автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Высокочастотные коммутационные устройства с повышенным быстродействием

005007204 На правах рукописи

Удалов Василий Николаевич

Высокочастотные коммутационные устройства с повышенным быстродействием

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 янвт

Москва-2011 г.

005007204

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Разинкин Владимир Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кукк Калью Иванович

кандидат технических наук, доцент Рубанович Михаил Григорьевич

Ведущая организация: ФГУП Научно-исследовательский институт телевидения (НИИТ), г. Санкт - Петербург

Защита состоится «09»февраля 2012 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ, 111024, г. Москва, Авиамоторная ул., 8а

Автореферат разослан «¿У» '/¿^ 2011 г.

Ученый секретарь ) ¿/\у Ц^-Л^

диссертационного совета Иванюшкин Р.Ю.

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию и разработке новых способов повышения быстродействия коммутационных устройств, выполненных на полупроводниковых диодах и полевых транзисторах, предназначенных для применения в высокочастотных радиотехнических устройствах (ВЧ РТУ). Разработаны эффективные численные методы анализа переходных процессов в нестационарных радиотехнических цепях с ограниченной полосой пропускания. На основе моделирования и исследования переходных процессов в коммутационных устройствах сформулированы требования к управляющим сигналам, обеспечивающим максимальное быстродействие, и предложены оригинальные структурные схемы амплитудных и фазовых манипуляторов. Обосновано использование цепей согласования и компенсации, показано их влияние на увеличение быстродействия полупроводниковых коммутационных устройств. Выбран вид корректирующих цепей, которые обеспечивают минимальную величину переходных искажений при использовании в качестве управляющих элементов полевых транзисторов. Выполнено экспериментальное исследование предложенных широкополосных быстродействующих коммутационных устройств метрового и дециметрового диапазона.

Актуальность работы. В настоящее время в радиотехнических системах, мобильной и спутниковой связи, измерительном оборудовании, радиовещании и телевидении широко используются цифровые стандарты и форматы. Для реализации цифровых видов модуляции применяются различного вида полупроводниковые коммутационные устройства, на основе которых выполняются многопозиционные амплитудные, фазовые и квадратурные манипуляторы. К техническим характеристикам современных коммутационных устройств предъявляются достаточно высокие требования. Анализ показывает, что для цифровых модуляторов первостепенное значение имеют следующие параметры: быстродействие, стабильность уровня формируемого высокочастотного сигнала, полоса рабочих частот, качество согласования и интенсивность внеполосного излучения. Вопросам исследования и разработки широкополосных коммутационных устройств посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов: Гарвера Р., Фуоми Д., Кривошеева М.И., Кукк К.И., Б.В. Сестрорецкого, A.B. Вайсблата, Н.Д. Малютина, А.Н. Сычева, И.Б. Вендик, О.С. Орлова, Б.А. Беляева, В.В. Тюрнева, В.Д. Разеви-га, В .П. Петренко, Е.И. Нефёдова, В.П. Мещанова. Следует отметить, что к настоящему времени в основном завершается разработка теории построения коммутационных устройств, обеспечивающих высокое качество согласования и малые прямые потери в предельно широкой полосе частот. Однако еще недостаточно изучены и исследованы вопросы повышения быстродействия и определения уровня внеполосного излучения, обусловленного нелинейными процессами в полупроводниковых управляющих элементах. Для обеспечения приемлемых значений данных параметров необходима разработка новых

схемотехнических решений и методов анализа переходных процессов в коммутационных устройствах, учитывающих нелинейность и инерционность управляющих элементов, а также ограниченную полосу пропускания согласующих и корректирующих цепей. Таким образом, создание широкополосных коммутационных устройств с быстродействием, близким к предельно достижимому, является актуальной и практически важной задачей.

Объектом исследования в работе являются широкополосные коммутационные устройства для высокочастотных сигналов, выполненные с использованием полупроводниковых диодов и полевых транзисторов.

Предмет исследования - быстродействие коммутационных устройств, обусловленное конечным временем открывания и закрывания полупроводниковых управляющих элементов и реактивными элементами согласующе-компенсирующих и корректирующих цепей.

Целью работы является повышение быстродействия коммутационных устройств за счет обеспечения форсированного режима открывания и запирания полупроводниковых диодов с помощью управляющих сигналов оптимальной формы, а также разработки согласующе-компенсирующих и корректирующих цепей для амплитудных и фазовых манипуляторов.

Задачи исследования.

1. Разработка численного метода расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах на основе использования импульсной характеристики нестационарной линейной цепи.

2. Нахождение оптимальной формы управляющих сигналов для коммутационных устройств на полупроводниковых диодах, обеспечивающих быстродействие, близкое к предельно достижимому.

3. Исследование и разработка корректирующих цепей для управляющих сигналов коммутационных устройств на полевых транзисторах, обеспечивающих существенное повышение быстродействие.

4. Разработка численных алгоритмов расчета спектральных составляющих в широкополосных коммутационных устройствах при большом уровне входного высокочастотного сигнала.

5. Экспериментальное исследование предложенных конструкций амплитудных и фазовых манипуляторов с высоким быстродействием.

Методы исследования. Решение перечисленных выше задач было выполнено с применением: теории матриц, теории функций комплексного переменного, включая преобразования Фурье и его свойства, теории дифференциальных уравнений в частных производных, теории рядов. Кроме того, в работе также широко применялись теория цепей, теория фильтров и численное моделирование на основе компьютерных САПР.

Обоснованность научных результатов определяется применением апробированных алгоритмов численного определения кратных интегралов от функций комплексного переменного, корректностью постановок и решения

задач по определению характеристик частотно-избирательных цепей, корректностью допущений и ограничений при использовании спектральных методов в цепях с комплексной нелинейностью, а также совпадением полученных результатов с известными результатами для частных случаев.

Достоверность основных положений и выводов подтверждена расчетом тестовых примеров и сравнением с результатами, полученными другими авторами, а также экспериментальными испытаниями созданных высокочастотных коммутационных устройств.

Научная новизна

1. Разработан численный метод расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах на основе использования частотного коэффициента передачи и импульсной характеристики нестационарной линейной цепи с ограниченной полосой пропускания и выделения комплексной огибающей выходного сигнала.

2. Теоретически обосновано использование в коммутационных устройствах на полупроводниковых диодах четырехуровневых управляющих сигналов, обеспечивающих быстродействие, близкое к предельно достижимому.

3. Впервые предложено использовать на входе полевого транзистора корректирующую цепь для импульсного управляющего сигнала в виде гауссовского фильтра нижних частот, что позволяет получить минимальную длительность переходных процессов.

