автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электрически управляемые микрополосковые аттенюаторы для СВЧ устройств с повышенным уровнем мощности на основе новых схемно-конструктивных решений

На правах рукописи

Р Г Б ОД

КУЗЬМИН Анатолий Николаевич

Т

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЕ МИКРОПОЛОСКОВЫЕ

АТТЕНЮАТОРЫ ДЛЯ СВЧ УСТРОЙСТВ С ПОВЫШЕННЫМ УРОВНЕМ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ НОВЫХ СХЕМНО-КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ

Специальность 05.13.05-Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Казань - 1999

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

- доктор технических наук, профессор И.К. Насыров

- доктор технических наук, профессор О.Ш.Даутов,

- кандидат технических наук Л.Н.Кудрявцев

- ФНПЦ "Радиоэлекгроника"

Защита состоится "Ж" соо/м 1999 г. в часов на заседании диссертационного совета К.063.43.05 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул.К.Маркса, 31/7, ауд.301.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного университета им. А.Н.Туполева

Автореферат разослан "А" _ 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Козлов В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современное развитие СВЧ техники характеризуется переходом от традиционного исполнения на базе волноводов к конструкциям полоскового типа, использующим технологию пленочных гибридных микросхем, что позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели СВЧ аппаратуры, появляется возможность ее комплексной миниатюризации. С другой стороны повышение эффективности функционирования СВЧ аппаратуры во многом определяется, в настоящее время, возможностью ее автоматического управления в сопряжении с ЭВМ. В частности, это относится к полупроводниковым управляющим СВЧ устройствам - самому обширному \ классу СВЧ устройств, предназначенных для электрического управления фазой и амплитудой СВЧ сигналов, основными управляющими элементами которых являются р-1-п диоды. Современная телекоммуникационная, радиолокационная и измерительная аппаратура дециметрового и сантиметрового диапазона волн требует создания электрически управляемых аттенюаторов как для малых уровней мощности (до десятков мВт), так и для средних ("50-500 мВт) и высоких (0,5 и более Вт).

Если маломощные управляющие устройства достаточно исследованы и освоены в производстве, то устройства для средних и высоких уровней мощности, особенно в микрополосковом исполнении, изучены недостаточно и отсутствуют их практические разработки. Для управляющих устройств повышенной мощности характерен ряд специфических требований: особо низкие погонные потери в полосковых проводниках; необходимость создания малогабаритных согласованных пленочных диссипативных элементов с учетом распределенного характера резистивной структуры и распределения мощности вдоль нее; схем. конструкций аттенюаторов, учитывающих баланс мощностей в устройстве и устраняющих перегрев полупроводниковых структур; повышенные требования к температурной стабильности электрических параметров; обеспечение электрогерметичности. Расчет СВЧУ управляющего типа затруднен отсутствием моделей элементов, учитывающих их температурные свойства и конструктивное исполнение.

V Совершенствование микроэлектронных СВЧ устройств вызывает потребность в электрически управляемых аттенюаторах программируемого типа для повышенных уровней мощности СВЧ трактов в гибридном пленочном исполнении, что говорит об актуальности работы в данной области.

Цель работы и задачи исследования.

Целью данной работы является создание микрополосковых электрически управляемых СВЧ аттенюаторов на повышенный уровень \ рабочей мощности для бортовой радиоэлектронной аппаратуры, работающей в сопряжении с ЭВМ. Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. Разработка эффективных программных средств формирования и расчета моделей элементов и СВЧ устройств управляющего типа.

2. Создание новых схемно-конструктивных вариантов СВЧ аттенюаторов в гибридном пленочном исполнении на повышенный уровень СВЧ мощности, учитывающих баланс мощностей, рассеиваемых на управляющих звеньях, включая цепи подачи смещения на активные элементы с повышенной степенью развязки по СВЧ сигналу.

3. Создание новых схемно-конструктивных вариантов мощных малогабаритных диссипативных СВЧ элементов для импульсного режима работы, оптимизированных для микрополосковой технологии.

4. Решение проблемы снижения погонных потерь в полосковых проводниках.

5. Практическая реализация и внедрение аттенюаторов и диссипативных элементов для бортовой РЭА.

Основные методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы теории матриц для расчета и анализа СВЧ устройств, методы теории вероятностей, математической статистики, структурное программирование с реализацией соответствующих алгоритмов на ЭВМ, экспериментальное исследование опытных образцов.

