Компоненты СВЧ. Особенности волн СВЧ диапазона

1. КОМПОНЕНТЫ СВЧ

1

2. Особенности волн СВЧ диапазона

ОСОБЕННОСТИ ВОЛН СВЧ ДИАПАЗОНА
Размеры аппаратуры соизмеримы с длиной волны
на сверхвысоких частотах
Волны СВЧ диапазона обладают квазиоптическими
свойствами
Волны СВЧ диапазона беспрепятственно проникают
через ионизированные слои, окружающие Землю, и
слои атмосферы
2

3. Классификация частотных диапазонов

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ДИАПАЗОНОВ
Классификация частотных диапазонов
в соответствии с российским стандартом
Частота (ГГц)
Название
0,3―3
Ультравысокие частоты(УВЧ)
(дециметровые)
3―30
Сверхвысокие частоты(СВЧ)
(сантиметровые)
30―300
Крайневысокие частоты(КВЧ)
(милиметровые)
3

4. Классификация частотных диапазонов

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ДИАПАЗОНОВ
Зарубежная классификация
Частота (ГГц)
Название
0,4―2,7
L
2,7―4
S
4―8
C
8―12
X
12―18
Ku
18―26
K
26―40
Ka
>40
mm wave
4

5. Система связи

СИСТЕМА СВЯЗИ
5

6. Структурная схема передатчика радиорелейной системы связи

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПЕРЕДАТЧИКА
РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
6

7. Структурная схема передатчика земной станции спутниковой системы связи (ССС)

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПЕРЕДАТЧИКА ЗЕМНОЙ
СТАНЦИИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ (ССС)
7

8. ПРИЕМНЫЙ И ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛИ АФАР

а) передающий модуль
б) приёмный модуль
8

9. Структурная схема передвижной системы радиосвязи

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПЕРЕДВИЖНОЙ СИСТЕМЫ
РАДИОСВЯЗИ
9

10. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АДАПТЕРА WI-FI

10

11. Классификация компонентов СВЧ

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ СВЧ
По типу активной среды:
вакуумные
твердотельные
Твердотельные
ИС
Транзисторы
Диоды
11

12. Классификация транзисторов

КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ
Транзистор – прибор, который служит для
преобразования, усиления и генерирования
сигналов
Классификация транзисторов
по мощности:
• Большой мощности (10 Вт)
• Средней мощности (~1 Вт)
• Малой мощности (< 1 Вт)
12

13. Классификация транзисторов по принципу работы

КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ ПО ПРИНЦИПУ РАБОТЫ
Транзисторы
Полевые
Биполярные
n-p-n
p-n-p
МДП
ПТ с
барьером
Шоттки
13

14. Классификация диодов по функциональному назначению

Диоды
Детекторные и
смесительные
Управляющие
Генераторноусилительные
14

15. Классификация детекторных и смесительных диодов

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТЕКТОРНЫХ И СМЕСИТЕЛЬНЫХ
ДИОДОВ
Детекторные и
смесительные
диоды
Диоды с
точечным
контактом
Диоды с
p-n
переходом
Диоды
Шоттки
15

16. Классификация генераторно-усилительных диодов

Генераторноусилительные
диоды
Лавиннопролетный
диод (ЛПД)
Диод Ганна
16

17. Классификация управляющих диодов

Управляющие
диоды
p-i-n диоды
Варакторы и
варикапы
17

18. Интегральные схемы

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
ИС
МШУ
ФВ
УМ
Фильтр
ГУН
МШУ – малошумящий усилитель
ФВ – фазовращатель
УМ – усилитель мощности
Гун – генератор, управляемый напряжением
СМ – смеситель
Атт – аттенюатор
П – переключатель
СМ
Атт
П
18

19. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИС ДЛЯ X- И К- ДИАПАЗОНОВ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИС ДЛЯ X- И КДИАПАЗОНОВ
ТИП ИС
УМ
МШУ
ФВ
Атт
Параметры
Х-диапазон
К-диапазон
Вых. мощность
7―12 Вт
2―4 Вт
К-т усиления
6―8 дБ
5―7 дБ
КПД
35―45%
25―35%
К-т усиления
8―9 дБ
7―8 дБ
К-т шума
0,8―1,5 дБ
2―2,5 дБ
Ошибка фазы
2―4о
2―4о
Потери
3―7 дБ
3―7 дБ
Диапазон
регулировки
32―64 дБ
32―64 дБ
19