4. Разработан эффективный алгоритм спектрального анализа для коммутационных устройств на полевых транзисторах, основанный на использовании рядов Фурье и учитывающий нелинейность барьерной емкости при большом уровне высокочастотного сигнала.

Практическая значимость работы

- Развиты принципы построения и методы анализа быстродействующих полупроводниковых коммутационных устройств, используемых в цифровых модуляторах с амплитудной и фазовой манипуляцией.

- Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать и исследовать переходные процессы в коммутационных устройствах с помощью выделения комплексной огибающей высокочастотного сигнала.

- Разработаны, созданы и внедрены на раде предприятий России быстродействующие амплитудные и фазовые манипуляторы, обеспечивающие длительность переходных процессов не более 10 не.

- Даны практические рекомендации по выбору корректирующих и согла-сующе-компенсирующих цепей для быстродействующих высокочастотных коммутаторов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах, основанный на определении импульсной характеристики линейной нестационарной цепи с ограниченной полосой пропускания с помощью численного интегрирования частотного коэффициента передачи, позволяет определить комплексную огибающую выходного высокочастотного сигнала.

2. Применение четырехуровневого управляющего сигнала в коммутационных высокочастотных устройствах, выполненных на полупроводниковых диодах, обеспечивает быстродействие, близкое к предельно достижимому.

3. Использование корректирующих цепей для управляющего сигнала в виде гауссовского фильтра нижних частот на входе полевого транзистора позволяет за счет линейности фазочастотной характеристики фильтра увеличить быстродействие коммутатора в 1,4 раза.

4. Алгоритм расчета спектральных составляющих в коммутационных высокочастотных устройствах на полевых транзисторах, основанный на численном определении коэффициентов ряда Фурье, применим в большом динамическом диапазоне амплитуд входного высокочастотного сигнала.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований в основном получены лично автором и при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автор принимал активное участие в постановке задачи, выборе методов исследования и моделирования, получении аналитических соотношений, анализе и интерпретации итоговых положений. При выполнении экспериментальных исследований и внедрении разработанных в диссертации устройств, вклад автора является определяющим.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международных, Всероссийских и региональных конференциях: «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2006», г. Новосибирск; «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем - 2007» г. Серпухов; «Электронные средства и системы управления - 2007», г. Томск; «Информатика и проблемы телекоммуникаций - 2007, 2008, 2009», г. Новосибирск; «Научная сессия НТО им. A.C. Попова - 2008», г. Москва; «Современные проблемы радиоэлектроники - 2009», г. Красноярск.

Публикации. По материалам диссертации подготовлено 16 публикаций: 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК; 1 учебное пособие, 10 статей и докладов в сборниках Международных и Российских конференций; получены 2 патента РФ и 1 патент на полезную модель.

Реализация и внедрение результатов работы. Экспериментальные результаты диссертационного исследования использованы в двух хоздоговорных НИР (ТОР2-07, ТОР 1-08), выполненных кафедрой теоретических основ радиотехники НГТУ по заказу предприятия ООО «НПП Триада-ТВ» (г. Новосибирск), производящего передающую телевизионную и радиорелейную аппаратуру. Теоретические результаты диссертационного исследования использованы в учебном пособии «Основы цифровой аудио и видео техники», предназначенном для студентов факультета Радиотехники и электроники НГТУ.

Структура и объем диссертации составляет 154 листа машинописного текста, включает 68 рисунков и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, проведен анализ современного состояния и тенденций дальнейшего развития полупроводниковых коммутационных устройств различного назначения. Показано, что в настоящее время актуальными направлениями по-прежнему остаются повышение быстродействия и уменьшение уровня нелинейных искажений в коммутационных устройствах различного уровня мощности. Повышение быстродействия может быть достигнуто с помощью выбора оптимальных режимов включения и выключения полупроводниковых диодов и полевых транзисторов. Сделан вывод, о том, что при анализе переходных процессов в коммутационных устройствах необходимо учитывать как нелинейные и инерционные свойства диодов, так и влияние реактивных элементов согласующе-компенсирующих цепей. Это потребовало разработки соответствующих методов расчета и формулировки рекомендаций по построению схем управления. Повышение быстродействия коммутационных высокочастотных устройств на полевых транзисторах связано с обоснованием и выбором структуры корректирующих цепей для управляющего сигнала. Применение полевых транзисторов позволяет получить высокое быстродействие при малой мощности управляющего сигнала. Следует отмстить, что решение задачи повышения быстродействия коммутационных устройств необходимо для увеличения скорости цифрового потока в телекоммуникационных системах и устройствах связи от 100 Мбит/с и выше.

Сформулированы цель и задачи исследований, приводятся защищаемые научные положения, показаны новизна и практическая значимость результатов, приведены сведения об апробации работы, публикациях и структуре диссертации.

В первой главе выполнен обзор литературы, рассмотрены основные принципы построения многоканальных коммутационных устройств на р-\-п-диодах и полевых транзисторах. Показано, что в настоящее время задача повышения быстродействия решается преимущественно за счет применения управляющих элементов, выполненных иа основе новых технологий и материалов, обеспечивающих существенное повышение подвижности носителей заряда. Перспективной группой управляющих элементов являются МЕББЕТ и НЕМТ полевые транзисторы, а также некоторые виды коммутационных диодов. Сделан вывод, о том, что получить быстродействие, близкое к предельно достижимому, можно за счет разработки новых схемотехнических решений для формирователей управляющего сигнала, обеспечивающих более полное использование потенциальных возможностей полупроводниковых управляющих элементов.

Во второй главе на основе физико-топологической модели р-г-п- диода исследованы переходные процессы в высокочастотных коммутаторах [1], и сформулированы требования к форме управляющих сигналов, обеспечивающих предельно достижимое быстродействие [2,3]. В рамках физико-топологической модели учтено, что рч-п- диод является инерционным элементом, при этом сопротивление его базовой области изменяется достаточно медленно по сравнению с периодом высокочастотного колебания. Если база р-1-п - диода является собственной, то для концентрации инжектирован-ных(неосновных) носителей заряда р в общем виде можно записать:

дх

Ll D0

др dt'

(1)

где Ьа - амбиполярная диффузионная длина; Д, = — - амбиполярный коэф-

фициент диффузии; г, - время жизни неосновных носителей заряда в базе диода; а - ширина базы; х- координата базовой области; / - текущее время.

Решение (1), полученное операторным методом, известно из литературы и для прямого переходного процесса в р -I -п- диоде имеет вид:

p{x,t)=

Л,

2 w qa

ch wx ch w{a — x)

-+-i-

Dp

A.

va

r ^

sh \va ы i

eos kz— eos кл

a-x

Д,

D„

.(-О'«

2"*

Vwa

_L

D.

