Миллиметровом диапазоне

Умножители частоты на варакторах и диодах с накоплением заряда применяют для повышения частоты колебаний транзисторных усилителей мощности (сигнал усиливается до 2...50 Вт, затем частота колебаний умножается). Чаще всего применяется двух- или четырехкратное умножение частоты. На выходе варакторных умножителей, работающих с запертым р — п-переходом, можно получить колебания вплоть до миллиметрового диапазона частот [34].

Свойство емкости р — п-перехода изменять свою величину при изменении внешнего напряжения связано с наличием объемного заряда в области потенциального барьера р — n-перехода. Принцип работы варикапа основан на свойствах барьерной емкости, величина которой в соответствии с выражениями (4.11) — (4.13) равна емкости плоского конденсатора с площадью пластин, равной площади р — «-перехода S, и с расстоянием между пластинами, равным ширине L0 области объемного заряда. Величина барьерной емкости зависит от величины напряжения U, приложенного к р —. «-переходу [см. уравнение (4,13)]. При увеличении U, приложенного в обратном направлении, происходит расширение области р — n-перехода и уменьшение емкости Сб. Эта емкость имеет относительно высокую добротность при обратном включении диода, малый температурный коэффициент, низкий уровень собственных шумов и не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона.

Важным достижением науки является создание квантовых приборов, основанных на использовании квантовой (дискретной) природы энергии, в частности электромагнитного излучения. Это привело к созданию мазеров — устройств генерирования и усиления частот сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, и лазеров — генераторов когерентного света, излучающих световой поток в очень узком телесном угле и в очень узком диапазоне частот (монохроматическое излучение). Использование лазеров открывает принципиально новые возможности в области связи.

принципе обладают широкими функциональными возможностями. В туннельных диодах вследствие малой инерционности туннельного эффекта отрицательная проводимость практически не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона. Наличие широкополосной отрицательной проводимости и резкая нелинейность ВАХ туннельных диодов позволяют использовать их в усилителях, генераторах, смесителях с усилением в диапазоне волн вплоть до миллиметровых. На туннельных диодах строятся схемы триггеров, мультивибраторов, переключателей с очень малыми временами переключения. Поскольку туннельные диоды изготовляют на основе сильнолегированных полупроводниковых материалов, их параметры, в первую очередь удельное сопротивление, слабо зависят от температуры (см. 2.5). Поэтому туннельные диоды могут работать в широком диапазоне температур — от нескольких сотен градусов Цельсия до близких к абсолютному нулю.

Варикап — нелинейный управляемый конденсатор. В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна [см. (2.68), 2.69)1, поэтому любой полупроводниковый прибор с /7-п-переходом в принципе может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением. В варикапах используется барьерная емкость, не зависящая от частоты вплоть до миллиметрового диапазона, имеющая относительно высокую добротность, низкий уровень шумов и малый температурный коэффициент емкости. Диффузионная емкость имеет сильную зависимость от напряжения, но по остальным параметрам уступает барьерной емкости, поэтому ее, как правило, не используют в качестве управляемой.

Для перехода к более высоким частотам в диапазоне СВЧ применяют умножители частоты на варакторных диодах и диодах с накоплением заряда. Коэффициент преобразования в варакторных умножителях частоты достигает 40% при выходных частотах миллиметрового диапазона и рассеиваемой мощности в сотни милливатт.

Широкое развитие получат СВЧ-ИМС с использованием в качестве активных элементов лавинно-пролетных диодов (ЛПД). Эти микросхемы могут быть применены в широкополосных волноводных линиях связи миллиметрового диапазона волн. Использование волноводов из высокоомного кремния открывает путь к созданию объемных полупроводниковых СВЧ-ИМС.

