Главная  Микроэлектронные устройства сверхвысоких частот 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28 29 30 31

Чисто активный управляющий элемент поглощает максимальную мощность, равную половине падающей, при нормированной активной проводимости, равной двум. При этом одна четвертая часть падающей мощности отражается к генератору и одна четвертая часть проходит в нагрузку. Реактивная составляющая проводимости управляющего элемента уменьшает максимальную поглощаемую мощность. Если нормированная реактивная проводимость не превышает 0,5, то уменьшение поглощаемой мощности составляет не более 8 %. Проведенный анализ зависимости нормированных активной и реактивной проводимостей управляющего элемента от частоты тока управления выполнен в предположении, что само включение управляющего элемента в линию передачи не вносит никаких дополнительных проводимостей в эквивалентную схему управляемого элемента, что в основном и осуществляется при использовании бескорпусных /j-г-п-диодов и фото- инжекционных элементов, в микрополосковых интегральных схемах СВЧ. В микрополосковых устройствах управляющий элемент чаще всего включается непосредственно в линию передачи, а реактивная проводимость диода компенсируется дополнительным индуктивным элементом или другой неоднородностью, которую можно математически представить в общем случае четырехполюсником [15].

Для расширения диапазона рабочих частот, увеличения вносимого затухания и уменьшения коэффициента стоячей волны применяют многоэлементные управляющие устройства.

С помощью перемножения [П-матриц параллельно включенных чисто активных управляемых элементов и отрезков однородных линий передач между ними можно получить максимальное затухание при расстоянии между элементами, равном Л/4, а минимальное - при Л/2, при этом коэффициент отражения минимальной при расстоянии Л/4 и максимальный при Л/2. При расстоянии между элементами, равном Л/4, отраженные от элементов волны складываются в противо-фазе и устройство обладает минимальным КСВ. При расстоянии Л/2 управляющие элементы включают параллельно и они сильно шунтируют друг друга. Управляющее устройство вносит минимальное затухание. Отраженные от элементов волны складываются в фазе, образуя максимальный КСВ управляющего устройства. Чтобы уменьшить шунтирующее действие двух и более элементов друг на друга, необходимо выбирать расстояния между ними неодинаковыми и равными поочередно половине и четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона [14]. В этом случае в многоэлементном устройстве только по два элемента будут шунтировать друг друга (неблагоприятный случай) и частотный диапазон устройства расширяется при некотором увеличении величины К'В.

Для увеличения ослабления при малой величине КСВ применяют меры для отвода отраженной от управляемого элемента мощности в поглощающую нагрузку. Помимо этого, расчет широкополосных аттенюаторов отличается от расчета узкополосных выбором величины вносимого затухания на один управляющий элемент и расстояния между ними, которое не равно Л/4, а выбирается в зависимости от


полосы рабочих частот и величины равномерности вносимого затухания в этом же диапазоне частот.

Реальное управляющее устройство на p-t-л-диодах имеет цепи пнуания, которые вносят неоднородности в линию передачи СВЧ энергии и тем ухудшают параметры устройства. В устройствах, построенных на несимметричных полосковых линиях, цепи питания представляют собой большую индуктивность для СВЧ сигнала, исключающим его проникновение в них. Чтобы уменьшить величину КСВ устройства, возрастающую за счет влияния цепей питания, часто применяют четвертьволновые шлейфы.

Быстродействие устройства управления СВЧ мощностью определяется быстродействием управляющего элемента и постоянной вре-

Рис. 6.5. Топологическая (а) и принципиальная электрическая (б) схемы защитного выключателя, построенного иа ЩЛ:

VI, V2 - бескорпусные p-i-п-дноды; CI, С2 - конденсаторы; R - ограничительное сопротивление питания

мени цепей питания RC, где Сф - емкость фильтра разделения цепей СВЧ и цепей питания. Для /j-г-п-диодов основным фактором, определяющим быстродействие устройств, является время восстансж-ления обратного сопротивления при переходе из проводящего состояния в непроводящее, которое определяется эффективным временем жизни носителей заряда Тэф, составляющее несколько сот наносекунд. Но это только в том случае, если приняты специальные меры по уменьшению времени восстановления /j-i-n-диода после окончания импульса управляющего тока, которое составляет несколько десятков микросекунд, необходимых для рассасывания накопленного в диоде заряда во время протекания управляющего тока Т, q = /Тэф. Для этого создаются управляющие импульсы с крутыми фронтами обратного тока. Иногда для увеличения быстродействия включается небольшая индуктивность последовательно с /j-г-п-диодом [15]. Эта индуктивность способствует ускоренному удалению накопленных на переходе носителей заряда.

