Отчеты / АФУ в MWO_лаб_8
.pdf
Лабораторная работа №8
Использование p-i-n-диодов в АФУ и их модели.
Цель работы: Ознакомиться с применением pin-диодов в технике СВЧ, изучить модели pin-диодов. Научиться моделировать устройства на pinдиодах в программном комплексе Microwave office.
Продолжительность работы: 2ч.
Используемое программное обеспечение: AWR Microwave Office, Microsoft Word.
Теоретические сведения.
PIN-диод - разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). P и n области, как правило, легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу.
Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но с другой стороны это позволяет использовать в СВЧ технике в качестве аттенюаторов (ослабителях сигнала), быстрых переключателях.
Рис.1. Топология pin-диода.
Большая ширина i-области означает, что pin-диод имеет очень маленькую емкость обратного смещения, что очень важно в СВЧ применении.
1
На Рис.2. представлена модель pin-диода. Она включает в себя переменное сопротивление, зависящее от приложенного напряжения, а так же паразитные элементы: сопротивление и индуктивность выводов, и емкость перехода.
Рис.2. Модель pin-диода.
Для уменьшения паразитных сопротивлений и индуктивностей выводов, производители делают их максимально короткими. Это же нужно учитывать при проектировании, минимизируя длину подводящих дорожек на печатной плате. Все необходимые при проектировании параметры можно найти в документации на компонент (datasheet). Например, pin-диод от фирмы NXP (Philips) BAP1321-02 имеет следующие характеристики:
forward voltage (Vf) – прямое напряжение открытия диода
reverse leakage current (Ir) – ток обратной утечки
diode capacitance (Cd) – емкость перехода для различных значений приложенного обратного напряжения (VR)
2
diode forward resistance (rd) – сопротивление диода при прямом включении для различных значений тока (If)
series inductance (Ls) – индуктивность выводов
Лабораторное задание
1.Рассчитать предельную рабочую частоту и максимальный коэффициент передачи для параметров pin-диода, заданного по варианту.
2.Используя линейную модель диода экспериментально подтвердить получившиеся в п.1 значения.
3.Используя нелинейную модель pin-диода подтвердить значения, получившиеся в п.1 и п.2.
Варианты заданий
Вариант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rd, Ом |
1 |
0.1 |
0.4 |
0.32 |
1.2 |
4 |
2.2 |
3.1 |
0.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cj, пФ |
0.07 |
0.3 |
0.5 |
1.2 |
0.75 |
0.43 |
1 |
0.97 |
0.13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ls, нГн |
0.1 |
1.1 |
0.9 |
0.6 |
0.4 |
2 |
0.34 |
2.4 |
0.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Методика выполнения работы
Ввод схемы-модели в MWO (Рис.3.) дает следующие результаты
(Рис.4.):
3
Рис.3. Схема-модель pin-диода, включенная для измерения S-параметров.
Рис.4. Измеренные S-параметры модели.
Как видно из графика коэффициент отражения и коэффициент передачи пересекаются на частоте 3.5ГГц. Эта точка является предельной для использования данного pin-диода. В документации указана частота 3ГГц.
Очевидно, что ухудшение запирающих свойств связано с параллельной емкостью перехода. По формуле для коэффициента отражения:
ГZн Z0
Zн Z0
|
50 50 |
j |
|
50 50 |
j |
|
C |
|
10 |
||
0.707 |
|
|
0.4 |
||
|
j |
|
j |
||
|
50 50 |
|
50 50 |
||
|
C |
|
10 |
||
|
|
|
0.4 |
12
12
3.4ГГц
4
В MWO так же есть модель pin-диода, которая позволяет использовать его нелинейные характеристики. Она находится в категории Nonlinear – Diode, компонент называется PINDRC:
Рис.5. Установка pin-диода в схему.
Для работы с компонентом, после установки в рабочее поле, необходимо открыть его свойства и нажатием на кнопку Show secondary показать дополнительные параметры.
Рис.6. Показ дополнительных параметров.
5
Рис.7. Дополнительные параметры.
В свойствах необходимо установить параметры выделенные на Рис.7. Основными из них являются параметры RLIM – минимальное последовательное сопротивление и CJ – емкость перехода, их установка обязательна.
Так же диод требует смещения, которое регулирует состояние диода. Для смещения используется обычный источник постоянного напряжения:
Sources – DC – DC_V.
6
Рис. 8. Источник постоянного напряжения.
Как и в любой схеме, источники постоянного и переменного напряжения необходимо изолировать друг от друга, сделать это можно с помощью блокировочных емкостей и индуктивностей:
Рис.9. Схема моделирования pin-диода.
Моделирование этой схемы дает результат, близкий к предыдущему.
7
Рис.10. Результат моделирования при прямом смещении диода.
Рис.11. Результат моделирования при обратном смещении.
8
Требование к отчету
Отчет составляется в электронном виде в редакторе Microsoft Word и должен содержать:
1)название и цель лабораторной работы
2)все исследуемые схемы с указанием параметров линий.
3)все конечные и полученные в результате моделирования графики
4)выводы по результатам проделанной работы.
Задание для самостоятельной подготовки к лабораторной работе.
Для подготовки к лабораторной работе студентам необходимо досконально изучить теоретические сведения, ознакомиться с рекомендуемой литературой, подготовить ответы на контрольные вопросы. Также необходимо ознакомится с методикой выполнения лабораторной работы и лабораторным заданием. По возможности провести теоретические расчёты всех экспериментов изучаемых в работе, аналогичные тем которые рассматривались в семинарских занятиях и лабораторных работах по курсу «Антенно-фидерные устройства»
Контрольные вопросы
1.Условие согласования.
2.На каком эффекте основан принцип согласования сопротивлений на МПЛ?
3.Какими параметрами определяется полоса согласования?
4.Как рассчитывается двухступенчатый согласующий переход?
9
5.Как рассчитывается трехступенчатый согласующий переход? Какое условие налагается при его расчете?
Рекомендуемая литература
1.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец.
вузов. – М.:Высш. шк., 1988. – 432с.: ил.
2.Balanis, Constantine A., Advanced engineering electromagnetic.
3.www.radioforall.ru
10