СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ СВЧ-МОЩНОСТИ
ULTRA-WIDEBAND MICROWAVE POWER LIMITER

Изобретение относится к СВЧ-монолитным интегральным схемам и предназначено для использования в качестве защитных схем, например в устройствах, содержащих малошумящие усилители.
+
+
+
+
Широко известны монолитные интегральные схемы СВЧ-устройств, содержащие pin-структуры [1]. Известна монолитная интегральная схема ограничителя СВЧ-мощности TGL2201, разработанная фирмой TriQuint Semiconductor [2]. Известный аналог выполнен на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и содержит два pin-диода вертикальной конструкции на входе интегральной схемы и два таких же pin-диода на выходе схемы. Входная пара диодов, включена встречно-параллельно между микрополосковой линией и «землей», так же как и пара выходных диодов. Входные и выходные пары диодов соединены отрезком микрополосковой линии. В данной схеме pin-диоды выполнены в виде меза-структур на полуизолирующей подложке. Слой n-типа проводимости в диодах сформирован непосредственно на полуизолирующей подложке, поверх которого создан слой i-типа, на котором выращен слой p-типа проводимости. К слоям n- и p-типов сформированы омические контакты.
Недостатком такой конструкции является то, что значение верхней рабочей частоты ограничителя зависит от номиналов емкостей (размеров) pin-диодов и размеров отрезков микрополосковых линий, поскольку данный ограничитель построен как фильтр нижних частот. С другой стороны, максимальное значение входной мощности в ограничителе также лимитировано размерами этих pin-диодов. Поэтому увеличение верхней рабочей частоты ограничителя невозможно без ухудшения мощностных характеристик.
+
+
+
+
Прототипом предлагаемого изобретения является монолитная интегральная схема сверхширокополосного ограничителя СВЧ-мощности, рассмотренная в работе [3]. Она выполнена на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и содержит группу pin-диодов на входе интегральной схемы и группу pin-диодов на выходе схемы. Входные и выходные диоды соединены отрезком микрополосковой линии. В данной схеме pin-диоды изготовлены в виде меза-структур на полуизолирующей подложке. В pin-диодах слой n-типа проводимости сформирован непосредственно на полуизолирующей подложке, поверх которого создан слой i-типа, на котором выращен слой p-типа проводимости. К слоям n- и p-типов сформированы омические контакты.
Недостатком такой конструкции является то, что значение верхней рабочей частоты ограничителя зависит от номиналов емкостей (размеров) pin-диодов и размеров отрезков микрополосковых линий, поскольку данный ограничитель построен как фильтр нижних частот. С другой стороны, максимальное значение входной мощности в ограничителе также лимитировано размерами этих pin-диодов. Поэтому увеличение верхней рабочей частоты ограничителя невозможно без ухудшения мощностных характеристик.
Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанного недостатка.
+
+
+
+
Этот результат достигается тем, что в отличие от прототипа вместо групп pin-диодов, соединенных микрополосковой линией, в предлагаемом изобретении на полуизолирующей подложке создан отрезок копланарной линии (либо копланарной линии с заземляющей плоскостью), у которой три металлических проводника целиком накрывают четыре полоски из сильнолегированных полупроводниковых слоев, сформированных на одной поверхности полуизолирующей подложки и расположенных в следующей последовательности: p, n, p, n, при этом два проводника на крайних полосках заземлены, а третий проводник лежит одновременно на двух средних полосках, образуя центральный сигнальный проводник.
В режиме пропускания предлагаемый ограничитель функционирует как копланарная линия (копланарная линия с заземляющей плоскостью), которая представляет собой разновидность линии передач с предельно высокими верхними рабочими частотами. В режиме ограничения происходит резкое уменьшение сопротивления между сформированными распределенными планарными pin-структурами и устройство работает как ограничитель отражательного типа.
+
+
На фиг.1 схематично представлена одна из возможных конструкций предлагаемой схемы. Ограничитель выполнен в виде монолитной интегральной схемы на полуизолирующей подложке 1. На одной поверхности подложки сформированы четыре полоски из сильнолегированных полупроводников 2, 3, 4 и 5. Полоски 2 и 4 выполнены из полупроводника p-типа проводимости, а полоски 3 и 5 выполнены из полупроводника n-типа проводимости. Поверх слоев 2 и 5 созданы свои металлические проводники 6 и 7. А поверх слоев 3 и 4 лежит только один металлический проводник 8. Металлические проводники 6, 7 и 8 создают омические контакты к полупроводниковым полоскам 2, 3, 4 и 5. С противоположной стороны подложки 1 также сформирован металлический проводник 9, соединенный с проводниками 6 и 7 с помощью металлизированных отверстий, неоказанных на фиг.1. Полуизолирующая подложка 1 вместе с металлическими проводниками 6, 7, 8 и 9 и полосками из сильнолегированных полупроводников 2, 3, 4 и 5 представляют собой копланарную линию с заземляющей плоскостью 9. Входом схемы является один конец линии, а выходом - другой. Пары полосок 2, 3 и 4, 5 представляют собой планарные распределенные pin-структуры, включенные встречно-параллельно относительно центрального проводника копланарной линии 8 и заземленные проводниками 6, 7 и 9.
