549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Секция 10 РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ И НАНОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА

СВЧ транзисторные усилители и их характеристики

СВЧ транзисторные усилители и их характеристики

Д. И. Боголюбов, И. С. Шиплюк

Начиная с 80-х годов XX века основой создания систем связи на СВЧ стали новые поколения приборов и устройств на твѐрдом теле, выполняющие функции генерирования и усиления колебаний, фильтрации, стабилизации частоты, формирования и обработки сигналов. Только на основе применения твѐрдотельных устройств стали возможны: приѐм чрезвычайно слабых сигналов; микроминиатюризация; повышение надѐжности, коэффициента полезного действия, скорости перестройки приѐмопередающей аппаратуры; увеличение еѐ пропускной способности, длительности автономной работы; снижение себестоимости серийного производства средств связи и расходов при их эксплуатации. Одними из таких твѐрдотельных устройств являются транзисторные усилители СВЧ.

В настоящее время наиболее распространѐнной является классификация транзисторных усилителей СВЧ по уровню выходной мощности на две группы усилители малой мощности (как правило, малошумящие) и усилители повышенной мощности (средней и большой мощности). Далее каждая из групп может быть разделена по полосе рабочих частот ещѐ на три группы: узкополосные, широкополосные и сверхширокополосные. Уровень выходной мощности определяется в первую очередь элементной базой усилителя, а на полосу рабочих частот преобладающее влияние оказывает схемотехническое построение.

Так как для повышения рабочей частоты транзистора независимо от типа требуется уменьшение времени пролѐта носителей заряда через структуру прибора и уменьшение паразитных реактивных элементов, то необходимо уменьшать размеры транзисторного кристалла и одновременно улучшать теплоотвод, также необходимо применять специальные корпусы с уменьшенными реактивностями токовводов или осуществлять монтаж транзисторного кристалла непосредственно в полосковую линию.

Таким образом, для повышения надѐжности и упрощения обслуживания и ремонта аппаратуры транзисторные усилители СВЧ в основном выпускаются в виде стандартизированных модулей. Параметры, характеристики и области применения таких модулей приведены в работе.

Также значительное внимание уделено устройству транзисторов СВЧ и рассмотрению факторов, влияющих на их полосу рабочих частот, уровень выходной мощности и шумовые свойства. Рассмотрены пути улучшения параметров транзисторов СВЧ.

В качестве практического примера приведены экспериментально полученные характеристики для малошумящего транзисторного усилителя СВЧ М42143.

401

АЦП c цифровой АРУ входного сигнала

А.И. Брикман, А.А. Верхотуров

В каналах аналого-цифрового (АЦ) преобразования большой динамический диапазон входного сигнала может вызывать следующие проблемы:

сравнительно низкая точность преобразования при UBX.АЦП<0.5 UREF,

"насыщение" при UBX.АЦП>UREF.

Можно считать, что АЦ преобразование будет иметь удовлетворительную точность, если

поддерживать значение UBX.АЦП на уровне (0.8 – 0.9) UREF.

Классическая схема АРУ не может быть применена, т.к. текущее значение коэффициента усиления используется в цифровом коде преобразования.Известные схемы автоматического переключения поддиапазонов не обеспечивают достаточной точности приведения сигнала в нужный диапазон самого АЦП.

В предлагаемом устройстве процесс АЦ преобразования производится микроконтроллером (МК).Роль усилителя с цифровой АРУ играет связка ЦАП+ОУ, работающая в режиме цифрового аттенюатора. В предварительном усилителе на отдельном ОУ происходит ступенчатое переключениеподдиапазонов. Оно также осуществляется через МК с помощью управления аналоговыми ключами.

Суть работы заключается в том, что МК постоянно сравнивает полученный код отсчета и максимально возможный код, соответствующий значению UREF. По результатам сравнения устанавливается программная конфигурация предварительного усилителя и цифрового аттенюатора, постоянно поддерживающая требуемый уровень UBX.АЦП.

МК Atmel Atmega48/88/1681 имеет в своѐм составе 10-разрядный АЦП, т.е. 9 разрядов на отсчет с учетом знакопеременного сигнала. Если поддерживать уровень входного сигнала

UBX.АЦП ≈0.8 UREF, то с учѐтом абсолютной погрешности ±2 младших разряда относительная, не приведѐнная погрешность преобразования составит ~0.5%. Дополнительную возможность представляет наличие в составе МК аналогового компаратора, работающего совместно с АЦП.

