Монолитный переключатель миллиметрового диапазона длин волн

В.Г. Божков, И. В. Петров, В.Н. Путилов, А.Н. Сычев

Монолитный переключатель миллиметрового диапазона длин волн

Представлены результаты разработки монолитного переключателя 8-миллиметрового диапазона. Проведено моделирование и изготовлен опытный образец переключателя, измерены его характеристики.

Актуальность разработки устройств миллиметрового диапазона длин волн обусловлена все более расширяющимся применением систем указанного диапазона для коммерческих и оборонных приложений, что подтверждает проведенный обзор мировой литературы [1].

Можно выделить два основных подхода к созданию модулей и узлов аппаратуры в миллиметровом диапазоне: схемы в гибридном исполнении и монолитные интегральные схемы (МИС). Преимущества МИС очевидны — изготовление схемы в одном технологическом цикле, простота сборки (которую может осуществлять и не очень квалифицированный персонал), отсутствие необходимости в настройке и хорошая повторяемость характеристик готовых устройств. Конструкции, в которых функциональный узел реализуется в виде гибридной интегральной схемы (ГИС) на диэлектрической подложке (обычно на базе щелевой линии), монтируемой в продольном сечении (^-плоскости) волновода (волноводно-щелевые линии — ВЩЛ), были предложены Майером [2, 3] и получили название finline-конструкций. Технология изготовления такого типа устройств на базе НИИ полупроводниковых приборов г. Томска получила существенное развитие [4, 5]. Вместо ГИС на диэлектрической подложке в ^-плоскость волновода непосредственно монтируется МИС функционального узла. Именно в таком исполнении проведена разработка монолитного переключателя. В предлагаемой работе рассчитана его модель с применением компьютерных средств и приведены характеристики изготовленного образца.

В процессе моделирования было рассмотрено несколько вариантов геометрии переключателя (рис. 1). В качестве основного элемента переключателя использована Т-образная щелевая линия. Соотношения размеров щели и всего модуля условны. Показана лишь длина щелевой линии, которая составляет половину длины волны (^/2) на средней частоте диапазона. Выбор данной схемы обусловлен типом волноводного корпуса, взятого за основу, который представляет собой разветвитель Т-типа. Функционирование переключателя осуществляется по обычной схеме. При подаче СВЧ-мощности по каналу I (вход) мощность направляется в канал 11, если диоды (расположенные через четвертьволновые отрезки) правой части включены в прямом направлении (канал 111 «закрыт»). При этом на диоды левой ветви смещение не подано: канал II работает в режиме «открыто». При обратном включении диодов канал 11 оказывается «закрытым», а канал III — «открытым».

Наиболее важной была задача оптимизации МИС переключателя. В модель заложена эквивалентная последовательная схема диода. Посредством изменения величины емкости и последовательного сопротивления диода определялись наилучшие характеристики: минимальные потери мощности при передаче сигнала, при максимальной развязке в закрытом

состоянии. Окончательное количество диодов в изготавливаемой МИС определялось исходя из технологических возможностей и степени их влияния на улучшение характеристик. Также оптимизировались волноводные трансформаторы для наилучшего согласования волноводов, подводящих мощность, и МИС. Был изготовлен корпус переключателя. Поскольку элементами, подводящими мощность, являются волноводы, то габариты корпуса обусловлены размерами фланцев и согласующих трансформаторов и составили 22x22x6 мм. В качестве активных элементов использованы диоды с барьером Шоттки, технология изготовления которых уже освоена.

III

Рис. 1 — Схема диодного переключателя 8-мм диапазона

Оптимизированная МИС переключателя, размещаемая в Е-плоскости волноводного корпуса, имеет размеры 3,2x4,8 мм (рис. 2). Несущей конструкцией, является металлизация (металлическая фольга), с помощью которой МИС закрепляется в волноводном корпусе. Схема содержит полупроводниковые кристаллы (4). Один из них служит для скрепления схемы, а на втором размещены переключательные диоды (1). Выводы для подачи смещения (2) изолированы от волновода.

2 _ _

N 1 . . Ч Н Ч Ч Ч Ч Ч Ч Ч 444444 4 V г' г' -' г г-' г-' ^ .-.-. Ч Ч Ч Ч Ч Ч *

1 1 ЕИ;

------- •- ', *. •.' X '.' ' X Ш ~ т т * . . .

3 .' :Т Г'Т'" ч »

- (г Л* Ш, А Ш 4

Рис. 2 — Монолитная интегральная схема переключателя: 1 — диодные цепочки; 2 — выводы для подачи смещения; 3 — четвертьволновые отрезки щелевых линий; 4 — кристаллы для ориентации схемы в волноводе и выполнения диодов

С использованием САПР для моделирования микроволновых устройств были получены расчетные зависимости от частоты (рис. 3): вносимых потерь (1), развязки между входом и закрытым каналом (4) и развязки между двумя выходами (5).

Частота, ГГц

Рис. 3 — Характеристики по результатам расчетов и измерений: вносимые потери — расчетные

Результаты измерения характеристик переключателя также приведены на рис. 3. Вносимые потери на переключение составили 1,7—2,5 дБ во всем сечении волновода, а развязка между входным и выходным каналами находится на уровне 22,5—25 дБ. Нужно заметить, что реальные результаты получились немного хуже расчетных. Это связанно с тем, что параметры полученных диодов несколько разошлись с теми, что использовались в расчете. В дальнейшем планируется улучшить характеристики устройства в основном за счет улучшения характеристик диодов.

Литература

1. Путилов В.Н. Монолитные интегральные СВЧ-коммутаторы на GaAs и InP pin-диодах : обзор / В.Н. Путилов // Научная сессия ТУСУР-2005 : материалы Всеросс. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов, Томск, 26—28 апр. 2005 г. — Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2005. — 366 с.

2. Meier P.J. Integrated finline: the second decade. Part I / P.J.Meier // Microwave J. -1985. - V. 28, № 11. - P. 31.

3. Meier P.J. Integrated finline: the second decade. Part II / P.J.Meier // Microwave J. -1985. - V. 28, № 12. - P. 30.

4. Монолитные и квазимонолитные модули и устройства миллиметрового диапазона длин волн / В.Г. Божков [и др.] // Электронная промышленность. - 2001. - № 5. - С. 77-97.

5. Волноводный модулятор 8-мм диапазона длин волн на основе монолитно-интегральной схемы / В. Г. Божков [и др.] // 8-я росс. конф. «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V». - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. - С. 321-323.

Божков Владимир Григорьевич

Начальник отдела ОАО «НИИПП» Телефон: (3822) 55 66 95

Петров Игорь Владимирович

Науч. сотр. ОАО «НИИПП»

Путилов Владимир Николаевич

Аспирант ТУСУРа

Эл. почта: rubikz@mail.ru

Сычев Александр Николаевич

Проф. каф. радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга ТУСУРа Эл. почта: ans@tusur.ru

V.G. Bozhkov, I.V. Petrov, V.N. Putilov, A.N. Sichev Monolithic microwave switch

This paper presents result of develop monolithic, 8-mm wave-length, microwave switch. It's hold modeling and production of switch. A discussion of measurements are given in the paper.