Патент на изобретение №2295137

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЧ-МОЩНОСТИ И ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НЕГО

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения импульсной мощности радиотехнических устройств. Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона преобразователя измеряемых мощностей при увеличении чувствительности. Сущность изобретения: в преобразователе СВЧ-мощности в постоянное напряжение, содержащем электродинамическую структуру с СВЧ-входом и НЧ-выходом и полупроводниковым преобразующим элементом с двумя электродами, имеющими с ним омические контакты, соединенные с НЧ-выходом, преобразующий элемент выполнен в виде полупроводниковой пленки из материала с подвижностью носителей заряда не менее 10⁴ см²/В·с на диэлектрическом основании и с толщиной, не превышающей толщину скин-слоя на центральной частоте преобразования, с возможностью возбуждения в ней поверхностной электромагнитной волны, при этом преобразующий элемент расположен вдоль направления распространения СВЧ-мощности. Для возбуждения в пленке поверхностной электромагнитной волны преобразователь может содержать дополнительный электрод. Один из электродов, имеющий омический контакт, может быть совмещен с электродом для возбуждения в пленке поверхностной электромагнитной волны. В качестве материала пленки может быть выбран сурьмянистый индий. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к радиотехнике и могут быть использованы для измерения импульсной мощности радиотехнических устройств.

Известны промышленно выпускаемые преобразователи на основе СВЧ-диодов, содержащие электродинамическую систему, преобразующим элементом которой является диод с p-n переходом, например диод Шотки.

Динамический диапазон преобразователей не превышает 20 дБ, при этом допускаются только малые уровни входной СВЧ-мощности, а частотный диапазон ограничен из-за емкости p-n перехода.

Известен преобразователь в виде отрезка коаксиальной линии, в щели на внешней стенке которого установлен полупроводниковый чувствительный элемент, установленный в держателе на керамической подложке (см. Приборы и техника эксперимента, № 5, 1985, с.230).

Данный преобразователь обладает низкой чувствительностью и имеет ограниченный частотный диапазон, определяемый параметрами применяемой замедляющей системой.

Наиболее близким к предлагаемому преобразователю является датчик для измерения мощности СВЧ на основе структуры полосковая замедляющая система – полупроводник. Структура содержит подложку из высокочастотной керамики, с одной стороны которой расположена металлизированная заземленная плоскость, а с другой – полосковая замедляющая система. Над замедляющей системой в поперечном направлении размещен полупроводниковый элемент с омическими контактами (см.: Радиотехника и электроника – 1978 – №9 – Гуляев).

Однако данный преобразователь также имеет ограниченный частотный диапазон и обладает низкой чувствительностью, что не позволяет использовать его в промышленном производстве.

Наиболее близким к преобразующему элементу является диод Шотки, представляющий собой полупроводник с металлическим основанием с одной стороны, выполняющим роль омического контакта. На противоположной стороне расположен точечный контакт, формирующий p-n переход (барьер Шотки).

Недостатком является наличие емкости p-n перехода, которая ограничивает частотный диапазон. Детектирование на p-n переходе отличается нелинейностью вольт-ваттной характеристики, что ограничивает динамический диапазон.

Задачей изобретений является увеличение динамического диапазона преобразователя измеряемых мощностей при увеличении чувствительности.

Поставленная задача решается тем, что в преобразователе СВЧ-мощности в постоянное напряжение, содержащем электродинамическую структуру с СВЧ-входом и НЧ-выходом и полупроводниковым преобразующим элементом с двумя электродами, имеющими с ним омические контакты, соединенные с НЧ-выходом, согласно решению преобразующий элемент выполнен в виде полупроводниковой пленки из материала с подвижностью носителей заряда не менее 10⁴ см²/B·с на диэлектрическом основании и с толщиной, не превышающей толщину скин-слоя на центральной частоте преобразования, с возможностью возбуждения в ней поверхностной электромагнитной волны, при этом преобразующий элемент расположен вдоль направления распространения СВЧ-мощности.

Для возбуждения в пленке поверхностной электромагнитной волны преобразователь содержит дополнительный электрод.

Один из электродов, имеющий омический контакт, совмещен с электродом для возбуждения в пленке поверхностной электромагнитной волны.

В качестве материала пленки выбран сурьмянистый индий.

В преобразующем элементе преобразователя СВЧ-мощности в постоянное напряжение в виде полупроводникового элемента с двумя электродами, один из которых является омическим, согласно решению полупроводниковый элемент выполнен в виде пленки из материала с подвижностью носителей заряда не менее 10⁴ см²/B·с на диэлектрическом основании, с толщиной, не превышающей толщину скин-слоя на центральной частоте преобразования, при этом второй электрод выполнен омическим.

Оба омических электрода имеют одинаковую площадь контакта, расположены на одной стороне полупроводникового элемента с противоположных концов.

Изобретения поясняется чертежами, на фиг.1 приведен общий вид предлагаемого устройства в поперечном разрезе, на фиг.2 – фрагмент характеристики преобразования, снятой с макета преобразователя, где:

1. СВЧ-вход электродинамической структуры (в макете коаксиально-полосковый переход на канал 7/3.04 мм);

2. НЧ-выход электродинамической структуры (в макете в виде выходного разъема СР-50);

3. полупроводниковый преобразующий элемент в виде пленки InSb;

4. первый омический электрод;

5. второй омический электрод;

6. возбуждающий электрод, преобразующий СВЧ-энергию в поверхностную электромагнитную волну;

7. диэлектрическое основание;

8. металлический слой (в макете базовая латунная плата корпуса электродинамической системы);

9. проводники;

10. согласующие сопротивления (в макете на 50 и 200 Ом).

