eng
Выпуск #1/2020
В. Кочемасов, С. Дингес, В. Шадский
Твердотельные СВЧ‑переключатели средней и большой мощности. Часть 4
Твердотельные СВЧ‑переключатели средней и большой мощности. Часть 4
Просмотры: 2081
Рассмотрены твердотельные СВЧ-переключатели различных типов, выпускаемые рядом производителей. Приведена информация об особенностях и характеристиках данных устройств.
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.192.1.142.151
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.192.1.142.151
УДК 621.389 | ВАК 05.27.01
В первых трех частях статьи, опубликованных в восьмом, девятом и десятом номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2019 год, рассматривались особенности проектирования твердотельных СВЧ‑переключателей средней и большой мощности и различные типы таких устройств. В данном номере речь пойдет о других типах твердотельных СВЧ-переключателей, выпускаемых рядом производителей.
Интегральные переключатели на основе кремниевых КМОП‑технологий
Основной вклад в развитие переключателей этого типа внесли компании: pSemi, IDT, Skyworks Solutions, Analog Devices, Infineon, Mini-Circuits, Qorvo (табл. 13).
Наибольших успехов в этой области добилась компания pSemi, которая представляет на рынке широкую номенклатуру переключателей, отличающихся типом (SPST, SPDT, SPMT), разными видами исполнений (промышленное, военное, космическое), чрезвычайно высоким уровнем характеристик, особенно в части создания моделей с высокими рабочими частотами (PE42524, PE426525). Достигнутый в изделиях этой компании уровень допустимой коммутируемой мощности доходит до 30 Вт на низких частотах (PE42820, PE42650A) и единиц и долей ватта на частотах 48–60 ГГц (PE42542, PE42524, PE426525).
Упрощенные схемы SPST-, SPDT- и SP4T‑переключателей (рис. 46), используемые в своих разработках компанией pSemi, применяются при создании переключателей и другими компаниями. Высокая стойкость к электростатическим воздействиям (≥2 кВ при испытаниях по модели HBM (Human Body Model)), достигаемая в этих переключателях, обеспечивается включением по всем портам специальных схем защиты (рис. 47), интегрированных в состав изделия. Отличительной особенностью компании pSemi является то, что она в своих технических решениях базируется на технологии кремний на сапфире (КНС). Такое решение обеспечивает высокую радиационную стойкость всех создаваемых в компании изделий.
Микросхема PE42524 представляет собой отражательный SPDT‑переключатель, реализованный на сапфировой подложке с использованием технологии UltraCMOS. Этот переключатель выполнен во flip-chip корпусе, имеет отличную линейность, низкие вносимые потери и идеально подходит для использования в тестовых и измерительных целях, в РЛС и военных системах связи. По всем портам переключатель не требует блокировочных конденсаторов. В пределах рабочего диапазона допустимые значения мощностей в 1-дБ точке компрессии P1дБ, импульсной Pи и непрерывной Pн могут меняться в весьма широких пределах (рис. 48). Особо следует отметить значительное снижение допустимых входных мощностей в области низких частот и существенную их зависимость от напряжения питания (рис. 49). Наряду со снижением коммутируемых мощностей в области низких частот происходит увеличение уровней гармонических составляющих (рис. 50).
В линейке продукции компании pSemi имеется также переключатель PE42020, который работает от нулевых частот, пропуская через свои порты переменное и постоянное (±10 В, ток до 80 мА) напряжения. Этот малогабаритный (в 20-выводном 4 × 4 мм QFN‑корпусе) переключатель отличается высокой линейностью (IIP3 = 63 дБм), большой развязкой (37 дБ на частоте 6 ГГц), значительной коммутируемой мощностью: 30 дБм при постоянном токе и 36 дБм на частоте 8 ГГц. Благодаря своим характеристикам это изделие идеально подходит для измерительных и тестовых задач.
