eng
Выпуск #1/2021
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ КОММУТАЦИИ. Часть 2
Просмотры: 724
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.202.1.98.108
Рассмотрены твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Приведена информация о pin-диодных переключателях в интегральном и волноводном исполнениях, выпускаемых рядом производителей.
Рассмотрены твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Приведена информация о pin-диодных переключателях в интегральном и волноводном исполнениях, выпускаемых рядом производителей.
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 2
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
В первой части статьи, опубликованной в десятом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2020 год, было рассказано о pin-диодных переключателях в модульном исполнении. В данном номере рассматриваются pin-диодные переключатели в интегральном и волноводном исполнениях.
pin-диодные переключатели
в интегральном исполнении
Развитие новых технологий и появление требований заказчиков коммерческих, военных и космических систем связи, радиолокационных систем с АФАР различного назначения, автомобильных радаров, разведывательных приемников, разнообразных тестовых комплексов способствовали приходу на рынок надежных СВЧ-переключателей в монолитном исполнении с использованием кремниевой и арсенид-галлиевой подложек. В разработке таких микросхем участвовали компании Microsemi, Skyworks Solutions, Alpha Industries, Qorvo (ранее – TriQuint Semiconductor), Analog Devices (ранее – Hittite Microwave), API Technologies, MACOM, KCB Solutions. Позднее к производству арсенид-галлиевых переключателей подключились и российские производители АО «Светлана-Электронприбор», АО «НПФ «Микран» и др. Монолитные pin-диодные переключатели на кремниевых подложках появились в 70–80-х годах прошлого столетия.
Вследствие высокой проводимости кремниевых подложек на поверхности кристаллов обычно размещались лишь активные элементы (pin-диоды), дополненные в отдельных случаях некоторым количеством разделительных и / или блокировочных конденсаторов. Все остальные дискретные элементы, обеспечивающие подачу питающих напряжений и управляющих сигналов, устанавливались за пределами кристалла. Мощные pin-диодные переключатели на кремниевых подложках продвигаются на рынок компаниями Aeroflex / Metelics, Skyworks Solutions и KCB Solutions. Наибольшее число моделей подобных переключателей выпустила компания Skyworks Solutions. Одно из таких изделий SKY12208-306LF, выполненное по несимметричной схеме, обеспечивает переключение 60 Вт непрерывной мощности с временем коммутации 85 нс. Другой SPDT-переключатель (c симметричной структурой) SKY12211-478LF позволяет коммутировать непрерывную мощность 40 Вт за время 32 нс. Оба изделия выполнены в безвыводных QFN-корпусах размером 4 × 4 мм.
Широкую линейку SPST-SP6T pin-диодных переключателей с входной мощностью 50–200 Вт производит компания KCB Solutions. Изделия доступны в стандартных QFN-корпусах и в герметичном исполнении. Схемотехника этих переключателей мало отличается от решений, используемых, например, компанией Skyworks Solutions. Отличие состоит в том, что изделия этой компанией реализуются на AlN-подложках, обладающих повышенной теплопроводностью. Один из таких SPDT-переключателей KS102-55, выполненный по схеме, показанной на рис. 13, обеспечивает коммутацию непрерывной мощности 100 Вт за время 50 нс. Эта микросхема размещена в безвыводном QFN-корпусе размером 7 × 8 мм. Вследствие малых вносимых потерь и большой развязки эти pin-диодные переключатели идеально подходят как для коммерческих, так и для военных применений. Более высокие входные частоты обеспечиваются в изделиях HMC971 (до 40 ГГц) и HMC975 (до 50 ГГц) компании Analog Devices, реализованных на параллельной (рис. 14а) и последовательно-параллельной (рис. 14б) структурах соответственно.
Рабочий диапазон температур pin-диодных интегральных переключателей на кремниевых подложках весьма широк: –55...85 °C для изделий Hittite Microwave, API Technologies, KCB Solutions и –65...125 °C для переключателей, производимых компанией MACOM.
Невозможность размещения на кремниевой подложке дискретных элементов сказывается на характеристиках переключателей, увеличивает их габариты и стоимость. Выход из этого положения был найден компанией MACOM [14], которая запатентовала технологию Heterolithic Microwave Integrated Circuit (HMIC). Эта технология предполагает реализацию монолитной подложки с использованием кремния и стекла (рис. 15) [14]. Технология интегрирует в себе лучшие свойства обоих материалов и позволяет получить монолитное решение, обеспечивающее уменьшение размера и стоимости. Монолитный характер этой технологии позволяет применить автоматическое тестирование кристаллов на пластинах, что существенно снижает их стоимость. HMIC-чип состоит из кремниевых пьедесталов, внедренных в стеклянную среду. По сравнению с переключателями на полевых транзисторах в этих изделиях удается получить более высокие входную мощность и мощность рассеяния, а также меньшие потери, искажения и стоимость.
Входящее в состав такой монолитной подложки стекло обеспечивает высокую развязку, механическую прочность, малую диэлектрическую постоянную и низкий (0,002 на частоте 10 ГГц) тангенс угла диэлектрических потерь. Тонкопленочная технология, используемая для размещения на подложке спиральных индуктивностей, конденсаторов и резисторов, гарантирует высокие характеристики, включая надежность и низкую стоимость.
Характеристики четырех микросхем, реализованных по этой технологии, представлены в табл. 6. Все они независимо от типа переключателя (SPST, SPDT, SP3T, SP4T) работают в диапазоне частот 0,05–20 ГГц при входных мощностях менее 2 Вт и временах коммутации 20 нс. Эти переключатели выполнены по последовательно-параллельной схеме (рис. 16), причем диоды располагаются на кремниевых пьедесталах (выделено фоном), а пассивные компоненты – на стекле.
Дальнейшее совершенствование pin-технологий было связано с использованием арсенид-галлиевых подложек. Замена кремния на арсенид галлия обеспечила более высокую подвижность и меньшее время жизни неосновных носителей. В полной мере достоинства GaAs-диодов проявляются при монолитном изготовлении переключателей, когда на одной подложке размещаются pin-диоды и пассивные компоненты. Важным преимуществом арсенид-галлиевых pin-диодных переключателей является их широкополосность (табл. 7) и существенно меньший, чем у кремниевых переключателей, ток управления.
При разработке pin-диодных арсенид-галлиевых переключателей используются три технологических процесса: собственно GaAs PIN, GaAs VPIN и AlGaAs PIN. Первый из них был использован в изделиях, выпускаемых компаниями Alpha Industries, Analog Devices (Hittite Microwave), Microsemi, Qorvo (TriQuint Semiconductor), Bowei Integrated Circuits и Silins Electronics. Одной из первых, разработавших SPST-, SPDT-переключатели (рис. 17) с использованием процесса GaAs PIN была компания Alpha Industries. Все эти отражательные переключатели выполнены по параллельной схеме и отличаются лишь числом и схемой включения pin-диодов (см. рис. 17). Первый из них SPST-типа (рис. 17а), а остальные три SPDT-типа (рис. 17б, в, г). Время коммутации во всех переключателях не превышает 2–4 нс. Рабочий диапазон температур находится в пределах –55...125 °C.
