Микрополосковая нагрузка Российский патент 2021 года по МПК H01P1/24 H01L21/66 

Описание патента на изобретение RU2746544C1

Микрополосковая нагрузка относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может использоваться в мощных радиопередающих устройствах в качестве эквивалента антенны с дополнительным контрольным выходом для подключения измерительных приборов.

Известна микрополосковая СВЧ нагрузка (см. авторское свидетельство №1550590, МПК Н01Р 1/26, опубл. 15.03.1990), содержащая диэлектрическую подложку, на одной стороне, которой размещено заземляющее основание, а на другой стороне-токонесущий проводник и резистивный слой, связанный с ним через индуктивный элемент. Удельное сопротивление резистивного слоя R и его погонная емкость С выбраны из следующих соотношений:

2⋅ϕ⋅F⋅R⋅C=5÷8, R=(3,16-4,47)⋅Z0,

где F - средняя частота; Z0 - волновое сопротивление микрополосковой линии.

Указанный выбор погонной емкости С и удельного сопротивления R по приведенным выше соотношениям, а также наличие индуктивного элемента обеспечивают режим качественного согласования в широкой полосе рабочих частот.

Недостатком данной нагрузки является наличие нижней и верхней граничной частоты относительно средней частоты F. Это объясняется тем, что резистивный слой представляет собой линию передачи с потерями, которая разомкнута на конце не обеспечивает режим согласования на низких частотах и на нулевой частоте, а последовательно включенный индуктивный элемент ухудшает согласование на высоких частотах.

Известна также микрополосковая нагрузка (см. патент РФ №2049367, МПК Н01Р 1/26, опубл. 27.11.1995), содержащая входную микрополосковую линия передачи, к которой через отдельные пленочные резисторы подключены разомкнутые шлейфы, электромагнитно связанные между собой. Наличие нескольких пленочных резисторов обеспечивает повышенный уровень входной мощности СВЧ сигнала.

Основными недостатками данной нагрузки являются сложность конструкции и ограниченная полоса рабочих частот, что обусловлено резонансными явлениями в разомкнутых шлейфах.

Кроме того, известна микрополосковая нагрузка (см. описание полезной модели РФ №181510, Н01Р 1/24, опубл. 17.07.2018, БИ №20), имеющая дополнительный выходной разъем для подключения измерительных приборов. Данное устройство является прототипом предлагаемого изобретения и содержит диэлектрическую подложку, у которой на одной стороне расположено металлизированное основание, а на другой стороне расположен полосок, выполненный в виде поглощающей резистивной пленки с одинаковым размером по ширине, равном ширине полоска микрополосковой линии передачи, волновое сопротивление которой равно входному сопротивлению микрополосковой нагрузки. Прототип отличается хорошим качеством согласования и малой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот. Предельная частота, на которой обеспечивается режим качественного согласования по входу, определяется максимальной граничной частотой микрополосковой линии передачи.

Основными недостатками прототипа являются неудовлетворительное качество согласования (КСВ=2…2,5) и большая неравномерность АЧХ (порядка 6…8 дБ) в области низких частот. Это обусловлено уменьшением затухания отраженных волн в резистивном микрополоске с увеличением длины волны входного высокочастотного сигнала.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является обеспечение высокого качества согласования и малой неравномерности АЧХ в широком диапазоне частот, включая область низких частот.

Поставленная задача достигается тем, что микрополосковая нагрузка, содержащая подложку, на одной стороне которой расположено металлизированное основание, а на другой стороне расположен резистивный полосок, начало которого соединено с входным разъемом, а конец соединен с выходным контрольным разъемом, при этом ширина резистивного полоска равна ширине полоска линии без потерь с волновым сопротивлением, равным входному сопротивлению микрополосковой нагрузки, отличающаяся тем, что подложка выполнена в виде легированного полупроводника, концентрация легирующей примеси которого определяется выражением:

где q=1,6⋅10-19 (кулон) - величина элементарного заряда,

h - толщина полупроводниковой подложки,

w - ширина резистивного микрополоска,

μ - подвижность основных носителей заряда в легированном полупроводнике,

- погонная проводимость подложки,

R - входное сопротивление микрополосковой нагрузки,

R' - погонное сопротивление резистивного микрополоска,

k - постоянный коэффициент,

при этом величина погонного сопротивления резистивного микрополоска равна

где Ku - коэффициент передачи по напряжению для контрольного выхода,

- длина резистивного микрополоска,

а значение постоянного коэффициента k выбрано равным k=0,55.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемой микрополосковой нагрузки. На фиг. 2 представлен график частотной зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу. На фиг. 3 показана частотная зависимость коэффициента передачи по напряжению Ku для контрольного выхода.

Предлагаемая микрополосковая нагрузка содержит полупроводниковую подложку 1, на одной стороне которой находится металлизированное основание 2. На другой стороне полупроводниковой подложки 1 расположен резистивный полосок 3, начало которого соединено с входным разъемом 4, а конец соединен с выходным разъемом 5.

