Разработка СВЧ блока устройства для бесконтактного измерения электрофизических параметров полупроводников

1. Прибор неразрушающего контроля электрофизических параметров полупроводников ИВК «SemiCon — 1 «

1.1 Принцип работы

1.1.1 СВЧ резонаторный метод для бесконтактного локального измерения удельного сопротивления

1.1.2 Метод импульсной фотопроводимости на СВЧ для измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в кремнии и германии

1.2 Функциональная схема прибора

1.3 Влияние параметров СВЧ блока на метрологические характеристики. Цель работы. Основные задачи. Требования к СВЧ генератору для прибора

2. Общие положения. Генератор, управляемый напряжением (ГУН)

2.1 Принципы построения ГУН

2.2 Основные параметры ГУН

3. Исследование СВЧ генераторов, используемых в ИВК

3.1 СВЧ генератор по схеме с эмиттерной связью

3.2 Детекторная секция

3.3 Основные недостатки работы СВЧ блока

4. Разработка СВЧ блока

4.1 ГУН. Обзор литературы. Его выбор и разработка. Характеристики

4.2 СВЧ детекторы. Обзор литературы. Выбор и разработка квадратичного детектора

5. Работа прибора с новым СВЧ блоком

5.1 Установка СВЧ блока в прибор. Методика измерения удельного сопротивления при температуре от 0 до 50 С

5.2 Экспериментальные результаты. Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ

Вот уже несколько десятилетий в ТГУ разрабатываются приборы для бесконтактного локального экспрессного измерения электрофизических параметров кремния и германия в широкой области температур 80 — 350 К на СВЧ.

Методика измерения основана на зависимости добротности СВЧ-резонатора от величины удельного сопротивления исследуемого образца. Время жизни ННЗ определяется по спаду импульсной фотопроводимости. В последние годы в этой области достигнуты хорошие результаты. Выпущен прибор пятого поколения, который удостоен несколькими золотыми медалями на международных выставках. Это приборы серии «SemiCon — 1». В 2012 году этот прибор внесён в ГосРеестр измерительных приборов России.

Однако согласно ТУ прибора, температура использования его ограничена узким температурным диапазоном 22 ± 3. Это связано с недостатками используемого СВЧ блока. Это ограничивает стоимость прибора и потребность в Заказчиках.

Целью дипломной работы является разработка СВЧ блока, характеристики и параметры которого слабо изменяются в области температур от + 10 до + 40 Исследование характеристик и параметров СВЧ блока. Установка его в измерительно-вычислительный комплекс «SemiCon — 1». Исследование метрологических характеристик прибора для бесконтактного измерения удельного сопротивления и времени жизни неравновесных носителей заряда в области температур от + 10 до + 40. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать принципиальную схему СВЧ ГУН.

2.Спроектировать печатную плату СВЧ ГУН в среде P-Cad.

3.Произвести монтаж печатной платы генератора и снять его характеристики.

4.Разработать принципиальную схему квадратичного детектора.

5. Спроектировать печатную плату квадратичного детектора в среде P-Cad.

6. Произвести монтаж печатной платы квадратичного детектора.

7. Установить СВЧ блок в устройство.

8. Снять метрологические характеристики.

9. Оформить техническую документацию на СВЧ блок.

10. Снять основные характеристики выпущенной серии СВЧ блоков.

1. Прибор неразрушающего контроля электрофизических параметров полупроводников ИВК «SemiCon — 1 «

Прибор предназначен для экспрессного бесконтактного локального измерения удельного сопротивления, времени жизни неравновесных носителей заряда в пластинах и толстых шайбах поли — и монокристаллического кремния, германия.

1.1 Принцип работы

1.1.1 СВЧ резонаторный метод для бесконтактного локального измерения удельного сопротивления Методика измерения основана на зависимости добротности СВЧ-резонатора от величины удельного сопротивления исследуемого образца. Для измерения резонатор на проход с помощью одного из элементов связи подключается к СВЧ-генератору, а к другому элементу подключается СВЧ-детектор с нагрузкой и индикатором напряжения. При этом величина напряжения, регистрируемого индикатором, пропорциональна добротности резонатора с образцом и, следовательно, зависит от удельного сопротивления локального участка исследуемого образца (кремния). Таким образом, измерение удельного сопротивления сводится к регистрации сигнала детектора, с последующим определением искомого значения по калибровочной кривой, вид зависимости которой устанавливается путем предварительной калибровки с помощью эталонных образцов кремния. На основе этой методики разработан прибор. Для бесконтактного измерения удельного сопротивления по торцам пластин и слитков как монокристаллического, так и поликристаллического кремния и германия с локальностью от 1 до 6 мм, диапазон измерения от 0,001 Ом · см до 100 кОм · см.

1.1.2 Метод импульсной фотопроводимости на СВЧ для измерения времени жизни неравновесных носителей заряда в кремнии и германии Для бесконтактного измерения времени жизни в поликристаллическом германии при комнатных и азотных температурах в данном приборе успешно был применен резонатор на проход с внешним измерительным отверстием, работающий на частоте от 1 до 2 ГГц. Время жизни ННЗ измеряется методом импульсной фотопроводимости на СВЧ.

1.2 Функциональная схема прибора

На рисунке 1 приведена блок — схема прибора «SemiCon — 1», состоящего из следующих блоков:

Рисунок 1 — Блок схема прибора

— блока датчиков — это СВЧ резонатор и датчик температуры. Датчики температуры установлены в измерительном столе.

— МПУ, (рисунок 5) в котором расположены блоки питания, блок измерения температуры, блок управления СВЧ генератором и измерения прошедшей через резонатор СВЧ мощности, генератор прямоугольных импульсов для управления накачкой светодиодов.

Прибор позволяет проводить измерения: удельного сопротивления, времени жизни ННЗ и температуру.