Среднее время преобразования составляет ~ 100мкс, а среднее время выполнения одной команды МК – 100нс;программные действия практически не вызывают отставания от реального времени.Самое существенное ограничение связано с передачей результатов на верхний уровень. Самый очевидный способ – передача с использованием модуля USART (протокол RS-232) и внешнего конвертера в USB 2.0. Однако, эффективным может оказаться использование модуля двухпроводного интерфейса TWI, который совместим со стандартом

PhilipsI2C.

Брикман А.И., Верхотуров А.А.

СибГУТИ, Новосибирск, e-mail: te.sibsutis@gmail.com

1Reference manual.ATmega48/88/168 datasheet.Rev. 2545T–AVR–05/11

402

Разработка физико-химических основ технологии получения нанокомпозитных радиопоглощающих материалов

А. Н. Игнатов, М. А. Корчагин, И. В. Гришина

Ключевые слова: композитные материалы, нанокомпозитные материалы, радиопоглащающие материалы, методы получения наноразмерных частиц.

В настоящее время одной из актуальных задач современного материаловедения является создание новых композиционных материалов для эффективного экранирования радиоэлектронных устройств от воздействия электромагнитных излучений (ЭМИ). Радиопоглощающие материалы нашли широкое применение в антенной технике, радиолокации, военной технике, в технике связи, в измерительных и контрольных устройствах, медицине и других областях науки и техники [1-2]. В качестве поглощающих и экранирующих ЭМИ в настоящее время используют широкий круг материалов, содержащих как токопроводящие, так и магнитные компоненты. [1-3].

Большой практический и научный интерес представляет использование для этих целей композитных наноразмерных материалов. Как известно, такие материалы имеют специфические свойства, отличные от свойств объемных веществ, в частности, они могут иметь другие электрофизические характеристики в различных частотных диапазонах, в том числе и в микроволновом диапазоне. Среди многочисленных работ, посвященных разработке радиопоглощающих материалов, есть, в частности, и работы по использованию для этих целей графита с луковичной структурой, углеродных нанотрубок и наночастиц ферромагнитных оксидов и аморфных сплавов [1-2].

Основная проблема использования наноразмерных металлических ферромагнитных частиц в качестве компонентов радиопоглощающих материалов связана сихпирофорностью. Кроме того, для реализации механизмов постепенного затухания электромагнитной волны нужно чтобы каждая ферромагнитная наночастица не теряла своей индивидуальности, т е., нужно избежать агломерации наночастиц в создаваемом радиопоглощающем материале.

Одним из путей решения этой проблемы является разработка методов получения в одном процессе наноразмерных металлических частиц, сразу же покрытых защитными оболочками, предотвращающих их окисление кислородом воздуха и агломерацию.

Для разрушения твердых тел до необходимых размеров используются разные способы механического воздействия, в зависимости от требований, предъявляемых к продукту измельчения, а также от свойств измельчаемого тела. Аппараты, применяемые для измельчения, как правило, одновременно сочетают различные виды механического воздействия: раздавливание, раскалывание, свободный и стесненный удар, истирание, разрыв и др. Все определяется механическими свойствами исходного материала.

Механическая обработка твердых веществ и их смесей, в результате которой происходит измельчение и пластическая деформация веществ, приводящие к диспергированию и перемешиванию компонентов смесей вплоть до атомарного уровня, существенно ускоряет массоперенос и активирует химическое взаимодействие в смесевых системах.

Для тонкого и сверхтонкого измельчения используют различного типа мельницы с разным уровнем энергонапряженности. Наиболее высокоэнергонапряженными измельчительными аппаратами являются планетарные центробежные шаровые мельницы.

403

При обработке хрупких веществ будет происходить измельчение, а в случае пластичных металлов или их смесей происходит образование так называемых механокомпозитов. Это, как правило, довольно крупные образования с размерами от десятков до сотен микрон, а в некоторых случаях и крупнее, но размер зерна исходных компонентов в них уменьшается до нанометров. При увеличении продолжительности МА размеры зерна продолжают уменьшаться, но уже не так существенно.

В результате механического воздействия в приконтактных областях твердого вещества создается поле напряжений. Релаксация поля напряжений может происходить путем выделения тепла, образования новой поверхности, образования различных дефектов в кристаллах, возбуждения химических реакций в твердой фазе. Преимущественное направление релаксации зависит от свойств вещества, условий нагружения. По мере увеличения мощности механического импульса и времени воздействия происходит постепенный переход от релаксации путем выделения тепла к релаксации, связанной с разрушением, диспергированием и пластической деформацией материала и появлением аморфных структур различной природы. Каналом релаксации поля напряжений может быть химическая реакция, инициируемая разными механизмами. Среди таких механизмов — прямое возбуждение и разрыв связи, которые могут реализоваться в вершине трещины; локальный тепловой разогрев; безизлучательный распад экситонов и др.

Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, поэтому возникновение поля напряжений и его последующая релаксация происходят не в течение всего времени пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения частиц и в короткое время после него. По этой причине при механохимическом синтезе нужно учитывать характер формирования поля напряжений во времени и кинетику последующих релаксационных процессов.

Механическое воздействие является не только импульсным, но и локальным, так как происходит не во всей массе твердого вещества, а лишь там, где возникает и затем релаксирует поле напряжений. Механическое истирание является наиболее производительньм способом получения больших количеств нанокристаллических порошков различных материалов: металлов, сплавов, интерметаллидов, керамики, композитов. В результате механического истирания и механического сплавления может быть достигнута полная растворимость в твердом состоянии таких элементов, взаимная растворимость которых в равновесных условиях пренебрежимо мала, или даже совсем отсутствует (Cu – W).

При механическом истирании порошков деформация первоначально локализуется в полосах сдвига, содержащих большое число дислокации с высокой плотностью. При достижении определенного уровня напряжений эти дислокации аннигилируют и рекомбинируют с малоугловыми границами, разделяющими отдельные зерна; на этом этапе истирания уже образуются зерна диаметром 20-30 нм и их количество растет по мере истирания. На следующем этапе истирания ориентация отдельных кристаллитов друг относительно друга становится случайной вследствие скольжения границ зерен.

Механосинтез в настоящее время очень широко используется как в научной практике, так и в промышленности. Мы разрабатываем новые радиопоглощающие материалы с использованием механохимической обработки исходных смесей триады железа с различными формами углерод. При исследовании процессов СВС также используется предварительная МА исходных смесей реагентов [3].

Нами разработан метод получения отдельных наночастиц никеля, железа, кобальта и/или их сплавов, капсулированных в графитовые оболочки луковичной структуры. Благодаря этой оболочке образцы не окисляются кислородом воздуха [4,5]. Контрольные образцы хранятся на воздухе уже на протяжении нескольких лет.

Разработанный метод основан на предварительной механической активации (МА) смесей промышленных порошков металлов с углеродом в виде сажи в планетарной шаровой

404

мельнице и последующем отжиге МА образцов в форвакууме при температурах не превышающих 8500С.

Усовершенствование механохимического метода способствует получению ферромагнитных наночастиц никеля, железа, кобальта и/или их сплавов, капсулированных в графитовые оболочки.

Разработанная технология получения композиционных покрытий, содержащих наноразмерные частицы, позволяет получить новые материалы для исследованияих радиопоглощающие характеристик (коэффициенты отражения и пропускания).

Литература

1.Игнатов А.Н., Корчагин М.А., Решетнева И.В. Исследование радиопоглощающих свойств наноструктурных материалов// Современные проблемы телекоммуникаций: Российская НТК. – Новосибирск, 2013 г.

2.Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. Санкт- Петербург, изд-во НОТ, 2009, 660 с.

3.Колесов В.В., Фионов А.С. и др. Моделирование радиопоглощающих сред на основе

композиционных материалов из поливинилхлоридных пластозолей // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2010, Т. 2, № 1-2, с. 138-161.

4.Денисов К.И., Дитенберг И.А., Тюменцев А.Н., Корчагин М.А. Корзников А.В.

Особенности наноламинатных структурных состояний в металлических композитах, полученных комбинированной деформационной обработкой // Тезисы Международной конференции "Физическая мезомеханика многоуровневых систем-2014. Моделирование, эксперимент, приложения." Томск, Россия, 3-5 сентября, 2014 г., с. 199.

5.Корчагин М.А., Дитенберг И.А., Денисов К.И. Тюменцев А.Н. Влияние механической

активации в планетарной шаровой мельнице на особенности микроструктуры и свойства металлических порошков и композитов на их основе. // Там же, с. 244.

6.Дитенберг И.А., Денисов К.И., Тюменцев А.Н., Корчагин М.А., Корзников А.В. Способ получения многослойного композита на основе ниобия и алюминия с использованием комбинированной механической обработки // Патент на изобретение № 2521945 С1 RU МПК B22F3/02 (2006.01), C22C1/04 (2006.01) B22F1/00 (2006.01) / ФГОУ ВПО «Томский государственный университет» (RU), - 2013118888/02. Заявл. 23.04.2013. Опубл.

10.07.2014.

