. Требуемая конфигурация кикропо-лосковой линии, цепей подачи смешения, .резисторов, полевых транзисторов и диодов обеспечивалась методом фотолитографии с помошьв нескольких сотожаблонов.

Размеры кристаллов монолитных ограничителей составляет 1х1х 0,1 мм. ПТЗ имеет встречно-жтыревув конструкции с суммарной вирнной затвора 1 мн при длине затвора I мкм.

Потери пропускания резонансного ограничителя в сантииетропои диапазоне длин полн составляет 1 дБ, что связано с высоким со-

ПрэТЧ/лАгеие-М СбоК-иа** &СН'

L?

лп

vr

VT flR 21 vp

L

VP

2S

ВЛ

г

L

"P -rrw.

№

+ VD2

ж VP*

ж i i RA

ß

Рыс,4

Снижение сопротивления приводит к повышению напряжения отсечки, что в своп очередь ведет к увеличении пороговой мосрос-ти. Пороговая мощюсть составляет около 50 мВт, а развязка 18 дЕ Быстродействие ограничителя не хуже Б кс.

Исследовшгоя сверхширокополосного ограничителя показали, что в полосе частот от постоянного тога до 3 ГГц потери пропускания ограничителя не превышнт 0.5 дБ, потери запирания -пе юнее 18 дБ. Ияксимальнал просачивающаяся мощность не пре-вшяэт 120 мВт при изменении мощности на входе до 2 Вт. Допустимая импульсная мощность (длительность импульса - 1 ккс, скважность - 100) составляет 12 Вт. Время переключения устройства, оцениваемое по просачгазакпгэ»г/сп импульсному сигналу, составляет не более 2 не. Краткая сводка параметров предложенных защитных устройств и зарубежных аналогов приведена в таблице.

Таблица

Схема I Пзлоса ! Прямые I Входная! Просачи-1 Быстро-1 Примечание па I рабочих I потери, 1мощ- I вающался! дей" I ркс. I частот, I дБ 1ность, !мощность!ствие, I

. I ГГц (X) 1 I Вт I мВт . I НС I . '

1,п i-за (вх> 0.4 2 15 ' 20

1.6 4-12 (-) 1.0 2 50 20

1.В 4-12 (-) 0.6 1 10 -

1,Г 0.1-2 (20%) 0.6 10 50 50

1.Д 1-12 (107.) 0.8 10 50 20

4,а 0-12 (3Z) 1.0 2 100 2

4,6 0-3 (-) 0.5 2 100 2

AHL Каталог фирмы

0402- 1 2-4 (") 1.4 4 10 • 50 "Avantek", Inc.

0802- ■1 4-8 (-) 1.8 4 10 50 1990

1202- •1 8-12 (") 2.2 4 10 50

UA8439 Каталог фирмы

-101 1-2 (-) 0.7 2 20 100 "Microwave As-

-601 1-12 (") 1.5 2 20 100 soc iates"1990

Сравнение с известными гаязлными устройствами показывает, что разработанные конструкции но уступает по своим параметрам

зарубежный аналогам.

В пятой главе обсуждаются результаты проведенных исследований и перспективы использования описанного в работе подхода к построению монолитных ограничительных устройств.

Важными признаками предложенных и исследованных устройств, обеспечивающими их эффективность и отличающими их от существовавших до сих пор решений, являются:

- использование сочетания полевых транзисторов и диодов с барьером Шэттки в единой полупроводниковой структуре на основе ОаАг для ограничения СВЧ сигнала;

- рассеяние мощности в сосредоточенном, или распределенном резисторе в согласованных ограничителях;

- включение полупроводниковых диодов в ШГ/ на его входе к выходе для снижения коэффициента шума модуля СВЧ и уменьшения пороговой мощности ограничителя.

В заключении кратко сформулированы результаты, полученные в настоящей работе.

1. Предложены новые разновидности твердотельных монолитных СВЧ ограничительных устройств на полевых транзисторах и диодах с барьером ПЬттки на основе арсенида галлия. Предложенные конструктивные ре пения обеспечивают существенное расширение полосы рабочих частот от постоянного тока до сантиметрового диапазона длин волн с уменьшением габаритов до размеров кристалла и создают научно-технический вздел с учетом перспектив комплексной монолитизацин (микроминиатюризации) твердотельных СВЧ устройств и приборов.

2. Предложена нелинейная модель ключевого полевого транзистора с затвором ПЬттки.

а) Впервые предложены выражения, учитывающие насыщение переходной характеристики ПТШ.

б) При помощи нелинейной модели расчитаны прямая и обратная ветви статической вольт-амперной характеристики полевого тран-вистора и объяснена ее асимметрия.

в) На основе предложенной модели произведены расчеты СВЧ амплитудно-частотных характеристик коммутирующих устройств на ПТШ и амплитудных характеристик ограничителей на ГТГЕ

3. Предложены, проанализированы и исследованы новые? тиердо-тельны; интегральные СВЧ ог; аничители м_>щности резонансного типа с огтималгнымк параметрами в режимах пропускания и а ал и-

>ания и широкополосные ограничители с многооктавной полосой ¡абочих частот.