Научная новизна работы представлена следующими результатами, которые выносятся на защиту:

1. Предложены эффективные алгоритмы формирования и расчета математической модели ГИССВЧ, использующие-свойства их гтла-нарности и каскадности, основанные на комбинации методов узловых потенциалов и цепных матриц. Предложены модели квазкраспреде-ленного типа для бескорпусных р-1-п диодов, конденсаторов, пленочных резисторов, учитывающие их геометрические параметры.

2. Предложены принципиально новые полосково-резкстивные структуры распределенного типа дня построения мощных пленочных диссипативных элементов для импульсного режима работы и модели для их расчета.

3. Предложены новые схемно-топологические варианты аттенюаторов с повышенной стабильностью электрических параметров, включая новые варианты цепей смещения, обеспечивающие повышенную степень развязки по СВЧ при сохранении быстродействия передачи управляющих импульсов и модели для их расчета.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны управляющие устройства СВЧ в гибридном пленочном исполнении с использованием бескорпусных р-1-п диодов на повышенные уровни мощности;

- разработан пакет прикладных программ "Потенциал", оптимизированный для расчета управляющих СВЧ устройств, используемый для инженерных расчетов и внедренный в учебном процессе;

- в результате проведенной работы по хоздоговорам и госбюджетной тематике был создан ряд электрически управляемых аттенюаторов и нагрузок, используемых в аппаратуре серийного производства;

- разработан техпроцесс и создано нестандартное оборудование

для реверсивного гальванического наращивания микрополосковых проводников с пониженными погонными активными потерями.

Реализация результатов.

Теоретические и практические результаты работы использованы в хоздоговорной НИР с Казанским НИИ радиоэлектроники " Разработка комплекта СВЧ аттенюаторов в микросхемном исполнении для КПА", в хоздоговоре с НПМП "Парабола"(г.Казань) "Уровнемер вы-

сохочастотного сигнала для настройки антенны спутникового телевидения", в хоздоговоре с ТОО "ВИСТ"(г.Чистополь) "Уровнемер высокочастотного сигнала для наведения параболических связных антенн", в хоздоговорах с МНИИП (г.Москва) "Теоретическое и экспериментальное исследование ГИС СВЧ" и "Разработка сложных коммутирующих СВЧ устройств методами САПР и их экспериментальная проверка", в учебном процессе КГТУ им.А.Н.Туполева и в Стамбульском техническом университете /the Electrical and Electronics Faculty of the Istanbul Technical University/.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Автоматизация проектных и конструкторских работ", г.Москва, 1979; Всесоюзном семинаре "Интегральная электроника СВЧ", г.Новгород, 1981г.; отчетная НТК КГТУ им.А.Н.Туполева 1985г.; 2-я межрегиональная научно-техническая конференция "Микроволновые технологии и излучающие системы''. Казань, 1997г.

Публикации.

По результатам работы сделано 14 публикаций, в том числе получены 2 авторских свидетельства, 1 патент, 5 свидетельств на полезную модель. Получены б актов внедрения результатов диссертационной работы, 2 положительных решения на полезную модель, диплом победителя Всесоюзного конкурса по микроэлектронике.

Структура диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка ли тературы и приложений.

На защиту выносятся:

Новые схемно-конструктивные варианты микрополосковых аттенюаторов с повышенной стабильностью электрических параметров включая новые варианты цепей смещения, обеспечивающие повышенную степень развязки по СВЧ при сохранении быстродействия передачи управляющих импульсов и методики их расчета.

Новые схемно-конструктивные типы мощных малогабаритных диссипативных СВЧ элементов для импульсного режима работы, оптимизированных для микрополосковой технологии и модели для их расчета.

.Алгоритм формирования и расчета математической модели пла-нарных СВЧ устройств, основанный на комбинаций методов узловых потенциалов и метода цепных матриц, модели р-1-п диода, бескорпусного конденсатора, пленочного резистора, учитывающие их геометрические параметры.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований - проблемы создания микрополосковых электрически управляемых аттенюаторов на повышенный уровень проходящей СВЧ мощности.