Внутренние поверхности волноводных устройств сантиметрового диапазона, торцевые притертые поверхности фланцев, отверстия под установочные болты и штифты Внутренние поверхности волноводов малого сечения Внутренние поверхности волноводов миллиметрового диапазона

С жесткими допусками изготавливают только внутренние рабочие поверхности волноводов. Эти допуски составляют (1—5)-10~4 длины волны, что составляет 0,25 мкм для волноводов миллиметрового диапазона и 250 мкм для волноводов дециметрового диапазона. Для примера рассмотрим типовой ТП изготовления волновода с фланцем, состоящий из раздельного изготовления фланцев волновода и волноводных труб и последующей их сборки. Плоские фланцы волновода могут быть изготовлены из листового материала или проката.

Болометр представляет собой вольфрамовую или платиновую нить, заключенную в стеклянный баллончик, заполненный инертным газом. Поперечное сечение нити 3—10 мкм, а длина isgO,! К. К нити припаяны выводы для включения в измерительную схему. Допустимая мощность рассеивания для нитевидных болометров находится в пределах от 50 мВт до 2 Вт; чувствительность от 1,5 до 8 Ом/мВт; рабочая частота ниже 1 ГГц; сопротивление нити в холодном состоянии 6 — 120 Ом. На частотах выше 1 ГГц используются пленочные болометры. Тонкая платиновая или палладиевая пленка наносится в вакууме на подложку из стекла или слюды, соизмеримую с сечением волновода. Для включения в измерительную цепь края подложка покрываются серебром. Пленочные болометры хорошо согласуются с волноводным трактом, их конструкция удобна для включения, и, что очень ценно, они могут применяться до частот миллиметрового диапазона волн. Чувствительность 3—3,5 Ом/мВт при работе на частотах ниже 10 ГГц; на более высоких частотах она снижается. Рабочее сопротивление несколько сот ом. Температурный коэффициент болометров положительный.

Дело в том, что если поверхность поглощает все лучи, кроме световых, она не кажется черной, хотя по лучистым свойствам близка к абсолютно черному телу. Следует иметь в виду, что тепловое излучение занимает область длин волн от 0,72 до 1000 мкм и располагается между красной границей видимого спектра и границей коротковолновой части миллиметрового диапазона электромагнитных волн, в то время как видимому свету принадлежит область между 0,3 и 0,72 мкм.

выполняют из германия, кремния а б б и арсенида галлия. Лучшие об- , , . разцы лавинно-пролетных диодов м/ W W, из кремния способны работать \ \ 'i в миллиметровом диапазоне частот, отдавая полезную МОЩНОСТЬ Рис- П- Условные графические

СВЧ-ИМС подобно низкочастотным интегральным микросхемам могут быть полупроводниковыми или гибридными. Для полупроводниковых ИМС активные элементы выращивают на поверхности полупроводниковой подложки или в ее объеме, а пассивные элементы и контакты к активным элементам изготовляют нанесением металлической пленки в областях, где удален эпитакси-альный слой. Полупроводниковые СВЧ-ИМС из-за низкого процента выхода годных схем, технологических трудностей и больших потерь имеют ограниченное применение. Однако такие важные преимущества полупроводниковых СВЧ-ИМС, как малые величины паразитных связей и возможность их контроля, дают основание полагать, что в будущем они получат более широкое распространение, особенно в миллиметровом диапазоне.

можно создание параметрических усилителей, фазовращателей, генераторов гармоник, выполненных в виде щелевых линий и работающих в миллиметровом диапазоне волн.

распространяющиеся вдоль границы диэлектрика и приводящие к большим потерям. Поэтому МПЛ применяют до частот не выше 30 ... 50 ГГц (верхней границы сантиметрового диапазона). В миллиметровом диапазоне необходимы принципиально другие линии (например, диэлектрический волновод и др.).

