Фазированная антенная решетка
Nbsp;
Кафедра Полупроводниковой электроники
Конспект лекций по дисциплине
Полупроводниковые СВЧ приборы
Д. т. н., профессор Шнитников А. С.
НИУ МЭИ 2018 Москва
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
1. СВЧ антенны. 5
2. СВЧ диоды с переменной емкостью. 16
3. Смесительные и детекторные диоды. 29
4. Переключательные и ограничительные диоды. 45
5. Туннельные и обращенные диоды. 66
6. Лавинно-пролетные диоды. 72
7. Диоды Ганна 86
8. Биполярные СВЧ транзисторы. 100
9. Полевые СВЧ транзисторы. 110
10. Сравнение активных полупроводниковых СВЧ приборов 116
ЛИТЕРАТУРА. 119
Введение
Полупроводниковая электроника сверхвысоких частот (СВЧ) относится к числу быстро развивающихся направлений современной электронной техники. Интегрализация и комплексная миниатюризация СВЧ устройств и систем требуют нового подхода к решению задач генерирования, усиления и преобразования СВЧ колебаний, а также управления этими колебаниями. Традиционные пути и методы, используемые при исследованиях и разработках «обычных» (не сверхвысокочастотных) полупроводниковых приборов, БИС, СБИС и т. д., далеко не всегда оказываются пригодными и достаточными в диапазоне СВЧ. Научные подходы и опыт, накопленный в ходе разработок вакуумных и газоразрядных СВЧ аналогов, также не могут быть полностью использованы для решения задач полупроводниковой СВЧ электроники.
|
|
|
Процессы и явления, происходящие в твердотельных структурах, приборах и устройствах при весьма высоких частотах, сложны, многообразны и до сих пор не полностью изучены. Огромные возможности твердотельных СВЧ приборов по сути дела только начинают использоваться в широких масштабах в радиоэлектронных устройствах, что открывает простор для научных, инженерно-конструкторских и технологических поисков.
Важной предпосылкой развития твердотельной СВЧ электроники являются успехи в области интегральной техники и создание разнообразных устройств на базе микрополосковых и других планарных линий передачи, диэлектрических резонаторов и т. п. Тесное переплетение «схемных» и «приборных» проблем, характерное для всей техники СВЧ, особенно ярко проявляется в интегральной СВЧ электронике.
Настоящее электронное пособие предназначено для студентов НИУ МЭИ специальности 20.03. «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы», соответствует лекционному курсу «Полупроводниковые СВЧ приборы». В пособии излагаются базовые сведения по полупроводниковым приборам, наиболее широко применяемым в СВЧ технике, рассматриваются особенности их конструкции и примеры применения. Наибольшее внимание в пособии обращено на физическую сторону изучаемых вопросов. Основной материал предваряется кратким обзором базовых типов радиоантенн СВЧ диапазона.
|
|
|
Предполагается, что читатель обладает знаниями техники СВЧ в объеме [1–3], а также владеет основными понятиями физики полупроводников и полупроводниковых приборов. Пособие может быть полезно также студентам смежных специальностей и молодым специалистам, связанным с разработкой и применением приборов и устройств СВЧ диапазона.
Автор выражает благодарность профессору
| И. В. Лебедеву |
1. СВЧ антенны
Первые опыты, доказавшие существование электромагнитных волн, подобных световым, выполнил выдающийся ученый Генрих Герц в 1888 г. В качестве источника сигнала использовался электрический разряд между металлическими шарами, соединенными с проводниками. Это устройство было праобразом радиоантенны.
