механическими. Время переключения всегда больше длительности переходных процессов ключа.

Переходные процессы при коммутации ключа - это экспоненциальное убывающие всплески ВЧ напряжений во входных и/или выходных цепях ключа, вызванные изменением управляющего сигнала. Переходные процессы коммутации являются важной характеристикой работы ключей. При измерении спектра выходного сигнала необходимо тестировать все компоненты ВЧ системы, такие как усилители и ключи. В процессе переключения возникают и электромеханические, и электромагнитные переходные процессы. Электромеханические переходные процессы возникают из-за механического перемещения элементов ключа (если они существуют), а электромагнитные - из-за взаимодействия электрических и магнитных полей электрических компонентов системы.

Переходные процессы усиливаются при наличии в системе нелинейных элементов. Переходные процессы в PIN диодах объясняются внутренним накоплением заряда, который быстро исчезает при подаче управляющего напряжения (см. раздел 3.4.2). Диоды Шотки практически не накапливают заряд, здесь переходные процессы вызываются несогласованием управляющих цепей. Переходные процессы арсенид-галлиевых полевых транзисторов (ПТ) возникают из-за появления емкостной связи в переходе затвор-канал, что особенно сказывается при быстром изменении напряжения на затворе ПТ.

Коммутируемая мощность ВЧ сигнала - характеристика, показывающая насколько эффективно ключ пропускает ВЧ сигнал. Чаще всего передача мощности определяется точкой компрессии 1 дБ, что взято из усилительной техники. Предполагается, что мощность выходного и входного сигналов связаны линейной зависимостью. Но на практике это условие выполняется только до какого-то уровня мощности, называемой максимальной. Точка компрессии 1 дБ определяется как максимальный уровень входной мощности, при котором выходная мощность становится на 1 дБ меньше, чем в линейной области. Передача мощности ВЧ сигнала для многих устройств, таких как PIN диоды и ряд ИС, зависит от частоты.

Под согласованием входных/выходных цепей подразумевается согласование их импедансов, что часто является для ВЧ ключей непростой задачей. Входные и выходные цепи ключа должны быть согласованы как во включенном, так и отключенном состояниях. Это необходимо для снижения влияния ключей на работу всей системы. Неправильное согласование иногда приводит к неже-

лательным переотражениям сигналов внутри цепи, которые могут стать причиной выхода системы из строя. Хотя на практике идеального согласования удается достичь очень редко, все же необходимо стремиться удерживать переотражения сигналов в пределах допустимых уровней.

Ширина полосы пропускания является важной характеристикой ключей. Как правило, ключи не имеют нижнего предела частоты рабочего диапазона, а имеют только верхний предел. Для полупроводниковых устройств этот факт объясняется конечной скоростью носителей заряда, а для электромеханических ключей - потерями, обусловленными сопротивлениями и паразитными связями, ограничивающими их быстродействие.

Вносимые потери ВЧ устройств показывают эффективность передачи сигналов. Для ключей вносимые потери определяются только для включенного состояния, когда происходит передача сигнала. Они выражаются через коэффициент передачи 52i, измеряемый в дБ, между входными и выходными выводами переключающего устройства. На практике желательно, чтобы вносимые потери ВЧ ключей были минимальными. Для большинства твердотельных переключателей вносимые потери уменьшаются с ростом частоты. Поэтому можно разработать ключи для ВЧ микросистем, работающие на частотах несколько ГГц при низком уровне вносимых потерь.

Развязка входа от выхода определяется в момент отсутствия передачи сигнала. Ее мерой также является коэффициент 52i между входными и выходными выводами переключателя в выключенном состоянии, т. е. когда нет передачи сигнала. Большое значение этого коэффициента, измеряемое в дБ, соответствует очень маленькой связи между входом и выходом переключающего устройства. Желательно, чтобы у ключей этот коэффициент был максимальным. В ВЧ микросистемах значение этого коэффициента может уменьшиться из-за возникновения связи между механическими частями и линиями передач, что вызывает появление токов утечки.

Последовательное сопротивление. На практике ключ часто включается последовательно с линией передачи сигнала. Любое сопротивление, вносимое ключом во время передачи сигнала (во включенном состоянии), вызывает снижение уровня сигнала. На низких частотах такое влияние ключа можно выразить в виде последовательного сопротивления, играющего роль во время прохождения сигнала. На высоких частотах это влияние часто входит во вносимые потери.

Напряжение срабатывания. Для всех ключей, работающих в автоматических системах, необходим сигнал управления, координирующий их состояние (вкл/выкл). Уровень напряжения таких сигналов для разных ключей может сильно различаться. В полупроводниковых переключающих устройствах, как правило, не возникает никаких проблем с обеспечением требуемого напряжения срабатывания, тогда как в современных электромеханических ключах это напряжение желательно снизить до уровня, на котором работают остальные компоненты схемы.

Срок службы не является значимым для полупроводниковых ключей. Однако для переключающих устройств, в состав которых входят механические части, эта характеристика становится достаточно важной. Поломки таких частей, вызванные усталостью материала или неблагоприятными окружающими условиями, снижает срок службы всей системы.

Резонансная частота. Все движущиеся части механических ключей имеют свою собственную резонансную частоту, которую можно выразить через их резонирующую массу и эффективный коэффициент упругости. На этих частотах потенциальная и кинетическая энергии входят в резонанс, что ограничивает максимальную скорость переключения, но никак не влияет на частоту передаваемых ВЧ сигналов.

В электрических схемах резонанс возникает на частоте, при которой реактивное сопротивление становится равным индуктивному сопротивлению. В последовательной схеме при резонансе наблюдается максимальный ток при минимальном импедансе, в параллельной схеме - наоборот.

