Разработка СВЧ блока устройства для бесконтактного измерения электрофизических параметров полупроводников

дипломная работа

1.3 Влияние параметров СВЧ блока на метрологические характеристики. Цель работы. Основные задачи. Требования к СВЧ генератору для прибора

Согласно ТУ (приложение ) данный прибор работает в узком диапазоне температур окружающей среды 22 ± 3. Это связано с изменением параметров СВЧ блока:

- значительное изменение выходной мощности и частоты СВЧ ГУН при температурах (10 - 40 ).

На рисунке 5 представлен СВЧ блок и датчик (резонатор).

Рисунок 5 - общий вид СВЧ генератора, детекторной секции и резонатора

Таким образом, для расширения возможности прибора и его эксплуатации в более широком диапазоне температур (10 - 40) необходимо разработать новый СВЧ генератор. Так как эксплуатационные параметры СВЧ генератора в приборе тесно связаны с характеристиками СВЧ детектора, для этого необходимо разработать новый СВЧ блок.

Целью данной работы и является разработка и исследование работы СВЧ блока, характеристики и параметры которого слабо изменяются в области температур от + 10 до + 40 . И его применение в измерительно-вычислительном комплексе «SemiCon - 1».

Требования к СВЧ генератору для прибора

Для оптимальной работы прибора требуется минимальная необходимая мощность, равная 30 мВт во всем диапазоне частот от 1 до 2 ГГц. Это обусловлено тем, что потери, вносимые образцом, регистрируются как изменение прошедшей мощности через СВЧ резонатор, и она равна:

(1)

, где Рпр - мощность после СВЧ резонатора, - внешние добротности петлей связи резонатора, - нагруженная добротность пустого резонатора, - величина обратная тангенсу угла потерь измеряемого полупроводника, k - коэффициент включения образца в резонатор.

Чувствительность So = Дf/ДEo также является важной характеристикой, для оптимальной работы прибора. Так как она характеризует настройку ГУН на частоту резонатора с образцом и удержание этой частоты. Минимальная полоса резонансной кривой определяется добротностью пустого резонатора. В данном приборе она составляет 1 МГц, что определяет добротность резонатора:

, (2)

где резонансная частота, а - ширина резонансной кривой при уровне в половину мощности (3 дБ).

- требования к выходной мощности СВЧ генератора определяется оптимальной работой СВЧ резонатора и МПУ.

В данном резонаторе с помощью петель связи регулируется мощность, поступающая с генератора в резонатор и из резонатора к квадратичному детектору.

Мощность, поступающая на детектор, определяется параметрами используемого СВЧ диода, коэффициентом включения полупроводника в резонатор и диапазоном удельного сопротивления измеряемых образцов.

Поэтому параметры СВЧ генератора необходимо рассматривать совместно с СВЧ детектором, т.е. параметры СВЧ блока.

Рисунок 6 - Калибровочная кривая

Для построения калибровочной кривой (рисунок 6), по которой определяется удельное сопротивление полупроводников, необходим квадратичный детектор, с достаточно большой линейной областью (рисунок 7). Одним из таких является СВЧ диод типа Д408П, который уже используется в приборе. Рассмотрим зависимость выпрямленного тока от непрерывно падающей СВЧ мощности (рисунок 7).

Рисунок 7 - Зависимость выпрямленного тока от непрерывно падающей СВЧ мощности

Квадратичный участок на рисунке 7 заканчивается на 1,5 мА, а СВЧ диод работает на нагрузку, равной 300 Ом следовательно:

Uдетmax = 1,5 · 10-3 А · 300 Ом = 450мВ (3)

Потери на преобразование передачи СВЧ мощности с помощью петель связи 10 - 20 дБ. Таким образом можно оценить максимальную выходную мощность генератора. Она равняется:

Pmax = 1,2 мВт · 15 дБ = 42мВт (4)

Минимальное напряжение определяется чувствительностью МПУ и коэффициентом включения полупроводника в резонатор. Как видно из калибровочной кривой (рисунок 6) она составляет 10 мВ, Отсюда легко определяется min СВЧ мощность. Она равна 20 мкВт. Таким образом эта область напряжений укладывается в квадратичный участок этого СВЧ диода. Эти параметры должны быть на всех частотах стабильными во времени и при изменении температуры от 10 до 40 .

2. Общие положения

Генератор управляемый напряжением (ГУН) - электронный генератор для управления частотой колебаний при помощи напряжения. Частота колебаний зависит от подаваемого переменного напряжения, причём ГУН может быть запитан от модулированных сигналов, что позволяет осуществить фазовую или частотную модуляцию.

В любом радиотехническом и электронном устройстве необходим источник опорных колебаний со стабильной частотой. Поскольку невозможно построить такой генератор на любую заданную частоту, используют синтезаторы стабильных частот (СЧ) - устройства преобразования частоты колебаний из одного значения в другое с малым шагом перестройки и низкими погрешностями. Схемы построения СЧ, в зависимости от конкретных технических требований, различны, однако в каждой из них используют набор типовых электронных компонентов: управляемые по частоте генераторы, умножители и делители частоты, смесители, частотные фильтры, элементы цифровой техники. Номенклатура этих электронных компонентов чрезвычайно разнообразна, так что их правильный выбор - задача достаточно сложная.

Делись добром ;)