Компоненты СВЧ

1. КОМПОНЕНТЫ СВЧ

1

2. Особенности волн СВЧ диапазона

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

3. Классификация частотных диапазонов

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ
ДИАПАЗОНОВ
Частота (ГГц)
Название
0,3―3
Ультравысокие частоты(УВЧ)
(дециметровые)
3―30
Сверхвысокие частоты(СВЧ)
(сантиметровые)
30―300
Краий невысокие частоты(КВЧ)
(милиметровые)
3

4. Классификация частотных диапазонов

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ
ДИАПАЗОНОВ
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) передающиий модуль
б) приеё мныий 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 активноий среды:
вакуумные
твердотельные
Твердотельные
ИС
Транзисторы
Диоды
11

12. Классификация транзисторов

КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ
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
Лавиннопролетныий
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
??? – ??????????? ?????????
?? – ?????????????
УМ – усилитель мощности
??? – ?????????, ??????????? ???????????
?? – ?????????
??? – ??????????
? – ?????????????
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 кинетическоий энергии
электронов в энергию СВЧ поля)
◦ Типа М (преобразование потенциальноий энергии
электронов в энергию СВЧ поля)
По продолжительности взаимодеий ствия электронов с
СВЧ полем
◦ Кратковременное (клистроны)
◦ Длительное (лампы бегущеий волны (ЛБВ) и лампы
обратноий 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
Основноий тип волны - ТЕМ
Волновое сопротивление:
Длина волны:
Л 0 / 1/ 2
D
B 60 ln / 1/ 2
d
23

24. Прямоугольный волновод

ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ВОЛНОВОД
Структура поля для
волны основного
типа Н10
Волновое сопротивление:
0
Длина волны: Л
1 0
кр
0
120 b
B
1
a
кр
2
2
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
Длина волны: Л 0 / эфф
эфф
1
2
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
распределеё н
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 полеий
Размеры элементов много меньше длины волны lэ <<λ
Элементы с распределеё нными параметрами:
характерно отсутствие пространственного
разделения электрического и магнитного полеий , то
есть в любоий точке может присутствовать
электрическое и магнитное поле
Размеры элементов соизмеримы с длиноий волны lэ ≥ λ
28

29. Элементы с распределенными параметрами (режим короткого замыкания)

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

30. ЭЛЕМЕНТЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ (РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ)

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

31. Элементы с распределенными параметрами (режим холостого хода)

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

32. Элементы с распределенными параметрами (режим холостого хода)

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

33. Элементы с сосредоточенными параметрами

ЭЛЕМЕНТЫ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ
1. Высокоомныий 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 секциий , h
– толщина подложки, С
– в пФ/ед. длины.
36

37. Микрополосковые резонаторы

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
37

38. Микрополосковые резонаторы

МИКРОПОЛОСКОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
С
33,3
l1
1
2
L
l2
30
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 рабочеий частоты транзистора
временем переноса носителеий через транзистор
2.
Ограничение рабочеий частоты транзистора,
обусловленное скоростью изменения заряда,
накопленного в транзисторе
3.
Влияние на рабочую частоту транзистора
конструкции выводов транзистора и их
паразитных параметров
41

42. Структура биполярного транзистора

СТРУКТУРА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
42

43.

СВЧ биполярные транзисторы отличаются от низкочастотных
прежде всего размерами активных областеий , которые
характеризуются шириноий эмиттерноий полоски lэ и толщиноий
базы lб).
Современная технология позволяет получить эмиттерные
полоски шириноий lэ меньше 0,1 мкм и толщину базы lб не
сколько 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» емкостеий и индуктивностеий .
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 носителеий в эмиттере,
τк – время задержки носителеий в обедненноий области
коллектора,
τб – время пролета неосновных носителеий 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
металлургическоий 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 обедненноий области коллектора
vs - скорость насыщения носителеий
47

48. время пролета неосновных носителей через базу

ВРЕМЯ ПРОЛЕТА НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ
ЧЕРЕЗ БАЗУ
2
lб
б
nDпб
где lб – толщина базы,
n – коэффициент, зависящиий от распределения
примесеий 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
T
R
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 эмиттерноий и
коллекторноий областеий ;
Ск – емкость коллектора
50

51. Требования к параметрам транзистора

ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ
ТРАНЗИСТОРА
1.
Уменьшение lк ;
2.
Уменьшение lб;
3.
Уменьшение Cэ и Cк;
4.
Уменьшение rк
Примеры противоречивых требований
Требования 1 и 3 связаны с увеличением граничноий
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.
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
1
f гр
2 пр
где τпр – это время пролета носителеий 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 дреий фовую скорость насыщения.
Из этих условиий 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 дреий фовая скорость
носителеий 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 высокиий уровень легирования канала, не превышающиий ,
однако, 5·1017см-3 (во избежание пробоя). При таком уровне леги 54
рования минимальная длина затвора ограничена значением около
0,1 мкм, что соответствует граничноий 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 запрещенноий зоны, одинаковую
кристаллическую структуру и равные
постоянные кристаллическоий решетки.
56

57. Зонная диаграмма гетероперехода

ЗОННАЯ ДИАГРАММА
ГЕТЕРОПЕРЕХОДА
Особенности данноий 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 ,
U +2 =0;
S22 = U-2 / U +2 ,
U +1 =0;
S12 = U-1 / U +2, U +1 =0;
S21 = U-2 / U +1 , U +2 =0
66