eng
Выпуск #10/2020
В.Кочемасов, А.Сафин, С.Дингес
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ КОММУТАЦИИ. Часть 1
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ КОММУТАЦИИ. Часть 1
Просмотры: 808
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.201.10.70.82
Рассмотрены твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Приведена информация о pin-диодных переключателях в модульном исполнении различных типов, выпускаемых разными производителями.
Рассмотрены твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Приведена информация о pin-диодных переключателях в модульном исполнении различных типов, выпускаемых разными производителями.
Теги: frequency range input power insertion loss isolation solid state microwave switch switching time вносимые потери время переключения входная мощность диапазон частот развязка твердотельный свч-переключатель
Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Часть 1
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
Для переключения СВЧ-сигналов в настоящее время используются ферритовые [1], электромеханические [2], МЭМС [3] и твердотельные [4–6] переключатели. Наименьшее время переключения обеспечивается в твердотельных переключателях, реализуемых на кремниевых или арсенид-галлиевых pin-диодах, арсенид-галлиевых или нитрид-галлиевых полевых транзисторах, а также на кремниевых транзисторах, в том числе изготовленных по технологиям КНС (кремний на сапфире) и КНИ (кремний на изоляторе). Характеристики и особенности таких устройств с высокой скоростью коммутации, выпускаемых различными производителями, рассматриваются в данной статье.
Чаще всего твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации характеризуют временем переключения Tп (switching time) без указания методики определения этого параметра. Однако во многих случаях в технических описаниях (data sheets) приводятся и другие характеристики: Tr, Tf, Ton, Toff, Tset, Tком., Fком., которые вводятся по определенным правилам.
Определим каждое из этих понятий. Для первых четырех из них обратимся к рис. 1, где представлены управляющий сигнал Vу(t) и СВЧ-сигнал на выходе переключателя после квадратичного детектирования VD(t).
Время нарастания Tr (rise time) – это время, в течение которого продетектированный СВЧ-сигнал меняется в пределах от 10 до 90% от максимального значения VD макс..
Время спада Tf (fall time) – это время в течение, которого продетектированный СВЧ-сигнал меняется в пределах от 90 до 10% от максимального значения.
Время включения Ton (on time) – это время, отсчитываемое от прохождения управляющим сигналом 50% своего амплитудного значения Vу макс. до достижения 90% от максимального уровня продетектированного сигнала.
Время выключения Toff (off time) – это время, отсчитываемое от прохождения управляющим сигналом 50% своего амплитудного значения до достижения 10% от максимального уровня продетектированного сигнала.
Времена Ton и Toff связаны с временами нарастания Tr и Tf следующими соотношениями:
Ton = Tr + τr,
Toff = Tf + τf,
где τr, τf – это времена задержки управляющего сигнала при его нарастании и спаде соответственно (рис. 1), определяемые технологией и схемотехническими решениями, используемыми в переключателях и драйверах.
Бывает так, что при оценке Ton и Toff пользуются иными критериями [7]. Так, иногда окончание переходных процессов фиксируется по достижении продетектированным сигналом установившегося значения с точностью 2, 1% или менее процентов. Кроме того, точность достижения установившегося значения VD(t) иногда оценивается в децибелах (0,5; 0,01 дБ и др). Для измеренных таким образом параметров включения / выключения можно использовать следующие обозначения: Ton. 2%, Toff. 2%, Ton. 1%, Toff. 1%, Ton. 0,5 дБ, Toff. 0,5 дБ, Ton. 0,01 дБ, Toff. 0,01 дБ.
В ряде применений, например в измерительных и тестовых системах, чрезвычайно важное значение имеет время установления Tset (settling time) [7–10], измеряемое от момента подачи управляющего сигнала или от достижения этим сигналом уровня в 50% практически до полного достижения продетектированным сигналом VD(t) установившегося значения (рис. 2). Продетектированный сигнал на выходе переключателя достигает установившегося значения с точностью 0,01 дБ при VD, равном 99,77% от VD макс.. Время установления при этом обозначают Tset 0,01 дБ или Tset 99,77%. Встречаются и другие понятия времени установления, например Tset 2 / 98%. При этом продетектированный сигнал меняется от 2 до 98% от своего установившегося значения.
