Введение к работе
Актуальность исследуемой проблемы. Современной уровень развития цивилизации во многом обязан тем открытиям в области физики, техники и технологии полупроводников, которые позволили перейти от вакуумной техники первой половины 20-го века к высоким полупроводниковым супертехнологиям настоящего времени.
В области сверхвысоких частот (СБЧ) полупроводниковые приборы существенно потеснили вакуумные после появления в 60-х годах эффективных полупроводниковых активных элементов - лавинно-про-летных диодов (ЛПД), диодов Ганна и др. Последующие исследования выявили и основной недостаток полупроводниковых СВЧ приборов: относительно низкий уровень выходной мощности, который быстро уменьшается с ростом рабочей частоты. Один из способов устранения этого недостатка, связанного с проблемой отвода тепла от полупроводниковой структуры, заключается в формировании на одном полупроводниковом кристалле нескольких мезоструктур. Хотя это решение было найдено еще в конце 60-х годов серьезные технологические трудности отодвинули почти на два десятилетия появление первых отечественных серийных образцов таких приборов, в первую очередь ЛПД.
СВЧ генераторы на таких многоструктурных ЛПД (МСЛПД) с повышенной выходной мощностью могли бы составить существенную конкуренцию вакуумным генераторам и еще более расширить область применения полупроводниковых СВЧ приборов. Выяснилось, однако, что характеристики МСЛПД, прежде всего импедансные, существенно отличаются от характеристик одноструктурных аналогов. Ранее разработанные методы измерения характеристик ЛПД, принципы анализа и синтеза устройств на ЛПД, конструкции генераторов и усилителей, не в полной мере учитывают особенности МСЛПД и не позволяют реализовать преимущества, заложенные в них.
Дальнейшее увеличение выходной мощности полупроводниковых СВЧ генераторов возможно при использовании многодиодных устройств - сумматоров мощности. Здесь также недостаточно исследованы вопросы влияния числа активных элементов на энергетические и шумовые характеристики, препятствующие созданию мощных высокоэффективных полупроводниковых СВЧ генераторов с низким уровнем шума.
Таким образом, достижения в области физики твердого тела и полупроводниковой технологии проявят себя на СВЧ в полной мере, если будут дополнены соответствующими исследованиями, опирающимися яа традиционные идеи и методы радиофизики. Указанные обстоятельства позволяют считать тему диссертации актуальной и важной и дают возможность сформулировать цель данной работы.
Цель работы состоит в разработке методов измерения параметров МСЛПД и проведении исследований энергетических, диапазонных и шумовых свойств одно- и многодиодных СВЧ генераторов на МСЛПД для создания приборов, удовлетворяющих высоким требованиям по комплексу параметров. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
Разработка методов измерения импеданса ЛПД с ярко выраженными резонансными свойствами, характерными для МСЛПД.
-
Изучение влияния особенностей электродинамической системы на энергетические характеристики СВЧ генератора с использованием МСЛПД.
-
Исследование влияния числа диодов на энергетические и спектральные характеристики многодиодных генераторов на ЛПД.
-
Исследование диапазонных характеристик одно- и многодиодных СВЧ генераторов на МСЛПД и возможности расширения полосы перестройки частоты.
-
Исследование спектральных характеристик СВЧ диодных генераторов, кратковременной и долговременной стабильности частоты, возможности уменьшения флуктуации выходного сигнала и разработка методов измерения добротности колебательной системы генераторов.
Научная новизна. Начало исследований практически совпало с появлением первых отечественных малосерийных образцов МСЛПД, поэтому основные научные результаты диссертации могут претендовать на новизну. В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты:
-
Разработан метод и проведены исследования импедансных характеристик МСЛПД в широком диапазоне частот. Показано, что импе-дансные характеристики МСЛПД имеют ярко выраженные резонансные свойства и отличаются от одноструктурных аналогов малыми значениями импеданса полупроводниковой структуры и большими значениями добротности и резонансного сопротивления.
-
Исследован вопрос согласования импеданса МСЛПД с нагруз-
кой с помощью регулярных отрезков линии передачи. Выяснено, что традиционно используемые одно- и двухступенчатые трансформаторы импедансов на отрезках линии передачи не позволяют добиться оптимального согласования для МСЛПД. Показано, что для реализации энергетических параметров МСЛПД необходимо применение трехступенчатого трансформатора или дополнительного Г-образного звена.
