СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ДИОД Российский патент 1994 года по МПК H03B7/14 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для получения стабильных по частоте колебаний в узкой полосе частот коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.

Известен генераторный СВЧ-диод, корпус которого состоит из цилиндрической керамической втулки, двух металлических крышек и металлического кольца для обеспечения электрического соединения одной из крышек с пружинным выводом, приплавленным к кристаллу полупроводника, закрепленного на внутренней поверхности другой крышки.

Недостатком этого диода является низкий КПД при работе на гармониках.

Известен также генераторный СВЧ-диод, на медном держателе которого расположен кристалл полупроводника, соединенный токовводом с контактирующим кольцом с подпаянной к нему плоской металлической крышкой между держателем и контактирующим кольцом, играющей при установке диода в генераторе роль радиального резонатора, настроенного на гармонику основной частоты колебаний.

Недостатком такого диода является низкий КПД при работе на гармониках.

Известен генераторный СВЧ-диод, содержащий держатель, на котором закреплены полупроводниковый кристалл и изолирующая кварцевая втулка, металлизированный торец которой соединен золотой лентой с кристаллом и закрыт металлической крышкой.

Недостатком этого диода является низкий КПД при работе на гармониках.

Известен также генераторный СВЧ-диод, представляющий собой медный держатель, на торце которого закреплены кристалл полупроводника и керамическая втулка, охватывающая кристалл, а верхний металлизированный торец керамической втулки соединен золотыми ленточками токоввода с кристаллом.

Недостатком этого диода является низкий КПД при работе на гармониках.

Наиболее близким по техническому решению является генераторный сверхвысокочастотный диод, состоящий из медного держателя, на котором расположены включенные параллельно полупроводниковые кристаллы, соединенные пружинящим токовводом с металлической крышкой, отделенной от держателя керамической втулкой, выполняющей роль корпуса диода.

Недостатком этого диода является низкий КПД при работе на гармониках.

Целью изобретения является увеличение КПД генераторного сверхвысокочастотного диода при работе его на второй гармонике основной частоты автоколебаний.

Это достигается тем, что в генераторном сверхвысокочастотном диоде, содержащем корпус с металлической крышкой, держатель с закрепленными на его выступе полупроводниковыми кристаллами, помещенный внутрь корпуса. Выступ держателя образован двумя соосными нижним и верхним цилиндрами соответственно большего и меньшего диаметров, корпус и крышка которого имеют окно связи, выполнен в виде металлической втулки с соединяющимися торцовыми противолежащими цилиндрическими нижней и верхней соосными полостями большего и меньшего диаметров соответственно, образующими единую ступенчатую цилиндрическую полость, соосную с выступом держателя, а полупроводниковые кристаллы размещены равномерно по окружности в зазоре между краем верхней части нижнего цилиндра выступа держателя и краем ступени полости корпуса, соединяя их.

Сущность дополнительного изобретения заключается в том, что в генераторном СВЧ-диоде полупроводниковые кристаллы расположены на верхнем краю торцевой поверхности нижнего цилиндра выступа держателя.

Дополнительное изобретение заключается в том, что полупроводниковые кристаллы расположены на верхнем краю боковой поверхности нижнего цилиндра выступа держателя.

Кроме того, полупроводниковые кристаллы могут быть выполнены в виде единой кольцевой структуры.

Кроме того, в верхнюю часть нижней цилиндрической полости корпуса выполнено радиальное отверстие.

На фиг. 1 показан поперечный разрез предлагаемого диода; на фиг. 2 и 3 - варианты размещения полупроводниковых кристаллов; на фиг. 4 - пример выполнения сверхвысокочастотного генератора на этом диоде.

Сверхвысокочастотный диод содержит полупроводниковые кристаллы 1, держатель 2 с выступом 3, изолирующую пленку 4, тонкий изолирующий слой 5 клея; корпус 6 крышку 7 корпуса с резонансным окном 8 связи, зону 9 возможного расположения отверстия для зонда настройки. Корпус 6 подклеен тонким слоем 5 изоляционного клея к нижней массивной части держателя 2, снабженного кольцевым выступом для обеспечения фиксированного положения корпуса 6. Коаксиальный резонатор первой гармоники образован пространством между внутренней цилиндрической поверхностью нижней полости корпуса 6 и наружной цилиндрической поверхностью нижней части выступа держателя 2, а в этот резонатор через тонкое запредельное отверстие в зоне 9 вводится подстроечный диэлектрический элемент, например, выполненный из одномодового световода без защитной оболочки. Коаксиальный резонатор второй гармоники образован внутренней цилиндрической поверхностью верхней полости корпуса и наружной цилиндрической поверхностью верхней части выступа держателя 3 и связан через полупроводниковые кристаллы 1 с резонатором первой гармоники. Полупроводниковые кристаллы в диоде могут размещаться между краем верхнего торца нижнего цилиндра выступа держателя 3 и краем плоскости нижней полости корпуса 6, граничащим с верхней полостью (см. фиг. 1); между верхним краем боковой поверхности нижнего цилиндра выступа держателя 3 и нижним краем верхней цилиндрической полости корпуса 6, граничащим с нижней полостью (см. фиг. 2). Полупроводниковые кристаллы могут быть выполнены в виде единой кольцевой структуры (см. фиг. 3).

Работа предлагаемого генераторного сверхвысокочастотного диода основана на следующем.

