ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СВЧ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к ограничительному элементу, предназначенному для использования преимущественно в сверхвысокочастотных (СВЧ) защитных устройствах для ограничения мощности СВЧ колебаний.
Известны ограничительные элементы указанного назначения в виде полупроводниковых диодов со структурой типа p-i-n или p-i-m (диоды Шоттки), см., например: В.Г. Алыбин. Проблемы создания СВЧ-защитных устройств для радиолокации и связи. 12th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2002). 9-13 September 2002, Sevastopol, Crimea, Ukraine, c. 15-22 [1].
Важными показателями защитных устройств с диодными ограничительными элементами, изменяющими состояние проводимости при воздействии СВЧ излучения, являются допустимая входная мощность СВЧ излучения и время восстановления. Однако барьерный переход полупроводникового элемента разрушается при нагреве от воздействия СВЧ излучения (характерная температура функционирования кремниевых приборов - не более 150°C, арсенид-галлиевых - около 350°C), и допустимая мощность излучения использующих такие элементы защитных устройств не превышает одного-двух киловатт даже в режиме коротких импульсов. Некоторые из полупроводниковых элементов, используемых в защитных устройствах, имеют время восстановления порядка нескольких десятков наносекунд. Однако для защитных устройств ГГц диапазона время восстановления не должно превышать единиц наносекунд и даже долей наносекунды, чего указанные элементы не в состоянии обеспечить ввиду ограниченной скорости движения носителей заряда в твердотельном полупроводнике.
+
-
+
В качестве положительного свойства p-i-n диодов как СВЧ ограничительных элементов в патентах РФ №2003208 (опубл. 15.11.1993 [2]) и №2024997 (опубл. 15.12.1994 [3]) отмечается наличие эффекта самоуправления, т.е способности уменьшения импеданса полупроводниковой структуры в отсутствие стороннего тока прямого смещения, однако одновременно указывается на трудности сохранения этого эффекта при повышении рабочей частоты без ухудшения показателей допустимой мощности и времени восстановления. Эта трудность в указанных патентах преодолевается за счет усложнения структуры полупроводникового ограничительного элемента, в частности, в патенте [2] предлагается пятислойная структура вида: p*-n-n-n-n. Однако задачи повышения допустимой мощности и уменьшения времени восстановления при этом остаются не решенными.
Устройство по предлагаемой полезной модели как элемент для ограничения мощности СВЧ колебаний объединяет с названными выше известными устройствами такого же назначения выполнение его в виде двухэлектродного электронного прибора. При этом наиболее близким к нему является наиболее простой из числа названных выше - p-i-n диод, структура которого раскрыта в любом из источников [1-3].
Техническое решение по предлагаемой полезной модели направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении времени восстановления для обеспечения расширения диапазона возможного использования в сторону более высоких частот и в повышении надежности работы за счет увеличения допустимой мощности воздействующего СВЧ излучения. Ниже при раскрытии сущности полезной модели могут быть названы и другие виды достигаемого технического результата.
Ограничительный элемент для СВЧ защитных устройств по предлагаемой полезной модели, как и наиболее близкий к нему известный, представляет собой двухэлектродный электронный прибор, способный изменять состояние проводимости при воздействии интенсивного электромагнитного излучения.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом ограничительном элементе для СВЧ защитных устройств, в отличие от наиболее близкого к нему известного, один из электродов выполнен в виде автоэлектронного катода (автокатода), находящегося вместе со вторым электродом в среде, являющейся техническим вакуумом или газом, при расстоянии между указанными электродами, не превышающем длины свободного пробега электронов в этой среде.