Еще одним определением времени переключения является время, в течение которого ослабление радиочастотного сигнала меняется от 1 до 60 дБ. Такое определение иногда используется в переключателях с большими значениями развязки.
В переключателях SPDT и SPMT (многопозиционных), когда идет переключение между соседними выходами (рис. 3), вводят понятие [11] времени коммутации Tком. (commutation time). В data sheets иногда приводят значение максимально возможной частоты коммутации переключателя Fком. = 1 / Tком..
Одним из последствий высокой скорости переключения [12] является искажение радиочастотного сигнала на выходе переключателя в моменты его коммутации (рис. 4а). Эти искажения хорошо видны на выходе переключателя при отключенном источнике СВЧ-сигнала (рис. 4б). Спектр этих видеоимпульсов накладывается на спектр полезного сигнала и может привести к значительным искажениям. Амплитуда таких импульсов зависит от многих факторов: технологии изготовления переключателя и используемой в нем схемотехники, амплитуды управляющих импульсов, вида применяемого драйвера и, конечно, скорости переключения. Особенно опасно использование переключателей с большим уровнем видеоискажений при работе в низкочастотной области. Возможными видами борьбы с этими искажениями являются: применение встроенного фильтра высоких частот (например, в модели переключателя SW‑2182-2AT компании American Microwave Corporation (AMC)) на выходе переключателя (рис. 4в, г) и использование специально подобранной формы управляющего напряжения на выходе драйвера (рис. 5) [13].
Величина этих искажений обозначается как VT (video transients), измеряется в милливольтах и иногда приводится в data sheets.
Первые твердотельные переключатели появились с изобретением в 50‑е годы прошлого столетия кремниевых, а позднее и арсенид-галлиевых pin-диодов. В течение последующих десятилетий именно на основе дискретных pin-диодов создавались функционально законченные модульные переключатели в коаксиальном или волноводном исполнении.
Последние 30–40 лет начали появляться интегральные переключатели на pin-диодах и полевых транзисторах, выполненные по технологиям GaAs, GaN, КНИ, КНС. Эти технологии позволяют совершенствовать те или иные характеристики переключателей, в том числе достигать малых (менее 1 мкс) и сверхмалых (менее 10 нс) времен коммутации.
Остановимся на возможностях реализации малых и сверхмалых времен коммутации в переключателях, выполненных по различным технологиям. В заключение вводного раздела отметим, что отражательные переключатели в сравнении с поглощающими, как правило, характеризуются меньшими временами коммутации и большей допустимой входной мощностью.
Переключатели на основе pin-диодов
pin-диодные переключатели в модульном исполнении
Дискретные pin-диоды после своего появления сразу же стали использоваться для построения модульных переключателей ВЧ / СВЧ-сигналов. Эти управляемые током изделия обеспечивают во включенном состоянии малое (менее 1 Ом), а в выключенном состоянии большое (несколько десятков килоом) сопротивления. Переключатели на дискретных pin-диодах обладают высокой линейностью, могут работать на частотах в десятки гигагерц и при определенных условиях обеспечивают коммутацию сигналов с импульсной мощностью в несколько киловатт. В отдельных изделиях достигаются чрезвычайно малые (единицы и даже доли наносекунд) времена переключения (табл. 1–4).
При построении SPST-, SPDT-, SPMT- и DPDT-переключателей (рис. 6–9) используются последовательная, параллельная и последовательно-параллельная структуры, а также их современные более сложные модификации [5]. Надо также отметить, что по сути дела SPST-переключатели являются основой при разработке SPDT- и SPMT-изделий.
В табл. 1–4 включена информация о характеристиках переключателей, продаваемых более чем 40 зарубежными, в основном американскими, производителями. На самом деле число производителей в разы больше. В таблицах представлены переключатели с временами коммутации менее 100–500 нс. Однако среди них есть модели с временами переключения 10 нс и менее. Производят такие изделия, например, компании AMC, PMI, Kratos, Custom Microwave Components, Inc. (CMC), Mercury Systems, L3 Harris, ARRA и Mini-Circuits, в продуктовой линейке каждой из которых число выпускаемых моделей исчисляется десятками, а иногда и сотнями.