В отличие от компании pSemi другие производители используют технологию кремний на изоляторе (КНИ). В качестве примера реализации такого изделия можно привести SPST‑переключатель поглощающего типа QPC6014 компании Qorvo, предназначенный для использования в сотовых сетях связи. Этот переключатель отличается относительно низкими вносимыми потерями (рис. 51а), высокой, особенно на низких частотах, развязкой (рис. 51б), достаточно большой коммутируемой мощностью (рис. 51в) и исключительной линейностью (рис. 51г). Анализ этих зависимостей свидетельствует о весьма низкой их чувствительности к вариациям температуры. Заметим, что характер зависимостей IL(Pвх) и P1дБ(Pвх) очень сильно меняется, если входная мощность превышает допустимые значения (рис. 52).
Другие SPST‑переключатели MPS4101-012S и MPS4102-013S (компании Microsemi) обеспечивают 3-Вт входную мощность в диапазоне частот 0,05–40 ГГц. Выполненные по последовательно-параллельной схеме эти переключатели обеспечивают приемлемые показатели во всем диапазоне рабочих частот (см. табл. 13). Особенно следует отметить, что все эти показатели гарантируются в диапазоне рабочих температур –55…150 °C. Напряжение пробоя в этих переключателях может превышать 80 В.
Значительных успехов в создании переключателей с широким диапазоном частот добилась компания Analog Devices, выпустившая несколько моделей для различных диапазонов частот: 9 кГц – 13 ГГц (HMC1118), 0,1–30 ГГц (ADRF5020), 9 кГц – 30 ГГц (ADRF5021), 0,1–44 ГГц (ADRF5024) и 9 кГц – 44 ГГц (ADRF5025). Переключатель HMC1118 обеспечивает коммутацию входных мощностей до 37 дБм при холодном и до 30 дБм при горячем переключении. В нижней части рабочего диапазона частот эти мощности снижаются относительно приведенных значений на 22,5 и 20 дБ соответственно (рис. 53).
Переключатель ADRF5021 позволяет коммутировать сигналы с мощностью, не превышающей 0,5 Вт, но обеспечивает высокую развязку (70–60 дБ). В этом переключателе вариации температуры в границах ее рабочих значений незначительно влияют на основные характеристики изделия как в полном рабочем диапазоне частот (рис. 54а, б, в), так и в области низких частот (рис. 54г, д, е).
Переключатели ADRF5024, ADRF5025 даже на частотах до 44 ГГц обеспечивают вносимые потери менее 1,7 дБ (ADRF5024) и 2,2 дБ (ADRF5025), развязку более 35 дБ, время переключения 22 нс (ADRF5024) и 4,2 мкс (ADRF5025) и горячее переключение мощностей с уровнями 27,5 дБм. Сравнивая данные табл. 8 и 13, можно сделать вывод, что кремниевые изделия на высоких частотах по сравнению с арсенид-галлиевыми обеспечивают бóльший уровень переключаемых мощностей.
Рекордные показатели по мощностным характеристикам в изделиях Analog Devices обеспечиваются и на относительно невысоких частотах. Так, используя наработанные технические решения (рис. 55), этой компании удалось получить в диапазоне частот 0,7–4,0 ГГц почти 100-Вт уровень входной мощности (см. табл. 13, модель ADRF5160).
Большинство компаний, выпускающих КМОП‑переключатели, применяют в своих разработках запатентованные решения. К их числу относится и компания IDT, имеющая собственный патент, применение которого позволяет поддерживать постоянный импеданс по входным портам, что дает возможность переключать каналы в горячем режиме. Отметим, что многие из переключателей, выпускаемых компанией IDT, работоспособны в диапазоне температур –55…125 °C.
По мере освоения в мобильной телефонии новых диапазонов частот и телекоммуникационных стандартов количество антенн и каналов приемо-передачи увеличивается. Это приводит к необходимости использования многопозиционных переключателей с большим числом входов и выходов (рис. 56). В качестве примера можно назвать следующие многопозиционные переключатели: JSW6-23DR‑75+ (SP6T), PE42672 DIE (SP7T), RF8889A (SP10T), BGSX212MA18 (DP12T). Разработанные многопозиционные переключатели обеспечивают высокую повторяемость характеристик при переключении каналов. Например, в переключателе ADRF5250 разброс вносимых потерь во всех пяти каналах становится заметным только в верхней части рабочего диапазона частот (рис. 57а). Развязка же между каналами в этом переключателе меняется по диапазону от 90 до 40 дБ, а от номера включенного канала практически не зависит (рис. 57б). Многие многопозиционные переключатели отличаются повышенной линейностью. Однако и среди них встречаются уникальные изделия. Так, 4-позиционный переключатель RF1604 имеет IIP2 > 120 дБм.
