ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ЧАСОВОГО КАМНЯ В КАЧЕСТВЕ КОРПУСА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСТРОЙСТВА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН И ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ С ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
APPLICATION OF INDUSTRIAL WATCH STONE AS THE MILLIMETER RANGE WAVE LENGTH SEMICONDUCTOR DEVICE HOUSING AND THE OSCILLATOR WITH SUCH DEVICE

Группа изобретений относится к радиотехнике и может быть использована при разработке и производстве полупроводниковых приборов электронной техники СВЧ: генераторов, усилителей, быстродействующих устройств для управления амплитудой и фазой электромагнитных колебаний в миллиметровом диапазоне длин волн.
С целью увеличения надёжности устройств полупроводниковые устройства СВЧ монтируются в керамические корпуса (Патент РФ №2351037, опубл. 27.03.2009).
Недостатком керамических корпусов для полупроводниковых приборов СВЧ в миллиметровом диапазоне является то, что сопротивление потерь корпуса соизмеримо с омическими потерями полупроводниковых структур СВЧ-устройств (например, лавинно пролётный диод имеет величину отрицательного сопротивления ~20 Ом на частоте ~100 ГГц), а также то, что для монтажа керамического корпуса на теплоотводящую поверхность и закрытия крышки, с целью обеспечения герметичности, применяется пайка расплавленным припоем, что неизбежно вносит дополнительные потери и снижает процент выхода годных устройств из-за неидентичности геометрии этих размеров корпусов.
Кроме того, применение в миллиметровом диапазоне, металлокерамических корпусов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, ограничивается емкостью корпуса, при этом в коротковолновой части СВЧ-диапазона размеры известных корпусов становятся соизмеримыми с длиной волны, вследствие чего корпус не может рассматриваться при разработке и расчетах схемы диода как параллельно включенная емкость сосредоточенного типа.  В этом случае в конструкции полупроводникового элемента необходимо вводить дополнительные настройки, штыри, диафрагмы и т.д., что неизбежно ведет к уменьшению диапазона работы устройства, повышению потерь, сложности настройки на заданный диапазон.
Анализ частотных характеристик в коротковолновой части миллиметрового диапазона: генераторов, усилителей, модуляторов и т.д. - волноводного типа показал, что корпус диода целесообразно рассматривать как радиальную линию, расположенную на широкой стенке волновода с размерами, которые обеспечивают трансформацию входного импеданса линии передачи электромагнитной энергии к клеммам диодной структуры для реализации условий параллельного резонанса (высокоимпедансного состояния) в схеме диода. При заданных и контролируемых параметрах диодной структуры и индуктивности её монтажа достигается широкополосное согласование диода с волноводной линией передачи.
Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне, обеспечивающего улучшение параметров этого элемента за счет увеличения уровня его выходной мощности и уменьшения собственных потерь (снижение омических сопротивлений в цепи полупроводникового прибора СВЧ).
Технический результат достигается при применении в качестве корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне готового изделия иного назначения – промышленного часового камня типа втулка, изготовленного из синтетического корунда – рубина – 10 (ГОСТ 22029-76) и применяемого в часовой промышленности в качестве опоры для оси элементов часового механизма.
Другим техническим результатом, на который направлено изобретение, является создание генератора СВЧ колебаний миллиметрового диапазона длин волн, на лавинно-пролетном диоде, с использованием в качестве корпуса диода промышленного часового камня типа втулка, изготовленного из синтетического корунда – рубина – 10.
2
3
Диэлектрическая проницаемость рубина имеет значение 9. Примерное значение диэлектрической проницаемости составляет 8,7  и 9, соответственно, для алюмооксидной (AlO) и алюмонитридной (AlN) керамики, используемых при изготовлении корпусов для элементов СВЧ в миллиметровом диапазоне (http://www.nevz-ceramics.com/ru/produktyi-i-materialyi/podlozhki.html).
14
14
15
Тангенс диэлектрических потерь для рубина-10 составляет 0,0002, а для указанных керамик 0,0002 и 0,0003, соответственно. Удельное объемное сопротивление 10 у рубина-10 и 10, 10 у керамик, соответственно. Конструкция часового камня типа втулки представляет собой плоский цилиндр со сквозным цилиндрическим отверстием (ТУ 25-1895-005-86), что аналогично обычной конструкции керамического корпуса для полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне. Технология их изготовления отработана в течение длительного использования для целей часовой промышленности, что позволяет обеспечить высокое качество идентичных изделий.
