eng
Выпуск #9/2019
В. Кочемасов, С. Дингес, В. Шадский
Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности
Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности
Просмотры: 1291
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.190.9.116.130
Часть 2
В. Кочемасов, к. т. н.1, С. Дингес, к. т. н.2, В. Шадский, к. т. н.3
В первой части статьи, опубликованной в восьмом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2019 год, было рассказано об особенностях проектирования различных твердотельных СВЧ‑переключателей средней и большой мощности. В данном номере рассматриваются pin-диодные переключатели нескольких типов, выпускаемые рядом производителей.
Мощные pin-диодные переключатели
Интегральные переключатели
Исторически первыми появились модульные переключатели на дискретных pin-диодах, выполненных по кремниевой технологии. Далее получили развитие монолитные переключатели на кремниевой (табл. 1–3), а затем и на арсенид-галлиевой подложках.
Особенно высокие требования по мощности стали предъявляться к переключателям, обеспечивающим подключение передатчика и приемника к одной или нескольким антеннам. Среди кремниевых pin-диодных переключателей наибольшее применение нашли переключатели «прием-передача» (Rх / Tх) (см. табл. 3), работающие на одну антенну. Для этих применений вполне подходят симметричные SPDT‑переключатели (рис. 5а). Однако существенно различные требования к трактам прохождения сигнала от передатчика к антенне и от антенны к приемнику привели к появлению асимметричных SPDT‑переключателей с различной схемотехникой каналов (рис. 5б).
Когда передатчик подключается к антенне, сопротивление диода Д1 и вносимые в этом канале потери становятся минимальными, а сопротивление диода Д2 в приемном канале становится максимальным, чем обеспечивается защита приемника от большой мощности на выходе передатчика. Дополнительная развязка входа приемника и выхода передатчика достигается переводом диода Д3 в открытое состояние. При этом часть просочившейся через диод Д2 мощности замыкается на землю. При переходе в приемный режим Д1 и Д3 закрываются, а диод Д2 переходит в открытое состояние.
Мощный (125 Вт) асимметричный переключатель MASW‑000936 (рис. 6), выпускаемый в безвыводном пластиковом PQFN‑корпусе, обладает в широкой полосе частот (0,05–6,0 ГГц) высокой (IIP3 = 72 дБм) линейностью, и предназначен в первую очередь для WiMAX- и WiFi-применений. Переключатель может использоваться как при двухполярном (–15 / 15 В), так и при однополярном (0 / 28 В) напряжениях. Необходимые в каждом из этих случаев управляющие напряжения и токи обеспечиваются внешними драйверами.
Серия SPDT‑переключателей MSW200x‑200 включает три изделия: MSW2000-200 (0,05–1 ГГц), MSW2001-200 (0,4–4 ГГц) и MSW2002-200 (2–6 ГГц). Асимметричная структура этих гибридных переключателей (см. рис. 5б) обеспечивает минимум вносимых потерь в канале передатчика и максимальную развязку в канале приемника (рис. 7). Для обеспечения высокой коммутируемой мощности (125 Вт) в переключателях используются высоковольтные pin-диоды, а все вспомогательные пассивные элементы, обеспечивающие управление переключателями, размещаются на керамической подложке. Чрезвычайно малое тепловое сопротивление pin-диодов (менее 10 °C / Вт) делает их весьма надежными при холодной (T = 85 °C) коммутации сигналов с непрерывной мощностью до 50 дБм и пиковой мощностью до 53 дБм. Малое сопротивление диодов в открытом состоянии обеспечивает высокую линейность (IIP3 > 65 дБм) этих переключателей. Предназначенные для поверхностного монтажа, эти высоконадежные изделия используются в коммерческих, промышленных и военных применениях.
Многие недостатки, свойственные кремниевым pin-диодным переключателям, преодолены в переключателях, изготовленных по HMIC‑технологии, выпускаемых компанией MACOM. В рамках этой технологии кремниевые вставки с диодами размещены на поверхности стеклянной подложки, используемой для формирования на ней пассивных элементов, обеспечивающих управление pin-диодами (рис. 8а). Найденное техническое решение позволило сформировать на стекле топологию (рис. 8б) с очень высоким разрешением, обеспечивающим высокую повторяемость характеристик в том числе и на высоких частотах.
Асимметричный SPDT‑переключатель (см. рис. 5б) был реализован в монолитном исполнении [15] с использованием HMIC‑технологии. В этом техническом решении применяются только положительные источники питания, что достигается развязкой по постоянному току катода шунтирующего диода в приемном канале. Этот асимметричный переключатель, разработанный компанией MACOM, обеспечивает достаточно большую коммутируемую мощность (Pн = 40 Вт, Pи = 1 000 Вт), а также низкие вносимые потери и хорошую развязку. Полученные результаты достигнуты благодаря эффективным решениям, выработанным на основе электромагнитных и тепловых расчетов, включая выбор прямоугольной формы диода Д1 в передающем канале (рис. 9).
Наряду с традиционными зависимостями IL(f), Iso(f) и др., имеющимися в технических описаниях (data sheets), для мощных переключателей приводятся и другие данные, позволяющие определиться с выбором самого переключателя, с пропускаемой через него мощностью, управляющими напряжениями и токами, исходя из существующих ограничений.
