сокий коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и небольшие вносимые потери. В модели RP-A82 уровень вносимых потерь составляет 0.07 дБ, а КСВН равен 1.1 : 1 при уровне развязки входа от выхода 70 дБ на частоте 200 МГц. На рис. 3.4 показаны волноводные электромеханические переключатели фирмы Advanced Switch Technology, Канада, управляемые постоянным напряжением. Низкочастотные коаксиальные переключатели фирмы Micro Communications, Manchester, NH, могут выдерживать пиковую мощность 1500 кВт в диапазоне от О (постоянный сигнал) до 800 МГц. На рис. 3.5 показаны коаксиальные переключатели, работающие в диапазоне 0... 26 ГГц, обладающие временем переключения порядка 15 мс. В программах по освоению космоса, таких как Pathfinder, Geosat, Immersat 3, Intersat, используются СВЧ ключи фирмы Dow-Key (www.dowkey.com/products/). Более расширенный список производителей ВЧ и СВЧ переключателей приведен на сайте www.dowkey.com/products. Выбор ВЧ переключателей в основном зависит от типа используемой платформы и конкретного приложения.

Под механическим переключением подразумевает- JL ся раз рыв/соединение линии передач или электрических проводов при помощи электромагнитного реле, управляемого специальным сигналом. Существуют механические ключи с различной схемой включения/отключения. Например, в устройствах с блокировкой ключ остается в установленном состоянии даже после того, как отключа-ют управляющее напряжение. Такое положение ключ

удерживает до прихода следующего управляющего сигнала. Также существуют нормально открытые ключи, в которых до прихода напряжения управления все выходы отсоединены от входов. В дополнение к этому разработаны ключи, которые открыты только тогда, когда подано управляющее напряжение. Как только сигнал управления отключается, ключи возвращаются в закрытое положение.

Рис. 3.4. Волноводные переключатели (напечатано с разрешения Advanced Switch Technology, Ontario, Canada www.astswitch.com)

7 - 10482

низких частотах, а при повышении частоты этот параметр резко ухудшается (Ota et al, 1995). Ключи на GaAs-полевых транзисторах с МОП структурой затвора (MOSFET) (Ayali, 1982, Caverly, 1993, Gopinath, Rankin, 1985, Slobodnik et al, 1994) и регулируемых резистивных диодах (PIN) (Alekseev, Pavlidis, 1998, Kobayashi et al, 1993), (Putnam et al, 1994) работают достаточно хорошо на высоких частотах, но только при небольших амплитудах сигнала. Следовательно, при работе на частоте больше нескольких ГГц твердотельные ключи имеют большие вносимые потери (порядка 1...2дБ) и плохой коэффициент развязки (и -20. ..25 дБ). Отсюда видна потребность разработки альтернативных ключей, и современные технологии изготовления микросистем уже продемонстрировали некоторые успехи в этом направлении.

Выбор ключа сильно зависит от уровня сигнала и требуемого быстродействия. И механические, и электронные ключи имеют как свои преимущества, так и свои недостатки. В качестве переключающих устройств в ВЧ и СВЧ микросистемах чаще всего используются твердотельные полупроводниковые ключи. Это связано с их технологической совместимостью и низкой стоимостью изготовления. Поэтому перед рассмотрением ключей для ВЧ микросистем будут описаны разнообразные ВЧ переключающие устройства и перепек- тивы их развития.

3.4.1. Механические высокочастотные переключатели

Электромеханические переключатели широко используются в системах, работающих в различных частотных диапазонах радио и телевизионного вещания, для передачи сигналов высокой мощности. Такие устройства, как правило, снабжаются либо волноводом, либо портом с коаксиальными выводами. Ряд фирм (www.microlab.fxr.com, www.mcibroadcast.com, www.elmika.net, www.walmba.org, www.dowkey. com, www.astswitch.com, www.macom/products) предлагают электромеханические ВЧ и СВЧ ключи, обладающие различными характеристиками и работающие в разных частотных диапазонах, с уровнем мощности от кВт до МВт. Например, ключ RP-A82 фирмы Mi-crolab/FXR (www.microlab.fxr.com) представляет собой волноводное переключающее устройство, рассчитанное на среднюю мощность 50 кВт, пиковую мощность 5 МВт, работающее в частотном диапазоне 2.9... 3.1 ГГц. Поскольку такие устройства работают с сигналами, обладающими высокой мощностью, они должны иметь вы-