Компания Hittite Microwave выпустила на рынок переключатель HMC-SDD112 (55–86 ГГц), обладающий относительно низкими потерями, высокой развязкой и временем переключения менее 4 нс. Несколько моделей отражательных SPST-, SPDT-, SP3T- и SP4T-переключателей с максимальными значениями частот 18–30 ГГц разработала компания Bowei Integrated Circuits.
Арсенид-галлиевые SPST-, SPDT-переключатели, работающие в диапазонах частот 20–38, 22–36, 34–36 и 34–37 ГГц, разработала и недавно появившаяся на рынке компания Silins Electronics. Выпускаемые этой компанией переключатели, предназначенные для использования в автомобильных радарах, доступны в различном конструктивном исполнении (корпуса H63-1, H63-2, H‑102-6, H127-3). Размеры кристаллов находятся в пределах от 2,50 × 1,08 × 0,10 мм (модель РММ 13003X) до 1,22 × 0,87 × 0,10 мм (модель РММ 13006X). Времена переключения Ton и Toff в SPST-переключателе PMM13006X равны 20 нс, а в SPDT-переключателях – 50 нс.
Важный вклад в совершенствование характеристик арсенид-галлиевых переключателей внесла компания TriQuint Semiconductor (ныне Qorvo), предложившая технологию vertical pin (VPIN) [15], суть которой поясняется на рис. 18 [16]. Переключатели, изготовленные на основе этой технологии (см. табл. 7), обеспечивают время коммутации менее 4–5 нс в достаточно широкой полосе частот. Например, VPIN SPDT-переключатель TGS2302 выполнен по последовательно-параллельной схеме (рис. 19а) и работает в диапазоне частот 4–20 ГГц. Все pin-диоды и пассивные компоненты размещаются на подложке размером 2,24 × 1,63 мм (рис. 19б). По параллельной схеме с одним диодом в каждом канале реализованы многопозиционные SP3T- и SP4T-переключатели TGS4305-FC и TGS4306-FC, работающие в диапазонах частот 60–90 и 70–90 ГГц соответственно, которые обеспечивают время коммутации менее 5 нс. Поставляются VPIN-переключатели как в QFN-корпусах, так и в виде кристаллов. Основной областью применения этих устройств являются автомобильные радары.
Наиболее широкополосные pin-диодные СВЧ-переключатели были разработаны с использованием гетероструктур AlGaAs / GaAs. Наряду с апробированной технологией AlGaAs / GaAs PIN (модели MASW‑011036, MASW‑011094) компания MACOM использует также свое запатентованное решение, позволившее ей выпускать переключатели с рабочей полосой от 50 МГц до 70 ГГц.
Отметим, что упомянутые микросхемы серии MASW обеспечивают в диапазонах 24–37 ГГц (MASW‑011094) и 26–40 ГГц (MASW‑011036) допустимые мощности 50 и 20 Вт соответственно при временах переключения менее 65 нс. В свою очередь переключатели MA4AGSW1, MA4AGSW1A, MA4AGSW2, MA4AGSW3 и MA4AGSW4 обладают вносимыми потерями 0,3–0,8 дБ при временах переключения 10–20 нс. Допустимая входная мощность в первом из этих изделий не превосходит 1 Вт, а во всех остальных – 0,2 Вт.
Рабочий диапазон температур в переключателях серии MASW составляет –40...85 °C, а в выполненных по патентованной технологии AlGaAs / GaAs PIN – от –55 до 125 °C.
Стоит также упомянуть, что разработанная в АО «НПФ «Микран» по технологии AlGaAs / GaAs PIN линейка SPST-, SPDT-, SP3T-, SP4T-, SP5T-переключателей работает на частотах от 0,2 до 40 ГГц. В моделях с интегрированными цепями управления MD215 (SP2T) и MD216 (SP3T) диапазон рабочих частот составляет от 4 до 27 ГГц.
Оценивая в целом модульные и интегральные переключатели на pin-диодах, можно отметить, что основной их недостаток – это большие токи смещения (от 10 до 100 мА) и управления. Его не удается полностью преодолеть и в pin-диодных арсенид-галлиевых переключателях.
Помимо кремниевых и арсенид-галлиевых подложек, при создании pin-диодных переключателей могут использоваться и другие технологии. За редким исключением в промышленном производстве эти изделия широкого распространения не получили, но результаты исследования экспериментальных образцов обсуждаются в ряде публикаций.
Так, фосфид-индиевые InGaAs / InP pin-диоды [17] были разработаны применительно к задаче создания приемо-передающих СВЧ-переключателей, используемых в автомобильных радарах. В диапазоне 74,2–78,2 ГГц эти переключатели обеспечили вносимые потери менее 1,35 дБ и развязку более 43 дБ при входных мощностях до 11 дБм.
В [18] для создания pin-диодного SPDT-переключателя использована 0,13‑мкм SiGe-технология компании IBM. В диапазоне частот 51–78 ГГц вносимые потери составили 2,0–2,7 дБ, а развязка 25–35 дБ. 90‑нм SiGe-технология была применена при создании pin-диодного SPDT-переключателя с параллельной структурой, работающего в диапазоне частот 73–133 ГГц [19]. При этом были достигнуты следующие результаты: вносимые потери 1,4–2,0 дБ, развязка 19–22 дБ и мощность P1 дБ > 24 дБм. Площадь изготовленного кристалла составила 0,14 мм 2. В [20] приводятся результаты экспериментального исследования нитрид-галлиевого pin-диодного SPDT-переключателя, выполненного по параллельной схеме и работающего в диапазоне частот 20–27 ГГц. Вносимые потери при этом не превосходили 3,4 дБ, а развязка была больше 12,5 дБ. Размеры кристалла составили 2,57 × 1,03 мм.
Во всех этих научных публикациях, посвященных созданию pin-диодных переключателей на основе нетрадиционных технологий, сведения о временах переключения отсутствуют.
Волноводные pin-диодные переключатели
Волноводные переключатели находят широкое применение в космических, военных и коммерческих радиолокационных и связных комплексах, средствах радиоэлектронной борьбы, при тестировании и измерении характеристик различного рода радиокомпонентов и систем. Они используются при переключении антенн и частотных каналов, входят в состав переключаемых аттенюаторов, обеспечивают защиту входных цепей приемников, применяются в амплитудных модуляторах, обеспечивая в том числе и формирование импульсов различной длительности.