В противоположность известным полупроводниковым диодным ограничительным элементам, в предлагаемом элементе с автоэлектронным катодом перенос зарядов от одного электрода к другому осуществляется свободными электронами, движение которых происходит в среде, не создающей препятствий для них. Это обеспечивает высокую стабильность и надежность работы ограничительного элемента. В нем отсутствует подверженный разрушению барьерный переход, присущий полупроводниковым устройствам. Так как в основе работы предлагаемого элемента, использующего автоэлектронную эмиссию, лежит явление туннельного эффекта, он обладает сверхвысоким быстродействием и практически безынерционен. Поэтому он способен обеспечить субпикосекундные времена восстановления при применении в составе СВЧ защитных устройств.
Тенденции современного развития автоэмиссионной электроники таковы, что пороговая напряженность электрического поля, при превышении которой начинается резкий рост тока автоэмиссии, снижается, а плотность этого тока на единицу поверхности автокатода увеличивается (см. например: С. Вартапетов, Э. Ильичев, Р. Набиев и др. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структурированных углеродных материалов. Наноиндустрия, 2009, №4, с. 4-10 и №5, с. 12-18 [4]). Это определяет перспективность применения в СВЧ защитных устройствах предлагаемого ограничительного элемента с автокатодом, в частности, можно ожидать, что такой элемент удастся использовать без источника стороннего смещения.
В частном случае выполнения предлагаемого ограничительного элемента его второй электрод также выполнен в виде автоэлектронного катода. При таком выполнении, когда оба электрода обладают автоэмиссионной структурой, предлагаемый ограничительный элемент оказывается эквивалентным паре соединенных встречно-параллельно диодов, однако последние конструктивно неразделимы. В зависимости от полярности приложенного к электродам напряжения, один из них выполняет роль катода, а другой - роль анода, несмотря на то, что каждый из них выполнен в виде автокатода. При таком выполнении предлагаемый ограничительный элемент, приобретающий свойства двустороннего ограничителя, более эффективен.
Эмитирующая часть автоэлектронного катода может представлять собой покрытие из автоэмиссионного (холодно-эмиссионного) материала, образующего автоэмиссионую структуру. Такое покрытие целесообразно, но не обязательно, выполнять двухслойным. При этом внешний слой может быть выполнен в виде наноалмазной пленки, под которой находится внутренний графитовый наноострийный слой, как описано в патенте РФ на изобретение №2194328, опубл. 10.12.2002 [5]. Такое выполнение обеспечивает высокие электронно-эмиссионные характеристики автокатода благодаря последнему из названных слоев и повышенную стойкость в высоких электрических полях - благодаря внешнему наноалмазному слою.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых показаны:
- на фиг. 1 - схематическое изображение предлагаемого устройства, заключенного в диэлектрическую колбу, в случае, когда только один из его электродов выполнен в виде автокатода;
- на фиг. 2 - вольтамперная характеристика устройства по фиг. 1;
- на фиг. 3 - схематическое изображение предлагаемого устройства, отличающегося от показанного на фиг. 1 тем, что оба его электрода выполнены в виде автокатода;
- на фиг. 4 - эквивалентная схема устройства по фиг. 3;
- на фиг. 5 - вольтамперная характеристика устройства по фиг. 3;
- на фиг. 6 - схематическое изображение предлагаемого устройства в случае, когда роль электродов выполняют широкие стенки секции прямоугольного волновода.
Представленный на фиг. 1 ограничительный элемент содержит два электрода 3.1, 3.2, установленных с зазором Δ. Электроды имеют обращенные друг к другу поверхности 4.1, 4.2. На поверхность 4.1 электрода 3.1 нанесено автоэлектронное покрытие 5.1 толщиной δ, которое вместе с торцевой частью электрода 3.1, имеющей поверхность 4.1, образует автоэлектронный катод. Перспективными материалами для автоэлектронных катодов являются наноуглеродные материалы. Это обусловлено устойчивостью углерода к бомбардировке ионами остаточных газов, имеющих место в условиях технического вакуума и высоковольтного питания, а также возможностью снижения работы выхода электронов при определенных структурных модификациях, характерных для алмазного типа гибридизации связей валентных электронов атомов углерода.