В первой главе рассматривается состояние разработок по тематике диссертационной работы, приводится анализ причин, определяющих трудности реализации гибридно-нлсночных управляющих устройств а СВЧ диапазоне при повышенных уровнях СВЧ мощности. Среди этих факторов можно отметить отсутствие достаточного количества исследований по формированию полосковых проводников с уменьшенными потерями, по согласованным полосковым резистивкым структурам на высокие уровни импульсной и непрерывной СВЧ мощности, обозначена потребность в моделях управляющих р-!-п диодов, бескорпусных конденсаторов, резисторов, учитывающих их геоиетря-ческпс размеры, зависимость от температуры, показана необходимость анализа баланса мощности в полосковых аттенюаторах и поиск схемно-топологичсских вариантов, снижающих нагрев управляющих диодов. Определена цель и основные задачи работы, приводится се структура.

Во второй главе рассмотрены вопросы разработки эффективных программных средств формирования и расчета моделей элементов и электрически управляемых СВЧ аттенюаторов в гибридно-пленочном исполнении. В основе вычислительного алгоритма предложено использовать свойство планарности ГИССВЧ и их каскадности. Такие

конструктивные образования наиболее удобным оказывается описывать алгоритмом, основанным на комбинации методов цепных матриц (МЦМ) и метода узловых потенциалов (МУП). В этом случае узлом схемы будем называть точку соединения каскадных цепей, которые сворачиваются методом цепных матриц к эквивалентной П-образной схеме замещения, размещенной между теми же узлами, что и сама каскадная цепь. В результате результирующая матрица схемы по (МУП) в 5-10 раз уменьшает свою размерность.

Показан способ исключения операций с нулями и единицами матриц передачи четырехполюсников по методу цепных матриц, что позволяет сократить время счета по этому методу приблизительно от 4 до 7 раз. В целом комбинированный алгоритм позволяет сократить время счета в зависимости от типа рассчитываемой схемы от 5 до 10 раз, существенно упростить ввод-вывод и модификацию используемой исходной информации.

Важным.элементом с позиции сокращения общего времени анализа СВЧУ и повышения точности расчетов являются модели их элементов - бескорпусных р-ьп диодов, конденсаторов, резисторов. Реальные конструкции бескорпусных элементов имеют конечные геометрические размеры, т.е. обладают электрической длиной, что также необходимо учитывать при расчетах, например скачки волнового сопротивления, вызванные их геометрическими параметрами и др. Для решения этой задачи общим моментом для этих моделей стало введение в их состав участков полосковых линий, которые описывают их распределенные свойства. Основным дестабилизирующим фактором, снижающим точностные параметры управляющих устройств на р-Ьп диодах, являются температурные воздействия и необходимо уже на стадии проектирования иметь возможность их оценки. В работе предложена модель р-ьп диодов, связывающая их геометрические параметры, токи управления, температуру и экспериментально определены коэффициенты в формуле расчета прямого сопротивления для наиболее часто используемых на практике бескорпусных р-ьп диодов.

В третьей главе рассмотрены новые варианты схемно-топологического исполнения и методы расчета мощных пленочных

микрополосковых нагрузок, мшфонолосковых аттенюаторов, цепей смещения на повышенный уровень СВЧ мощности. Все предложенные решения защищены свидетельствами ВНИИГПЭ.

Важной задачей повышения надежности при импульсном режиме работы СВЧ 1шрузок является снижение величины мгновенного перепева резистивного слоя, что может явиться причиной частичного выгорания резистивного материала и искрообразования на поверхности резистивного слоя, приводящего к его ускоренному старению. Автором показано, что величина импульсного перегрева резистивного слоя в основном определяется теплопроводностью поверхностного слоя подложки непосредственно примыкающего к пленочному резистору и его активной площадью рассеивания. Поверхностный слой должен иметь максимальную величину теплопроводности, выполняя функции теплового аккумулятора за время действия импульса и отдающего в паузе между импульсами запасенную тепловую энергию на основной слой подложки. Автором предложена конструкция пленочного нагрузочного резистора с двухслойной подложкой, позволяющая в зависимости от выбираемых современных теплопроводных диэлектрических материалов поверхностного покрытия подложки (например алмаза, теплонита, окмала и др.) в несколько раз повысить уровни импульсной рассеиваемой мощности при прочих равных условиях, либо при той же рассеиваемой СВЧ мощности снизить соответственно мгновенную температуру перегрева.

