Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Разработка и исследование микрополосковых устройств защиты от мощного радиоимпульса с управляющим элементом на основе пленки ВТСП

Диссертация: Разработка и исследование микрополосковых устройств защиты от мощного радиоимпульса с управляющим элементом на основе пленки ВТСП
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году и достигнутый прогресс в повышении температуры перехода положили начало исследованиям возможности применения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в защитных устройствах. В первую очередь это связано с тем, что материал, обладающий высокотемпературной сверхпроводимостью, при протекании по нему тока, превышающего критическое… Читать ещё >

Разработка и исследование микрополосковых устройств защиты от мощного радиоимпульса с управляющим элементом на основе пленки ВТСП (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Устройства защиты от мощного радиоимпульса
    • 1. 1. Полупроводниковые, ферритовые и циклотронные устройства защиты
    • 1. 2. Физические основы использования пленок ВТСП в устройствах защиты
    • 1. 3. Устройства защиты от мощного радиоимпульса на основе ВСТП пленок
  • Глава 2. Техника эксперимента
    • 2. 1. Изготовление микрополосковых структур
    • 2. 2. Измерение частотных и передаточных характеристик экспериментальных устройств защиты
  • Глава 3. Микрополосковые устройства защиты на основе пленок ВТСП
    • 3. 1. Особенности коэффициентов связи микрополосковых резонаторов
    • 3. 2. Конструкции устройства защиты на основе микрополосоковых резонаторов с управляющим элементом в форме рамки из ВТСП пленки
    • 3. 3. Микрополосковое устройство защиты с резонансным элементом связи между резонаторами
  • Глава 4. Исследование ВТСП микрополосковых фильтров с нескомпенсированной связью между резонаторами в качестве устройств защиты

Актуальность темы

Как известно, электромагнитное излучение при превышении некоторого порога по мощности способно вывести из строя активные элементы приёмного канала радиосистемы [1−4]. При поступлении на активный элемент (транзистор, микросхема) сигнала, мощность которого превышает максимальную мощность рассеивания активного элемента, произойдет тепловой пробой р-п перехода. Это, в свою очередь, приведет к выходу из строя всего приёмного канала.

Устройства защиты (УЗ) от мощного радиоимпульса применяются для защиты входных цепей приемников различного назначения как одно из средств в системах электронного противодействия, а также для защиты входных цепей приемника радиолокатора от собственного излучения. По физическому принципу действия УЗ подразделяются на несколько основных типов: газоразрядные, циклотронные, ферритовые, полупроводниковые и сегнетоэлектрические. В настоящее время наиболее широкое применение получили полупроводниковые УЗ (в основном на основе /?-/-«-диодов) [4−13]. Однако они имеют довольно значительные времена срабатывания и при малой длительности импульса не способны защитить приёмную аппаратуру от мощного радиоимпульса.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году [14] и достигнутый прогресс в повышении температуры перехода положили начало исследованиям возможности применения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в защитных устройствах. В первую очередь это связано с тем, что материал, обладающий высокотемпературной сверхпроводимостью, при протекании по нему тока, превышающего критическое значение, способен переходить из сверхпроводящего состояния в нормальное (со сравнительно высоким удельным сопротивлением) за.

1 ^ рекордно малое время, менее 10″ «с [15, 16, 21, 24].

Известные в настоящее время УЗ на основе ВТСП [15−27] обладают особенностью, существенно ограничивающей их применение: в режиме ограничения устройство поглощает большую часть мощности, поступающей на вход. При высоких значениях мощности падающей электромагнитной волны устройство может выйти из строя (из-за испарения пленки), так как используемые в таких устройствах пленки ВТСП имеют малую толщину, 100−500 нм.

Таким образом, в настоящее время актуальной является проблема создания защитного устройства от мощного радиоимпульса на основе пленки ВТСП, которое в «открытом» режиме пропускало бы сигнал практически без ослабления, а в режиме ограничения большую часть мощности отражало бы от входа.

Цель диссертационной работы.

Разработка конструкции устройства защиты от мощного радиоимпульса на основе микрополосковых резонаторов и ВТСП пленки, ограничение мощности в котором происходит в основном за счет отражения от входа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка концепции устройства защиты от мощного радиоимпульса на основе микрополосковых резонаторов и ВТСП пленки.

2. Моделирование устройств защиты, изготовление их макетов в частотном диапазоне 2. 10 ГГц и их испытания на соответствие результатам моделирования.

