ОПТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ВОЛНОВОДА СО ШТЫРЬЕВЫМИ СТЕНКАМИ НА БАЗЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
OPTICALLY CONTROLLED MILLIMETER RANGE SWITCH FOR STRUCTURES BASED ON WAVEGUIDE WITH PIN WALLS ON BASIS OF PRINTED BOARD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к оптически управляемому переключателю миллиметрового диапазона для волноводов со штырьевыми стенками, реализованных в печатных платах.
Уровень техники
Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка сетей миллиметрового диапазона 5G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, основанными на опыте использования, включая такие факторы, как высокая скорость передачи и энергоэффективность.
Сети стандарта 5G и сенсоры для автомобильной навигации могут изменить сценарий беспроводных систем. Новые приложения в миллиметровом диапазоне требуют внедрения нового класса схем, способных интегрировать передачу данных и имеющих возможности обнаружения, в одном беспроводном устройстве. Среди доступных технологий SIW-структуры (волноводы со штырьевыми стенками, реализованные в печатных платах) играют важную роль, так как им присущи простая конструкция и изготовление; низкие потери и полное экранирование в мм-диапазоне; экономичный способ встраивания в одной диэлектрической подложке; отсутствие сложных переходов и нежелательных паразитных эффектов; идеальная база для реализации широкой полосы частот; удобство интегрирования с классическими технологиями печатных плат (PCB).
Тем не менее, на практике, существующие технологии коммутации для встраивания в SIW структуры имеют некоторые технические проблемы:
- очень высокая сложность и, следовательно, стоимость существующих изделий мм-диапазона (>10 ГГц) - в частности, переключателей (микроэлектромеханические системы (МЭМС), PIN-диоды, устройства на полевых МОП транзисторах (MOSFET));
- пересечение радиочастотного (РЧ) канала со схемами управления и питания в структуре SIW приводит к увеличению РЧ потерь;
- высокая сложность схем управления и питания, а также слишком большая занимаемая площадь печатной платы с громоздкими компонентами приводят к тому, что интеграция SIW становится сложной.
Например, в известной из уровня техники гибридной реконфигурируемой антенной решетке МЭМС со встроенной SIW (WO 2009023551 A1, 2007-08-10) для простого и эффективного подхода для реконфигурируемых антенн требуется чрезвычайно сложная инфраструктура с системой управления и питания переключателя, отчего внедрение является нецелесообразным ввиду сложного и дорогостоящего производства.
Среди аналогов настоящего изобретения в уровне техники известен также Международный Стандарт по Электрике (ISEC), описанный также в US 3979703 A, 1974-02-07.
В этом документе раскрывается волноводный переключатель на основе PIN-диодов, реализующих результирующее препятствие в широкополосный последовательный резонансный контур, который может быть переключен на два состояния. Когда диод находится в непроводящем состоянии, препятствие проявляется как разомкнутая цепь вдоль волновода.
Недостатками этого решения является то, что внутреннее размещение PIN-диодов в волноводе не удобно для SIW, РЧ-часть волновода связана со схемами питания и управления PIN-диодов, а также конструкция является громоздкой.
Другим известным техническим решением в данной области является US 2005/0201672 A1, 2005-09-15.
В этом документе раскрываются микроволновые РЧ-компоненты на базе МЭМС и способ их конструирования, а также интеграция структур МЭМС с сигнальными поддерживающими формами для разработки РЧ-компонентов на базе МЭМС, таких как волноводный переключатель МЭМС.
Недостатками этого решения является то, что внутреннее размещение МЭМС в волноводе не удобно для SIW, организация схем питания и управления является сложной, и производство таких компонентов для очень высоких частот также является дорогостоящим и сложным.
Таким образом, в целях эффективного использования технологий SIW для приложений в мм-диапазоне в уровне техники сформировалась потребность в создании соответствующей компонентной базы (переключателей), удовлетворяющей следующим условиям:
- отсутствие дополнительных переходов на обычные полосковые линии на PCB (печатных платах) для интеграции классических переключающих компонентов во избежание потерь (простота интеграции с SIW);
- низкая сложность и стоимость компонентов для очень высоких частот (до 100 ГГц);
- простая схема питания и управления во избежание паразитных эффектов и сложности PCB в мм-диапазоне.
