У Ш 777кмУ777777

разделительный конденсатор

У /<

смещение

разделительный юнденЁашф

I. , (б)

Рис. 3.8. Последовательные микрополосковые ключи: а - однополюсный ключ на одно направление, б - однополюсный ключ на два направления. Репродукция из книги К. Chang, 1994, Microwave Solid-state Circuits and Applications, John Wiley, Chichester, UK, с разрешения Wiley, ©1994 Wiley

В последовательном ключе (рис. 3.7 a) прямое смещение диода (открытое состояние) приводит к падению его импеданса, в результате чего сигнал почти беспрепятственно проходит от входа к выходу (ВЧ ключ замкнут). При обратном смещении диода (закрытое состояние) его импеданс резко возрастает, и входной сигнал отражается (ВЧ ключ разомкнут). В параллельном ключе (рис. 3.76) при прямом смещении диод находится в низкоимпедансном состоянии (открытое состояние), что приводит к закорачиванию сигнальной линии (ВЧ ключ разомкнут). При обратном смещении диода (закрытое состояние) влияние его высокого импеданса на линию пе-

/о + 1

редачи незначительно, и сигнал проходит от входа к выходу (ВЧ ключ замкнут). При последовательном способе включения диода ключ обладает отличной развязкой по входам/выходам, поскольку в выключенном состоянии импеданс диода увеличивается за счет индуктивного сопротивления. Индуктивность диода также уменьшает вносимые потери.

Ключи на PIN диодах применяются для (ВаЫ, Bhartia, 1988, Chang, 1990, Street, 2000):

- переключения линий фа- * зовращателя внутри фа-зоуправляемой решетки антенны, как показано на рис. 3.9. Изменение фазового сдвига происходит при переключении сигнала с одной линии на другую, при этом каждая линия имеет разную длину:

out

Рис. 3.9. Схема использования PIN диода для переключения линий фазовращателя

1о и (Iq -\- I), ЧТО приводит к появлению дополнительной задержки /31, где /3 - постоянная распространения ВЧ сигнала в определенной среде;

- защиты приемника от передатчика в радарных системах. Здесь ключ используется в качестве изолятора;

- соединения нескольких узкополосных устройств для создания широкополосной системы;

- управления прохождением сигнала в цифровых модуляторах.

3.4.3. Полевые транзисторы с МОП структурой затвора (MOSFET) и монолитные СВЧ интегральные схемы (MMIC)

До серед11ны 80-х годов двадцатого века в быстродействующих СВЧ Системах использовались только ключи на PIN диодах. Далее появились ключи на GaAs-полевых транзисторах, обладающие большим быстродействием, чем PIN ключи, что объясняется более высокой подвижностью основных носителей в GaAs. В настоящее время разработаны монолитные СВЧ переключатели на основе MOSFET транзисторов. По сравнению с PIN диодами GaAs-полевые транзисторы обладают более высоким сопротивлением в открытом состоянии и большей емкостью в закрытом состоянии. Поэтому при разра-

два направления (ОПДН). В схеме ОПОН ключа (рис. 3.8 а) сигнал проходит через линию при прямом смещении диода. В схеме ОПДН ключа при положительном смещении диода сигнал проходит через линию от порта 1 на порт 2. Если напряжение смещения станет отрицательным, сигнал пойдет от порта 1 на порт 3 (рис. 3.8 6).

смещение

ботке ключей и фазовращателей на основе GaAs полевых транзисторах необходимо принимать во внимание их конечное сопротивление в открытом состоянии (ВаЫ, Bhartia, 1988).

Ключи на полевых транзисторах имеют три вывода. В качестве управляющего входа используется затвор ПТ. Для замыкания ключа, т. е. получения состояния с низким импедансом, необходимо подать на затвор ПТ напряжение, равное нулю, а для размыкания ключа (высокоимпедансного состояния) - напряжение на затворе ПТ должно быть больше напряжения отсечки (ВаЫ, Bhartia, 1988, Browne, 1989). Ключам на полевых транзисторах не требуется смещение по постоянному току. Следовательно, при анализе таких ключей можно ограничиться рассмотрением только пассивного режима работы (Ayali, 1982). Сопротивление ключа в замкнутом состоянии определяется поперечным сечением токового канала (Ayali, 1982). Ключи на полевых транзисторах являются важной частью монолитных СВЧ ИС, которые применяются в переключаемых линиях (Ayali, 1982, Sokolov et al, 1983), в нагруженных линиях(Ап(1г1со8, ВаЫ, Griffin, 1985), в проходных фазовращателях (Schindler, Miller, 1988), в приемниках/передатчиках (Ayali, 1983, Lau et al, 1988) и в однополюсных двунаправленных переключателях (Schindler, Morris, 1987). На рис. 3.10 и 3.11 показаны варианты некоторых монолитных СВЧ переключателей. Модель SW-229 потребляет 1 мА ток от источника питания ±5 В и обеспечивает время переключения 175 нс при длительности переходных процессов 20 не. Эта модель работает в частотном диапазоне 0... 2 ГГц.

Рис. 3.10. а - корпус микросхемы, б - монолитная СВЧ ИС однопополюс-ного двунаправленного переключателя. Репродукция из книги J. Browne, (1989), ((Switches perform high-frequency signal routing . Microwaves and RF (July):. 125-132, с разрешения Penton Media, Adams-Russel Electronics, Anzas Div, Burhngton, MA

Рис. 3.11. а - однофазный двунаправленный переключатель с ТТЛ упра-

влением фирмы Daico Industries (модель DS0632), монолитная

-? с СВЧ ИС переключателя SP5T фирмы Tachonics Corporation. Ре-

I , продукция из книги J. Browne, (1989), ((Switches perform high-

. , * \ frequency signal routing*, Microwaves and RF (July): 125-132, с

разрешения Penton Media, Adams-Russel Electronics, Anzas Div,

/,:f; Burhngton, MA

Ha рис. 3.3 приведены схемы последовательных и параллельных ключей на полевых транзисторах. В обоих схемах ключи управляются при помощи напряжения на затворе Vgs- Кремниевые полевые транзисторы хорошо работают с мощными низкочастотными сигналами, но с повышением частоты их рабочие характеристики резко ухудшаются. GaAs-полевые транзисторы (MOSFET) и PIN диоды используются для работы с маломощными ВЧ.