Блок измерения удельного сопротивления и измерения времени жизни полупроводников состоит из СВЧ генератора, СВЧ резонатора, СВЧ детекторной секции, диодных излучателей и МПУ. Бесконтактное измерение удельного сопротивления полупроводников предъявляет особые требования, как к конструкции СВЧ резонатора, так и к схеме регистрации.

СВЧ резонатор оснащен механизмом перемещения штыря (рисунок 2) для настройки коэффициента включения, а блок МПУ позволяет измерять прошедшую через резонатор СВЧ мощность, величина которой несет информацию о значении удельного сопротивления образца.

Датчик состоит из резонатора. Резонатор квазистатического типа образован цилиндром и индуктивным штырем.

1 — отверстие измерительное, 2 — штырь, 3 — стенка, 4 — элементы связи, 5 — металлические диафрагма, 6,7 — механизм перемещения штыря (катушка и металлическая пластина соответственно), 8 — полупроводниковый образец Рисунок 2 — Конструкция СВЧ резонатора Для обеспечения квазистатического режима работы резонатора все его размеры (высота и радиус) выбраны значительно меньше длины волны. Торец штыря находится соосно в измерительном отверстии верхней стенки диаметром до 150 мм, которая и является измерительным столом прибора.

Мощность от СВЧ генератора в резонатор и из резонатора поступает через петлевые элементы связи. Для обеспечения высокой добротности резонатора и продольного перемещения штырь крепится к корпусу с помощью металлической диафрагмы. Настройка коэффициента включения резонатора осуществляется продольным перемещением штыря.

СВЧ блок служит для генерации и регистрации СВЧ мощности, прошедшей через СВЧ резонатор и состоит из СВЧ генератора, вентилей и детекторной секции.

СВЧ генератор в микро — полосковом исполнении собран на двух транзисторах типа КТ640 (глава 3).

Детекторная секция служит для преобразования СВЧ мощности, поступающей с резонатора, в низкочастотное напряжения и представляет собой коаксиальную камеру, в которой размещен СВЧ диод типа Д408АП или Д405АП.

Блок МПУ предназначен (рисунок 3):

— для управления СВЧ генератором и настройки резонатора с образцом на частоту СВЧ генератора и определения на данной частоте прошедшей через резонатор СВЧ мощности.

— удержания работы СВЧ генератора на данной частоте.

— задания режимов излучения светодиодов.

— освещение п / п-образца заданными импульсами.

— перевод аналогового сигнала импульсной фотопроводимости на СВЧ в цифровой.

— вывод импульса фотопроводимости на экран монитора.

ИПСН — источник питания собственных нужд УВЧ — усилитель высокой частоты АЦП — аналогово — цифровой преобразователь ЦАП — цифро — аналоговый преобразователь АТ — аналоговый термодатчик УАТ — усилитель сигнала аналогового термодатчика ЦТ — цифровой термодатчик ОУИ — органы управления индикацией СТ — сторожевой таймер ПППЗУ — перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство ЦП — центральный процессор УН — усилитель напряжения Рисунок 3 — Блок — схема МПУ Блок измерения температуры предназначен для определения температуры измерительного стола с исследуемым полупроводниковым образцом и температуры СВЧ резонатора и состоит из цифрового датчика температуры и МПУ Для сбора и обработки аналоговых сигналов, управления блоками прибора и связи прибора с ПК служит МПУ.

Для определения величины удельного сопротивления этого образца необходимо знать зависимость прошедшей через резонатор СВЧ мощности от значений удельного сопротивления во всей области от 10−2 до 5· 10+4 Ом · см. Для этого проводится калибровка прибора.

Работа МПУ

МПУ выполнен в виде блока прямоугольной формы, расположенной в передней части прибора «SemiCon — 1» на шасси.

В состав МПУ входят следующие блоки и системы:

— микропроцессорное устройство с узлами обработки аналоговых данных;

— формирователь импульсов управления светодиодами;

— формирователь напряжений управления генератором СВЧ;

— источник питания +24В;

— источник питания +12В

— усилитель сигнала детектора;

— усилитель сигнала емкостного датчика;

Микропроцессорное устройство формирует требуемые напряжения управления генератором СВЧ, импульсы управления светодиодным излучателем, оцифровывает и обрабатывает сигналы с выхода СВЧ детектора, обрабатывает сигналы органов управления, расположенных на передней панели прибора, принимает команды от системы управления верхнего уровня, обеспечивая измерения требуемых параметров.

Расположение основных узлов МПУ, представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 — Расположение основных узлов МПУ

1.3 Влияние параметров СВЧ блока на метрологические характеристики. Цель работы. Основные задачи. Требования к СВЧ генератору для прибора

Согласно ТУ (приложение) данный прибор работает в узком диапазоне температур окружающей среды 22 ± 3. Это связано с изменением параметров СВЧ блока:

— значительное изменение выходной мощности и частоты СВЧ ГУН при температурах (10 — 40).

На рисунке 5 представлен СВЧ блок и датчик (резонатор).

Рисунок 5 — общий вид СВЧ генератора, детекторной секции и резонатора

Таким образом, для расширения возможности прибора и его эксплуатации в более широком диапазоне температур (10 — 40) необходимо разработать новый СВЧ генератор. Так как эксплуатационные параметры СВЧ генератора в приборе тесно связаны с характеристиками СВЧ детектора, для этого необходимо разработать новый СВЧ блок.

Целью данной работы и является разработка и исследование работы СВЧ блока, характеристики и параметры которого слабо изменяются в области температур от + 10 до + 40. И его применение в измерительно-вычислительном комплексе «SemiCon — 1».

Требования к СВЧ генератору для прибора

Для оптимальной работы прибора требуется минимальная необходимая мощность, равная 30 мВт во всем диапазоне частот от 1 до 2 ГГц. Это обусловлено тем, что потери, вносимые образцом, регистрируются как изменение прошедшей мощности через СВЧ резонатор, и она равна:

(1)

где Рпр — мощность после СВЧ резонатора, — внешние добротности петлей связи резонатора, — нагруженная добротность пустого резонатора, — величина обратная тангенсу угла потерь измеряемого полупроводника, k — коэффициент включения образца в резонатор.

Чувствительность So = Дf/ДEo также является важной характеристикой, для оптимальной работы прибора. Так как она характеризует настройку ГУН на частоту резонатора с образцом и удержание этой частоты. Минимальная полоса резонансной кривой определяется добротностью пустого резонатора. В данном приборе она составляет 1 МГц, что определяет добротность резонатора:

(2)

где резонансная частота, а — ширина резонансной кривой при уровне в половину мощности (3 дБ).

- требования к выходной мощности СВЧ генератора определяется оптимальной работой СВЧ резонатора и МПУ.

В данном резонаторе с помощью петель связи регулируется мощность, поступающая с генератора в резонатор и из резонатора к квадратичному детектору.

Мощность, поступающая на детектор, определяется параметрами используемого СВЧ диода, коэффициентом включения полупроводника в резонатор и диапазоном удельного сопротивления измеряемых образцов.

Поэтому параметры СВЧ генератора необходимо рассматривать совместно с СВЧ детектором, т. е. параметры СВЧ блока.

Рисунок 6 — Калибровочная кривая

Для построения калибровочной кривой (рисунок 6), по которой определяется удельное сопротивление полупроводников, необходим квадратичный детектор, с достаточно большой линейной областью (рисунок 7). Одним из таких является СВЧ диод типа Д408П, который уже используется в приборе. Рассмотрим зависимость выпрямленного тока от непрерывно падающей СВЧ мощности (рисунок 7).

Рисунок 7 — Зависимость выпрямленного тока от непрерывно падающей СВЧ мощности

Квадратичный участок на рисунке 7 заканчивается на 1,5 мА, а СВЧ диод работает на нагрузку, равной 300 Ом следовательно:

Uдетmax = 1,5 · 10−3 А · 300 Ом = 450мВ (3)

Потери на преобразование передачи СВЧ мощности с помощью петель связи 10 — 20 дБ. Таким образом можно оценить максимальную выходную мощность генератора. Она равняется:

Pmax = 1,2 мВт · 15 дБ = 42мВт (4)

Минимальное напряжение определяется чувствительностью МПУ и коэффициентом включения полупроводника в резонатор. Как видно из калибровочной кривой (рисунок 6) она составляет 10 мВ, Отсюда легко определяется min СВЧ мощность. Она равна 20 мкВт. Таким образом эта область напряжений укладывается в квадратичный участок этого СВЧ диода. Эти параметры должны быть на всех частотах стабильными во времени и при изменении температуры от 10 до 40 .

2. Общие положения

Генератор управляемый напряжением (ГУН) — электронный генератор для управления частотой колебаний при помощи напряжения. Частота колебаний зависит от подаваемого переменного напряжения, причём ГУН может быть запитан от модулированных сигналов, что позволяет осуществить фазовую или частотную модуляцию.

В любом радиотехническом и электронном устройстве необходим источник опорных колебаний со стабильной частотой. Поскольку невозможно построить такой генератор на любую заданную частоту, используют синтезаторы стабильных частот (СЧ) — устройства преобразования частоты колебаний из одного значения в другое с малым шагом перестройки и низкими погрешностями. Схемы построения СЧ, в зависимости от конкретных технических требований, различны, однако в каждой из них используют набор типовых электронных компонентов: управляемые по частоте генераторы, умножители и делители частоты, смесители, частотные фильтры, элементы цифровой техники. Номенклатура этих электронных компонентов чрезвычайно разнообразна, так что их правильный выбор — задача достаточно сложная.

2.1 Принципы построения ГУН

Генератор, управляемый по частоте напряжением (Voltage Controlled Oscillator — VCO), представляет собой автоколебательную аналоговую схему, которая питается от источника напряжения Eо, снабжена цепью управления частотой напряжением Еу и формирует на внешней нагрузке Rн напряжение u(t). Форма выходного напряжения ГУН близка к гармонической и описывается выражением

u(t) = Uo[1 + µ(t)]sin[ 2рfгt + e(t) ],

где Uo — амплитуда; fг — частота; µ(t) — относительные изменения амплитуды (|µ(t)| << 1); e(t) — отклонения фазы от равномерного во времени закона, |e(t)| << 2 р. Как правило, активный элемент автогенератора ГУН — транзистор с колебательной системой на LC-элементах, которая создает положительную обратную связь, компенсирующую потери и обеспечивающую генерацию на частоте fг.

На рисунке 8 представлена схема соединения ГУН с внешними электрическими цепями.

Рисунок 8 — Схема соединения ГУН с внешними электрическими цепями

В твердотельных ГУН миллиметрового диапазона (рисунок 9) в качестве активного элемента используется полупроводниковая структура на GaAs с отрицательным сопротивлением. Элементы L, С1, С2 и варикап VD1 образуют колебательную систему; Др1, Др2 и ДрЗ — блокировочные дроссели; Сбл1, C6л2, Сбл3, Сбл4 — блокировочные конденсаторы; R1 и R2 — цепь формирования отпирающего напряжения транзистора; R3 — резистор ограничения рабочего тока транзистора VT1. В СВЧ диапазоне колебательная система и блокировочные элементы выполняются в виде микрополосковых линий или иных цепей с распределенными параметрами. Эквивалентная емкость С3экв варикапа VD1 зависит от управляющего напряжения Еу на входе управления. Для улучшения характеристик ГУН вместо одиночного варикапа применяют варикапные матрицы (встречно включенные варикапные пары).

Рисунок 9 — Пример принципиальной схемы ГУН

В диапазоне ниже 20 МГц в качестве ГУН приемлемы функциональные генераторы — LC на основе операционных усилителей с электронным управлением перестройкой частоты в 10 — 100 раз за счет изменения тока заряда RC — цепи. Однако по стабильности частоты такие ГУН существенно уступают LC — генераторам, а их более высокочастотная реализация проблематична.