Как показано выше, известные технологии не подходят для разработки устройств, которые одновременно соответствовали бы всем этим требованиям.
Сущность изобретения
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание оптически управляемого переключателя для волновода со штырьевыми стенками на базе печатной платы (SIW).
Согласно настоящему изобретению предложен оптически управляемый переключатель, содержащий: печатную плату, содержащую верхний и нижний проводящие слои и слой диэлектрика между ними, стенки волновода, образованные двумя рядами переходных металлизированных отверстий, электрически соединенных с верхним и нижним проводящими слоями печатной платы, причем соседние отверстия в ряду расположены друг от друга на расстоянии менее одной десятой доли длины волны для электромагнитной волны, подаваемой в переключатель, причем расстояние между рядами составляет более половины рабочей длины волны, распространяющейся в волноводе с учетом диэлектрического заполнения, первый и второй порты волновода для ввода и вывода электромагнитной энергии, расположенные на концах волновода между его стенками, шунтирующее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижним слоем печатной платы и отделенное от верхнего слоя печатной платы диэлектрическим зазором, фотопроводящий полупроводниковый элемент, расположенный на верхнем слое печатной платы и электрически соединенный с шунтирующим отверстием и с верхним слоем печатной платы, причем фотопроводящий элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.
В одном из вариантов осуществления оптически управляемый переключатель дополнительно содержит источник света, соединенный с фотопроводящим элементом и выполненный с возможностью подачи света на фотопроводящий элемент.
В одном из вариантов осуществления источником света является микросветодиод.
В одном из вариантов осуществления оптически управляемый переключатель дополнительно содержит управляющую схему, соединенную с источником света и выполненную с возможностью управления состоянием источника света.
В одном из вариантов осуществления оптически управляемый переключатель дополнительно содержит диэлектрический светопрозрачный разделитель, расположенный между фотопроводящим элементом и источником света и соединенный с ними, питающий проводник, расположенный в толще диэлектрического светопрозрачного разделителя, одним концом соединенный со вторым контактным выводом источника света, а другим концом соединенный со вторым питающим выводом управляющей схемы, причем первый контактный вывод источника света соединен с первым питающим выводом управляющей схемы.
В одном из вариантов осуществления оптически управляемый переключатель дополнительно содержит резонансные металлизированные переходные отверстия, расположенные между шунтирующим отверстием и стенками волновода и электрически соединенные с верхним и нижним проводящими слоями печатной платы, причем резонансные отверстия не контактируют с фотопроводящим полупроводниковым элементом.
В одном из вариантов осуществления размер светового пятна источника света в 3-6 раз меньше диаметра фотопроводящего элемента.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий полупроводниковый элемент является пассивированным.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий полупроводниковый элемент выполнен прямоугольным и расположен по существу перпендикулярно оси волновода, причем ширина фотопроводящего полупроводникового элемента примерно равна диаметру шунтирующего отверстия.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий полупроводниковый элемент выполнен прямоугольным и расположен по существу параллельно оси волновода, причем ширина фотопроводящего полупроводникового элемента примерно равна диаметру шунтирующего отверстия.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий полупроводниковый элемент выполнен прямоугольным и расположен под углом к оси волновода, причем ширина фотопроводящего полупроводникового элемента примерно равна диаметру шунтирующего отверстия.
В одном из вариантов осуществления переключатель содержит фотопроводящий полупроводниковый элемент сложной формы, например, крестообразной, причем ширина плеч фотопроводящего полупроводникового элемента примерно равна диаметру шунтирующего отверстия.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий полупроводниковый элемент выполнен круглым, причем диаметр фотопроводящего полупроводникового элемента больше диаметра шунтирующего отверстия и диэлектрического зазора, так что фотопроводящий полупроводниковый элемент полностью перекрывает шунтирующее отверстие и диэлектрический зазор.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий полупроводниковый элемент выполнен квадратным, причем длина стороны фотопроводящего полупроводникового элемента больше диаметра шунтирующего отверстия и диэлектрического зазора, так что фотопроводящий полупроводниковый элемент полностью перекрывает шунтирующее отверстие и диэлектрический зазор.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий полупроводниковый элемент выполнен круглым, причем диаметр фотопроводящего полупроводникового элемента больше диаметра шунтирующего отверстия и приблизительно равен диаметру диэлектрического зазора, при этом фотопроводящий полупроводниковый элемент полностью перекрывает шунтирующее отверстие и частично перекрывает диэлектрический зазор.