Использование компанией MACOM технологии HMIC позволило разработать ей достаточно широкую линейку переключателей SPDT-, SP3T- и SP4T‑типов. При этом в каждом из каналов использовались все три переключающих структуры: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная, а также асимметричная структура, включающая последовательный тип переключателя в передающем канале и последовательно-параллельный тип в приемном канале.
Максимальная коммутируемая мощность 200 Вт была достигнута компанией MACOM в SP4T‑переключателе MASW‑011040 в диапазоне частот 0,05–1,0 ГГц. Коммутируемые мощности 100–120 Вт удалось получить на частотах до 6 ГГц (MSWSH‑100-30, MASW000936), 20 Вт – в диапазоне 8,0–10,5 ГГц (MASW‑011071) и 2 Вт – на частоте 20 ГГц (MASW-001100-1191, MASW-001100-192, MASW‑003103-1364, MASW‑004103-1365).
Ряд новых изделий компании MACOM был скопирован гонконгской компанией Wei Bo Associates и выпускается в настоящее время под теми же названиями. Несколько моделей гонконгских переключателей представлено в табл. 2 и 3. По данным технических описаний их характеристики в некоторых моделях превосходят характеристики оригинальных изделий, разработанных MACOM.
Значительный вклад в разработку мощных СВЧ‑переключателей на кремниевых pin-диодах внесла компания Skyworks Solutions (см. табл. 2, 3), выпустившая на рынок 120-Вт изделия SKY12210-478LF, рассчитанные на диапазон частот 0,9–4,0 ГГц, и 190-Вт переключатели SKY12213-478LF, работающие в диапазоне 0,5–6,0 ГГц.
Много полезных сведений, помогающих разработчику определиться с возможностью применения переключателей в различных условиях, содержится в технических описаниях. Наглядным примером здесь могут служить зависимости IL(Pвх) и Iso(Pвх) при различных температурах окружающей среды (рис. 10) и различных напряжениях смещения (рис. 11), а также зависимости максимальной входной мощности Pвх макс от температуры печатной платы (рис. 12), с установленным на ней переключателем MASW‑000825-12770T.
В начале статьи было отмечено, что температура p-n-перехода последовательно включенного в передающий тракт переключателя не должна превышать 150 °C. Зависимость этой температуры от уровня входной мощности и пропускаемого через диод тока иллюстрируется графиками на рис. 13. Практический интерес представляют также зависимости, показывающие снижение максимально допустимой входной мощности от ее номинального значения (при температуре 25 °C) с увеличением температуры на нижней поверхности корпуса переключателя (рис. 14а) и на нижней поверхности печатной платы, на которую установлен переключатель (рис. 14б).
Из новых разработок мощных интегральных pin-диодных переключателей стоит отметить продукцию компании KCB Solutions, предлагающей широкую линейку SPST…SP7T стандартных и заказных переключателей. Изделия компании с коммутируемой мощностью 50–200 Вт на частотах до 3 ГГц выпускаются как в стандартных QFN‑корпусах (рис. 15а) при коммутируемых мощностях менее 100 Вт, так и во фланцевом исполнении (рис. 15б) при Pдоп = 200 Вт. Эти переключатели идеально подходят для портативных средств военной связи, проходят 100%-ное тестирование и эффективно отводят выделяемое тепло. Коммутация 200-Вт мощностей обеспечивается при больших управляющих напряжениях –500…0,7 В (KS03R2-22, KS03R3-22). Мощности до 50 Вт в переключателе KS113-52 коммутируются управляющими напряжениями ±250 В.
В состав переключателей, производимых компанией KCB Solutions, входят блокировочные емкости. Полная схема SPDT‑переключателя KS113-52 включает также и внешние элементы (рис. 16). Номер подключаемого канала в этой схеме определяется значениями управляющих напряжений. О высоких характеристиках СВЧ‑переключателей, производимых компанией KCB Solutions, свидетельствуют табличные данные (см. табл. 2).
Недавно появившийся на рынке переключатель KS102-55 в QFN‑корпусе работоспособен при входных мощностях до 100 Вт. В отличие от переключателя KS113-52 в этом изделии управляющее напряжение меняется в пределах от 0 до 250 В. Рабочий диапазон переключателя лежит в пределах 0,25–3,5 ГГц. Принципиальная схема переключателя незначительно отличается от представленной на рис. 16.
При создании своих SPST…SP7T переключателей компания KCB Solutions применяет последовательный и последовательно-параллельный типы переключателей, используя при создании приемо-передающих переключателей асимметричные решения. Например, в SP3T Tx / Rx переключателе асимметричное решение используется для подключения антенны к передатчику Tx и двум приемникам Rx1 и Rx2 (рис. 17).
Кремниевые pin-диодные переключатели отличаются высокой коммутируемой мощностью, но весьма сложны в изготовлении, требуют внешних драйверов и плохо совместимы с другими технологиями. По некоторым характеристикам от кремниевых pin-диодных переключателей выгодно отличаются интегральные переключатели на арсенид-галлиевой подложке, позволяющие размещать на ней не только pin-диоды, но и другие компоненты: резисторы, конденсаторы, индуктивности. Эти переключатели (TGS4305-FC, TGS4306-FC), выполненные по технологии GaAs VPIN (vertical PIN), позволяют коммутировать мощности до 0,5 Вт, обладают высокими (до 90 ГГц) рабочими частотами и чрезвычайно малыми временами переключения, которые не превосходят нескольких наносекунд (табл. 4), а также приемлемыми значениями тока управления (примерно 10 мА на канал). Компания MACOM, в которой получила развитие AlGaAs HMIC технология, обеспечила в изделии MASW‑011036 переключение 20-Вт входной мощности в диапазоне 26–40 ГГц.