Игнатов Александр Николаевич

к.т.н., профессор, заведующий кафедрой Технической электроники, ФГОБУ ВПО СибГУТИ, Новосибирск, E-mail: te.sibsutis@gmail.com тел.: 8 (383) 269 82 55

Корчагин Михаил Алексеевич

д.т.н., профессор кафедры Технической электроники, с. н. с. ИХТТМ СО РАН, ФГОБУ ВПО СибГУТИ, Новосибирск, E-mail: te.sibsutis@gmail.com тел.: 8 (383) 269 82 55

Гришина Ирина Владимировна

старший преподаватель кафедры Технической электроники, ФГОБУ ВПО СибГУТИ,

Новосибирск, E-mail: te.sibsutis@gmail.com тел.: 8 (383) 269 82 55

405

Создание высокотемпературного сверхпроводника состава Y-Ba-Cu-O и изучение его свойств

А. В. Ельчина, Н. Е. Фадеева, Е. В. Гулая

Данная статья посвящена созданию и исследованию образцов высокотемпературной керамики в учебной лаборатории университета. Приведен рецепт и технология изготовления образца, а также трудности, с которыми столкнулись при изготовлении. Описан опыт, демонстрирующий эффект Мейснера.

Ключевые слова: высокотемпературная сверхпроводимость, эффект Мейснера.

1.Введение

Всовременном мире явлению сверхпроводимости уже давно не отводится место как чуду. Оно прочно закрепилось в нашей жизни и охватило многие сферы деятельности человека: от установок ЯМР в медицине и маглева в технике до высокотехнологичных кабелей в энергетике и большого адронного коллайдера и токамака в науке.

Но чем же сверхпроводимость так уникальна? Как известно, явление сверхпроводимости – это единственное проявление квантово-механических эффектов на макроскопическом уровне.

На сегодняшний день усилия учѐных в области исследования сверхпроводимости сосредоточены на приближении критической температуры (температуры, при которой удельное сопротивление сверхпроводника меняется скачкообразно) к комнатной. Причиной тому послужило открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Так, в марте 1987 г. было опубликовано сообщение о сверхпроводимости в соединенииэлементов иттрия, бария, меди и кислорода (Y-Ba-Cu-O), при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота Tb = 77,4 К.

В учебных планах СибГУТИ имеются дисциплины, в которых в качестве дидактических единиц изучается явление сверхпроводимости. Необходимость проведения лабораторного практикума по этой теме и привело к созданию лабораторно-практической работы, которую можно будет отнести как к курсу химии, так и к курсу наноэлектроники.

Целью данной лабораторной работы является изучение основных понятий сверхпроводимости, изготовление образцов высокотемпературной керамики и изучение их свойств в ходе эксперимента.

Наличие в университете необходимого оборудования, а также тесное сотрудничество с Институтом химии твердого тела и механохимии СО РАН вселило уверенность в возможности реализации данной работы.

2. Создание образца

До проведения опытов необходимо изготовить образец высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). В качестве исходных материалов для образца состава Y-Ba-Cu- O использовались оксид иттрия Y2O3, углекислый барий BaCO3 и оксид меди CuO.

Все ингредиенты смешивались в необходимых пропорциях, толклись. Получившаяся смесь подвергалась отжигу при Т=950°С около 12 часов. После охлаждения и измельчения отожженной смеси, для удобства проведения опыта, она прессовалась в таблетки. Полученные образцы опять подвергались отжигу, но уже с подачей кислорода в печь, и

406

медленно охлаждались. Важно было учитывать, что скорость понижения температуры не должна была превышать 100°С/ч.

В результате было получено 5 таблеток диаметром 1см и толщиной около 1 мм. Трудности изготовления образца заключались в невозможности контролирования содержания кислорода в исходной смеси из-за его летучести. Кроме того, был необходим строгий контроль температуры в печи: если температура опускалась ниже 900°С, работа оказывалась бесполезной, а превышение рабочей Т на 100°С приводило к расплавлению смеси. Также, как оказалось, необходимо предъявлять высокие требования к чистоте исходных материалов, в противном случае, наличие примеси приведет к подавлению сверхпроводимости.

Цвет полученного образца являлся наглядным показателем его качества. При получении отожженного сверхпроводника с прозеленью опыт оказывался неудачным, и весь процесс приходилось повторять сначала. Зеленый цвет свидетельствовал о недостатке кислорода в образце.

3.Эксперименты с образцом

Охлаждая полученные образцы, можно убедиться в резком падении сопротивления при сверхпроводниковом переходе. Однако, это требует очень чувствительных приборов. Поэтому для исследования явления сверхпроводимости студентами в лабораториях мы предложили демонстрацию эффекта Мейснера.