20. Классификация электровакуумных приборов

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Электровакуумные приборы:
По характеру энергообмена
◦ Типа O (преобразование кинетической энергии
электронов в энергию СВЧ поля)
◦ Типа М (преобразование потенциальной энергии
электронов в энергию СВЧ поля)
По продолжительности взаимодействия электронов с
СВЧ полем
◦ Кратковременное (клистроны)
◦ Длительное (лампы бегущей волны (ЛБВ) и лампы
обратной волны (ЛОВ))
20

21. Линии передачи

ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
21

22. Типы линий передачи

ТИПЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ
Линии передачи
Коаксиальн
ые линии
Прямоуголь
ные
волноводы
Микрополо
сковые
линии
(МПЛ)
22

23. Коаксиальная линия

КОАКСИАЛЬНАЯ ЛИНИЯ
Основной тип волны - ТЕМ
Волновое сопротивление:
Длина волны:
Л 0 / 1/ 2
D 1/ 2
/
d
B 60 ln
23

24. Прямоугольный волновод

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ВОЛНОВОД
Структура поля для
волны основного
типа Н10
Волновое сопротивление:
0
Длина волны: Л
2
0
120 b
B
1
a
кр
2
1 0
кр
Критическая длина волны: кр 2a
Волна не распространяется по волноводу, если ее
длина больше критической
24

25. Несимметричная микрополосковая линия

НЕСИММЕТРИЧНАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ
основной тип
волны – квази ТЕМ
1/ 2
/
Длина волны: Л
0
эфф
эфф
1
2
1
2 1 10
h
W
С ростом частоты изменяется εэфф . Такое явление
называют дисперсией.
25

26. Элементы СВЧ тракта

ЭЛЕМЕНТЫ СВЧ ТРАКТА
26

27. Классификация по локализации электромагнитного поля в элементе

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ЛОКАЛИЗАЦИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЭЛЕМЕНТЕ
Элементы СВЧ
тракта
Элементы с
сосредоточен
ными
параметрами
Элементы с
распределён
ными
параметрами
27

28. Особенности элементов с сосредоточенными и распределенными параметрами

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ И
РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Элементы с сосредоточенными параметрами:
характерно наличие пространственного разделения
электрического и магнитного полей
Размеры элементов много меньше длины волны lэ <<λ
Элементы с распределёнными параметрами:
характерно отсутствие пространственного
разделения электрического и магнитного полей, то
есть в любой точке может присутствовать
электрическое и магнитное поле
Размеры элементов соизмеримы с длиной волны lэ ≥ λ
28

29. Элементы с распределенными параметрами (режим короткого замыкания)

ЭЛЕМЕНТЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ (РЕЖИМ
КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ)
Режим К.З.:
z в х.кз . j B tg
2 l
B
29

30. ЭЛЕМЕНТЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ (РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ)

Режим К.З.:
xв х.кз . B tg
2 l
B
Расчет индуктивности
L B tg
B tg
L
2 l
B
2 l
B
30

31. Элементы с распределенными параметрами (режим холостого хода)

ЭЛЕМЕНТЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ (РЕЖИМ
ХОЛОСТОГО ХОДА)
Режим Х.Х.:
z в х. x. x. j B ctg
2 l
B
31

32. Элементы с распределенными параметрами (режим холостого хода)

ЭЛЕМЕНТЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ (РЕЖИМ
ХОЛОСТОГО ХОДА)
Режим Х.Х.:
xв х. X . X . B ctg
2 l
B
Расчет емкости:
1
2 l
B ctg
C
B
C
1
B ctg
2 l
B
32

33. Элементы с сосредоточенными параметрами

ЭЛЕМЕНТЫ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
1. Высокоомный отрезок линии:
2. Одновитковая катушка:
33

34. Элементы с сосредоточенными параметрами

ЭЛЕМЕНТЫ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
3. Меандр:
4. Спираль:
34

35. Элементы с сосредоточенными параметрами

ЭЛЕМЕНТЫ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
5. Пластинчатая ёмкость:
C
0 S
d
где S – площадь перекрытия
пластин, d – толщина
диэлектрика.
6. Зазор:
C 4пФ
35

36. Элементы с сосредоточенными параметрами

ЭЛЕМЕНТЫ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
7. Гребенчатая емкость:
С ( 1) 0 l 2 A1 ( N 1) A2
0.25
0.439
h t
A1 0.614
s h
0.775t
A2
0.408
(2 N 1)(t s )
где N – число секций, h
– толщина подложки, С
– в пФ/ед. длины.
36

37. Микрополосковые резонаторы

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
37

38. Микрополосковые резонаторы

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
С
L
33,3
1
2
30
l1
l2
C – в пФ, L – в нГн, l – в см, ρ – в Ом
38