Принципиальная схема одного из GaAs VPIN переключателей с интегрированными драйверами, производимого компанией Qorvo, и топология интегральной схемы приведены на рис. 18а, б соответственно.
В научной литературе приводятся также сведения о pin-диодных переключателях, реализованных по нитрид-галлиевой технологии [16].
Мощные pin-диодные переключатели в модульном исполнении
Количество компаний, производящих интегральные pin-диодные переключатели, относительно невелико (MACOM, Analog Devices, Skyworks Solutions, Qorvo, Microsemi, KCB Solutions). Производителей модульных pin-диодных переключателей существенно больше (JFW, PMI, AMC, Kratos, G. T. Microwave, UMCC, RF-Lambda, Mercury Systems, ETL, Comtech, CPI, CMC, A-INFO, Corry Micronics, KORTCOM, LabTech, Narda, Linwave и др.). Многие из этих компаний производят модульные переключатели уже несколько десятилетий. И, если в прошлые годы при их производстве применялись только дискретные pin-диоды, то сейчас модульные переключатели могут быть реализованы и с использованием интегральных разработок. Большое число компаний-производителей и еще большее количество выпускаемых ими моделей (табл. 5, 6) связаны с многообразием решаемых длительное время конкретных технических задач и значительным спросом на такого рода переключатели с постоянно улучшаемыми характеристиками. Разнообразие технических характеристик свидетельствует о востребованности мощных pin-диодных переключателей на современном рынке.
Анализ табличных данных позволяет сделать вывод о том, что наибольшие допустимые значения мощности реализуются в переключателях, предназначенных для работы на низких частотах. Так, допустимая входная мощность 1 000 Вт реализована в изделиях SH90207 и SH91207, предназначенных для работы на частотах 1,5–50 МГц. Столь высокий уровень допустимой мощности обеспечен при токах порядка 1 А и обратном напряжении 700 В. Вносимые потери и развязка в этих переключателях равны 0,15 и 37 дБ соответственно.
Здесь также стоит упомянуть разработанный для радиолокационного диапазона частот 150–600 МГц SPDT Tx / Rx переключатель [17] с импульсной мощностью более 1 000 Вт (Pср = 150 Вт), который наряду с относительно низкими вносимыми потерями (1,6 дБ) обеспечивает уровень развязки более 85 дБ.
По мере повышения рабочего диапазона частот уровень входной допустимой мощности снижается и на частотах порядка 20 ГГц не превосходит единиц ватт (см. табл. 6). Есть, однако, и исключения. Так, в SPDT‑переключателе H26-206 компании Comtech коммутируемая мощность достигает 80 Вт в диапазоне частот 6–18 ГГц.
Применяемые при конструировании мощных переключателей технические решения в силу разницы допустимых значений мощности, рабочих частот, отличий, определяемых областью применения, и др. весьма разнообразны (рис. 19–21). Возможности конструкторских решений здесь чрезвычайно широки. Например, производимые компанией RF-Lambda переключатели типа SP7T (модели RFSP7Txxxxx), могут быть реализованы как минимум тремя различными способами (рис. 22). В соответствии с требованиями заказчика характеристики поставляемых изделий могут существенно отличаться от характеристик стандартных моделей. Возможные значения допустимых мощностей лежат в пределах 0,2–200 Вт. Следует, однако, иметь в виду, что повышение требований к уровню допустимой входной мощности приводит к снижению уровня развязки, увеличению необходимого тока смещения и времени переключения, а за уменьшение вносимых потерь и увеличение развязок приходится платить сужением рабочего диапазона частот.
Зависимости IL и Iso от частоты, полученные для различных значений температуры окружающей среды (рис. 23), свидетельствуют о том, что изменение температуры в большей степени сказывается на величине вносимых потерь и в меньшей степени – на величине развязки.
Большинство переключателей изготавливаются в промышленном исполнении. Однако, некоторые компании специализируются на выпуске изделий для жестких условий эксплуатации. Так, например, многие переключатели компании RF-Lambda производятся в герметичном исполнении, а вся линейка изделий компании UMCC удовлетворяет требованиям военного стандарта MIL-STD‑202F в диапазоне температур –55…95 °C. При проведении испытаний данных переключателей по этому стандарту подтверждается их влагостойкость (96 ч при 95%-ной относительной влажности), устойчивость к ударам (75 g, 6 мс), вибростойкость (15 g), стойкость к температурным шокам (пять циклов) и работоспособность на больших высотах (50 000 футов). Отметим также, что многие переключатели компании Miteq (ныне L3 Narda-Miteq), также удовлетворяют требованиям военных стандартов.