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

Рис. 3.5. Коаксиальные переключатели (напечатано с разрешения DBP Microwave, Pasadena, CA www.dbp4switches.com)

Типовой электромеханический ключ повьппенной надежности состоит из электромагнита для воздействия на якорь и пружины, возвращающей его в исходное положение. Такой ключ всегда находится в нормальном положении (нормально замкнутом или нормально разомкнутом) до тех пор, пока через катушку не потечет ток, вызывающий его срабатывание. Ключ вернется в исходное положение, как только катушка будет обесточена. Такие переключающие устройства находят свое применение в системах, где возможны перебои в линии электропитания.

Во многих системах в случае нахождения ключа в отключенном состоянии (электрическая линия разорвана) не существует альтернативного пути для распространения ВЧ сигнала. Для предотвращения переотражения ВЧ сигнала обратно к источнику в схему вводятся специальные устройства, например, циркуляторы, перенаправляющие энергию ВЧ сигнала по искусственно созданному пути. Для поглощения мощности ВЧ сигнала во время разрыва электрической цепи к выводам ключа присоединяются внутренние нагрузочные элементы, как правило, 50-ти омные резисторы (Losee, 1997).

Несмотря на то, что многие из рассмотренных переключателей обладают отличными ВЧ характеристиками - низкими вносимыми потерями и высоким коэффициентом развязки обычно вплоть до частоты нескольких сотен МГц, они имеют очень низкое быстродействие. Обычно время переключения таких'ключей составляет 2.. .50мс, и они рассчитаны только на несколько миллионов переключений. Это обусловлено тем, что электромеханические переключатели осуществляют реальный разрыв и соединение линии передач внутри устройства. Максимальное быстродействие таких ключей (их скорость переключения) определяется механической резонансной частотой подвижных частей. Для случаев, где требуется большее быстродействие, предпочтительнее использовать полупроводниковые ключи, рассматриваемые в следующем разделе.

3.4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи

3.4.2. Высокочастотные переключатели на основе PIN-ДИОДОВ

Как указывалось выше, электромеханические ключи обладают плохим быстродействием. В случаях, где быстродействие более важно, чем коммутируемая мощность используют твердотельные переключатели. Быстродействие электронных ключей на порядок выше, чем у механических. Более того, габариты электронных переключателей намного меньше размеров механических ключей, работающих на тех же частотах. В электронных ключах в качестве переключающих элементов используются полупроводниковые компоненты: либо диоды, либо полевые транзисторы. Наиболее распространенными переключающими элементами являются PIN диоды, которые могут подключаться либо параллельно, либо последовательно, либо в виде последовательно-параллельной комбинации. При включении диодов в ВЧ тракт, их последовательное соединение обладает низкими вносимыми потерями в широком частотном диапазоне, тогда как параллельное соединение обеспечивает хороший коэффициент развязки. Когда необходим компромисс между хорошей развязкой по входам/выходам и низким уровнем вносимых потерь, применяют последовательно-параллельное соединение PIN диодов.

Полупроводниковые устройства, к которым относятся и PIN диоды, строятся на основе управляемого полупроводникового перехода. Этот переход может быть включен или отключен при помощи соответствующего напряжения смещения. PIN диод при прямом смещении выполняет роль низкоомного резистора, а при обратном смещении превращается в конденсатор с низким уровнем потерь. Таким образом, меняя напряжение смещения, можно использовать PIN диод в качестве ВЧ переключающего устройства, либо для направления сигнала по требуемому пути, либо для подключения сигнала к соответствующему выходу. Такой простой переключательный механизм используется во многих ВЧ схемах и приложениях. PIN диоды часто применяются при построении ВЧ ключей и фазовращателей. Они также используются в фазоуправляемых антенных решетках.