Наряду с переключателями большой (до 1 кВт средней и до нескольких киловатт импульсной мощности [6]) широко применяются маломощные (до 10 Вт) изделия, обеспечивающие малые (2–300 нс) времена коммутации на частотах до 110 ГГц и более. Например, до 150 ГГц в изделиях компании ELVA‑1 и до 210 ГГц в изделиях компании ZAX Millimeter Wave Corporation.
Практически все волноводные переключатели (рис. 20) реализуются на кремниевых и арсенид-галлиевых pin-диодах в различных конфигурациях. Специализируются на производстве этих изделий более десятка компаний (табл. 8). Одним из крупнейших производителей является компания Millitech (ныне – Smiths Microwave), выпускающая несколько серий волноводных переключателей.
SPST-переключатели серии PSP этой компании доступны для частот от 18 до 110 ГГц. Они рассчитаны на работу в полных волноводных диапазонах K (18–26,5 ГГц), Ka (26,5–40 ГГц), Q (33–50 ГГц), U (40–60 ГГц), V (50–75 ГГц) и в полосе до 10 ГГц в E (60–90 ГГц) и W (75–100 ГГц) диапазонах. Времена нарастания Tr и спада Tf в изделиях этой серии равны 20 нс и 150 нс соответственно и могут меняться в зависимости от исполнения драйвера. Подобные переключатели могут использоваться для амплитудной модуляции и защиты входных цепей приемников в импульсных РЛС. Кроме того, они могут применяться в управляемых напряжением аттенюаторах.
В серии PSH представлены отражательные SPST-переключатели для частотного диапазона 18–95 ГГц. Изделия этой серии поставляются как с драйверами, так и без них. Стандартные модели имеют развязку 30 дБ на 18 ГГц и 20 дБ на частоте 50 ГГц. Лучшая развязка может быть получена за счет использования в схеме переключателя большего числа pin-диодов.
Дополнительное увеличение развязки до 40–60 дБ может быть достигнуто при последовательном включении двух разделенных вентилем переключателей. Время переключения в изделиях этой серии равно 2 нс, а при использовании драйверов не превосходит 8 нс. Эти переключатели используются для получения импульсов переменной длительности и защиты входных цепей приемников в импульсных РЛС.
SPDT-переключатели PDT-серии доступны для частот от 18 до 100 ГГц в семи диапазонах: K, Ka, Q, U, V, E, W. Полоса рабочих частот во всех диапазонах в изделиях Y-типа (рис. 20г) не превосходит 10 ГГц. При этом лучшая развязка и меньшие вносимые потери достигаются в более узкополосных переключателях. Времена нарастания и спада в подобных переключателях составляют соответственно 20 и 300 нс. Лучшие результаты по скорости переключения (Tr = Tf = 10 нс) достигаются в изделиях I-типа (рис. 20в).
Многопозиционные переключатели, а также переключательные матрицы, компании Smiths Microwave доступны для частот от 18 до 110 ГГц. Стандартные SP3T-изделия выпускаются для диапазонов Ka, V, E и W, а SP4T-переключатели – для диапазонов Ka, Q и U. Эти изделия выполняются в компактных корпусах вместе с интегрированными в них драйверами. Стандартные переключатели с низкими вносимыми потерями обеспечивают время переключения Tr = 20 нс и Tf = 150–300 нс. В моделях с увеличенными вносимыми потерями может быть достигнуто время переключения 2 нс.
Компания Sage Millimeter представлена на рынке широкой номенклатурой выпускаемых изделий, в том числе и СВЧ-переключателями поглощающего и отражательного типа. Среди стандартных моделей имеются волноводные отражательные переключатели для диапазонов частот 45–55, 55–65, 75–85 и 90–100 ГГц. Для всех этих диапазонов выпускаются SPST (серия SKS) и SPDT (серия SKD) переключатели. Многопозиционные переключатели (серия SK4) представлены стандартными моделями для диапазонов 45–55, 55–65, 50–75 и 72–81 ГГц. Примером многопозиционного отражательного SP4T-переключателя может служить изделие SK4-5536536535-1515-R1, реализованное вместе с драйвером в одном компактном корпусе (рис. 20е). Все три серии переключателей этой компании обеспечивают достаточно малое время переключения Tп = 100 нс. В волноводных переключателях Sage Millimeter используются как дискретные, так и интегральные pin-диоды. Волноводные изделия выпускаются только с внешними драйверами.
Помимо стандартных моделей, компания Sage Millimeter выпускает заказные изделия. При заказе SPST-, SPDT- и SP4T-моделей используются следующие обозначения:
SKS - F1N F2N IL IS - CI C0 - XY,
SKD - F1N F2N IL IS - CI C0 - XY,
SK4 - F1N F2N IL IS - CI C0 - XY,
где
F1N – начальная частота в МГц, например:
F2N – конечная частота в МГц, например:
X – тип переключателя:
Поглощающие переключатели по сравнению с отражательными имеют бóльшие обратные потери во включенном и выключенном состояниях, однако, вносимые потери и стоимость выше, чем у отражательных. С другой стороны отражательные переключатели имеют худший КСВН в выключенном состоянии. При этом отражательные изделия работают при больших входных мощностях и имеют меньшую стоимость. При необходимости отражательные переключатели могут быть трансформированы в поглощающие включением вентилей.
Две серии волноводных переключателей на кремниевых и арсенид-галлиевых pin-диодах с балочными выводами продвигает на рынок компания HXI. В серии HSW представлены восемь моделей SPST-переключателей и одна модель SPDT-переключателя. SPST-переключатели этой серии реализуются для диапазонов частот 18,0–26,5; 22,0–33,0; 26,5–40,0 и 33,0–50,0 ГГц и обладают весьма низкими временами переключения (Tr = 15–20 нс, Tf = 7–8 нс). Единственный SPDT-переключатель этой серии (модель HSWM22801), работающий в диапазоне 26,5–40,0 ГГц, также имеет малые времена нарастания и спада (15 и 7 нс). Серия HSWM представлена шестью коаксиальными и шестью волноводными переключателями, рассчитанными на входную мощность 1 Вт. Три из этих волноводных переключателей SPST-типа и три SPDT-типа. Переключатели этой серии имеют очень малое время переключения (Tr = Tf = 3 нс). Помимо стандартных моделей, производитель предлагает опциональные модели с временем переключения менее 2 нс.