Мощные полосковые нагрузки имеют достаточно большую площадь, что затрудняет их согласование с трактом и равномерное тепловыделение по длине. Для решения этой задачи автором предлагается конструкция нагрузки (рис.1), в которой входная полосковая линия раздваивается, посредством согласованного деления, на две параллельные линии, имеющие изгиб относительно общего центра. Между ними расположена резисгивная пленка. На начальном неизогнутом участке параллельных полосковых линий противоположные точки, лежащие на одном радиусе, эквипотенциальны и между ними нет взаимодействия. На изогнутом участке точки линий, лежащих на одном радиусе, не эквипотенциальны. Вследствие разного радиуса изгиба линий возникает плавный набег разности фаз сигналов между линия-

ми, если отсчет вести от начальной точки разветвления линий, что приводит к их взаимодействию через расположенную между ними ре-зистивную пленку. Чем дальше от начала тем больше набег фазы и больше взаимодействие между линиями и больше потерн в нагрузке, что и требуется для выравнивания тепловыделения. В предложенной нагрузке не требуется замыкание концевой части на "землю", что повышает технологичность конструкции. Предложена методика расчета нагрузки, основанная на разбиении структуры на каскадно включенные элементарные участки, расположенные вдоль радиуса изгиба, в виде двух отрезков полосковых линий с разной электрической длиной и расположенным между ними резистором прямоугольной формы. С той же целью эффективным оказалось другое конструктивное решение (рис.2). На подложку наносится полосковая линия, выполненная в виде ступенчатого трансформатора, согласующего волновое сопротивление входной полосковой линии и полукольцевой резистор малого номинала порядка 10-15 Ом. В этом случае полукольцевой резистор имеет широкую входную контактную площадку и небольшую дайну резистивного участка, что повышает равномерность тепловыделения по площади полукольцевой части нагрузки, а также снижает величину входного потенциала, действующего на нее. По бокам к полосковой линии, выполненной в виде ступенчатого трансформатора, примыкает сплошная резистивная пленка, с профилем, определенным из условия равномерного изменения волнового сопротивления на единицу длины. Принцип действия нагрузки заключается в постепенном внесении потерь в СВЧ тракт за счет шунтирующего действия резистивного слоя через емкость подложки на корпус, увеличивающегося по длине нагрузки, что обеспечивает выравнивание тепловыделения. Прошедшая к концу нагрузки СВЧ мощность поглощается в полукольцевой области. При соответствующем выборе параметров нагрузки можно отказаться от «заземления» внешней кромки полукольцевой части нагрузки, что заметно не ухудшает входной КСВ. Предложена методика расчета нагрузки, основанная на разбиении резистивной структуры на каскадное включение участков полосковых линий с подключенными к ним резистивными шлейфами прямоугольной формы с холостым ходом на конце.

2Z<¡ ; tf +180°

Рис.3

РГТ77

СД

Фд

Рис.4

Т\-XXX "<

\

3,1

Т

0 Рис.5

©-1-5Г5Г7--XXX "1-©

Ri Rj

Рис. б

Рис.7

В известных решениях нагрузочных резисторов одна из обкладок обычно бывает соединена с экранной поверхностью подложки с помощью фольговых перемычек, снижающих надежность и вносящих дополнительные реактивности в конструкцию. Возможно построение нагрузки без элементов "заземления" (рис.3). Суть его заключается в том, что полосковая нагрузка, содержащая полосковую подводящую линию и резистивную структуру, расположенные на теплопроводящей диэлектрической подложке, отличается тем, что введены два отрезка полосковой линии, соединенные одним концом к полосковой подводящей линии, а другим концом соединенные соответственно с контактными площадками резистивной структуры, причем волновое сопротивление каждого из отрезков равно удвоенной величине волнового сопротивления полосковой подводящей линии, а электрическая дайна одного из отрезков больше электрической длины другого отрезка на 180 градусов. Сопротивление резистора выбирается из условия равенства удвоенной величине волнового сопротивления участков полосковых линий непосредственно подводящих СВЧ мощность к контактным площадкам резистора.

При управлении быстродействующими мощными управляющими устройствами СВЧ возникает противоречие между необходимостью обеспечения быстродействия по цепи управления и одновременно обеспечения достаточно большой развязки, реально от 80 децибел и выше. Построение традиционных цепей подачи управляющего сигнала требует многозвенных фильтров с реактивными элементами, снижающими быстродействие передачи управляющего сигнала, и имеющих существенные размеры. В этой ситуации предлагается использовать передачу внешнего управляющего сигнала на формирователь импульса управления СВЧ устройства в виде светового импульса через предельный волновод (рис.4.), выполненный в виде цилиндрического отверстия достаточной длины во внутренней перегородке корпуса СВЧ устройства. Современные оптроны позволяют передачу импульсов с длительностью фронтов до десятков наносекунд и решают отмеченное противоречие.