Свое название PIN диоды получили из-за своего профиля, состоящего из высоколегированной внутреннего i-слоя, распо.10женного между слоями с п- и р-проводимостью. При прямом смещении диода пары электрон-дырка перемещаются в i-зону. Эти пары носителей заряда рекомбинируют не сразу, вызывая накопление заряда в i-области, что приводит к уменьшению удельного сопротивления.

Q = IfXT.

(3.1)

PIN диоды похожи на обычные р-п диоды, но в отличии от них обладают малой емкостью перехода, что объясняется большей шириной обедненной зоны. Чем ниже емкость, тем выше импеданс диода при обратном смещении и тем выше коэффициент развязки в выключенном состоянии. Этот эффект позволяет использовать PIN диоды в качестве ВЧ переключателей. На рис. 3.6 а приведена вольт-амперная характеристика PIN диода, а на рис. 3.6 6 показаны его эквивалентные схемы во включенном и отключенном состоянии. Когда диод включен, последовательное сопротивление Ron имеет очень низкое значение. В отключенном состоянии диод обладает очень большой емкостью. Отметим, что сопротивление и емкость здесь включены последовательно, тогда как в эквивалентной схеме ключа на полевом транзисторе они параллельны.

включенное состояние

PIN диод

.0 Я

o-vW-If-

о-WV-о

Рис. 3.6. а - вольтамперная характеристика PIN диода, б - эквивалентные схемы PIN диода во включенном и выключенном состоянии. Здесь: / - ток. С, - емкость, Ron - последовательное сопро-

тивление диода во включенном состоянии, Rs - сопротивление диода в выключенном состоянии, V - напряжение, Vb и Vth - напряжения смещения, Zd - импеданс

В зависимости от технологии изготовления и структуры PIN диоды делятся на две категории: объемные и эпитаксиальные диоды. В объемных диодах сверху и снизу слабо легированной подложки из кремния п-типа методом диффузии наносятся слои материала р-и п-типа. Таким образом формируется PIN структура. Типичная толщина i-зоны объемного диода составляет 100... 250 нм, а продолжительность жизни носителей - 300.. .6000 не. В эпитаксиаль-ных диодах на сильно легированной подложке п-типа выращивается тонкий эпитаксиальный слой (i-зона). На верхнюю часть подложки методом диффузии наносится тонкий слой сильно легированного

материала р-типа. Малая толщина (3.. .20нм) и неоднородности в кристаллической решетке i-зоны приводят к более короткой продолжительности жизни неосновных носителей (5... 300 нс). Относительно низкое сопротивление i-зоны эпитаксиальных диодов делает их привлекательными для применения в маломощных переключающих устройствах. Нижний предел рабочей частоты ключа определяется продолжительностью жизни неосновных носителей г (Chang, 1990):

(3.2)

В большинстве СВЧ систем управляющее напряжение на ключи подается с выхода схем, построенных на основе ТТЛ элементов. Поэтому быстродействие диода определяется быстродействием ТТЛ схем и величиной управляющего напряжения. Хотя длительность переходных процессов в PIN диодах составляет порядка 5 нс, из-за задержек, связанных с работой схем управления, обычно равных к. 30 НС, время переключения таких ключей будет гораздо вьппе, чем время нарастания/спада сигнала в самом ключе.

ВЧ вход

ВЧ выхо

ВЧ выход -

, смешение

разделительный конденсатор

последовательный PIN ключ (а)

параллельный PIN ключ (б)

Рис. 3.7. Варианты ключей на базе PIN диодов: а - последовательный J ключ, б - параллельный ключ. Репродукция из книги A.M. Street,

2000, RF switch design.), IEEE Training Course 2000: How to Design . iJF сггсм^.5,публикапия 2000/027, IEEE, Piscataway,NJ,USA:4-4/7 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE

Ha рис. 3.7 показаны варианты последовательного и параллельного включения PIN диодов в схемах ключей. В параллельных и последовательных ключах включение диодов определяется направлением передачи сигналов. На рис. 3.8 показано последовательное включение диодов при построении микрополосковых однополюсных ключей на одно направление (ОПОН) и однополюсных ключей на

Количество накопленного в i-зоне заряда равно произведению тока прямого смещения на время жизни неосновных носителей г: