Коммутационные диоды СВЧ.

Коммутационные диоды СВЧ. Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры уже с 50-х годов нашли широчайшее применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров. Наиболее уверенно pin-диоды заняли свою нишу в ВЧ- и СВЧ-диапазонах для управления уровнем и (или) фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности, а также в аттенюаторах ВЧ-диапазона. Кроме того, одной из причин современного интереса к СВЧ pin-диодам является резкое увеличение спроса на бескорпусные приборы. В этих сферах pin-диоды практически не имеют конкурентов, а из-за фактической невозможности их совмещения на чипе с другими элементами не вытесняются и интегральными схемами.

В отечественной практике pin-диоды СВЧ-диапазона получили название переключательных и ограничительных (в зависимости от рода использования), в ВЧ-диапазоне их называют коммутационными и регулируемыми резистивными (для аттенюаторов). В зарубежной практике в их названии сохранен конструктивно-технологический маркер «PIN-Diodes».

Наиболее распространены p-i-n-диоды, у которых сильнолегированные торцевые р- и n-слои полупроводниковой пластинки разделены высокоомной областью с электропроводностью собственного типа (базой диода). Принципы работы p-i-n-диоды были подробно рассмотрены в курсе дисциплины «Схемотехника».

P-i-n диоды позволяют управлять прохождением колебаний в трактах СВЧ при импульсной мощности до 100 кВт и средней мощности до 1 кВт. Однако инерционность р-i-n-диодов ограничивает их быстродействиепо управлению. Время включения диода, определяемое скоростью заполнения i-слоя носителями заряда, составляет 0,1..1 мкс. Время перехода диода в закрытое состояние, обусловленное вытягивание запасенного заряда из i-слоя, существенно больше.

Значительно более быстродействующими являются p-n-диоды, время переключения которых не превышает наносекунд. Однако в связи с тем, что эти диоды имеют точечный контакт, они могут коммутировать лишь малые уровни мощности.

О трансформации сопротивлений коммутационных диодов. Коммутационные диоды обычно включают в схемы устройств СВЧ через трансформирующие четырехполюсники. Двум возможным состояниям диода 1 и 2 соответствуют комплексные входные сопротивления (нормированные) и , образующие так называемую пару сопротивлений. Можно добиться, чтобы входное сопротивление четырёхполюсника в обоих состояниях было активным.

Качество коммутационного диода К оценивается отношением:

. (4.1)

Для переключающих р-i-n-диодов на сантиметровых и дециметровых волнах характерно значение параметра качества 10³—10⁴. Параметр качества является универсальной характеристикой, позволяющей сравнивать переключающие свойства управляющих элементов различной природы. Именно этот параметр определяет наименьший достижимый уровень вносимого ослабления мощности в управляющих устройствах СВЧ с неидеальными коммутационными элементами.

Выключатели СВЧ на коммутационных диодах.Простейший выключатель содержит один коммутационный элемент с парой сопротивлений (r, Кr), установленный параллельно или последовательно в линию передачи, как показано на рисунке 4.1,а,б, причем сопротивление должно быть подобрано в соответствии с неравенствами , .

Ослабление мощности в параллельном выключателе в двух состояниях коммутационного элемента определяется формулами:

, , (4.2)

где и — элементы матрицы рассеяния выключателя при двух состояниях коммутационного элемента (закрытое и открытое, или состояние пропускания); ослабления L₃ и L_п связаны соотношением:

. (4.3)

Таким образом, параметр качества коммутационного элемента действительно определяет предельно достижимые характеристики выключателя: лишь одна из величин L₃ или L_п при расчете выключателя может быть задана произвольно, а другая величина жестко связана с первой. Значения величин L₃ и L_П можно изменять путем подбора величины r. Например, выключатель может управлять максимальной мощностью СВЧ, если в каждом его состоянии одинаковы мощности потерь в коммутационном элементе. Можно показать, что это требование удовлетворяется при и вносимые ослабления оптимизированного таким образом выключателя составляют , . При К=10³ это дает L_З=30,3 дБ и L_П = 0,27 дБ. Аналогичные результаты имеют место и для выключателя по последовательной схеме.

Примером конструктивной реализации выключателя для прямоугольного волновода с волной Н₁₀ является резонансная диафрагма со спаренным p-i-n-диодом, показанная на рисунке 4.2. При открытом состоянии диодов диафрагма закорочена и отражает практически весь сигнал. При закрытом состоянии диодов сигнал проходит через диафрагму почти без потерь.