D

pJ

I 2Ь г

где --Ь

¿ + 1 '

нормирующий параметр; Б Пп - коэффициенты диф-

фузии дырок и электронов; ц подвижность дырок и электронов; Ь-

Решение (1) для обратного переходного процесса в р-1-п- диоде имеет вид:

■ ¡к^а

сН ка ей \\{а - х)

д, + К

2 ¡рга НА ",)

соэЬг- сс«Ьг-

_а,__а

Д,

.Ш

(3)

На основе (2) и (3) в рамках одномерной модели сопротивление базовой области р-г—п- диода при прямом и обратном переходном процессе рассчитывается с помощью численного интегрирования:

т=

1

5гц > + 1);р(*,о

(Их

(4)

Быстродействие определяется длительностью фронта и спада радиоимпульса на выходе коммутационного устройства, которые в соответствии с параметрическим подходом предложено находить по зависимости коэффициента передачи ^(О от времени:

= (5)

К

где Кп - сопротивление нагрузки, последовательно включенной с р-1-п -диодом.

На рис. 1 а,б показаны зависимости коэффициента передачи 52, от нормированного времени для различных соотношений прямого и обратного управляющих токов, рассчитанные по соотношению (5).

Из проведенного в данном разделе анализа, установлено, что устройство управления диодным коммутатором для обеспечения максимально достижимого быстродействия должно сформировать четыре уровня управляющего сигнала: форсированное включение, удержание, форсированное выключение и приведение диода в исходное состояние, как показано на рис. 2.

ЫО'

а) б)

Рве. 1. Зависимость коэффициента передачи одноканалыюго СВЧ коммутатора от нормированного времени для различных соотношений управляющих токов: а) 1пр = 10 мА и

1обР б) 1пр =10мА и 1о6 =5мА

1}ч)

бел

Рис. 2. Форма управляющего сигнала для диодного коммутатора, при котором обеспечивается максимально достижимое быстродействие

Переходные процессы в коммутационных высокочастотных устройствах, используемых для получения многопозиционной квадратурной амплитудно-фазовой манипуляции, в значительной степени обусловлены реактивными элементами согласующе-компенсирующих схем. На рис. 3,а приведена эквивалентная схема амплитудного манипулятора на полупроводниковом диоде с согласующе-компенсирующей структурой в виде фильтра нижних частот (ФНЧ), которая нейтрализует в рабочей полосе частот влияние межэлектродной емкости коммутационного диода Cd.

На рис. 3,6 показано изменение во времени активной проводимости коммутационного диода gd(t). Реакцию U2(t) на выходе амплитудного манипулятора, содержащего нестационарный управляющий элемент gd(t), при входном воздействии U,(t) определяется соотношением [4,5]:

^(0 = />(£,T)-i/1(t-T)rfr , (б)

где g(t,j) - импульсная характеристика линейной нестационарной цепи.

4. tfiW лт.

см>

so

АО

а)

6)

Рис. 3. Амплитудный манипулятор: а) схема манипулятора; б) зависимость проводимости диода от времени.

Для расчета переходных процессов в линейных нестационарных частотно-избирательных цепях с ограниченной полосой пропускания предложен численный метод нахождения комплексной огибающей выходного сигнала. Полагая, что в начальный момент времени амплитудный манипулятор подключается к источнику входного гармонического сигнала, описываемого соотношением U](t) = Ulm ■ eJU"', открывание и закрывание коммутационного диода вызывает появление в исследуемой схеме рис. 3,а соответствующих переходных процессов:

U2it) = ¡¡git,т> • = V2(t) ■ е>»»', (7)

где: U2(t) = i/lm/0 g(t,r) • - комплексная огибающая выходного

сигнала.

С достаточно большой точностью импульсная характеристика нестационарной линейной цепи g(t,t) определяется на основе обратного преобразования Фурье с конечным значением верхнего предела интегрирования:

210°с

g(t,т) = - fRe[.V21(yc),i)}205(caT)rf®, (8)

я о

где S21C/ffl,0 - комплексный коэффициент передачи нестационарной линейной цепи; сос - граничная частота.

Результирующее выражение для комплексной огибающей выходного сигнала U2{t) имеет вид:

21/,,

'гкч = е-^г/о10й,сйе[5210'^О]соз(шт) скойг. (9)

Рассматриваемую структуру рис. 3,а представим в виде каскадного соединения четырехполюсников, каждый из которых состоит из одного элемента. С помощью перемножения А - матриц, описывающих четырехполюсники, находим общую матрицу нестационарной цепи:

АС/Ю,0=Па*О'«М)-

(10)

По известным результирующим А у- параметрам (10) определяем комплексный коэффициент передачи частотно-избирательной линейной нестационарной цепи [5,6]:

(Н)

А ¡(МО + ЛзСАМ) + Л2,0'со,0 + л220'а,()

На рис. 4 и рис. 5 представлены результаты расчета огибающей выходного сигнала для амплитудных манипуляторов, выполненных на основе ФНЧ и полоено-пропускающих фильтров (ППФ), предложенным численным методом. Пунктирной линией показан коэффициент передачи манипулятора, рассчитанный параметрическим методом непосредственно по формуле (11), а сплошной линией показана нормированная огибающая выходного сигнала, рассчитанная численным интегрированием в соответствии с выражением (9).

I/,.

,|.У21(УШСДДБ

-0,02 -0,04 -0,06 -0,08

-0,1

У-

о

-0,05 -0,1 -0,15 -0,2

/ / у

II

1/ ч

и II /1 . .

-0,25

10 10,25

10,5

10,75 11-П

Рис. 4. Переходные процессы в манипуляторе с ФНЧ

10 10,2 10,4 10,6 10,8

Рис. 5. Переходные процессы в манипуляторе с ППФ

И

Как видно из графиков, при использовании быстродействующих коммутационных диодов, возникает паразитная амплитудная модуляция вершины формируемых радиоимпульсов. Оценка точности предложенного метода [7] проведена на тестовом примере простейшей нестационарной КС- цепи. Сравнение переходной характеристики для этой цепи, имеющей строгое аналитическое решение, с переходной характеристикой, полученной по предложенному методу, дает погрешность менее 3,5%, что подтверждает высокую достоверность подхода при ограниченной полосе пропускания и относительно медленном изменении проводимости управляющего элемента. Это свидетельствует о применимости метода для технических расчетов, в частности для определения длительности защитного интервала в цифровых модуляторах.

В третьей главе исследовано влияние корректирующих цепей управляющего сигнала в виде фильтровых структур на быстродействие коммутационных устройств на полевых транзисторах [8]. Быстродействие полевого транзистора в основном определяется его входной емкостью, которая может достигать значительной величины, до десятков пикофарад. Для подведения

управляющего сигнала в цепь затвора предложено использовать ФНЧ, как показано на рис. 6.

