RU2746544C1 - Микрополосковая нагрузка - Google Patents
Микрополосковая нагрузка Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746544C1 RU2746544C1 RU2019139181A RU2019139181A RU2746544C1 RU 2746544 C1 RU2746544 C1 RU 2746544C1 RU 2019139181 A RU2019139181 A RU 2019139181A RU 2019139181 A RU2019139181 A RU 2019139181A RU 2746544 C1 RU2746544 C1 RU 2746544C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microstrip
- resistive
- load
- equal
- width
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/24—Terminating devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
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.
Description
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,
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,
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.
Claims (15)
- 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,
- 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,
- а значение постоянного коэффициента k выбрано равным k=0,55.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019139181A RU2746544C1 (ru) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | Микрополосковая нагрузка |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019139181A RU2746544C1 (ru) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | Микрополосковая нагрузка |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2746544C1 true RU2746544C1 (ru) | 2021-04-15 |
Family
ID=75521082
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019139181A RU2746544C1 (ru) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | Микрополосковая нагрузка |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2746544C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU94032783A (ru) * | 1994-09-08 | 1996-07-20 | Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева | Микрополосковая нагрузка |
US5639343A (en) * | 1995-12-13 | 1997-06-17 | Watkins-Johnson Company | Method of characterizing group III-V epitaxial semiconductor wafers incorporating an etch stop layer |
US6201459B1 (en) * | 1996-08-14 | 2001-03-13 | Valery Moiseevich Ioffe | Transmission line with voltage controlled impedance and length |
RU2393584C1 (ru) * | 2009-03-30 | 2010-06-27 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет | Способ определения профиля концентрации легирующей примеси в полупроводниках |
RU181510U1 (ru) * | 2018-04-16 | 2018-07-17 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Микрополосковая нагрузка |
-
2019
- 2019-12-03 RU RU2019139181A patent/RU2746544C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU94032783A (ru) * | 1994-09-08 | 1996-07-20 | Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева | Микрополосковая нагрузка |
US5639343A (en) * | 1995-12-13 | 1997-06-17 | Watkins-Johnson Company | Method of characterizing group III-V epitaxial semiconductor wafers incorporating an etch stop layer |
US6201459B1 (en) * | 1996-08-14 | 2001-03-13 | Valery Moiseevich Ioffe | Transmission line with voltage controlled impedance and length |
RU2393584C1 (ru) * | 2009-03-30 | 2010-06-27 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет | Способ определения профиля концентрации легирующей примеси в полупроводниках |
RU181510U1 (ru) * | 2018-04-16 | 2018-07-17 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Микрополосковая нагрузка |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Djordjevic et al. | Wideband frequency-domain characterization of FR-4 and time-domain causality | |
Stevens et al. | Magnetic metamaterials as 1-D data transfer channels: An application for magneto-inductive waves | |
US2606974A (en) | Directional coupler | |
RU181510U1 (ru) | Микрополосковая нагрузка | |
Ruyle et al. | A wideband transmission line model for a slot antenna | |
CN110752426A (zh) | 一种基片集成波导均衡器 | |
RU2746544C1 (ru) | Микрополосковая нагрузка | |
Mann et al. | Characteristics of the skeletal biconical antenna as used for EMC applications | |
CN111273116A (zh) | 屏蔽室内行波式电磁兼容试验装置 | |
Crosby et al. | Radio-frequency resistors as uniform transmission lines | |
RU2667348C1 (ru) | Микрополосковая нагрузка | |
JP2001083102A (ja) | 電磁波式濃度測定装置 | |
Sali | Cable shielding measurements at microwave frequencies | |
Svacina | New method for analysis of microstrip with finite‐width ground plane | |
Al et al. | A practical approach for estimation of load effect produced by ferrite core attached to wire above a ground plane | |
Bielik et al. | Determination of FR-4 dielectric constant for design of microstrip band-stop filter purposes | |
Vendelin | High dielectric substrates for microwave hybrid integrated circuitry | |
Battistini et al. | 3-D Etching Techniques for Low-Cost Wearable Microwave Devices in Grounded Coplanar Waveguide | |
RU2743940C1 (ru) | Фиксированный аттенюатор | |
Becker et al. | Radio frequency coupling between an antenna and two unshielded parallel wires above a metal sheet-measurement precautions | |
Grady et al. | Using resistive loading to control the radiation efficiency of a spiral antenna | |
Wang et al. | Design and Realization of Broadband and Highpower Shipboard Whip Antenna | |
Zalabsky | Design and modeling of an output microwave filter for S band primary radar transmitter | |
RU2276433C1 (ru) | Аттенюатор | |
Ray et al. | Harmonic analysis of antenna factor and transmit antenna factor of dipole antenna with balun |