Исследование и разработка твердотельного приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1 кВт в импульсе
В радиолокационных станциях (РЛС) с момента их появления одними из важнейших задач являются задачи управления колебаниями СВЧ и их усиления. Первая задача важна для целей коммутации СВЧ мощности в трактах СВЧ, в частности, для переключения антенны на каналы приемника и передатчика, а так же для ограничения мощности, поступающей в канал приемника, как в режиме передачи, так и в режиме приема… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. -УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЧ КОЛЕБАНИЯМИ
- 1. 1. Общие сведения и принцип работы защитных устройств СВЧ
- 1. 2. Классификация защитных устройств
- 1. 3. Параметры защитных устройств
- 1. 4. Полупроводниковых защитные устройства
- 1. 5. Элементная база полупроводниковых ЗУ
- 1. 6. Эквивалентная схема и параметры р-1-п диодов
- 1. 7. Схемы включения р-г-п-дйодов в линию передач и их характеристики
- 1. 8. Основы конструкции полупроводниковых защитных устройств
- 1. 9. Многодиодные каскады защиты
- ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ СВЧ
- 2. 1. Основные сведения
- 2. 2. Общие требования к входным цепям широкополосных приемных устройств
- 2. 3. Характеристика полупроводниковых малошумящих усилителей
- 2. 4. Постановка задач исследования
- ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА
- 3. 1. Определение требований к подложкам 5/ и СаАз для создания монолитных р-г-п диодных матриц
- 3. 1. 1. Выбор типа полупроводниковых подложек
- 3. 1. 2. Требования к состоянию поверхности подложек
- 3. 1. 3. Выбор ориентации подложек
- 3. 1. 4. Экспериментальное исследование выбранных подложек в 8-мм диапазоне
- 3. 2. Определение требований к диодам в диодной матрице
- 3. 2. 1. Общие сведения о работе ограничителя на основе монолитной многодиодной матрицы
- 3. 2. 2. Определение требований к единичным р-і-п диодам, входящим в состав матриц
- 3. 3. Выбор схемы и конструкции ограничителя
- 3. 4. Конструкция монолитной много диодной планарной структуры для ограничителя
- 3. 5. Технология изготовления монолитной планарной р-і-п диодной матрицы
- 3. 6. Контроль основных электрофизических характеристик монолитного р-і-п диодного ограничителя на низкой частоте
- 3. 7. Конструкция и электрические характеристики монолитных ограничителей на базе ваАБ структур
- 3. 1. Определение требований к подложкам 5/ и СаАз для создания монолитных р-г-п диодных матриц
- ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ
- 4. 1. Разработка малошумящего усилителя
- 4. 2. Конструкция и параметры ПУМ
Исследование и разработка твердотельного приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1 кВт в импульсе (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
В радиолокационных станциях (РЛС) с момента их появления одними из важнейших задач являются задачи управления колебаниями СВЧ и их усиления. Первая задача важна для целей коммутации СВЧ мощности в трактах СВЧ, в частности, для переключения антенны на каналы приемника и передатчика, а так же для ограничения мощности, поступающей в канал приемника, как в режиме передачи, так и в режиме приема. Вторая задача связана с усилением принимаемого антенной сигнала до величины, необходимой для нормальной работы индикатора РЛС.
На разных этапах развития РЛС, и радиоэлектронной аппаратуры в целом, указанная задача решалась различными способами с применением для указанных целей приборов, основанных на различных физических принципах действия.
При этом с течением времени улучшались качественные характеристики приборов, применяемых для указанных целей, однако сами задачи управления и усиления колебаний СВЧ являются актуальными и в настоящее время. При этом для целей защиты приемника разработан специальный класс приборов, названных защитными устройствами (ЗУ), в который входят как переключатели, так и ограничители СВЧ сигналов. Для целей усиления СВЧ сигналов также разработан класс усилителей, в который входят усилители разных типов.
В современных радиолокационных станциях и приемной аппаратуре диапазона СВЧ защитное устройство (ЗУ) является одним из важнейших электронных элементов СВЧ-тракта [1]. Оно обеспечивает защиту входных цепей приемника (смесителей на полупроводниковых диодах, малошумящих полупроводниковых усилителей и др.) от СВЧ-сигналов «собственного» передатчика (синхронных сигналов) и сигналов соседних радиолокационных станций и других внешних источников, способных вызвать нарушение работы приемного устройства (несинхронных сигналов).