Рис. б. Коммутационное устройство на полевом транзисторе

Для определения переходной характеристики схемы рис. 6 по цепи управляющего сигнала воспользуемся следующей формой интегрального преобразования Фурье

ж 1, а

КО'

(12)

Нахождение коэффициента передачи ФНЧ 52,0'е>) проведено матричным методом по выражениям (10) - (11). С помощью соотношений (10) - (12) были рассчитаны переходные характеристики для различных типов фильтров третьего порядка, приведенные на рис. 7.

Рис. 7. Переходные характеристики фильтров нижних частот: 1 - фильтр первого порядка; 2 - гауссовский фильтр третьего порядка; 3 батгервортовский фильтр третьего порядка; 4 чебышевский фильтр третьего порядка

Анализ графиков (рис. 7) показывает, что практически монотонную переходную характеристику имеет гауссовский фильтр (кривая 2). Батгервортовский (кривая 3) и чебышевский (кривая 4) фильтры имеют выбросы до 10%. Такие большие выбросы не позволяют получить удовлетворительные результаты при использовании коммутатора для осуществления миогопози-ционной квадратурной амплитудно-фазовой манипуляции. Расчет сопротивления канала МОП полевого транзистора с индуцированным каналом Кк производится по выражению

Фз-МО-С/о]'

где 5 - удельная крутизна МОП-транзистора; 113 - амплитуда управляющего напряжения на затворе; ио- пороговое напряжение МОП-транзистора.

Как видно из графиков рис. 7, применение гауссовсого фильтра позволяет примерно в 1.4 раза уменьшить длительность фронта сигнала в цепи затвора. Приемлемая форма переходной характеристики гауссовского фильтра с физической точки зрения объясняется тем, что его фазочастотная характеристика близка к линейной зависимости. Это свойство положительно сказывается на уменьшении уровня межсимвольных искажений при использовании рассматриваемых коммутаторов в цифровых модуляторах.

Результаты расчета показали, что применение гауссовского фильтра нижних частот третьего порядка за счет ограничения спектра модулирующего сигнала позволяет на 8-10 дБ уменьшить уровень внеполосного излучения по сравнению с коммутатором без корректирующей цепи (на входе полевого транзистора остается только его входная емкость).

Практически важным является то, что нормированный низкочастотный прототип гауссовского фильтра третьего порядка имеет самую большую нормированную емкость. Для гауссовского фильтра третьего порядка длительность фронта управляющего сигнала в цепи затвора коммутатора будет в 2,196 раза меньше, чем при использовании батгервортовского фильтра.

Показателем спектральной эффективности цифровых амплитудных манипуляторов, выполненных на полевых транзисторах, является относительный уровень мощности в полосе частот соседнего канала

где С(а>) - энергетический спектр выходного сигнала амплитудного манипулятора, содержащего коммутатор на полевом транзисторе; Агэ - полоса рабочих частот канала передачи информации; т0 - центральная частота канала; ДаР - частотный интервал между двумя соседними каналами.

Расчеты по критерию спектральной эффективности (14) показали, что применение гауссовского ФНЧ третьего порядка в цепи управления позволяет улучшить у на 14 -15 дБ.

В четвертой главе решалась задача расчета спектральных составляющих в коммутационных устройствах при большом уровне входного высокочастотного сигнала. В первом приближении входную проводимость полупроводниковых диодов и транзисторов можно представить в виде параллельного соединения безынерционной активной проводимости и диффузионной емкости прямо смещенного р-п - перехода. На основе использования ряда

<»0+4<у—

(14)

Тейлора получено выражение для проводимости С(иа) и емкости С(иа) диода, имеющего экспоненциальную вольтамперную характеристику:

см=с+(с+а«>'.)• +¿(°и<')4+-

(15)

(16)

где - ток насыщения; я - нормирующий множитель, обратно пропорциональный температурному потенциалу срт; иг1 - амплитуда переменного напряжения на диоде; хр время жизни дырок в и - базе.

На рис. 8 приведена схема коммутатора с последовательным включением полупроводникового диода VI и резистивной нагрузки Д„. На этой схеме генераторы тока /„ (т-2, 3, 4...), учитывают высшие гармоники частоты входного высокочастотного сигнала.

Ф Ф ©

Рис. 8. Однодиодный коммутатор и его эквивалентная схема Положение рабочей точки и0, амплитуда переменной составляющей на диоде иа и его начальная фаза <рл определяются с помощью следующей системы нелинейных уравнений, составленных на основе законов Кирхгофа:

(17)

Яе[(Я„ +Я„ + ) ■ /, (и„ ) • е"' +ил

"]=0.

Из рассмотрения схемы рис. 8, следует, что входной высокочастотный сигнал с амплитудой Vт вызывает изменение исходного положения рабочей точки за счёт возникновения на суммарном резисторе К = Яи+Кп напряжения автосмещения, что соответствует проявлению детекторного эффекта. Проведенный в работе анализ показал, что система уравнений (17) позволяет учитывать динамический характер напряжения смещения при проявлении детекторного эффекта. Детекторный эффект в данном случае является нежелательным и представляет собой зависимость постоянной составляющей тока через нелинейный элемент 1а от амплитуды входного высокочастотного сигнала и,„. Это приводит к изменению уровня выходного сигнала и появлению

нелинейных искажений. Поскольку амплитуды высших гармоник 1т определяются методом кратных углов с помощью тригонометрических формул, предложенный подход требует меньше вычислительных ресурсов, по сравнению с известным методом гармонического баланса.

В настоящее время полевые транзисторы широко применяются в быстродействующих коммутаторах, используемых для получения многоуровневой квадратурной амплитудно-фазовой манипуляции. Принципиальная схема коммутатора на полевом транзисторе приведена на рис. 9,а. При работе полевого транзистора в омической области его нелинейные свойства в основном обусловлены нелинейной емкостью затвор-канал, которая описывается следующим соотношением

где С0 - начальная емкость; (У- напряжение на затворе; IIк- контактная разность потенциалов.

а) б)

Рис. 9. Высокочастотный коммутатор: а) - принципиальная схема; б) - эквивалентная схема

Высшие гармоники тока, возникающие за счет нелинейных свойств емкости С, учтены с помощью подключения параллельно полевому транзистору соответствующих генераторов тока со значениями амплитуд 1т, как показано на эквивалентной схеме рис. 9,6.