Без учета влияния инерционности транзистора и фазового сдвига в цепи обратной связи автогенератора частота генерации fг определяется реактивными элементами колебательной системы:

(5)

где 1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3эквЕ(у).

Амплитуда Uo установившихся выходных колебаний зависит от режима транзистора, параметров колебательной системы и сопротивления нагрузки. При повышении управляющего напряжения Еу эквивалентная емкость варикапа С3экв (Еу) уменьшается, емкость С падает, а частота генерации fг растет. При этом из-за изменения потерь в колебательной системе может происходить паразитное изменение амплитуды (мощности) генерации. Паразитное влияние на частоту и амплитуду генерации оказывают также вариации питающего напряжения Еу, температуры окружающей среды, модуля и фазы сопротивления нагрузки.

Диапазон перестройки частоты и линейность зависимости частоты от напряжения смещения на варикапе в значительной степени определяются его вольт — фарадной характеристикой с учетом паразитных емкостей схемы. Для ГУН, перестраиваемых в широкой полосе частот, разрабатывают специальные варакторные диоды со сверхрезким рn — переходом, которые позволяют изменять емкость С более чем в четыре раза, а частоту, следовательно, — более чем в два раза. В таких ГУН оптимизируют номиналы колебательной системы и блокировочных элементов. Дроссели заменяют резисторами, исключающими паразитные резонансы, используются балансные схемы активных элементов, снижающие влияние вариаций нагрузки и температуры окружающей среды на частоту и уровень фазового шума. Чтобы упростить схему управления частотой и уменьшить эффект изменения нагрузки, иногда собственно ГУН дополняют буферным усилителем и широкополосным удвоителем частоты.

2.2 Основные параметры ГУН

Основные технические характеристики и параметры ГУН, которые надо учитывать при создании электронной аппаратуры на их основе, можно разделить на три группы: характеристики качества сигнала, характеристики управления частотой и параметры чувствительности к внешним воздействиям.

Параметры выходного сигнала ГУН характеризуют:

· выходная мощность (power output) Рвых. Определяется как мощность на номинальной согласованной нагрузке (Rн = 50 Ом) в середине рабочего интервала управляющего напряжения при номинальной температуре окружающей среды (+25°С). Величина Рвых измеряется, применительно к СЧ, в децибелах относительно мощности 1 мВт: Рвых [дБмВт] = 10lg (Рвых [мВт]/1 мВт). В англоязычной литературе используют обозначение 1 dBm = 1 дБмВт;

· диапазон частот (frequency range) fвых измеряется в мегагерцах и определяется как максимальная частота, на которую может быть настроен ГУН путем изменения управляющего напряжения;

· спектральная плотность мощности (СПМ) фазового шума (phase noise) Sц (F), где F = |f — fг| - отстройка от несущей частоты (carier offset). Величину Sц (F) измеряют анализатором фазы (например, типа Agilent 4352S), включающим опорный генератор с прецизионной фазовой стабильностью. В таком анализаторе выделяется фазовое расхождение e(t) сигнала ГУН от опорного колебания анализатора на заданной частоте fг и вычисляется спектр мощности, то есть Фурье-образ e(t) в зависимости от частоты отстройки F. Зависимость Sц (F) приводится как односторонняя (Single Side Band — SSB) спектральная плотность мощности, т. е. величина, на 3 дБ меньшая, чем суммарная мощность фазового шума при положительных и отрицательных отстройках, которая появляется на выходе фазового дискриминатора в анализаторе фазовых нестабильностей. Величина Sц (F) измеряется в децибелах среднего квадрата фазовых отклонений от опорного колебания по отношению к 1 рад2 в полосе 1 Гц для каждого значения частоты отстройки [дБ/Гц]. В англоязычной литературе используется размерность [dB/Hz]. Графики Sц (F) строятся в логарифмическом масштабе по двум осям (Bode diagram). Величина Sц (F) падает по мере увеличения F, достигая минимального уровня «белого фазового шума» Sцбел при отстройках порядка полосы пропускания колебательной системы автогенератора. Для простоты вместо графика Sц (F) уровень фазового шума характеризуют значениями СПМ для нескольких значений отстройки, например 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц и т. д. По характеристике Sц (F) можно определить СПМ частотных отклонений от номинальной частоты Sf (F) = F2Sц (F), которая измеряется в единицах квадрата отклонения частоты (Гц2) на единицу полосы отстроек [Гц2/Гц]. Величина Sf (F) также уменьшается с увеличением отстройки, достигая уровня «белого частотного шума» Sfбел, характерного для каждой модели ГУН. Оценочная кратковременная нестабильность частоты (residual FM) определяется интегральным среднеквадратичным паразитным отклонением:

(6)

где Fн, и Fвграничные частоты. По умолчанию принимают Fн = 50 Гц, Fв = 3 кГц. Относительная нестабильность частоты Дfско/fг для LC-генераторов радиочастотного диапазона составляет величину 10−5-10−7. При измерении шумовых характеристик в качестве источников напряжений Ео и Еу используют аккумуляторные батареи, чтобы снизить влияние СПМ шума источника питания на уровень фазового шума ГУН;

· подавление высших гармоник (harmonic suppression). Уровень синусоидальности выходного сигнала ГУН характеризуется мощностью второй А2, третьей А3, иногда четвертой А4 гармоник в спектре выходного сигнала по отношению к мощности несущего колебания и измеряется в децибелах [дБ] или [dB];

· значения питающего напряжения Eо [В] и потребляемого тока Iо [мА];

· продолжительность процесса включения и выключения фвкл. Для ГУН, работающих в импульсном режиме, эта величина измеряется как отрезок времени, в течение которого после подключения питающего напряжения выходная мощность ГУН достигает 0,9 от номинального значения.