Волноводные СВЧ‑переключатели
Волноводные переключатели используются для изменения пути прохождения СВЧ‑сигналов в целях обеспечения импульсной модуляции, защиты входных цепей приемников, коммутации антенных лучей и каналов, в переключаемых фильтрах и дуплексорах. Область использования этих переключателей чрезвычайно широка. Это РЛС наземного, морского, авиационного и космического базирования, военные и коммерческие системы связи, средства радиоэлектронной борьбы, комплексы для тестирования и измерения параметров различных радиокомпонентов.
Волноводные СВЧ‑переключатели в основном реализуются на кремниевых и арсенид-галлиевых pin-диодах. Такие переключатели предлагаются на рынке многими зарубежными производителями, они рассчитаны на использование на частотах до 110 ГГц и предлагаются в различных конфигурациях, например SPST (CPI, Millitech, ELVA‑1, QuinStar Technology, HXI, Fairview Microwave, Mi-Wave, SAGE Millimeter), SPDT (CPI, Millitech, HXI, Fairview Microwave, Mi-Wave, SAGE Millimeter), SP4T (SAGE Millimeter, Ducommun), SP10T (Ducommun). Значения допустимых мощностей в этих переключателях снижаются по мере увеличения полосы рабочих частот (табл. 7), причем различия в допустимых значениях непрерывной и импульсной мощности зависят от длительности импульсов и скважности. Конструктивно эти переключатели могут также различаться и весьма существенно (рис. 24).
Компания Millitech предлагает две серии SPST‑переключателей (PSH, PSP) и одну серию SPDT‑переключателей (PDT) с временами переключения 2, 150 и 300 нс для перечисленных серий соответственно. В каждой из названных серий стандартные модели переключателей могут быть изготовлены для диапазонов частот 18–26,5; 26,5–40; 33–50; 40–60; 50–75; 60–90; 75–95 ГГц, а в сериях PSP и PDT также для диапазонов 75–110 ГГц и 75–100 ГГц соответственно. Развязка между входом и выходом может быть увеличена до 60 дБ при последовательном включении через вентиль двух переключателей. Допустимые мощности в непрерывном и импульсном режимах достигают значений 0,25 / 5 Вт (серия PSH) и 0,5 / 10 Вт (серии PSP и PDT).
Компания HXI выпускает две серии SPST / SPDT‑переключателей. SPST / SPDT‑переключатели серии HSWM поставляются для трех диапазонов частот: 18–26,5; 26,5–40 и 33–45 ГГц. SPST‑изделия серии HSW доступны для восьми диапазонов частот: 18–26,5; 22–33; 26,5–40; 33–50; 40–60; 50–75; 60–90 и 75–110 ГГц, причем в последних трех диапазонах максимально возможная полоса входных сигналов не превосходит 10 ГГц. SPDT‑переключатели серии HSW выпускаются для семи диапазонов частот: 18–26,5; 26,5–40; 33–50; 40–60; 50–75; 60–90 и 75–110 ГГц. В этом случае максимально возможная полоса не превосходит 10 ГГц во всех перечисленных диапазонах. В рамках этой серии возможна поставка переключателей и с другими диапазонами рабочих частот, например: 33–37 ГГц (HSW2803-xxx), 55–65 ГГц (HSW1501-xxx), 90–98 ГГц (HSW1001-xxx), 93–95 ГГц (HBSW94-xxx). В последнем из этих переключателей допустимая непрерывная мощность равна 10 Вт, а импульсная достигает 1 000 Вт.
SPST‑переключатели с импульсной мощностью до 1 Вт для девяти диапазонов частот: 18–26,5; 26–40, 33–50, 40–60, 50–75, 60–90, 75–110, 90–140, 110–150 ГГц производит компания ELVA‑1. Возможная полоса рабочих частот в этих диапазонах превышает 10% от центральной частоты диапазона.
Отражательные SPST‑переключатели в стандартном исполнении выпускаются компанией SAGE Millimeter для диапазонов частот 45–55, 55–65, 75–85 и 90–100 ГГц. Кроме того, SPST‑переключатели доступны для диапазонов частот 34–37; 26,5–40; 35–45; 50–75; 60–90; 75–90; 75–110 ГГц, SPDT‑изделия – для диапазонов частот 55–71, 75–85, 60–90, 90–100, 75–110 ГГц, а SP4T‑переключатели – для диапазонов частот 55–65, 50–75 и 60–90 ГГц. Надо отметить, что производителем обеспечиваются практически постоянные значения вносимого ослабления и развязки во всем диапазоне рабочих частот (рис. 25).
Несколько моделей волноводных переключателей выпускает компания CPI (см. табл. 7). В одном из них (модель BLP2084), рассчитанном на работу в X‑диапазоне, импульсная мощность при длительности импульса Tи = 40 мкс и скважности Q = 10% при холодном режиме переключения может достигать 3000 Вт.
Литература
Boles T., Brogle J., Rozbicki A. A Monolithic, 1000 Watt SPDT Switch // 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2008. PP. 1285–1288.
Yang J. G., Yang K. High-Linearity K-Band Absorptive-Type MMIC Switch Using GaN PIN-Diodes // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2013. V. 23, № 1, P. 37–39.
Rodriguez-Morales F., Gogineni S., Ahmed F., et al. T / R Switches and Modules for Ice Sounding / Imaging Radar // Microwave Journal. Aerospace & Defense Electronics Supplement. May 2016. P. 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18.