Непосредственно на плате подачу токов управления на p-i-n диоды обычно осуществляют через четвертьволновые полосковые

и

шлейфы, короткозамкнутые на конце по высокой частоте. Такая конструкция обеспечивает развязку при самом тщательном исполнении не более 20 децибел в полосе частот до десяти процентов. Повысит»- развязку не менее чем на ¡5 децибел можно подключив параллельно четвертьволновому шлейфу аналогичный шлейф длиной в три четверти длины волны (рис.5). В этом случае в точку подачи смешения сигналы, проникающие через шлейфы, приходят в противофазс и взаимно компенсируют друг друга. Данный принцип распространяется и на случай подачи смещения через навесные катушки 1шдуктивнссш с длиной провода в четверть и три четверти длины волны.

На практике часто возникает потребность в электрически управляемых аттенюаторах с плавным изменением величины ослабления. Наиболее часто они реализуются по каскадной схеме лестничного типа. В отличие от маломощных устройств в трактах с повышенным уровнем проходящей СВЧ мощности необходим учет величины рассеиваемой мощности непосредственно на управляющих диодг.х. Современные типы бескорпусных р-ьп диодов при нормальной температуре позволяют рассеивать мощность до ] ватта, однако при температурах кристалла порядка 80-100 градусов по Цельсию предельно допустимые уровни рассеиваемой СВЧ мощности снижаются в 2-3 раза. Это обстоятельство существенно затрудняет создание аттенюаторов с плавной регулировкой на повышенный уровень СВЧ мощности. Снизить тепловую нагрузку на диоды можно за счет перераспределения части падающей па диоды мощности на другие элементы, например резисторы, либо использовать схемные решения с большим количеством диодов. Для увеличения рассеиваемой мощности предложено в каскадных аттенюаторах лестничного типа включать последовательно с диодами добавочные резисторы на некотором удалении с помощью согласованных отрезков полосковой линии (рис.6).

Повышенной стабильностью электрических характеристик обладает другое схемное решение полоскового аттенюатора. Суп. предложения (рис.7) заключается в том, что входная полосковая линия соединяется с делителем, который синфазно делит входной сигнал, затем 180-градусный фазовращатель поворачивает фазу сигнала, поступившего в одно из выходных плеч делителя так, что на участке вклю-

чения p-i-n диодов в обеих линиях распространяются противофазные сигналы, взаимодействующие через диоды. Сами диоды включаются через отрезки линий передачи равные четверти длины волны, как и в обычных лестничных схемах. Далее сигналы, прошедшие через участок включения диодов поступают на сумматор. Для суммирования синфазных сигналов в противоположном плече аттенюатора включается на выходе еще один фазовращатель на 180 градусов. Предложенный тип аттенюатора обладает существенными достоинствами. Во-первых, диоды оказываются включенными в тракт с волновым сопротивлением равным удвоенной величине волнового сопротивления подводящих линий. Это означает, что удваиваются величины согласованных резисторов, повышающих стабильность диодно-резистивных цепочек. В предложенном решении диоды могут управляться меньшими токами смещения, что снижает нагрев диода от тока управления. Во-вторых, здесь не требуется ни сверление подложек дня замыкания выводов диодов или резисторов на обратную сторону подложки, ни искусственное подведение контактных площадок к краю подложки с той же целью. Диоды в каждом электрическом сечении включаются попарно, т.е. общее число диодов удвоено и соответственно уменьшается нагрузка на каждый диод. Добавочный резистор включается между диодами.

При разработке аттенюаторов существует необходимость повышения стабильности регулировочных характеристик аттенюаторов, которая зависит, в первую очередь, от температурного режима работы p-i-n диодов. Используя полученные во второй главе аналитические выражения для расчета параметров p-i-n диодов в зависимости от температуры, было показано, что применение добавочных резисторов позволяет в 2-2,5 раза снизить температурную зависимость ослабления каскадных аттенюаторов лестничного типа. В работе также проанализированы температурные коэффициенты ослабления (ТКО) вариантов базовых схемных решений аттенюаторов. Было определено, что можно получить схемные решения с противоположными температурными коэффициентами ослабления, что предлагается использовать для температурной компенсации величины ослабления дискретных аттенюаторов за счет сочетания в схеме аттенюаторов звеньев с про-

тивоположпыми температурными коэффициентами ослабления. Для повышения стабильности электрических параметров дискретных аттенюаторов предложено включать в их состав дополнительное плавное звено небольшого номинала с управлением от микроконтроллера, обеспечивающего адаптивные свойства аттенюатора к температурным воздействиям, старению элементов и др.