Антенной называется система проводников, предназначенная для излучения (приема) электромагнитных волн. Термин происходит от греческого слова, означающего щупальца, усики (насекомых).
|
|
|
Образование антенны из отрезка двухпроводной линии поясняется с помощью рис. 1.1,а,б. Четвертьволновый отрезок линии с холостым ходом на конце представляет собой резонатор, часть накопленной в нем энергии излучается в окружающее пространство. Однако в таком случае напряженность магнитного поля Hа в удаленной точке А незначительна, т. к. излучения от противоположно направленных токов вычитаются, (см. рис. 1.1,а). Если же развернуть проводники, как показано на рис. 1.1,б, происходит сложение парциальных сигналов, наводимых токами в проводниках.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Рис. 1.1. Полуволновый вибратор (б), образованный из четвертьволнового резонатора (а), и вибратор Герца |
Такой «открытый резонатор» превращается в антенну (полуволновый вибратор), излучающую наиболее эффективно на той частоте, для которой его длина близка к половине длины волны [4, 5]. При работе в длинноволновых диапазонах, когда обеспечить указанное соотношение не удается, можно повысить эффективность антенны, присоединив к концам проводников емкостные элементы, например, металлические шары, как на рис. 1,в. Подобные антенны использовал в своих опытах Герц.
Для описания антенн применяются следующие основные параметры:
1. Входной импеданс 
.
2. Сопротивление излучения 
.
3. Сопротивление потерь 
.
4. КПД антенны 
.
5. Коэффициент направленного действия 
, где 
мощность ненаправленной антенны с той же интенсивностью излучения в главном направлении; 
, где 
– площадь антенны.
6. Коэффициент усиления 
, достигающий 105 в СВЧ диапазоне.
7. Диапазон рабочих частот.
Большинство антенн способны работать как в передатчиках, так и в приемниках, при этом они характеризуются теми же основными параметрами.
Антенные устройства, применяемые в системах связи, радиолокации и др. весьма разнообразны и классифицируются по нескольким признакам, включая частотный диапазон. Наиболее важным является разделение на ненаправленные (слабонаправленные) и остронаправленные антенны в зависимости от их диаграмм направленности. Диаграмма направленности антенны характеризует распределение интенсивности излучения в пространстве. Наиболее часто используется сечение объемной диаграммы направленности горизонтальной или вертикальной плоскостью, являющееся графическим представлением зависимости интенсивности излучения антенны от направления в заданной плоскости. Примеры таких диаграмм в полярных координатах для антенн двух классов показаны на рис. 1.2.
|
| ||||||||||||||||||||
| Рис. 1.2. Диаграммы направленности антенны: ненаправленная антенна (а) и остронаправленная антенна (б) |
Важнейшим параметром остронаправленной антенны является ширина основного лепестка диаграммы (угол j), которая определяется по уровню 0,7 от максимальной интенсивности излучения, как показано на рис. 1.2,б. На практике используется именно этот лепесток, указывающий главное направление излучения антенны; излучение побочных лепестков часто является помехой, его стремятся ослабить.
Основные достоинства остронаправленных антенн приведены на рис. 1.3. Понятно, что достижение высокой направленности является важной задачей конструирования антенных устройств.
| ||
| Рис. 1.3 |
Как указывалось выше, коэффициент направленного действия антенны прямо пропорционален ее площади и обратно пропорционален квадрату длины волны излучения. Поэтому при переходе в СВЧ диапазон от более длинных радиоволн достигается большой выигрыш в направленности антенн даже при уменьшении их площади. Это способствует увеличению дальности связи при экономии мощности передатчика, что особенно важно для радиоаппаратуры летательных аппаратов и спутников.