Компания Ducommun наряду с коаксиальными переключателями выпускает волноводные SPST- и SPDT-изделия для V-, E- и W-диапазонов. При этом уровень вносимых потерь по мере увеличения частоты меняется от 3 до 5 дБ, а развязка, допустимая входная мощность и время переключения (100 нс) остаются неизменными. В SPST (CPS‑63253025-01) и SPDT (CPD‑63254025-01) переключателях V-диапазона наряду с дискретными pin-диодами применяются и диоды Шоттки. С использованием pin-диодов выпускаются также многопозиционные (SP4T и SP10T) переключатели, рассчитанные на диапазон частот 75–78 ГГц. Вносимые потери в первом из них (CP4-77305030-D2) не превышают 6,5 дБ, а в изделии CP10-77308030-D2 (рис. 20з) равны 10 дБ. Развязка в обоих случаях превосходит 30 дБ, а время переключения не выше 150 нс. Многопозиционный SP4T-переключатель CP4-60086030-02 рассчитан на диапазон частот 56–64 ГГц. Время переключения в нем не превосходит 200 нс. Модель CPS‑96043020-D1 SPST-переключателя выпускается с подключенным к нему драйвером.
Одним из крупных производителей является компания QuinStar Technology, продвигающая на рынок три серии изделий. SPST- и SPDT-переключатели серий QSS и QSD производятся для семи диапазонов частот в пределах от 18 до 110 ГГц. Полоса рабочих частот в диапазонах K, Ka, Q и U совпадает с их границами, а в диапазонах V, E и W не превышает 10 ГГц. Время переключения в стандартных моделях равно 250 нс, но в случае необходимости поставляются изделия с временем переключения менее 10 нс. Эта же компания поставляет и многопозиционные переключатели различных (SP3T...SP8T) конфигураций на частотах до 100 ГГц. В зависимости от частотного диапазона и схемотехники драйвера время переключения в этих изделиях может варьироваться от 10 до 200 нс. Такие многопозиционные изделия идеально подходят для ослабления сигналов, защиты входных цепей приемников, могут быть использованы в антенных переключателях, при различного рода измерениях и в трансиверах для обеспечения режимов прием / передача.
В семи волноводных диапазонах (18–110 ГГц) выпускает SPST- и SPDT-переключатели компания MRI (Microwave Resources Inc.). В пяти из них продукция поставляется для полных волноводных диапазонов, а в диапазонах 60–90 и 75–110 ГГц полоса рабочих частот не превышает 15% от ширины диапазона. Изделия компании MRI отличаются малыми вносимыми ослаблениями от 1,0 до 3,5 дБ. Время переключения во всех моделях составляет 250 нс.
Широкую линейку отражательных и поглощающих волноводных переключателей различных конфигураций (SPDT, SP3T,..., SP8T и других), работающих на частотах от 18 до 110 ГГц, производит компания CERNEX. В K- и Ka-диапазонах рабочая полоса частот совпадает с границами этих диапазонов, а в Q-, U-, V-, E- и W-диапазонах не превосходит 10 ГГц. Вносимое ослабление меняется от 1,2 до 2,5 дБ в SPST-переключателях и от 1,8 до 3,0 дБ в SPDT-изделиях. Стандартное значение развязки равно 20 дБ, но при заказе могут быть поставлены изделия с развязкой до 100 дБ. Время переключения составляет 100–250 нс.
Несколько серий (910, 911, 912, 915) волноводных переключателей на pin-диодах выпускает компания Millimeter Wave Products Inc. (Mi-Wave). Все переключатели включают в себя интегральные драйверы, хотя могут поставляться и без них. Полоса рабочих частот до 6% (серии 910, 911, 912) и до 10% (серия 915). Серии 910, 911, 915 – это SPST-переключатели, серия 912 – SPDT-переключатели. Наименьшее время переключения 10 нс обеспечивается в SPST-переключателях 911‑серии. Развязка в переключателях разных серий может меняться от 25 до 45 дБ. Однако, заказные изделия в сериях 910, 911, 915 могут обеспечить развязку до 60 дБ.
Компания Pasternack выпускает четыре волноводных отражательных переключателя: PE71S9001 (SPST), PE71S9002 (SPDT), PE71S9003 (SPST) и PE71S9004 (SPDT), работающих в диапазонах частот 60–90 ГГц и 75–100 ГГц. Время переключения во всех этих изделиях не превышает 300 нс (рис. 21). Отметим, что точно такие же переключатели, но с другими названиями FMSW9001, FMSW9002, FMSW9003 и FMSW9004 продвигает на рынок компания Fairview Microwave.
Китайская компания Qotana в основном производит коаксиальные переключатели, но не так давно в линейке ее продукции появился и волноводный SPDT-переключатель, предназначенный для работы в диапазоне 60–90 ГГц, с временем переключения 100 нс.
Для очень широкого диапазона частот (от 18 до 150 ГГц) выпускает SPST-переключатели компания ELVA‑1 (рис. 20а, б). Для каждого из девяти диапазонов частот K, Ka, Q, U, V, E, W, F и D компания производит переключатели с полосой 10% и более. При этом времена переключения равны 4–6 нс. Вносимые потери находятся в пределах от 0,7 до 1,5 дБ.
Стандартная развязка равна 30 дБ, но возможна поставка изделий и с увеличенной (до 60 дБ) развязкой, за счет увеличения числа ступеней (рис. 20б).
Для более широкого диапазона частот (от 33 до 210 ГГц) производятся SPST-переключатели компанией ZAX Millimeter Wave Corporation. Изделия выпускаются с интегрированными ТТЛ-драйверами.
Доступны для заказа и многопозиционные переключатели различных производителей (рис. 20е, ж, з). Времена коммутации волноводных переключателей обычно не превосходят 100 нс.
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. PP. 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. PР. 253–262.
Microwave Switches. – Каталог компании Elisra.
Chinoy P., Jain N., Li P., et al. Manufacture of Low-Loss Microwave Circuits using HMIC Technology // IEEE MTT-S Digest. 1994. PР. 1137–1140.
Heston D. D., Seymour D. J., Zych D. 100 MHz to 20 GHz Monolitchic Single-Pole, Two-, Three-, and Four-Throw GaAs PIN Diode Switches. – 1991 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PР. 429–432.
Баров А., Гущин С. GaAs МИС PIN диодного двухпозиционного коммутатора // Chip News. 2008. № 1. С. 50–51.
Alekseev E., Pavlidis D., Ziegler V. 77 GHz High-Isolation Coplanar Transmit-Receive Switch Using InGaAs / InP PIN Diodes. – 1998 IEEE GaAs IC Symposium.
Lam K., Ding H., Liu X. et al. Wideband Millimeter Wave PIN Diode SPDT Switch using IBM 0.13 µm SiGe Technology. – Proceeding of the European Microwave Integrated Circuit Conference. 2007. PР. 108–111.
Song P., Schmid R. L., Ulusoy A. C. Cressler J. D. A High-Power, Low Loss W-band SPDT Switch Using SiGe PIN Diodes. – IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. 2014. PР. 195–198.
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. No. 1. PP. 37–39.
