Режимы работы диода с накоплением заряда в генераторах импульсных сигналов субнаносекундной длительности Жабин Алексей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы: Сверхкороткие импульсы (СКИ) получили
широкое применение в качестве сигналов в современных радиосистемах.
Большая ширина спектра сигнала, используемого в системах связи,
обеспечивает потенциально высокую скорость передачи информации и
позволяет повысить проникающую способность сигнала в различные среды. С
другой стороны, малая пространственная длительность позволяет улучшить
разрешающую способность радиолокационных систем и увеличить количество
определяемых параметров цели. Для формирования импульсов

субнаносекундной длительности используются полупроводниковые

размыкатели тока, среди которых можно выделить диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В последнее время интерес к ДНЗ заметно вырос в связи с возможностью их применения в генераторах, работающих от переносных источников энергии.

Наиболее важными параметрами СКИ для приложений радиолокации и связи являются амплитуда и длительность, значения которых, определяются схемотехническим решением генератора и особенностями работы ДНЗ. В связи с этим, для проектирования радиосистем, использующих сверхкороткие импульсные сигналы, необходимо знать зависимости амплитуды и длительности от параметров ДНЗ и номиналов элементов схемы формирователя. Параметры диода в значительной степени обусловлены режимом его работы, и определение их значений для всех возможных режимов требует значительных временных затрат. В связи с этим возникает необходимость в автоматизации процесса измерения параметров ДНЗ.

В условиях постоянного развития сверхширокополосных технологий
возрастают требования, предъявляемые производителями радиоэлектронной
аппаратуры к генераторам СКИ. Наиболее важными из них являются
увеличение амплитуды и уменьшение длительности выходного импульсного
сигнала, а также повышение КПД генератора. Для удовлетворения этих
требований необходимо совершенствовать методы генерации

сверхширокополосных сигналов. Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных выше задач определяет актуальность тематики данной диссертации.

Цель работы: разработка способов увеличения амплитуды и уменьшения длительности СКИ формируемых генераторами посредством эффективного применения диода с накоплением заряда с учетом особенностей его работы в режиме переключения. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ схем генераторов сверхкоротких импульсов для выявления общих закономерностей их работы и определить аналитические зависимости амплитуды и длительности формируемых сверхкоротких импульсов от параметров диода с накоплением заряда и номиналов элементов схемы генератора сверхкороткого импульсного сигнала;

2. Исследовать физические процессы в структуре диода с накоплением заряда при его работе в режиме переключения, влияющие на значения амплитуды и длительности формируемого СКИ;

3. Модифицировать математическую модель диода с накоплением заряда для синтеза и анализа схем генерации сверхкоротких импульсов в системах автоматизированного проектирования;

4. Разработать схемотехнические решения для генераторов сверхкоротких импульсов, позволяющие увеличить амплитуду и реализовать электронное управление длительностью формируемого импульсного сигнала;

5. Разработать алгоритмы и программно-аппаратные автоматизированные комплексы для измерения параметров диода с накоплением заряда и характеристик формируемых сверхкоротких импульсов.

Научная новизна:

6. Получены аналитические выражения, позволяющие определить параметры формируемого сверхкороткого импульса при известных параметрах полупроводниковой структуры диода с накоплением заряда и номиналах элементов схемы генератора с длительным накоплением заряда и схемы с одновременной накачкой заряда диода и накоплением магнитной энергии;

7. Предложена модификация математической модели диода с накоплением заряда на основе экспериментально полученной зависимости величины разности потенциалов между анодом и катодом диода от величины заряда, находящегося в его активной области, на стадии высокой обратной проводимости;

3. По результатам проведенного исследования различных схем генераторов сверхкоротких импульсов на основе диода с накоплением заряда сформулирован общий подход для синтеза и анализа формирователей сверхширокополосных импульсных сигналов;

4. Показано, что при последовательном включении нескольких ДНЗ имеет место уменьшение величины заряда, накопленного в сильнолегированных областях полупроводниковой структуры диода с накоплением заряда, которое позволяет существенно улучшить параметры генерируемого сверхкороткого импульсного сигнала;

5. Разработан метод электронного управления длительностью сверхкороткого импульсного сигнала, в основу которого положена экспериментально полученная зависимость длительности формируемого сверхкороткого импульсного сигнала от режима работы диода с накоплением заряда;

6. Разработан алгоритм автоматизированного измерения основных параметров диода с накоплением заряда и определения амплитуды и длительности СКИ, формируемых генератором на основе исследуемого ДНЗ.

Теоретическая и практическая ценность работы: Проведено теоретическое и экспериментальное исследование процесса переключения ДНЗ в схемах генерации импульсных сигналов субнаносекундной длительности. На основании этого исследования определены факторы, влияющие на параметры формируемых импульсов, такие как амплитуда и длительность. Разработаны схемотехнические решения, позволяющие генерировать сверхкороткий импульсный сигнал большей амплитуды и меньшей длительности. Разработан генератор с электронным управлением длительностью формируемого импульса в диапазоне от 350 пс и до 1400 пс.

Разработан программно-аппаратный измерительный комплекс, позволяющий определять значения основных параметров диода с накоплением заряда для различных режимов его работы. Данный автоматизированный измерительный комплекс может быть интегрирован в технологический процесс производства полупроводниковых приборов для их тестирования на соответствие техническим условиям и оценки характеристик формируемых сверхкоротких импульсов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические зависимости параметров генерируемых сверхкоротких импульсов от параметров полупроводниковой структуры диода с накоплением заряда и значений номиналов элементов схемы формирователя;

2. Модифицированная математическая модель диода с накоплением заряда для систем автоматизированного проектирования, позволяющая проводить моделирование схем генераторов сверхкоротких импульсов с низкими напряжениями питания с учетом экспериментально выявленных эффектов;

3. Схемотехнические решения, обеспечивающие эффективное применение диода с накоплением заряда в генераторах сверхкоротких импульсов для увеличения их амплитуды и управления длительностью;

4. Алгоритм и программно-аппаратный измерительный комплекс для автоматизированного измерения основных параметров диода с накоплением заряда и определения амплитуды и длительности СКИ.

Достоверность результатов диссертации определяется корректным применением математических методов, соответствием выводов известным фундаментальным теоретическим представлениям, согласием результатов моделирования и данных, полученных экспериментально. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением высокоточной измерительной аппаратуры и обработкой экспериментальных данных современными численными методами.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены в виде докладов и обсуждались на: международной научно-технической конференции “Радиолокация, навигация и связь” (г. Воронеж, 2011, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017 г.); Международной научно-технической конференции «NIDays-2015» (г. Москва 2015); Международной конференции «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий: РЭУС – 2016» (г. Москва, 2016); Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, 2016, 2016 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, 5 из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертации, патент РФ на полезную модель.

Личный вклад автора состоит в разработке и проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также анализе полученных результатов. Результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора на этапах постановки задач и разработки экспериментальных и теоретических методов для их выполнения, обработки полученных данных и написании публикаций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 107 наименований. Объём диссертации составляет 126 страниц, включая 50 иллюстраций.