Примером ненаправленной антенны является рассмотренный ранее полуволновый вибратор. Его диаграмма направленности в горизонтальной плоскости соответствует рис. 1.2,а. Если антенна расположена над проводящей плоскостью (роль которой, в частности, может играть поверхность земли или воды), используют более компактный четвертьволновый вибратор, который согласно принципу зеркального отображения оказывается эквивалентным полуволновому вибратору. Такая разновидность антенны показана на рис. 1.4,а.
|
| |||||||||||||||||||||||||||
| Рис. 1.4. Четвертьволновый вибратор (а), петлевой вибратор Пистолькорса (б); рамочная антенна и ее диаграмма направленности (в) |
Другой разновидностью вибратора является полуволновый петлевой вибратор, предложенный советским радиотехником Пистолькорсом, такая антенна часто используется в телевизионных приемниках (см. рис. 1.4,б) . На концах диполей, настроенных в резонанс, расположены пучности напряжения. Поэтому при использовании в качестве вибраторов гибкого провода на концах диполя должны устанавливаться качественные изоляторы (керамические или стеклотекстолитовые). В точке А находится узел напряжения, поэтому здесь можно прикрепить антенну к заземленной конструкции без изолятора.
Простую конструкцию имеет также рамочная антенна, показанная на рис. 1.4,в. Она представляет собой рамку из одного или нескольких витков провода. Ее диаграмма направленности в сечении, перпендикулярном плоскости рамки, описывается функцией косинуса. Аналогичные диаграммы направленности в вертикальной плоскости имеют рассмотренные полуволновые и четвертьволновые вибраторы.
В телевизионных приемниках метрового и дециметрового диапазонов длин волн часто используется слабонаправленная директорная антенна типа «волновой канал», изображенная на рис. 1.5. На ее оси помимо активного полуволнового вибратора закреплены рефлектор (отражатель) и несколько антенных элементов, называемых директорами. Они возбуждаются излучением активного вибратора (в случае передающей антенны) и переизлучают сигнал. При правильно подобранных расстояниях между антенными элементами в плоскости рисунка формируется диаграмма, подобная изображенной на рис. 1.2,б. Ее главный лепесток, направленный вдоль оси от рефлектора, имеет обычно ширину 20 – 30°. Такой же характеристикой направленности обладают и приемные антенны.
|
| ||||||||||
| Рис. 1.5. Многовибраторная антенна «волновой канал» 1 – активный вибратор; 2 – рефлектор; 3 – директоры |
Простые антенны, предназначенные наиболее часто для диапазона сантиметровых длин волн (СМВ), представлены на рис. 1.6. Открытый конец прямоугольного волновода может быть использован в качестве антенны, но в этом случае возникают значительные потери на отражение. Более эффективной является рупорная антенна, которая представляет собой участок волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом (см. рис. 1.6,а). Достоинством рупорной антенны является ее широкополосность, определяемая рабочей полосой частот питающего волновода; к.п.д. такой антенны может быть близок к единице. Ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна размеру конца рупора, ее типичное значение составляет около 50°.
|
| |||||||||
| Рис. 1.6. Рупорная антенна (а) и щелевая антенна (б) |
Одна из разновидностей щелевой антенны на базе прямоугольного резонатора со щелью в стенке, пересекающей линии тока, изображена на рис. 1.6,б. Резонатор возбуждается с помощью коаксиального волновода, его штырь, входящий в резонатор, служит элементом связи. Диаграмма направленности одиночной щели близка к изображенной на рис. 1.4,в диаграмме для рамочной антенны. Нередко используются более сложные антенны с несколькими щелями в волноводе. Щелевые излучатели создаются также на основе планарных линий передачи.
На высокочастотном краю СВЧ диапазона находят применение антенны, построенные по квазиоптическому принципу. Два варианта таких устройств представлены на рис. 1.7. Это зеркальная антенна (рис. 1.7,а) и линзовая антенна (рис. 1.7,б).
|
| ||||||||||
| Рис. 1.7. Зеркальная антенна (а) и линзовая антенна (б) |
Как показано на рисунке, в качестве облучателя может быть использована, например, рупорная антенна. В таких конструкциях достигается снижение ширины основного лепестка диаграммы направленности до 0,1°.