Создание переключателей с малыми временами коммутации связано с необходимостью минимизировать потери информации в SPDT- и SPMT-переключателях во время коммутации, а при использовании SPST-переключателей в качестве импульсных модуляторов – с желанием обеспечить формирование радиоимпульсов с минимально возможной длительностью и малыми временами нарастания и спада. Один из подобных переключателей – SWN‑2184-1A (опции 012, 103, HS) компании AMC – был реализован по параллельной схеме (см. рис. 6а), с внешним драйвером, на который поступают напряжения ±5 В и управляющий ТТЛ-сигнал. Этот переключатель позволяет формировать радиоимпульсы длительностью 15 нс с пиковой мощностью до 10 Вт. В рамках этой модели (SWN‑2184-1A) доступно 14 опций. В одной из них (010) максимальное время переключения 50 нс возможно при непрерывных входных мощностях 5 Вт, а в опции 012 – время переключения 2 нс при непрерывных входных мощностях, не превышающих 100 мВт. Малым временем переключения (15 нс) и большой (>90 дБ) развязкой обладают переключатели P1T‑18G40G‑90-1515-292FF компании PMI. Подобного рода переключатели позиционируются производителями как импульсные модуляторы.
Характеристики нескольких переключателей большой мощности с малыми временами коммутации представлены в табл. 1 и 2. Так, мощный SPST-переключатель RFSPSTR0304G (компания RF-Lambda), работающий в диапазоне частот 3,5–4,5 ГГц при допустимой входной мощности 0,2–200 Вт (требуемая мощность определяется заказчиком), обеспечивает время коммутации 100–500 нс. Высокая входная мощность (до 100 Вт) достигается и в SPDT-переключателе MZSP2T005060GR100W (компания Miczen Technologies), обеспечивающем коммутацию за 50 нс в диапазоне частот 0,5–6,0 ГГц.
До 100 Вт коммутируемой мощности обеспечивают также SPDT-переключатели MW‑41212P‑6-18 (компания Elisra). Диапазон рабочих частот в этих изделиях находится в пределах 6–18 ГГц, а время коммутации не превышает 500 нс.
Среди переключателей с коммутируемой 100-Вт мощностью имеются и многопозиционные изделия. Представленный в табл. 3 SP8T-переключатель DBSR0800500600A (компания Qotana) обеспечивает коммутацию таких мощностей в диапазоне частот 0,6–6,0 ГГц за 1 мкс. Попутно отметим, что наиболее полно многопозиционные переключатели представлены в продуктовых линейках следующих компаний: AKON, AMC, PMI, Kratos, RF-Lambda, CERNEX, Qotana, A-INFO, CMC, ETL и DBwave Technologies.
Еще большие значения допустимых входных мощностей реализуются в изделиях компаний Aethercomm, RH Laboratories и Chengdu Zysen Technology. Представленные на рынке переключатели этих компаний позволяют коммутировать сигналы с непрерывной мощностью до 700 Вт и импульсной мощностью до 5 кВт. Время коммутации в таких переключателях находится в пределах 1–15 мкс, а в модели 140-F205 компании RH Laboratories достигает 800 мкс (табл. 5).
Среди огромного количества выпускаемых pin-диодных переключателей хотелось бы отметить изделия компаний Ducommun и Pasternack, в продуктовой линейке которых представлены отражательные и поглощающие изделия типов SPST, SPDT, SP3T, SP4T, SP5T, SP6T, SP8T, работающие в диапазоне частот 0,05–67 ГГц, а также многопозиционные переключатели типов SP15T (Kratos), SP16T (Qotana), SP24T (Qotana), SP32T (RF-Lambda), SP36T (AKON), SP48T (AMC), SP65T (AMC), SP128T (PMI) и SP160T (RF-Lambda).
Всегда считалось, что электромеханические переключатели имеют преимущество по допустимым значениям развязки и входной мощности. Анализ таблиц (табл. 1–5) показывает, что переключатели на дискретных pin-диодах в части реализуемых значений развязки весьма близки к ее значениям в электромеханических переключателях. В качестве примера здесь можно упомянуть специально разработанные компанией Keysight Technologies для проведения тестовых испытаний SPDT (P9402A и P9402C) и SP4T (P9404A, P9404C) переключатели, имеющие развязку в 80 дБ и время переключения 380 нс для SPDT-переключателей и 450 нс для SP4T-переключателей. Еще одним неоспоримым преимуществом твердотельных переключателей перед электромеханическими является их срок службы, особенно при работе в нормальных температурных условиях (рис. 10).