В. Кочемасов, к. т. н.1, С. Дингес, к. т. н.2, В. Шадский, к. т. н.3
В первой части статьи, опубликованной в восьмом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2019 год, было рассказано об особенностях проектирования различных твердотельных СВЧ‑переключателей средней и большой мощности. В данном номере рассматриваются pin-диодные переключатели нескольких типов, выпускаемые рядом производителей.
Мощные pin-диодные переключатели
Интегральные переключатели
Исторически первыми появились модульные переключатели на дискретных pin-диодах, выполненных по кремниевой технологии. Далее получили развитие монолитные переключатели на кремниевой (табл. 1–3), а затем и на арсенид-галлиевой подложках.
Особенно высокие требования по мощности стали предъявляться к переключателям, обеспечивающим подключение передатчика и приемника к одной или нескольким антеннам. Среди кремниевых pin-диодных переключателей наибольшее применение нашли переключатели «прием-передача» (Rх / Tх) (см. табл. 3), работающие на одну антенну. Для этих применений вполне подходят симметричные SPDT‑переключатели (рис. 5а). Однако существенно различные требования к трактам прохождения сигнала от передатчика к антенне и от антенны к приемнику привели к появлению асимметричных SPDT‑переключателей с различной схемотехникой каналов (рис. 5б).
Когда передатчик подключается к антенне, сопротивление диода Д1 и вносимые в этом канале потери становятся минимальными, а сопротивление диода Д2 в приемном канале становится максимальным, чем обеспечивается защита приемника от большой мощности на выходе передатчика. Дополнительная развязка входа приемника и выхода передатчика достигается переводом диода Д3 в открытое состояние. При этом часть просочившейся через диод Д2 мощности замыкается на землю. При переходе в приемный режим Д1 и Д3 закрываются, а диод Д2 переходит в открытое состояние.
Мощный (125 Вт) асимметричный переключатель MASW‑000936 (рис. 6), выпускаемый в безвыводном пластиковом PQFN‑корпусе, обладает в широкой полосе частот (0,05–6,0 ГГц) высокой (IIP3 = 72 дБм) линейностью, и предназначен в первую очередь для WiMAX- и WiFi-применений. Переключатель может использоваться как при двухполярном (–15 / 15 В), так и при однополярном (0 / 28 В) напряжениях. Необходимые в каждом из этих случаев управляющие напряжения и токи обеспечиваются внешними драйверами.
Серия SPDT‑переключателей MSW200x‑200 включает три изделия: MSW2000-200 (0,05–1 ГГц), MSW2001-200 (0,4–4 ГГц) и MSW2002-200 (2–6 ГГц). Асимметричная структура этих гибридных переключателей (см. рис. 5б) обеспечивает минимум вносимых потерь в канале передатчика и максимальную развязку в канале приемника (рис. 7). Для обеспечения высокой коммутируемой мощности (125 Вт) в переключателях используются высоковольтные pin-диоды, а все вспомогательные пассивные элементы, обеспечивающие управление переключателями, размещаются на керамической подложке. Чрезвычайно малое тепловое сопротивление pin-диодов (менее 10 °C / Вт) делает их весьма надежными при холодной (T = 85 °C) коммутации сигналов с непрерывной мощностью до 50 дБм и пиковой мощностью до 53 дБм. Малое сопротивление диодов в открытом состоянии обеспечивает высокую линейность (IIP3 > 65 дБм) этих переключателей. Предназначенные для поверхностного монтажа, эти высоконадежные изделия используются в коммерческих, промышленных и военных применениях.
Многие недостатки, свойственные кремниевым pin-диодным переключателям, преодолены в переключателях, изготовленных по HMIC‑технологии, выпускаемых компанией MACOM. В рамках этой технологии кремниевые вставки с диодами размещены на поверхности стеклянной подложки, используемой для формирования на ней пассивных элементов, обеспечивающих управление pin-диодами (рис. 8а). Найденное техническое решение позволило сформировать на стекле топологию (рис. 8б) с очень высоким разрешением, обеспечивающим высокую повторяемость характеристик в том числе и на высоких частотах.
Асимметричный SPDT‑переключатель (см. рис. 5б) был реализован в монолитном исполнении [15] с использованием HMIC‑технологии. В этом техническом решении применяются только положительные источники питания, что достигается развязкой по постоянному току катода шунтирующего диода в приемном канале. Этот асимметричный переключатель, разработанный компанией MACOM, обеспечивает достаточно большую коммутируемую мощность (Pн = 40 Вт, Pи = 1 000 Вт), а также низкие вносимые потери и хорошую развязку. Полученные результаты достигнуты благодаря эффективным решениям, выработанным на основе электромагнитных и тепловых расчетов, включая выбор прямоугольной формы диода Д1 в передающем канале (рис. 9).
Наряду с традиционными зависимостями IL(f), Iso(f) и др., имеющимися в технических описаниях (data sheets), для мощных переключателей приводятся и другие данные, позволяющие определиться с выбором самого переключателя, с пропускаемой через него мощностью, управляющими напряжениями и токами, исходя из существующих ограничений.