Для исследуемого коммутатора в режиме большого сигнала с помощью рядов Фурье и получено выражение для расчета амплитуды напряжения второй гармоники выходного сигнала

и^^гиго^иго)), (19)

гдеЗД2®) =

+ + ¿J, Jzil +

V z JTR а

ic(0=MI = ^[С(0• с/со]; /„, = -; c = c + écm cosnrn-

at dt л 0

Л!1(_/2ф)Л + Л' (_/2cu)

Z (j2co)= ■—--^^—i-; Д и Д- соответственно параметры четы-

A'2l(j2a)R + A'22(j2co)

1 21

рехполюсников 1 и 2, показанных на схеме рис. 9,6; С=— fC(caO^(®0-

2л ¿

В соответствии с изложенным выше подходом был проведен расчет уровня второй гармоники в исследуемом амплитудном манипуляторе на полевом транзисторе для следующих значений параметров: С0=15пФ; и0 = 5,6В; ик = 0,7В.

Из рассмотрения графиков, представленных на рис. 10, следует, что максимальный уровень второй гармоники соответствует середине полосы пропускания фильтра нижних частот, используемого для компенсации влияния межэлектродной емкости полевого транзистора. и,

и,

,дВ

-20 -25 -30 -35

X LU-

/,МГц

О 200 400 600 800 1000

Рис. 10. Частотная зависимость напряжения второй гармоники входного высокочастотного сигнала в коммутаторе на полевом транзисторе

По сравнению с известным методом гармонического баланса предлагаемый метод не требует значительных вычислительных ресурсов, поскольку в нём не используется численное решение систем нелинейных уравнений высокого порядка.

В пятой главе предложены новые схемотехнические решения амплитудных и фазовых манипуляторов с повышенным быстродействием. Использование фильтрующих цепей для компенсации влияния межэлектродной ёмкости управляющих диодов и транзисторов, рассмотренное в главах 2 и 3, имеет ограничение по полосе рабочих частот. Исследования показали, что

обеспечить компенсацию межэлектродной ёмкости Сл в более широкой полосе рабочих частот Д/ можно за счет увеличения коэффициента трансформации характеристического сопротивления кт в плоскости включения управляющего элемента. Поскольку широкополосная трансформирующая цепь Нортона содержит физически нереализуемый элемент 7,с (отрицательная индуктивность или ёмкость), то для построения компенсирующей цепи предложено встраивать 1С в многокаскадную структуру, содержащую ФНЧ, ФВЧ или ППФ [12]. Это позволяет компенсировать отрицательные реактивные элементы положительными реактивными элементами фильтров. На рис. 11 приведена схема компенсационной цепи на основе двух ППФ с понижающей трансформирующей цепью Нортона и ФВЧ, а на рис. 12 его АЧХ. Для коэффициента трансформации кт = 4, нагрузки Л, = Я2 = 50 Ом величины элементов схемы равны: С, = С2 =1,56 пФ, Ц = Ь5 =16,23 нГн, 13 =3,34 нГн, С3 =25,97 пФ.

$21. дЕ

Рис. 12. АЧХ трансформирующей схемы компенсации на основе ППФ и ФВЧ

При разработке амплитудных и фазовых манипуляторов часто возникает задача борьбы с паразитной амплитудной модуляцией, обусловленной конечным быстродействием диодов, глубина которой приближается к 100%. Этим недостатком обладает известный фазовый манипулятор, выполненный на основе ФВЧ третьего порядка и преобразуемый при переключении фазы в ФНЧ того же порядка. Для устранения этого недостатка предложена новая схема фазового манипулятора [13], приведенная на рис. 15. Анализ показывает, что, используя ограничитель амплитуды (ОА) и управляя проводимостью диода 4, приоткрывая его на время протекания обратных переходных

процессов в диодах 2 и б с помощью формирователя коротких импульсов (ФКИ), существенно уменьшается изменение амплитуды выходного высокочастотного сигнала. В предложенном фазовом манипуляторе, показанном на рис. 13, глубина паразитной амплитудной модуляции составляет не более (1-5)%.

Рис. 13. Фазовый манипулятор

В шестая глава посвящена опытной реализации основных теоретических результатов диссертационной работы.

На основе ПЛИС ХСЗ S50 AN и мультиплексора ADG904_904R был разработан драйвер, формирующий четырехуровневый управляющий сигиал, обоснованный в главе 2. Применение драйвера, при исследовании переходных процессов в коммутаторе на p-i-n- диоде 2А517А, повысило быстродействие в 1,35 раза, что было показано выше на рис.1.

Схема драйвера приведена на рис.14

Рис. 14. Формирователь четырехуровневых сигналов

Тот же драйвер был использован как управляющее устройство в работах по хоздоговорным темам ТОР2-07 и ТОР1-08, по заказу производителя телевизионных передатчиков ООО «ШШ Триада-ТВ». Для получения мно-

гопозиционной амплитудной манипуляции в диапазоне частот 850-1150 МГц разработана конструкция согласованного в широком динамическом диапазоне вносимых ослаблений аттенюатора мостового типа, схема которого приведена на рис. 15. В качестве диодов VD1 - VD3 применены p-i-n- диоды

Рис. 15. Мостовой аттенюатор

Технические характеристики экспериментально испытанного мостового аттенюатора приведены в таблице 1.

___Таблица 1.

Допустимая СВЧ мощность 0,5 Вт

Минимальная частота 850 МГц

Максимальная частота 1150 МГц

Начальное затухание 0,4 дБ

Динамический диапазон 18 дБ .

Неравномерность АЧХ, не более ±0,2 дБ

Коэффициент стоячей волны напр. 1,35

ДлительЕюсть фронта АМ сигнала 0,08 Micc

Использование драйвера обеспечивает уменьшение искажений формы огибающей выходного сигнала до уровня нестабильности 0,15 дБ.

Заключение

Достижение поставленных в настоящей работе целей позволило на основе математического моделирования переходных процессов и разработки новых методов спектрального анализа, учитывающих динамический характер напряжения смещения в рабочей точке управляющего элемента, предложить эффективные способы увеличения быстродействия коммутационных высокочастотных устройств. Увеличение быстродействия достигнуто за счет использования четырехуровневых управляющих сигналов. Повышение быстродействия обеспечено также с помощью применения трансформирующих

и фильтровых корректирующих структур для управляющего сигнала. Найден подход и решена задача устранения паразитной амплитудной модуляции в коммутационных устройствах, возникающей за счет конечного быстродействия полупроводниковых элементов. Это позволяет существенно уменьшить уровень внеполосного излучения и повысить электромагнитную совместимость и помехоустойчивость радиотехнических систем с цифровыми видами модуляции. Полученные в диссертационной работе результаты обладают новизной, практической значимостью и имеют важное народнохозяйственное значение. Разработанные устройства нашли применение в продукции, серийно выпускаемой заводами - изготовителями радиотелевизионного передающего оборудования ООО «НПП Триада-ТВ», г. Новосибирск, ОАО «МАРТ», г. Санкт - Петербург, а также результаты работы нашли свое применение в учебном процессе в Новосибирском ГТУ.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Удалов В.Н. Численный метод расчета переходных процессов в амплитудных манипуляторах/ В.В.Бордюгов, К.А. Лайко, В.Н.Удалов // Научный вестник НГТУ,Новосибирск: Изд. НГТУ- 2008г., №1, с. 57-63.

