Широкополостные управляемые СВЧ устройства высокого уровня мощности


                Монографии НГТУ




Серия основана в 2004 году

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ»


   д-р техн, наук, проф. (председатель) А. С. Востриков
   д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) А.Г. Вострецов
   д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь) В.Н Васюков

   канд. техн. наук, проф. Ю.А. Афанасьев
   д-р техн. наук, проф. А. А. Воевода
   д-р техн. наук, проф. А. А. Батаев
   д-р техн. наук, проф. В.В. Губарев
   д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
   д-р физ.-мат. наук, проф. ВТ. Дубровский
   д-р филос. наук, проф. В.И Игнатьев
   д-р юрид. наук, доц. Ю.П Егоров
   д-р техн. наук, проф. КП. Кадомская
   д-р физ.-мат. наук, проф. О.В. Кибис
   д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
   д-р физ.-мат. наук, проф. АК. Дмитриев
   д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев
   д-р техн. наук, проф. Ю.Г Соловейчик
   д-р техн. наук, проф. А. А. Спектор
   д-р экон. наук, проф. В.А. Титова
   д-р техн. наук, проф. ЛИ Шалин
   д-р техн. наук, проф. ГМ. Шумский
   д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко

В.П. РАЗИНКИН, В.А. ХРУСТАЛЕВ, С.Ю. МАТВЕЕВ



ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ СВЧ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ






НОВОСИБИРСК 2 0 14

УДК 621.382.2.029.6
      Р 173



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.Н Сычев, д-р техн. наук, проф. ГН Девятков





      Разинкин В.П.
Р 173 Широкополосные управляемые СВЧ устройства высокого уровня мощности : монография / В.П. Разинкин, В.А. Хрусталев, С.Ю. Матвеев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. -316 с. (серия «Монографии НГТУ»).


          ISBN 978-5-7782-2326-4


         Рассмотрены вопросы построения многоканальных управляемых СВЧ устройств высокого уровня мощности, выполненных с использованием диодов и транзисторов различного типа. Описаны методы синтеза согласующе-компенсирующих цепей в сосредоточенном и распределенном базисах, полоса рабочих частот которых близка к предельно допустимой. Приведены результаты экспериментального исследования широкополосных управляемых устройств дециметрового и сантиметрового диапазонов на уровень мощности до 1 кВт в непрерывном режиме.
         Книга предназначена для специалистов в области телевизионного вещания, радиолокации и систем связи, а также для студентов старших курсов, обучающихся по направлениям «Радиотехника» и «Телекоммуникационные системы».





                                          © Разинкин В.П., Хрусталев В.А., Матвеев С.Ю., 2008, 2014

                                         © Новосибирский государственный технический университет, 2008, 2014



УДК 621.382.2.029.6

ISBN 978-5-7782-2326-4

V.P. RAZINKIN, V.A. KHRUSTALEV, S.YU. MATVEEV



            BROADBAND MICROWAVE HIGH-POWER CONTROLLABLE DEVICES








NOVOSIBIRSK 2 0 14

UDC 621.382.2.029.6
      R 173



Reviewers:
Prof. AN. Sychev, D.Sc. (Eng.), Prof. G.N. Devjatkov, D.Sc. (Eng.)





       Razinkin V.P.
R173 Broadband Microwave High-Power Controlled Devices : monograph / V.P. Razinkin, V.A. Khrustalev, S.Yu. Matveev. - Novosibirsk : NSTU Publisher, 2014. - P. 316 (“NSTU Monographs” series).

          ISBN 978-5-7782-2326-4

          Design principles of multichannel microwave high-power controlled devices based on various diodes and transistors are proposed. Methods of synthesizing matching-compensating circuits in lumped and distributed bases, with operating frequency bands being near maximum permissible widthbands, are described. Experimental results of investigating broadband micro- and centimeter- wave controlled devices up to 1kW under continuous operation are presented.
          The book is intended for specialists in television broadcasting, radiolocation and communication systems as well as for senior students specializing in radio engineering and telecommunication systems.