В одном из вариантов осуществления на фотопроводящий элемент нанесена металлизированная площадка для соединения с источником света; источник света первым своим контактным выводом соединен с упомянутой металлизированной площадкой фотопроводящего элемента; причем оптически управляемый переключатель дополнительно содержит: защитное диэлектрическое покрытие, полностью покрывающее источник света и фотопроводящий полупроводниковый элемент; первый и второй питающие выводы управляющей схемы, выполненные с возможностью соединения с управляющей схемой для управления состоянием источника света; первый питающий проводник, расположенный в толще защитного диэлектрического покрытия, одним концом соединенный с упомянутой металлизированной площадкой фотопроводящего элемента, а другим концом соединенный с первым питающим выводом управляющей схемы; и второй питающий проводник, расположенный в толще защитного диэлектрического покрытия, одним концом соединенный со вторым контактным выводом источника света, а другим концом соединенный со вторым питающим выводом управляющей схемы; причем первый и второй питающие проводники изолированы друг от друга.
Настоящее изобретение обеспечивает простой и недорогой оптически управляемый переключатель, который способен работать в мм-диапазоне, демонстрируя при этом улучшенные характеристики по сравнению с решениями, известными из уровня техники.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1A-1B показан оптически управляемый переключатель (также далее в настоящем документе может называться ключом) согласно первому аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 2A-2B показаны виды сверху и сбоку оптически управляемого переключателя согласно первому аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 3A-3B показана схема протекания тока через переходные отверстия оптически управляемого переключателя согласно первому аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 4 показан оптически управляемый переключатель согласно второму аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 5 показан вид сверху оптически управляемого переключателя согласно второму аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 6A-6B показано влияние резонансной схемы размещения элементов в оптически управляемом переключателе на требуемую интенсивность освещения.
На Фиг. 7 показана зависимость коэффициента передачи от частоты оптически управляемого переключателя согласно второму аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 8 показан пример традиционного оптически управляемого переключателя.
На Фиг. 9A-9C показана схема подачи света на фотопроводящий элемент согласно третьему аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 10 показано распределение токов в оптически управляемом переключателе согласно третьему аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 11-12 показана зависимость требуемой оптической энергии от размеров элементов оптически управляемого переключателя согласно четвертому аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 13A-13B показано пространственное распределение токов в PSE при размерах >λ/4.
На Фиг. 14 показана зависимость изоляции ключа от проводимости PSE при разных размерах ключа.
На Фиг. 15A-15B показан вариант осуществления оптически управляемого переключателя согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 16A-16G показаны варианты форм, размеров и расположения элементов в оптически управляемом переключателе согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 17 показан пример влияния пассивации на время включения/выключения.
Подробное описание
На Фиг. 1A-1B показан оптически управляемый переключатель (также далее в настоящем документе может называться ключом) согласно первому аспекту настоящего изобретения. В частности, на Фиг. 1A-1B изображен фотопроводящий полупроводниковый элемент (PSE) 1, монтированный на печатной плате (PCB) 2. PCB 2 состоит из верхнего металлизированного слоя 3, слоя 4 диэлектрика и нижнего металлизированного слоя 5. Вдоль изображенного отрезка PCB 2 на некотором расстоянии от PSE 1 расположено два параллельных ряда металлизированных переходных отверстий 7, которые формируют собой границы (стенки) волновода со штырьевыми стенками на базе печатной платы (SIW). Расстояние между рядами отверстий выбирается исходя из традиционных ограничений по ширине волновода и должно быть более половины рабочей длины волны с учетом диэлектрического заполнения волновода. В показанной на Фиг. 1A-1B структуре также имеется первый РЧ порт 8 и второй РЧ порт 9. Чтобы не пропускать через себя электромагнитную (ЭМ) волну 11, расстояние между переходными отверстиями 7 должно быть <λ/10 (меньше одной десятой длины волны) этой ЭМ-волны. Примерно посередине между стенками волновода в PCB 2 расположено сквозное шунтирующее металлизированное отверстие (шунтирующее VIA) 6. Шунтирующее VIA 6 имеет непосредственный контакт с нижним слоем 5, но не контактирует напрямую с верхним металлизированным слоем 3 печатной платы PCB 2 и отделено от него диэлектрическим зазором 12 (на Фиг. 1A-1B не показан). PSE 1 соединяет между собой шунтирующее VIA 6 и верхний слой 3.
