CC BY
15
Visnyk N'l'UU KP1 Seriia Radiolekhnika tiadioaparatobuduummia, "2018, Iss. 75, pp. 5—8
УДК 621.372.543.2
Измерение параметров p-i-n диодов в волноводно-щелевой линии на частотах миллиметрового диапазона длин волн
Хохановская Ю. А., Омельяненко М. Ю.
Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского"
E-mail: khokhanoveka. julia&gmail. com
В работе предложена методика, позволяющая с достаточной точностью измерить параметры p-i-n диодов в открытом и закрытом состояниях. Метод не требует установки реферепсиой плоскости и позволяет провести измерения непосредственно в электродинамической системе проектируемой гибридпо-иптегралыгой схемы (ГИС). Предложенная методика применима также для детекторных и смесительных диодов и даёт возможность с приемлемой точностью и быстротой пайти характеристики, адекватные условия их работы в составе разрабатываемых устройств.
Ключевые слова: p-i-n диод: параметры p-i-n диодов: волповодпо-щелевая лилия; гибридпо-иптегральпые схемы
DOI: 10.20535/RADAP.2018.75.5-8
Введение
Современные сверхвысокочастотные системы часто строятся по волноводно-планарной технологии. сочетающей использование объемного волновода (для реализации антенных устройств, фильтров. циркуляторов и т.п.) и интегральных схем СВЧ [1]. При этом использование в качестве электродинамической основы гибридно-интегральных схем волноводно-щелевой линии (ВЩЛ) дает ряд преимуществ над их микрополосковой реализацией широкополосный интерфейс с объёмной частью строится проще, а потери в элементах намного меньше, что в особенности сказывается в миллиметровом диапазоне длин волн [2.3].
Хорошо известно, что разработка содержащей полупроводниковые элементы интегральной схемы требует измерения их параметров в используемой волиоведущей среде, поскольку к эквивалентной схеме будут отнесены все дифракционные поправки к низкочастотному представлению элементов. Сказанное касается даже одного и того же типа системы например, в [4] приводятся результаты измерений параметров транзисторов, полученные в 50-омных микрополосковых линях с различными типами подложек и размерами, причем их значения отличаются более, чем на 10%.
В большинстве случаев подобные измерения проводятся с помощью анализаторов цепей, в комплект которых входят контактные устройства, сконструированные для измерений в определенной ли-
нии передачи обычно микрополосковой или ко-планарной. и плохо сочетающиеся с ВЩЛ. Однако даже в случае использования совершенных переходов на ВЩЛ значительные ошибки измерений будут вноситься неизбежными погрешностями в определении положения референсной плоскости, вклад которых растет с ростом частоты измерений.
В данной работе предложена простая и эффективная методика измерения параметров р-з.-п диода в ВЩЛ. не требующая трудоемких процедур, связанных с установкой положения референсной плоскости. Сама процедура измерений в чем-то похожа на хорошо известный метод Дешана [о], однако использует особенности измеряемого объекта для исключения референсных измерений в их традиционном виде.
1 Описание методики измерений
Схема измерений, показанная на рис. 1 а. содержит генератор СВЧ. направленный ответвитель. короткую измерительную секцию ВЩЛ с установленным диодом и подвижный короткозамыкатель в прямоугольном волноводе. Секция ВЩЛ снабжена двумя высококачественными плавными переходами. имеющими обратные потери не менее 20 дБ в диапазоне частот измерений (рис. 1Ь). В соответствии с изображенной схемой для разности 1 — |Г^„ |2
6
Хохашшская Ю. Л., Омольяшшко М. Ю.
(а) (Ь)
Рис. 1. Схема измерений (а), секция ВЩЛ с установленным диодом (Ь)
можем записать
1 - |Г,„|2 = Д2
4дт
(1 + дт )2 + Ьт
(1)
где
9т =
Ьт
СД + Не(УНп)
ВД + 1т(Ук„) ЪД + 1т(УЛп(х))
10
10
У0 — волновая проводимость секции ВЩЛ; Сд, Вд — активная и реактивная составляющие проводимости диода; 11е(Уцп), !т(Уцп) — активная и реактивная составляющие входной проводимости измерительной секции справа от диода, Ъд = Вд/У0. Подчеркнём. что поскольку современные р-з.-п диоды в открытом и закрытом состояниях имеют малые потери (активное сопротивление диода гл не превышает 10 Ом), потерями в ВЩЛ априори пренебречь нельзя. При этом
МУип) 10 !т(УНп) 10
= tanh(a:'/')
1 +tan2(,0'/')
tanh2(a'/') +tan2(^' /')'
— tan2(|3'I')
1 — tanh(a'/')
(2)
tanh2(a//') +tan2(^ 'V)
Поскольку обратные потери в плавном переходе незначительны, фазовый набег и потери в линиях справа от диода могут быть представлены в виде
¡3'I' = ,0ВЩЛ ¿ВЩЛ + ^ПР ¿ПР = 6 + ^ПР ¿ПР; а'1' = «вщл ¿вщл + ОДр ¿пр ~ Ч,
где индексы у переменных относятся к ВЩЛ и прямоугольному волноводу н учтено, что потерн в последнем пренебрежимо малы, а величина /вщл при движении короткозамыкателя не изменяется. С учетом сказанного соотношение (2) можно записать в виде
Пе(УНп)
