Главная  Микроэлектронные устройства сверхвысоких частот 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [ 28 ] 29 30 31

Максимально допустимая импульсная мощность

1 -е

рас. и

Используя уравнение (8.7), получаем Р

1 -е

(8.8а)

Для т„/Т;<0,3; т^/Т;д 1 получаем = Р- ; для т„/Т( 1; т„/т, <

1 Р = т^/л/-г„; ДЛЯ т„ = т„ Р„ = Я

пер




Пьедестал (Си)

Рис. 8.2. Конструкция p-t-n-диода средней мощности (а) и смоитироваииого иа керамической плате (б):

/ - вывод; 2 - диод; 3 - пьедестал (поглотитель тепла); 4 - полоско-выЯ проводник; J - керамическая плата; 6 - земляная металлизация

Используя параметры для непрерывного режима и считая, что т^, = 10~ с, к, = 10? с, получаем максимально допустимую импульсную мощность, Вт,

, -Ю- /9,5.10

-=940.

+ *-2-(175-25)-

над. и 4 . 2,5 . 9,57

1 g-4/9..i.I0

Из уравнения (8.8а) два параметра (в^. и т,;,) ие даются в техническом условии. Величины этих параметров можно вычислить, зная конструкцию диода и способ его монтажа. Тепловое сопротивление 8. определяем по закону Фурье для тепловых условий, который устанавливает зависимость между градиентом температур и теплопроводностью [129]:

где Kth - теплопроводность, Вт/(см . °С); 5 - площадь поперечного сечеиия см; / - длина, см.

Тепловое сопротивление, °С/Вт,

ic4(fthSo)- (8.9)

, Для опредетеиия в^ диода необходимо вычислять тепловое сопротивление раздельно каждого слоя материала в диоде и просуммировать их.

Определим тепловое сопротивление р--п-диода (рис. 8.2, а). Тепловое сопротивление каждого слоя кремниевой структуры вычисляем, используя уравнение (8.9) и константы материалов, приведенные в табл. 15,

Таблица 15

Таблица 16

Константы

Кремний (Si)

Медь (Си)

Золото (Аи)

Поликор

Kth. Bt/(cm.°Q

0,26

Cft, Дж/(г-°С^

0.76

0,39

0,13

0,25

р, г/см

2,42

8,89

19,32

Толщина

Площадь

слоях

слоях

хЮ-.см

Х10- ,см

0,76

(-слой

0,76

3.12

10.2

Золотая ме-

таллизация

0.127

Пьедестал

1,02

12.9

Размеры диода, показанного на рис. 8.2, а, даны в табл. 16. Тепловое сопротивление, °С/Вт,

©/.(Si) - Mp+i + в

+ в

thiSi)

,( +))

= 1,25 (0.38 + 2,44 + 2,27) = 6,36. Тепловое сопротивление золота

в

/с(Аи)

о,ззШ =

Wo/(Au)

9,3- 10-.

Тепловое сопротивление пьедестала из меди, иа котором установлена кремниевая структура,

= ЗГ9; = -

в

Тепловое сопротивление медного поглотителя тепла (корпуса)

I 0,125

в

1С кор - 2dKi

г = 0,62.

v/ft(Cu) 0,203-

После суммирования всех частей получаем в^. = 9,87 °С/Вт. Вторым параметром, который ие дается в техническом описании иа диод, является временная температурная постоянная [129]

т(л = pCthlVKih,

где р - плотность материала, г/см; С/л - удельная теплоемкость Дж/(г °С).

Как и при вычислении теплового сопротивления, временная температурная постоянная равна сумме временных постоянных отдельных слоев:

th = /t(Si) + ih(Au) + /л(Си)-

Тепловой постоянной золотого слоя (Tjj)) можно пренебречь, после чего получаем

. т = 2,28 10- (0.57 + 57,16 + 104) + 0,88 (10,45 10) = 2,28 X X 10- 161,73 + 9,2 10- = 9,5 10- с.

В рассмотренном примере использовался мощный диод, имеющий массивный пьедестал.

Пример 18. Рассчитать мощность для маломощного бескорпусиого диода КА517А, смонтированного иа поликоровой плате (рис. 8.2, б).

Тепловое сопротивление диода определяется по формуле (8.9) как сумма слоев 2, 3, 5.-Причем теплопроводность К^ слоя 2 принимаем такую же, как для кремния, т. е. 0,8 Вт/(см . °С):

0.3 0,3 1

в, = вз + в5 =

0,08 0,635 + 0.39 0,025 0,026 0,635 165



При вычислениях учитывается, что в данном случае влииние слоя 4 незначительно. Из расчета видно, что максимальное тепловое сопротивление имеет поликоровая плата 5. Хотя тепло отводится также через напыленные проводники, однако из-за тонкого слоя напыления величина теплового сопротивления от этого практически не уменьшается. Тепловое сопротивление металлической рамки 6 мало, его также можно не учитывать.