Наличие в устройствах управления мощностью построенных на МПЛ всевозможных конструктивных неоднородностей в линии передачи СВЧ и резонансных развязывающих элементов (например, шлейфов) приводит к сужению рабочей полосы. Избежать этого и расширить рабочий диапазон частот,удается построением устройства управления амплитудой СВЧ колебаний на основе ЩЛ; топология такого защитного выключателя показана на рис. 6.5, а, а принципиальна



/, квант/с

Л/ф

g. Ом

при

т

т

т

тельное

иое

о

о

о

= 1 мм

и

и

чение

чение

и

п

н

18,4

101

101

1022

0,83

10,8

1012

1018

1021

6,02

1,93

1011

101*

1020

1000

20,8

0,22

101

101

10000

40.1

0.005

1012

1015

1018

электрическая схема -на рис. 6.5, б. Расстояние между диодами, которые включены в линию передачи благодаря металлизированному островку , соединенному с остальной металлизацией платы с помощью конденсаторов, равно Л/4. Такой выключатель работает в 50 %-ной пологе частот и имеет начальные потери 0,2 дБ и затухание более 20 дБ.

Для дальнейшего расширения полосы и увеличения быстродействия управляющих устройств СВЧ применяют фотоинжекционные управляемые элементы [102]. Преимущества устройств, использующих эти элементы: отсутствие компенсационных элементов (которые, кстати, полностью не могут компенсировать реактивносгь p-i-л-дио-дов, особенно в широкополосном аттенюаторе), отсутствие цепей питания и, следовательно. Таблица 12 развязывающих фильтров (шлейфов), которые также сужают полосу частот и, наконец, оптический способ управления, который менее инерционен, что увеличивает быстродействие создаваемых управляющих устройств СВЧ.

Параметры оптоэлек-тронных устройств на фо-тоинжекционных элементах (см. рис. 6.2, а), рассчитанные по формулам последовательного и параллельного включения их (6.3) и (6.4) в 50-омную линию передачи, приведены в табл. 12. Оценим возможность получения под действием света сопротивления управляемого элемента менее 10 Ом. Изменение удельной проводимости под действием света [96]

Аоф = е (l Aлф + ХрАрф), (6.9)

где е - заряд электрона; \ip - подвижности электронов и дырок; А,1ф, Арф - изменение концентрации электронов и дырок под действием света. Для оценки снизу ограничимся только электронной частью. Учитывая, что фотопроводимость значительно больше тем-нозой проводимости и объем элемента У = 5/ (S - площадь, перпендикулярная направлению изменения сопротивления г, I - его длина, т. е. расстояние между контактами с металлическими частями линии передачи), а также формулу (6.9), запишем полное число носителей заряда в элементе:

Л/с = АлфУ =/Vel . (6.10)

Для генерации такого числа носителей на поверхность фоточув-стйительяого управляющего элемента должно попадать количество квантов света, определяемого формулой,

Л/ф = Л/с/т1 =/2/гф т1, (6.11)

где Т1 -квантовый выход.

Полагая / = 0,1 см, (г„ = 8500 cmV(B с) для GaAs, ц = 0,7, а г 10 Ом, получаем, что для возможности эффекттного управления СВЧ мощностью необходимо Л/ф 10 квант. При этом световое удельное сопротивление 0,1 Ом м и не зависит от конкретных размеров полупроводникового элемента. Удельное сопротивлеки в темноте для полупроводников, например GaAs, Si, CdSe и других, может быть на несколько порядков выше (выше 10 Ом м), коэффициент качества таких элементов 10 и много больше.