Диоды с патронной конструкцией корпуса, состоящего из керамической втулки и латунных фланцев или ниппелей ( 3.51, а), предназначены для использования в деци- и сантиметровом диапазонах длин волн, т. е. до частот около 12 ГГц. Диоды с коаксиальной конструкцией корпуса ( 3.51,6) применяют в диапазоне коротких сантиметровых волн до частот около 30 ГГц. В миллиметровом диапазоне волн используют преимущественно диоды волноводной конструкции, т. е. волноводные вставки, которые и являются своеобразными корпусами СВЧ-диодов. Для полосковых линий и для интегральных СВЧ-

Существует большое разнообразие типов и конструкций калориметров. Прежде всего, различают калориметры переменной в постоянной температуры. В первых рассеяние мощности СВЧ со провождается повышением температуры рабочего тела, а в дру» гих — температура остается постоянной, что достигается поглощением тепла веществом, окружающим тело, за счет изменения агрегатного состояния вещества, либо поглощением тепла специальным холодильным элементом, либо соответствующим уменьшением предварительно введенного подогрева. И хотя калориметры постоянной температуры реализованы в приборах и успешно применяются, как, например, калориметр с холодильным элементом на основе эффекта Пельтье используется в качестве первичного эталона мощности в миллиметровом диапазоне волн, значительно большее распространение получили калориметры переменной температуры.

Метод измерения, основанный на сравнении с образцовой частотой, применяется в диапазоне частот 100 кГц... 100 ГГц и •обеспечивает высокую точность, которая зависит от погрешности^ с которой известна образцовая частота. Частотомеры, построенные по принципу сравнения частот (гетеродинные частотомеры), имеют погрешность 10~5... 10~6. Гетеродинные частотомеры прекрасно дополняют электронно-счетные частотомеры на СВЧ и в миллиметровом диапазоне. Гетеродинные переносчики частоты 'снижают измеряемую частоту в точно известное число раз до значений, которые удобно измерять электронно-счетными частотомерами. 180

СВЧ-ИМС подобно низкочастотным интегральным микросхемам могут быть полупроводниковыми или гибридными. Для полупроводниковых ИМС активные элементы выращивают на поверхности полупроводниковой подложки или в ее объеме, а пассивные элементы и контакты к активным элементам изготовляют нанесением металлической пленки в областях, где удален эпитаксиаль-ный слой. Полупроводниковые СВЧ-ИМС из-за низкого процента выхода годных схем, технологических трудностей и больших потерь имеют ограниченное применение. Однако такие важные преимущества полупроводниковых СВЧ-ИМС как малые величины паразитных связей и возможность их контроля дают основание полагать, что в будущем они получат более широкое распространение, особенно в миллиметровом диапазоне.

Наметился вполне определенный >ряд активных СВЧ элементов, наиболее 'Пригодных для использования (в интегральных (Микросхемах. Так, в схемах генераторов ОВЧ колебаний преимущественно используются транзисторно-варакторные цепи, построенные по принципу: задающий генератор—усилитель мощности — умножитель частоты. Таким способом уверенно получают уровень средней мощности 1—13 !Вт при КПД умножителя частоты порядка 60%. Перспективным считается применение генераторов Ганна, в том числе гари использования его в качестве задающего генератора в трактах- умножителей частоты. Считается, что такие схемы найдут применение в основном в миллиметровом диапазоне частот. В переключающих схемах— коммутаторах и ступенчатых фазовращателях — применяются p-t-и-диоды. Смесители строятся на диодах Шоттки. В предварительных малошумящих ОВЧ усилителях применяются только туннельные диоды, а в длинноволновой части СВЧ диапазона — транзисторы. Успешно разрабатываются малошумящие интегральные усилители — параметрические и на приборах Г айна.

В противоположность этому в миллиметровом диапазоне габаритные размеры резонаторов оказываются слишком малыми, в ре-..

В сантиметровом диапазоне длин волн чаще всего используют рубин. Для более коротких волн подби-рают вещества, у которых начальное расщепление значительно больше, чем у рубина. В миллиметровом диапазоне широко применяется рутил (окись титана ТЮ2) с примесями ионов хрома Сг3+ или железа Fe3+. Начальное расщепление ионов хрома в рутиле составляет 43,3 ГГц, а уровней железа — 43,3 и 81,3 ГГц. Особенностью рутила является высокая диэлектрическая проницаемость (е=100—200).