В четвертой главе рассмотрены вопросы конструкторско-технологического плана реализации микрополосковых аттенюаторов и результаты экспериментального исследования образцов нагрузок и аттенюаторов.

При изготовлении резистивных структур весьма важным является выбор типа их технологического исполнения особенно для работы в составе устройств с повышенным уровнем импульсной СВЧ мощности. С этой целью была изготовлена методом термического вакуумного напыления серия тонкопленочных хромовых резисторов прямоугольной формы площадью в один квадратный сантиметр к поверхностным сопротивлением 50 Ом. Резисторы испытывались на пробой импульсным напряжением длительностью 1,5 мкс с радиочастотным заполнением дециметрового диапазона. В зависимости от качества поверхности подложки уровень пробивного напряжения колебался от 3 до 8 кВт на один квадратный сантиметр резистивной пленки, что свидетельствует о существенной зависимости надежности тонкопленочных резисторов от качества поверхности подложки. Для уменьшения зависимости от качества поверхности подложки был сделан переход на толстопленочную технологию при изготовлении опытных образцов.

Эксперименты показали также, что следует соблюдать жесткие ограничения на однородность краев резистивных пленок, на которых провоцируется возникновение коронного разряда, разрушающего резистор. Фотографирование канала пробоя с увеличением 500 раз позволило определить, что в отличие от характера выжигания на постоянном токе, когда вся пленка уничтожается, при импульсном воздействии пробой развивается по межкристаллитным проходам, где толщина пленки тоньше. Этот факт предложено использовать, как способ визуализации кристаллитов пленки на микроскопическом уровне.

Показано, что подложки мощных пленочных нагрузок не должны иметь отверстия для заземления частей нагрузок, являющиеся концентраторами механических напряжений при тепловом нагреве подложек, что приводит к их растрескиванию.

Экспериментально исследованы варианты нагрузок на базе трех-проводной линии и нагрузки с наложением полосковой линии на ре-зистивную пленку, описанные в третьей главе. Приведены полученные данные и образцы конструктивно-топологического исполнения различных вариантов нагрузки. Достигнуты наилучшие показатели 30 кВт в импульсе и 100 ватт непрерывной мощности. Важно отметить, что предложенные микрополосковые нагрузки, обладая аналогичными параметрами с аналогами на базе коаксиальных волноводов с резисторами типа МОУ или УНУ, в отличие от них позволяют создавать электрогерметичные конструкции антенных переключателей с массогабаритными характеристиками лучшими в 3-4 раза в едином технологическом цикле с другими полосковыми устройствами.

Проведено исследование влияния температуры на характеристики аттенюаторов лестничного типа и с переключением ветвей в диапазоне -60 до +85 градусов по Цельсию. Получены реальные температурные коэффициенты ослабления (ТКО). На базе этих данных экспериментально исследованы отсчетные аттенюаторы (с динамическим диапазоном ослабления до 100 децибел) на дискретных аттенюатор-ных звеньях с противоположными ТКО, что позволило более чем в три раза снизить температурное влияние на параметры аттенюатора в целом.

Экспериментально подтверждена работоспособность нового типа аттенюатора на базе трехпроводной линии. Исследованный образец имел максимальную величину ослабления более 35 децибел с КСВ менее 1,5.

Рассмотрены вопросы уменьшения активных потерь в полосковых проводниках, что актуально для линий передачи с повышенным уровнем проходящей СВЧ мощности. Разработан техпроцесс реверсивного гальванического наращивания полосковых проводников и методика контроля погонных потерь в полосковых линиях. Разрабо-

тано нестандартное оборудование, позволяющее снизить погонные активные потери в микрополосковых линиях не менее чем на 30%.

Заключение содержит основные результаты работы.

