ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОММУТАТОРЫ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАКТОВ

Б. в. СЕСТРОРЕЦКИЙ

1. Применение коммутационных устройств в антенно-волноводной технике

В антенно-волноводных трактах современных радиолокационных, радионавигационных и радиоастрономических систем в последние годы все шире используются различные коммутационные устройства.

В ранних радиолокационных станциях периода 40-50-х годов для коммутации использовались устройства двух типов: механические (в основном для переключения нескольких антенн и для отключения приемника от антенны при выключении станции) и газоразрядные (для обеспечения работы передатчика и приемника на общую антенну).

По мере роста требований к радиоэлектронной аппаратуре механические и газоразрядные приборы оказались во многих случаях непригодными для решения новых, более сложных коммутационных задач. Механические устройства не могут обеспечивать коммутацию за время существенно меньшее, чем 10" сек; как правило, эти устройства тяжелы и громоздки. Газовые разрядники защиты приемника, имеющие время восстановления порядка Ю"" сек, оказались малопригодными в импульсных станциях, получающих ответный сигнал с очень малых расстояний, или в стан-ниях, работающих с короткими зондирующими импульсами малой скважности.

Из-за относительно больших вносимых потерь и большой просачивающейся мощности газоразрядные устройства оказались малопригодными для защиты наиболее чувствительных приемников типа квантовых парамагнитных усилителей. Шумовая температура таких усилителей может быть очень малой (10 - 30° К). В то же время включение разрядника, имеющего потери в 0,5 дб, ухудшает шумовую температуру приемного устройства примерно на 30° К.

Применение наСВЧ ферритов привело к прогрессу в технике коммутационных устройств. Основное преимущество ферритовых устройств по сравнению с механическими - уменьшение времени переключения до значений порядка 10""* - 10~* сек. Однако дальнейшее повышение быстродействия ограничивается токами Фуко, противодействующими быстрому проникновению магнитных полей через металлические стенки волноводов. При уменьшении времени переключения до величин порядка Ю"* сек мощность приборов, управляющих переключением, резко увеличивается. В связи с этим для решения некоторых практических задач, когда требовалось время коммутации порядка 10" - 10" сек, ферриты оказались непригодными.

Другим существенным недостатком ферритовых коммутационных устройств является их относительно большой вес и сложность управления. Этот недостаток резко ограничил возможности применения ферритов в сложных малогабаритных коммутационных устройствах бортовой аппаратуры, а также в антеннах с электрическим сканированием луча [1]. В подобных антеннах используются фазовращатели, обеспечивающие ступенчатое в пределах 360° изменение фазы СВЧ сигнала, подводимого к каждому из излучателей антенной решетки. Расстояние между излучателями в решетке равно примерно половине длины волны. При этом фазовращатель должен размещаться на небольшой площади (в трехсантиметровом диапазоне площадь около 2 см). Чтобы антенные решетки имели вес, приемлемый для бортовой аппаратуры, вес отдельного ступенчатого фазовращателя должен быть порядка 10 г.

Для создания СВЧ коммутационных устройств, удовлетворяющих указанным выше жестким требованиям по габаритам, весу и быстродействию, в последние годы начали использоваться полупроводники [2-4]. Разработка полупроводниковых СВЧ коммутационных устройств находится в настоящее время в стадии относительно быстрого развития.

В нашей стране и за рубежом ведутся исследования по созданию коммутационных устройств на большие импульсные (10* - 10" вт) и средние мощности, усгройств миллиметрового диапазона волн, устройств, имеющих микроминиатюрное исполнение, и т. д.

Существенно отметить, что во всех созданных полупроводниковых коммутационных СВЧ устройствах используются эффекты, приводящие в конечном счете к изменению удельной проводимости в отдельных областях полупроводникового монокристалла (характерными примерами являются р - п (ПН)- и р- i -п (ПИН)-структу-туры и т (ТАУ)-диоды) или во всем его объеме (явление низкотемпературного пробоя, пробой зона - зона, ионизация при облучении светом).