К характеристикам управления частотой относятся:

· модуляционная характеристика (frequency tuning characteristic) -зависимость частоты генерации от квазистатического изменения управляющего напряжения fг (Еу). Для простоты вместо кривой fг (Еу) указывают наименьшее fн и наибольшее fв значения частоты при электронной перестройке, пределы допустимых значений управляющего напряжения Еумин и Еумакс, а также характеризуют линейность модуляционной характеристики (tuning linearity), например, указывая пределы изменения крутизны управления частотой (tuning sensitivity) Sy = (Дfг/ДEу) [МГц/В] по диапазону перестройки управляющего напряжения. Относительную полосу перестройки BW = fв — fн/fcp где fcp = (fв + fн)/2 — середина полосы, измеряют в процентах. Для ГУН с широкой полосой перестройки удобнее использовать коэффициент перекрытия по частоте kf = fв/fн. Например, для октавного ГУН kf = 2;

· изменение выходной мощности (output power variation) в диапазоне управляющих напряжений Рвых (Еу). В качестве численных параметров вместо кривой Рвых (Еу) для простоты указывают в [дБмВт] наибольшую и наименьшую мощности выходного сигнала в допустимом интервале изменения управляющего напряжения при номинальных нагрузке и температуре;

· полоса пропускания по цепи управления Fмод (tuning bandwidth). Эта величина является мерой инерционности вариаций частоты по отношению к быстрым изменениям управляющего напряжения. Она определяется как частота (в кГц) гармонического напряжения на входе управления ГУН, при которой девиация частоты выходного сигнала уменьшается в раз по сравнению с девиацией при медленном (квазистатическом) изменении Еу в тех же пределах;

· ток в цепи управления частотой Iу. Варикап в качестве управляющего частотой элемента обычно заперт, поэтому постоянная составляющая тока управления Iу в середине интервала изменения Еу ничтожна — менее 10 мкА. Но ток через варикап может существенно возрасти при близких к нулю управляющих напряжениях из-за открывания рn — перехода высокочастотным напряжением, что приводит к падению выходной мощности ГУН. Наибольшее значение Еу ограничено открыванием рn — перехода варикапа высокочастотным напряжением в области пробоя. Отметим, что амплитуда высокочастотного напряжения на варикапе может заметно превышать напряжение источника питания.

Чувствительность к влиянию внешних факторов характеризуют:

· вариации частоты при изменении питающего напряжения Eo (frquency pushing) So = Дf/ДEo [МГц/В] при номинальных температуре и нагрузке;

· температурный коэффициент изменения частоты ТКЧ = Дf/ДT, измеряемый в [МГц/] при номинальной температуре +25. Кроме того, указываются уходы частоты от номинального значения для предельно допустимых значений температуры окружающей среды, например -55и +85 ;

· изменения частоты Дfцp-p при вариациях фазы коэффициента отражения от нагрузки (frequency pulling). Величина Дfцp-p определяется как разность между максимальным и минимальным значениями (peak-peak) частоты [МГц] для всех значений фазы коэффициента отражения от 0 до 180° при подключенном непосредственно к выходу ГУН согласованному аттенюатору на 6 дБ или при фиксированном коэффициенте стоячей волны = 2.

3. Исследование СВЧ генераторов, используемых в ИВК

3.1 СВЧ генератор по схеме с эмиттерной связью

печатный плата генератор детектор

На рисунке 10 представлен СВЧ генератор диапазона (1,1 — 1,6) ГГц, который собран на двух транзисторах КТ640. Первый каскад — задающий, собран по схеме генератора с эмиттерной связью с заземленным коллектором. Частота генерации задается управляющим напряжением (0,5 — 27) В, которое подается на встречно включенные варикапы КВ1096. Второй транзистор работает как развязывающий усилитель, собранный по схеме с общей базой. На выходе усилителя стоит развязывающий Т-образный резистивный аттенюатор. При питании — 9 В потребляет (130 — 150) мА и выдает на выходе (25 ± 5) мВт.

Рисунок 10 — Схема генератора с «эмиттерной связью»

В таблице 1 представлена зависимость частоты СВЧ генератора fг и его выходной мощности Pвых от напряжения на варикапе Uв.

Таблица 1 — Зависимость частоты и выходной мощности генератора от напряжения на варикапе

Рисунок 11 — Зависимость мощности от напряжения на варикапе

Рисунок 12 — Зависимость частоты от напряжения на варикапе

На рисунках 11 и 12 изображены графики зависимости выходной мощности и от частоты, и от напряжения на варикапе соответственно.

Имея достаточно широкую полосу частот, генератор имеет сильную зависимость от температуры ~10−3 МГц/, что приводит к его неправильной работе. Объясняется это наличием большого количества элементов, выделяющих тепло. Что видно наглядно из рисунка 13.

Рисунок 13 — Внешний вид генератора

Так как имеется серия приборов, следовательно, имеется и серия штатных СВЧ блоков. Ниже на рисунке 14 представлены характеристики СВЧ генераторов, а в частности зависимости выходной мощности от частоты генерации.

Рвых, мВт

fг, МГц

Рисунок 14 — Зависимости выходной мощности от частоты генерации, генераторов использованных в приборах

3.2 Детекторная секция

Детекторная секция служит для преобразования СВЧ мощности, поступающей с резонатора, в низкочастотное напряжения и представляет собой коаксиальную камеру в которой размещен СВЧ диод Д1 типа Д408. Ферритовые вентили типа ФВП3−5 устраняют влияние рассогласования выходного и входного коаксиальных трактов СВЧ блока на работу СВЧ генератора и детектора. На рисунке 15 представлен общий вид детекторной секции.

Рисунок 15 — Общий вид детекторной секции

3.3 Основные недостатки работы СВЧ блока

1. Исполнение СВЧ генератора ручного монтажа в связи с этим его основные характеристики не повторяются, и не удовлетворяют требованиям оптимальной работы прибора.