Подводя итог рассмотрению переключателей, выполненных на основе кремниевых КМОП‑технологий, отметим, что на сегодняшний день эти изделия являются наиболее перспективными не только в задачах мобильной телефонии, но и при создании РЛС и военных систем связи. Переключатели этого вида легко могут быть интегрированы в более сложные КМОП‑изделия, в рамках которых наряду с функцией переключения могут решаться задачи усиления, формирования и обработки сигналов при минимальном потреблении и высокой стойкости к электростатическим напряжениям. Самым ярким примером сказанного могут служить приемо-передающие модули, обеспечивающие наряду с функцией переключения каналов управление фазой и амплитудой поступающих на них сигналов.
СВЧ‑переключатели, управляемые по USB‑интерфейсу
К переключателям средней мощности (0,1–10 Вт) относятся дешевые изделия, управление и питание которых осуществляется по USB‑интерфейсу. Такие переключатели, имеющие, как правило, небольшие габариты (рис. 58), незаменимы в лабораторных применениях, при тестировании различного рода радиокомпонентов и изделий, а также при проведении научных экспериментов.
На сегодняшний день подобные переключатели производят компании Vaunix, Telemakus, Pasternack, PMI, Mini-Circuits, Aeroflex Weinschel и Ranatec (табл. 14). Большая часть данных изделий конструктивно мало отличается друг от друга (см. рис. 58).
СВЧ‑переключатели компании Vaunix выпускаются под торговой маркой Lab Brick в прочных алюминиевых корпусах в двух конфигурациях: SPDT и SP4T. Через USB‑порт на них подаются управляющие сигналы и напряжение питания. Управление этими переключателями может осуществляться вручную или с персонального компьютера с помощью прилагаемого программного обеспечения, реализующего графический пользовательский интерфейс (GUI, graphical user interface). В переключателях обеспечивается достаточно большой уровень развязки (более 50–55 дБ), высокая скорость переключения (300 нс) и 10-Вт уровень допустимой входной мощности (см. табл. 14). Наряду с 50-Ом моделями (LSW‑602PDT и LSW‑602P4T) выпускаются и 75-Ом изделия (LSW‑102PDT‑75F и LSW‑102P4T‑75F).
Три модели SPDT‑переключателей с USB‑управлением производит компания Telemakus. Два из этих переключателей (TES3000-60 и TES7000-50) – поглощающие, а один (TES6000-30) – отражательный. Последняя цифра в названии всех трех моделей соответствует достигаемой развязке. Вносимые потери во всех переключателях находятся в пределах от 1 до 3 дБ (см. табл. 14). В состав поставляемых изделий входит флеш-память, используемая для инсталляции и хранения тестовых файлов и другой необходимой информации.
USB‑переключатели, выпускаемые компаниями Pasternack и PMI, отличаются широким диапазоном рабочих частот (0,5–18,0 и 0,5–40,0 ГГц) и высокой (до 60 дБ) развязкой (см. табл. 14). Допустимые входные мощности в этих устройствах не превосходят 0,1 Вт.
Компания Mini-Circuits производит SP4T‑переключатели с USB‑интерфейсом и SP10T‑переключатели с SPI‑интерфейсом. Оба изделия предназначены для работы в диапазоне от 1 до 6 000 МГц. Особо следует отметить достигнутый в SP10T‑переключателе 80-дБ уровень развязки.
Высокими техническими характеристиками (см. табл. 14) обладает и DP8T‑переключатель компании Ranatec, в котором каждый из двух входов может быть подключен к любому из восьми выходов. Применение такого переключателя особенно эффективно при тестировании больших партий изделий.