Применение в качестве корпуса полупроводникового элемента СВЧ в миллиметровом диапазоне рубиновой промышленной втулки обеспечивает снижение омического сопротивления в контактах диодов и массовую сборку диодов с высоким процентом выхода годных для применения в технике СВЧ.
Снижение потерь при применении рубиновых промышленных втулок достигается за счет металлизации торцов втулок методом напыления контактов в вакууме на торцевые поверхности. Этот метод обеспечивает исключение предварительной пайки торцов корпуса за счет применения термокомпрессионной сварки корпуса к основанию диодной втулки и закрытие корпуса крышкой. Таким образом, применение рубиновых промышленных камней для сборки полупроводниковых элементов СВЧ позволяет организовать также прочность групповой сборки элементов с повышенным процентом выхода годных.
Другой технический результат в виде создания синхронизированного генератора СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона длин волн на лавинно-пролетном диоде (ЛПД), с использованием в качестве корпуса ЛПД промышленного часового камня типа втулка, достигается в устройстве, которое выполнено на ЛПД на основе волновода  регулярного сечения 0,8×1,6 мм, работающего в диапазоне 110-180 ГГц, и коаксиальной линии, пересекающей волновод по широкой стенке.
В коаксиальной линии установлен ЛПД (1), смонтированный в рубиновую втулку на медном штифте (Ø= 0,4 мм ~ λ/4 и высотой 0,15 мм) и антипаразитная нагрузка (2). Конструкция генератора позволяет независимо перемещать в процессе настройки положение антипаразитной нагрузки вдоль коаксиальной линии относительно волноводного канала. На одном волноводном выходе конструкции установлен скользящий поршень (3), а другой соединен через ферритовый циркулятор с нагрузкой и высокостабильным источником синхронизирующего сигнала (синтезатором). При этом требуемая величина и характер реактивности для реализации на клеммах полупроводниковой структуры параллельного резонанса достигается изменением длины радиальной линии диаметра втулки. Также в устройстве обеспечивается возможность регулировки коэффициента трансформации проводимости нагрузки n при изменении смещения оси коаксиальной линии относительно центра волновода.
<mi mathvariant="script">l</mi>
Возможность изменения коэффициента трансформации n  позволяет обеспечить требуемое согласование импеданса диода и нагрузки без применения дополнительных реактивных неоднородностей в выходном сечении волноводной секции ГЛПД. Изменение положения отражающей антипаразитной нагрузки изменяет параметры генератора. Так при ее положении ≈ λ/2 относительно диода последовательно с импульсом диода подключается импеданс последовательного контура. В таких системах обеспечивается компенсация реактивных сопротивлений, улучшающая диапазонные характеристики генератора. Основным частотно-избирательным узлом СВЧ-цепи такого генератора является диод в металлодиэлектрическом корпусе с резонансной трансформацией импеданса к полупроводниковой структуре. Запасенная энергия в рассматриваемой СВЧ-системе сосредоточена в основном в области диода в корпусе, а обобщенная добротность системы оказывается минимальной.
На фиг.1 показана схема генератора на ЛПД, где 1 - лавинно-пролетный диод в рубиновой втулке, 2 - антипаразитная нагрузка, 3 - скользящий поршень.
+
+
На фиг.2 показана p–p–n–n- структура ЛПД , смонтированная внутри рубиновой втулки, где 4 – ЛПД, 5 – рубиновая втулка, 6 – позолоченный медный штифт, 7 – верхний электрод с крышкой, 8 – золотая плющена.
1
2
3
п
вр
п
с
s
s
d
рл
d
На фиг.3 показана упрощенная эквивалентная схема синхронизированного генератора. Пунктиром выделена схема включения ЛПД. x; x; x– реактивное сопротивление, включающее в себя сопротивление включения центрального стержня и сопротивление коаксиального шлейфа, содержащегой антипаразитную  нагрузку; Z - короткозамыкающий поршень; Z - волноводная нагрузка радиальной линии; r  - сопротивление потерь в диэлектрическом корпусе; r - сопротивление потерь в контактах монтажа элементов корпуса; r - сопротивление растекания; L - индуктивность контактных полосок; x- реактивное сопротивление диодной структуры; L - толщина стенки втулки, определяющей эквивалентную длину радиальной линии; r - отрицательное сопротивление ЛПД.
рл
0
На фиг.4 показаны частотные зависимости величины входной проводимости радиальной линии В(r) в сечении r = d/2, при различных D/a (где а – размер широкой стенки волновода): 1- D/a=0,31; 2 - D/a=0,27; 3 - D/a=0,23; 4 - D/a=0,19; 5 - D/a=0,58; 6 - D/a=0,54; 7 - D/a=0,5; 8 - D/a=0,46; 9 - D/a=0,42; 10 - D/a=0,38; 11 - D/a=0,39.