Когда на PSE 1 не падает свет, PSE 1 находится в диэлектрическом состоянии, шунтирующее VIA 6 неактивно, и ЭМ-волна 11, поступающая в SIW через первый порт 8, практически без потерь поступает на второй порт 9, не испытывая преломления или отражения в точке расположения PSE 1 и шунтирующего отверстия 6 (см. Фиг. 1A).
Когда на PSE 1 падает свет 10, PSE 1 находится в проводящем состоянии, и тем самым шунтирующее отверстие 6 становится активным, замыкая верхний слой 3 с нижним слоем 5. Токи, протекающие по стенкам волновода через шунтирующее VIA 6, замыкают металлизированные слои 3 и 5, образуя замкнутый контур. В результате ЭМ-волна 11, поступающая в SIW через первый порт 8, отражается в точке расположения PSE 1 и шунтирующего VIA 6 и не доходит до второго порта 9 (см. Фиг. 1B).
Таким образом, PSE 1 и шунтирующее VIA 6 вместе с отрезком SIW играют роль оптически управляемого переключателя, работающего на основе эффекта фотопроводимости. Схемы питания/управления такого переключателя изолированы от РЧ тракта. Характеристиками полученной волноводной системы мм-диапазона можно управлять с помощью изменения мощности подаваемого света. Даже на высоких частотах такой переключатель обладает малыми потерями и не подвержен интерференционному влиянию внешних компонентов, поэтому может проводить больше мощности. Кроме того, такой переключатель можно без труда интегрировать в любом требуемом месте SIW-волновода. Также оптически управляемый переключатель согласно первому аспекту имеет относительную широкую рабочую полосу частот, в частности, в некоторых вариантах осуществления 10-20%.
На Фиг. 2A-2B показаны виды сверху и сбоку оптически управляемого переключателя согласно первому аспекту настоящего изобретения. В частности, на Фиг. 2A показано, что шунтирующее отверстие 6 отделено от верхнего слоя 3 печатной платы диэлектрическим зазором 12, тогда как PSE 1 соединяет между собой шунтирующее отверстие 6 и верхний слой 3.
На Фиг. 2B, помимо ранее упоминавшихся компонентов, показаны также управляющая схема 13 (которая может быть печатной платой) и микросветодиод (uLED) 14. Свет на PSE 1 поступает от uLED 14, включение и выключение которого осуществляет управляющая схема 13 с помощью управления питанием.
На Фиг. 3A-3B показана схема протекания тока через переходные отверстия оптически управляемого переключателя согласно первому аспекту настоящего изобретения. В частности, как показано на Фиг. 3A, когда PSE 1 находится в диэлектрическом состоянии (без света, состояние ВЫКЛ), электрические токи протекают через переходные отверстия 7, нижний металлизированный слой 5 и верхний металлизированный слой 3 (изображено стрелками). Шунтирующее VIA 6 не задействовано. Электромагнитные волны свободно проходят через шунтирующее отверстие 6.
Далее, как показано на Фиг. 3B, когда PSE 1 находится в проводящем состоянии (свет подается, состояние ВКЛ), электрические токи протекают через переходные отверстия 7, нижний слой 5, верхний слой 3, а также через шунтирующее отверстие 6, которое становится электрически связано с верхним слоем 3 через проводящий PSE 1 (изображено стрелками). В таком состоянии шунтирующее отверстие 6 становится отражающим элементом и блокирует прохождение электромагнитных волн.