В гибридных СВЧ ИС активные компоненты с сосредоточенными параметрами и распределенные элементы схем на планарной линии передач, обычно микрополосковой, соединяются методом пайки или скрутки проводами. Однако монолитные СВЧ ИС получили более широкое распространение, поскольку в них активные и пассивные компоненты изготавливаются одновременно на полуизоляционной полупроводниковой подложке (например, GaAs). Такой подход устраняет необходимость крепления дискретных компонентов и уменьшает потери, связанные с внутренними проводными соединениями.

Достоинствами монолитных СВЧ ИС являются низкая стоимость, миниатюрные размеры, простота корпуса, надежность, возможность автоматизированного тиражирования и многофункциональность. По сравнению с ключами на PIN диодах монолитные СВЧ ИС работают в более широкой полосе частот, имеют более низкое потребление энергии, большую скорость переключения и меньшую длительность переходных процессов. Но они обладают большими вносимыми потерями.

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

Для работы с сигналами с частотой выше 1 ГГц такие твердотельные переключаюшие устройства не очень подходят, поскольку имеют большие вносимые потери во включенном состоянии (обычно 1... 2 дБ) и плохой коэффициент развязки в выключенном состоянии -20... -25 дБ. Поэтому для работы с такими сигналами разрабатываются специальные микросистемы, имеющие в своем составе ВЧ микропереключатели, рассмотрение которых начнется в следующем разделе.

3.4.4. Переключатели в ВЧ микросистемах

Прогресс в области технологий обработки кремния во второй половине двадцатого века привел к значительному улучшению технических характеристик современных компьютеров. В состав компьютеров входят миллион транзисторов, включающихся и выключающихся в соответствии с управляющими сигналами. Таким образом, можно сказать, что сам компьютер представляет собой высоко интегрированный набор ключей. Но для ВЧ систем такие быстродействующие твердотельные ключи не подходят, поскольку не могут работать с мощными сигналами и обладают большими резистивны-ми потерями. Электромеханические ключи, хотя и являются силовыми устройствами, но из-за медленной скорости переключения годятся для использования в ВЧ системах только в нижнем диапазоне частот. Микропереключатели, используемые в ВЧ микросистемах, объединили в себе достоинства и твердотельных, и электромеханических ключей, при этом, избежав многих их недостатков.

Почти все микросистемы используют в качестве основного материала кремний, поэтому и большинство технологий изготовления микросистем разработаны на базе традиционных технологий обработки кремния. Всем хорошо известно, что кремний обладает уникальными механическими свойствами, позволяющими изготавливать миниатюрные высокоточные механические устройства и компоненты. Благодаря прогрессу в области технологий производства микросистем в конце двадцатого века, стало возможным изготовление механических микропереключателей (микропереключателей), которые обладают низкими резистивными потерями, незначительным потреблением энергии, хорошей развязкой по входам/выходам и большей коммутируемой мощностью по сравнению с полупроводниковыми ключами. Разработка независимых микропереключателей позволила СВЧ устройствам и компонентам выйти на потребительский рынок, значительно улучшив технические характеристики систем при снижении их стоимости.

3.4- Высокочастотные и сверхвысокочастотные ключи

С технологической точки зрения главным недостатком традиционных электромеханических ключей является невозможность их массового производства. Применив для их изготовления нанотехно-логии, используемые при формировании микросистем, обладающие хорошей воспроизводимостью, легко наладить тиражирование таких микропереключателей. К тому же при таком подходе их легко интегрировать с элементами цепей управления, реализованными традиционными методами обработки кремния. Микропереключатели, построенные с применением нанотехнологий, не только потребляют меньше электроэнергии, являются более быстродействующими и обладают меньшими размерами и весом, они также имеют высокое отношение импеданса в выключенном и включенном состоянии. Первые сообщения об изготовлении микропереключателей появились в 1978 году (Petersen, 1978, 1979). В этой работе описывался микропереключатель, реализованный на кремниевой подложке, в котором переключающим элементом была мембрана из диоксида кремния (Si02), деформируемая за счет электростатических сил.

Для ВЧ ключа самым критичным узлом является исполнительный элемент, что объясняется его повышенной механической сложностью и подверженностью к износу. В микропереключателях используются следующие принципы действия исполнительных механизмов: электростатический, электромагнитный, магнитный, пьезоэлектрический и термический. Из-за низкого энергопотребления самым распространенным является электростатический исполнительный механизм.

По сравнению с ключами на PIN диодах микропереключатели обладают несколькими преимуществами:

- малым потреблением энергии в режиме переключения (в среднем несколько микроджоулей),

- очень высоким отношением емкостей во включенном и выключенном состоянии.

Однако у них есть серьезный недостаток: низкая скорость пере-мючёН'ия. В настоящее время возможно изготовления микропереключателей, у которых время переключения составляет 1... Юмкс, НТО значительно хуже, чем у современных твердотельных ключей. Снижение напряжения срабатывания и повышение коммутационной мощности ВЧ сигнала также являются для микропереключателей актуальными проблемами. В таблице 3.1 приведены сравнительные характеристики некоторых ключей. На рис. 3.12 представлены гистограммы, позволяющие сравнить наиболее распространенные не-