Внешний вид модульных переключателей на дискретных pin-диодах отличается значительным разнообразием (рис. 11).
Во многих data sheets наряду с табличными данными приводятся реальные осциллограммы управляющего сигнала и продетектированного радиочастотного сигнала на выходе переключателя. Пример таких осциллограмм, снятых при включении и выключении переключателя, приведен на рис. 12а, б. Пользуясь этими осциллограммами можно измерить времена переключения Tr, Tf, Ton, Toff.
Рабочий диапазон температур модульных pin-диодных переключателей зависит от типа используемых pin-диодов, применяемых пассивных компонентов (конденсаторы, индуктивности, резисторы), характеристик подложки и особенностей конструкции. Среди упоминаемых в статье переключателей нижнюю границу рабочего диапазона температур в –55 °C обеспечивают модели, выпускаемые компаниями AtlanTecRF, PMI, MCLI, RF-Lambda, CMC, Pasternack, API Technologies, Waveline, Analog Devices (ранее – Hittite Microwave), Ducommun, а до –65 °C – отдельные модели, производимые компанией Kratos (ранее – General Microwave). Верхняя граница рабочего диапазона температур в 95 °C реализуется в отдельных моделях, выпускаемых компаниями UMCC, Mini-Circuits, Sierra Microwave Technology (SMT), PMI, AMC, Keysight Technologies, Narda, Sage Millimeter, Kratos. Работа при температурах до 125 °C возможна в моделях, производимых компаниями Herotek, Mercury Systems и Elisra.
Стандартные pin-диодные переключатели требуют двух источников смещения. Обычно +5 и –15 В. Однако существуют модели, в которых напряжения смещения равны ±5 или ±15 В. Токи смещения при этом обычно находятся в пределах 20–100 мА.
При заказе переключателей необходимо обращать внимание на доступные опции, которые могут отличаться наличием или отсутствием драйвера, электрическими или механическими характеристиками, наличием тех или иных соединителей или их отсутствием в случае непосредственного подсоединения переключателя к микрополосковым линиям.
Габаритные размеры переключателей обычно невелики. Так, например, при снятых соединителях размеры переключателей DBSA0100504350A (Qotana), F192 (Kratos) и SKS‑2533034060-KFKF-A1 (Sage Millimeter) равны соответственно 24,0 × 20,0 × 9,5, 25,4 × 25,4 × 12,5 и 35,6 × 30,5 × 12,7 мм.
Наряду с кремниевыми pin-диодами в модульных изделиях могут использоваться pin-диоды, выполненные и по другим (например, GaAs и GaN) технологиям, а также монолитные pin-диодные переключатели (Si, GaAs, GaN и др.). В data sheets эти сведения обычно не приводятся. Единственный модульный переключатель, выполненный на GaN pin-диодах, удалось обнаружить в линейке продукции, выпускаемой компанией RF-Lambda. Этот переключатель – RFSP4TR0220G – обеспечивает в диапазоне частот 2–20 ГГц достаточно высокую (1 Вт) входную мощность, развязку 80 дБ и время переключения менее 100 нс (см. табл. 3).
Литература
Геворкян В., Кочемасов В. Ферритовые переключатели //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6. C. 90–94; № 9. С. 122–131.
Кочемасов В. Электромеханические переключатели ВЧ / СВЧ-сигналов – основные типы и производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 7. С. 114–121; № 8. С. 96–106; № 9. С. 128–134.
Кочемасов В., Майстренко А. СВЧ-переключатели на основе МЭМС // СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 36–42.
Кочемасов В., Кирпиченков А. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10. С. 92–97; 2018. № 1. С. 116–124; 2018. № 2. С. 150–163.
Кочемасов В., Рауткин Ю. Интегральные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 4. С. 122–127; № 5. С. 152–163; № 6. С. 80–93.
Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 8. С. 108–112; № 9. С. 116–130; № 10. С. 82–94; 2020. № 1. С. 142–151.
Freeston A., Boles T., Varmazis C. Speedy Switches Minimize Gate Lags // Microwave & RF. March 2010. P. 98–102.
Understanding RF / Microwaves Solid State Switches and their Applications. Application Note. – Agilent Technologies.
Agilent U9397A / C FET Solid State Switches (SPDT) Technical overview. Agilent Technologies.