Фазированная антенная решетка
Значительное расширение возможностей радиосистем (в первую очередь радиолокаторов) достигается при использовании фазированной антенной решетки (ФАР). Принцип действия модели одномерной антенной решетки поясняется на рис. 1.8. Она состоит из рефлектора и набора идентичных ненаправленных излучателей, расположенных в линию с шагом а. С учетом отражения от рефлектора диаграмма направленности каждого одиночного излучателя в плоскости чертежа изображается штриховой фигурой I1, соответствующей функции косинуса (штриховая линия). Она подобна диаграмме направленности рамочной антенны, показанной на рис. 1.4,в.
|
| ||||||||||||||||||||||||||
| Рис. 1.8. Формирование остронаправленного луча в решетке при синфазном питании ненаправленных излучателей |
Пусть все имеющиеся излучатели питаются синфазными сигналами с одинаковой амплитудой. Общее излучение одномерной решетки определяется векторным сложением сигналов излучателей. При этом в удаленной точке, расположенной на главном направлении антенны (ось z) все сигналы складываются синфазно; суммарный сигнал увеличивается в n раз, где n – число элементов решетки. Рассмотрим теперь взаимодействие сигналов в направлении z1, под некоторым углом α к главному направлению. Для каждой пары соседних излучателей появляется разность хода лучей 
. Этой разности хода соответствует разность фаз рассматриваемых сигналов 
, где b – коэффициент фазы; l – длина волны на рабочей частоте. С ростом угла 
амплитуда суммарного сигнала снижается, и при 
получаем 
, что означает противофазность и взаимное подавление сигналов для каждой пары соседних излучателей, суммарный сигнал решетки падает до нуля. Таким образом, при правильном выборе шага решетки а по отношению к длине волны l можно сформировать очень узкий основной луч антенны, что позволяет увеличить точность и разрешающую способность радиолокационных систем. При более высоких углах формируются побочные лепестки диаграммы направленности со значительно меньшей интенсивностью излучения из-за неоптимального сложения парциальных сигналов. Упрощенная диаграмма направленности решетки качественно изображена на рис. 1.8. Основная часть энергии передатчика излучается в главном направлении антенны вдоль оси z.
Пусть теперь излучатели решетки питаются сигналами с одинаковой амплитудой, но с различными фазами, причем при смещении по решетке вниз (на рис. 1.9) каждый последующий излучатель получает сигнал с задержкой по фазе относительно предыдущего на одинаковый угол 
. Тогда в направлении z, где отсутствует разность хода лучей, сигналы будут иметь различные фазы, и суммарный сигнал антенны не будет максимальным. Однако найдется направление z2, для которого разность хода соседних лучей 
будет компенсировать введенный фазовый сдвиг , и сигналы этих лучей будут синфазными. При этом должно выполняться соотношение 
. В данном направлении и будет повернута ось главного луча антенной решетки, вдоль которой распространяется максимальная энергия. Таким образом осуществляется электронное сканирование (поворот) главного луча антенны в пределах широкого диапазона пространственных углов без ее механического смещения. Это позволяет многократно увеличить скорость осмотра пространства, а также расширить функциональные возможности РЛС. Например, параллельно с обзором пространства можно сопровождать большое количество объектов, непрерывно получая информацию об их расположении. Для этого каждый излучатель снабжается фазовращателем, управляемым с помощью компьютера.
Рассмотренная модель одномерной решетки осуществляет сканирование луча антенны только в одной плоскости, проходящей через линию излучателей. В плоскости, перпендикулярной этой линии, вид диаграммы остается таким же, как для одиночного излучателя. Реальные ФАР строятся на базе двумерной решетки излучателей, что позволяет сузить луч и в другой плоскости и осматривать все полупространство в сторону от рефлектора, используя принцип электронного сканирования луча без поворота антенны.