На Фиг. 4 показан оптически управляемый переключатель согласно второму аспекту настоящего изобретения. В целом, он соответствует тому переключателю, который был выше раскрыт в первом аспекте. Отличием второго аспекта является то, что оптически управляемый переключатель дополнительно содержит резонансные металлизированные переходные отверстия 15, расположенные между шунтирующим отверстием 6 и стенками SIW-волновода.
На Фиг. 5 показан вид сверху оптически управляемого переключателя согласно второму аспекту настоящего изобретения. Как и на Фиг. 4, здесь можно увидеть расположение резонансных металлизированных переходных отверстий 15 относительно шунтирующего отверстия 6, PSE 1 и стенок SIW-волновода.
Наличие резонансных переходных металлизированных отверстий 15 в оптически управляемом переключателе согласно второму аспекту обеспечивает такую резонансную структуру, в которой при одних и тех же характеристиках переключения и изоляционных свойствах требуется меньшая интенсивность подаваемого света.
Резонансные переходные металлизированные отверстия 15 в волноводе вместе с PSE 1 образуют в некоторой полосе частот резонансный контур вследствие того, что полупроводниковый PSE 1 имеет собственную емкость, а резонансные переходные отверстия 15 и шунтирующее отверстие 6 имеют индуктивные свойства.
На Фиг. 6A-6B показано, как использование резонансной схемы размещения элементов в оптически управляемом переключателе влияет на требуемую интенсивность освещения.
В состоянии ВЫКЛ (Фиг. 6A), когда свет не падает на PSE 1, резонансные переходные отверстия 15 и шунтирующее отверстие 6 эквивалентны индуктивному элементу L, а полупроводниковый PSE 1, диэлектрический зазор 12 и контактная площадка шунтирующего VIA эквивалентны емкостному элементу C. Возникает колебательный контур с высокой добротностью. Поскольку данные реактивные сопротивления эффективно компенсируют друг друга, то электромагнитные волны проходят через структуру лишь с небольшими потерями.
В состоянии ВКЛ (Фиг. 6B), когда свет падает на PSE 1, резонансные метализированные переходные отверстия 15 и шунтирующее отверстие 6 эквивалентны индуктивному элементу L, а полупроводниковый PSE 1 становится эквивалентным резистивному элементу. Индуктивность в таком случае не компенсируется и становится рассогласующим элементом в волноводе, в результате чего электромагнитные волны отражаются. При этом для обеспечения состояния полного отражения ЭМ-волн требуется значительно меньшая проводимость PSE и соответствующая линейно связанная с ней интенсивность подаваемого света по сравнению с первым аспектом. Например, как видно на графике из Фиг. 6B, в резонансном варианте осуществления уже при проводимости PSE 100 См/м в некотором диапазоне частот обеспечивается такой же коэффициент передачи S12, как и в нерезонансном варианте осуществления при проводимости PSE 1000 См/м (примерно -15 дБ), тогда как коэффициент передачи S12 в нерезонансном варианте осуществления при проводимости PSE 100 См/м был бы гораздо хуже (примерно -5 дБ).
Таким образом, интенсивность подаваемого света уменьшается примерно в 10 раз благодаря 10-кратному снижению требований к необходимой проводимости PSE для реализации заданного уровня запирания SIW. Второй аспект изобретения обеспечивает тем самым высокую чувствительность в условиях слабого освещения и низкое энергопотребление.
На Фиг. 7 показана зависимость коэффициента передачи от частоты оптически управляемого переключателя согласно второму аспекту настоящего изобретения. Как видно из Фиг. 7, второй аспект изобретения проявляет положительные свойства в более узкой полосе частот, чем первый аспект, то есть его целесообразно применять для более специализированных задач. При этом следует отметить, что полоса частот оптически управляемого переключателя в некоторых вариантах осуществления второго аспекта может достигать 7-15%, что является достаточным для множества применений.
На Фиг. 8 показан пример традиционного оптически управляемого переключателя. Так, в известных вариантах осуществления оптически управляемого переключателя свет на PSE подается по оптоволоконным кабелям или с помощью лазеров, так как требуется большая интенсивность света, при этом для всей структуры вместе с мощными источниками света требуется громоздкая система поддержки.