3. Исследование конструкций устройств защиты с целью достижения максимального уровня ослабления сигнала при максимальном уровне его отражения от входа устройства в режиме ограничения и определения возможных ширин рабочих полос устройства.

4. Исследование возможностей регулирования порога срабатывания устройства защиты.

5. Исследование нелинейных свойств устройства защиты (генерации гармоник).

Научная новизна работы.

Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1. Сформулирована новая концепция устройства защиты от мощного радиоимпульса, основанная на резком снижении коэффициента связи микрополосковых резонаторов при срабатывании устройства, и разработаны на ее основе работоспособные конструкции.

2. Впервые на основе ВТСП разработано микрополосковое устройство защиты от мощного радиоимпульса, в котором ограничение сигнала при срабатывании происходит в результате практически полного, порядка 90%, отражения от входа.

3. Впервые разработано микрополосковое устройство защиты на основе ВТСП, в котором порог срабатывания снижен до 10−20 мВт без применения смещающего тока.

4. Впервые разработано микрополосковое устройство защиты на основе ВТСП со столь низким уровнем, не более -60 дБ, генерации третьей гармоники.

Практическая ценность работы.

Разработаны две работоспособные конструкции устройства защиты от мощного радиоимпульса на основе микрополосковых резонаторов и ВТСП пленки. На основе предложенных конструкций можно разрабатывать устройства защиты на частотный диапазон 1.10 ГГц, с относительными рабочими полосами до 45%, с ослаблением сигнала в режиме ограничения на 25.50 дБ, причем в основном за счет отражения от входа. При этом, уровень генерации третьей гармоники является рекордно малым (менее -60 дБ), причем порог срабатывания устройств можно понизить как минимум до 7.

20 мВт без применения смещающего тока. Предложенные конструкции хорошо моделируются с помощью современных коммерчески доступных программных средств.

Научные положения выносимые на защиту.

1. Концепция устройства защиты от мощного радиоимпульса, основанная на резком снижении коэффициента связи микрополосковых резонаторов при срабатывании устройства.

2. Два способа реализации устройства защиты от мощного радиоимпульса на основе пары микрополосковых резонаторов со взаимно скомпенсированными емкостным и индуктивным взаимодействиями, связь между которыми осуществляется через элемент, содержащий ВТСП пленку.

3. Разработанные конструкции обладают нетипично низким для устройств защиты на основе ВТСП уровнем генерации третьей гармоники.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 19-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», (Севастополь, Украина, 2009) — 14-м Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», (Харьков, Украина, 2010) — 10-ой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010», (Новосибирск, 2010) — 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-2010" — Всероссийской с международным участием научно-технической конференции Современные проблемы радиоэлектроники (Красноярск, 2011 гг.), на конференции молодых ученых КНЦ, (Красноярск, 2011).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ, из которых две статьи в периодических изданиях из списка ВАК, и патент РФ на изобретение.

Основные результаты, изложенные в Главе, опубликованы в [72].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана концепция устройства защиты от мощного радиоимпульса, основанная на резком снижении коэффициента связи микрополосковых резонаторов при срабатывании устройства.

2. Разработаны две конструкции устройства защиты от мощного радиоимпульса на основе пары микрополосковых резонаторов со взаимно скомпенсированными емкостным и индуктивным взаимодействиями, связь между которыми осуществляется через элемент, содержащий ВТСП пленку.

3. Проведены экспериментальные, а также с помощью численного моделирования, исследования предложенных конструкций, которые показали, что на их основе можно разрабатывать устройства защиты на частоты до 10 ГГц, с относительными рабочими полосами до 45%, с ослаблением сигнала в режиме ограничения на 25.50 дБ, причем в основном за счет отражения от входа, с рекордно малым, менее -60 дБ, уровнем генерации третьей гармоники. Порог срабатывания устройств можно понизить как минимум до 20 мВт без применения смещающего тока.

4. С помощью численного моделирования исследованы конструкции устройств защиты на основе микрополосковых резонаторов, содержащих ВТСП пленку, без компенсации индуктивного и емкостного взаимодействий между резонаторами. Показано, что хотя такие конструкции и демонстрируют приемлемые характеристики, однако по уровню отражения в режиме ограничения они уступают конструкциям с компенсацией связей.

5. Выработаны рекомендации по разработке устройств защиты на основе микрополосковых резонаторов с ВТСП элементом.