Устройство может быть реализовано на самых разнообразных электродинамических системах: волноводных, коаксиальных, полосковых. Преобразующий полупроводниковый элемент 3 выполнен в виде пленки и размещен на диэлектрическом основании 7, например, из поликора или арсенида галлия. В качестве материала пленки оптимальным является интерметаллический сплав InSb. Толщина пленки не превышает толщину скин-слоя в материале, из которого она изготовлена, для поверхностной электромагнитной волны (ПЭМВ). Под диэлектрическим основанием 7 расположен металлический слой 8, являющийся частью электродинамической системы. С противоположных концов пленки 3 размещены два омических электрода 4, 5. В макете первый омический электрод 4 совмещен с возбуждающим электродом 6, который наклонен под углом 45° и является антенной возбуждения (преобразования входного сигнала) в ПЭМВ. Электрод 6 выполнен с возможностью изменения угла наклона к пленке для получения максимальной чувствительности. Для этого он может быть выполнен, например, из медной фольги и припаян к пленочному омическому электроду 4. Возможен вариант раздельного выполнения возбуждающего и омического электрода.

Электроды 4 и 5 соединены проводниками 9 и согласующими сопротивлениями 10 с НЧ-выходом 2, выполненным в виде разъема. Площадь контактов электродов выполнена одинаковой для исключения нелинейности вольт-ваттной характеристики.

Устройство работает следующим образом.

На СВЧ-вход 1 поступает радиосигнал, мощность которого предстоит измерить. Входной сигнал с помощью электрода 6 преобразуется в ПЭМВ для получения в пленке 3 максимальной величины продольной компоненты электрического поля, что позволяет реализовать эффективное фотонно-электронное взаимодействие – радиоэлектрический эффект, поскольку толщина пленки выбрана равной толщине скин-слоя на центральной частоте преобразования. При распространении волны по пленке 3 происходит увлечение электронов вдоль направления ее распространения к омическому электроду 5, на котором возникает отрицательный потенциал по отношению к электроду 4, расположенному на входе.

Для снятия вольт-ваттной характеристики (фиг.2) был разработан макет, в котором в качестве преобразующего элемента была использована эпитаксиальная пленка сурьмянистого индия размером 1.5×10 мм, который является вырожденным интерметаллом с высокой проводимостью при комнатной температуре, концентрацией носителей заряда порядка 25000 см²/B·с. Преобразующий элемент, нанесенный на основание из арсенида галлия играл роль центрального проводника несимметричной полосковой линии. Результаты измерений показали, что разность потенциалов между электродами 4 и 5 точно пропорциональна мощности входного сигнала.

Выходной сигнал, снимаемый с разъема 2, точно совпадает с огибающей входного сигнала и его амплитуда пропорциональна мощности.

Предлагаемое решение позволяет увеличить чувствительность преобразователя не менее чем ⠘10³ раз. Преимуществом предлагаемого преобразующего элемента является многократное увеличение верхнего порога регистрируемой мощности, ограниченное только тепловым нагревом всего устройства в целом (преобразователя), в то время как диод Шотки перестает функционировать от электрического пробоя.

Формула изобретения

1. Преобразователь СВЧ-мощности в постоянное напряжение, содержащий электродинамическую структуру с СВЧ-входом и НЧ-выходом, полупроводниковым преобразующим элементом с двумя электродами, имеющими с ним омические контакты, соединенные с НЧ-выходом, отличающийся тем, что полупроводниковый преобразующий элемент выполнен в виде полупроводниковой пленки на диэлектрическом основании из материала с подвижностью носителей заряда не менее 10⁴ см²/(В·с) с толщиной, не превышающей толщину скин-слоя на центральной частоте преобразования, и с возможностью возбуждения в ней поверхностной электромагнитной волны, при этом преобразующий элемент расположен вдоль направления распространения СВЧ-мощности.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он содержит электрод для возбуждения в пленке поверхностной электромагнитной волны.

3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что один из электродов, имеющий омический контакт, совмещен с электродом для возбуждения в пленке поверхностной электромагнитной волны и выполнен с возможностью изменения угла наклона к полупроводниковой пленке.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что один из электродов, имеющий омический контакт, выполнен с возможностью возбуждения в пленке поверхностной электромагнитной волны.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала пленки выбран сурьмянистый индий.

6. Преобразующий элемент преобразователя СВЧ-мощности в постоянное напряжение в виде полупроводникового элемента с двумя электродами, один из которых имеет с ним омический контакт, отличающийся тем, что полупроводниковый элемент выполнен в виде полупроводниковой пленки из материала с подвижностью носителей заряда не менее 10⁴ см²/(В·с) на диэлектрическом основании с толщиной, не превышающей толщину скин-слоя на центральной частоте преобразования, при этом второй электрод выполнен омическим.

7. Преобразующий элемент по п.6, отличающийся тем, что электроды имеют одинаковую площадь омического контакта и расположены на одной стороне полупроводникового элемента с противоположных концов.

РИСУНКИ

PC4A – Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:

Попова Наталья Федоровна,
Веселов Александр Георгиевич,
Мещанов Валерий Петрович

(73) Патентообладатель:

Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие “Марс”

Договор № РД0025465 зарегистрирован 15.08.2007

Извещение опубликовано: 27.09.2007 БИ: 27/2007

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.09.2007

Извещение опубликовано: 10.03.2009 БИ: 07/2009