Определим слоев 2, 3, 5

2,42 0,76 . 9 . 10- , 8,9 0,39 4 10-е 4 . о,25 10 *

0,26

= 0,4 10-3 с.

По техническим условиям = 5 Ом; Т^ = 125 °С. Подставив в уравнение (8.8) данные, получим, что диод при внешней температуре 25 °С может коммутировать падающую среднюю мощность (при 50-омной подводящей линии):

ад = (125-25) = 4.2 Вт.

Считаем, что длительность импульса = 10 с, период повторения импульсов Tj, = IQ- с, тогда допустимая падающая импульсная мощность

.,-0,105

- = 42 Вт.

Р =Р пад. д пад J -0.0105

Из уравнения (8.7) определим тепловую мощность рассеяния 4/?, п 4-5

Ра= г + 4/?s пад 50 + 20

4,2= 1,2 Вт.


Рис. 8.3. Электрическая схема (по постоянному току) ограничителя мощности с автосмещением

3. СХЕМЫ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ И ИХ РАСЧЕТ

Схемы ограничителей мощности выполняют с внещним управлением или без него. В последнем случае в схему вводят дополнительно смесительный диод VI (рис. 8.3), который вследствие большей, чем

у /7-/-П-ДИ0Д0В чувствительности к СВЧ мощности, открывается при меньшем уровне падающей мощности, чем /7-г-п-диоды V2 и 1/5, и с него снимается напряжение смещения для /7-г-п-диодов, которое понижает порог срабатывания ограничителя.

Для анализа многокаскадного полупроводникового ограничителя на p-i-n-тодах используем выражения работы [15]. Топологическая схема рассматриваемого ограничителя показана на рис. 8.4, а и представляет собой три одинаковых неоднородных шлейфа, включенных параллельно в линию передачи через p-i-n-mom на расстояниях четверти длины волны один от другого. В конце этого /7-г-п-ограничи-теля устанавливают обычно смесительный диод подпитки (см. рис. 8.3). Ограничитель с диодом подпитки работает следующим образом. Когда уровень проходящей через ограничитель мощности достигает достаточно большой величины (порядка нескольких миливатт), диод подпитки открывается. Выпрямленный ток, проходящий через него, замыкается через p-i-n-дтт и понижает порог открывания. Так как

передний фронт пришедшего СВЧ импульса всегда наклонный, то Р-/-П-ДИОДЫ, й^чав открываться с помощью диода подпитки при прохождении нижней части фронта, уже достаточно открыты при прохождении его верхней части, т. е. быстродействие ограничителя увеличивается. Когда /)-г-п-диоды открылись, они отражают ббльшую часть пришедшей мощности, и таким образом защищают последующую часть приемника, а также и диод подпитки.

Для анализа схемы применяют матрицы передачи (]Л]-матриць1), причем отдельные звенья представляют, эквивалентной схемы p-i-n-диода (см. рис. 6.1).

Входное сопротивление шлейфа 2ш, нормированного по z,

2m -

.1 г, tge, -?.cth вг -г, =2. izi + Z2cthe.jtge, где D = I Z


Рис. 8.4. Упрощенная топологическая схема ограничителя на МПЛ (о) и топологическая схема рассчитанного в примере ограничителя (б)

Для высокого уровня мощности суммарная проводимость диода и шлейфа

Y2=\/{Zor + jD). Для низкого уровня мощности

Ki= l/lZsaK-f /(-Хс)],

где Хс=1/(сйС/); 2зак, 2от - комплексные сопротивления закрытого и открытого диодов (рис. 6.1).

Как видно из рис. 8.4, а, схема ограничителя представляет собой три каскадно включенных одинаковых ячейки, состоящих из двух отрезков линий передачи с электрической длиной 6/2 и общей проводимости диода и шлейфа Yi или У^. Следовательно, нормированная матрица передачи ограничителя представляет собой произведение



следующих трех одинаковых матриц (нормированных по волновому сопротивлению подводящей линии z,)

Al,2 =

cos в + у Fi, 2 sine jsmS-Yi,2S-m -2

/sine+Fi, зсоз-! cose + Г,. 2sine

Чтобы уче;ть влияние смесительного диода, топология включения которого показана на рис. 8.,4, б, следует получившуюся после перемножения матрицу умножить на матрицу передачи смесительного диода. Ненормированная матрица диода

1 01

[ас. д] =

(8.9а)

Де gc. д - проводимость смесительного диода.