В заключение отметим, что в статье приведена информация о характеристиках мощных переключателей, общее число которых превышает 200. Реально в США, Японии, Корее, Китае и Западной Европе число производимых мощных переключателей исчисляется тысячами. При этом количество интегральных и модульных изделий одинаково велико. ●
В первых трех частях статьи, опубликованных в восьмом, девятом и десятом номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2019 год, рассматривались особенности проектирования твердотельных СВЧ‑переключателей средней и большой мощности и различные типы таких устройств. В данном номере речь пойдет о других типах твердотельных СВЧ-переключателей, выпускаемых рядом производителей.
Интегральные переключатели на основе кремниевых КМОП‑технологий
Основной вклад в развитие переключателей этого типа внесли компании: pSemi, IDT, Skyworks Solutions, Analog Devices, Infineon, Mini-Circuits, Qorvo (табл. 13).
Наибольших успехов в этой области добилась компания pSemi, которая представляет на рынке широкую номенклатуру переключателей, отличающихся типом (SPST, SPDT, SPMT), разными видами исполнений (промышленное, военное, космическое), чрезвычайно высоким уровнем характеристик, особенно в части создания моделей с высокими рабочими частотами (PE42524, PE426525). Достигнутый в изделиях этой компании уровень допустимой коммутируемой мощности доходит до 30 Вт на низких частотах (PE42820, PE42650A) и единиц и долей ватта на частотах 48–60 ГГц (PE42542, PE42524, PE426525).
Упрощенные схемы SPST-, SPDT- и SP4T‑переключателей (рис. 46), используемые в своих разработках компанией pSemi, применяются при создании переключателей и другими компаниями. Высокая стойкость к электростатическим воздействиям (≥2 кВ при испытаниях по модели HBM (Human Body Model)), достигаемая в этих переключателях, обеспечивается включением по всем портам специальных схем защиты (рис. 47), интегрированных в состав изделия. Отличительной особенностью компании pSemi является то, что она в своих технических решениях базируется на технологии кремний на сапфире (КНС). Такое решение обеспечивает высокую радиационную стойкость всех создаваемых в компании изделий.
Микросхема PE42524 представляет собой отражательный SPDT‑переключатель, реализованный на сапфировой подложке с использованием технологии UltraCMOS. Этот переключатель выполнен во flip-chip корпусе, имеет отличную линейность, низкие вносимые потери и идеально подходит для использования в тестовых и измерительных целях, в РЛС и военных системах связи. По всем портам переключатель не требует блокировочных конденсаторов. В пределах рабочего диапазона допустимые значения мощностей в 1-дБ точке компрессии P1дБ, импульсной Pи и непрерывной Pн могут меняться в весьма широких пределах (рис. 48). Особо следует отметить значительное снижение допустимых входных мощностей в области низких частот и существенную их зависимость от напряжения питания (рис. 49). Наряду со снижением коммутируемых мощностей в области низких частот происходит увеличение уровней гармонических составляющих (рис. 50).
В линейке продукции компании pSemi имеется также переключатель PE42020, который работает от нулевых частот, пропуская через свои порты переменное и постоянное (±10 В, ток до 80 мА) напряжения. Этот малогабаритный (в 20-выводном 4 × 4 мм QFN‑корпусе) переключатель отличается высокой линейностью (IIP3 = 63 дБм), большой развязкой (37 дБ на частоте 6 ГГц), значительной коммутируемой мощностью: 30 дБм при постоянном токе и 36 дБм на частоте 8 ГГц. Благодаря своим характеристикам это изделие идеально подходит для измерительных и тестовых задач.
В отличие от компании pSemi другие производители используют технологию кремний на изоляторе (КНИ). В качестве примера реализации такого изделия можно привести SPST‑переключатель поглощающего типа QPC6014 компании Qorvo, предназначенный для использования в сотовых сетях связи. Этот переключатель отличается относительно низкими вносимыми потерями (рис. 51а), высокой, особенно на низких частотах, развязкой (рис. 51б), достаточно большой коммутируемой мощностью (рис. 51в) и исключительной линейностью (рис. 51г). Анализ этих зависимостей свидетельствует о весьма низкой их чувствительности к вариациям температуры. Заметим, что характер зависимостей IL(Pвх) и P1дБ(Pвх) очень сильно меняется, если входная мощность превышает допустимые значения (рис. 52).