2. При изменении температуры окружающей среды на 5 — 10 от комнатной, приводит к резким изменениям его основных характеристик.

3. Генератор не защищён от вибраций, которые присутствуют при перевозках прибора.

4. При хранении прибора на складах при разных температурах, появление конденсата выводит СВЧ генератор и детекторную секцию из строя.

4. Разработка СВЧ блока

4.1 ГУН. Обзор литературы. Его выбор и разработка. Характеристики

В этом параграфе будет проведён обзор ГУН, после чего будет выбран тот, который удовлетворяет нашим требованиям.

ГУН DCMO80210−10 компании Synargy. В таблице № 2 представлены его основные характеристики Таблица № 2 — основные характеристики ГУН DCMO80210−10

Ниже на рисунках 16 и 17 представлена зависимость частоты генерации от напряжения управления, и зависимость выходной мощности от напряжения управления.

Рисунок 16 — Зависимость частоты генерации от напряжения управления Рисунок 17 — Зависимость выходной мощности от напряжения управления Октавный генератор 1−2 ГГц «Микран»

На рисунке 18 представлен общий вид ГУН, производства НПФ «Микран». Он является взаимозаменяемым аналогом ГУН V585ME06-LF.

Рисунок 18 — Общий вид ГУН, производства НПФ «Микран»

В таблице № 3 представлены его основные характеристики.

Таблица № 3 — основные характеристики ГУН, производства НПФ «Микран»

Рисунок 19 — Зависимость выходной мощности от напряжения Разработка СВЧ ГУН СВЧ блок служит для генерации и регистрации СВЧ мощности, прошедшей через СВЧ резонатор и состоит из СВЧ генератора, вентилей и детекторной секции.

На рисунке 20 изображены элементы СВЧ блока, в состав которого входит СВЧ генератор и квадратичный детектор.

Рисунок 20 — элементы СВЧ блока

К СВЧ генератору предъявляются особые требования. Одними из них является выходная мощность генератора. Она должна быть не менее 30 мВт. Частотный диапазон работы генератора должен быть в диапазоне от 1 до 2 ГГц, и минимальные уходы частоты генератора и его мощности в области температур от + 10 до + 40 .

Выбор и его разработка. Характеристики

Было принято решение построить СВЧ генератор на основе ГУН компании

Z — Communication V585ME06 — LF, и усилителя компании RFMD — SBB3089Z, а также развязывающего резистивного аттенюатора крестообразной формы, вносимого затухания.

ГУН V585ME06 — LF, был выбран в силу своих характеристик, которые удовлетворяют требованиям ИВК «Semicon — 1», они представлены ниже в таблице № 4.

Таблица № 4 — основные характеристики ГУН V585ME06 — LF

Важной характеристикой ГУН для данного устройства является зависимость выходной мощности генератора Pген от частоты его генерации ѓген (рисунок 21)

Pген, мВт

ѓген, МГц

Рисунок 21 — Зависимость выходной мощности генератора Pген от частоты его генерации ѓген при разных температурах

Температурная зависимость частоты генерации ГУН также является важной характеристикой.

Данная зависимость приведена ниже на рисунке 22. Из неё видно, что уход частоты при изменении температуры незначителен.

ѓген, МГц

U, В

Рисунок 22 — Зависимость частоты генерации от напряжения при разных температурах (ГУН)

Усилитель SBB3089Z подобран исходя из предъявляемых требований. Характеристики усилителя представлены в таблице № 5.

Таблица № 5 — Характеристики усилителя SBB3089Z

Для получения оптимальной выходной мощности СВЧ генератора, равной 30 мВт, необходимо учесть мощность ГУН равной 5,5 дБм и 16 дБ вносимые усилителем, следовательно, на выходе мы получаем около 140 мВт, что значительно превышает, то что нам нужно. Снижение мощности достигается за счет внесение затуханий аттенюатором, не стоит забывать, что мощность рассеивается.

Предложено использовать аттенюатор крестообразной формы. Его расчет производится по аналогии с Т — образным аттенюатором (рисунок 23). Это связано с тем, что у крестообразного аттенюатора характеристики ослабления от частоты более равномерная чем у Т — образного.

Рисунок 23 — Т — образный аттенюатор

Задаём волновое сопротивление тракта Z0 = 50 Ом, а также ослабление аттенюатора равное 2 дБ, которое находится по формуле 1, взятой из учебника по радиоэлектронике «Титце и Шенк»:

(7)

, где Рвх и Рвых — входная и выходная мощности соответственно.

Далее по формулам (2) и (3) находим соответствующие сопротивления:

(8)

(9)

Воспользовавшись (7),(8) и (9), получаем R1 = R2 = 5,7 Ом.

Для получения значений R4 и R5, нужно воспользоваться формулой:

; (10)

Рисунок 24 — Крестообразный аттенюатор

Из (10) получаем R3 = R4 = 215 Ом.

Была разработана принципиальная схема СВЧ генератора, представленная ниже на рисунке 25.

1 — питание, 2 — ГУН, 3 — напряжение управления, 4 и 6 — крестообразный аттенюатор, 5 — усилитель, 7 — СВЧ выход

Рисунок 25 - Принципиальная схема СВЧ генератора

Между каскадами для достижения равномерности характеристики размещены корректирующие цепи. Коррекция рассчитывается на согласованный тракт с волновым сопротивлением 50 Ом. Структура корректирующей цепи обусловлена наличием Т — аттенюатора, выравнивающего (ослабляющего) амплитудную характеристику на низких частотах. На высоких частотах влияние аттенюатора ограничивают конденсаторы и индуктивность, не внося рассогласование в тракт. Схема питания подобрана так, что с её применением соблюдаются необходимые режимы по постоянному току при заданном напряжении 10 В.