В приложении приведены акты внедрения результатов работы и копии свидетельств ВНИИГПЭ.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан пакет прикладных программ "Потенциал" формирования и расчета математических моделей ГИССВЧ управляющего типа, использующий свойства их планарности и каскадности и основанный на комбинации методов узловых потенциалов и цепных матриц. Предложены усовершенствованные модели квазираспределенно-го типа для р-1-п диодов, бескорпусных конденсаторов, пленочных резисторов, учитывающие их геометрические параметры.

2. Созданы два новых схемно-топологичсских варианта СВЧ аттенюаторов в гибридном пленочном исполнении на повышенный уровень СВЧ мощности, учитывающие баланс мощностей, рассеиваемых на управляющих звеньях, повысить стабильность величины ослабления и улучшить технологичность его изготовления. Получено выражение и предложена методика расчета добавочных сопротивлений диодно-резистивных цепей в каскадных аттенюаторах по критерию максимального согласования аттенюатора с трактом. Предложены две новые конструкции цепей смещения, с повышенными развязывающими свойствами, не снижающие быстродействия при передаче управляющего сигнала. Показана возможность повышения стабильности величины ослабления аттенюаторов за счет применения микроконтроллеров, обеспечивающих их адаптивные свойства в диапазоне температур и иных дестабилизирующих факторов.

3. Созданы четыре новых схемно-топологическпх типа мощных малогабаритных диссипативных СВЧ элементов для импульсного режима работы на основе резистивно-полосковых распределенных структур, оптимизированных для микрополоековой технологии. Отличительной их особенностью является микрополосковое исполнение, позволяющее снизить массу и габариты устройства в несколько раз по

сравнению с коаксиальными аналогами, оптимальным способом реализовать отвод тепла и обеспечить электрогерметичность.

4. Разработан техпроцесс и комплект нестандартного оборудования с автоматизированным управлением для нестационарного гальванического наращивания полосковых элементов с уменьшенными погонными активными потерями не менее чем на 30%.

5. Изготовлен и внедрен на предприятиях ряд аттенюаторов, нагрузок, приборов, пакет прикладных программ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Модель Р-1-К диода. А.Н.Кузьмин, М.Ф.Тюхтин, А.Г.Гудков, Л.МЛкубень. Устройства, элементы и методы комплексной микроминиатюризации РЭА: Межвузовский сборник,- Казань: КАИ, 1982, с.48-50.

2. Кузьмин А.Н., Кузнецов Д.И., Тюхтин М.Ф. Исследование микроэлектронных дискретных СВЧ аттенюаторов. // Технология авиационного приборо- и агрегатостроения. -Саратов, НИТИ, 1989, N3,0.21-24.

3. Автоматизированное проектирование микрополосковых СВЧ устройств: Методические указания к применению программы "Потенциал-2" /Казан, авиац. ин-т; А.Н.Кузьмин, А.А.Авксентьев. Казань, 1991.24 с.

4. Кузьмин А.Н., Насыров И.К. Конструктивно-технологические способы повышения мощности пленочных диссипативных нагрузочных элементов СВЧ диапазона. Н Электронное приборостроение. На-уч.-практ. сборник, - 1998г., выпуск 3.,-Казань,: КГТУ им. А.Н.Туполева, 1997, с.32-39.

5. Кузьмин А.Н., Насыров И.К., Битяков Д.И. Схемно-конструктивные варианты микрополосковых аттенюаторов на р-ьп диодах для бортовой РЭА с улучшенными эксплуатационными характеристиками на повышенный уровень СВЧ мощности // Электронное приборостроение, Науч. практ. сборник. - Казань, КГТУ /КАИ/, 1998г., выпуск 8, с.43-52.

6. Кузьмин А.Н., Насыров И.К, Битяков Д.И. Повышение качества мшфополосковых проводников методом реверсивного гальванического наращивания.- Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 10. -Казань,: КГТУ им. А.Н.Туполева. Консорциум 'Микроэлектроника". 1999, с. 90-93.

7. А.с. СССР № 1552266 Н 01 Р 1/26. "Мгасрополоскозая нагрузка". /Кузьмин А.Н., Исхаков И.Х., Варнин В.П., Спкцын Е.В., Ботев А.А., Алексенко, А.Е., Буйлов Л.Л. // Б.И. №11, 1990.

8. А.с. СССР № 1215150 Н 01 Р 1/22. "Электрически управляемый СВЧ-аттенюатор". / Кузьмин А.Н.. Тюхтш М.Ф. // Б.И. № 8, 1985.