U9400A / C Solid State FET Transfer Switches. Technical overview. – Keysight Technologies.
Switches. – Каталог компании General Microwave.
Blair E., Farrington K., Tubbs K. Selecting the Right RF Switch. – Каталог компании Daico Industries. P. 253–262.
Microwave Switches. – Каталог компании Elisra.
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
Для переключения СВЧ-сигналов в настоящее время используются ферритовые [1], электромеханические [2], МЭМС [3] и твердотельные [4–6] переключатели. Наименьшее время переключения обеспечивается в твердотельных переключателях, реализуемых на кремниевых или арсенид-галлиевых pin-диодах, арсенид-галлиевых или нитрид-галлиевых полевых транзисторах, а также на кремниевых транзисторах, в том числе изготовленных по технологиям КНС (кремний на сапфире) и КНИ (кремний на изоляторе). Характеристики и особенности таких устройств с высокой скоростью коммутации, выпускаемых различными производителями, рассматриваются в данной статье.
Чаще всего твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации характеризуют временем переключения Tп (switching time) без указания методики определения этого параметра. Однако во многих случаях в технических описаниях (data sheets) приводятся и другие характеристики: Tr, Tf, Ton, Toff, Tset, Tком., Fком., которые вводятся по определенным правилам.
Определим каждое из этих понятий. Для первых четырех из них обратимся к рис. 1, где представлены управляющий сигнал Vу(t) и СВЧ-сигнал на выходе переключателя после квадратичного детектирования VD(t).
Время нарастания Tr (rise time) – это время, в течение которого продетектированный СВЧ-сигнал меняется в пределах от 10 до 90% от максимального значения VD макс..
Время спада Tf (fall time) – это время в течение, которого продетектированный СВЧ-сигнал меняется в пределах от 90 до 10% от максимального значения.
Время включения Ton (on time) – это время, отсчитываемое от прохождения управляющим сигналом 50% своего амплитудного значения Vу макс. до достижения 90% от максимального уровня продетектированного сигнала.
Время выключения Toff (off time) – это время, отсчитываемое от прохождения управляющим сигналом 50% своего амплитудного значения до достижения 10% от максимального уровня продетектированного сигнала.
Времена Ton и Toff связаны с временами нарастания Tr и Tf следующими соотношениями:
Ton = Tr + τr,
Toff = Tf + τf,
где τr, τf – это времена задержки управляющего сигнала при его нарастании и спаде соответственно (рис. 1), определяемые технологией и схемотехническими решениями, используемыми в переключателях и драйверах.
Бывает так, что при оценке Ton и Toff пользуются иными критериями [7]. Так, иногда окончание переходных процессов фиксируется по достижении продетектированным сигналом установившегося значения с точностью 2, 1% или менее процентов. Кроме того, точность достижения установившегося значения VD(t) иногда оценивается в децибелах (0,5; 0,01 дБ и др). Для измеренных таким образом параметров включения / выключения можно использовать следующие обозначения: Ton. 2%, Toff. 2%, Ton. 1%, Toff. 1%, Ton. 0,5 дБ, Toff. 0,5 дБ, Ton. 0,01 дБ, Toff. 0,01 дБ.
В ряде применений, например в измерительных и тестовых системах, чрезвычайно важное значение имеет время установления Tset (settling time) [7–10], измеряемое от момента подачи управляющего сигнала или от достижения этим сигналом уровня в 50% практически до полного достижения продетектированным сигналом VD(t) установившегося значения (рис. 2). Продетектированный сигнал на выходе переключателя достигает установившегося значения с точностью 0,01 дБ при VD, равном 99,77% от VD макс.. Время установления при этом обозначают Tset 0,01 дБ или Tset 99,77%. Встречаются и другие понятия времени установления, например Tset 2 / 98%. При этом продетектированный сигнал меняется от 2 до 98% от своего установившегося значения.
Еще одним определением времени переключения является время, в течение которого ослабление радиочастотного сигнала меняется от 1 до 60 дБ. Такое определение иногда используется в переключателях с большими значениями развязки.
В переключателях SPDT и SPMT (многопозиционных), когда идет переключение между соседними выходами (рис. 3), вводят понятие [11] времени коммутации Tком. (commutation time). В data sheets иногда приводят значение максимально возможной частоты коммутации переключателя Fком. = 1 / Tком..