На ГУН и усилитель одновременно подаётся одно питание + 10 В. На вход генератора подаётся напряжение управления от + 1 В до + 20 В и в связи с изменением этого напряжения изменяется частота от 1 ГГц до 2 ГГц. На выходе генератора мощность составляет примерно 3,55 мВт. После этого СВЧ сигнал проходит через аттенюатор, который в свою очередь уменьшает сигнал до нужной нам величины. Затем сигнал проходит через усилитель, коэффициент усиления которого равен 16,4 дБ. Следовательно, сигнал, вышедший с генератора усиливается на 16,4 дБ и уже после усиления сигнал попадает на второй аттенюатор, после которого на выходе у нас, та мощность, которая нам требуется.

Печатная плата (ПП), разработанная в среде P — CAD (рисунок 26). На ней также видны все элементы принципиальной схемы описанные выше.

Важной особенностью при разработке ПП было выдержать отношение ширины 2.7 мм к толщине ПП в 1.5 мм. Оно должно составлять 1,8. Это обусловлено тем, чтобы было согласование с СВЧ трактом (КСВ не более 2)

Рисунок 26 — Печатная плата СВЧ генератора

Готовая печатная плата представлена ниже на рисунке 27. Её размеры равны 10 сантиметров длину и 5 сантиметров в ширину.

Все компоненты для СВЧ генератора были заказаны и распаяны на плате.

Рисунок 27 - Готовый образец СВЧ генератора

После выполнения платы и сборки комплектации было проведено макетирование опытных образцов генераторов. Результаты настройки платы представлены на рисунке 28.

ѓген, МГц

U, В

Рисунок 28 - Зависимость ѓген СВЧ генератора от управляющего напряжения

Из рисунка видно, что зависимость частоты генерации от напряжения управления линейная, это говорит нам о том, что никаких уходов частоты при изменении напряжения нет.

Так как была изготовлена серия (5 штук) СВЧ генераторов, то соответственно были измерены зависимости выходной мощности генератора Pген от частоты его генерации ѓген (рисунок 29).

Pген, мВт

ѓген, МГц

Рисунок 29 - Зависимости выходных мощностей генератора Pген от частоты его генерации ѓген

Р2 — Зависимости выходной мощности генератора P2ген от частоты его генерации ѓген (при R = 100 Ом)

Р1 — Зависимость выходной мощности генератора P1ген от частоты его генерации ѓген (при R = 130 Ом)

Р3 — Зависимость выходной мощности генератора P3ген от частоты его генерации ѓген (пайка воздухом)

Р1(3089) — Зависимость выходной мощности генератора P1ген от частоты его генерации ѓген (аттенюатор 1,5 дБ)

Р2(4089) — Зависимость выходной мощности генератора P2ген от частоты его генерации ѓген (аттенюатор 1,5 дБ, усилитель SBB4089).

Как видно из рисунка 13, что зависимости мощностей от частоты изменяются примерно на 35%, что очень много, в то время как она должна быть более стабильной, возможно это связано с тем, что развязка генератора рассогласована с СВЧ трактом или на элементы схемы влияют шумы.

Очень важным фактором является и то, в каких условиях и как паялась сама плата. По самим характеристикам это очень видно. Одна схема паялась обычным паяльником, а другая специальной паяльной станцией, с помощью подачи горячего воздуха.

При увеличении сопротивления на входе усилителя наблюдается спад мощности, а при уменьшении сопротивления мощность увеличивается, и усилитель работает на всю свою мощность, что тоже в свою очередь плохо влияет на данную зависимость. Если в схеме есть аттенюатор, это тоже очень влияет на характеристику, у неё появляются линейные участки. Если в схеме использовать другой усилитель, с другим коэффициентом усиления, следовательно, зависимость тоже изменится.

4.2 СВЧ детекторы. Обзор литературы. Выбор и разработка квадратичного детектора

В своей работе я разрабатываю квадратичный детектор. Из всего множества предоставленных на российском и зарубежном рынках я отобрал 4 диода, характеристики которых будут рассмотрены ниже. По параметрам, подходящих для моей работы я должен выбрать всего один, полностью меня удовлетворяющий. Рассмотрим СВЧ диоды российского производства.

Д405 — Диод кремниевый точечный. Предназначен для работы в преобразователях частоты диапазона волн 3 см.

Выпускается в металлокерамическом корпусе с жесткими выводами. Диоды Д405, Д405А, Д405Б — прямой полярности, Д405АП, Д405БП — обратной полярности. Диоды выпускаются подобранными в пары: Д405АР, Д405БР, Д405АПР, Д405БПР. Масса диода не более 2,5 грамма. Его основные электрические параметры представлены в таблицах № 6, 7, 8.

Таблица № 6 — Электрические параметры диода Д405.

Таблица № 7 — Разброс электрических параметров в паре

Таблица № 8 — Предельные эксплуатационные данные

На рисунках 30, 31, 32, 33 представлены основные параметры диода Д405.

Рисунок 30 — Зависимость потерь преобразования от непрерывной падающей СВЧ мощности

Рисунок 31 — Зависимость выпрямленного тока от непрерывной падающей СВЧ мощности

Рисунок 32 — Зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению от непрерывной падающей СВЧ мощности

Рисунок 33 — Зависимость выходного сопротивления от температуры

Д408 и Д408П — Диоды кремниевые точечные смесительные. Предназначены для применения в преобразователях частоты в диапазоне длин волн 4,5.10 см. Выпускаются в металлокерамическом корпусе с жёсткими выводами.

Диоды Д408 — прямой полярности, Д408П — обратной.

Диоды выпускаются подобранными в пары: Д408Р, Д408ПР.

Масса диода не более 2,5 гр.

Некоторые электрические параметры

Выпрямленный ток при Рпд = 0,6 мВт, л = 10 см, Rпосл = 100 Ом, не менее 0,8 мА.

Выходное сопротивление при Рпд = 0,5 мВт, л=10 см, Rпосл = 100 Ом 290.390 Ом.