При условии, что генератор сигналов согласован с проводя щей линией, потери мощности, в дБ, ограничителя определяются выражением [113]

L = 20 Ig И I = 20 Ig [ j + + сц а )

где Zh - комплексное сопротивление нагрузки; а^,- - элементы ненормированной а-матрицы всего ограничителя.

Фазовый сдвиг ф = arctg А. Если считать, что порог ограничения - это удвоенное значение потерь пропускания (2Ln) и увеличение этих потерь при пороговой мощности зависит только от свойств диода подпитки, то величину проводимости диода подпитки в пороговом состоянии можно определить следующим образом. Потери диода подпитки в безразмерных единицах

i-c. д - 2

Элементы а,/ в это выражение подставляются из матрицы диода (8.9), а величина Ьс.д = 2. Тогда

где Zbx - входное комплексное сопротивление той части ограничителя, в которой включены /7-1-п-диоды при низком уровне мощности. Проводимость днода, при которой наступает порог ограничения,

gc. д - -

если Zbx = Zo, TO gc. д = 2/Zo.

Пример 19, Рассчитать ограничитель мощности с параметрами: рабочая частота = 1500 МГц; коммутируемая импульсная мощность 80 Вт; длительность импульса \ - 10 с; период повторения импульсов т„ = 10 с; поте-

ри заграждения > .30 дБ; потери п ропускаиия < 1 дБ; порог ограничения (по непрерывной мощности) Я^р > 10 мВт. Выбираем конструкцию ограничителя иа МПЛ и иа диодах КА517А.

Проверяем по формулам примера 17, какую импульсную мощность выдержит ограничитель данной конструкции. Полученное значение 112 Вт больше-заданного 80 Вт в 1,4 раза, что свидетельствует о хорошей надежности ограничителя. Выбираем ограничитель, аналогичный тому, который показан и рис. 8.4, б. Тнп смесительного диода КА116 выбираем по рабочей частоте ограничителя. Определяем порог ограничения данного устройства. Проводимость смесительного диода, соответствующая порогу ограничения, См,

, = 2/50 = 0,04,

о. д

где 50 - величина волнового сопротивления подводящей линии. Ом. При этом падающая на параллельное соединение д и мощность

пад

+ с.д

Для диода КА116 входная проводимость 5.д = 0,04 См получится при подаче-на него мощности

0,3 (0,02-f 0,04) = 5,4 мВт.

Число ограничительных каскадов определим с помощью формулы (8.6>

50 \

Z.3 = 20Ig 1 ,2.3

= 15,6 дБ.


Рис. 8.5. Эскиз установки р-г-л-диода на МПЛ

Требуемое затухание 30 дБ можно получить с помощью двух каскадов и р- -/г-днодах. Расчет по формуле (8.6) следует уточнить после введения в топологию ограничителя элементов, согласующих закрытый p-i-n-диод с подводящей линией, так как вместо Zq = 50 Ом в месте включения в линию может получиться другое волновое сопротивление. Расстояние между диодами целесообразно выбирать равным четверти длины волны в линии, при этом влияние диодов друг на друга минимально.

Топологическая схема рассчитываемого ограничителя показана на рис. 8.4, б, а на рнс. 8,5 показан эскиз крепления р-г-л-дио-дов на МПЛ. На рис. 8.4, б шлейфы Ш1-Ш4 служат для закорачивания СВЧ сигнала, прошедшего с основной линии через открытые р-/-л-диоды. ФНЧ, состоящий из шлейфов

Ш5, Ш7, Ш8, служит для обеспечения цепи постоянного тока смещения диодов, шлейф Ш6 - для закорачивания сигналов нижних частот.

-Для проверки работоспособности смонтированных диодов постоянное смещение следует подать в точки Л и 5 схемы (рис. 8.4, б). Если на А подать плюс, а на £ - минус, то будут открыты p-t-я-диоды и закрыт смесительный диод подпитки. Если поменять полярность, то будет открыт смесительный вход, а р- -л-диоды закрыты. В первом случае затухание для СВЧ сигнала будет значительно большим, чем во втором, что и используют для проверки работоспособности диодов. Диоды типа p-i-n полностью открываютси прн токе 10 мА (типа КА517),

Волновое сопротивление основной подводяшей линии составляет 50 Ом, прн этом ширина МПЛ да, = 0,96 мм (прн /г = 1 мм и е = 9,8). Для хорошей работы ограничителя в широкой полосе частот (до 30 %) следует выбирать шлейфы Ш6-Ш8 с большим волновым сопротивлением. Технология позволяет выполнить толщину проводников w = Ws < 0,06. мм достаточно точно. По тем же причинам следует выбирать волновое сопротивление шлейфов Ш4-Ш5



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 [ 28 ] 29 30 31