Предлагаемая микрополосковая нагрузка работает следующим образом. Резистивный полосок расположен на подложке из легированного полупроводника, в котором обеспечен уровень диэлектрических потерь, соответствующий выполнению условия Хэвисайда для неискажающей линии передачи с потерями:

где R' - погонное сопротивление резистивного полоска,

G' - погонная проводимость легированного полупроводника,

ρ - волновое сопротивление линии без потерь, равное входному сопротивлению микрополосковой нагрузки R (ρ=R).

В предлагаемой микрополосковой нагрузке ширина резистивного полоска выбрана такой же, как у 50-омной микрополосковой линии передачи без потерь. При выбранном значении коэффициента передачи по напряжению для контрольного выхода Ku величина погонного сопротивления R' резистивного микрополоска в соответствии с формулой изобретения определяется соотношением

Как известно, процесс распространения падающих и отраженных волн в линии передачи с потерями определяется параметром, который называется постоянной распространения

где ω=2πƒ - частота входного СВЧ сигнала.

Исходя из соотношений (1) и (3), в неискажающей линии Хэвисайда с потерями для реальной составляющая постоянной распространения α(ω) на всех частотах от 0 до ∞ выполняется условие

Соотношение (4) подтверждает, что неискажающая СВЧ линия имеет постоянную величину коэффициента передачи по напряжению Ku и обеспечивает режим согласования по входу и выходу на всех частотах, в том числе на нулевой частоте. Поэтому из приведенного выше соотношения (4) следует, что реальная часть α(ω) является частотно независимой величиной. Подставляя в (4) второе соотношение (1) получим

В соответствии с физическим принципом работы линии передачи с потерями, падающие волны в ней затухают пропорционально убывающей экспоненте Из этого следует, что соотношение (2), указанное в формуле изобретения, является справедливым и однозначно учитывает все перечисленные выше свойства неискажающей и согласованной линии передачи Хэвисайда с потерями.

Далее запишем выражение для погонной проводимости G' подложки из легированного полупроводника. В соответствии с соотношением (1) для линии Хэвисайда погонная проводимость G' равна

Соотношение (5), вытекающее из условия Хэвисайда, справедливо для симметричных двухпроводных одномерных линий передачи, поэтому при определении потерь в диэлектрике в статическом режиме на постоянном токе электрическое поле в диэлектрике с потерями является однородным, то есть постоянным. Напротив, в предлагаемой нагрузке, выполненной на основе несимметричной микрополосковой линии передачи, напряженность электрического поля на постоянном токе в подложке из легированного полупроводника имеет неоднородный характер. Поэтому для учета этого эффекта введем в соотношение (5) поправочный коэффициент k, представляющий собой постоянную величину

Значение постоянного коэффициента k для несимметричной микрополосковой линии с потерями в резистивном микрополоске и полупроводниковой подложке из легированного полупроводника эмпирически было выбрано равным k=0,55. Для указанного значения k было проведено численное электродинамическое моделирование в компьютерной системе автоматизированного проектирования (САПР) и сделан расчет частотных зависимостей коэффициента передачи по напряжению Ku и коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу микрополосковой нагрузки. Конкретные значения R' и G' для полупроводниковой подложки из кремния толщиной 1 мм с длиной резистивного полоска мм были рассчитаны по соотношениям (2) и (6) и приведены в таблице 1. В таблице 1 также приведены значения концентрации легирующей примеси для полупроводниковой подложки, рассчитанные по соотношению, приведенному в формуле изобретения.

Данные, приведенные в таблице 1, были верифицированы и подтверждены с помощью численного электродинамического моделирования в компьютерной САПР. Результаты расчета для различных значений вносимого ослабления полезны при многокаскадном построении микрополосковой нагрузки.

Для определения концентрации легирующей примеси полупроводниковой подложки запишем выражение для погонной проводимости

где G - проводимость полупроводника между резистивным полоском и и металлизированным основанием;

σ - удельная проводимость легированной подложки.

Учитывая, что для легированного полупроводника удельная проводимость равна σ=qμN, из (7) получим выражение для концентрации легирующей примеси N, указанное в формуле изобретения

Результаты компьютерного расчета для длины резистивного полоска мм, расположенного на подложке из легированного кремния толщиной h=1 мм и w=1 мм, представлены на фиг. 2 и фиг. 3. Из рассмотрения данных графиков видно, что использование соотношений, представленных в формуле предлагаемого изобретения, обеспечивает получение заданной постоянной величины коэффициента передачи по напряжению для контрольного выхода и высокое качество согласования в широком диапазоне частот, включая область низких частот. Таким образом, предлагаемое устройство теоретически идеально согласовано во всей области частот работы микрополосковой линии передачи. При этом также отсутствует неравномерность АЧХ для контрольного выхода.

