CC BY
56
прогресивних методiв штегрально! технологи. Лгтература
1. Makimoto M. Varactor tuned bandpass filters using microstrip line ring resonators.//
IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 1986, p. 411-414.
2. Sagawa M. Dielectric split ring resonators and their application to filters and oscilla-tors.//IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 1988, p. 605-608.
3. Фельдштейн А. Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на
СВЧ. М., Связь, 1971._
Маслюк Т.В., Омельяненко М.Ю., Туреева О.В. Микрополосковые фильтры на кольцевых резонаторах дециметрового диапазона длин волн
Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования микрополосковых фильтров на кольцевых резонаторах, которые позволяют уменьшить габариты устройств в коротковолновой части дециметрового диапазона длин волн и улучшить их электрические и технологические характеристики._
Maslyuk T.V., Omelianenko M.Y., Turieieva O.V. Microstrip filters, based on ring resonators, in the short part of decimeter wavelength band
The results of an design of theoretic and experimental research of a microstrip filters, based on ring resonators, which enable to reduce their dimensions in the short part of decimeter wavelength, have the improved electrical and technological characteristics are given._
УДК 615.471:616
ЧИСЕЛЬНО-АНАЛ1ТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГЕНЕРАТОРА ШУМУ М1Л1МЕТРОВОГО Д1АПАЗОНУ НА КОРПУСНИХ ЛАВИННО-ПРОЛ1ТНИХ Д1ОДАХ
Перегудов С.М.
Розглянута чисельно-аналтична модель генератора шуму мшметрового д1апазону на лавинно-пролтних дюдах. Характеристики генераторарозраховуються на тдста-вг чисельно - аналтичного методу.
Вступ. Постановка задачi
Генератори шуму на лавинно-пролтних дюдах (ГШЛПД) знайшли ши-роке застосування в техшщ СВЧ та метрологи [1]. Освоення дiапазону мь лiметрових хвиль i використовування 1х властивостей в медико-бюлопчнш практищ шдвищили вимоги до таких пристро!в - як складова частина ме-дично! апаратури [2] вони повинш мати достатньо низьку собiвартiсть ви-робництва при високш вщтворност основних параметрiв. В результат зростае значення моделювання при проектуванш i модершзаци ГШЛПД.
В дециметровом i сантиметровому дiапазонах довжин хвиль побудова моделей подiбних генераторiв базуеться на методах е^валентних схем i иммитансних матриць [3]. При цьому е^валентш схеми дають спромож-нiсть визначити частотну залежшсть, а иммитанснi матриц - використо-вувати результати вимiрювань. Однак в мiлiметровому (мм-) дiапазонi та-кий пiдхiд неприйнятний, оскшьки розмiри пристро!в стають сумiрними з робочою довжиною хвил^ i поняття е^валентно! схеми i иммитансной матрищ втрачають сенс [4]. Практично у вказаному дiапазонi можна вимь рювати рiвнi потужностi, а не струми та напруги. Становище ускладнюеть-
ся и тим, що шдвищеш вимоги по радюгерметичносп до апаратури медич-ного призначення вимагають використання хвилеводних конструкцш, а для забезпечення ремонтопридатност бажано застосовувати корпусш на-швпровщников1 прилади. Введення при розрахунку генератор1в поняття емност або шдуктивност корпусу не завжди обгрунтоване, оскшьки в тш або шшш частит пристрою можливе юнування двох або бшьше мод, тод1 як саме поняття екв1валентних емност та шдуктивност припускае юну-вання одномодового режиму [5]. Якщо остання умова не виконуеться, слщ застосовувати методи електродинамжи, що часто-густо веде до математи-чних складностей [6]. З урахуванням особливостей конструкци ЛПД роз-рахунок ГШЛПД зручно проводити за допомогою програм трьохм1рного моделювання Agilent HFSS v.5.6 [7] або Ansoft HFSS v.8-10 [8], як дозво-ляють обчислити параметри хвильово! матриц розшяння (S-матриц). 1х недолжом е неможливють моделювання активних прилад1в, хоча врахува-вши, що розм1ри нашвпровщниково! структури дюда мм-д1апазону багато менш1 довжини хвил1, можливо застосування екв1валентно1 схеми ЛПД для розрахунку Иого 1мпедансу [1,2,9]. При подальшому моделюванш генератора застосовуеться пакет HFSS з урахуванням отриманих значень 1мпеда-нсу i метод сигнальних граф1в [10] для врахування умов експлуатаци.