= я-
1 + х2
10 V + X2' 10 где х = tan(0 + ,0пр^пр ), 0 = const.
!т(УНп) 1 — ч2
= — Х^-;
Проведем некоторые численные оценки для потерь реальных ВЩЛ. Так, линия с шириной щели и = 150 мкм, изготавливаемая на основе современного фольгированного диэлектрика толщиной 140 мкм, диэлектрической проницаемостью е = 2, 65 и тангенсом угла диэлектрических потерь tan(¿) = 0.0009, в диапазоне частот 36-39 ГГц имеет потери, не превышающие 0,10 дБ/см (в диапазоне частот 75-78 ГГц величину 0,20 дБ/см). Для величины а'1' это дает оценку а'1' « 0,012.
2
получим, что минимум величины Д2(х) и, соответственно, максимум |Г^„ |2 реализуется при х = 0. С ростом величины потерь минимум функции Д2(х) незначительно смещается в сторону больших (при Ьд < 0) или меньших (при Ьд > 0) значений х, что иллюстрируется графиками на рис. 2. Графики построены для Ьд < 0, трех величин активного сопротивления в последовательной эквивалентной схеме диода (гд = 4, 8,10 Ом) и двух значений потерь в ВЩЛ: Ь = 0,1 дБ/см (сплошные кривые) и намеренно завышенной их величины Ь = 0, 2 дБ/см (штриховые). Видно, что во всем диапазоне изменения рассмотренных параметров величина х, при которой наблюдается максимальное значение коэффициента отражения, не превышает величины ~ 0,3, что соответствует отклонению длины /пр от положения, в котором находился бы поршень в отсутствии потерь в ВЩЛ, всего па 0.04А.
(3)
0.2 0.3 0.4 0.5
х
0.6 0.7
Рис. 2. Зависимости Д2(х) для разных значений величины активного сопротивления диода и потерь
2
Измерение параметров p-i-n диодов в волиоводшыцелевои линии на частотах миллиметрового диапазона длин воли
7
Таким образом, вследствие малости потерь можно считать величину х равной нулю, а координату установки короткозамыкателя lref, при которой наблюдается максимум отраженной мощности, считать эквивалентом координаты установки диода в ВЩЛ. Иными словами, положение поршня с высокой точностью соответствует положению рефе-ренсной плоскости, нахождение которой является трудоемким процессом в любых стандартных методиках измерения импеданса.
После определения положения референсной плоскости комплексную проводимость диода найти несложно. Действительно, анализируя зависимость квадрата модуля входного коэффициента отраже-
тной схемы р-з.-п диода проиллюстрируем следующим примером. Предположим, что измеряются параметры р-з.-п диода с балочными выводами. который в полностью открытом состоянии представляет собой последовательно включенное активное сопротивление гд = 8 Ом и индуктив-
ность LB
0,230 нГн, а в закрытом состоя-
|Г<„ |2 =
(4)
нии — последовательное включение гд, Ьд и емкости Сд = 0,05 пФ. Измерения проводятся в ВЩЛ с волновым сопротивлением Zo = 170 Ом и замедлением Р = 1 та частоте / = 36 ГГц. Потери в ВЩЛ составляют ОД дБ/см. Рассчитанные по (1)-(4) точные значения координат короткозамыкателя для случая открытого диода составляют /ге^=0,01 см и /пРтт = 0, 379 см. Полагая, что имеется возможность установить указанные координаты короткозамыкателя экспериментально, находим соответствующее нормированное значение проводимости индуктивности: Ъд = ctg(,0пp(¿пр — 1ге{)) = —2, 662, что дает экспериментально найденное значение ин-
(1 -fr - мм)2 + (Ьд +
у 2 / / /чч\2Ч/ "1AW /-ЦСАЛ^Х CXW-'XX Vj k./JiX 1V1 V-.-XX X CWX-I_>XXV-/ XXCbiX/J^XXXXW»^ ^»XXdi'lV^XXiXV.. JTXXX"
М + n + Re(Yl™(x))\ + U i Im {YHn{x))\
I 1 + Уд + y0 ) + 1°д + Y0 ) дуктивности ьдэкс = 0,277 н! н, то есть ве-
от переменной х, видим, что при малых потерях она достигает минимума при выполнении условия резонанса (Ъд — Im(Уцп(x)))/Y0 = 0. При этом, как показывают аналогичные предыдущим расчеты, связанное с потерями отклонение от этого условия, выраженное в значениях координаты короткозамыкателя, составляет величину не более 0.02А. Таким образом, измеряв значение координаты короткозамкнутого поршня, при котором имеется минимум коэффициента отражения, можем найти реактивную составляющую проводимости диода: Ъд = ctg(,0np Ыр )• Под значением координаты ¿nPmin в данном случае следует, очевидно, понимать смещение поршня относительно его положения при максимальном отражении.