Длительную эволюцию прошли и устройства усиления сигналов СВЧ. В процессе этой эволюции вакуумные усилительные приборы менялись на полупроводниковые, которые выполнялись сначала по гибридной, а затем и монолитной технологии. Основной проблемой при разработке этих устройств являлось снижение уровня шума и повышение рабочей частоты.
Несмотря на достаточно длительный период развития, полупроводниковые приемно-усилительные модули (ПУМ), включающие защитное устройство и малошумящий усилитель (МШУ), в миллиметровом диапазоне длин волн не обеспечивают необходимую чувствительность приемника и не обеспечивают его защиту от мощных помех, создаваемых как собственным передатчиком, так и сторонними источниками преднамеренных и непреднамеренных помех. В то же время необходимость разработки ПУМ миллиметрового диапазона с улучшенными параметрами становится все более актуальной.
В связи с этим цель диссертационной работы была сформулирована следующим образом: исследование и разработка приемно-усилительного модуля 8-мм диапазона длин волн, по основным электрическим параметрам не уступающего аналогичным изделиям сантиметрового диапазона.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать схему полностью твердотельного ЗУ и определить требования к ее элементам.
2. Разработать базовую технологию изготовления многодиодных матриц на основе кремниевых и арсенид-галлиевых подложек.
3. Разработать конструкцию полупроводникового МШУ с волновод-ными входом и выходом.
4. Разработать конструкцию модуля в целом, обеспечить требуемые электрические параметры, технологичность изготовления и провести испытания модуля.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Использование управляющего токового сигнала, создаваемого вторым каскадом защитного устройства, позволяет увеличить толщину базы диодов, использованных в первом каскаде (в монолитной кремниевой матрице) без существенного снижения быстродействия ЗУ. Это позволило увеличить допустимую входную импульсную мощность до 1 кВт и отказаться от газоразрядных каскадов защиты.
2. Использование в выходных каскадах ЗУ балочных р-1-пи детекторных диодов позволяет уменьшить максимальную просачивающуюся мощность на входе МШУ до 10 мВт при увеличении малосигнального затухания не более чем на 0,3 дБ.
3. Показано, что конструктивное объединение ЗУ и МШУ в один модуль позволяет улучшить согласование между его отдельными каскадами и добиться снижения коэффициента шума приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн до 4 дБ при одновременном снижении массы и габаритов изделия.
Новые научные результаты:
1. Создан полностью твердотельный (полупроводниковый) приемно-усилительного модуль 8-мм диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1 кВт в импульсе. Такая входная мощность в миллиметровом диапазоне длин волн достигнута впервые. В связи с отказом от входных газоразрядных каскадов защиты долговечность модуля повышена на порядок.
2. Разработан малошумящий усилитель мощности 8-миллиметрового диапазона длин волн с коэффициентом шума не более 2 дБ.
3. Объединение в одном блоке (модуле) защитного устройства и ма-лошумящего усилителя позволяет улучшить качество согласования ЗУ и МШУ и тем самым уменьшить коэффициент шума модуля. Сокращены также габариты и масса модуля.
Практическая ценность работы.
Предложенная конструкция малошумящего приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1кВт и разработанные методики проектирования и изготовления монолитных каскадов защитного устройства используются при разработке специальной аппаратуры в ЗАО «Светлана-Электронприбор» .
Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты разработки полупроводникового ограничителя для защиты МШУ и разработки самого МШУ использованы в ОКР «Панцирь-С» и «Панцирь-С1». Разработанные в этих ОКРах приемно-усилительные модули — М45 163, М55 150, использующие результаты диссертационной работы, успешно поставляются заказчику июня 2010 г.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре радиотехнической электроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: «XVII координационного научно-технического семинара по СВЧ технике» (Нижний Новгород, п. Хахалы, 2011), «Актуальные проблемы электронного приборостроения», («АПЭП -2010, Саратов, 2010), Всероссийской конференции «Микроэлектроника СВЧЭ (Санкт-Петербург, 2012), 63-й НТК ППС СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010.