UDC 621.382.2.029.6


                                                     © Razinkin V.P., Khrustalev V.A., Matveev S.Yu., 2008, 2014
                                                      © Novosibirsk State
                                                         Technical University, 2008, 2014


ISBN 978-5-7782-2326-4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ............................................13
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...................................17

Глава 1. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ....................................20
       1.1. Управляемые СВЧ устройства и их применение.20
       1.2. Полупроводниковые управляющие элементы.....29
      1.3. Схемное построение и характеристики управляемых СВЧ устройств....................................40

Глава 2. ОБОБЩЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ УУ СВЧ ВЫСОКОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ...............................54
      2.1. Методы повышения максимально допустимой СВЧ мощности.........................................54
      2.2. Обобщенная концепция построения УУ СВЧ высокого уровня мощности..................................56

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СЕКЦИЯХ................70
      3.1. Нелинейный анализ управляемых секций методом гармонического баланса..................................70
      3.2. Нелинейные процессы в управляемой секции с последовательно включенным р - i - п -диодом..............78

      3.3. Анализ переходных процессов в управляемых секциях на р - i - п -диодах.............................88

       3.4. Спектральный анализ управляемых секций на основе управляющих элементов с комплексной нелинейностью....93

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 4. ВЕКТОРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЕМКОСТЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ.........................................111
       4.1. Применение векторно-параметрического метода для расчета потенциала заряженного электрода...................111
       4.2. Расчет межэлектродной емкости управляющих элементов с электродами дисковой формы.......................114
          4.2.1. Расчет емкости управляющих элементов с учетом конечной толщины дисковых электродов..............127
          4.2.2. Приближенный расчет емкости управляющих элементов с бесконечно тонкими дисковыми электродами..129
          4.2.3. Влияние межэлектродной емкости на полосу рабочих частот и максимальную мощность.................132
       4.3. Расчет емкости управляющих элементов с электродами прямоугольной формы...............................135
       4.4. Расчет межэлектродной емкости управляющих элементов с кольцевой формой электродов.....................146

Глава 5. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СОГЛАСУЮЩЕ-КОМПЕНСИРУЮ-ЩИХ ЦЕПЕЙ НА ОСНОВЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ СТРУКТУР..................149
       5.1. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью сосредоточенных фильтров нижних частот..149
       5.2. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью полосно-пропускающих сосредоточенных фильтров..........................................164
       5.3. Компенсация влияния емкости управляющих элементов с помощью полураспределенных полосно-пропускающих структур..........................................168
       5.4. Синтез согласующе-фильтрующих структур с учетом диссипативных потерь.................................175
       5.5. Синтез согласующе-фильтрующих структур распределенного типа с учетом диссипативных потерь..............190

Глава 6. СИНТЕЗ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРАНСФОРМАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ............................................193
       6.1. Частотные свойства компенсирующих цепей с трансформацией характеристического сопротивления.193

6.2. Синтез компенсирующих цепей на основе ФНЧ, ФВЧ и понижающих трансформаторов Нортона................196
       6.3. Синтез компенсирующих цепей на основе НПФ, ФВЧ и понижающих трансформаторов Нортона.................202
       6.4. Синтез компенсирующих цепей на основе ННФ и повышающих трансформаторов Нортона.......................205
       6.5. Синтез компенсирующих цепей на основе ППФ с высоким характеристическим сопротивлением....................208
       6.6. Синтез трансформирующих схем компенсации, выполненных на отрезках линий передачи.......................210
       6.7. Применение рядов Фурье для параметрического синтеза трансформирующих схем компенсации на отрезках линий передачи............................................214
       6.8. Синтез трансформирующей схемы компенсации на отрезках линий передачи с короткозамкнутыми корректирующими шлейфами............................................220