Опис моделi генератора шуму
При моделюванш ГШЛПД Иого зручно розглядати не як двополюсник з чотириполюсником, що узгоджуе, а як шестиполюсник (рис.1 а), що харак-теризуе з'еднання прямокутного хвилеводу довжиною (l1 + I2) i радiальноl лши. До плечей (пор^в) 1-1 i 2-2, яю мають прямокутний перетин, тд-ключенi вiдповiдно двополюсник M, який служить елементом настройки генератора, i зовшшне навантаження L. Гм i Г, _ вiдповiднi коефiцiенти вщбиття. ЛПД (ZD) включений до плеча 3-3, що представляе вхщ радiаль-но! лши, утворено! основами цилшдрових утримувачiв дiода.
Га
Zd
Гт
S,
a3
M 1 — NG И1 1 —#- L
\i , 1 2!
Гм
e-j62 Ъ2
S12
S13 S13
Г,
Sr.
а б
Рис.1. Структурна схема (а) i сигнальний граф (б) ГШЛПД
На рис. 1б показаний сигнальний граф навантаженого шестиполюсника. Коефщентами передачi його гшок е елементи 8-матрищ, розраховано! для пасивно! частини ГШЛПД з урахуванням ZD, а також Гм, Гь та для Гм, Г,, i
е-®1, е-2, де: 012 = —, (Л - довжина хвилi в хвилевод^. З боку ЛПД в шес-
S
S
11
11
типолюсник поступае сигналa3 = ^кТ^МА/ (к- стала Больцмана, To =
300 К, N - коефщент шуму ЛПД, Af - смуга робочих частот. З виходу ГШЛПД (перетин 2-2) в навантаження поступае сигнал Ь2.
Таким чином, для аналiзу роботи генератора необхщно знати коефiцiент передачi сигнального графа з плеча 3-3 до плеча 2-2. Моделювання здшс-нюеться за алгоритмом, що реалiзуе описаний комбшований пiдхiд: 1) за-даються початковi данi моделi - параметри ЛПД мм-дiапазона, Гм, Гь, вщ-станi 11 и l2 вщ центру шестиполюсника до 1-1, 2-2; 2) розраховуеться iмпе-дансу дюда згiдно [1,9]; 3) визначаеться 5-матриця пасивно! частини конс-трукци за умови, що нашвпровщникова структура шдключена до зосере-дженого порту 3-3; 4) за наслщками розрахунку складаеться сигнальний граф (рис. 16); 5) розраховуеться коефщент передачi потужностi вщ дже-рела шуму в навантаження; 6) проводиться аналiз впливу Гм i положення дiода в хвилеводi на характеристики генератора.
Розрахунок iмпедансу дюдноУ структури
Для збiльшення рiвня шуму в ГШЛПД доцiльно застосовувати ЛПД з двохпролггною структурою, iмпеданс яко! визначаеться як [1,9]:
В2 1
г .а
R( ю) = -1
х (ю) =
,=П,Р1 ю C1
1 ^ ва
I
52 .
а I
хф) 1 43,)
(1)
(2)
ю С ,=п ,р 1 - в а, ю С. де ю=2п/-робоча частота, С-емшсть р-п-переходу; Спр-емност збiднених шарiв п- i р-областей; я($ир), х(&пр) -функци кутiв прольоту носив заряду;
ва пр -вщношення лавинно! частоти Оапр до робочо! ю. Для визначення
Оапр можна використати [11,12]. При
струмi ЛПД 50 мА отримуемо:
Оа п -Оар = О а - 5,8 ■ 1011 О"1 (3)
З урахуванням (1-3) i наведених в ль тературi значень, що входять у фор-мули параметрiв, був проведений розрахунок для типового двохпрол^ного ЛПД мм^апазону (див .рис. 2) Видно, що як активна, так i реактивна складо- Рис.2.
вi iмпедансу рiзко зростають при частотах, близьких до лавинно!. Тому при проектуваннi ГШЛПД бажано вибирати структури, в яких О а бiльше, нiж верхня частота робочого дiапазону, що пiдвищуе i стiйкiсть генератора.