Часть 2
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
В первой части статьи, опубликованной в десятом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2020 год, было рассказано о pin-диодных переключателях в модульном исполнении. В данном номере рассматриваются pin-диодные переключатели в интегральном и волноводном исполнениях.
pin-диодные переключатели
в интегральном исполнении
Развитие новых технологий и появление требований заказчиков коммерческих, военных и космических систем связи, радиолокационных систем с АФАР различного назначения, автомобильных радаров, разведывательных приемников, разнообразных тестовых комплексов способствовали приходу на рынок надежных СВЧ-переключателей в монолитном исполнении с использованием кремниевой и арсенид-галлиевой подложек. В разработке таких микросхем участвовали компании Microsemi, Skyworks Solutions, Alpha Industries, Qorvo (ранее – TriQuint Semiconductor), Analog Devices (ранее – Hittite Microwave), API Technologies, MACOM, KCB Solutions. Позднее к производству арсенид-галлиевых переключателей подключились и российские производители АО «Светлана-Электронприбор», АО «НПФ «Микран» и др. Монолитные pin-диодные переключатели на кремниевых подложках появились в 70–80-х годах прошлого столетия.
Вследствие высокой проводимости кремниевых подложек на поверхности кристаллов обычно размещались лишь активные элементы (pin-диоды), дополненные в отдельных случаях некоторым количеством разделительных и / или блокировочных конденсаторов. Все остальные дискретные элементы, обеспечивающие подачу питающих напряжений и управляющих сигналов, устанавливались за пределами кристалла. Мощные pin-диодные переключатели на кремниевых подложках продвигаются на рынок компаниями Aeroflex / Metelics, Skyworks Solutions и KCB Solutions. Наибольшее число моделей подобных переключателей выпустила компания Skyworks Solutions. Одно из таких изделий SKY12208-306LF, выполненное по несимметричной схеме, обеспечивает переключение 60 Вт непрерывной мощности с временем коммутации 85 нс. Другой SPDT-переключатель (c симметричной структурой) SKY12211-478LF позволяет коммутировать непрерывную мощность 40 Вт за время 32 нс. Оба изделия выполнены в безвыводных QFN-корпусах размером 4 × 4 мм.
Широкую линейку SPST-SP6T pin-диодных переключателей с входной мощностью 50–200 Вт производит компания KCB Solutions. Изделия доступны в стандартных QFN-корпусах и в герметичном исполнении. Схемотехника этих переключателей мало отличается от решений, используемых, например, компанией Skyworks Solutions. Отличие состоит в том, что изделия этой компанией реализуются на AlN-подложках, обладающих повышенной теплопроводностью. Один из таких SPDT-переключателей KS102-55, выполненный по схеме, показанной на рис. 13, обеспечивает коммутацию непрерывной мощности 100 Вт за время 50 нс. Эта микросхема размещена в безвыводном QFN-корпусе размером 7 × 8 мм. Вследствие малых вносимых потерь и большой развязки эти pin-диодные переключатели идеально подходят как для коммерческих, так и для военных применений. Более высокие входные частоты обеспечиваются в изделиях HMC971 (до 40 ГГц) и HMC975 (до 50 ГГц) компании Analog Devices, реализованных на параллельной (рис. 14а) и последовательно-параллельной (рис. 14б) структурах соответственно.
Рабочий диапазон температур pin-диодных интегральных переключателей на кремниевых подложках весьма широк: –55...85 °C для изделий Hittite Microwave, API Technologies, KCB Solutions и –65...125 °C для переключателей, производимых компанией MACOM.
Невозможность размещения на кремниевой подложке дискретных элементов сказывается на характеристиках переключателей, увеличивает их габариты и стоимость. Выход из этого положения был найден компанией MACOM [14], которая запатентовала технологию Heterolithic Microwave Integrated Circuit (HMIC). Эта технология предполагает реализацию монолитной подложки с использованием кремния и стекла (рис. 15) [14]. Технология интегрирует в себе лучшие свойства обоих материалов и позволяет получить монолитное решение, обеспечивающее уменьшение размера и стоимости. Монолитный характер этой технологии позволяет применить автоматическое тестирование кристаллов на пластинах, что существенно снижает их стоимость. HMIC-чип состоит из кремниевых пьедесталов, внедренных в стеклянную среду. По сравнению с переключателями на полевых транзисторах в этих изделиях удается получить более высокие входную мощность и мощность рассеяния, а также меньшие потери, искажения и стоимость.
Входящее в состав такой монолитной подложки стекло обеспечивает высокую развязку, механическую прочность, малую диэлектрическую постоянную и низкий (0,002 на частоте 10 ГГц) тангенс угла диэлектрических потерь. Тонкопленочная технология, используемая для размещения на подложке спиральных индуктивностей, конденсаторов и резисторов, гарантирует высокие характеристики, включая надежность и низкую стоимость.
Характеристики четырех микросхем, реализованных по этой технологии, представлены в табл. 6. Все они независимо от типа переключателя (SPST, SPDT, SP3T, SP4T) работают в диапазоне частот 0,05–20 ГГц при входных мощностях менее 2 Вт и временах коммутации 20 нс. Эти переключатели выполнены по последовательно-параллельной схеме (рис. 16), причем диоды располагаются на кремниевых пьедесталах (выделено фоном), а пассивные компоненты – на стекле.
Дальнейшее совершенствование pin-технологий было связано с использованием арсенид-галлиевых подложек. Замена кремния на арсенид галлия обеспечила более высокую подвижность и меньшее время жизни неосновных носителей. В полной мере достоинства GaAs-диодов проявляются при монолитном изготовлении переключателей, когда на одной подложке размещаются pin-диоды и пассивные компоненты. Важным преимуществом арсенид-галлиевых pin-диодных переключателей является их широкополосность (табл. 7) и существенно меньший, чем у кремниевых переключателей, ток управления.
При разработке pin-диодных арсенид-галлиевых переключателей используются три технологических процесса: собственно GaAs PIN, GaAs VPIN и AlGaAs PIN. Первый из них был использован в изделиях, выпускаемых компаниями Alpha Industries, Analog Devices (Hittite Microwave), Microsemi, Qorvo (TriQuint Semiconductor), Bowei Integrated Circuits и Silins Electronics. Одной из первых, разработавших SPST-, SPDT-переключатели (рис. 17) с использованием процесса GaAs PIN была компания Alpha Industries. Все эти отражательные переключатели выполнены по параллельной схеме и отличаются лишь числом и схемой включения pin-диодов (см. рис. 17). Первый из них SPST-типа (рис. 17а), а остальные три SPDT-типа (рис. 17б, в, г). Время коммутации во всех переключателях не превышает 2–4 нс. Рабочий диапазон температур находится в пределах –55...125 °C.
Компания Hittite Microwave выпустила на рынок переключатель HMC-SDD112 (55–86 ГГц), обладающий относительно низкими потерями, высокой развязкой и временем переключения менее 4 нс. Несколько моделей отражательных SPST-, SPDT-, SP3T- и SP4T-переключателей с максимальными значениями частот 18–30 ГГц разработала компания Bowei Integrated Circuits.