В отличие от традиционного подхода, в настоящем изобретении могут использоваться микросветодиоды (uLED), поскольку, в соответствии с первым и вторым аспектами настоящего изобретения, их интенсивности света вполне достаточно для обеспечения необходимых режимов работы оптически управляемого переключателя. Между тем, доступный на рынке uLED может иметь два контакта, расположенные на его противоположных сторонах, поэтому для его питания с одной стороны достаточно прямого контакта с первым питающим выводом управляющей схемы 13, а с другой стороны для соединения со вторым питающим выводом управляющей схемы необходим дополнительный питающий проводник 18. Чтобы этот питающий проводник 18 не имел электрического соединения с PSE 1 (чтобы обеспечить развязку по питанию), в третьем аспекте настоящего изобретения, который показан на Фиг. 9, предлагается применять диэлектрический светопрозрачный разделитель 16, расположенный между uLED 14 и PSE 1. Питающий проводник 18 может быть проведен внутри светопрозрачного разделителя 16, не контактируя с PSE 1. Материалом, из которого изготовлен диэлектрический светопрозрачный разделитель 16, может быть силикон. Светопрозрачный разделитель 16 может использоваться как световод, чтобы обеспечить требуемую удаленность источника света от PSE 1. В примерном варианте осуществления толщина светопрозрачного разделителя 16 между uLED 14 и PSE 1 может составлять единицы мкм. Изображенные на Фиг. 9 металлические (например, выполненные из меди) площадки 17 представляют собой контакты PSE 1, предназначенные для соединения с шунтирующим отверстием 6 и верхним слоем 3 печатной платы.
Данная конструкция также может быть усовершенствована. Фиг. 9B-9C показывает более компактную реализацию ключа, в котором в качестве источника света используется только чип светодиода (uLED-чип). В таких uLED-чипах анод и катод изолированы друг от друга полупроводником (областью p-n перехода) и обычно находятся по его разные стороны. Данный чип с помощью тонкого слоя (нм-мкм) прозрачного проводящего клея приклеивается к PSE анодом (или катодом) вниз. На PSE-элементе с верхней стороны наносится металлизация для обеспечения гальванической, с учетом проводимости клея, связи с анодом (или катодом) uLED-чипа. Далее с помощью стандартных технологий анод и катод uLED-чипа развариваются на подготовленные площадки SIW платы, связанные с системой управления питанием uLED-чипа. Вся конструкция покрывается защитным диэлектрическим покрытием, например силиконом.
На Фиг. 10 показано распределение токов в оптически управляемом переключателе согласно третьему аспекту настоящего изобретения. Данное распределение показывает зону, где засветка PSE элемента, т.е. перевод его в проводящее состояние и обеспечение нужного уровня проводимости, будет наиболее целесообразной и эффективной. Глубина проникновения токов (и, соответственно, оптимальная толщина PSE элемента) определяются толщиной скин-слоя на заданной частоте распространяющихся в SIW электромагнитных волн, и обеспечиваемой проводимостью PSE.
Таким образом, полученная в третьем аспекте конструкция оптически управляемого переключателя с учетом распределения объемных токов в PSE в целевом размещении является сверхкомпактной по сравнению с известными решениями уровня техники. Это обеспечивает возможность простой интеграции в компактные устройства, снижение сложности, а также оптимизацию потребления электроэнергии.
На Фиг. 11-12 показана зависимость требуемой оптической энергии от размеров элементов оптически управляемого переключателя согласно четвертому аспекту настоящего изобретения.
Как удалось выявить авторам изобретения, соотношение размеров источника 14 света и PSE 1 также влияет на требуемую величину оптической энергии. В результате моделирования в рассматриваемом примере оптически управляемого переключателя оптимальным радиусом PSE оказалось значение примерно 1,4 мм (то есть диаметр 2,8 мм), при котором для освещения все еще требуется небольшая оптическая энергия (примерно 3,8 мВт). С уменьшением размера PSE требуемая величина оптической энергии начинает кратно расти, тогда как с увеличением размера PSE требуемая величина оптической энергии почти не уменьшается. Аналогичный эффект распространяется не только на рассмотренный при моделировании пример, но и на другие варианты осуществления.