2. Удалов В.Н. Параметрический метод анализа переходных процессов в управляемых СВЧ устройствах./ В.П.Разинкин, С.Ю.Матвесв,

B.Н.Удалов // Труды XXVI Межрегиональной научно - технической конференции Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем, сборник № 2, с. 189-192, Серпухов, Серпуховской ВИРВ. 28-29 июля 2007 г.

3. Разинкин В.П., Матвеев С.Ю., Удалов В.Н. Амплитудный СВЧ манипулятор./ В.П.Разинкин, С.Ю.Матвеев, В.Н.Удалов// Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно - техническая конференция. Новосибирск, 2008, с. 347-349.

4. Удалов В.Н. Амплитудный СВЧ манипулятор./В.П. Разинкин,

C.Ю.Матвеев, В.Н.Удалов // Труды Российского научно - технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова. Секция: Научная сессия, посвященная Дню Радио, выпуск LXIII, Москва, 2008г., с. 342-343.

5. Разинкин В.П., Матвеев С.Ю., Удалов В.Н. Исследование переходных процессов в нестационарных СВЧ цепях/ В.П.Разинкин, С.Ю.Матвеев, В.Н.Удалов// Четвертая международная конференция Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития, часть 1, с. 144-146, Томск, 31 октября - 3 ноября 2007 г., ТУСУР.

6. Удалов В.Н. Амплитудный СВЧ манипулятор на полевых транзисто-рах./В.Н. Удалов, B.IL Разинкин // Всероссийская конференция Со-

временные проблемы радиоэлектроники, Красноярск, 2009 г., с. 137140.

7. Лайко К.А., Матвеев С.Ю., Разинкин В.П., Удалов В.Н. Синтез цепей компенсации межэлектродных емкостей СВЧ диодов./ К.А.Лайко, С.Ю.Матвеев, В.П.Разинкин, В.Н.Удалов // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно - практическая конференция, электронно - физическая секция. Материалы конференции. Том 1, Новосибирск, 2007 г., с. 210-213.

8. Лайко К.А., Матвеев С.Ю., Удалов В.Н. Синтез согласующе-компенсирующих цепей для управляемых СВЧ - устройств высокого уровня мощности./К.А. Лайко, С.Ю.Матвеев , В.Н.Удалов// Научный вестник НГТУ. -Новосибирск: Изд. НГГУ, 2007, № 2(27), с. 93-99.

9. Удалов В.Н. Синтез компенсирующих цепей с использованием трансформации характеристического сопротивления./В.П.Разинкин, В.Н.Удалов, С.Ю.Матвеев// Техническая электродинамика и электроника. Сборник научных трудов СГТУ, Саратов, 2006 г., с. 64-71.

10. Удалов В.Н. Анализ спектра в широкополосных СВЧ коммутато-рах./В.Н.Удалов, В.П.Разинкин// Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно - практическая конференция, электронно - физическая секция. Материалы конференции. Том 1, Новосибирск, 2009 г., с. 320-322.

11.Удалов В.Н. Нелинейный анализ в СВЧ коммутаторах на полевых транзисторах./В.Н.Удалов// Десятая Международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам. Сборник трудов. Новосибирский государственный технический университет, ЗСОК Эрлагол, Алтай, 1-6 июля, 2009 г., с. 187-189.

12. Патент РФ на изобретение №2379797, МКИ Н01 Р1/18, Фазовый манипулятор/ В.П.Разинкин, В.Н.Удалов, С.Ю.Матвеев

13.Патент № 89309 РФ, МКИ Н03 D1/10. Амплитудный детектор/ Удалов В.Н., Разинкин В.П//Изобретения. Полезные модели. - 2009. - № 33.

14. Удалов В.Н. Высокочастотные коммутационные устройства на полевых транзисторах./В.Н.Удалов// Техническая электродинамика и электроника. Сборник научных трудов СГТУ, Саратов, 2009. - с. 116 - 120.

15. Удалов В.Н. Основы цифровой аудио и видеотехники: учеб. пособие/В.П. Разинкин, В.Н. Удалов - Новосибирск. Изд-во НГТУ, 2010. -93 с.

16. Патент РФ на изобретение № 2414024 С2 МПК Н01 Р 1/00. Узкополосный фильтр/ В.П. Разинкин, В.Н. Удалов, Д.С. Матвеев, 2011. Бюл_№7.

Подписано в печать:

22.12.2011

Заказ № 6437 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 И5230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autorefcrat.ru

61 12-5/1159

Новосибирский государственный технический университет

На правах рукописи

Удалов Василий Николаевич

Высокочастотные коммутационные устройства с повышенным

быстродействием

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе устройства и системы

телевидения

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Разинкин В.П.

Москва-2011

Содержание

0. ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. Коммутационные устройства на р-г-и-диодах

1.2. Кинетика переходного процесса в рн-п-диоде

1.3. Коммутационные устройства на полевых транзисторах

1.4. Выводы

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДИОДНЫХ КОММУТАТОРАХ

Прямой и обратный переходные процессы в диодных коммутаторах

Переходные процессы в амплитудных манипуляторах Выводы

АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В КОММУТАТОРАХ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Особенности анализа переходных процессов и математических моделей управляющих элементов

Фильтровые и корректирующие схемы в цепи управляющего сигнала и их влияние на быстродействие коммутаторов на полевых транзисторах

3.3. Выводы

4. НЕЛИНЕЙНЫЙ АНАЛИЗ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

4.1. Спектральный анализ в коммутаторах методом гармонического баланса

4.2. Спектральный анализ в коммутаторах методом степенных рядов

2.1.

2.2. 2.3. 3.

3.1.

3.2.