Другие SPST‑переключатели MPS4101-012S и MPS4102-013S (компании Microsemi) обеспечивают 3-Вт входную мощность в диапазоне частот 0,05–40 ГГц. Выполненные по последовательно-параллельной схеме эти переключатели обеспечивают приемлемые показатели во всем диапазоне рабочих частот (см. табл. 13). Особенно следует отметить, что все эти показатели гарантируются в диапазоне рабочих температур –55…150 °C. Напряжение пробоя в этих переключателях может превышать 80 В.
Значительных успехов в создании переключателей с широким диапазоном частот добилась компания Analog Devices, выпустившая несколько моделей для различных диапазонов частот: 9 кГц – 13 ГГц (HMC1118), 0,1–30 ГГц (ADRF5020), 9 кГц – 30 ГГц (ADRF5021), 0,1–44 ГГц (ADRF5024) и 9 кГц – 44 ГГц (ADRF5025). Переключатель HMC1118 обеспечивает коммутацию входных мощностей до 37 дБм при холодном и до 30 дБм при горячем переключении. В нижней части рабочего диапазона частот эти мощности снижаются относительно приведенных значений на 22,5 и 20 дБ соответственно (рис. 53).
Переключатель ADRF5021 позволяет коммутировать сигналы с мощностью, не превышающей 0,5 Вт, но обеспечивает высокую развязку (70–60 дБ). В этом переключателе вариации температуры в границах ее рабочих значений незначительно влияют на основные характеристики изделия как в полном рабочем диапазоне частот (рис. 54а, б, в), так и в области низких частот (рис. 54г, д, е).
Переключатели ADRF5024, ADRF5025 даже на частотах до 44 ГГц обеспечивают вносимые потери менее 1,7 дБ (ADRF5024) и 2,2 дБ (ADRF5025), развязку более 35 дБ, время переключения 22 нс (ADRF5024) и 4,2 мкс (ADRF5025) и горячее переключение мощностей с уровнями 27,5 дБм. Сравнивая данные табл. 8 и 13, можно сделать вывод, что кремниевые изделия на высоких частотах по сравнению с арсенид-галлиевыми обеспечивают бóльший уровень переключаемых мощностей.
Рекордные показатели по мощностным характеристикам в изделиях Analog Devices обеспечиваются и на относительно невысоких частотах. Так, используя наработанные технические решения (рис. 55), этой компании удалось получить в диапазоне частот 0,7–4,0 ГГц почти 100-Вт уровень входной мощности (см. табл. 13, модель ADRF5160).
Большинство компаний, выпускающих КМОП‑переключатели, применяют в своих разработках запатентованные решения. К их числу относится и компания IDT, имеющая собственный патент, применение которого позволяет поддерживать постоянный импеданс по входным портам, что дает возможность переключать каналы в горячем режиме. Отметим, что многие из переключателей, выпускаемых компанией IDT, работоспособны в диапазоне температур –55…125 °C.
По мере освоения в мобильной телефонии новых диапазонов частот и телекоммуникационных стандартов количество антенн и каналов приемо-передачи увеличивается. Это приводит к необходимости использования многопозиционных переключателей с большим числом входов и выходов (рис. 56). В качестве примера можно назвать следующие многопозиционные переключатели: JSW6-23DR‑75+ (SP6T), PE42672 DIE (SP7T), RF8889A (SP10T), BGSX212MA18 (DP12T). Разработанные многопозиционные переключатели обеспечивают высокую повторяемость характеристик при переключении каналов. Например, в переключателе ADRF5250 разброс вносимых потерь во всех пяти каналах становится заметным только в верхней части рабочего диапазона частот (рис. 57а). Развязка же между каналами в этом переключателе меняется по диапазону от 90 до 40 дБ, а от номера включенного канала практически не зависит (рис. 57б). Многие многопозиционные переключатели отличаются повышенной линейностью. Однако и среди них встречаются уникальные изделия. Так, 4-позиционный переключатель RF1604 имеет IIP2 > 120 дБм.