39. СВЧ схема

Принципиальная схема:
Топология схемы
39

40. транзисторы СВЧ диапазона

ТРАНЗИСТОРЫ СВЧ ДИАПАЗОНА
40

41. В основе работы СВЧ транзисторов лежат те же принципы, что и в работе НЧ транзисторов Особенности СВЧ транзисторов

В ОСНОВЕ РАБОТЫ СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ ЛЕЖАТ ТЕ ЖЕ ПРИНЦИПЫ,
ЧТО И В РАБОТЕ НЧ ТРАНЗИСТОРОВ
ОСОБЕННОСТИ СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ
1.
Ограничение рабочей частоты транзистора
временем переноса носителей через транзистор
2.
Ограничение рабочей частоты транзистора,
обусловленное скоростью изменения заряда,
накопленного в транзисторе
3.
Влияние на рабочую частоту транзистора
конструкции выводов транзистора и их
паразитных параметров
41

42. Биполярным называют транзистор, в котором используются заряды носителей обеих полярностей

СТРУКТУРА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
БИПОЛЯРНЫМ НАЗЫВАЮТ ТРАНЗИСТОР, В КОТОРОМ
ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ЗАРЯДЫ НОСИТЕЛЕЙ ОБЕИХ ПОЛЯРНОСТЕЙ
42

43.

СВЧ биполярные транзисторы отличаются от низкочастотных
прежде всего размерами активных областей, которые
характеризуются шириной эмиттерной полоски lэ и толщиной
базы lб.
Современная технология позволяет получить эмиттерные
полоски шириной lэ меньше 0,1 мкм и толщину базы lб несколько десятков нанометров.
Наличие сверхтонкой базы является одной из
особенностей транзисторов СВЧ.
Для более мощных СВЧ-транзисторов используется
объединение в одном кристалле большого числа единичных
структур (до 150).
43

44.

Особенности СВЧ-транзисторов с точки зрения
конструкции выводов эмиттера, коллектора и базы
состоят в том, что выводы делают в виде коротких
полосок, удобных для сочленения с микрополосковыми
линиями передачи. Такая геометрия выводов наиболее
полно отвечает требованиям уменьшения их
«паразитных» емкостей и индуктивностей.
44

45. Расчет граничной частоты биполярного транзистора

РАСЧЕТ ГРАНИЧНОЙ ЧАСТОТЫ БИПОЛЯРНОГО
ТРАНЗИСТОРА
f гр
1
2 эк
где τэк - время задержки сигнала в транзисторе
эк э к б эб бк
τэ – время накопления неосновных носителей в эмиттере,
τк – время задержки носителей в обедненной области
коллектора,
τб – время пролета неосновных носителей через базу,
τэб – время заряда емкости эмиттерного перехода,
τбк – время заряда емкости коллекторного перехода
45

46. Время накопления неосновных носителей в эмиттере

ВРЕМЯ НАКОПЛЕНИЯ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В
ЭМИТТЕРЕ
2
lэб
э
2 D рэ 0
где l эб - расстояние от поверхности транзистора до
металлургической границы эмиттерного перехода,
Dрэ - коэффициент диффузии дырок в эмиттере,
β0 - коэффициент усиления по постоянному току
46

47. время переноса носителей в обедненной области коллектора

ВРЕМЯ ПЕРЕНОСА НОСИТЕЛЕЙ В ОБЕДНЕННОЙ
ОБЛАСТИ КОЛЛЕКТОРА
lк
к
2v s
где lк – ширина обедненной области коллектора
vs - скорость насыщения носителей
47

48. время пролета неосновных носителей через базу

ВРЕМЯ ПРОЛЕТА НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЧЕРЕЗ
БАЗУ
2
lб
б
nDпб
где lб – толщина базы,
n – коэффициент, зависящий от распределения
примесей в базе,
Dпб - коэффициент диффузии электронов в базе
48

49. время заряда емкости эмиттерного перехода

ВРЕМЯ ЗАРЯДА ЕМКОСТИ ЭМИТТЕРНОГО ПЕРЕХОДА
эб R СЭ
где Rβ – сопротивление рекомбинации
R
T
Iэ
kT
T
e
49

50. время заряда емкости коллекторного перехода

ВРЕМЯ ЗАРЯДА ЕМКОСТИ КОЛЛЕКТОРНОГО ПЕРЕХОДА
бк Ск (rэ r к )
где rэ, rк – сопротивления эмиттерной и
коллекторной областей;
Ск – емкость коллектора
50

51. Требования к параметрам транзистора

ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ТРАНЗИСТОРА
Уменьшение lк ;
2. Уменьшение lб;
3. Уменьшение Cэ и Cк;
4. Уменьшение rк
Примеры противоречивых требований
Требования 1 и 3 связаны с увеличением граничной
частоты. Однако уменьшение lк приводит к росту Cк
Требование 3, связанное с уменьшением Cэ ,
находится в противоречии с требованием
увеличения мощности транзистора, согласно
которому
площадь
эмиттера
требуется
увеличивать.
1.
51

