ГЛАВА 3

4<i

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ МИКРОПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ И МИКРОРЕЛЕ .

3.1. Введение

ВЧ ключи являются самыми распространенными компонентами ВЧ микросистем. Ключи и реле - простые, но важные элементы всех автоматизированных систем. Они используются в интерфейсах между микросистемами и другими устройствами и служат для автоматического переключения сигналов, что увеличивает гибкость и расширяемость всей системы в целом. Например, применение ключей для организации двух режимов работы: тестового и измерительного, позволяет уменьшить количество элементов системы, и, следовательно, упростить само устройство тестирования. В дополнение к этому, при помощи соответствующей схемы переключения можно использовать один и тот же вольтметр для измерения напряжения в разных точках схемы. Приведем основное определение ключа: ключ - это устройство, поэволяющее эамыкатъ и размыкать электрическую цепь. Всем хорошо известно, что токи и напряжения в электрической цепи подчиняются законам Кирхгофа, которые заключаются в следующем:

(1) В любом замкнутом контуре сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна сумме приложенных к нему э.д.с;

(2) Сумма сил токов, сходящихся в одном узле, равна нулю.

Эти законы должны выполняться в любых блоках системы и не нарушаться даже при размыкании цепи. Другими словами, если в цепи перестал течь электрический ток, указанные законы все равно должны продолжать выполняться. При выполнении операции по размыканию цепи всегда возникают переходные процессы переключения, и чем выше частота, тем сложнее становится их анализ. При работе с ВЧ сигналами ключи могут вносить в схему дополнительные емкость и сопротивление по сигнальным линиям и цепям

Taylor, C.S., Cherkas, P., Hampton, Н., Prantzen, J.J., Shah, В.О., Tiffany, W.B., Na-nis, L., Booker, P., Salahieh, A., Hansen, R., 1995, 1ЕЕЕ micro electro mechanical systems.), in Proceedings of MLMS 95, IEEE, Washington, DC: 203-208.

Thornell, G., Johansson, S., 1998, Microprocessing at the fingertipsD, Journal of Micromechanics and Microengineering 8: 251-262.

Thrope, J., Steenson, D., Miles, R., 1998, <iHigh frequency transmission line u.sing mieromaehined polymer dielectric*, Electronics Letters 34: 1237-1238.

Varadan, V.K Ghodgaonkar, D.K., Varadan, V.V., Kelly, J.F., Glikerdas, P., 1992, Ceramic phase shifters for electronically steerable antenna systems*. Microwave Journal 35: 116-127.

Varadan, V.K., Selmi. P., Varadan, V.V., 1996, eVoltage tunable dielectric ceramics which exhibit low dielectric constants and applications thereof to antenna structure*, US Patent 5,557,286.

Varadan, V.K., Xiang, J., Varadan, V.V., 2001, Microstereolithographv and Other Fabrication Techniques for 3D MEMS, John Wiley, Chichester, UK.

Varadan, V.K, Varadan, V.V., 2001, ((Microstereolithography and fabrication of 3D MEMS and their applications*. Proceedings of SPIE 4592: 9-20.

Varadan, V.K., Teo, P.T., 2001a, Tunable dual-based ferroelectric antenna*, US Patent 6,329,959.

Varadan, V.K., Teo, P.Т., 2001 b, ТипаЫе electromagnetic coupled antenna*, US Patent 6,333,719.

Wang, S.S., McNeil, V.M., Schmidt, M.A., 1992, An etch-stop utilizing selective etching of n-type silicon by pulsed potential anodisation*, Journal of Microelectromechanieal Systems 1: 187-192.

Won, J.H., Paek, H., Huang, Y.S., Kim, K.K., Cho, Y.S., 1995, Phase formation and characteristics of rf sputtering of barium strontium titanic thin films on various bottom layers*. Journal of Material Science: Materials in Electronics 6: 161-164.

Zhang, Z.L, McDonald, N.C., 1992, A RIE process for submicron, silicon electromechanical structures*. Journal of Micromechanics and Microengineering 2: 3138.

Zhang, X., Jiang, X.N, Sun, C, 1999, Micro.stereolithography of polymeric and ceramic microstructures*, Sensors and Actuators 77: 149-156.

Zhu, В., Mehta, A., Varadan, V.K., 2002, (.Integrated MOSFET based accelerometer*. Smart Materials and Structures. In press.

Zhu, В., Varadan, V.K., 2002, (.Integrated MOSFET based hydrophone device for underwater applications*, Proceedings of SPIE 4700: In press.

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

заземления, а также устанавливать перекрестные связи. Поскольку ключи часто являются механическими устройствами, они имеют ограниченный срок службы и подвержены поломкам. Конечное время переключения является серьезным препятствием для использования ключей во многих ВЧ устройствах. В зависимости от типа ключа это время находится в диапазоне от миллисекунд до сотен наносекунд.

