Широкополосное высокочастотное устройство коммутации
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
ППФ фильтр на встречных штырях
ЕМ анализ в среде MWO происходит медленно. Для ускорения вычислений существует несколько способов: уменьшение размеры сетки, вычисление нескольких фильтров на многоядерных машинах и использование технологий NVIDIA CUDA. MWO не поддерживает ускорение с помощью видеокарт, а вычислительные способности некоторых машин оставляют желать лучшего. Остаётся вариант с использованием параллельного вычисления ППФ на нескольких машинах и уменьшение размера сетки.
На рисунках 2.9 и 2.10 изображено сравнение после оптимизации с топологическим ЧФ в ЕМ анализе среды MWO.
а)б) в)Рисунок 2.8 - Сравнение топологического и идеального ППФ: а) АЧХ и график КСВ фильтра Ф1сравнение топологического с; б) АЧХ и график КСВ фильтра Ф2; в) АЧХ и график КСВ фильтра Ф3Рисунок 2.9 - Сравнение топологического и идеального ППФ АЧХ и график КСВ фильтра Ф42.4 Выбор устройств коммутации
В устройствах, работающих в диапазоне СВЧ, применяются коммутаторы, реализованные на p-i-n диодах (Рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 - Схема электрическая принципиальная коммутатора 1-2
Структура типичного pin-диода (Рисунок 2.11 а) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типичной , а в ряде приборов вплоть до ) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда . Толщина базы лежит в пределах , диаметр мезаструктур .
а) б) в)Рисунок 2.11 - а) структура p-i-n-диода; б) эквивалентная схема p-i-n-диода при работе в прямом направлении; в) эквивалентная схема p-i-n-диода при работе в обратном направленииСпецифические особенности pin-структуры, существенные для работы диодов, заключаются в следующем:
При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением
.(2.11)
Диффузионная емкость pi- и ni-переходов полностью их шунтирует, таким образом эквивалентная схема сводится к рисунку 2.12 б, где R1(rпр) - сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (2.11) может выполняться уже при частоте f: 10-20 МГц и заведомо справедливо на СВЧ.
При обратном смещении эквивалентная схема pin-диода представляется в виде рисунка 2.12 в, где R1(rобр) - сопротивление i-базы в немодулированном состоянии, равное
.(2.12)
Реально rобр =0,1-10 кОм.
При прямом смещении вследствие двойной инжекции дырок из p+-области и электронов из n+-области, вся база заливается носителями и в эквивалентной схеме (Рисунок 2.12 б) выполняется
.(2.13)
Значения rпр в номинальном режиме близки к величине ~ 1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к
.(2.14)
Пробой pin-структуры при отсутствии поверхностных утечек определяется соотношением
.(2.15)
где Eкр - критическое поле, обычно принимается Eкр=2х105 В/см. Таким образом,
.(2.15а)
При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе определяется соотношением
.(2.16)
поэтому величина определяется раiетно по паспортному значению Qнк.
При резком переключении с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасывания накопленного заряда, длительность которой равна
.(2.17)
где Iрас - обратной ток рассасывания; длительность второй фазы - восстановления обратного сопротивления - определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к
.(2.18)
Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ pin-диод (без учета паразитных параметров C и L) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении rпр значительно меньше, чем при обратном rобр, при этом rпр зависит от прямого тока.
Такая схема обладает недостатками:
дискретные элементы (катушки и конденсаторы) уменьшают надежность устройства;i-n-диоды обладают паразитными емкостью и индуктивностью (Рисунок 2.10 в), которые влияют на характеристику устройства;
необходимость применения балочных выводов в качестве теплоотводов, что в значительной степени снижает прочность устройства.
Оптимальной схемой устройства коммутации для разработанного УЧС является схема на полевых транзисторах (Рисунок 2.12).
Преимущества коммутаторов, выполненных на полевых транзисторах, заключаются в отсутствии дискретных элементов в схеме и в том, что управление происходит с помощью напряжения.
Рисунок 2.12 - Схема электрическая принципиальная коммутатора 1-2
При рассмотрении всех доступных типов коммутаторов выбор пал на интегральную схему коммутатор HMC641. Параметры HMC641 следующие:
рабочий диапазон частот: DC - 18 ГГц;
изоляция: 42 дБ на 12 ГГц;
вносимые потери: 2.1 дБ на 12 ГГц;
габариты: 1.92х1.60х0.10 мм.
Судя по параметрам, представленным производителем, HMC641 предлагает идеальный вариант коммутатора: 1) малые размеры, что при СВЧ диапазоне очень важно 2) малые потери 3) широкий диапазон частот.
На рисунке 2.13 показана модель устройства с коммутаторами.
Рисунок 2.13 - Модель разрабатываемого устройства с коммутаторами
2.5 Конструкция УЧС
Устройство состоит из 4 фильтров (Рисунок 2.15), выполненных на отдельных платах, размерами 12х20 мм. Расположены в отдельных секциях, по обоим сторонам которых экранные проводники (стенки). Такое располо