+
19
-3
+
19
-3
Пример практического исполнения. Монолитная интегральная схема сверхширокополосного ограничителя СВЧ-мощности изготавливалась на подложке 1 из полуизолирующего арсенида галлия. На подложке 1 с использованием методов молекулярно-лучевой эпитаксии, обычной фотолитографии, химического травления, селективного травления эпитаксиальных слоев формировали полоски из сильнолегированных полупроводников 2, 3, 4 и 5. Полоски 2 и 4 p-типа проводимости выращивались с концентрацией равновесных дырок 1·10 см и толщиной 0,15 мкм, а полоски 3 и 5 n-типа проводимости выращивались с концентрацией равновесных электронов равной 1·10 см и толщиной 0,15 мкм.
С использованием стандартных приемов, включающих методы фотолитографии, методы напыления тонких пленок металлов золота, германия, никеля, цинка, электрохимического осаждения золота, формировали металлические проводники 6, 7, 8 и 9 толщиной 4 мкм. В результате было получено устройство, показанное на фиг.1, представляющее копланарную линию передач с заземленной плоскостью, сочлененную с планарными, распределенными pin-структурами.
Работа устройства
В режиме пропускания на вход ограничителя подается СВЧ-мощность с амплитудой сигнала меньшей амплитуды включения pin-структуры, образованной полосками 2, 3 и заключенным между ними участком подложки 1, а также pin-структуры, образованной полосками 4, 5 и заключенным между ними участком подложки 1. При этом предлагаемое устройство представляет собой копланарную линию передач с заземленной плоскостью, которая характеризуется сверхширокой полосой пропускания с предельно высокой верхней рабочей частотой. Причем верхняя рабочая частота в предлагаемом устройстве всегда будет существенно выше, чем у сверхширокополосных ограничителей, построенных по схеме фильтра нижних частот.
В режиме ограничения на вход ограничителя подается СВЧ-мощность с амплитудой сигнала большей или равной амплитуде включения pin-структуры, образованной полосками 2, 3 и заключенным между ними участком подложки 1, а также pin-структуры, образованной полосками 2, 3 и заключенным между ними участком подложки 1. В режиме ограничения участки подложки 1 между полосками 2, 3 и полосками 4, 5 заполняются неравновесными электронами и дырками, а сопротивления этих участков резко падают. Устройство работает как ограничитель отражающего типа и в устройстве происходит ограничение величины входной мощности. В режиме ограничения предложенная конструкция выдерживает значительно большую величину максимальной входной мощности в сравнении с прототипом, поскольку мощность в схеме рассеивается на площади кристалла, которую занимают распределенные pin-структуры. А эта площадь существенно выше, чем площадь диодов ограничителя у прототипа.
Таким образом продемонстрирована работа предлагаемого сверхширокополосного ограничителя СВЧ-мощности, в котором решены две задачи. Первая задача - увеличение верхней рабочей частоты. Вторая задача - увеличение максимального значения входной мощности.
Использование предложенной конструкции сверхширокополосного ограничителя позволит существенно расширить частотный диапазон существующих защитных устройств и повысить их стойкость к воздействию высокого уровня входной мощности и увеличить надежность.
Источники информации
l. J.V.Bellantoni, D.C.Bartele, D. Payne and et. al. Monolithic GaAs p-i-n Diode Switch Circuits for High-Power Millimeter-Wave Applications // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL.31. NO.12., DECEMBER, 1989, pp.2162-2165.
2. James M. Carrol. Performance Comparison of Single and Dual Stage MMIC Limiters// 2001 IEEE MTT-S Digest, pp.1341-1344.
3. D.G.Smith, D.D.Heston, J.Heston, B.Heimer, K.Decker. Designing reliable high-power limiter circuits with LIMITER GaAs PIN diodes // 2002 IEEE MTT-S Digest, pp.1245-1247.