Подводя итог рассмотрению переключателей, выполненных на основе кремниевых КМОП‑технологий, отметим, что на сегодняшний день эти изделия являются наиболее перспективными не только в задачах мобильной телефонии, но и при создании РЛС и военных систем связи. Переключатели этого вида легко могут быть интегрированы в более сложные КМОП‑изделия, в рамках которых наряду с функцией переключения могут решаться задачи усиления, формирования и обработки сигналов при минимальном потреблении и высокой стойкости к электростатическим напряжениям. Самым ярким примером сказанного могут служить приемо-передающие модули, обеспечивающие наряду с функцией переключения каналов управление фазой и амплитудой поступающих на них сигналов.
СВЧ‑переключатели, управляемые по USB‑интерфейсу
К переключателям средней мощности (0,1–10 Вт) относятся дешевые изделия, управление и питание которых осуществляется по USB‑интерфейсу. Такие переключатели, имеющие, как правило, небольшие габариты (рис. 58), незаменимы в лабораторных применениях, при тестировании различного рода радиокомпонентов и изделий, а также при проведении научных экспериментов.
На сегодняшний день подобные переключатели производят компании Vaunix, Telemakus, Pasternack, PMI, Mini-Circuits, Aeroflex Weinschel и Ranatec (табл. 14). Большая часть данных изделий конструктивно мало отличается друг от друга (см. рис. 58).
СВЧ‑переключатели компании Vaunix выпускаются под торговой маркой Lab Brick в прочных алюминиевых корпусах в двух конфигурациях: SPDT и SP4T. Через USB‑порт на них подаются управляющие сигналы и напряжение питания. Управление этими переключателями может осуществляться вручную или с персонального компьютера с помощью прилагаемого программного обеспечения, реализующего графический пользовательский интерфейс (GUI, graphical user interface). В переключателях обеспечивается достаточно большой уровень развязки (более 50–55 дБ), высокая скорость переключения (300 нс) и 10-Вт уровень допустимой входной мощности (см. табл. 14). Наряду с 50-Ом моделями (LSW‑602PDT и LSW‑602P4T) выпускаются и 75-Ом изделия (LSW‑102PDT‑75F и LSW‑102P4T‑75F).
Три модели SPDT‑переключателей с USB‑управлением производит компания Telemakus. Два из этих переключателей (TES3000-60 и TES7000-50) – поглощающие, а один (TES6000-30) – отражательный. Последняя цифра в названии всех трех моделей соответствует достигаемой развязке. Вносимые потери во всех переключателях находятся в пределах от 1 до 3 дБ (см. табл. 14). В состав поставляемых изделий входит флеш-память, используемая для инсталляции и хранения тестовых файлов и другой необходимой информации.
USB‑переключатели, выпускаемые компаниями Pasternack и PMI, отличаются широким диапазоном рабочих частот (0,5–18,0 и 0,5–40,0 ГГц) и высокой (до 60 дБ) развязкой (см. табл. 14). Допустимые входные мощности в этих устройствах не превосходят 0,1 Вт.
Компания Mini-Circuits производит SP4T‑переключатели с USB‑интерфейсом и SP10T‑переключатели с SPI‑интерфейсом. Оба изделия предназначены для работы в диапазоне от 1 до 6 000 МГц. Особо следует отметить достигнутый в SP10T‑переключателе 80-дБ уровень развязки.
Высокими техническими характеристиками (см. табл. 14) обладает и DP8T‑переключатель компании Ranatec, в котором каждый из двух входов может быть подключен к любому из восьми выходов. Применение такого переключателя особенно эффективно при тестировании больших партий изделий.
В заключение отметим, что в статье приведена информация о характеристиках мощных переключателей, общее число которых превышает 200. Реально в США, Японии, Корее, Китае и Западной Европе число производимых мощных переключателей исчисляется тысячами. При этом количество интегральных и модульных изделий одинаково велико. ●
Отзывы читателей