4. Показана возможность повышения предельной входной мощ-юсти СВЧ ограничителей интегрального типа до 10 Вт и бол?е I режиме непрерывного сигнала за счет создания согласованной :истеш, обеспечив ахщэй рассеяние основной части мощности в :осредоточенном или распределенном резисторе при снижении ра-1очей мощности полупроводниковых диодов.

5. Созданы экспериментальны? шкеты вариантов предложенных ■стройств и проведены исследования гас в сантиметровом диалаэо-te длин воли, подтвердивши работоспособность и высокие техви-[еские характеристики новых ограничительных устройств.

6. Предлояэтгаэ конструктивные решения, открывая! путь к по-ыгению быстродействия СВЧ ограничителей мовдости при исполь-оваяии полупроводниковых структур, обеспечивающих требуемую шгую инерционность с временем переключения 1-2 не.

7. Предложенные конструктивна? регэния использованы в 12 пытно-конструкторских разработках, проведенных d НПП "Салют",

1 двух из которых автор был главным конструктором, а в осталь-ых - ответственным исполнителем, что подтверждено научно-тох-ич9скими отчетами и актами внедрения., Разработали»? приборы ринзнены в 6 серийно выпускающихся СВЧ приемных модулях, что одтверждено соответствуюсрост документами. '

В приложениях представлены примеры программ расчета ампли-удных характеристик ограничителей ( резонансного и сверхииро-ополосного) на языке ФОРТРАН-* и технологическая карта из го-, овления монолитного ограничителя,

йэ теме диссертации опубликованы следуйте работы: . А.с. 1Б55728 СССР. ШИ ГО1Р 1/22 Ограничитель / ПА. Лаэу-

нин. - Б. IL , 1990, N 13. . Лазунин И А., Корпев А. П. Усилитель с кусочно-линейной аппроксимацией заданной амплитудной характеристики // Радиотехника. - 1989. - H 12. - С. 77-78. , Лазунин IX А., Орлов О. С. Резонансный ограничитель СВЧ мощности на полупроводниковых диодах // Радиотехника. - 1987. - N 10. - С. 61-62.

А. с. 1322390 СССР. МКИ Н01Р 1/22 Ограничитель мощности / Ю. А. Лазунин, О, С. Орлов. - Б. И., 1987, N 25. . А. с. 1390663 СССР. МКИ ГО1Р 1/22 Согласованный СВЧ ограни-

- 20 -

читель / 0. А. Лазунин. - Б. И., 1938, N 15.

6. Лазуник ICI А. Согласованный ограничитель СВЧ мощности // Радиоэлектроника. - 1988.-N 10. - С. 87-89. / Изв. высш. учеб. заведений/.

7. Лазунин Ю. А., Орлов 0. С. Генерация второй гармоники в каскадных ограничителях СВЧ мощности. / Радиотехника. -1989. - N 1. - С. 61 62.

8. А. с. 1433524 СССР. ИКИ Ю1Р 1/22 Ограничитель могдаости /С. А. Лазунин, А. Г. вефелов. - Е И., 1989, N 20.

0. Лазунин О. А., Орлов 0. С., Оефелов А. Г. Ограничители СВЧ мощности в микроминиатюрном исполнении-на ПГШ // Всесога. научно-техническая конференция "Интегральная электроника СВЧ": Tes. докл. -, Красноярск, 14 - 16 ишя 1988. - С. 143.

10. Лазунин С. А., Фефелов А. Г. Резонансный ограшттель СВЧ мощности на йоловом транзисторе //Радиоэлектроника. - 1990. - N 5. -С. 83 - 84. /Изв. выев. учеб. заведений/.

11. Лазунин О, А., «ефелоз А. Г. Шнодитный СВЧ ограничитель мощности. // Радиотехника. - 1990. N П. - С. 14-16.

12. А.с. 1648010 СССР. Ш Ш1Р 1/22 Ограничитель / ПА. Лааунин,- А.Л, Непомнящий. - Ей., 1991, N 16.

13.. Лааунин И А., Оэ фолов А. Г. Проектирование монолитних ограничителей СВЧ мовдости // Всесоиз. научно-техническая конференция "Твердотельная электроника СВЧ": Тез. докл. - Киев, 23-26 сентября 1990.- С. 305.

14. Балдш В.А.', Лааунин D. А., Оефэлов А.Г. Арсенидгаллиевый монолитный ограничитель мощности на .ПГШ // Всесовз. научно-технический семинар "Шрспагаианш элементы СВЧ": Доклад. -Ленинград, 14- 15 февраля 1991.- С. 57-62.

16. Валдкн & А., Лазунин И А. Проектирование вольт-амперных характеристик полевых транзисторов с затвором ПЬттки // Радиотехника. - 1990. - N 8. - С. 23-25.

16. Балдин В. А. .Лааунин il А. Нелинейная модель ГОШ для проектирования управляющих устройств СВЧ // Радиоэлектроника. -1991. - N 10. - С. 24-28. /Изв. высш. учеб. заведений/.

17. А. с. 1737613 СССР / А. С. Шитников, И. В. Лебедев, ЕЕДроз-

довский, Ю. А. Лазунин. - Опубл. в ЕИ. 1992, N20, МКИ Ю1Р

___