Инерционность устройств (определяемая по спаду проводящего состояния), построенных на таких управляемых линиях передачи СВЧ мощности, зависит от времени жизни фотовозбужденных носи-телеч т в полупрово.щиковом элементе и может достигать 10 - 10 с, а нарастание проводящего состояния определяется еще меньшим временем: генерацией носителей 10 с. Для того чтобы рассматриваемые устройства работали с быстродействием, определяемым временем Г, необходимо соблюдать соотношение Г т, и за промежуток времени т на полупроводниковый элемент должно попадать не менее Л/ф = 102 квант, т. е. необходим источник света с интенсивностью излучения в импульсе

J > Л/ф/т. (6.12)

Таким источником света могут быть всевозможные лазеры, особенно следует отметить возможность использования инжекционных гетеролазеров. Интенсивность излучения лазеров для СВЧ приборов с быстродействием 10 -10 с, посчитанная по формуле (6.12), приведена в табл. 12. Лазерные диоды имеют интенсивность излучения в импульсе значительно большую, чем указана в табл. 12. Следовательно, можно ожидать быстродействия 10 с с коэффициентом качества элементов более 10*, что означает большие развязки в таких устройствах, чем в устройствах на p-i-л-диодах.

Следует учесть, что расчет начальных потерь (без освещения полупроводникового элемента) в линии передачи по формулам (6.3) и (6.4) прозодился без учета емкостных связей между центральными проводниками в их разрывах, а также без учета искажения СВЧ поля несимметричной полосковой линии при монтаже элементов, имеющих диэлектрическую проницаемость е 12. Для учета этих связей были проведены измерения (в сантиметровом диапазоне частот) потерь в разрывах линий без полупроводникового элемента и с ним, а также с образцом из керамики 22ХС. Результаты даны в табл. 13. По данным табл. 13 можно выбрать темповое удельное сопротивление полупроводникового элемента, а также его размеры и форму, учитывая при этом мощность источника света согласно формулам (6.10)- (6.12). Например, исследования последовательно включенного кремниевого образца монокристалла р-типа с р= 0,1 кОм м и р = = 0,6 кО.м м, т = 10~* с и размером 3 1,5 1 мм в разрыв центрального проводника 50-омной линии, равный 1,5 мм, в сантиметровом диапазоне частот дали следующие результаты. В темноте затухание составляло 20 дБ, а при облучении рассеянным светом 12-вольтовой лампы накаливания (мощностью 21 Вт) коэффициент



Таблица 13

L, дБ

кремний, с е = 11,6

Зазор в центра-

без полупро-

льном провод-

р = 20 кОмх

нике, /, им

водникового

р = 20 кОмх

р - 2,3 кОмх

< = 9,8

элемента

Хсм, 1Х2Х

хсм, 0,5х

Хси, 1Х2Х

1X2X4 мм

Х4 мм

Х2Х4 мм

13,4

14,4

13,5

14,3

16.0

17,5

16,0

16,8

20,5

20,5

26,5

25,7

27.5


передачи равен 6 дБ [103]. Использование для кремниевого или арсе-нидгаллиевого образца инжекционного гетеролазера (GaAl.s- GaAs) повысит КПД такого СВЧ оптрона примерно на два порядка, что значительно уменьшит начальные потери при уменьшении управляющей мощности. При параллельном включении в СВЧ линию передачи высокоомного кремниевого образца (размерами 3x1x1 мм)

начальные потери уменьшаются [103]. Освещаемый элемент размещается между центральным проводником и заземленным (см. рис. 6.2, а), находящимся на расстоянии 1 мм. Начальные потери без освещения в сантиметровои диапазоне частот составляют 0,2 дБ, а освещение указанной выше лампой накаливания, создает глубину модуляции потерь более 5 дБ. Недостаток такой конструкции -наличие паразитной емкости между заземленным и центральным проводниками линии передачи, которая с увеличением частоты повышает начальные потери. Используя фотоинжекционные элементы, можно создать устройства управления СВЧ мощностью на основе ЩЛ и КЛ (рис. 6.6). В ЩЛ управляемый элемент, расположенный в щели, при воздействии света закорачивает линию передачи. В КЛ управляемый элемент, расположенный в разрыве центрального проводника, под действием света включает передачу СВЧ мощности, а элементы, расположенные между центральным и заземленными проводниками, под действием света закорачивают линию, т. е. выключают передачу СВЧ мощности. В таком устройстве время управления составляет 10 с, т. е. быстродействие определяется временем генерации носителей как в источнике света - лазере, например, инжекционном, гак и в приемнике - полупроводниковом элементе. Продолжитель-