|
| ||||||||||||||||||
| Рис. 1.9. Поворот луча при введении фазовых сдвигов между излучателями |
Описанный принцип был известен давно, его пытались применить в радиолокационных системах с фазированной антенной решеткой. В них использовали мощный электровакуумный СВЧ генератор, сигнал которого делится на большое число парциальных когерентных сигналов, которые подаются к излучателям через управляемые фазовращатели. Несмотря на достоинства радиолокатора с ФАР, такой его вариант не получил распространения из-за исключительной громоздкости конструкции, в которой к большому числу антенных элементов должны подходить СВЧ тракты от устройства деления мощности. Помимо этого, мощный электровакуумный генератор с неизбежно применяемой системой охлаждения и громоздким высоковольтным блоком питания характеризуется значительными размерами и весом. К тому же такой генератор имеет обычно недостаточную надежность, а его деградация или выход из строя приводят к катастрофическому отказу ответственной системы.
Указанные принципиальные трудности удалось преодолеть, когда появилась возможность использовать малогабаритные и надежные полупроводниковые приборы, способные генерировать достаточно мощные сигналы в СВЧ диапазоне. При этом непосредственно на отражателе размещаются приемопередающие модули двумерной антенной решетки, к которым подводятся только низковольтные цепи питания и управления. Каждый модуль содержит синхронизируемый генератор, управляемый фазовращатель, антенный переключатель и приемник, полученная информация обрабатывается с помощью компьютера. Этот вариант называется активной фазированной антенной решеткой (АФАР). Теперь радиолокатору не требуется тяжелый и громоздкий электровакуумный генератор с системой охлаждения и высоковольтным блоком питания.
Мощность большого числа генераторов складывается в пространстве, их теплоотводы могут быть разнесены. Таким образом преодолевается основной недостаток полупроводниковых
| 2 |
Мощные наземные РЛС с АФАР используются в комплексах противовоздушной обороны. Пример системы предупреждения о ракетном нападении на Аляске показан на рис. 1.10 [http://ru.wikipedia.org/wiki/].
|
| Рис. 1.10. Наземная РЛС с АФАР |
Помимо этого, РЛС подобного типа устанавливаются на кораблях и самолетах (см. рис. 1.11).
|
| Рис. 1.11. Самолет МИГ-31, снабженный фазированной антенной решеткой |
Очень эффективны и полезны АФАР, установленные на спутниках. Описанные системы имеют большие перспективы дальнейшего совершенствования; одно из направлений связано с возможностью работы одновременно на нескольких частотах.
2. СВЧ диоды с переменной емкостью
Исходные положения
Важное место среди большого числа разнообразных полупроводниковых диодов СВЧ диапазона занимают диоды с переменной емкостью. По конструкции это могут быть диоды с pn-переходом или диоды с барьером Шоттки (ДБШ). Физические свойства базового нелинейного элемента многих полупроводниковых приборов – ступенчатого pn-перехода – качественно отображены на рис. 2.1 [6].
|
| Рис. 2.1. Ступенчатый pn-переход |
Здесь представлены распределения вдоль оси x, перпендикулярной плоскости pn-перехода, концентрации легирующих примесей 
и 
, свободных носителей заряда n и p , плотности объемного заряда r , напряженности электрического поля e и энергии краев запрещенной зоны 
, 
в структуре. Между этими кривыми в запрещенной зоне проведен уровень Ферми F (подразумевается контакт невырожденных полупроводников). Технологическая граница pn-перехода, на которой происходит скачкообразное изменение концентрации примесей, проходит через вертикальную ось.
Для рассматриваемой упрощенной модели приняты также следующие допущения:
· переход асимметричный: << ;
· внешнее напряжение отсутствует;
· в области пространственного заряда (ОПЗ) между штриховыми границами наблюдается полное обеднение ионов примеси;
· вне ОПЗ сохраняется нулевой объемный заряд (условие электронейтральности).
Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) pn-перехода и упрощенное выражение для нее (без учета тока генерации–рекомбинации в ОПЗ) представлены на рис. 2.2. Там же приведена зависимость барьерной емкости перехода от напряжения с учетом принятых допущений [7].
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 426; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!