Необходимо отметить, что предлагаемая методика применима для нахождения параметров различных диодов. Используя ее, например, для смесительных или детекторных диодов, можем найти активную составляющую проводимости, измеряя значение KGB в минимуме отражения. В случае p-i-n диодов в полностью открытом или закрытом состоянии измерить активную составляющую затруднительно из-за её плохой различимости на фоне даже малых потерь в секции ВЩЛ. Опыт, однако, показывает, что эта величина может быть независимо и точно измерена на низких частотах. Будучи включенной в схему диода, содержащую измеренные в СВЧ диапазоне реактивные составляющие проводимости, она адекватно отразит его поведение в реальном устройстве.
2 Обсуждение результатов
Приемлемую точность предложенной упрощённой методики нахождения параметров эквивален-
личину, отличающуюся от требуемого значения на ^20%. Для закрытого диода можем получить (ге/ = 0,413 см; /пртт = 0,446 см. Используя найденное значение Ьд ЭКс = 0,277 нГн, находим Сд экс = 0, 0424 пФ (ошибка 15%). Полученные данные типичные для предлагаемого метода, который, несмотря на кажущуюся существенную неточность, позволяет быстро оценить параметры диода в электродинамической системе реальной ГИС на частотах миллиметрового диапазона. Надо понимать, что альтернативой ему является методика, предполагающая неизбежные действия по установлению референсной плоскости процедуры, точность которой может быть еще хуже.
Выводы
Таким образом, в работе была предложена простая и эффективная с точки зрения использования методика измерения основных параметров р-з.-п диода непосредственно в электродинамической системе ГИС. Результаты измерения параметров диодов с успехом использовались в разработке входного модулятора высокочувствительного радиометра Дайка миллиметрового диапазона длин волн.
References
[1] Morgan M. and Weinreb S. ("2005) Techniques for the Integration of High-Q Millimeter-Wave Filters in MultiFunction MM1C Modules. Microwave Journal, Vol. 48. No 5, pp. 182-196.
[2] Fang B.. Pu Y„ and Luo Y. (2016) A Novel Wideband Antipodal Fin-line Waveguide-toMicrostrip Transition Structure for Ka-band Applications. 27th International Symposium on Space Terahertz Technology, Nanjing. China. April 13-15.
ния
8
Khokhanovska Vu. О., Omolianonko M. Vu.
[3] Tan В.. Vassin G.. Grimes P., Leech .1.. Jacobs К.. Wi-thington S.. Tacon M. and Groppi G. (2010) Л 700 GHz unilateral linline SIS mixer fed by a multi-llare angle smooth-walled horn. Millimeter, Submillimeter, and Far-lnfrared Detectors and Instrumentation for Astronomy V, Vol 7741. 774110-1. DOl: 10.1117/12.856711
[4] Mitsubishi Electric (2011) Low Noise GaAs HEMT MGFjffjlAL.
[5] Altman .1. L. (1965) Microwave Circuits (Electronic в Communication). Van Nostrand Reinhold Inc. 462 p.
Вим1рювання параметр!в p-i-n дюд!в y хвилевщно-щшиннш лшп на частотах мШметрового д!апазону довжин хвиль
Хохановська Ю. О., Омельяненко М. Ю.