Одним из последствий высокой скорости переключения [12] является искажение радиочастотного сигнала на выходе переключателя в моменты его коммутации (рис. 4а). Эти искажения хорошо видны на выходе переключателя при отключенном источнике СВЧ-сигнала (рис. 4б). Спектр этих видеоимпульсов накладывается на спектр полезного сигнала и может привести к значительным искажениям. Амплитуда таких импульсов зависит от многих факторов: технологии изготовления переключателя и используемой в нем схемотехники, амплитуды управляющих импульсов, вида применяемого драйвера и, конечно, скорости переключения. Особенно опасно использование переключателей с большим уровнем видеоискажений при работе в низкочастотной области. Возможными видами борьбы с этими искажениями являются: применение встроенного фильтра высоких частот (например, в модели переключателя SW‑2182-2AT компании American Microwave Corporation (AMC)) на выходе переключателя (рис. 4в, г) и использование специально подобранной формы управляющего напряжения на выходе драйвера (рис. 5) [13].
Величина этих искажений обозначается как VT (video transients), измеряется в милливольтах и иногда приводится в data sheets.
Первые твердотельные переключатели появились с изобретением в 50‑е годы прошлого столетия кремниевых, а позднее и арсенид-галлиевых pin-диодов. В течение последующих десятилетий именно на основе дискретных pin-диодов создавались функционально законченные модульные переключатели в коаксиальном или волноводном исполнении.
Последние 30–40 лет начали появляться интегральные переключатели на pin-диодах и полевых транзисторах, выполненные по технологиям GaAs, GaN, КНИ, КНС. Эти технологии позволяют совершенствовать те или иные характеристики переключателей, в том числе достигать малых (менее 1 мкс) и сверхмалых (менее 10 нс) времен коммутации.
Остановимся на возможностях реализации малых и сверхмалых времен коммутации в переключателях, выполненных по различным технологиям. В заключение вводного раздела отметим, что отражательные переключатели в сравнении с поглощающими, как правило, характеризуются меньшими временами коммутации и большей допустимой входной мощностью.
Переключатели на основе pin-диодов
pin-диодные переключатели в модульном исполнении
Дискретные pin-диоды после своего появления сразу же стали использоваться для построения модульных переключателей ВЧ / СВЧ-сигналов. Эти управляемые током изделия обеспечивают во включенном состоянии малое (менее 1 Ом), а в выключенном состоянии большое (несколько десятков килоом) сопротивления. Переключатели на дискретных pin-диодах обладают высокой линейностью, могут работать на частотах в десятки гигагерц и при определенных условиях обеспечивают коммутацию сигналов с импульсной мощностью в несколько киловатт. В отдельных изделиях достигаются чрезвычайно малые (единицы и даже доли наносекунд) времена переключения (табл. 1–4).
При построении SPST-, SPDT-, SPMT- и DPDT-переключателей (рис. 6–9) используются последовательная, параллельная и последовательно-параллельная структуры, а также их современные более сложные модификации [5]. Надо также отметить, что по сути дела SPST-переключатели являются основой при разработке SPDT- и SPMT-изделий.
В табл. 1–4 включена информация о характеристиках переключателей, продаваемых более чем 40 зарубежными, в основном американскими, производителями. На самом деле число производителей в разы больше. В таблицах представлены переключатели с временами коммутации менее 100–500 нс. Однако среди них есть модели с временами переключения 10 нс и менее. Производят такие изделия, например, компании AMC, PMI, Kratos, Custom Microwave Components, Inc. (CMC), Mercury Systems, L3 Harris, ARRA и Mini-Circuits, в продуктовой линейке каждой из которых число выпускаемых моделей исчисляется десятками, а иногда и сотнями.