Известно, что диоды Ганна, отдающие мощность на гармониках на частотах выше 80 гГц, имеют более высокий КПД, чем такие диоды, специально созданные для работы на основной частоте этого диапазона. Поэтому необходимо предусмотреть в самой конструкции диода такие элементы, которые сводили бы к минимуму потери мощности гармонических составляющих выходного сигнала, а нагрузка кристаллов по первой гармонике была бы чисто реактивной. В предлагаемом диоде это достигается созданием коаксиального резонатора на первую гармонику, связанного через полупроводниковые кристаллы с коаксиальным резонатором второй гармоники, выполненным на основе токоввода и держателя. При подаче электрического рабочего напряжения на держатель 2 относительно корпуса 6 в коаксиальных резонаторах первой и второй гармоники возникают колебания с длинами волн соответственно λ₁иλ₂=λ₁/2. Для получения максимальной мощности сигнала второй гармоники, поступающего через резонансное окно 8 в выходную цепь, производится перемещение внутри резонатора первой гармоники подстроечного диэлектрического элемента.

Поскольку колебания первой гармоники локализованы в специально созданном резонаторе, активная нагрузка которого практически сведена к минимуму, то преобразование сигнала во вторую гармонику происходит с повышенным КПД. Этому способствует разделение объемов резонаторов первой и второй гармоник, а также дополнительная параметрическая подкачка колебаний второй гармоники за счет модуляции емкости диода с частотой основной гармоники. В результате по сравнению с прототипом предлагаемый диод обеспечивает увеличение КПД на второй гармонике сигнала, и тем самым достигается выполнение поставленной цели.

Возможность практической реализации предлагаемого диода для получения колебаний с длиной волны 2 мм следующая.

С учетом экспериментальных данных и подобия принимаем при выполнении двух полупроводниковых кристаллов, выполненных в виде диодов Ганна, одинаковой площади суммарную статическую емкость С_о=0,2 пФ. Для возбуждения автоколебаний первой гармоники длины волны λ₁= 4 мм диода Ганна, помещенного в зазор четвертьволнового коаксиального резонатора, необходимо, кроме выполнения баланса по модулю (компенсация потерь), выполнение условия баланса фаз. При волновом сопротивлении коаксиала Z_o=7 Ом длина резонатора первой гармоники составляет l₁=0,4 мм с отношением диаметров 1,2, что при d₁= 1 мм дает D₁= 1,2 мм. Для получения резонанса в коаксиальном резонаторе второй гармоники l₂=0,2 мм, d₂=0,5 мм, D₂=0,6 мм. Крышка корпуса выполнена из бериллиевой бронзы толщиной 0,05 мм, окно связи шириной 0,05 мм имеет длину 1 мм. При толщине фторопластовой пленки между крышкой и верхним торцом выступа держателя 0,005 мм емкость составляет 4 пФ>>0,2 пФ, что обеспечивает нормальную работу коаксиального резонатора второй гармоники. При толщине изоляционного слоя клея 0,01 мм емкость клеевого зазора между держателем и корпусом значительно превышает 0,2 пФ и тем самым обеспечивается нормальная работа коаксиального резонатора первой гармоники. Одномодовый световод без защитной оболочки имеет диаметр 0,03 мм и обеспечивает свободное перемещение в резонаторе первой гармоники, имеющем расстояние между стенками 0,1 мм.

Сверхвысокочастотный генератор на предлагаемом сверхвысокочастотном диоде имеет металлический 10 корпус с фланцем, содержащий плавный переход от волновода круглого сечения к прямоугольному и одновременно выполняющий роль теплоотвода, разъем-гайку 11, предназначенный для подачи напряжения питания на диод и фиксации диода в конструкции генератора, тонкую алюминиевую оксидированную изолирующую прокладку 12, обеспечивающую хороший отвод тепла от держателя диода к корпусу 10 генератора, подстроечный металлический штырь 13, служащий для согласования диода с волноведущей системой генератора и нагрузкой.

Предлагаемый диод целесообразно использовать для создания источников стабильных колебаний в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн с перестройкой по частоте в небольших пределах путем изменения напряжения питания полупроводниковых кристаллов. За счет совмещения в конструкции диода функций токоввода и держателя диода с коаксиальным резонатором второй гармоники и корпуса диода с держателем для коаксиального резонатора первой гармоники снижаются требования к внешним по отношению к диоду цепям генератора и обеспечивается получение в нагрузке колебаний с высоким КПД. Совмещение у корпуса диода традиционных функций с функциями колебательной системы генератора, а также малые габаритные размеры предлагаемой конструкции диода делают очень перспективным его использование в качестве навесного элемента в гибридных интегральных схемах коротковолновой части миллиметрового диапазона.

Сущность изобретения: полупроводниковый кристалл размещен в месте сопряжения первого и второго коаксиальных резисторов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ДИОД, содержащий корпус, первый и второй резонаторы и полупроводниковые кристаллы, отличающийся тем, что первый и второй резонаторы выполнены коаксиальными, а полупроводниковые кристаллы размещены между торцами центрального проводника первого резонатора и экранного проводника второго резонатора. 2. Диод по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые кристаллы размещены равномерно между краями торцов центрального проводника первого резонатора и экранного проводника второго резонатора. 3. Диод по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые кристаллы выполнены в виде кольца. 4. Диод по п.1, отличающийся тем, что коаксиальные резонаторы выполнены соосными.