Точка перехвата - это экстраполяция мощности искажений к уровню мощности управляющих сигналов при отсутствии компрессии сигналов. Обычно считается, что точки перехвата в PIN диодах связаны с временем жизни неосновных носителей. Отношение накопленного заряда к последовательному сопротивлению диода является основным фактором, характеризующим искажения в PIN диодах.

Согласование по фазе и амплитуде является важной характеристикой многоканальных ключей, поскольку она определяется конструкцией всего устройства и параметрами отдельных каналов: их длиной и потерями в них. Поэтому, как правило, для каждого канала определяются свои фазовые и амплитудные характеристики.

-ЧШ-о-

последовательвый ключ

параллельный

ключ -О-

Рис. 3.2. Типовые схемы подключения ключей: а - последовательная

схема, б - параллельная схема (Z - импеданс)

3.3. Принципы переключения

На рис. 3.2 показаны две основные схемы подключения ключей. Для обеспечения электрического контакта могут использоваться либо механические ключи, такие как реле, галетные переключатели, пробки или переключатели мгновенного действия, либо твердотельные ключи, построенные на полевых транзисторах, монолитных СВЧ микросхемах и т. д. При кажущейся простоте механизма для разрыва электрической цепи, используемого в механических ключах, все не так однозначно при ближайшем рассмотрении. Например, установившийся ток в открытом состоянии ключа от источника к нагрузке изменится, как только контакт ключа начнет перемещаться. При этом плотность тока может стать такой высокой, что часть металлической поверхности расплавится за счет резистивного нагрева. Образовавшаяся газообразная плазма из жидкого металла сохранит электрическую связь даже при физическом разделении контактов ключа. Это может привести к электрическому пробою или возникновению электрической дуги при рассоединении контактов в зоне нескольких микрон, что критично для микропереключателей в микросистемах (см. раздел 3.6). В полупроводниковых ключах при разрыве цепи не может образоваться электрическая дуга, поскольку они имеют совсем другой принцип работы. Полупроводники могут проводить ток только при условии движения носителей заряда, либо дырок, либо электронов, обеспечиваемого источником питания. При отключении источника питания полупроводниковый материал ключа возвращает свои диэлектрические свойства, движение носителей заряда останавливается, следовательно, электрический ток прекращается, это означает, что ключ перешел в выключенное состояние. . . . ; , ;

3.3.1. Механические переключатели

Примерами механических ключей являются тумблеры, кнопочные переключатели, реле и т. д. В реле электрический ток, протекающий через катушку, приводит к появлению электромагнитной силы, вызывающей физическое замыкание или размыкание металлических контактов. Наиболее распространенными переключающими элементами являются якоря, которые бывают разнообразной формы, что обеспечивает возможность их применения для решения широкого круга задач. Из-за механического перемещения контактов реле страдают от следующих недостатков: короткого срока службы, разрушения электрических контактов и низкой износоустойчивости. Все эти причины ведут к их быстрому выходу из строя.

3.3.2. Электронные ключи

Для построения схем электронных переключателей применяются разнообразные элементы, такие как диоды, биполярные и полевые транзисторы. На рис. 3.3 показаны две основные конфигурации схем ключей на полевых транзисторах (ПТ). Переключение полевого транзистора из открытого в закрытое состояние и наоборот происходит при подаче соответствующего напряжения на его затвор. Обычно RdRds, а Vin меньше 100мВ. Как показано на эквивалентной схеме, когда Vgs = О, ключ замкнут, и выходное напряжение практически равно входному. Когда Vgs становится отрицательным {Vgs < VgsoJj), ключ размыкается и выходное напряжение становится равным нулю. В схеме параллельного ключа при Vgs = О, ключ замкнут. Из-за делителя напряжений напряжение на выходе схемы будет практически равно нулю. При подаче отрицательного Vgs {Vgs < Vcsoff), ПТ закрывается, следовательно, ключ размыкается (рис. 3.3 г), и напряжение на выходе становится равным входному.

, 3.4. Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи

В устройствах связи ВЧ ключи используются для перенаправления сигналов, в цепях согласования импеданса и для изменения коэффициента усиления усилителей. Телекоммуникационные системы работают в широком интервале частот, перекрывающем ВЧ и СВЧ диапазоны. Они используют диапазон AM (несколько МГц), коммерческий диапазон FM (88... 108МГц), диапазон для работы воен-

ных радиостанций и диапазон мобильной связи (900Мгц и 2.4ГГц), а также частоту 2.45 ГГц (для обеспечения работы устройств по технологии Bluetooth, обеспечивающей беспроводную связь разнотипных микропроцессорных систем в локальной сети). В дополнение к этому существует несколько разработок систем, работающих в Ки-диапазоне (12.4... 18 ГГц) и в W-диапазоне (75... 110ГГц), для которых необходимо применение ВЧ ключей очень высокого качества. В каждом частотном диапазоне используются ключи, изготовленные по разным технологиям (Yao, 2000). Быстрый прогресс в области персональных устройств связи диктует требования по уменьшению размеров мобильных систем и их комплектующих.

-АЛЛАЛг

-о K,L

-о

Рис, 3.3. Схемы ключей на полевых транзисторах (ПТ): а - схема последовательного ключа, б - эквивалентная схема последовательного ключа, в - схема параллельного ключа, г - эквивалентная схема параллельного ключа. Здесь Vqs - напряжение на затворе, V,n и Vout - входное и выходное напряжения, Rd - сопротивление смещения цепи, Rds - сопротивление сток-исток ПТ.

ВЧ и СВЧ ключи должны выполнять требования не только по частоте, но и по коммутируемой мощности. Например, ключи на кремниевых ПТ обладают отличной коммутируемой мощностью на