Волноводный детекторный модуль миллиметрового диапазона длин волн

Волноводный детекторный модуль миллиметрового диапазона длин волн

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковой СВЧ-электронике и может быть использовано при создании волноводных СВЧ-модулей повышенной прочности и устойчивости к внешним воздействиям.

Детекторы электромагнитного излучения СВЧ и, в частности, миллиметрового диапазона длин волн прошли длительный путь развития, начиная от простейших кристаллических детекторов на основе точечного контакта, образуемого вольфрамовой иглой с кремниевой пластинкой. Конструкции детекторов этого типа и тщательный анализ их работы подробно изложены в книге, составленной по материалам отчетов Лаборатории излучения Массачусетского технологического института [1]. Детекторные диоды на основе указанного точечного контакта выполнялись в керамических корпусах патронного типа или в коаксиальных корпусах и включались в волновод с помощью достаточного сложного согласующего устройства - детекторных головок.

Наиболее существенным шагом в развитии миллиметровой техники и детекторов, в частности, за прошедшие годы стал переход от точечных конструкций детекторных диодов к плоскостным диодам с барьером Шоттки (ДБШ), выпрямляющие контакты которых формировались с помощью процесса фотолитографии, и включение бескорпусных ДБШ в волновод с помощью так называемых finline-конструкций, предложенных Мейером [2]. Finline-конструкция предполагала создание различных модулей и устройств миллиметрового диапазона длин волн (детекторов, смесителей, умножителей и т.д.) на основе щелевых и других линий передачи на керамической (или другой) подложке в гибридно-интегральном исполнении и монтирование их в продольном сечении (Е-плоскости) волновода. При этом щелевые линии преобразовывались в волноводно-щелевые линии (ВЩЛ). Основное достоинство этой конструкции заключалось в переходе к прогрессивной гибридно-интегральной технологии СВЧ-модулей и простоте согласования гибридно-интегральной схемы с волноводным каналом с помощью ВЩЛ.

Простейшая конструкция детектора миллиметрового диапазона длин волн на основе бескорпусного ДБШ (диода с балочными выводами (ДБВ)), помещенного в ВЩЛ, описана в работе [3]. Эта конструкция взята в качестве прототипа.

Согласно [3] детектор выполнен с использованием односторонней симметричной ВЩЛ, сформированной на материале Ф4-МБСФ-2 (толщина фторопластовой пленки - 0.13 мм, толщина металлической фольги - 0.35 мм). Диод крепился в узкой части (0.1 мм) ВЩЛ с помощью проводящего клея с низкой температурой полимеризации (120°С) и согласовывался с волноводом ступенчатым трансформатором, являющимся продолжением ВЩЛ. За диодом монтировалась короткозамыкающая перемычка, которая вместе с двумя конденсаторами достаточно большой емкости обеспечивала полное замыкание щелевой линии на рабочих частотах детектора. Расстояние между диодом и короткозамыкателем выбиралось из условия резонанса четвертьволнового отрезка линии, нагруженного емкостью диода. Отрезок линии за короткозамыкателем заполнялся поглощающим материалом для исключения возможности его резонанса. Описанная конструкция позволила создать широкополосные детекторы с высокой чувствительностью. А переход к ВЩЛ на основе полиамидной пленки толщиной 40 мкм позволил существенно повысить чувствительность детектора.

Целью предлагаемого технического решения является упрощение конструкции волноводного детекторного модуля и повышение его механической прочности. Эта цель достигается тем, что корпус модуля разделен не вдоль (т.е. не в Е-плоскости), а перпендикулярно волноводному каналу на две половинки; первая половинка имеет сквозной волноводный канал, часть которого имеет гантелевидную форму, согласующийся со стандартным сечением волновода и заполненный специальным пеноматериалом с малыми потерями, а вторая половинка корпуса с подобным волноводным каналом, также заполненным пеноматериалом, оканчивается согласующей заглушкой, являющейся частью корпуса; в узкой части гантелевидного канала второй половинки корпуса установлен диод, один вывод которого непосредственно присоединен к корпусу, а второй вывод изолирован и соединен с выходом детектора; первая половинка корпуса непосредственно крепится на второй и окончательно фиксирует положение диода.

Упрощение конструкции связано прежде всего с тем, что разделение модуля перпендикулярно волноводному каналу позволяет заменить прямоугольный волноводный канал на гантелевидный, значительно более простой в изготовлении, поскольку для его создания используется в основном сверление вместо фрезерования. Как известно, глубокое фрезерование малых волноводных каналов, соответствующих коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, является трудоемкой и сложной задачей.

Далее, упрощение достигается заменой диодной вставки на диод с балочными выводами, поскольку при этом исключаются изготовление и сборка диодной вставки, описанная выше. Вместо этого в зауженном (благодаря гантелевидной форме) канале монтируется только диод с балочными выводами. При этом согласование диода с волноводным каналом, которое в прототипе достигается конструкцией диодной вставки, реализуемой оператором при изготовлении модуля, в нашем случае достигается созданием согласованной заглушки непосредственно в корпусе, который изготавливается по заданной программе. Элементами согласования являются в основном ширина перемычки гантелевидного волновода и величина углубления в перемычке под ДБШ.

Прочность конструкции значительно повышается за счет использования заполнения волноводного канала пеноматериалом с использованием способа, описанного в [4]. Заполнение происходит в результате вспенивания материала ПЭН-И (ТУ 6-05-5088-76) (пенопласт-полуфабрикат) при определенном режиме его термической обработки. При этом детекторный диод (ДБШ с балочными выводами) в результате сборки оказывается зажатым между двумя половинками корпуса с волноводными каналами, заполненными пеноматериалом. Это практически обеспечивает герметичность конструкции и высокую механическую прочность, способность выдерживать удары с ускорением более 20000 g.