Розрахунок параметрiв ГШЛПД
Розрахунок S-параметрiв шестиполюсника проводився за допомогою програми ЛтоА ИГББ у.9.2, особливютю яко! е можливiсть завдання зосе-
R, X, Ом
50
-50
-100
/ П /
/ ^^
1 { / / /
40
60
80
100
120 £ ГГц
TT^fajf^Z
•6
5 h/2
'ko 02ro
H
реджених внутршшх портiв визначеного iмпедансу. Спрощений ескiз побудовано! геометрично! моделi генератора наведений на рис. 3. Корпус дю- 2 да 5 ^електрична втулка висотою И, внутрiшнiм ра-дiусом г0 i зовнiшнiм 2г0. Електричний контакт на- 4 швпровщниково! структу-ри з утримувачем 2 здшс-нювався за допомогою двох Рис.3. Есюз конструкцп ГШЛПД
плоских провiдникiв 6, розташованих хрест навхрест, i металевого п'едес-талу 7 висотою И/2. Припускалося, що утримувач 2 з'еднаний з позитивним полюсом джерела живлення i iзольований вiд корпусу генератора. Розмiри дiода: И=0,4 мм; г0=0,2 мм; дiелектрична проникнiсть корпусу е = 9,8; дiа-метри утримувачiв 2 i 4 - вщповщно 1,7 i 3,0 мм; провщники 6 - ширина 120 мкм, товщина 10 мкм. Порту 3 призначалися отриманi значення iмпе-дансу дюда Z(ю)=R(ю)+/X(ю), а положення Н дiода варiювалося. Кiнцевий результат розрахунку - 5-параметри. На рис. 4 наведена частотна залеж-нiсть одного з них - параметра £13.
|Sial 0.5
0.4
0.3
0.2
arg S13, град -85
50
55
60
65
70
75 f, ГГц
50
55
60
65
70
75 f, ГГц
а б
Рис.4. Залежнють модуля (а) i аргументу (б) вщ частоти Розрахунок амплггудно-частотно*1 характеристики ГШЛПД
Амплiтудно-частотна характеристика (АЧХ) генератора шуму - залеж-шсть коефщента передачi потужностi з порту 3 шестиполюсника в наван-таження L (рис.1), може розраховуватись за програмою HFSS. Проте техш-чно це не завжди виправдано, оскшьки модель пристрою ускладнюеться, i час розрахунку збшьшуеться. Зручшше подальше моделювання ГШЛПД проводити, використовуючи аналiтичнi вирази, яю отриманi методом сиг-нальних графiв [10]. Застосовуючи правило Мезона до графа (рис.1 б),
отримуемо к = _! =
(1 - S„r Me
- j 26,
1 ) + S12 S13r Me
- j(2e1+02 )
a
1 - Sn (
12 61
+ Г Le
-12 62
)+S^r
M Г Le
-j 2(61+62
. Якщо генератор
працюе на злагоджене навантаження то: к =
S13 +
S12 S13r Me
1 - S „г
j 2 61 Л
-j 2 61
M
Звщси коефщент передачi потужностi:
КР — КК —
(
1 + 2Яе
К12 Гме
-У201 Л
ls.il2 |Г
2 |2 м
1 - ^11Гм^201J 1 + |яп|2 |ГмГ - 2Яе(„Гм^201)
Якщо М е злагодженим навантаженням, то Кр — ^]3\2. На рис. 5а наведена частотна залежшсть приведеного коефiцiента передачi КР/КРтах: експери-ментальна (для |ГМ| « 0,25 i Н = 0,75 мм) - крива 1 i розрахунковi для |ГМ| = 0, Н=1 мм - крива 2 та Н=0,65 мм - крива 3. Видно, що збшьшення Н приводить до пiдйому АЧХ на високих частотах, i розрахункова крива на-ближаеться до експериментально!. У разi, коли ГМ=-1, КР визначаеться як
Кр — К
1 - 2Яе
К 1201 Л 1 + Б1Ле~1201
К
1 + |К11|2 + 2Яе (е-1201)
i сильно залежить вщ
положення 11 двополюсника М (в даному випадку - короткозамикача).