Результаты диссертации опубликованы в 9 научных статьях, в том числе опубликована одна статья в рекомендованных ВАК РФ изданиях.
Личный вклад соискателя. A.A. Усов принимал участие в создании ПУМ на всех этапах его разработки. Им предложена схема ЗУ, определены параметры ее элементов, разработана базовая технология изготовления полупроводниковых диодных матриц. A.A. Усов оптимизировал также конструкцию и параметры МШУ, разработал компоновку модуля и провел его испытания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:
1. Проведен аналитический обзор литературы по защитным устройствам и малошумящим усилителям СВЧ. Показано, что известные устройства в миллиметровом диапазоне длин волн не обладают необходимыми характеристиками и параметрами.
2. Выбрана схема построения ЗУ, базирующаяся на использовании монолитных многодиодных матриц.
3. Проведен расчет необходимого числа диодов в матрице, исходя из максимальной входной импульсной и средней мощности.
4. Предложена схема, состоящая из двух диодных матриц — первой кремниевой и второй арсенид-галлиевой. При этом выпрямленный ток второй матрицы открывает диоды первой, тем самым увеличивая ее быстродействие и затухание в режиме ограничения.
5. Сконструирован малошумящий усилитель на основе импортной микросхемы ХЫ00. В результате оптимизации копланарно-волноводных переходов коэффициент шума усилителя снижен до двух децибел.
6. На базе разработанных ЗУ и МШУ сконструированы приемно-передающие модули типов М45 163 и М55 150. Модули прошли испытания и поставляются заказчику. При этом долговечность разработанных модулей на порядок превышает долговечность ранее разработанных модулей, использующих для защиты резонансные разрядники. Отечественные и зарубежные аналоги этих модулей отсутствуют.
Список литературы
- А.И. Ропий, A.M. Старик, К. К. Шутов, Сверхвысокочастотные защитные устройства, М.:Радио и связь, 1993.
- Р.И. Перец. Антенные переключатели. М.: Сов. Радио, 1950.
- Д.А. Ашкенази, В. П. Беляев, Г. И. Бродуленко и др. Резонансные разрядники антенных переключателей. М.: Сов. Радио 1976.
- Chaffin R.J. Microwave semiconductor devices: fundamentals and radiation effects. N.Y.: Mc Graw-Hill, Inc. 1973.
- Мырова Л.О., Чепиченко А. З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионозирующему и электромагнитному излучению. М.: Радио и связь, 1988.
- Patel S., Goldie H. А 100 kW solid-state coaxial limiter for L. band. Micrwave J. 1982. —N 1. —P. 93−97.
- Tenenholtz R. Designingmegawatt diode duplexers. Microwave J.— 1978.—N 12,—P. 30—34 (part 1) — 1979. — N 1,—P. 63—68 (part 2).
- Вайсблат A.B. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь, 19 876. — 120 е.: ил. — (Массовая библиотека инженера «Электроника»)
- Полупроводниковые диоды для управления СВЧ мощностью/ JI. С. Ли-берман, Б. В. Сестрорецкий, В. А. Шпирт, Л. М. Якубень. Радиотехника, 1972, т. 27, № 5, с. 10−23
- Дзехцер Г. Б., Орлов О.С. p-i-n диоды в широкополосных устройствах СВЧ. М.: Сов. радио, 1970.
- Leenov D. The silicon PIN diode as a microwave radar protector at mega watt levels.- IEEE Trans., 1964, vol. ED-11, N2, P.53−61.
- Либерман Л.С. О системе параметров переключательных p-i-n диодов.
- Полупроводниковые приборы и их применение. Сов. радио, 1969, вып. 21, с. 171−182.
- Lee F. Achieve high isolation in series application with a low capacitance beam lead PIN. Microwave J., 1983, vol. 26, N 2, p. 143−146.
- Seymour D. J., Heston D. D., Lehmann R. E. Monolitic MBE GaAs n-i-p-diode limiter. IEEE Microwave millimeter Waves monolithic circuits Symp.— 1987.—N 4. —P. 35—37.
- Armstrong A., Goodrich G., Moroney W. High power mm passive solidstate limiter. Conf. Proc. Military Microwave.— London. — 1986. P. 143—148.