источник

передатчик

приемник

выход

0 1 0 1 0 0 0 1 0 время

управляющий сигнал (цифровая информация)

- Рис. 3.1. Примеры использования ключей. Репродукция из книги К. Chang, 1994, Micro Solid -state Circuits and Applications, John Wiley, Chichester, UK с разрешения Wiley, ©1994 Wiley

Примечание: / - частота, ПФ - полосовой фильтр

На рис. 3.1 представлены варианты применения ВЧ ключей (Chang, 1994). Как показано на рис. 3.1 а, ключ может использоваться для подключения антенны то к приемнику, то передатчику сигналов. В режиме передачи ключ должен находиться в положении 1,

3.1. Введение

а в режиме приема - в положении 2. При цифровой модуляции в системах связи (рис. 3.16) ключ выполняет работу разрешающего устройства, то пропускающего, то останавливающего сигнал. При соответствующей организации работы такого ключа можно получить любую форму сигнала. На рис. 3.1 в показана схема широкополосного генератора сигналов, построенного на базе нескольких узкополосных источников. Вариант использования ключей для выбора каналов широкополосного приемника представлен на рис. 3.1 г. Ключи могут управлять подключением различных измерительных систем. Например, для организации одновременного мониторинга показаний измерителя мощности и спектрального анализатора подходит схема на рис. 3.1 д. Применение ключей в радарной системе показано на рис. 3.1 е.

f-fn

измеритель мощности

спектральный анализатор

радар

. : (Д)

КЛИМ ,j, . Q 1:;;0-

модуляциониий сигнал (е)

Рис. 3.1. Продолжение

В этой главе рассматриваются оба типа ВЧ ключей: и полупроводниковые, и механические. Разработка ключей начинается с выбора методов управления и оптимизации различных параметров.

ВЧ ключи - это не просто последовательное или параллельное соединение диодов или монолитных ВЧ интегральных схем, это объединяющая часть любой ВЧ системы. Соответствующий выбор ВЧ ключей помогает уйти от работы в предельных режимах и обеспечить выполнение поставленных задач. При аккуратном подборе характеристик переключения можно реализовать ВЧ ключи, соответствующие практически любым приложениям. В разделе 3.2 приведено описание основных характеристик ключей. Принцип действия электронных переключателей объясняется в разделе 3.3. В разделе 3.4 рассмотрены некоторые системы переключения, применяемые в настоящее время в ВЧ и СВЧ технике. В этом же разделе дана перспектива развития ключей для ВЧ микросистем с учетом существующих технологий. В разделе 3.5 дано описание исполнительных механизмов, используемых в ключах разного типа, а в разделе 3.6 рассмотрены методы, позволяющие уменьшить размеры электромагнитных реле и их исполнительных механизмов. Раздел 3.7 посвящен вопросам динамики процессов переключения. Фундаментальные основы моделирования и разработки ключей для ВЧ микросистем приведены в разделе 3.8. В разделах 3.9 и 3.10 обобщается вся информация, представленная в третьей главе, касающаяся вопросов разработки и применения ключей в ВЧ областях. Целью этой главы было изучение основных принципов разработки и моделирования ключей для ВЧ микросистем, а не подробное рассмотрение каких-то конкретных устройств.

3.2. Параметры переключения

Электрическая энергия передается через проводники, такие как провода и шины, а процессом передачи можно управлять при помощи реле и ключей. Основными элементами любой электрической цепи являются: источник электрической энергии, нагрузка или подключенные устройства и замкнутый контур для обеспечения протекания тока. Если любой из этих элементов отсутствует, тока в цепи не будет, и, следовательно, электрическая энергия от источника не дойдет до подключенных устройств. При разработке ВЧ ключей существенными являются следующие параметры:

- длительность переходных процессов,

- время переключения,

ч -

- переходные процессы при коммутации,

- коммутируемая мощность ВЧ сигнала,

- согласование входных/выходных цепей, - ширина полосы пропускания,

- вносимые потери,

- развязка входа от выхода,

- последовательное сопротивление,

- напряжение срабатывания,

- срок службы, ,

- резонансная частота,

- перекрестные наводки и уровень искажений,

- согласование по амплитуде и фазе.

Кроме этих характеристик для ключей с механическими исполнительными механизмами важны также срок службы и резонансная частота механических частей.

Длительность переходных процессов зависит от скорости изменения состояния ключа. Для операции включения она определяется как время нарастания выходного ВЧ сигнала с 10% до 90% от его значения, а для операции выключения - как время спада выходного сигнала с уровня 90% до уровня 10%. Другими словами, длительность переходных процессов - это время, необходимое для изменения выходного напряжения на 1 дБ от состояния срабатывания. Для простого механического ключа это время определяется от момента отрыва подвижного контакта от одного стационарного контакта до момента его соприкосновения с другим стационарным контактом.

Время переключения также определяется скоростью переключения ключа из одного состояния в другое. Однако здесь при операции включения это время определяется от момента достижения управляющим напряжением уровня 50% до момента перехода выходным ВЧ сигналом уровня 90%. Аналогично, при выключении ключа время измеряется до момента достижения ВЧ сигналом 10% уровня от первоначального значения. Следовательно, время переключения характеризует реакцию ключа на изменение управляющего напряжения. К времени, требуемому для механического переключения, или времени переходных процессов могут прибавляться различные дополнительные составляющие, например, время задержки или нарастания управляющего сигнала. Очевидно, что полупроводниковые ключи имеют лучшее быстродействие по сравнению с