Разброс Электрических параметров в паре. Выпрямленный ток, не более 10%

Нормированный коэффициент шума, не более 0,5 дБ Выходное сопротивление, не более 25 Ом Предельные эксплуатационные данные

Импульсная рассеиваемая мощность при Ти = 1 мкс, f=1000 Гц 500 мВт Импульсная рассеиваемая мощность 100 мВт Энергия СВЧ импульсов 0,5 • 10−7 Дж Температура окружающей среды -60.+125 .

На рисунках 34, 35, 36 представлены основные параметры диода Д408.

Рисунок 34 — Зависимость нормированного коэффициента шума от непрерывной падающей СВЧ мощности Рисунок 35 — Зависимость выпрямленного тока от непрерывной падающей СВЧ мощности Рисунок 36 — Зависимость нормированного коэффициента шума от температуры Диод LTC5535

LTC5535 — диод, работающий в диапазоне от 600 МГц до 7 ГГц. Выходной коэффициент усиления усилителя LTC5535 установлен через внешние резисторы. Начальное стартовое напряжение 200mV может быть точно отрегулировано, используя вывод VOS. LTC5535 работает с входными уровнями мощности от — 32 dBm к 10 dBm. 12 МГц ширина полосы основной полосы частот. На рисунке 37 представлен внешний вид диода LTC5535.

Рисунок 37 — Внешний вид диода LTC5535

Ниже в таблице № 9 представлены основные характеристики диода LTC5535.

Таблица № 9 — характеристики диода LTC5535

На рисунке 38 представлена зависимость напряжения детектора от СВЧ мощности при разных температурах на частоте 1 ГГц.

Рисунок 38 — Зависимость напряжения детектора от СВЧ мощности при разных температурах на частоте 1 ГГц

Диод HSMS_286x

Диод фирмы Avago’s HSMS-286x работает в диапазоне от 915 МГц до 5.8 ГГц.

Главной особенность этого диода в том, что у него высокая чувствительность:

до 50 милливольтов / мW в 915 МГц;

до 35 милливольтов / мW в 2.45 ГГц;

до 25 милливольтов / мW в 5.80 ГГц;

Внешний вид диода HSMS_286x представлен на рисунке 39.

Рисунок 39 — Внешний вид диода HSMS_286x

Основные характеристики диода представлены на рисунках 40 и 41.

Рисунок 40 — ВАХ диода при разных температурах Рисунок 41 — Зависимость напряжения на детекторе от падающей СВЧ мощности на различных частотах

Выбор и разработка квадратичного детектора

Проведя обзор диодов, мы остановились на диоде фирмы Avago's HSMS_286x. Этот выбор был сделан в связи с тем, что этот диод очень чувствителен. Это позволит нам построить очень хорошую калибровочную кривую с большим коэффициентом включения, для определения удельного сопротивления. В схеме данный диод используется в спаренном варианте. Это сделано для компенсации температурных уходов.

Также для построения квадратичного детектора были использованы стабилизатор напряжения на 5 вольт фирмы Analog Devices ADP3330 и операционный усилитель с обратной связью по напряжению этой же фирмы AD8051.

AD8051 (одноканальный) — это недорогой, быстродействующий усилитель с обратной связью по напряжению. Он работает с напряжением питания + 3 В, + 5 В или ± 5 В и имеет низкий потребляемый ток. Компоненты в полной мере поддерживают однополярное питание и способны работать с входными напряжениями в диапазоне от 200 мВ ниже отрицательного напряжения питания до 1 В ниже положительного напряжения питания.

Несмотря на низкую стоимость AD8051 обладает превосходными совокупными показателями и универсальностью. Выходное напряжение может достигать значений, не доходящих 25 мВ до каждого из напряжений питаний, за счет чего обеспечивается максимальный динамический диапазон выходного сигнала и превосходные характеристики восстановления после перегрузки.

Версия AD8051 выполнена в 5 — выводном корпусе, поддерживающем работу в расширенном температурном диапазоне от ?40 до +125.

Все параметры схемы были рассчитаны по принципу сумматора, описанного в учебнике «Полупроводниковая схемотехника «Титце и Шенка.

Принципиальная схема квадратичного детектора представлена на рисунке 42 ниже.

Рисунок 42 — Принципиальная схема квадратичного детектора Принцип работы детектора таков. Мощность, поступающая с генератора, проходит через резонатор с образцом, отражается от полупроводникового образца и через петли связи поступает на детектор. Затем сигнал поступает на диод, после чего диод преобразует его в низкочастотное напряжение. Печатная плата квадратичного детектора представлена на рисунке 43.

Рисунок 43 — Печатная плата квадратичного детектора Готовый образец квадратичного детектора представлен на рисунке 44. Его размеры составляют 7 сантиметров в длину и 4 сантиметра в ширину.

Рисунок 44 — Готовая печатная плата квадратичного детектора Зависимость выходного напряжения на детекторе от падающей СВЧ мощности на разных частотах представлены на рисунках 45 и 46. ть выходного напряжения на детекторе от падающей СВЧ мощности

Uкв, мВ

Pвх, дБм Рисунок 45 — Зависимость выходного напряжения на детекторе от падающей СВЧ мощности на частоте 1 ГГц

Uкв, мВ

Pвх, дБм

Рисунок 46 — Зависимость выходного напряжения на детекторе от падающей СВЧ мощности на частоте 2 ГГц

5. Работа прибора с новым СВЧ блоком

5.1 Установка СВЧ блока в прибор. Методика измерения удельного сопротивления при температуре от 0 до 50

Изготовленный СВЧ генератор был помещён в металлический корпус (рисунок 47).

Рисунок 47 — СВЧ генератор в корпусе

Распаян СВЧ кабель, кабели управления и кабель питания 10 В. Блок питания в МПУ с 12 В был переделан на 10 В. После этого СВЧ генератор был установлен в прибор, проверена его работоспособность. Измерен стандартный образец кремния № 6 его удельное сопротивление и время жизни (рисунок 48).