Арсенид-галлиевые SPST-, SPDT-переключатели, работающие в диапазонах частот 20–38, 22–36, 34–36 и 34–37 ГГц, разработала и недавно появившаяся на рынке компания Silins Electronics. Выпускаемые этой компанией переключатели, предназначенные для использования в автомобильных радарах, доступны в различном конструктивном исполнении (корпуса H63-1, H63-2, H‑102-6, H127-3). Размеры кристаллов находятся в пределах от 2,50 × 1,08 × 0,10 мм (модель РММ 13003X) до 1,22 × 0,87 × 0,10 мм (модель РММ 13006X). Времена переключения Ton и Toff в SPST-переключателе PMM13006X равны 20 нс, а в SPDT-переключателях – 50 нс.
Важный вклад в совершенствование характеристик арсенид-галлиевых переключателей внесла компания TriQuint Semiconductor (ныне Qorvo), предложившая технологию vertical pin (VPIN) [15], суть которой поясняется на рис. 18 [16]. Переключатели, изготовленные на основе этой технологии (см. табл. 7), обеспечивают время коммутации менее 4–5 нс в достаточно широкой полосе частот. Например, VPIN SPDT-переключатель TGS2302 выполнен по последовательно-параллельной схеме (рис. 19а) и работает в диапазоне частот 4–20 ГГц. Все pin-диоды и пассивные компоненты размещаются на подложке размером 2,24 × 1,63 мм (рис. 19б). По параллельной схеме с одним диодом в каждом канале реализованы многопозиционные SP3T- и SP4T-переключатели TGS4305-FC и TGS4306-FC, работающие в диапазонах частот 60–90 и 70–90 ГГц соответственно, которые обеспечивают время коммутации менее 5 нс. Поставляются VPIN-переключатели как в QFN-корпусах, так и в виде кристаллов. Основной областью применения этих устройств являются автомобильные радары.
Наиболее широкополосные pin-диодные СВЧ-переключатели были разработаны с использованием гетероструктур AlGaAs / GaAs. Наряду с апробированной технологией AlGaAs / GaAs PIN (модели MASW‑011036, MASW‑011094) компания MACOM использует также свое запатентованное решение, позволившее ей выпускать переключатели с рабочей полосой от 50 МГц до 70 ГГц.
Отметим, что упомянутые микросхемы серии MASW обеспечивают в диапазонах 24–37 ГГц (MASW‑011094) и 26–40 ГГц (MASW‑011036) допустимые мощности 50 и 20 Вт соответственно при временах переключения менее 65 нс. В свою очередь переключатели MA4AGSW1, MA4AGSW1A, MA4AGSW2, MA4AGSW3 и MA4AGSW4 обладают вносимыми потерями 0,3–0,8 дБ при временах переключения 10–20 нс. Допустимая входная мощность в первом из этих изделий не превосходит 1 Вт, а во всех остальных – 0,2 Вт.
Рабочий диапазон температур в переключателях серии MASW составляет –40...85 °C, а в выполненных по патентованной технологии AlGaAs / GaAs PIN – от –55 до 125 °C.
Стоит также упомянуть, что разработанная в АО «НПФ «Микран» по технологии AlGaAs / GaAs PIN линейка SPST-, SPDT-, SP3T-, SP4T-, SP5T-переключателей работает на частотах от 0,2 до 40 ГГц. В моделях с интегрированными цепями управления MD215 (SP2T) и MD216 (SP3T) диапазон рабочих частот составляет от 4 до 27 ГГц.
Оценивая в целом модульные и интегральные переключатели на pin-диодах, можно отметить, что основной их недостаток – это большие токи смещения (от 10 до 100 мА) и управления. Его не удается полностью преодолеть и в pin-диодных арсенид-галлиевых переключателях.
Помимо кремниевых и арсенид-галлиевых подложек, при создании pin-диодных переключателей могут использоваться и другие технологии. За редким исключением в промышленном производстве эти изделия широкого распространения не получили, но результаты исследования экспериментальных образцов обсуждаются в ряде публикаций.
Так, фосфид-индиевые InGaAs / InP pin-диоды [17] были разработаны применительно к задаче создания приемо-передающих СВЧ-переключателей, используемых в автомобильных радарах. В диапазоне 74,2–78,2 ГГц эти переключатели обеспечили вносимые потери менее 1,35 дБ и развязку более 43 дБ при входных мощностях до 11 дБм.
В [18] для создания pin-диодного SPDT-переключателя использована 0,13‑мкм SiGe-технология компании IBM. В диапазоне частот 51–78 ГГц вносимые потери составили 2,0–2,7 дБ, а развязка 25–35 дБ. 90‑нм SiGe-технология была применена при создании pin-диодного SPDT-переключателя с параллельной структурой, работающего в диапазоне частот 73–133 ГГц [19]. При этом были достигнуты следующие результаты: вносимые потери 1,4–2,0 дБ, развязка 19–22 дБ и мощность P1 дБ > 24 дБм. Площадь изготовленного кристалла составила 0,14 мм 2. В [20] приводятся результаты экспериментального исследования нитрид-галлиевого pin-диодного SPDT-переключателя, выполненного по параллельной схеме и работающего в диапазоне частот 20–27 ГГц. Вносимые потери при этом не превосходили 3,4 дБ, а развязка была больше 12,5 дБ. Размеры кристалла составили 2,57 × 1,03 мм.
Во всех этих научных публикациях, посвященных созданию pin-диодных переключателей на основе нетрадиционных технологий, сведения о временах переключения отсутствуют.
Волноводные pin-диодные переключатели
Волноводные переключатели находят широкое применение в космических, военных и коммерческих радиолокационных и связных комплексах, средствах радиоэлектронной борьбы, при тестировании и измерении характеристик различного рода радиокомпонентов и систем. Они используются при переключении антенн и частотных каналов, входят в состав переключаемых аттенюаторов, обеспечивают защиту входных цепей приемников, применяются в амплитудных модуляторах, обеспечивая в том числе и формирование импульсов различной длительности.
Наряду с переключателями большой (до 1 кВт средней и до нескольких киловатт импульсной мощности [6]) широко применяются маломощные (до 10 Вт) изделия, обеспечивающие малые (2–300 нс) времена коммутации на частотах до 110 ГГц и более. Например, до 150 ГГц в изделиях компании ELVA‑1 и до 210 ГГц в изделиях компании ZAX Millimeter Wave Corporation.
Практически все волноводные переключатели (рис. 20) реализуются на кремниевых и арсенид-галлиевых pin-диодах в различных конфигурациях. Специализируются на производстве этих изделий более десятка компаний (табл. 8). Одним из крупнейших производителей является компания Millitech (ныне – Smiths Microwave), выпускающая несколько серий волноводных переключателей.