Автор выражает благодарность A.A. Лексикову за руководство диссертационной работой. Также автор благодарит заведующего лабораторией Электродинамики и СВЧ электроники Института физики Б. А. Беляева за содействие, поддержку и помощь в работе. Благодарит сотрудников лаборатории и сотрудников кафедры Радиотехники Сибирского федерального университета и особенно A.M. Сержантова за ценные советы и помощь в работе.

Показать весь текст

Список литературы

  1. A.B., Пирогов Ю. А., Солодов A.B. Исследование стойкости интегральных микросхем в электромагнитных полях импульсного радиоизлучения // Радиотехника и Электроника. — 2011. — Т. 56. — № 3. — С. 370−374.
  2. A.B., Пирогов Ю. А., Солодов A.B., Тюльпаков В.Н
  3. Влияние радиоимпульсов высокого уровня мощности на работу смесителей // Радиотехника и Электроника. 2011. — Т. 56. — № 3. — С. 375−378.
  4. Н.В., Кечиев Л. Н., Степанов П. В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты. М: ООО «Группа ИДТ», 2008. — 478 С.
  5. А.И., Старик A.M., Шутов К. К. Сверхвысокочастотные защитные устройства. М.: Радио и связь, 1993. — 128 С.
  6. Г. М. СВЧ полупроводниковые приборы и их применение. -М.: Мир, 1972. 105 С.
  7. A.B. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь, 1987. — 45 С.
  8. Пат 2 189 670 Российская Федерация. Защитное устройство СВЧ / Балыко А. К., Мальцев В. А., Рудый Ю.Б.-, опубл. 20.09.02.
  9. Пат. 2 025 838 Российская Федерация. СВЧ-ограничитель / Иванов И. Д., Прокофьев В. П., Махалин А.Г.- опубл. 30.12.94.
  10. Лебедев И. В, Штинников A.C. Новые структурные схемы твердотельных ограничителей мощности // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -1991. Т. 34. -№ 10. — С. 9−18.
  11. Пат. Российская Федерация 2 097 879. Кольцевой ограничительмощности / Дроздовский Н. В., Дроздовская Л.М.- опубл. 27.11.1997.95
  12. Пат. Российская Федерация 2 099 824. СВЧ-ограничитель /Особое конструкторское бюро МЭИ- опубл. 20.12.97
  13. A.B., Смирнов В. А., Романов Л. П. Широкополосные полупроводниковые защитные устройства 8-мм диапазона // Материалы 15-й Межд. Крымской Конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2005). Севастополь. 2005. С. 183−184.
  14. В.В. Полупроводниковые приборы. М.: Лань. 2006,479 С.
  15. Wu М.К., Ashburn J.R., Torng С.J., at al. Superconductivity at 93 Кiin a new mixed-phase Yb-Ba-Cu-0 compound system at ambient pressure // Phys. Rev. Lett. 1987. — V.58. — No 9. — P. 908−910.
  16. E.M., Гольцман Г. Н., Дзарданов А. Л., Кузнецов Е.А.
  17. Сверхпроводниковый СВЧ-ограничитель на основе электронного разогрева // СФХТ. 1992. — Т. 5. — № 11. — С. 2164−2170.
  18. А.Б. Эффект быстрого переключения сверхпроводниковых пленок и возможности его использования в СВЧ-микроэлектронике // Соросовский образовательный журнал. 2004. Т. 8. -№ 1.-С. 93−100.
  19. A.A. Нелинейный СВЧ отклик сверхпроводящей УВа2Сиз07.§ микрополосковой линии с сужением // ФНТ. 2009. — Т. 35. -№ 2. — С. 141−149.
  20. А.Б., Самойлова Т. Б., Шаферова С. Ю. Быстрое токовое S-N переключение пленок YBa2Cu307.5 и его применение для амплитудной модуляции СВЧ сигнала // СФХТ. 1993. — Т. 6. — № 4. — С. 823−837.
  21. Д.Б. Мощные электромагнитные излучения и сверхпроводящие защитные устройства. Севастополь: Ахтияр, 1997. — 188 С.
  22. .М., Гершензон Е. М., Гольцман Г. Н., Дзарданов AJL, Маликов С.В. Быстродействующий сверхпроводниковый СВЧ-ключ на основе электронного разогрева // СФХТ. 1991. — Т. 4. — № 2. — С. 390−394.
  23. Booth J.C., Leong К., Schima S.A. A superconducting microwave power limiter for high-performance receiver protection // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004. — V. 11.- No 3. — P. 361−366.