9. Патент РФ № 2079187 Н 01 Р 1/26. "Микрополосковая нагрузка". /Кузьмин А.Н., Пьянков Б.Л. // Б.И. № 13, 1997.

10. С.П.М. РФ № 4860 Н 01 Р 1/22. Цепь подачи управляющего смещения в полосковую линию. / Кузьмин А.Н., Ахмадеев М.М. И БПМ, №8,1997.

11. С.П.М. РФ № 4862 Н 01 Р 1/26. Полосковая нагрузка. /Кузьмин А.Н., Ахмадеев М.М. // БПМ. № 8, 1997. '

12. С.П.М. РФ № 4861 Н 01 Р 1/22. Микрополоскозый аттенюатор. /Кузьмин А.Н., Ахмадеев М.М., Тюхтнн М.Ф. // БПМ, >ё 8,1997.

13. С.П.М. РФ„\ь 5479 Н 01 Р 1/22. Оптоэлектроккая цепь смещения. /Кузьмин А.Н. // БПМ, №11,1997.

14. С.П.М. РФ № 5474 Н 01 Р 1/22. Мощная полосковая нагрузка.

/Кузьмин А.Н., Ахмадеев М.М. // БПМ, №11, 1997.

ВВЕДЕНИЕ.

ЕЛАВАЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКЕ Е МЕЮЧСА ЕЕ' . • ВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАЕ ». I ' 1 " " ВЫХ АТТЕГ1Ю АТОРО В.!

ЕЕ Структурная схема электрически управляемого аттенюатора на повышенный уровень СВЧ мощности.

Е2- Анализ практики использования электрически управляемых аттенюаторов.

1.3. Управляющие устройства с использованием р-:-п диодов. Общая характеристика базовых схем аттенюаторов. Е

Е4. Элементы СВЧ тракта для реализации нолосковых аттенюаторов.=

Е5. Методы расчета электрически управляемых аттенюаторов и их. элементов, обеспечивающие экономию оперативной памяти и скорость вычислений.,.,.,.,.,.,,.

1.6, Формирование микрополосковых проводников методом гальванического наращивания.

Е7. Постановка пели и задач исследования. ' Е . * . . " МОДЕЛЕЙ ЕИ С СВЧ И ^ - * IX. . м * 1 ~ ТДМИ.

2.Е Формирование математической модели ЕИС СЕЧ на основе комбинации методов узловых потенциалов и цепных матриц.-'' , ^ „------.

СВЧ схем управляющего типа.

2,3, Модели бесхорпусных элементов ГЙС СВЧ управляющего гп

ГЛАВ A3. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТ МИКТОПОЛССЗ КОВЫХ АТТЕНЮАТОРОВ НА P-I-N ДИОДАХ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОВЫШЕННЫЙ УРОВЕНЬ СВЧ МОЩНОСТИ.

О т1г>

3.L Снижение температуры мгновенного перегрева пленочного зистора за счет использования двухслойных подложек с разными коэффициентами теплопроводности.

3.2. Обеспечение равномерного рассредоточения рассеиваемой мощности и снижения влияния высоких входных потенциалов при импульсном режиме работы в пленочных диссипативных структу-pax.

3.3. Построение фиксированных ослабителей, работающих при повышенных уровнях СВЧ мощности.с

3.4. Схемно-конструктивные варианты секций управляемых каскадных аттенюаторов лестничного типа для бортовой РЗА с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

3.5. Повышение температурной стабильности величины ослабления за счет коррекции тока смещения управляющих p-i-n диодов.

3.6. Цепи подачи смещения с повышенными развязывающими свойствами для полосковых устройств.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА4. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГ'ИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РЕАЛИЗАЦИИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АТТЕНЮАТОРОВ НА. ПОВЫШЕННЫЙ УРОВЕНЬ СВЧ МОЩНОСТИ.

ТЕ Выбор технологии изготовления микропполоскозых нагрузок для импульсного режима работы.

4.2. Экспериментальное исследование мощных полосковых нагрузочных элементов.

4.3, Экспериментальное исследование влияния температуры на параметры полосковых аттенюаторов на. рЧ-п диодах. нои ! % >.<» "ч 1 , (. резистор».

4.5. Исследование однозвекнок подосковор " "

4.6, Разработка методов и аппаратурного о" 1 потерь з полоеховых проводниках мощных Г ' Г вания процессов нестационарного электролиза.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.