Исследование свойств микрополосковых электрически управляемых резонаторов на основе полупроводниковых варакторов при криогенных температурах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической области

УДК 537.86

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫХ РЕЗОНАТОРОВ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВАРАКТОРОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

А. О. Афонин\ А. А. Лексиков2, А. В. Угрюмов1

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. E-mail: [email protected] 2Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50. E-mail: [email protected]

Исследовано влияние криогенных температур на свойства перестраиваемых микрополосковых резонаторов (ПМПР). Установлено, что такое понижение температуры ПМПР приводит к увеличению их собственной добротности и незначительному уменьшению перестройки. Многократное термоциклирование не приводит к механическому разрушению устройств и изменению их характеристик.

Ключевые слова: микпрополосковая линия (МПЛ), перестраиваемый микрополосковый резонатор (ПМПР), полупроводниковые варакторы, добротность микрополоскового резонатора, добротность варактора.

INVESTIGATION OF PROPERTIES OF MICROSTRIP ELECTRIC-CONTROLLABLE RESONATORS BASED ON SEMICONDUCTOR VARACTORS AT CRYOGENIC TEMPERATURES

A. O. Afonin1, A. A. Leksikov2, A. V. Ugryumov1

1Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: [email protected] 2Kirenskiy Institute of Physics Siberian Branch of the Russian Academy of Science 50, Academgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia. E-mail: [email protected]

Influence of cryogenic temperatures on properties of tunable microstrip resonators (TMSR) is investigated. It is established that such fall of temperature of TMSR leads to increase in their quality factor and insignificant reduction of retuning. Repeated thermocycling doesn't lead to mechanical destruction of devices and change of their characteristics.

Keywords: microstrip line (MSL), tunable microstrip resonator (TMSR), semiconductor varactors, microstrip resonator quality factor, varactor quality factor.

Развитие современных систем связи, радиолокации и радионавигации невозможно без создания новых и совершенствования известных управляемых СВЧ устройств, одними из которых являются перестраиваемые микрополосковые фильтры.

Микрополосковые перестраиваемые устройства строятся на основе двух принципов. Один из них состоит в том, что подложка такого устройства выполнена из управляемого материала (сегнетоэлектрик, ферромагнетик, жидкий кристалл и т. д.), второй подход заключается в применении электрически управляемых емкостных элементов, например, полупроводниковых варакторов [1]. Известно, что с понижением температуры добротность МПР возрастает, что ведет к существенному улучшению характеристик устройств на их основе [2]. Актуальной является задача распространить этот подход и на перестраиваемые устройства на основе МПР.

Управляемые устройства на основе варакторов являются наиболее массовыми и часто применяемыми в современных радиотехнических системах. Основными достоинствами варакторов являются: большой параметр управляемости, довольно высокая добротность, а также малое управляющее напряжение при малой силе тока [1].

Целью работы является разработка и изготовление перестраиваемых микрополосковых резонаторов на

подложках из RT/duroid5880 и корундовой керамики (поликор) с использованием полупроводниковых варакторов и исследование их свойств (собственных доброт-ностей и собственных частот). Кроме того, было исследовано влияние криогенных температур на добротность варакторов. В работе использовались варакторы НПП «Радий» К-42-Б и фирмы «MA-COM» MA46H120.

Компьютерное моделирование МПР осуществлялось в программном продукте AWR DESIGN ENVIRONMENT 2009 (AWRDE 2009) [3], а экспериментальное исследование АЧХ резонаторов проводилось с использованием векторного анализатора цепей немецкой фирмы ROHDE&SCHWARZ и источника питания GwInstek PSM-6003. При этом ПМПР включались в измерительный тракт «на проход» со слабой связью. Было изготовлено четыре резонатора: с использованием варактора К-42-Б - ПМПР-1 (подложка поликор) и ПМПР-2 (подложка RT/duroid5880), с использованием варактора MA46H120 - ПМПР-3 (подложка поликор) и ПМПР-4 (подложка RT/duroid5880). В качестве иллюстрации на рисунке представлены измеренные АЧХ ПМПР-3 при комнатной температуре при различных значениях смещающего напряжения на варакторе. Видно увеличение резонансной частоты и добротности устройства при повышении подаваемого напряжения.

Решетневскуе чтения. 2013

24

3550 3600 3650 3700 3750 3800 3850 Частота, МГц

Экспериментальная АЧХ ПМПР-3 при комнатной температуре при различных значениях смещающего напряжения

Результаты измерений параметров ПМПР-3 и ПМПР-4

ПМПР-3 ПМПР-4

Комнатная температура Температура жидкого азота Комнатная температура Температура жидкого азота

1 В 12 В 1 В 12 В 1 В 12 В 1 В 12 В

f, МГц 3 567,96 3 852,06 3 613,02 3 894,62 3 338,92 3 797,56 3 346,81 3 771,28

Q 63,35 279,80 111,03 416.05 63,52 222,29 106,12 478,29

Qv 2 500,74 4 952,07 438,55 1 238,75

f, % 7,7 7,5 12,9 11,9

Остальные три перестраиваемых устройства вели себя подобным же образом. В таблице приведены результаты измерений добротностей устройств (0, доб-ротностей варакторов (0) и перестройки (А/) при комнатной температуре и температуре жидкого азота для различных значений напряжения, подаваемого на ва-рактор. Для ПМПР-1 и ПМПР-2 получились аналогичные результаты. Анализ результатов показал, что понижение температуры исследуемых ПМПР до температуры жидкого азота (77К) приводит к увеличению их собственной добротности. Это связано как с повышением проводимости полоскового проводника, так и с увеличением добротности варакторов. Последнее можно связать с понижением концентрации неосновных носителей заряда при уменьшении температуры. Также при понижении температуры выявлено незначительное уменьшение перестройки устройств. Многократное термоциклирование не приводит к механическому разрушению электрически управляемых резонаторов и изменению их характеристик.

Библиографические ссылки

1. Уотсон, Г. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение / под ред. В. С. Эткина. М. : Мир, 1972. 662 с.

2. Беляев Б. А. и др. Исследование микрополоско-вых резонаторов и устройств СВЧ на их основе. Ч. 1. Препринт № 415Ф ИФ СО РАН СССР. Красноярск. 1987. 55 с.

3. Разевинг В. Д., Потапов А. А., Курушин А. А. Проектирование СВЧ-устройств с помощью Microwave Office / под ред. В. Д. Разевинга. М. : СОЛОН -Пресс, 2003. 496 с.

References

1. Uotson G. SVCh-poluprovodnikovye pribory i ih primenenie ; pod red. V. S. Jetkina. M. : Mir, 1972. 662 s.

2. Beljaev B. A. i dr. Issledovanie mikropoloskovyh rezonatorov i ustrojstv SVCh na ih osnove. Chast' I // Preprint № 415F IF SO RAN SSSR. Krasnojarsk, 1987. 55 s.

3. Razeving V. D., Potapov A. A., Kurushin A. A. Proektirovanie SVCh ustrojstv s pomoshh'ju Microwave Office ; pod red. V. D. Razevinga. M. : SOLON-Press, 2003. 496 s.

© Афонин А. О., Лексиков А. А., Угрюмов А. В., 2013