4-8 9

9-11 11-15 15-34 34-35 36

36-42

42-54

54

55

55-58 58-66

66 67

67-80

80-94

4.3. Спектральный анализ в коммутаторах с помощью ря- 94-98 дов Фурье

4.4. Выводы 98 - 99

5. АМПЛИТУДНЫЕ И ФАЗОВЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ С 100-101 ПОВЫШЕННЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ

5.1. Согласующе - компенсирующие цепи амплитудных и 101-107 фазовых манипуляторов с повышенным быстродействием

5.2. Детектирование амплитудно - манипулированных сиг- 108 - 111 налов

5.3. Фазовый манипулятор 111-116

5.4. Схемы управления, обеспечивающие повышенное бы- 117-120 стродействие коммутационных устройств

5.5. Выводы 120-121

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 122 КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

6.1. Двухканальный коммутатор дециметрового диапазона 122-124

6.2. Коммутационное устройство сантиметрового диапазо- 124-130 на

6.3. Многопозиционный амплитудный манипулятор 130-137

6.4. Широкополосный двухпозиционный амплитудный ма- 137 - 138 нипулятор

6.5. Формирователь четырехуровневого сигнала 137-140

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140-141

8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142-151

9. ПРИЛОЖЕНИЯ: 152-154

- акт внедрения ООО НПП «Триада-ТВ»

- акт внедрения ОАО «МАРТ»

- акт внедрения НГТУ

Введение

Современное развитие систем подвижной связи, широкополосных систем фиксированной связи, цифрового телевидения и радиовещания, систем радиолокации и радионавигации, радиоизмерительных средств характеризуются активными теоретическими и экспериментальными исследованиями, проводимыми в ведущих странах Мира, в области разработки высокочастотных радиотехнических устройств различного назначения. Развитие коммутационных устройств лежит в общем створе развития электронной техники. Исследования и разработки имеют следующие основные направления: разработка усилителей с высоким кпд, разработки устройств управления амплитудой и фазой высокочастотных колебаний, или управляемых устройств (УУ) [1], использование сигналов с множественной несущей стандарта CDMA [2,3], разработка оптимизированных транзисторов [4,5] и широкое использование микроэлектромеханических систем (MEMS) [6].

Коммутационные радиотехнические устройства относятся к УУ и анализ их технических параметров, достигнутых на сегодняшний день, показывает, что основными тенденциями дальнейшего развития являются:

повышение быстродействия, увеличение мощности входного высокочастотного сигнала, улучшение качества согласования, расширение полосы рабочих частот, увеличение динамического диапазона изменения управляемых параметров, уменьшение массогабаритных показателей и интегральная микроминиатюризация [1,7].

Рост скоростей потоков данных требует повышенной пропускной способности каналов и может быть достигнут расширением полосы пропускания, что реализуемо на высоких частотах, в том числе в сантиметровом и в миллиметровом диапазонах. Однако, существующие на сегодняшний день схемотехнические, конструктивные и технологические решения недостаточно совершенны, чтобы обеспечить массовое производство дешевого, общедоступного оборудования.

Создание быстродействующих широкополосных коммутационных устройств высокого уровня мощности практически всегда сопряжено со значительными трудностями, особенно в указанных диапазонах. Стремление увеличить допустимую мощность входного сигнала и получить полосу рабочих частот, близкую к предельно достижимой, возможно только на основе обобщенной концепции построения устройств большого уровня мощности [1,7].

Для исследования вопросов быстродействия коммутационных устройств важнейшее значение имеет разработка математических моделей и методик расчета прямого и обратного переходного процесса, что создает возможность разработки новых схемотехнических решений амплитудных и фазовых манипуляторов с повышенным быстродействием.

Для разработки быстродействующих устройств большого уровня мощности требуются новые методики спектрального анализа, совместимые не только с зарядовыми, но и с физико - топологическими моделями инерционных полупроводниковых приборов. Необходимы новые подходы и точные методы расчета межэлектродной ёмкости управляющих элементов с учетом краевых эффектов [8], имеющих произвольную длину базовой области или рабочего канала и различную форму электродов [1,7].

Для компенсации межэлектродной ёмкости полупроводниковых элементов необходимо предложить эффективные принципы построения компенсирующих цепей и осуществить их синтез на структурном уровне в сосредоточенном и распределенном базисе. Обобщенная концепция построения управляемых устройств нового поколения разработана в работах [1,7]. Основной целью разработки этой концепции было повышение предельно допустимого уровня коммутируемой мощности при одновременном обеспечении максимально возможной ширины полосы рабочих частот. Однако, вопросы повышения быстродействия в рамках данной концепции специально не рассматривались. Проведенный анализ [9-12] показывает, что решение вопроса повышения быстродействия коммутационных устройств, в целом, идет по пути создания новых полупроводниковых элементов - диодов и транзисторов. Достижение же быстродействия, близкого к предельно достижимому, может быть обеспечено схемотехническими методами, чему и посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью работы является повышение быстродействия коммутационных высокочастотных устройств за счет оптимизации режимов работы полупроводниковых управляющих элементов и использования согласующе-компенсирующих и корректирующих цепей.

Задачи исследования.

1. Разработка численного метода расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах на основе использования импульсной характеристики нестационарной линейной цепи.

2. Нахождение оптимальной формы управляющих сигналов для коммутационных устройств на полупроводниковых диодах, обеспечивающих быстродействие, близкое к предельно достижимому.

3. Исследование и разработка корректирующих цепей для управляющих сигналов коммутационных устройств на полевых транзисторах, определение их влияния на быстродействие.

4. Разработка численных алгоритмов расчета спектральных составляющих в широкополосных коммутационных устройствах при большом уровне входного высокочастотного сигнала.

5. Экспериментальное исследование предложенных конструкций амплитудных и фазовых манипуляторов с высоким быстродействием.

Методы исследования

Решение перечисленных выше задач было выполнено с применением: теории матриц, теории функций комплексного переменного, включая преобразования Фурье и его свойства, теории дифференциальных уравнений в частных производных, теории рядов. Кроме того, в работе также широко применялись теория цепей и численное моделирование на основе компьютерных САПР. Достоверность основных положений и выводов подтверждена расчетом тестовых примеров и сравнением с результатами, полученными другими методами, а также экспериментальными испытаниями созданных устройств.

Научная новизна

1. Разработан численный метод расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах на основе использования частотного коэффициента передачи и импульсной характеристики нестационарной линейной цепи с ограниченной полосой пропускания и выделения комплексной огибающей выходного сигнала.

2. Теоретически обосновано использование четырехуровневых управляющих сигналов в коммутационных устройствах на полупроводниковых диодах, обеспечивающие быстродействие, близкое к предельно достижимому.

3. Предложено использовать на входе полевого транзистора корректирующую цепь для импульсного управляющего сигнала в виде гауссов-ского фильтра нижних частот, что позволяет получить минимальную длительность переходных процессов.

4. Разработан эффективный алгоритм спектрального анализа для коммутационных устройств на полевых транзисторах, основанная на использовании рядов Фурье и учитывающая нелинейность барьерной емкости при большом уровне высокочастотного сигнала.