Глава 7. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ И ФАЗОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ...........................................228
       7.1. СВЧ аттенюаторы повышенной мощности на основе направленных ответвителей.............................228
       7.2. Полупроводниковые СВЧ аттенюаторы мостового типа.235
       7.3. Полупроводниковые управляемые устройства сантиметрового и миллиметрового диапазонов.....................245
       7.4. Широкополосные аттенюаторы на сосредоточенных элементах ..............................................260
       7.5. Переключатели и коммутаторы высокого уровня мощности... 263
       7.6. Полупроводниковые СВЧ коммутаторы инверсного типа.269
       7.7. Дифференциальные СВЧ фазовращатели...............278
       7.8. СВЧ фазовращатели на основе перестраиваемых фильтров.... 286
       7.9. Дискретное изменение параметров в управляемых СВЧ устройствах............................................291
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................298
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................300

CONTENTS


NOTATION............................................................13

Chapter 1.D  ESIGN PRINCIPLES AND METHODS OF MICROWAVE CONTROLLED DEVICES.................................................20
        1.1. Microwave controlled devices and their application.....20
        1.2. Semiconductor control elements.........................29
        1.3. Circuit design and characteristics of microwave controlled devices....................................................40

Chapter 2. GENERALISED DESIGN CONCEPT OF MICROWAVE HIGH-POWER CONTROLLED DEVICES...........................................54
        2.1. Methods of increasing maximum permissible microwave power......................................................54
        2.2. Generalised design concept of microwave high-power controlled devices....................................................56

Chapter 3. NONLINEAR EFFECTS IN SEMICONDUCTOR CONTROLLED DEVICES.....................................................70
        3.1. Nonlinear analysis of controlled sections by harmonic balance method.....................................................70
        3.2. Nonlinear processes in controlled p-i-n-diode sections.78
        3.3. Transient process analysis in controlled p-i-n-diode sections....................................................88
        3.4. Spectral analysis of controlled sections based on control elements with complex nonlinearity.............................93

Chapter 4. VECTOR-PARAMETRIC CALCULATION METHOD
          OF SEMICONDUCTOR CONTROL ELEMENT CAPACITANCE ..................................................Ill
        4.1. Application of vector-parametric method for charged electrode potential calculation.....................................111
        4.2. Calculation of interelectrode capacitance of disc electrode control elements............................................114
           4.2.1. Calculation of control element capacitance with regard to disc electrode finite thickness.....................127
           4.2.2. Approximate capacity calculation of control elements with infinitely thin disc electrodes...................129
           4.2.3. Effects of interelectrode capacitance on operating frequency bands and maximum power.........................132
        4.3. Calculation ofrectangular electrode control element capacitance...............................................135
        4.4. Calculation of interelectrode capacitance of ring electrode control elements.............................................146

Chapter 5. ANALYSIS AND SYNTHESIS OF MATCHING-COMPENSATING CIRCUITS BASED ON FILTER ELEMENTS............................149
        5.1. Compensation of control element effects by lumped lower frequency filters............................................149
        5.2. Compensation of control element effects by lumped band-pass filters...................................................164
        5.3. Compensation of control element effects by lumped semidistributed pass-band structures.................................168
        5.4. Synthesis of matching-filtering structures with regard to dissipative losses...............................................175
        5.5. Synthesis of matching-filtering distributed structures with regard to dissipative losses.....................................190

Chapter 6. COMPENSATING CIRCUIT SYNTHESIS BASED ON CHARACTERISTIC IMPEDANCE TRANSFORMATION...............................193
        6.1. Frequency characteristics of compensating circuits with characteristic impedance transformation.........................193
        6.2. Compensating circuit synthesis based on low-pass and high-pass filters andNorton step-down transformers..................196