Использование компанией MACOM технологии HMIC позволило разработать ей достаточно широкую линейку переключателей SPDT-, SP3T- и SP4T‑типов. При этом в каждом из каналов использовались все три переключающих структуры: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная, а также асимметричная структура, включающая последовательный тип переключателя в передающем канале и последовательно-параллельный тип в приемном канале.
Максимальная коммутируемая мощность 200 Вт была достигнута компанией MACOM в SP4T‑переключателе MASW‑011040 в диапазоне частот 0,05–1,0 ГГц. Коммутируемые мощности 100–120 Вт удалось получить на частотах до 6 ГГц (MSWSH‑100-30, MASW000936), 20 Вт – в диапазоне 8,0–10,5 ГГц (MASW‑011071) и 2 Вт – на частоте 20 ГГц (MASW-001100-1191, MASW-001100-192, MASW‑003103-1364, MASW‑004103-1365).
Ряд новых изделий компании MACOM был скопирован гонконгской компанией Wei Bo Associates и выпускается в настоящее время под теми же названиями. Несколько моделей гонконгских переключателей представлено в табл. 2 и 3. По данным технических описаний их характеристики в некоторых моделях превосходят характеристики оригинальных изделий, разработанных MACOM.
Значительный вклад в разработку мощных СВЧ‑переключателей на кремниевых pin-диодах внесла компания Skyworks Solutions (см. табл. 2, 3), выпустившая на рынок 120-Вт изделия SKY12210-478LF, рассчитанные на диапазон частот 0,9–4,0 ГГц, и 190-Вт переключатели SKY12213-478LF, работающие в диапазоне 0,5–6,0 ГГц.
Много полезных сведений, помогающих разработчику определиться с возможностью применения переключателей в различных условиях, содержится в технических описаниях. Наглядным примером здесь могут служить зависимости IL(Pвх) и Iso(Pвх) при различных температурах окружающей среды (рис. 10) и различных напряжениях смещения (рис. 11), а также зависимости максимальной входной мощности Pвх макс от температуры печатной платы (рис. 12), с установленным на ней переключателем MASW‑000825-12770T.
В начале статьи было отмечено, что температура p-n-перехода последовательно включенного в передающий тракт переключателя не должна превышать 150 °C. Зависимость этой температуры от уровня входной мощности и пропускаемого через диод тока иллюстрируется графиками на рис. 13. Практический интерес представляют также зависимости, показывающие снижение максимально допустимой входной мощности от ее номинального значения (при температуре 25 °C) с увеличением температуры на нижней поверхности корпуса переключателя (рис. 14а) и на нижней поверхности печатной платы, на которую установлен переключатель (рис. 14б).
Из новых разработок мощных интегральных pin-диодных переключателей стоит отметить продукцию компании KCB Solutions, предлагающей широкую линейку SPST…SP7T стандартных и заказных переключателей. Изделия компании с коммутируемой мощностью 50–200 Вт на частотах до 3 ГГц выпускаются как в стандартных QFN‑корпусах (рис. 15а) при коммутируемых мощностях менее 100 Вт, так и во фланцевом исполнении (рис. 15б) при Pдоп = 200 Вт. Эти переключатели идеально подходят для портативных средств военной связи, проходят 100%-ное тестирование и эффективно отводят выделяемое тепло. Коммутация 200-Вт мощностей обеспечивается при больших управляющих напряжениях –500…0,7 В (KS03R2-22, KS03R3-22). Мощности до 50 Вт в переключателе KS113-52 коммутируются управляющими напряжениями ±250 В.
В состав переключателей, производимых компанией KCB Solutions, входят блокировочные емкости. Полная схема SPDT‑переключателя KS113-52 включает также и внешние элементы (рис. 16). Номер подключаемого канала в этой схеме определяется значениями управляющих напряжений. О высоких характеристиках СВЧ‑переключателей, производимых компанией KCB Solutions, свидетельствуют табличные данные (см. табл. 2).
Недавно появившийся на рынке переключатель KS102-55 в QFN‑корпусе работоспособен при входных мощностях до 100 Вт. В отличие от переключателя KS113-52 в этом изделии управляющее напряжение меняется в пределах от 0 до 250 В. Рабочий диапазон переключателя лежит в пределах 0,25–3,5 ГГц. Принципиальная схема переключателя незначительно отличается от представленной на рис. 16.
При создании своих SPST…SP7T переключателей компания KCB Solutions применяет последовательный и последовательно-параллельный типы переключателей, используя при создании приемо-передающих переключателей асимметричные решения. Например, в SP3T Tx / Rx переключателе асимметричное решение используется для подключения антенны к передатчику Tx и двум приемникам Rx1 и Rx2 (рис. 17).
Кремниевые pin-диодные переключатели отличаются высокой коммутируемой мощностью, но весьма сложны в изготовлении, требуют внешних драйверов и плохо совместимы с другими технологиями. По некоторым характеристикам от кремниевых pin-диодных переключателей выгодно отличаются интегральные переключатели на арсенид-галлиевой подложке, позволяющие размещать на ней не только pin-диоды, но и другие компоненты: резисторы, конденсаторы, индуктивности. Эти переключатели (TGS4305-FC, TGS4306-FC), выполненные по технологии GaAs VPIN (vertical PIN), позволяют коммутировать мощности до 0,5 Вт, обладают высокими (до 90 ГГц) рабочими частотами и чрезвычайно малыми временами переключения, которые не превосходят нескольких наносекунд (табл. 4), а также приемлемыми значениями тока управления (примерно 10 мА на канал). Компания MACOM, в которой получила развитие AlGaAs HMIC технология, обеспечила в изделии MASW‑011036 переключение 20-Вт входной мощности в диапазоне 26–40 ГГц.