Рис. 6.6. Конструкции оптоэлектрон-иых модуляторов СВЧ на щелевой (а) и копланарной (б) линиях передач:

/ = полупроводниковый оптический управ- (яемый элемент

ность импульса СВЧ мощности такой линии определяется временем задержки между световыми импульсами, облучающими последовательно элемент, расположенный в разрыве центрального проводника, и элементы, расположенные между центральным и заземленным проводниками, а скважность может быть не менее времени жизни фотоносителей в приемнике.

Конструирование, построение и расчет многоэлементных устройств на сосредоточенных фотоинжекционных управляемых элементах выполняется так же, как и для устройств на р-г-п-диодах. Устройства, построенные на фотоинжекционных сосредоточенных элементах могут управлять большими СВЧ мощностями, чем на р-г-п-диодах, однако для них требуется значительная мощность управляющего сигнала.

Пример 14. Разработать аттенюатор на /)-1-п-диодах в 30%-иом частотном диапазоне с центральной рабочей частотой /g = 8,5 10* Гц; минимальными КСВ по входу и выходу и малой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики; плавная регулировка с максимальным затуханием (Ly более 13 дБ; начальные потери (Lj) менее 1,5 дБ.

Выбираем переключательный p-i-n-диод. типа 2А517А, гак как его граничная рабочая частота [27] f = 1/(2л yCL), где С - емкость диода (С = = 0,3 пФ); L = г^с, поэтому /,р^ = 1/2лгоС = 1,06 101 Гц.

Из двух типов аттенюаторов иа диодах (аттеиюаторои, обеспечивающих поглощение только в диодах, и поглощающих СВЧ энергию как в самих диодах, так и отраженную энергию в нагрузке) выбираем второй, так как для-аттенюаторов с плавной регулировкой затухания этот тнп проще по схеме питания диодов, требует меньшее количество диодов, менее критичен к температурным колебаниям, а следовательно, более экоиомичеи и надежен в эксплуатации. Малую величину КСВ в аттенюаторах первого типа обеспечивают подачей меньшего напряжения иа крайние диоды. В даииом случае малость величины КСВ входа и выхода обеспечивается за счет развязанных плеч моста, в одно из которых уходит отраженная от диода мощность и поглощается там-в согласованной нагрузке, а другое является СВЧ входом. Решим задачу с помощью моста Лэнжа, который имеет хорошую амплитудно-частотную характеристику вплоть до 40 %-ного интервала полосы рабочих частот и более 20 дБ развязки между плечами моста [80, 140].

Количество диодов рассчитаем с учетом максимально заданного затухания-и максимального затухания L, которое может обеспечить один днод, включенный параллельно в лннню передачи (нз паспорта на диод известно, что при прямом смещении сопротивление днода не более 5 Ом),

Z,= 20 Igfl + 1/2 0,1) 15,6 дБ.

Таким образом, достаточно одного диода в СВЧ тракте. Начальные потерн складываются из потерь в мостах и потерь в диоде L, которые в основном определяются реактивной составляющей полного сопротивления диода (емкость днода по паспорту ие более 0,3 пФ). Посчитать их можно по формуле (6.3), как и максимальные потерн. На максимальной рабочей частоте за счет отражения на неоднородности, созданной реактивностью диода, СВЧ потерн Lq = - 3,5 дБ. Поэтому необходимо ввести компенсирующие элементы, например индуктивные выточки (отрезки лннни передачи с повышенным волновым сопротивлением). Характеристическое сопротивление такой выточки с диодом равно-волновому сопротивлению однородной линии, и поэтому ее индуктивность [97] L=z\C, где С-емкость диода. Волновое сопротивление выточки упрощенно можно посчитать по формуле [27]

1 = зУф , 145



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28 29 30 31