2. Коммутационные устройства с использованием /7 -я-диодов

Для коммутации СВЧ сигнала раньше всего начали использовать полупроводниковые р-п-диоды. В таких диодах используются структуры, состоящие из полупроводникового монокристалла Сгермания или кремния), имеющего резко разграниченные области с электронной п и дырочной р проводимостью (рис. 1,а). -Чем больше введено акцепторов Na в Р-область и доноров Nd в Л-область. тем выше проводимость этих областей Оа и о.

Диффузия дырок р и электронов п через границу стыка Р- и N-областей приводит к образованию узкой области (р-п-переход),

в которой существует силь-металл. jjQg электрическое поле Е

(рис. 1,6). Электроны и дырки, возникающие в области d, быстро удаляются

Рис. 1. р - л-структура (а); распределение интенсивности поля Е, концентрации электронов п и дырок р в р - л-переходе (б)

Рис. 2. Эквивалентная схема р - л-структуры для двух рабочих состояний

полем, в результате чего объемная проводимость кристалла в области d оказывается очень малой. Подведение внешнего напряжения позволяет увеличить или уменьшить результирующее поле, что приводит к расширению или уменьшению ширины области d. Для СВЧ сигнала структура рис. 1 с размерами, значительно меньшими длины волны, может приближенно рассматриваться как переменная емкость С (область rf, обедненная носителями), включенная последовательно с сопротивлением г (участки перехода длины / - rf с относительно большой концентрацией носителей).

Схема р-п-структуры для рабочих состояний изображена на рис. 2.

Теория показывает [4], что параметры коммутационных устройств будут тем лучше, чем выше величина параметра

<bCi

(0С2

который назван качеством СВЧ коммутационного диода с р-п-пе-реходом.

Для увеличения качества нужно уменьшать емкость Сх.увеличи-вать емкость С, и уменьшать сопротивления и г-

Для уменьшения увеличивают отрицательное напряжение на диоде в одном из рабочих состояний. Отрицательное напряжение соответствует случаю, когда плюс внешнего исхочника подключен к Л-области (рис. \,а) Максимальная величина U (5-10 б) лимитируется напряжением пробоя {/„р- Для увеличения во втором рабочем состоянии к диоду подводится небольшое, около 1 б, положительное напряжение U.

Для снижения величины нужно сокращать длину / - rf, т. е. стремится к тому, чтобы р-п-переход занимал большую часть толщи кристалла и практически касался внешних металлических контактов (рис. 1, а). Это может быть достигнуто стравливанием лишних слоев полупроводникового кристалла (диоды с тонкой базой) или путем использования кристаллов с относительно малой величиной проводимости Od (Od << Оа). В послсднем случае при достаточно больших и переход имеет ширину rf - /, не зависящую от напряжения U .

Для снижения при положительном смещении U , когда rf<

/, желательно применять структуры с большей проводимостью Od. В результате максимальная величина К может получаться при некотором промежуточном значении oj.

Изготавливаемые в настоящее время германиевые СВЧ переключательные диоды с оптимально выбранными параметрами р-п-пе-рехода имеют в 3-см диапазоне качество К, равное нескольким сотням. В соответствии с формулой (1) качество изменяется пропорционально квадрату длины волны X. Поэтому параметры коммутационных устройств оказываются наилучшими в дециметровом диапазоне. По тем же причинам на основе р-п-переходов не удается создать коммутационных устройств в миллиметровом диапазоне.

Замечательной особенностью р-п-диодов является их исключительное быстродействие (10"* - 10"" сек), не достижимое в других известных СВЧ коммутационных устройствах. Время перехода из одного рабочего состояния в другое (изменение С и г в схеме рис. 2) оказывается в р-п-диодах небольшим вследствие того, что ширина р-п-перехода очень мала (10~ - 10"* см), а скорость движения носителей в сильных полях оказывается относительно большой (- 10 см/сек).

