Labs / me_1203_5_2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра МВЭ

отчет по лабораторной работе № 2 по дисциплине «Микроволновая электроника» Тема: Исследование характеристик переключателя и ограничителя на p-i-n диодах

Студенты гр. 300 ____________________ ____________________ ____________________ Van Darkholm Billy Herrington Mr. Arghwoth ____________________ Steve Rambo Преподаватель ____________________ Репин В.А.

Санкт-Петербург 2024

ЦЕЛЬ: Ознакомление с принципами действия переключательных и ограничительных p-i-n диодов, а также схем на их основе и измерение их основных характеристик на СВЧ.

ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для исследования свойств и характеристик p–i–n-диодов используются кремниевые эпитаксиальные диоды с p–i–n-структурой, предназначенные для работы в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Они выпускаются в металлокерамическом корпусе с жесткими выводами рисунок 1. Типичные эксплуатационные характеристики выбранных диодов:

– рабочая температуре корпуса диода: 213…373 К;

– рассеиваемая мощность: 2…5 Вт;

– постоянное обратное напряжение: 200 В;

– мгновенное обратное напряжение: 300…500 В;

– постоянный прямой ток: 200 мА

Рисунок 1 – Общий вид p–i–n-диода

СХЕМА УСТАНОВКИ

Принципиальная схема для исследования переключателя на p–i–n-диодах, представлена на рисунке 2. Сигнал от СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 подается на p–i–n-диоды 3 и 4. Мощность СВЧ-сигнала, прошедшая переключающие секции, ослабляется фиксированными (10 дБ) аттенюаторами 5 и 6 и поступает на детекторные секции 7 и 8.

Рисунок 2 – Принципиальная схема переключателя на p–i–n-диодах

На рисунке 3 представлена принципиальная схема исследования ограничителя в коаксиальном исполнении. Сигнал от СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 и измерительную линию 3 поступает в ограничитель на p–i–n-диоде 4, питание которого осуществляется от источника напряжения 5. С выхода ограничителя СВЧ-мощность, ослабленная на 10 дБ фиксированным аттенюатором 6, через детекторную секцию 7 подается на осциллограф 8. Схема позволяет исследовать зависимости времени восстановления обратного сопротивления и времени установления прямого напряжения в зависимости от частоты следования и длительности импульсов генератора 9. Уровень входной СВЧ-мощности в обеих схемах регулируется и измеряется с помощью приборов генератора.

Рисунок 3 – Принципиальная схема ограничителя на p–i–n-диоде

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Вольт-амперные характеристики p–i–n-диодов представлены на рисунке 4.

I, мА

Рисунок 4 – ВАХ p–i–n-диодов

Как видно по экспериментальным ВАХ характеристики диодов почти идентичны, напряжения при которых диоды открываются также почти совпадают, различия в некоторых значениях связаны с погрешностью измерительных приборов и возможно с тепловыми флуктуациями.

2. Расчет потерь пропускания и запирания в децибелах от напряжения смещения, при постоянной частоте f = 1.2 ГГц осуществляется по формулам

(1)

(2)

где – выходная мощность в правом плече, работающем в режиме пропускания (правый диод без напряжения);

– выходная мощность в левом плече, работающем в режиме запирания (левый диод под напряжением);

– выходная мощность в правом плече, работающем в режиме запирания (правый диод под напряжением);

– выходная мощность в левом плече, работающем в режиме пропускания (левый диод без напряжения).

Пример расчета для напряжения смещения U = 0.8 В

Для остальных значений напряжений смещения расчет аналогичен, результаты приведены в таблице 3 протокола наблюдений. Зависимость потерь пропускания и запирания от напряжения смещения представлена на рисунке 5.

U, В

Рисунок 5 – Зависимость потерь пропускания и запирания от напряжения смещения

3. Расчет потерь пропускания и запирания в децибелах от частоты, при постоянном напряжении смещения U = 1.3 В осуществляется так же по формулам (1) и (2)

Пример расчета для частоты f = 1 ГГц

Для остальных значений частоты расчет аналогичен, результаты приведены в таблице 4 протокола наблюдений. Зависимость потерь пропускания и запирания от напряжения смещения представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Зависимость потерь пропускания и запирания от частоты

ВЫВОД: В результате исследования переключателя на p–i–n-диодах и были получены характеристики диода. ВАХ p–i–n-диода такая же как и у обычного выпрямительного диода, просто с большим напряжением открытия, это связано с тем, что в данных диодах между сильно легированными областями присутствует область слаболегированная близкая по свойствам к собственному проводнику (i - intrinsic). Тем самым значительно повышается потенциальный барьер перехода, и для протекания прямого тока необходимо приложить к такому переходу большее напряжение в сравнении с обычными выпрямительными диодами.

Управление СВЧ мощностью, подводимой к нагрузке, осуществляется за счет изменения сопротивления p–i–n-диода, подключенного в данной работе параллельно нагрузке. Меняя напряжение смещение на p–i–n-диоде от обратного до прямого, его сопротивление изменяется от очень большого до очень малого соответственно. Такой эффект происходит за счет изменения толщины запорного слоя в диоде при прямом смещении оно уменьшается и сопротивление низкое, при обратном оно увеличивается и сопротивление диода высокое. За счет изменения сопротивления диода регулируется доля отраженной обратно мощности. Граничные случаи: при обратном смещении, диод закрыт СВЧ мощность проходит без потерь – пропускание, при прямом смещении диод открывается, накоротко замыкая нагрузку – СВЧ мощность полностью отражается – запирание.

По зависимостям потерь пропускания и запирания можно сказать, что с увеличением частоты СВЧ или при увеличении напряжения прямого смещения на диоде потери пропускания падают, а потери запирания возрастают. С учетом того, что чем меньше потери пропускания и больше потери запирания, тем совершеннее переключательное устройство, можно сделать вывод, что наибольшая эффективность переключателя – на высоких частотах.

Объяснить лучшую работу переключателя при повышении напряжения смещения можно тем, что при открытии уже прямосмещенного диода СВЧ полю нужно меньше затрачивать энергию для его открытия, тем самым поле почти полностью проходит в нагрузку (потери пропускания падают), а при закрытии смещенного диода СВЧ поле больше поглощается в диоде потери запирания возрастают.

Улучшение работы при увеличении частоты СВЧ связано с улучшением согласования линии.