Части электродов 3.1, 3.2, между которыми имеется зазор Δ, установлены во внутреннем вакуумированном пространстве 2 герметичной колбы 1. Колба 1 должна быть изготовлена из диэлектрического материала, обладающего малыми потерями на рабочей частоте, такого как высокочастотная керамика, кварцевое стекло, «Роджерс» или т.п.
2
2
Элемент по фиг.1 имеет вольтамперную характеристику, показанную на фиг. 2, типичную для диода. Второй электрод (3.2) выполняет роль анода - коллектора электронов, эмитируемых электродом 3.1, являющимся катодом (в данном случае - автоэлектронным катодом). Характерное значение плотности J тока автоэмиссии - от единиц мкА/см до сотен А/см для различных материалов при напряженности E электрического поля порядка нескольких В/мкм. На фиг. 1 штриховой стрелкой показано направление движения электронов при положительной разности потенциалов между электродами 3.2 и 3.1. При противоположной полярности ток отсутствует.
П
При воздействии СВЧ излучения на электродах возникает разность потенциалов, изменяющаяся с частотой этого излучения. При высокой напряженности СВЧ поля, превышающей некоторую пороговую величину (E>E на фиг. 2), происходит резкое увеличение тока. При этом элемент действует как коротко-замыкатель, и в случае размещения его в СВЧ линии передачи это будет приводить к отражению волны от сечения линии, в котором данный элемент установлен.
Для получения автоэлектронного (холодноэмиссионного) покрытия, образующего автоэмиссионную структуру, известен ряд способов. Описание нескольких из них приведено, в частности, в патенте [5]. Там же описан способ получения двухслойного автоэлектронного покрытия, указанного выше в качестве предпочтительного.
Зазор Δ влияет на напряженность СВЧ поля между электродами. Для снижения порога срабатывания защитного устройства, в котором используется предлагаемый ограничительный элемент, этот зазор должен быть возможно меньше. Разумеется, он не должен быть таким, что срабатывание будет происходить при нормальном уровне сигнала, являющегося входным для защищаемого устройства, например, малошумящего усилителя радиолокационной станции, но такая ситуация представляется маловероятной.
В зависимости от технологических возможностей, достижимы различные минимальные значения зазора Δ. Можно представить ситуацию, когда этот зазор будет снижен до величины, не превышающей длину свободного пробега электронов в газовой среде при атмосферном давлении. В такой ситуации вакуумирование внутреннего пространства колбы 1 перестает быть необходимым. Колба может быть и газонаполненной, в том числе атмосферным воздухом при его давлении в месте использования прибора. В этом случае колба 1 нужна лишь в качестве корпуса для фиксации электродов и их механической защиты.
Фиг. 3 иллюстрирует частный случай выполнения предлагаемого СВЧ ограничительного элемента, когда выполнение в виде автоэлектронных катодов имеют оба электрода 13.1, 13.2 (собственно автокатодами в конструкции по фиг. 3 являются обращенные друг к другу части элементов, обозначенных позициями 13.1, 13.2, имеющие автоэлектронное покрытие 15.1, 15.2, нанесенное на поверхности 14.1, 14.2 их торцевых частей, а остальные части элементов 13.1, 13.2 являются выводами автокатодов).
Ограничительный элемент по фиг.3 эквивалентен двум диодам 7 и 8, соединенным встречно-параллельно, как показано на фиг. 4 (без учета межэлектродной емкости, индуктивностей выводов и т.п. факторов). Он имеет показанную на фиг. 5 вольтамперную характеристику, типичную для двусторонних ограничителей и обладающую нечетной симметрией по отношению к характеристике по фиг. 2. В процессе работы устройства по фиг. 3 электроды 13.1, 13.2 меняются ролями, в зависимости от полярности напряжения на них. Любой из них может быть либо катодом (в данном случае - автоэлектронным), либо анодом (коллектором электронов, эмитируемых другим электродом). На фиг. 3 штриховой стрелкой показано направление движения электронов при "плюсе" на электроде 3.2. При этом ни с одним из диодов эквивалентной схемы фиг. 4 в отдельности нельзя однозначно сопоставить те или иные элементы конструкции по фиг. 3. Сказанное выше о зазоре Δ и возможности реализации устройства без вакуумирования пространства, в котором находятся рабочие части электродов, полностью относится и к ограничительному элементу, имеющему выполнение по фиг. 3
Предлагаемый ограничительный элемент при выполнении, иллюстрируемом фиг. 1 и фиг. 3, может быть использован как унифицированный компонент в многодиодных схемах построения СВЧ защитных устройств, в частности, в схемах, аналогичных описанным в патенте РФ на полезную модель №90934 (опубл. 20.01.2010) [6] или в патенте РФ на изобретение №2065234 (опубл. 10.08.1996) [7].