52. Структура полевого транзистора

СТРУКТУРА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
И
5
З
l1
l3 l2
к
4
3
п+
С
W
п
п+
6
3
7
2
1
1 - высокоомная подложка, выполненной из GаAs,
2 -проводящий канал n-типа подсоединен к выводам истока И и стока C.
3- невыпрямляющие контакты, образованные n+- областями и контактами 4 и 6,
4 и 6 - металлические электроды
5 - затвор, у которого на границе с n-каналом образован барьер Шоттки.
7 – обедненная область
При подаче напряжения между стоком и истоком через n-канал протекает электронный ток.. Затвор 5
используется в ПT для управления током транзистора с помощью внешнего сигнала. При протекании
тока через канал возникает падение напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его
длины. Область обедненного слоя может расширяться до высокоомной подложки 1 и перекрывать
проводящий канал. При этом ток транзистора в цепи исток - сток практически перестает зависеть от
напряжения стока.
52

53. Расчет граничной частоты полевого транзистора

РАСЧЕТ ГРАНИЧНОЙ ЧАСТОТЫ ПОЛЕВОГО
ТРАНЗИСТОРА
f гр
1
2 пр
где τпр – это время пролета носителей через канал
пр
L
нас
где L – длина канала: L = l1 + l2 + l3
L = 1,2l3
53

54.

Для получения высокочастотных приборов необходимо:
• обеспечить малую длину канала
• большую дрейфовую скорость насыщения.
Из этих условий вытекает ряд требований к материалу
транзистора и к размерам его электродов. В качестве материала
канала в ПT используют преимущественно арсенид галлия GаAs.
Это объясняется тем, что подвижность электронов в этом
материале в несколько раз выше, чем в кремнии, поэтому
различаются и скорости насыщения, которые составляют 2 107см/с
для GaAs и 0,8 107см/с для Si. Имеются данные о создании ПT на
основе фосфида индия InP, в котором дрейфовая скорость
носителей в 1,5 раза выше, чем в арсениде галлия.
Однако, сокращая L, нужно одновременно уменьшать и глубину
канала wк так, чтобы выполнялось условие L/wк > 1, в противном
случае затвор транзистора не сможет эффективно контролировать
движение электронов в канале. Для уменьшения wк используют
более высокий уровень легирования канала, не превышающий,
однако, 5·1017см-3 (во избежание пробоя). При таком уровне леги- 54
рования минимальная длина затвора ограничена значением около
0,1 мкм, что соответствует граничной частоте fгр=100 ГГц.

55. Гетеропереходы

ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ
55

56. Понятие о гетеропереходе

ПОНЯТИЕ О ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ
Гетеропереход образуется при контакте двух
полупроводниковых кристаллов, имеющих
разную ширину запрещенной зоны, одинаковую
кристаллическую структуру и равные
постоянные кристаллической решетки.
56

57. Зонная диаграмма гетероперехода

ЗОННАЯ ДИАГРАММА ГЕТЕРОПЕРЕХОДА
Особенности данной диаграммы состоят в
наличии скачков ΔЕс, ΔEv
57

58. Явление сверхинжекции

ЯВЛЕНИЕ СВЕРХИНЖЕКЦИИ
Скачки дна зоны проводимости способствуют тому, что электронный
квазиуровень (EFn, EFp) располагается выше уровня EC1
58

59. Двумерный электронный газ

ДВУМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ
Образуется потенциальная яма, куда «сваливаются»
электроны
59

60. Структура биполярного транзистора на гетеропереходе (HBT)

СТРУКТУРА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА НА
ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ (HBT)
60

61. СТРУКТУРА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА НА ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ (HEMT)

61

62. Эквивалентная схема биполярного транзистора СВЧ диапазона

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
СВЧ ДИАПАЗОНА
62

63. Эквивалентная схема полевого транзистора СВЧ диапазона

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
СВЧ ДИАПАЗОНА
63

64. К определению S-параметров транзисторов

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ SПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ
64

65. Схема линейного усилителя

СХЕМА ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ
U1- = S11 U1+ + S12 U2+ ,
U2- = S21 U1+ + S22 U2+ ,
65

66. S – параметры

S – ПАРАМЕТРЫ
-
+
S11 = U 1 / U 1 ,
+
S22 = U 2 / U 2 ,
+
S12 = U 1 / U 2,
+
S21 = U 2 / U 1 ,
+
U 2 =0;
+
U 1 =0;
+
U 1 =0;
+
U 2 =0
66