Практическая значимость работы

- Развиты принципы построения и методы анализа быстродействующих коммутационных устройств, используемых в цифровых модуляторах с амплитудной и фазовой манипуляцией.

- Разработано программное обеспечение, позволяющее моделировать и исследовать переходные процессы в коммутационных устройствах с помощью выделения комплексной огибающей высокочастотного сигнала.

- Разработаны, созданы и внедрены на ряде предприятий России быстродействующие амплитудные и фазовые манипуляторы, обеспечивающие длительность переходных процессов не более 10 не.

- Даны практические рекомендации по выбору корректирующих и согла-сующе-компенсирующих цепей для быстродействующих высокочастотных коммутаторов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод расчета переходных процессов в амплитудных и фазовых манипуляторах, основанный на определении импульсной характеристики линейной нестационарной цепи с ограниченной полосой пропускания с помощью численного интегрирования частотного коэффициента передачи, позволяет определить комплексную огибающую выходного высокочастотного сигнала.

2. Применение четырехуровневого управляющего сигнала в коммутационных высокочастотных устройствах, выполненных на полупроводниковых диодах, обеспечивает быстродействие, близкое к предельно достижимому.

3. Использование корректирующих цепей для управляющего сигнала в виде гауссовского фильтра нижних частот на входе полевого транзистора позволяет за счет линейности фазочастотной характеристики фильтра увеличить быстродействие коммутатора в 1,4 раза.

4. Алгоритм расчета спектральных составляющих в коммутационных высокочастотных устройствах на полевых транзисторах, основанный на численном определении коэффициентов ряда Фурье, применим в большом динамическом диапазоне амплитуд входного высокочастотного сигнала.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на международных, Всероссийских и региональных конференциях: «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2006», г. Новосибирск; «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем - 2007» г. Серпухов; «Электронные средства и системы управления - 2007», г. Томск; «Информатика и проблемы телекоммуникаций - 2007, 2008, 2009», г. Новосибирск;

«Научная сессия НТО им. A.C. Попова - 2008», г. Москва; «Современные проблемы радиоэлектроники - 2009», г. Красноярск.

Публикации

По материалам диссертации подготовлено 16 публикаций: 2 статьи в рецензируемых журналах; 10 статей и докладов в сборниках Международных и Российских конференций, выпущено 1 учебное пособие, получены 1 патент, 1 положительное решение на патент на изобретение и 1 патент на Полезное устройство.

Структура и объем диссертации составляет 153 листа машинописного текста, включает 68 рисунков и 26 таблиц.

I. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

Современные многоканальные коммутационные устройства реализуются на основе обобщенной концепции построения управляемых устройств нового поколения, представленной в [1, 7]. Основная идея данной концепции заключается в повышение предельно допустимого уровня коммутируемой мощности при одновременном обеспечении максимально возможной ширины полосы рабочих частот. При этом вопросы повышения быстродействия коммутационных устройств, выполненных в соответствии с данной концепцией, требуют специального рассмотрения, в котором необходимо учитывать, как инерционные свойства полупроводниковых управляющих элементов, так и влияние индуктивных и емкостных элементов согласующе-компенсирующих и корректирующих элементов.

1.1. Коммутационные устройства на p-i-n-диодах

В построении коммутационных устройств наибольшее распространение в качестве управляющих элементов получили переключательные p-i-n- диоды и полевые транзисторы с управляющим р-п- переходом и изолированным затвором [13, 14].

В основе работы p-i-n- диода лежит свойство инерционности: нелинейная зависимость тока от напряжения на высоких частотах не проявляется, т.е. при выполнении условия coTj » 1 отсутствует детекторный эффект (со - частота высокочастотного сигнала, т, - время жизни неравновесных носителей в базе). В области высоких частот амплитуда высокочастотного сигнала может в сотни раз превышать постоянную составляющую тока, являющуюся управляющим воздействием.

Характерными особенностями p-i-n- диодов являются: относительно не-

А о

высокое быстродействие (10' -10" )с, которое ограничивает их применение в системах с цифровыми методами модуляции, и значительная мощность рассеивания (0,05 - 100) Вт, которая позволяет им оставаться основным типом управляющего элемента во всех случаях, где допустима определенная инерционность управления.

P-i-n- диод - это коммутационный диод с трехслойной структурой, состоящей из высокоомного слоя собственного полупроводника, расположенного между двумя сильно легированными областями р- и п- типов (рис. 1.1.1)

р \ п

к

а

_ , \

Рис. 1.1.1. Структура р4-п-диода

Область полупроводника с собственной электропроводностью значительно увеличивает толщину р-я-перехода что позволяет получать малые ёмкости диода. При этом одновременно повышается пробивное напряжение. Напряженность поля внутри перехода в рамках одномерной модели вдоль координаты х уменьшается при той же величине разности потенциалов (рис. 1.1.1):

Е =

А<р Ах

Прямой ток для />-/'-/7-структуры меньше, чем для /?-и-перехода. Это связано с тем, что на рА- и г-п- переходах падает только часть приложенного напряжения. Другая часть падает на высокоомной /- области вследствие малой концентрации в ней носителей заряда, особенно при малых прямых токах.

Работа диода в режиме переключения основана на резком отличии концентрации свободных носителей в г- области при прямом и обратном смещении, Высокое пробивное напряжение позволяет коммутировать большие уровни мощности высокочастотного сигнала. Быстродействие ограничено временем рассасывания носителей заряда в г- области т, при переключении

напряжения с прямого на обратное.

В аналоговом режиме р4-п- диоды на высоких частотах применяются в качестве сопротивления, близкого к активному. Нижняя частота /0, определяющая применимость прибора в этом режиме, связана со временем жизни

неравновесных носителей заряда приближенным соотношением /0 = --,

2/ТТ;

где т,- - время жизни носителя.

На высоких частотах (/» /о) диод ведет себя как активное линейное сопротивление, величиной которого можно управлять постоянным током или низкочастотным управляющим сигналом. При действии источника смещения в прямом направлении, переменный сигнал накладывается на ток, обусловленный смещением. Изменяя направление смещения, можно управлять высокочастотным сигналом (модулировать его).

Основные параметры коммутационного р — 1 — п диода:

1. Ёмкость диода С (0,1-1,5) пФ

2. Время обратного восстановления Т0бР (60 - 20 мкс, для высокочастотных диодов уменьшается до 5 - 100 не)

3. Прямое сопротивление потерь при заданном управляющем токе - определяет активную составляющую полного сопротивления диода (составляет единицы Ом)

4. Максимально допустимая величина обратного напряжения, предотвращающего пробой (100 - 200 В)

5. Максимальная величина рассеиваемой мощности (от единиц до десят-

6. Максимальная величина прямого управляющег