Принципиальная схема одного из GaAs VPIN переключателей с интегрированными драйверами, производимого компанией Qorvo, и топология интегральной схемы приведены на рис. 18а, б соответственно.
В научной литературе приводятся также сведения о pin-диодных переключателях, реализованных по нитрид-галлиевой технологии [16].
Мощные pin-диодные переключатели в модульном исполнении
Количество компаний, производящих интегральные pin-диодные переключатели, относительно невелико (MACOM, Analog Devices, Skyworks Solutions, Qorvo, Microsemi, KCB Solutions). Производителей модульных pin-диодных переключателей существенно больше (JFW, PMI, AMC, Kratos, G. T. Microwave, UMCC, RF-Lambda, Mercury Systems, ETL, Comtech, CPI, CMC, A-INFO, Corry Micronics, KORTCOM, LabTech, Narda, Linwave и др.). Многие из этих компаний производят модульные переключатели уже несколько десятилетий. И, если в прошлые годы при их производстве применялись только дискретные pin-диоды, то сейчас модульные переключатели могут быть реализованы и с использованием интегральных разработок. Большое число компаний-производителей и еще большее количество выпускаемых ими моделей (табл. 5, 6) связаны с многообразием решаемых длительное время конкретных технических задач и значительным спросом на такого рода переключатели с постоянно улучшаемыми характеристиками. Разнообразие технических характеристик свидетельствует о востребованности мощных pin-диодных переключателей на современном рынке.
Анализ табличных данных позволяет сделать вывод о том, что наибольшие допустимые значения мощности реализуются в переключателях, предназначенных для работы на низких частотах. Так, допустимая входная мощность 1 000 Вт реализована в изделиях SH90207 и SH91207, предназначенных для работы на частотах 1,5–50 МГц. Столь высокий уровень допустимой мощности обеспечен при токах порядка 1 А и обратном напряжении 700 В. Вносимые потери и развязка в этих переключателях равны 0,15 и 37 дБ соответственно.
Здесь также стоит упомянуть разработанный для радиолокационного диапазона частот 150–600 МГц SPDT Tx / Rx переключатель [17] с импульсной мощностью более 1 000 Вт (Pср = 150 Вт), который наряду с относительно низкими вносимыми потерями (1,6 дБ) обеспечивает уровень развязки более 85 дБ.
По мере повышения рабочего диапазона частот уровень входной допустимой мощности снижается и на частотах порядка 20 ГГц не превосходит единиц ватт (см. табл. 6). Есть, однако, и исключения. Так, в SPDT‑переключателе H26-206 компании Comtech коммутируемая мощность достигает 80 Вт в диапазоне частот 6–18 ГГц.
Применяемые при конструировании мощных переключателей технические решения в силу разницы допустимых значений мощности, рабочих частот, отличий, определяемых областью применения, и др. весьма разнообразны (рис. 19–21). Возможности конструкторских решений здесь чрезвычайно широки. Например, производимые компанией RF-Lambda переключатели типа SP7T (модели RFSP7Txxxxx), могут быть реализованы как минимум тремя различными способами (рис. 22). В соответствии с требованиями заказчика характеристики поставляемых изделий могут существенно отличаться от характеристик стандартных моделей. Возможные значения допустимых мощностей лежат в пределах 0,2–200 Вт. Следует, однако, иметь в виду, что повышение требований к уровню допустимой входной мощности приводит к снижению уровня развязки, увеличению необходимого тока смещения и времени переключения, а за уменьшение вносимых потерь и увеличение развязок приходится платить сужением рабочего диапазона частот.
Зависимости IL и Iso от частоты, полученные для различных значений температуры окружающей среды (рис. 23), свидетельствуют о том, что изменение температуры в большей степени сказывается на величине вносимых потерь и в меньшей степени – на величине развязки.
Большинство переключателей изготавливаются в промышленном исполнении. Однако, некоторые компании специализируются на выпуске изделий для жестких условий эксплуатации. Так, например, многие переключатели компании RF-Lambda производятся в герметичном исполнении, а вся линейка изделий компании UMCC удовлетворяет требованиям военного стандарта MIL-STD‑202F в диапазоне температур –55…95 °C. При проведении испытаний данных переключателей по этому стандарту подтверждается их влагостойкость (96 ч при 95%-ной относительной влажности), устойчивость к ударам (75 g, 6 мс), вибростойкость (15 g), стойкость к температурным шокам (пять циклов) и работоспособность на больших высотах (50 000 футов). Отметим также, что многие переключатели компании Miteq (ныне L3 Narda-Miteq), также удовлетворяют требованиям военных стандартов.