-
Исследовано влияние числа диодов на энергетические и спектральные характеристики многодиодного генератора на ЛПД при различных стратегиях настройки его колебательной системы. Выяснено, что характер изменения параметров многодиодного генератора с ростом числа диодов определяется как способом настройки генератора, так и особенностями его колебательной системы.
-
Показано, что существенно расширить диапазон перестройки частоты генераторов на МСЛПД можно лишь путем перестройки резонансной частоты контура, образованного диодом и отрезком коаксиальной или радиальной линии передачи. Диапазон электрической токовой перестройки частоты двухдиодного генератора можно увеличить путем реализации такой связи диодов с нагрузкой, при которой час-тотно-токовые характеристики отдельных диодов имеют противоположные знаки.
-
Обнаружен эффект снижения частотных флуктуации диодных СВЧ генераторов при соответствующем выборе связи диодного модуля с электромагнитным полем резонатора.
-
Разработан модуляционный способ измерения добротности колебательной системы СВЧ генератора непосредственно в режиме генерации .
Практическая значимость диссертации связана, прежде всего, с тем, что полученные в ней результаты могут быть использованы для создания полупроводниковых СВЧ генераторов повышенной мощности (с выходной мощностью порядка нескольких ватт), сочетающих в себе высокие энергетические, шумовые и диапазонные характеристики.
Практическим результатом исследования вопросов согласования импеданса МСЛПД явилась разработка патентоспособной конструкции СВЧ генератора, в полной мере реализующей мощностные возможности МСЛПД. Техническое решение защищено авторским свидетельством.
Авторским свидетельством и патентом защищены две конструкции СВЧ генераторов с широкой полосой перестройки частоты, в которых нашли практическое воплощение результаты проведенных исследований
- б -
диапазонных характеристик СВЧ генераторов на МСЛПД. Патентом защищен' и способ перестройки частоты двухдиодного СВЧ генератора.
Исследования спектральных характеристик позволили предложить оригинальную конструкцию малошумящего СВЧ генератора, защищенную патентом. Получено авторское свидетельство и на 'способ измерения добротности резонансной системы с активным элементом.
На основе разработанных СВЧ генераторов с высокими характеристиками были созданы и прошли успешные испытания на одном из промышленных предприятий г. Саратова две конструкции бесконтактных измерителей вибрации, также защищенные патентами.
" Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докла-дывались и обсуждались на Всесоюзной школе и совещании-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полуп-
"" роводникбво-диэлектрйческими структурами" (Саратов, 1988), на Всесоюзном семинаре "Устройства интегральной и функциональной СВЧ электроники" (1^68,^1989),^3 межведомственной научно-технической конференции "Состояние и тенденции развития контрольно-измери-
-' тельного и испытательного оборудования" (Саратов, 1990), на 12-ой ; Всесоюзной научно-технической конференции по твердотельной элект-
' ; ронйке СВЧ г(Киев,' 1990) ,' на Всесоюзной 4-ой научно-практической конференции "Применение СВЧ энергии в технологических Процессах и
''"' научных исследованиях" (Саратов, 1991), на 4-ой Всесоюзной школе по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (Нижний Новгород, 1991), на научно-технической конференции ; "Современные методы радиойзмерений в диапазонах высоких частот
" (ВЧ)'и сверхвысоких-частот (СВЧ) (Новосибирск, 1991), на 1-ом Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмнлли-мётровых радиоволн" (Харьков, 1991), на ряде конференций молодых ученых, а также на научных семинарах СФ ИРЭ РАН и СГУ.
По теме диссертации опубликовано более 30 печатных работ, включая 8 изобретений. Основные результаты диссертации изложены в работах [1-30].
Личный вклад соискателя. Опубликованные работы написаны либо без соавторов, либо в соавторстве с сотрудниками научной группы. В совместных работах диссертант принимал участие в теоретических расчетах и экспериментах, осуществил объяснение и интерпретацию результатов. Постановка задач и исследований осуществлялась научным руководителем к.ф.-м.н., доцентом Шаповаловым А.С.j а также
к.ф.-м.н., доцентом Никитиным А.А.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения (143 стр. основного текста), 42 стр. иллюстраций-И 23 стр. списка литературы, включающего 245 наименований.