Чем лучше быстродействие диода, тем в общем случае меньшую мощность СВЧ сигнала он может коммутировать. Обусловлено это тем, что в СВЧ диодах максимальное значение емкости обычно ограничено значениями десятых долей пикофарады, чтобы реактивное сопротивление l/aCi было соизмеримо с величиной волнового сопротивления линии передачи W. При допустимых величинах емкости Ci и малых толщинах rf рабочий объем кристалла оказывается

9 Зака! JVs 1161

малым « 10"* мм. В результате максимальная импульсная рабочая мощность диодных коммутационных устройств, лимитируемая электрическим пробоем и пропорциональная объему кристалла и У К, оказывается относительно небольшой (доли или единицы ватт).

Параматры р-п-структуры (при отрицательном смещении U ) резко ухудшаются при воздействии влаги и различных газов. Учитывая это, р-п-структуру помещают в герметизированный керамический или стеклянный патрон с двумя цилиндрическими электродами

Рис. 3. Эквивалеитиая схема р - ге-диода на СВЧ (а); конструкция волноводного (б) и коаксиального (в) выключателей

Для СВЧ сигнала диэлектрические элементы патрона могут быть учтены в эквивалентной схеме диода параллельной емкостью Сп, а провода, подводящие напряжение к структуре,- индуктивностью L (рис. 3, а). Эквивалентная схема диода, включенного в волновод или линию (рис. 3,6 и б), может еще усложниться из-за влияния конструктивных элементов крепления диода (цанги, штыри, шлейфы и т. д.).

Несмотря на многообразие возможных конструкций крепления и схемных представлений для дио,дов, включенных в линии, разработана единая теория оптимизации СВЧ коммутационных устройств.

Процесс оптимизации удобно разбить на два этапа:

1) приведение схем всех диодов к коммутируемым активным сопротивлениям;

2) выбор масштаба этих сопротивлений по отношению к волновым сопротивлениям линии передачи.

Первый этап по существу решает задачу оптимизации простейшего коммутационного устройства выключателя с одним диодом, который в одном рабочем состоянии вносит малое затухание Ln, а в другом - большое затухание L. Теория показывает [4], что при задании, например, Ln для любых конструкций выключателя и при использовании любых дополнительных реактивных элементов нельзя получить затухания L,, большего, чем предельная велн-

чина, определяемая из соотношения

4- = к.

Кп-1

Для простейшей эквивалентной схемы диода, рис. 3, а (диод при учете паразитных реактивных элементов включается в линию параллельно или последовательно) соотношение (2) выполняется, если в схеме для двух рабочих напряжений выполняются параллельный (Сп; L) и последовательный (L; Cj) резонансы. В результате схема

Рис. 4. Эквивалентные схемы оптимизированных выключателей с последовательным (а) и параллельным (б) включением р - л-диода

приводится к двум активным сопротивлениям R я г (рис. 4), отно-шение которых - = К.

В сантиметровом диапазоне волн два резонансных состояния легко реализируются непосредственно в патроне диода (см.рис.3,а) путем соответствующего подбора параметров L, Сп и С.

Такие условия выполнены в серии отечественных СВЧ коммутационных диодов. Диапазон волн от 3 до 4 см перекрывается несколькими типами диодов в серии. При включении в волновод пониженной высоты (б = 2-5 мм - рис. 3, б) параллельный резонанс выполняется без применения дополнительных реактивных элементов. Точная установка последовательного резонанса достигается регулировкой в небольших пределах напряжения смещения U . При использовании тех же диодов в диапазоне дециметровых волн для обеспечения двух резонансных состояний в конструкцию выключателя необходимо вводить два реактивных (в общем случае переменных) элемента. Например, в коаксиальном выключателе (см. рис. 3, б) для указанной цели могут использоваться последовательный индуктивный шлейф и подвижный емкостный винт.

Второй этап оптимизации состоит в выборе величины,сопротивлений г для всех диодов коммутационного устройства так, чтобы наилучшим образом выполнялись заданные требования.

Оптимизация может производиться по минимуму вносимых потерь, по минимуму шумовой температуры, по максимуму рабочей мощности и т. д. Каждый класс коммутационных устройств характеризуется своими закономерностями оптимизациии, своими предельно достижимыми параметрами.