  24. О. Г., Карпюк А., Колесов С. Г., Попов А. Ю. Анализ резонансных выключателей и ограничителей на основе сверхпроводниковых пленок // СФХТ. 1990. — Т. 3. — № 10. — С. 2161−2169.
  25. М.М., Козырев А. Б., Ковалевич JL, Самойлова Т.Б., Солдатенков О. И. Ограничители СВЧ-мощности на основе пленок УВа2Сиз07−5 // СФХТ. 1990. — Т. 3. — № 10. — С. 2170−2174.
  26. Booth J.C., Rudman D.A., Ono R.H. A self-attenuating superconducting transmission line for use as a microwave power limiter // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2003. — V. 13. — No 2. — P. 305 310.
  27. Д.Б., Зайцев C.A., Харланов А. И., Степанова М.В.
  28. Особенности варьирования чувствительности сверхпроводниковых датчиков-ограничителей // Материалы 16-й Межд. Крымской Конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2006). Севастополь. 2006.- С. 729−730.
  29. А.В., Стальмахов B.C., Шараевский Ю.П
  30. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Издательство саратовского университета, 1993. — 310 С.
  31. Isak W.S. Magnetostatic wave technology- a review // Proc. IEEE 1988. Vol. 76. — No. 2. — P. 171−187.
  32. Stitzer S. Frequency selective microwave power limiting in thin YIG-films // Digest of the Intermag Conference. USA. 1983. — P. CD-9.
  33. Stitzer S.N., Goldie H. A multi-octave frequency selective limiter // IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. USA. 1983. — P. 326−328.
  34. Пат. 2 167 480 Российская Федерация. Сверхвысокочастотное защитное устройство / Будзинский Ю. А., Кантюк С. П., Петровский В. Б- опубл. 20.05.01.
  35. Ю. А., Петровский В. Б. Комплексированные усилители с циклотронной защитой для приемников PJIC // Материалы 11-й Межд. Крымская Конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2001). Севастополь. 2001. — С. 190−191.
  36. Ван Дузер Т., Тернер Ч. У. Физические основы сверхпроводящих устройств и цепей. М.: Радио и связь, 1984. — 104 С.
  37. А.Г. Физические основы сверхпроводимости. Санкт-Петербург: Радио и связь, 2007. — 344 С.
  38. Hong J.-S., Lancaster M.J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. New York etc.: John Wiley and Sons, Inc., 2001. — 476 P.
  39. JI.A. Электромагнитные волны. M.: Радио и связь, 1988.-440 С.
  40. Lancaster M.J. Passive Microwave Device Applications of High-Temperature Superconductors. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. -360 P.
  41. Cho S., Choi D. Microwave properties of YBaCuO resonator under optical and thermal perturbations // Physica C. 1996. — V. 271. — P. 319−324.
  42. A.B., Васькевич Я. Модель токового и оптического переключения проводимости пленок УВа2Сиз07.5 // ЖТФ. 1999. — Т. 69. -вып. 10. — С. 77−82.
  43. Oates D.E., Anderson A.C., Sheen D.M., Ali S.M. Stripline resonator measurements of Zs versus Н/ in thin films // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1991. — V. 39. No 9 — P. 1522−1529.
  44. Zaitsev G., Kutzner R., Wordenweber R., Kaiser Т., Hein M.A., Muller G. Large-Area УВа2Си307-г Films on Sapphire with Excellent Microwave
  45. Power Handling Capability 11 J. of Superconductivity. 1998. — V. 11.- No 3. -P.361−365.
  46. Inam A., Wu X.D., Nasar L. et al. Microwave properties of highly oriented YBa2Cu307. x thin films // Appl. Phys. Lett. 1990. — V. 56. — No 12. -P. 1178−1180.
  47. Booth J.C., Beall J.A., Rudman D.A., Ono R.H., Vale L.R. Geometry dependence of nonlinear effects in high temperature superconducting transmission lines at microwave frequencies // Journal of Appl. Phys. 1999. — V. 86. — P. 1020−1027.
  48. Асламазов Л. Г, Лемпицкий C.B. Резистивное состояние в широких сверхпроводящих пленках // ЖЭТФ. 1983. — Т. 84. — № 6. — С. 2216−2227.
  49. Vendik О. High-Tc Superconductors: Physical Principles of Microwave Applications. St.-Peterburg: ELTEch, 1991. — 146 P.
