Задача №2 из Контрольной работы №3 (Вариант №4)

Задача No 2

Рассчитать потери пропускания и потери запирания в переключательном устройстве. Пояснить принцип действия и работу диодов в переключательном устройстве на p-i-n-диодах. Отметить преимущества и недостатки использования p-i-n -диодов в переключателях.
Мощность в плече диода в режиме пропускания равна = 20 Вт.
Мощность в плече диода в режиме запирания равна = 10 мВт.

Решение.
Потери пропускания равны

Потери запирания равны

Переключатель СВЧ-мощности позволяет направлять сигнал по различным каналам линии передач. Для управления СВЧ-мощностью используются переключательные полупроводниковые диоды. Управляющее действие диода основано на изменении его сопротивления при изменении значения и полярности поданного на него смещения.
Простейшая схема, поясняющая механизм работы устройства с управляющим диодом, показана на рис. 2.1.

Рис.2.1.

Диод с полным сопротивлением Z включен параллельно в линию с волновым сопротивлением Z0. Линия согласована с нагрузкой, т. е. Z0=Zн (Zн - полное сопротивление нагрузки).
Ослабление сигнала в линии, обусловленное влиянием СВЧ-диода, определяется коэффициентом вносимого затухания:

Если ввести приведенную проводимость Z0/Z=G+iB, то L преобразуется к виду

При обратном смещении на диоде его сопротивление велико (G<<1) и если емкость диода мала (В<<1), то L0, т. е. потери малы и диод не нарушает условия распространения волны в линии.
При прямом смещении сопротивление диода близко к нулю (G>>1) и реализуется режим запирания, при котором в нагрузку просачивается незначительная часть входной мощности, основная же доля мощности отражается от диода обратно к генератору.
Поглощаемая диодом мощность

Из формулы видно, что значение Рпогл мало как в режиме пропускания (G<<1) так и в режиме запирания (G>>1), поэтому маломощный диод может управлять большой мощностью в СВЧ-тракте. Предельная коммутируемая мощность определяется предельно допустимой рассеиваемой мощностью диода, отношением Рпогл/Рвх, а также напряжением пробоя.
Эквивалентные схемы переключательного диода при подаче прямого и обратного смешений показаны на рис.2.2, а, б. Здесь Rпр и Rобр – сопро-тивления полупроводниковой структуры при прямом и обратном смещениях с учетом сопротивления базы и контактов; Скор – емкость корпуса; Сбар – барьерная емкость; Lпос - индуктивность выводов.

Рис.2.2.

Для переключения больших мощностей используются в основном р-i-n-диоды. P-i-n-структура состоит из сильнолегированных р- и п-областей, разделенных слоем высокоомного материала с малой концентрацией примеcи, близкого по свойствам к собственному полупроводнику (i-типа). Толщина высокоомной области может достигать нескольких микрометров, поэтому р-i-n-структуры обладают малой удельной емкостью. У р-i-n-структур можно увеличивать площадь, а следовательно, рассеиваемую мощность. Кроме того у р-i-n-структур пробивное напряжение может достигать нескольких киловольт.
В реальных структурах i-слой представляет собой слаболегированный полупроводник n- или р-типа и структуры называются соответственно р+--п+ или р+--п+-структурами. На рис. 2.3 показана схема р+--п+-структуры с достаточно резкими переходами р+- и -п+ и со значительной толщиной высокоомной области w (рис. 2.3, а).

Рис. 2.3.
Здесь же приведены распределение концентрации примеси (рис. 2.3, б), объемного заряда (рис.2.3, в, д) и напряженности поля (рис. 2.3, г, е) при нулевом (рис. 2.3, в, г) и большом обратном (рис. 2.3, д, е) смещениях. Ширина обедненной основными носителями области l зависит от концентрации примеси в -области и от обратного смещения. С ростом обратного смещения ширина обедненной области растет и при некотором отрицательном напряжении обедненная область перекроет весь высокоомный слой. Тогда структура станет эквивалентной обычному диоду с широким запорным слоем или конденсатору с малыми потерями, в котором значение емкости практически не зависит от напряжения.
При прямом смещении носители заряда инжектируются из п- и p-областей в i-область, что приводит к существенному снижению сопротивления диода.
Быстродействие р-i-n-диодов при их переключении ограничено временем рассасывания заряда, накопленного в i-слое. Это время зависит от толщины слоя, времени жизни носителей и соотношения между прямым и обратным токами.
Диоды с широкой базой могут коммутировать мощности в сотни ватт в непрерывном режиме и десятки киловатт в импульсе при времени восстановления 1...10 мкс. Диоды с узкой базой имеют Р<1 Вт, но могут обеспечивать быстродействие в десятки наносекунд.
На рис.2.4 представлено схематическое изображение конструкции переключателя коаксиального типа.

Рис. 2.4.

P-i-n-диоды Д1, Д2 установлены в обоих плечах переключателя. Смещения на диоды подаются через проводники 1, 3. Для подстройки входного тракта используется емкостный штырь 2.
Преимуществом использования p-i-n-диодов в переключателях является быстрое переключение мощностей.
Недостатком использования p-i-n-диодов в переключателях является относительно медленное переключение больших мощностей (по сравнению с переключением малых мощностей).