SPST-переключатели серии PSP этой компании доступны для частот от 18 до 110 ГГц. Они рассчитаны на работу в полных волноводных диапазонах K (18–26,5 ГГц), Ka (26,5–40 ГГц), Q (33–50 ГГц), U (40–60 ГГц), V (50–75 ГГц) и в полосе до 10 ГГц в E (60–90 ГГц) и W (75–100 ГГц) диапазонах. Времена нарастания Tr и спада Tf в изделиях этой серии равны 20 нс и 150 нс соответственно и могут меняться в зависимости от исполнения драйвера. Подобные переключатели могут использоваться для амплитудной модуляции и защиты входных цепей приемников в импульсных РЛС. Кроме того, они могут применяться в управляемых напряжением аттенюаторах.
В серии PSH представлены отражательные SPST-переключатели для частотного диапазона 18–95 ГГц. Изделия этой серии поставляются как с драйверами, так и без них. Стандартные модели имеют развязку 30 дБ на 18 ГГц и 20 дБ на частоте 50 ГГц. Лучшая развязка может быть получена за счет использования в схеме переключателя большего числа pin-диодов.
Дополнительное увеличение развязки до 40–60 дБ может быть достигнуто при последовательном включении двух разделенных вентилем переключателей. Время переключения в изделиях этой серии равно 2 нс, а при использовании драйверов не превосходит 8 нс. Эти переключатели используются для получения импульсов переменной длительности и защиты входных цепей приемников в импульсных РЛС.
SPDT-переключатели PDT-серии доступны для частот от 18 до 100 ГГц в семи диапазонах: K, Ka, Q, U, V, E, W. Полоса рабочих частот во всех диапазонах в изделиях Y-типа (рис. 20г) не превосходит 10 ГГц. При этом лучшая развязка и меньшие вносимые потери достигаются в более узкополосных переключателях. Времена нарастания и спада в подобных переключателях составляют соответственно 20 и 300 нс. Лучшие результаты по скорости переключения (Tr = Tf = 10 нс) достигаются в изделиях I-типа (рис. 20в).
Многопозиционные переключатели, а также переключательные матрицы, компании Smiths Microwave доступны для частот от 18 до 110 ГГц. Стандартные SP3T-изделия выпускаются для диапазонов Ka, V, E и W, а SP4T-переключатели – для диапазонов Ka, Q и U. Эти изделия выполняются в компактных корпусах вместе с интегрированными в них драйверами. Стандартные переключатели с низкими вносимыми потерями обеспечивают время переключения Tr = 20 нс и Tf = 150–300 нс. В моделях с увеличенными вносимыми потерями может быть достигнуто время переключения 2 нс.
Компания Sage Millimeter представлена на рынке широкой номенклатурой выпускаемых изделий, в том числе и СВЧ-переключателями поглощающего и отражательного типа. Среди стандартных моделей имеются волноводные отражательные переключатели для диапазонов частот 45–55, 55–65, 75–85 и 90–100 ГГц. Для всех этих диапазонов выпускаются SPST (серия SKS) и SPDT (серия SKD) переключатели. Многопозиционные переключатели (серия SK4) представлены стандартными моделями для диапазонов 45–55, 55–65, 50–75 и 72–81 ГГц. Примером многопозиционного отражательного SP4T-переключателя может служить изделие SK4-5536536535-1515-R1, реализованное вместе с драйвером в одном компактном корпусе (рис. 20е). Все три серии переключателей этой компании обеспечивают достаточно малое время переключения Tп = 100 нс. В волноводных переключателях Sage Millimeter используются как дискретные, так и интегральные pin-диоды. Волноводные изделия выпускаются только с внешними драйверами.
Помимо стандартных моделей, компания Sage Millimeter выпускает заказные изделия. При заказе SPST-, SPDT- и SP4T-моделей используются следующие обозначения:
SKS - F1N F2N IL IS - CI C0 - XY,
SKD - F1N F2N IL IS - CI C0 - XY,
SK4 - F1N F2N IL IS - CI C0 - XY,
где
F1N – начальная частота в МГц, например:
- 2 ГГц = 2 · 103 МГц → 023 (F1 = 02, N = 3);
- 90 ГГц = 90 · 103 МГц → 903 (F1 = 90, N = 3);
F2N – конечная частота в МГц, например:
- 18 ГГц = 18 · 103 МГц → 183 (F2 = 18, N = 3);
- 100 ГГц = 10 · 104 МГц → 104 (F2 = 10, N = 4);
- IL – вносимые потери ×10. Например 2,0 дБ = 20;
- IS – развязка в дБ. Например, 35 дБ = 35;
- CI – тип входного соединителя. Например K(F) = KF;
- C0 – тип выходного соединителя. Например K(M) = KM;
X – тип переключателя:
- «А» – поглощающий, «R» – отражательный,
- Y – резерв производителя.
Поглощающие переключатели по сравнению с отражательными имеют бóльшие обратные потери во включенном и выключенном состояниях, однако, вносимые потери и стоимость выше, чем у отражательных. С другой стороны отражательные переключатели имеют худший КСВН в выключенном состоянии. При этом отражательные изделия работают при больших входных мощностях и имеют меньшую стоимость. При необходимости отражательные переключатели могут быть трансформированы в поглощающие включением вентилей.
Две серии волноводных переключателей на кремниевых и арсенид-галлиевых pin-диодах с балочными выводами продвигает на рынок компания HXI. В серии HSW представлены восемь моделей SPST-переключателей и одна модель SPDT-переключателя. SPST-переключатели этой серии реализуются для диапазонов частот 18,0–26,5; 22,0–33,0; 26,5–40,0 и 33,0–50,0 ГГц и обладают весьма низкими временами переключения (Tr = 15–20 нс, Tf = 7–8 нс). Единственный SPDT-переключатель этой серии (модель HSWM22801), работающий в диапазоне 26,5–40,0 ГГц, также имеет малые времена нарастания и спада (15 и 7 нс). Серия HSWM представлена шестью коаксиальными и шестью волноводными переключателями, рассчитанными на входную мощность 1 Вт. Три из этих волноводных переключателей SPST-типа и три SPDT-типа. Переключатели этой серии имеют очень малое время переключения (Tr = Tf = 3 нс). Помимо стандартных моделей, производитель предлагает опциональные модели с временем переключения менее 2 нс.