ОГЛАВЛЕНИЕ

        6.3. Compensating circuit synthesis based on band-pass and high-pass filters and Norton step-down transformers.............202
        6.4. Compensating circuit synthesis based on band-pass filters and Norton step-up transformers............................205
        6.5. Compensating circuit synthesis based on band-pass filters with high characteristic impedance..............................208
        6.6. Synthesis of transforming compensating circuits on transmission line sections...................................................210
        6.7. Fourier series in parametric synthesis of transforming compensating circuits on transmission line sections..............214
        6.8. Synthesis of transforming compensating circuits on transmission line sections with short-circuit correction stubs..........220

Chapter 7.  BROADBAND DEVICES FOR FREQUENCY AND AMPLITUDE CONTROL OF HIGH-FREQUENCY OSCILLATIONS...............228
        7.1. Microwave high-power attenuators based on directional couplers...................................................228
        7.2. Semiconductor microwave bridge-type attenuators.......235
        7.3. Centimeter- andmillimeter-wave semiconductor controlled devices....................................................245
        7.4. Broadband lump element attenuators....................260
        7.5. High-power switches and commutators...................263
        7.6. Inverse microwave semiconductor commutators...........269
        7.7. Microwave differential phase switchers................278
        7.8. Microwave variable filter phase switchers.............286
        7.9. Discrete parameter changes in microwave controlled devices.291
CONCLUSIONS........................................................298
REFERENCES.........................................................300

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Развитие современных систем радиолокации, радионавигации, подвижной радиосвязи, глобальных телекоммуникаций, цифрового телевидения и радиовещания, а также радиоизмерительных систем характеризуется интенсивным проведением теоретических и экспериментальных исследований в области разработки полупроводниковых СВЧ устройств различного назначения. В общем случае по выполняемой функции полупроводниковые устройства можно разделить на два больших класса: 1) усилительные и генераторные; 2) устройства управления амплитудой и фазой высокочастотных колебаний, или управляемые СВЧ устройства (УУ СВЧ). Широкополосные УУ СВЧ являются важной частью антенных систем, в том числе с электрическим управлением диаграммы направленности. Они широко применяются для построения измерительного оборудования, используемого при настройке и проверке параметров радиовещательных и телевизионных передатчиков. Управляемые устройства востребованы операторами связи для реализации цифровых модуляторов и компенсаторов нелинейных искажений в усилительных трактах дециметрового и сантиметрового диапазонов, а также для подключения резервных блоков. Необходимо отметить, что на основе УУ СВЧ с помощью квадратурной балансной модуляции выполняют устройства сдвига частоты. Совершенствование технических параметров УУ СВЧ, достигнутых на сегодняшний день, идет по пути повышения мощности входного высокочастотного сигнала, улучшения качества согласования, расширения полосы рабочих частот, увеличения динамического диапазона изменения управляемых параметров, обеспечения требуемого уровня подавления высших гармоник, применения цифровых методов для дискретного изменения управляемых параметров, повышения быстродействия, уменьшения массогабаритных показателей и интегральной микроминиатюризации.
   В данной работе рассмотрены методы построения полупроводниковых управляемых СВЧ устройств нового поколения, предназначенных для работы в предельно широкой полосе частот на уровне входной мощности до 1.. .2 кВт в непрерывном режиме. В монографии обобщены научно-технические и патентные исследования, выполненные авто