Создание переключателей с малыми временами коммутации связано с необходимостью минимизировать потери информации в SPDT- и SPMT-переключателях во время коммутации, а при использовании SPST-переключателей в качестве импульсных модуляторов – с желанием обеспечить формирование радиоимпульсов с минимально возможной длительностью и малыми временами нарастания и спада. Один из подобных переключателей – SWN‑2184-1A (опции 012, 103, HS) компании AMC – был реализован по параллельной схеме (см. рис. 6а), с внешним драйвером, на который поступают напряжения ±5 В и управляющий ТТЛ-сигнал. Этот переключатель позволяет формировать радиоимпульсы длительностью 15 нс с пиковой мощностью до 10 Вт. В рамках этой модели (SWN‑2184-1A) доступно 14 опций. В одной из них (010) максимальное время переключения 50 нс возможно при непрерывных входных мощностях 5 Вт, а в опции 012 – время переключения 2 нс при непрерывных входных мощностях, не превышающих 100 мВт. Малым временем переключения (15 нс) и большой (>90 дБ) развязкой обладают переключатели P1T‑18G40G‑90-1515-292FF компании PMI. Подобного рода переключатели позиционируются производителями как импульсные модуляторы.
Характеристики нескольких переключателей большой мощности с малыми временами коммутации представлены в табл. 1 и 2. Так, мощный SPST-переключатель RFSPSTR0304G (компания RF-Lambda), работающий в диапазоне частот 3,5–4,5 ГГц при допустимой входной мощности 0,2–200 Вт (требуемая мощность определяется заказчиком), обеспечивает время коммутации 100–500 нс. Высокая входная мощность (до 100 Вт) достигается и в SPDT-переключателе MZSP2T005060GR100W (компания Miczen Technologies), обеспечивающем коммутацию за 50 нс в диапазоне частот 0,5–6,0 ГГц.
До 100 Вт коммутируемой мощности обеспечивают также SPDT-переключатели MW‑41212P‑6-18 (компания Elisra). Диапазон рабочих частот в этих изделиях находится в пределах 6–18 ГГц, а время коммутации не превышает 500 нс.
Среди переключателей с коммутируемой 100-Вт мощностью имеются и многопозиционные изделия. Представленный в табл. 3 SP8T-переключатель DBSR0800500600A (компания Qotana) обеспечивает коммутацию таких мощностей в диапазоне частот 0,6–6,0 ГГц за 1 мкс. Попутно отметим, что наиболее полно многопозиционные переключатели представлены в продуктовых линейках следующих компаний: AKON, AMC, PMI, Kratos, RF-Lambda, CERNEX, Qotana, A-INFO, CMC, ETL и DBwave Technologies.
Еще большие значения допустимых входных мощностей реализуются в изделиях компаний Aethercomm, RH Laboratories и Chengdu Zysen Technology. Представленные на рынке переключатели этих компаний позволяют коммутировать сигналы с непрерывной мощностью до 700 Вт и импульсной мощностью до 5 кВт. Время коммутации в таких переключателях находится в пределах 1–15 мкс, а в модели 140-F205 компании RH Laboratories достигает 800 мкс (табл. 5).
Среди огромного количества выпускаемых pin-диодных переключателей хотелось бы отметить изделия компаний Ducommun и Pasternack, в продуктовой линейке которых представлены отражательные и поглощающие изделия типов SPST, SPDT, SP3T, SP4T, SP5T, SP6T, SP8T, работающие в диапазоне частот 0,05–67 ГГц, а также многопозиционные переключатели типов SP15T (Kratos), SP16T (Qotana), SP24T (Qotana), SP32T (RF-Lambda), SP36T (AKON), SP48T (AMC), SP65T (AMC), SP128T (PMI) и SP160T (RF-Lambda).
Всегда считалось, что электромеханические переключатели имеют преимущество по допустимым значениям развязки и входной мощности. Анализ таблиц (табл. 1–5) показывает, что переключатели на дискретных pin-диодах в части реализуемых значений развязки весьма близки к ее значениям в электромеханических переключателях. В качестве примера здесь можно упомянуть специально разработанные компанией Keysight Technologies для проведения тестовых испытаний SPDT (P9402A и P9402C) и SP4T (P9404A, P9404C) переключатели, имеющие развязку в 80 дБ и время переключения 380 нс для SPDT-переключателей и 450 нс для SP4T-переключателей. Еще одним неоспоримым преимуществом твердотельных переключателей перед электромеханическими является их срок службы, особенно при работе в нормальных температурных условиях (рис. 10).
Внешний вид модульных переключателей на дискретных pin-диодах отличается значительным разнообразием (рис. 11).
Во многих data sheets наряду с табличными данными приводятся реальные осциллограммы управляющего сигнала и продетектированного радиочастотного сигнала на выходе переключателя. Пример таких осциллограмм, снятых при включении и выключении переключателя, приведен на рис. 12а, б. Пользуясь этими осциллограммами можно измерить времена переключения Tr, Tf, Ton, Toff.