- Кириллов A.B., Смирнов В. А., Романов JI.П. Технический отчет по НИР «Дункан», 1984г.
- Лебедев И, В., Шнитников А. С, Купцов Е. И. Твердотельные СВЧ-ограничители проблемы и решения. Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника, — 1985.- Т. 28, № 10. — С. 34−41.
- Лебедев И. В., Алыбин В. Г., Купцов Е. И. Интегрализацяя твердотельных управляющих и защитных устройств СВЧ. Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1982. — Т. 25, № 10. — С. 32−41.
- Клич С.М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М., «Сов. радио», 1973. С 184−187.
- Сифоров В.И. Радиоприемники сверхвысоких частот. М., Воениздат, 1955.
- Быстродействующие широкополосные модуляторы на p-i-n структурах. С. В. Кошевая, М. И. Смойловский и др. Изв. вузов. Серия Радиоэлектроника, 1989, т. 32, № 10, стр. 14−23.
- З.Ю.Готра. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. Москва, Радио и связь, 1991.
- А.В.Кириллов. Технический отчет по ОКР «Дисгрегация», ЗАО «Светлана-Электронприбор», 1993.
- А.В.Кириллов. Технический отчет по НИР «Демарш», ЗАО «Светлана-Электронприбор», 1991.
- А.В.Кириллов. Технический отчет по ОКР «Ключ», ОАО «Светлана», 2006.
- Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник, под ред. Б. А. Наливайко. Томск, МГП «Раско», 1992.
- Патент на полезную модель № 90 934 от22.09.2010 СВЧ-ограничитель. Авторы Кириллов А. В., Попов В. В., Смирнов В. А., Романов Л. П., Соловьев Ю.В.
- Alekseev Е. and Pavlidis D. High Switching Rate Capability of mm-Wave InGaAs PIN Diodes// Solid-State Electronics Laboratory. -http://www.eecs.umich.edu
- D.Pavlidis, E. Alekseev, K. Hong, D. Cui InP-based millimeter-wave PIN diodes for switching and phase-shifting applications//Solid-State Electronics. -1997.-V.41.- № 10.- pp.1635−39.
- Alekseev E., Pavlidis D., Ziegler V., Berg M., Dickmann J. 77GHz HighIsolation Transmit. Receive Switch Using InGaAs/InP PIN diodes// GaAs 1С Symposium. 1998. — pp. 177−180
- Semiconductor products operation GaAs pin diodes (MA4GP). :http:// www. macom.com
- Hoag D., Curcio D., Boles T. Development of a High Voltage mmW GaAs PIN Diode Switch, http://www.macom.com
- Semiconductor products operation GaAs pin diodes (MA4GP). http:// www. macom.com
- Semiconductor products operation GaAs pin diode switches (MA4AGSW1). http:// www.macom.com
- Semiconductor products operation GaAs pin diode switches (MA4AGSWA1). // www.macom.com
- Semiconductor products operation AlGaAs/GaAs pin diode switches (MA4AGSW2). // www.macom.com
- Semiconductor products operation AlGaAs/GaAs pin diode switches (MA4AGSW8−1). :http:// www.macom.com
- Semiconductor products operation GaAs pin diode switches (MA4AGSW110). http:// www.macom.com
- Semiconductor products operation Si pin diode switches (MA4L). http:// www.macom.com
- Semiconductor products operation Si pin diode switches (MA8L-1). http:// www.macom.com
- Н.З. Шварц. Линейные транзисторные усилители СВЧ. М., изд. «Сов. радио», 1980 г.
- Усов А.А. Полупроводниковый малошумящий приемно-усилительный модуль 8-мм диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов / А. А. Усов, А. В. Кириллов, В. А. Смирнов // Известия
- Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета «ЛЭТИ». 2009. 7/2009. С. 3−6.
- Усов A.A. Разработка защитных устройств малошумящих усилителей миллиметрового диапазона. / А. Д. Григорьев, A.B. Кириллов, A.A. Усов // Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, 63-я НТК ППС, изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. С. 43−49.
- Усов A.A. Монолитный ограничитель мощности миллиметрового диапазона / А. Д. Григорьев, A.B. Кириллов, A.A. Усов.// Материаллы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2010. С. 128−133.