ПРЕДИСЛОВИЕ

ром на протяжении ряда лет в Новосибирском государственном техническом университете и в НПП ООО «Триада-ТВ» (г. Новосибирск).
   Одним из центральных теоретических положений является обобщенная концепция многоканального построения широкополосных управляемых СВЧ устройств высокого уровня мощности на основе базового двухканального модуля, содержащего делитель мощности, суммарно-разностное устройство, фазосдвигающие четырехполюсники и управляемые секции с цепями компенсации влияния межэлектродной емкости и индуктивности выводов управляющих полупроводниковых элементов сосредоточенного типа. Концепция ориентирована на реализацию полосы частот, приближающуюся к предельно достижимой, и позволяет за счет принципа декомпозиции и каскадного соединения нескольких управляемых секций описать все схемотехнические реализации УУ СВЧ.
   Для расчета высших гармоник и комбинационных составляющих входного высокочастотного сигнала в третьей главе описан спектральный метод анализа нелинейных эффектов в управляемых секциях с инерционными р - i - п -структурами, основанный на дифференциальных уравнениях непрерывности для двух взаимодействующих переходов и позволяющий устранить квазистатические ограничения зарядовой модели р - i - п -диода, применяемой во многих известных системах автоматизированного проектирования устройств СВЧ. В третьей главе также описан метод спектрального анализа для управляемых секций на основе применения функциональных рядов и законов теории цепей, позволяющий учитывать режим динамического смещения, обусловленный проявлением детекторного эффекта в полупроводниковых управляющих элементах с комплексной нелинейностью при повышенном уровне высокочастотного сигнала.
   В четвертой главе изложен векторно-параметрический метод расчета межэлектродной емкости полупроводниковых приборов с различной формой электродов конечной толщины, учитывающий краевые эффекты, неравномерное распределение заряда на внутренних и внешних поверхностях электродов и их несимметричное расположение относительно друг друга. Данный метод может быть полезен при расчете конструктивных элементов СВЧ, предназначенных для работы на высоком уровне мощности.

В пятой главе определена предельно достижимая полоса частот сосредоточенных и полураспределенных цепей компенсации влияния межэлектродной емкости управляющих элементов, являющаяся критерием для оценки эффективности компенсирующих структур различного вида с заданным значением характеристического сопротивления в плоскости симметрии. Полезным для проектирования управляемых устройств является предложенный метод синтеза полураспределенных цепей компенсации влияния межэлектродной емкости и индуктивности выводов управляющих элементов. Также с точки зрения практики интересным является предложенный итерационный метод синтеза корректирующих цепей для компенсации искажений амплитудно-частотных характеристик симметричных частотно-избирательных структур, обусловленных диссипативными потерями. Хорошую физическую реализуемость элементов обеспечивает метод синтеза согласутоще-трансформирующих цепей компенсации влияния реактивных параметров управляющих элементов, основанный на использовании трансформации характеристического сопротивления сосредоточенных и полураспределенных фильтрующих структур с перекрывающимися областями полос пропускания.
   В пятой и шестой главах монографии приведены примеры синтеза схем широкополосных СВЧ коммутаторов, аттенюаторов и фазовращателей высокого уровня мощности, в том числе мостового и инверсного типов, полоса частот которых близка к предельно достижимой. Повышение допустимой мощности входного высокочастотного сигнала и расширение полосы рабочих частот достигнуты за счет нового подхода, заключающегося в создании управляемых секций на основе широкополосных сосредоточенных и полураспределенных компенсирующих структур с большим коэффициентом трансформации характеристического сопротивления, что обеспечивает возможность параллельного включения нескольких мощных управляющих элементов.
   В седьмой главе приведены результаты экспериментального исследования конструкций широкополосных СВЧ аттенюаторов, переключателей, управляемых делителей мощности и фазовращателей для диапазона частот 0,02...12 ГГц. Предложенные схемотехнические и конструктивные решения органично вписываются в технологию гибридных и многослойных пленочных интегральных микросхем. Разрабо-

ПРЕДИСЛОВИЕ

тайные устройства управления амплитудой и фазой высокочастотных колебаний отличаются: 1) повышенной допустимой мощностью входного сигнала за счет комбинированного использования управляющих элементов и дополнительных пленочных резисторов; 2) многофункциональными возможностями, т. е. реализацией на основе одной конструкции трех устройств - аттенюатора, выключателя и фазового манипулятора; 3) уменьшенными в 2-3 раза массогабаритными показателями; 4) высокой технологичностью СВЧ блоков и схем управления, достигнутой за счет обеспечения режима качественного согласования при произвольных, но одинаковых токах или напряжениях, подводимых к управляющим элементам; 5) высокой точностью дискретного изменения управляемого параметра.