Волноводные СВЧ‑переключатели
Волноводные переключатели используются для изменения пути прохождения СВЧ‑сигналов в целях обеспечения импульсной модуляции, защиты входных цепей приемников, коммутации антенных лучей и каналов, в переключаемых фильтрах и дуплексорах. Область использования этих переключателей чрезвычайно широка. Это РЛС наземного, морского, авиационного и космического базирования, военные и коммерческие системы связи, средства радиоэлектронной борьбы, комплексы для тестирования и измерения параметров различных радиокомпонентов.
Волноводные СВЧ‑переключатели в основном реализуются на кремниевых и арсенид-галлиевых pin-диодах. Такие переключатели предлагаются на рынке многими зарубежными производителями, они рассчитаны на использование на частотах до 110 ГГц и предлагаются в различных конфигурациях, например SPST (CPI, Millitech, ELVA‑1, QuinStar Technology, HXI, Fairview Microwave, Mi-Wave, SAGE Millimeter), SPDT (CPI, Millitech, HXI, Fairview Microwave, Mi-Wave, SAGE Millimeter), SP4T (SAGE Millimeter, Ducommun), SP10T (Ducommun). Значения допустимых мощностей в этих переключателях снижаются по мере увеличения полосы рабочих частот (табл. 7), причем различия в допустимых значениях непрерывной и импульсной мощности зависят от длительности импульсов и скважности. Конструктивно эти переключатели могут также различаться и весьма существенно (рис. 24).
Компания Millitech предлагает две серии SPST‑переключателей (PSH, PSP) и одну серию SPDT‑переключателей (PDT) с временами переключения 2, 150 и 300 нс для перечисленных серий соответственно. В каждой из названных серий стандартные модели переключателей могут быть изготовлены для диапазонов частот 18–26,5; 26,5–40; 33–50; 40–60; 50–75; 60–90; 75–95 ГГц, а в сериях PSP и PDT также для диапазонов 75–110 ГГц и 75–100 ГГц соответственно. Развязка между входом и выходом может быть увеличена до 60 дБ при последовательном включении через вентиль двух переключателей. Допустимые мощности в непрерывном и импульсном режимах достигают значений 0,25 / 5 Вт (серия PSH) и 0,5 / 10 Вт (серии PSP и PDT).
Компания HXI выпускает две серии SPST / SPDT‑переключателей. SPST / SPDT‑переключатели серии HSWM поставляются для трех диапазонов частот: 18–26,5; 26,5–40 и 33–45 ГГц. SPST‑изделия серии HSW доступны для восьми диапазонов частот: 18–26,5; 22–33; 26,5–40; 33–50; 40–60; 50–75; 60–90 и 75–110 ГГц, причем в последних трех диапазонах максимально возможная полоса входных сигналов не превосходит 10 ГГц. SPDT‑переключатели серии HSW выпускаются для семи диапазонов частот: 18–26,5; 26,5–40; 33–50; 40–60; 50–75; 60–90 и 75–110 ГГц. В этом случае максимально возможная полоса не превосходит 10 ГГц во всех перечисленных диапазонах. В рамках этой серии возможна поставка переключателей и с другими диапазонами рабочих частот, например: 33–37 ГГц (HSW2803-xxx), 55–65 ГГц (HSW1501-xxx), 90–98 ГГц (HSW1001-xxx), 93–95 ГГц (HBSW94-xxx). В последнем из этих переключателей допустимая непрерывная мощность равна 10 Вт, а импульсная достигает 1 000 Вт.
SPST‑переключатели с импульсной мощностью до 1 Вт для девяти диапазонов частот: 18–26,5; 26–40, 33–50, 40–60, 50–75, 60–90, 75–110, 90–140, 110–150 ГГц производит компания ELVA‑1. Возможная полоса рабочих частот в этих диапазонах превышает 10% от центральной частоты диапазона.
Отражательные SPST‑переключатели в стандартном исполнении выпускаются компанией SAGE Millimeter для диапазонов частот 45–55, 55–65, 75–85 и 90–100 ГГц. Кроме того, SPST‑переключатели доступны для диапазонов частот 34–37; 26,5–40; 35–45; 50–75; 60–90; 75–90; 75–110 ГГц, SPDT‑изделия – для диапазонов частот 55–71, 75–85, 60–90, 90–100, 75–110 ГГц, а SP4T‑переключатели – для диапазонов частот 55–65, 50–75 и 60–90 ГГц. Надо отметить, что производителем обеспечиваются практически постоянные значения вносимого ослабления и развязки во всем диапазоне рабочих частот (рис. 25).
Несколько моделей волноводных переключателей выпускает компания CPI (см. табл. 7). В одном из них (модель BLP2084), рассчитанном на работу в X‑диапазоне, импульсная мощность при длительности импульса Tи = 40 мкс и скважности Q = 10% при холодном режиме переключения может достигать 3000 Вт.
Литература
Boles T., Brogle J., Rozbicki A. A Monolithic, 1000 Watt SPDT Switch // 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. 2008. PP. 1285–1288.
Yang J. G., Yang K. High-Linearity K-Band Absorptive-Type MMIC Switch Using GaN PIN-Diodes // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2013. V. 23, № 1, P. 37–39.
Rodriguez-Morales F., Gogineni S., Ahmed F., et al. T / R Switches and Modules for Ice Sounding / Imaging Radar // Microwave Journal. Aerospace & Defense Electronics Supplement. May 2016. P. 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18.
Отзывы читателей