Так, неохлажденная таблетка лежала на магните, никак не реагируя на магнитное поле. Затем она охлаждалась в жидком азоте и помещалась над магнитом, оставаясь висеть в воздухе. Если таблетка находилась над одним полюсом магнита, то она как бы соскальзывала вбок. Если же таблетка помещалась в магнитное поле, образованное несколькими полюсами магнитов, то еѐ можно было закрутить в воздухе.

Ещѐ более эффектным экспериментом стал так называемый «маятник» из магнитов и сверхпроводникового образца. Конфигурация магнитного поля здесь устраивалась в виде длинной «ложбинки» с приподнятыми краями. Охлаждѐнная таблетка помещалась на край «ложбинки» и начинала двигаться вдоль неѐ при малейшем толчке достаточно продолжительное время, пока повышающаяся температура не достигала критической. После чего таблетка падала на магниты. После охлаждения в жидком азоте образец сохраняет сверхпроводимость на воздухе при комнатной температуре около минуты. Более длительные опыты нужно проводить в парах жидкого азота.

Рис. 1. Варианты демонстрации эффекта Мейснера:

407

а – таблетка сверхпроводника висит над постоянным магнитом. Еѐ положение над полюсом неустойчиво, и она норовит соскользнуть вбок; б – конфигурация магнитной «ложбинки». В таком положении над магнитами таблетку можно закрутить; в – конфигурация магнитного «маятника». Края «ложбинки» должны быть приподняты для того, чтобы «маятник» заработал.

Литература

1.Гинзбург В.Л., Андрюшин Е.А.Сверхпроводимость. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-

М, 2006. 110 с.

2.Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: МЦНМО, 2000. 411 с.

Ельчина Алина Владимировна

Студент СибГУТИ, тел. +7(913) 707-80-92, e-mail: kefirok_92@mail.ru

Фадеева Наталья Евгеньевна

к.т.н, доцент кафедры ТЭ СибГУТИ (630102, Новосибирск, ул.Кирова, 86),

тел. +7(913) 726-77-82, e-mail: fne@ngs.ru

Гулая ЕленаВладимировна

к.х.н., доцент кафедры ТЭСибГУТИ (630102, Новосибирск, ул.Кирова, 86),

тел. +7(960) 784-11-68, e-mail: egulaya@yandex.ru

Creating a high-temperature superconductor composition of Y-Ba-Cu-O and study its properties.

A.V. Elchina

This article devoted to the creation and research of samples of high-temperature ceramics in a university laboratory. The recipe and production technology of the samplewas shown, as well as difficulties encountered duringmaking samples. An experiment that demonstrates the Meissner effect was described.

Keywords: high-temperature superconductivity, Meissner effect.

408

Состояние и перспективы развития микро и наноэлектроники

А.Н. Игнатов, Е.Д. Гокова

Мы живем в эпоху третьей научно технической революции. Экономическая активность развитых стран соответствует циклам предсказанным Н.Д. Кондратьевым. Пик пятого цикла Кондратьева приходится на 2000 год. Он соответствует пику развития микроэлектроники. Достижения микроэлектроники в полной мере реализуются в разработках информационных и коммутационных систем, в электронных системах автомобильного и авиационного транспорта, компьютерной техники и др.

Уровень развития электроники принято оценивать по освоенным предприятиями технологическими нормами производства. Уровень технологий определяется минимально возможной топологической нормой – минимальным размером элемента в регулярных структурах с максимальной плотностью упаковки. [1]

Предельные возможности микроэлектроники достигнуты в 2001 году, когда была освоена 130 нанометровая технология серийного производства интегральных микросхем.

Состояние и прогноз развития электроники, с точки зрения технологических норм иллюстрирует таблица 1.

Таблица 1 - Перспективный прогноз развития электроники

Начало ХХI века ознаменовалось тем, что в наше сознание вошли слова с приставкой «нано»: нанотехнология, наноэлектроника, наноматериалы и наномедицина и др. Нанотехнология представляет собой бурно развивающееся междисциплинарное научно- техническое направление, базирующееся на передовых достижениях физики, химии, микроэлектроники и материаловедения. Под нанотехнологией понимают совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность создавать и модифицировать объекты, в которых, по крайней мере, один из размеров лежит в области 1-100 нанометров [1].

Ральф Меркле утверждает: «Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какие произвели компьютеры в манипулировании информацией» [2]. Не случайно нанотехнологии занимают четвертое место среди критических технологий, когда информационным технологиям отводят 11 место.

Нанотехнологии являются основой развития инфокоммуникационных и технологических систем и соответствуют шестому технологическому укладу.

Развитие микро и наноэлектроники происходит в соответствии с законом Мура. Как видно из рисунка 1 в изделиях микро и наноэлектроники ежегодно уменьшаются размеры элементов и увеличивается их количество.

409