Сущность изобретения поясняется нижеследующими чертежами.

На фиг.1 представлена 1-я (верхняя) половинка корпуса волноводного детекторного модуля.

На фиг.2 представлена 2-я половинка корпуса волноводного детекторного модуля (основание) и увеличенная область волноводного канала, заполненного пеноматериалом; на перемычке канала смонтирован диод с барьером Шоттки с балочными выводами.

На фиг.3 представлен волноводный детекторный модуль в сборке.

Ниже приводится пример реализации предлагаемой конструкции волноводного детекторного модуля миллиметрового диапазона длин волн.

Волноводный корпус детектора состоит из двух половинок 1 (верхняя половинка) и 2 (основание). Совмещение половинок корпуса происходит с помощью штифтов 3 и отверстий под них 4, а скрепление осуществляется с помощью винтовых соединений 5. Подсоединение детектора к волноводу осуществляется с помощью расположенных по периметру обеих половинок четырех сквозных отверстий 6. Волноводный канал в половинке 1 является сквозным, а в половинке 2 оканчивается заглушкой (короткозамыкателем). Часть волноводного канала в половинке 1 и волноводный канал в половинке 2 имеют гантелевидную форму. Гантелевидный канал имеет в области перемычки (на половинке 2) выемку небольшой глубины 8 для размещения ДБШ. Один из выводов ДБШ приклеивается проводящим клеем непосредственно к корпусу, а для размещения второго служат специально созданные на обеих половинках волновода выемки 9. На части внутренних поверхностей обеих половинок корпуса сформированы полости 10, предназначенные для размещения в них фильтра и цепи питания, а при необходимости и других элементов, например, для согласования диода с нагрузкой. Глубина волноводного канала без перемычки 11 в половинке 1, а также ширина перемычки гантелевидного волновода выполняют функцию элементов согласования диода со стандартным (прямоугольным) сечением волновода. Отверстия 12 служат для размещения в них коаксиальных выводов (типа "слезка") продетектированного сигнала и для подачи смещения на диод.

Корпус обычно изготавливают металлообработкой из латуни и покрывают гальванически слоем никеля толщиной около 6 мкм. Перед монтажом ДБШ на половинке 2 волноводные каналы обеих половинок корпуса с помощью несложной оснастки заполняются порошком ПЭН-01. В результате выдержки в печи в течение 2 часов при 80°С и в течение 6 часов при 120°С происходит вспенивание порошка, и каналы заполняются пеноматериалом 13. Излишки пеноматериала, выступающие за пределы корпуса, аккуратно удаляются. ДБШ с балочными выводами 14 на основе n_i-n+-n-CaAs монтируется в специальной выемке 8 в перемычке гантелевидного канала. Один из выводов ДБШ (катодный) 15 приклеивается проводящим клеем непосредственно к корпусу. А второй вывод ДБШ 16 размещается и изолируется с помощью односторонне металлизированной полиимидной пленки в специально созданных на обеих половинках волновода выемках 9.

После соединений второго вывода ДБШ с выводом продетектированного сигнала 17 и выводом смещения 18 половинки волноводов соединяются между собой с помощью направляющих штифтов и закрепляются винтами. Земляной вывод устройства, к которому подключается детектор, соединяется непосредственно с корпусом детекторного модуля. Малая толщина балочного вывода ДБШ 15, лежащего непосредственно на половинке 2 корпуса (<12 мкм), не является препятствием для плотного контакта между двумя половинками корпуса, обеспечивающего достаточную герметичность корпуса.

Проведенные испытания на устойчивость детекторных модулей к воздействию влаги (21 сутки, 35°С, 100% влажность) показали, что такие модули сохраняют работоспособность без дополнительных мер защиты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кристаллические детекторы. Перевод с англ. Под ред. Е.Я.Пумпера. М., Сов. радио, 1950.

2. P.J. Meier. Integrated finline: the second decade. Microwave J., 1985, v.28, N11, Nov., p.31; N12, Dec., p.30.

3. Павловский О.П., Бляшко Ю.Р., Душева Л.Н. Детекторные устройства миллиметрового диапазона на диодах Шоттки. Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника, 1991, вып.4, с.З.

4. Способ заполнения пеноматериалом волноводов СВЧ волноводных модулей, от 14 мая 1990 г. А.С.№1832349. Приоритет от 14 мая 1990 г. Авторы: С.Н.Днепровский, Э.В.Авдошина и В.А.Геннеберг.

1. Детекторный СВЧ-модуль на основе диода с барьером Шоттки с балочными выводами (далее просто диода), размещенного непосредственно в волноводном канале волноводного корпуса, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и сборки модуля и повышения его прочности и надежности, корпус разделен перпендикулярно волноводному каналу на две половинки; первая половинка имеет сквозной волноводный канал, часть которого имеет гантелевидную форму, согласующийся со стандартным сечением волновода и заполненный специальным пеноматериалом с малыми потерями; вторая половинка корпуса с гантелевидным волноводным каналом, также заполненным пеноматериалом, оканчивается согласующей заглушкой, являющейся частью корпуса; в узкой части гантелевидного канала второй половинки корпуса установлен диод, один вывод которого непосредственно присоединен к корпусу, а второй вывод изолирован и соединен с выходом детектора; первая половинка корпуса непосредственно крепится на второй и окончательно фиксирует положение диода.

2. Детекторный СВЧ-модуль по п.1, отличающийся тем, что второй вывод диода соединен с выходом детектора с помощью односторонне металлизированной полиамидной пленки, закрепленной в специальном углублении корпуса; первая половина корпуса также имеет симметричное углубление для изоляции второго вывода диода.