Рабочий диапазон температур модульных pin-диодных переключателей зависит от типа используемых pin-диодов, применяемых пассивных компонентов (конденсаторы, индуктивности, резисторы), характеристик подложки и особенностей конструкции. Среди упоминаемых в статье переключателей нижнюю границу рабочего диапазона температур в –55 °C обеспечивают модели, выпускаемые компаниями AtlanTecRF, PMI, MCLI, RF-Lambda, CMC, Pasternack, API Technologies, Waveline, Analog Devices (ранее – Hittite Microwave), Ducommun, а до –65 °C – отдельные модели, производимые компанией Kratos (ранее – General Microwave). Верхняя граница рабочего диапазона температур в 95 °C реализуется в отдельных моделях, выпускаемых компаниями UMCC, Mini-Circuits, Sierra Microwave Technology (SMT), PMI, AMC, Keysight Technologies, Narda, Sage Millimeter, Kratos. Работа при температурах до 125 °C возможна в моделях, производимых компаниями Herotek, Mercury Systems и Elisra.
Стандартные pin-диодные переключатели требуют двух источников смещения. Обычно +5 и –15 В. Однако существуют модели, в которых напряжения смещения равны ±5 или ±15 В. Токи смещения при этом обычно находятся в пределах 20–100 мА.
При заказе переключателей необходимо обращать внимание на доступные опции, которые могут отличаться наличием или отсутствием драйвера, электрическими или механическими характеристиками, наличием тех или иных соединителей или их отсутствием в случае непосредственного подсоединения переключателя к микрополосковым линиям.
Габаритные размеры переключателей обычно невелики. Так, например, при снятых соединителях размеры переключателей DBSA0100504350A (Qotana), F192 (Kratos) и SKS‑2533034060-KFKF-A1 (Sage Millimeter) равны соответственно 24,0 × 20,0 × 9,5, 25,4 × 25,4 × 12,5 и 35,6 × 30,5 × 12,7 мм.
Наряду с кремниевыми pin-диодами в модульных изделиях могут использоваться pin-диоды, выполненные и по другим (например, GaAs и GaN) технологиям, а также монолитные pin-диодные переключатели (Si, GaAs, GaN и др.). В data sheets эти сведения обычно не приводятся. Единственный модульный переключатель, выполненный на GaN pin-диодах, удалось обнаружить в линейке продукции, выпускаемой компанией RF-Lambda. Этот переключатель – RFSP4TR0220G – обеспечивает в диапазоне частот 2–20 ГГц достаточно высокую (1 Вт) входную мощность, развязку 80 дБ и время переключения менее 100 нс (см. табл. 3).
Литература
Геворкян В., Кочемасов В. Ферритовые переключатели //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6. C. 90–94; № 9. С. 122–131.
Кочемасов В. Электромеханические переключатели ВЧ / СВЧ-сигналов – основные типы и производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 7. С. 114–121; № 8. С. 96–106; № 9. С. 128–134.
Кочемасов В., Майстренко А. СВЧ-переключатели на основе МЭМС // СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 36–42.
Кочемасов В., Кирпиченков А. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10. С. 92–97; 2018. № 1. С. 116–124; 2018. № 2. С. 150–163.
Кочемасов В., Рауткин Ю. Интегральные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 4. С. 122–127; № 5. С. 152–163; № 6. С. 80–93.
Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 8. С. 108–112; № 9. С. 116–130; № 10. С. 82–94; 2020. № 1. С. 142–151.
Freeston A., Boles T., Varmazis C. Speedy Switches Minimize Gate Lags // Microwave & RF. March 2010. P. 98–102.
Understanding RF / Microwaves Solid State Switches and their Applications. Application Note. – Agilent Technologies.
Agilent U9397A / C FET Solid State Switches (SPDT) Technical overview. Agilent Technologies.
U9400A / C Solid State FET Transfer Switches. Technical overview. – Keysight Technologies.
Switches. – Каталог компании General Microwave.
Blair E., Farrington K., Tubbs K. Selecting the Right RF Switch. – Каталог компании Daico Industries. P. 253–262.
Microwave Switches. – Каталог компании Elisra.
Отзывы читателей