Несколько предлагаемых ограничительных элементов по фиг. 1 или фиг. 3, установленных в поперечном сечении волновода, могут осуществлять защитную функцию, обеспечивая отражение от этого сечения мощной падающей волны.
Возможна реализация ограничительных элементов и без использования диэлектрической колбы. Например, автокатоды могут быть сформированы непосредственно на широких стенках секции 9 (фиг. 6) прямоугольного волновода, размер узких стенок которого уменьшен в такой степени, что расстояние между широкими стенками становится равным требуемому зазору Δ между поверхностями электродов, предназначенными для формирования автоэмиссионной структуры. Не показанные на чертеже конструктивные элементы, предназначенные для геометрического сопряжения и электрического согласования указанной секции с основным волноводным трактом, могут относиться как к этой секции, так и к самому основному тракту. На фиг. 6 показано размещение автоэмиссионного покрытия 11, образующего автоэлектронный катод, на внутренней поверхности нижней (по чертежу) широкой стенки. Покрытие 11, имеющее толщину δ, в данном частном случае представляет собой перпендикулярную узким стенкам волновода полоску, длина которой равна большему внутреннему поперечному размеру волноводной секции (хотя эта полоска может иметь и меньший размер). Такое выполнение ограничительного элемента в функциональном отношении аналогично показанному на фиг. 1. Если наряду с покрытием 11 имеется симметричное ему покрытие на верхней (по чертежу) стенке волноводной секции 9, то ограничительный элемент в функциональном отношении аналогичен показанному на фиг. 3. Общей особенностью данных частных случаев выполнения предлагаемого ограничительного элемента является то, что он вместе с волноводной секцией 9 уже является защитным устройством. Относительно необходимости герметизации и вакуумирования внутреннего пространства 10 волноводной секции 9 можно привести те же соображения, что и выше применительно к колбе 1 по фиг. 1 или фиг. 3.
Возможно также использование предлагаемых ограничительных элементов в интегральном исполнении, в частности, при реализации многодиодных матричных схем СВЧ защитных устройств, в том числе аналогичных описанным в патенте [6]. В этом случае ограничительные элементы с одним или двумя автокатодами в качестве электродов в требуемом количестве и с требуемым взаимным расположением размещают на общей диэлектрической подложке, реализуя каждый из ограничительных элементов с использованием известных путей получения автокатодов.
Источники информации
1. В.Г. Алыбин. Проблемы создания СВЧ-защитных устройств для радиолокации и связи. 12th Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2002). 9-13 September 2002, Sevastopol, Crimea, Ukraine, c. 15-22.
2. Патент РФ на изобретение №2003208, опубл. 15.11.1993.
3. Патент РФ на изобретение №2024997, опубл. 15.12.1994.
4. С. Вартапетов, Э. Ильичев, Р. Набиев и др. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структурированных углеродных материалов. Наноиндустрия, 2009, №4, с. 4-10 и №5, с. 12-18.
5. Патент РФ на изобретение №2194328, опубл. 10.12.2002.
6. Патент РФ на полезную модель №90934, опубл. 20.01.2010.
7. Патент РФ на изобретение №2065234, опубл. 10.08.1996.