Похожие патенты RU2746544C1

название год авторы номер документа
МИКРОПОЛОСКОВАЯ НАГРУЗКА 2017
  • Савенков Глеб Георгиевич
  • Разинкин Владимир Павлович
  • Столяренко Алексей Андреевич
  • Митьков Александр Сергеевич
RU2667348C1
СВЧ АТТЕНЮАТОР 2013
  • Рубанович Михаил Григорьевич
  • Разинкин Владимир Павлович
  • Хрусталев Владимир Александрович
  • Абросимов Артём Александрович
  • Аубакиров Константин Якубович
  • Востряков Юрий Валентинович
RU2542877C2
ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ 1995
  • Иоффе Валерий Моисеевич
  • Максутов Асхат Ибрагимович
RU2108639C1
МИКРОПОЛОСКОВАЯ НАГРУЗКА 1992
  • Кузнецов Д.И.
  • Тюхтин М.Ф.
RU2034375C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР 1996
  • Иоффе В.М.
  • Максутов А.И.
RU2139599C1
МИКРОПОЛОСКОВЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ДЛЯ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН 2004
  • Казаков Игорь Петрович
  • Карузский Александр Львович
  • Митягин Юрий Алексеевич
  • Мурзин Владимир Николаевич
  • Цховребов Андрей Михайлович
RU2337467C2
ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ 1997
  • Иоффе В.М.
RU2168813C2
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ СВЧ-МОЩНОСТИ 2012
  • Ющенко Алексей Юрьевич
  • Айзенштат Геннадий Исаакович
  • Монастырев Евгений Александрович
  • Божков Владимир Григорьевич
RU2515181C1
СВЧ АТТЕНЮАТОР 2022
  • Митьков Александр Сергеевич
  • Разинкин Владимир Павлович
  • Хрусталев Владимир Александрович
  • Рубанович Михаил Григорьевич
RU2786505C1
ФИКСИРОВАННЫЙ АТТЕНЮАТОР 2020
  • Митьков Александр Сергеевич
  • Разинкин Владимир Павлович
  • Рубанович Михаил Григорьевич
  • Хрусталев Владимир Александрович
  • Каратовский Алексей Юрьевич
  • Коланцов Олег Анатольевич
RU2743940C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 746 544 C1

Реферат патента 2021 года Микрополосковая нагрузка

Изобретение относится к радиоэлектронике и сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может использоваться в мощных радиопередающих устройствах в качестве эквивалента антенны с дополнительным контрольным выходом для подключения измерительных приборов. Микрополосковая нагрузка содержит полупроводниковую легированную подложку, на одной стороне которой находится металлизированное основание, на другой стороне расположен резистивный полосок. Резистивный полосок микрополосковой нагрузки выполнен в виде поглощающей резистивной пленки, начало которого соединено с входным разъемом, а конец соединен с выходным разъемом, при этом ширина резистивного микрополоска равна ширине полоска линии без потерь с волновым сопротивлением, равным входному сопротивлению микрополосковой нагрузки. Техническим результатом в предлагаемой микрополосковой нагрузке является обеспечение высокого качества согласования и малой неравномерности АЧХ как в области низких, так и в области высоких частот за счет того, что поверхностное сопротивление резистивного полоска однозначно связано функциональной зависимостью с концентрацией легирующей примеси в полупроводниковой подложке. 3 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 746 544 C1

Микрополосковая нагрузка, содержащая подложку, на одной стороне которой расположено металлизированное основание, а на другой стороне расположен резистивный микрополосок, начало которого соединено с входным разъемом, а конец соединен с выходным контрольным разъемом, при этом ширина резистивного микрополоска равна ширине микрополоска линии без потерь с волновым сопротивлением, равным входному сопротивлению микрополосковой нагрузки, отличающаяся тем, что подложка выполнена в виде легированного полупроводника, концентрация легирующей примеси которого определяется выражением:

где q=1,6⋅10-19 (кулон) - величина элементарного заряда,

h - толщина полупроводниковой подложки,

w - ширина резистивного микрополоска,

μ - подвижность основных носителей заряда в легированном полупроводнике,

- погонная проводимость подложки,

R - входное сопротивление микрополосковой нагрузки,

R' - погонное сопротивление резистивного микрополоска,

k - постоянный коэффициент,

при этом величина погонного сопротивления резистивного микрополоска равна

где Ku - коэффициент передачи по напряжению для контрольного выхода,

- длина резистивного микрополоска,

а значение постоянного коэффициента k выбрано равным k=0,55.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2021 года RU2746544C1

УСТРОЙСТВО к РЕЗЬБОШЛИФОВАЛЬНОМУ СТАНКУ 0
SU181510A1
RU 94032783 A1, 20.07.1996
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 2009
  • Грохотков Иван Николаевич
  • Яфясов Адиль Маликович
  • Филатова Елена Олеговна
  • Божевольнов Владислав Борисович
RU2393584C1
US 6201459 B1, 13.03.2001
US 5639343 A1, 17.06.1997.

RU 2 746 544 C1

Авторы

Кнаус Никита Витальевич

Разинкин Владимир Павлович

Рубанович Михаил Григорьевич

Хрусталев Владимир Александрович

Коланцов Олег Анатольевич

Столяренко Алексей Андреевич

Митьков Александр Сергеевич

Каратовский Алексей Юрьевич

Даты

2021-04-15Публикация

2019-12-03Подача