Кр дБ
Кр дБ
0 -2 -4 -6 -8 -10
3
гС. -
—
—2 V
\
0 -2 -4 -6 -8 -10
/ N 1
/ \\
2 \ \ V
/ \
\\
52 54 56 58 60 62 64 66 68 £ ГГц
а
52 54 56 58 60 62 64 66 68 £ ГГц б
Кр дБ
-1 0
Кр дБ
0 -2 -4 -6 -8 -1 0
\
А г/ \
V /
/ Г и V
/ 2
52 54 56 58 60 62 64 66 68 £ ГГц
52 54 56 58 60 62 64 66 68 £ ГГц
в г
Рис.5. Ампл1тудно-частотна характеристика ГШЛПД.
Експеримент при Н=0,75 мм (1); розрахунок при Н=1 мм (2) и Н=0,65 мм (3).
До плеча 1 тдключеш: злагоджене навантаження (а); короткозамикач на вщсташ
11 - 5 мм (б), 6 мм (б), 7 мм (г).
Розрахована частотна залежшсть коефщента передачi КР: для трьох по-ложень короткозамикача наведена на рис. 5б-г. Там же для порiвняння наведена, як i рашше, експериментальна крива. Як випливае з рисунка, лад-нання генератора можна здшснювати перемщенням короткозамикача, до-биваючись розширення смуги робочих частот. Але при цьому АЧХ мае ю-тотну нерiвномiрнiсть (бiльше 8 дБ), а для деяких частот КР сягае значень, бшьших за 1 (нестшюсть генератора). Аналiз результатiв показуе, що реа-
лiзовуючи двополюсник M (рис. 1) з |rM « 0,25, можна добитися нерiвно-мiрностi АЧХ в межах ± 3 дБ.
Висновки
При розрахунку ГШЛПД доцшьно застосовувати як анаштичш так i чи-сельш методи. Чисельнi методи застосовуються для розрахунку пасивно1 частини генератора, а анаитичш - для розрахунку нашвпровщниково1 структури i АЧХ генератора в цшому. При моделюваннi використовуються довiдковi данi дiода та шестиполюсник, в одне плече якого, що е входом радiальноï лши, включений дюд, а в шше, перетин прямокутного хвилево-ду, що мае, - двополюсник iз змiнним коефiцiентом вщбиття rM. При лад-наннi змшюеться положення дiода в хвилеводi або двополюсник M в одному з плеч шестиполюсник (крашд результати - при rM.<1).
Литература
1. Алмазов-Долженко К.И. Коэффициент шума и его использование на СВЧ. - М.:
„Научный мир", 2000.- 240 с.
2. Ситько С.П., Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф. Аппаратное обеспечение современных
технологий квантовой медицины. - Киев: „ФАДА ЛТД", 1999.- 200 с.
3. Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.В. Диодные генераторы и усилители СВЧ. -М:Радио и связь. 1986. - 184 с.
4. Касаткин Л. В., Чайка В. Е. Полупроводниковые устройства диапазона миллиме-
тровых волн. - Севастополь: „Вебер", 2006. - 319 с.
5. Marcuvitz N. Waveguide Handbook.- „Peter Peregrinus Ltd.", 1986. - 425 c.
6. Буторин В.М. Двойная диско-штыревая структура в прямоугольном волноводе //
Радиотехника и электроника. - 1987. - № 12. - С. 2490-2496.
7. Банков С.Е., Курушин А.А., Разевиг В.Д. Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ-структур с помощью HFSS. - М.: „СОЛОН-Пресс", 2004. - 208 с.
8. High Frequency Structure Simulator v.9.2. User's Guide. Pittsburgh: Ansoft Co. 2004.
9. Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Расчет импеданса лавинно-пролетного диода в
малосигнальном режиме//Известия вузов. Электроника. - 2005. - №1. - С. 25-28.
10. Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. - М: Сов. радио, 1968. - 248 с.
11. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник / Под ред. Наливайко Б.А. Томск: МГП „РАСКО", 1992. - 224 с.
12. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1 - М.: „Мир",1984. - 455 с._
Перегудов С.Н.
Численно-аналитическое моделирование генератора шума миллиметрового диапазона на корпусных лавинно-пролетных диодах
Рассмотрена численно-аналитическая модель генератора шума миллиметрового диапазона на лавинно-пролетных диодах. Характеристики генератора рассчитываются, используя численно-аналитический подход.
Peregudov S.N.
Numeral-analytical design of noise generator of millimeter range on corps IMPATT diodes
The numeral-analytical model of noise generator of millimeter range on IMPATT diodes is considered. It is shown; that it is possible to calculate parameters of generator, applying numeral approach at the design of passive part of generator and analytical approach at the design of its active part.