  50. Э.Е., Гершензон E.M., Гольцман Г. Н., Радченко О. А., Семенов А. Д., Сергеев А. В. Механизмы детектирования электромагнитного излучения в пленках YBa2Cu307−6 Н СФХТ. 1990. — Т. 3. — № 8. — С. 19 281 942.
  51. О.Г., Козырев А. Б. Сверхпроводниковые пленки в СВЧ микроэлектронике // Изв. Вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. 1983. -Т. 26.-№ 2.-С. 18−28.
  52. О.Г., Козырев А. Б., Морозик В. П. Резистивное поведение сверхпроводниковых пленок ниобия в перпендикулярном ВЧ магнитном поле//ЖТФ. 1982.-Т. 52.-№ 8.-С. 1699−1701.
  53. О.Г., Гайдуков М. М., Козырев А. Б., Самойлова Т.Б.
  54. Разрушение сверхпроводимости широких пленок ниобия импульсным током //ЖТФ, 1985.-Т. 11.-№ 28. -С. 69−74.
  55. Milton Feng, Frank Gao, Zhongmin Zhou, at al. High temperature superconducting resonators and switches: design, fabrication and characterization // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 1996. — V. 44. — No 7. — P.1347−1355.
  56. Mansour R.R., Jolley В., Ye Sh., at al. On the power handling capability of high temperature superconductive filters // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1996. — V. 44. — No 7. — P. 1322−1338.
  57. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С. И. Бахарев, В. И. Вольман, Ю. Н. Либ и др.- под ред. В. И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. — 328 С.
  58. Справочник по элементам полосковой техники / Мазепова О. И., Мещанов В. П., Прохорова Н. и и др- под ред. Фельдштейна А. Л., М.: -Связь, 1979.-336 С.
  59. Д.В., Павлов С. А., Парафин А. Е., Дроздов Ю.Н.
  60. Получение тонких пленок высокотемпературного сверхпроводника Y-Ba-Cu-О для высокочастотных применений в упрощенной магнетронной системе напыления // ЖТФ. 2007. — Т. 77. — № 10. — С. 103−107.
  61. Г. И., Сологуб В Г. О распространении основной квази-ТЕМ-волны в связанной микрополосковой линии // Радиотехника и Электроника. 1983. — № 2. — С. 242−249.
  62. .А., Тюрнев В. В. Двухзвенный микрополосковый СВЧ фильтр // Препринт № 652Ф ИФ СО АН СССР, Красноярск. 1990. — 60 С.
  63. В.В., Беляев Б. А. Взаимодействие параллельных микрополосковых резонаторов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1990. — вып.4(428). — С. 25−30.
  64. .А., Тюрнев В. В. Исследование частотных зависимостей коэффициентов связи микрополосковых резонаторов // Препринт № 695Ф ИФ СО АН СССР, Красноярск. 1991. — 43 С.
  65. .А., Лалетин Н. В., Лексиков A.A. Коэффициенты связи нерегулярных микрополосковых резонаторов и частотно-селективные свойства двухзвенной секции на их основе // Радиотехника и Электроника. -2002.-Т. 47.-№ 1.-С. 14−23.
  66. .А., Сержантов A.M. Исследование коэффициентов связи шпильковых резонаторов // Радиотехника и Электроника. 2004. — Т. 49. -№ 1. — С. 1−9.
  67. Пат. 2 395 872 Российская Федерация. Микрополосковое защитное устройство / Беляев Б. А., Лексиков А. А., Сержантов A.M., Говорун И.В.-опубл. 27.07.10, Бюл. № 21.
  68. .А., Лексиков А. А., Сержантов A.M., Говорун И.В.
  69. Микрополосковое защитное устройство // Материалы 19-й Межд. Крымской Конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2009). Севастополь. 2009. — С. 511−512.
  70. И.В., Лексиков A.A., Сержантов A.M. Устройства защиты на основе микрополоскового фильтра с элементом связи из ВТСП пленки // Известия вузов. Физика. 2010. — Т. 53. — № 9/2. — С. 182−187.
  71. Newman N., Lyons W.G. High-Temperature Superconducting Microwave Devices: Fundamental Issues in Materials, Physics, and Engineering // J. of Superconductivity. 1993. V. 6. — No 3. — P. 119−160.
  72. .А., Говорун И. В., Лексиков А. А., Сержантов A.M.
  73. Микрополосковое устройство защиты от мощного радиоимпульса с ВСТП элементом // Журнал Радиоэлектроники. 2011. — № 7.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!