На фиг.5 показана схема синхронизированного генератора на ЛПД, где 1 – вход в ферритовый циркулятор со стороны высокостабильного источника синхронизирующего сигнала, 2 – соединение синхронизируемого источника на ЛПД с циркулятором, 3 – выход СВЧ к нагрузке.
+
+
<mrow><mfrac><mrow><mi>W</mi><mi>ο</mi></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>Z</mi><mo>|</mo></mrow><mi>d</mi></mrow></mfrac></mrow>
Анализ импедансных амплитудно-частотных характеристик, применяемых ЛПД в миллиметровом диапазоне с оптимальным профилем легирования p- p - n - n структур, показывает, что при величинах амплитуд сигнала, соответствующих максимальной электронной мощности, оптимальном диаметре p - n  перехода модуль отрицательного сопротивления полупроводниковой структуры не превышает 2-3 Ома. В связи с этим при непосредственном включении ЛПД в высокочастотную цепь с нагрузкой, равной волновому сопротивлению линии передачи Wо, коэффициент трансформации активной составляющей импеданса нагрузки должен составлять  > 10. Очевидно, что полные потери в трансформаторе импульсов должны быть минимальны.
В обеспечении высоких коэффициентов трансформации импеданса диода при включении его в цепь СВЧ и состоит основная особенность создания высокочастотных систем генераторно-усилительных устройств на ЛПД с минимальным энергетическими потерями в миллиметровом диапазоне. При этом наиболее целесообразным является создание трансформатора в непосредственной близости к полупроводниковой структуре. Выполнение такого трансформатора с минимальными собственными потерями и коэффициентом трансформации импедансов (К) в высокочастотную цепь устройства включает трансформированное отрицательное сопротивление диода, модуль которого значительно превышает сопротивление потерь в линии передачи.
При создании генераторов и усилителей с использованием ЛПД в миллиметровом диапазоне в качестве трансформатора импеданса целесообразно использовать металлодиэлектрические корпуса с распределенными параметрами.
В этом случае металлодиэлектрический корпус целесообразно рассматривать как радиальную линию с распределенными параметрами, обеспечивающую трансформацию входного импеданса линий передачи к клеммам включения диодной структуры для  реализаций условий параллельного резонанса в схеме устройства.
Величина и характер импеданса радиальной линии, приводимой к клеммам диодной структуры, определяется выражением:
,
где Ct(x, y) – большой радиальный котангенс;
где λ- длина волны;
ε – диэлектрическая проницаемость рубиновой втулки;
r – внешний радиус втулки;
0
r – внутренний радиус втулки;
h- высота втулки.
s
Видно, что изменением длины радиальной линии диаметра втулки достигается требуемая величина и характер реактивности для реализации на клеммах полупроводниковой структуры параллельного резонанса. При заданных размерах радиальной линии частота параллельного резонанса подбирается значением L(фиг. 3).
s
На практике величина Lможет задаться выбором ширины контактной плющины (5), соединяющей диодную структуру с корпусом.
+
+
ЛПД выполнен на кремниевой полупроводниковой структуре p- p – n - n - типа и диаметром p-n-перехода чипа 20-30 мкм с оптимальным профилем легирования для достижения максимальных энергетических параметров:
p
p
n
n
17
-3
17
-3
N=4,0х10 см; L = 0,2 мкм; N=3,5х10 см; L = 0,2 мкм.
Важной особенностью разработанной конструкции генератора на ЛПД является возможность регулировки коэффициента трансформации проводимости нагрузки n при изменении смещения оси коаксиальной линии относительно центра волновода. Возможность изменения коэффициента трансформации n  позволяет обеспечить требуемое согласование импеданса диода и нагрузки без применения дополнительных реактивных неоднородностей в выходном сечении волноводной секции генератора.
В результате основным частотно-избирательным узлом СВЧ-цепи ГЛПД является корпусированный диод с резонансной трансформацией импеданса к полупроводниковой структуре. Запасенная энергия в такой СВЧ-системе сосредоточена в основном в области корпусированного  диода и обобщенная добротность системы оказывается минимальной.
<mi mathvariant="script">l</mi>
Изменение положения отражающей антипаразитной нагрузки изменяет параметры генератора. Так при ее положении ≈ λ/2 относительно диода последовательно с импульсом диода подключается импеданс последовательного контура. Известно, что  в таких системах обеспечивается компенсация реактивных сопротивлений, улучшающая диапазонные характеристики генератора.