Компания Ducommun наряду с коаксиальными переключателями выпускает волноводные SPST- и SPDT-изделия для V-, E- и W-диапазонов. При этом уровень вносимых потерь по мере увеличения частоты меняется от 3 до 5 дБ, а развязка, допустимая входная мощность и время переключения (100 нс) остаются неизменными. В SPST (CPS‑63253025-01) и SPDT (CPD‑63254025-01) переключателях V-диапазона наряду с дискретными pin-диодами применяются и диоды Шоттки. С использованием pin-диодов выпускаются также многопозиционные (SP4T и SP10T) переключатели, рассчитанные на диапазон частот 75–78 ГГц. Вносимые потери в первом из них (CP4-77305030-D2) не превышают 6,5 дБ, а в изделии CP10-77308030-D2 (рис. 20з) равны 10 дБ. Развязка в обоих случаях превосходит 30 дБ, а время переключения не выше 150 нс. Многопозиционный SP4T-переключатель CP4-60086030-02 рассчитан на диапазон частот 56–64 ГГц. Время переключения в нем не превосходит 200 нс. Модель CPS‑96043020-D1 SPST-переключателя выпускается с подключенным к нему драйвером.
Одним из крупных производителей является компания QuinStar Technology, продвигающая на рынок три серии изделий. SPST- и SPDT-переключатели серий QSS и QSD производятся для семи диапазонов частот в пределах от 18 до 110 ГГц. Полоса рабочих частот в диапазонах K, Ka, Q и U совпадает с их границами, а в диапазонах V, E и W не превышает 10 ГГц. Время переключения в стандартных моделях равно 250 нс, но в случае необходимости поставляются изделия с временем переключения менее 10 нс. Эта же компания поставляет и многопозиционные переключатели различных (SP3T...SP8T) конфигураций на частотах до 100 ГГц. В зависимости от частотного диапазона и схемотехники драйвера время переключения в этих изделиях может варьироваться от 10 до 200 нс. Такие многопозиционные изделия идеально подходят для ослабления сигналов, защиты входных цепей приемников, могут быть использованы в антенных переключателях, при различного рода измерениях и в трансиверах для обеспечения режимов прием / передача.
В семи волноводных диапазонах (18–110 ГГц) выпускает SPST- и SPDT-переключатели компания MRI (Microwave Resources Inc.). В пяти из них продукция поставляется для полных волноводных диапазонов, а в диапазонах 60–90 и 75–110 ГГц полоса рабочих частот не превышает 15% от ширины диапазона. Изделия компании MRI отличаются малыми вносимыми ослаблениями от 1,0 до 3,5 дБ. Время переключения во всех моделях составляет 250 нс.
Широкую линейку отражательных и поглощающих волноводных переключателей различных конфигураций (SPDT, SP3T,..., SP8T и других), работающих на частотах от 18 до 110 ГГц, производит компания CERNEX. В K- и Ka-диапазонах рабочая полоса частот совпадает с границами этих диапазонов, а в Q-, U-, V-, E- и W-диапазонах не превосходит 10 ГГц. Вносимое ослабление меняется от 1,2 до 2,5 дБ в SPST-переключателях и от 1,8 до 3,0 дБ в SPDT-изделиях. Стандартное значение развязки равно 20 дБ, но при заказе могут быть поставлены изделия с развязкой до 100 дБ. Время переключения составляет 100–250 нс.
Несколько серий (910, 911, 912, 915) волноводных переключателей на pin-диодах выпускает компания Millimeter Wave Products Inc. (Mi-Wave). Все переключатели включают в себя интегральные драйверы, хотя могут поставляться и без них. Полоса рабочих частот до 6% (серии 910, 911, 912) и до 10% (серия 915). Серии 910, 911, 915 – это SPST-переключатели, серия 912 – SPDT-переключатели. Наименьшее время переключения 10 нс обеспечивается в SPST-переключателях 911‑серии. Развязка в переключателях разных серий может меняться от 25 до 45 дБ. Однако, заказные изделия в сериях 910, 911, 915 могут обеспечить развязку до 60 дБ.
Компания Pasternack выпускает четыре волноводных отражательных переключателя: PE71S9001 (SPST), PE71S9002 (SPDT), PE71S9003 (SPST) и PE71S9004 (SPDT), работающих в диапазонах частот 60–90 ГГц и 75–100 ГГц. Время переключения во всех этих изделиях не превышает 300 нс (рис. 21). Отметим, что точно такие же переключатели, но с другими названиями FMSW9001, FMSW9002, FMSW9003 и FMSW9004 продвигает на рынок компания Fairview Microwave.
Китайская компания Qotana в основном производит коаксиальные переключатели, но не так давно в линейке ее продукции появился и волноводный SPDT-переключатель, предназначенный для работы в диапазоне 60–90 ГГц, с временем переключения 100 нс.
Для очень широкого диапазона частот (от 18 до 150 ГГц) выпускает SPST-переключатели компания ELVA‑1 (рис. 20а, б). Для каждого из девяти диапазонов частот K, Ka, Q, U, V, E, W, F и D компания производит переключатели с полосой 10% и более. При этом времена переключения равны 4–6 нс. Вносимые потери находятся в пределах от 0,7 до 1,5 дБ.
Стандартная развязка равна 30 дБ, но возможна поставка изделий и с увеличенной (до 60 дБ) развязкой, за счет увеличения числа ступеней (рис. 20б).
Для более широкого диапазона частот (от 33 до 210 ГГц) производятся SPST-переключатели компанией ZAX Millimeter Wave Corporation. Изделия выпускаются с интегрированными ТТЛ-драйверами.
Доступны для заказа и многопозиционные переключатели различных производителей (рис. 20е, ж, з). Времена коммутации волноводных переключателей обычно не превосходят 100 нс.
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. PP. 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. PР. 253–262.
Microwave Switches. – Каталог компании Elisra.
Chinoy P., Jain N., Li P., et al. Manufacture of Low-Loss Microwave Circuits using HMIC Technology // IEEE MTT-S Digest. 1994. PР. 1137–1140.
Heston D. D., Seymour D. J., Zych D. 100 MHz to 20 GHz Monolitchic Single-Pole, Two-, Three-, and Four-Throw GaAs PIN Diode Switches. – 1991 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PР. 429–432.
Баров А., Гущин С. GaAs МИС PIN диодного двухпозиционного коммутатора // Chip News. 2008. № 1. С. 50–51.
Alekseev E., Pavlidis D., Ziegler V. 77 GHz High-Isolation Coplanar Transmit-Receive Switch Using InGaAs / InP PIN Diodes. – 1998 IEEE GaAs IC Symposium.
Lam K., Ding H., Liu X. et al. Wideband Millimeter Wave PIN Diode SPDT Switch using IBM 0.13 µm SiGe Technology. – Proceeding of the European Microwave Integrated Circuit Conference. 2007. PР. 108–111.
Song P., Schmid R. L., Ulusoy A. C. Cressler J. D. A High-Power, Low Loss W-band SPDT Switch Using SiGe PIN Diodes. – IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. 2014. PР. 195–198.
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. No. 1. PP. 37–39.
Отзывы читателей