Вступ. Загалыю в!домо, що розробка штегралыю1 схеми, яка м!стить патвпров1даиков1 елемепти, вима-гае BUMipy параметр!в цих елемептав у хвилев1даому середовшщ, що використовуеться. Icnyioni метода вимь рюваш1я потребують процедури ка.=нбруваппя, що зу-мовлепо пошуком onopuoï площшш трудом!сткого процесу, який у деяких випадках взагал! пеможливо викопати з пеобх1даою точшстю. Зокрема, це стосуеться вим1рювань у хвилев1дао-щ1лшшо"1 лшп. яка е зручпим електродапам1чпим середовшцем для реал1зацп ri6pn-дних штегралышх схем (ПС) в д!апазош м!л1метрових хвиль. У цш робот! пропопуеться методика для вишрю-вашш параметр!в дюд!в, що не потребуе кал1бруваппя. Запропоповапий метод дозволяв зпайти комплекту еле-ктропров!дшсть зм1шувалышх детектор!в та p-i-n дюд!в (ocTaïuii у в!дкритому та закритому станах) з доста-тпьою точшстю.
Опис процедури виьирювання. Схема вим!рю-вапь м1стить генератор СВЧ. спрямований в!дгалужу-вач. коротку вим1рювальпу секц!ю хвилеводно-щ1лшшо1' лшп з встаповлепим д!одом i рухомий короткозамикач в прямокутпому хвилевод!. У результат! теоретичного апал!зу було показано, що у випадку пезпачних втрат у врмрювальпш секц1-1 процедура пошуку параметр!в д!ода може бути зведепа до вим1рюваппя в!дстапей до поршня в положениях, коли спостер!гаеться максимум i мйпмум в!дбиття хвил!.
Обговорення результат!в. В цьому розд!л! приводиться оцшка помилок. властгших запропоповап1й мето-дгщ1. Показано, що при реалышх втратах у вим!рюваль-nifi секцп помилкн при визпачмш! параметр!в дюда по перевищують 20%, що можпа вважати прийпятпими для розробки схем. яш м!стять ц! д!оди. Окр1м того, прийма-емо до уваги i той факт, що запропоповапий cnoci6 ne вимагае процедури встаповлеппя onopnoï площшш. при-тамаппо1' стапдартпим методам вим1рюваш1я 1мпедапсу. що е джерелом ociiobihix помилок вим1рювапь.
Висновок. Таким чипом, в робот! була запропо-повапа проста i ефективпа з точки зору використаппя методика вим1рюваппя осповпих параметр!в p-i-n дюда
безпосередпьо в електродгшам1чп!й систем! ПС. Похиб-ки вим!рюваппя по перевищують 20% ! можуть бути змепшеш шляхом змепшешш втрат у вим!рювальп!й секцп.
Ключоег слова: p-i-n дюд: параметри p-i-n д!од1в: хвилев1дпо-щ1лгшпа липя: г1брцдпо-1птегралы11 схеми
The measurement of the p-i-n diodes' parameters in the fin-line in the millimeter wave region
Khokhanovska Yu. O., Omelianenko M. Y.
Introduction. It is known, that, it is desirable to measure the parameters of semiconductor elements in the transmission lines, in which they are supposed to be installed. The existing methods of measuring them need for calibration procedure, connected with finding the reference plane a laborious procedure in some cases is generally not feasible with necessary accuracy. In particular, this applies to the requirements in the fin-line which is convenient elect.rodynamic medium for realization of hybrid-integrated circuits (GIS) in the millimeter wave region. In this paper we propose a technique for measuring the parameters of diodes that does not require calibration. The proposed method makes it possible to find the complex conductivity of mixing, detector and p-i-n diodes (latter being open and closed) with reasonable accuracy.
Description of measurement procedure. The measurement set-up contains a microwave generator, directional coupler for the reflected wave, a section of measuring fin-line with the diode to be tested and standard waveguide short. As a result of theoretical analysis it was shown, that in the case of insignificant losses in measuring section the procedure for finding the diode parameters can be reduced to measurements of distances between the positions of short, at which the maximum and minimum of reflected wave are observed.
Discussion. This section contains the estimation of errors inherent, to the proposed method. It. was shown, that, with the real losses in measuring section the errors in the determining of the diode parameters do not. exceed 20% that, can be considered acceptable for the development, of circuits containing these diodes. As an argument., the fact., that, proposed method does not. require procedure for establishing the reference plane, inherent, to standard methods of measuring impedance, and being the source of the main measurement, errors, is put. forward.
Conclusion. The proposed technique allows us to quickly estimate the parameters of the diode. In this case the measurements are made in the elect.rodynamic system of GIS developed with these diodes that, gives adequate results for its development.. The measurement, errors are not. more than 20% and can be reduced by reducing the losses in the measuring section.
Key words: p-i-n diode: parameters of the p-i-n diode: fin-line: hybrid-integrated circuits