Как показано на Фиг. 12, при одном и том же размере uLED 14 и при различных размерах PSE для обеспечения проводящего состояния PSE необходима различная оптическая энергия. Размер светового пятна и зона, в которой обеспечивается заданный уровень проводимости (заштрихованная область) с учетом пространственного распределения токов в PSE (Фиг.10), при этом не меняются. В результате можно добиться уменьшения оптической энергии более чем в 2 раза за счет оптимизации отношения продольных размеров uLED и PSE.
Данный эффект достигается за счет диффузии электронов, перешедших под действием света в зону проводимости и дифундирующих в PSE, а также за счет уменьшения влияния краевых эффектов, связанных c повреждением молекулярной структуры полупроводника при его механической резке во время изготовления. В результате в данной области электроны имеют меньший ресурс (меньшее время жизни), что требует более высокой оптической энергии, чтобы привести весь полупроводниковый материал в проводящее состояние. Таким образом, если размер элемента сопоставим с размером источника света, то приходится подавать больше оптической мощности, чтобы скомпенсировать влияние краев и обеспечить заданный уровень проводимости в нужной зоне. Однако, при увеличении размера элемента влияние краев ослабевает, что, благодаря диффузии электронов проводимости, позволяет получить необходимую проводимость в более широкой области, используя тот же источник света.
С другой стороны, этот же эффект можно использовать, чтобы за счет использования увеличенного размера полупроводникового элемента получить ту же зону заданной проводимости, но снизить потребляемую оптическую энергию источника света при его фиксированном размере.
Расчет концентрации фотопроводящих электронов n в полупроводниковом элементе с учетом диффузии электронов и краевых эффектов представлен далее:
- Уравнение Гельмгольца
- Азимутальная симметрия
s - Диффузионная длина,
D - Постоянная диффузии,
τ - Время жизни электронов в полупроводнике,
Φ - Функция освещения
Решение проблемы 3-го рода исходя из предположения однородности распределения плотности носителей по толщине (направление z)
- граничное условие.
Однако, при увеличении размера PSE до значений приблизительно больших λ/4, он перестает вести себя как сосредоточенный элемент и становится распределенной резистивной средой, что обнаруживается в пространственном распределении токов в PSE, которое меняется в зависимости от сопротивления PSE, а значит от его проводимости (Фиг. 13A-13B). В результате этого эффекта наилучшая изоляция ключа обеспечивается при наибольшем проникновении токов в PSE, что обеспечивается при меньших значениях сопротивления PSE, т.е. при меньших значениях проводимости PSE (Фиг. 13A), тогда как при больших значениях проводимости (Фиг. 13B) токи проникают на меньшую глубину PSE, что обеспечивает меньший уровень запирания ключа.
График на Фиг. 14 иллюстрирует разницу в уровне запирания ключа для разных размеров ключа и его поведения в качестве сосредоточенного и распределенного элемента. При этом видно, что для распределенного элемента существует оптимальное значение проводимости PSE, при котором обеспечивается наилучшая изоляция ключа. Таким образом, можно дополнительно оптимизировать уровень оптической мощности, затрачиваемой на перевод PSE в проводящее состояние.
Управляя размером PSE и, соответственно, временем жизни носителей в зоне заданной проводимости, можно также контролировать время включения/выключения ключа. Большее время жизни носителей в объеме PSE означает дольший переход носителей на уровни проводимости (или рекомбинации) по всей толщине PSE, т.е. дольшее итоговое включение (выключение) элемента. И наоборот: при достаточной оптической мощности, PSE с меньшим объемным временем жизни носителей будет быстрее переходить во включенное и выключенное состояние. Таким образом, отодвигая/придвигая края элемента от зоны, в которой необходимо обеспечивать заданный уровень проводимости, с помощью рекомбинационных краевых эффектов можно увеличивать/уменьшать объемное время жизни носителей и увеличивать/уменьшать итоговое время включения/выключения ключа. Поэтому, в зависимости от целей устройства назначения, подбором геометрических параметров PSE и источника освещения, можно оптимизировать потребляемую оптическую мощность ключа и его время включения/выключения.
На Фиг. 15A-15B показан вариант осуществления оптически управляемого переключателя согласно настоящему изобретению. В некоторых вариантах осуществления оптически управляемый переключатель может использоваться для пространственного управления ЭМ-волнами для формирования необходимых зон распространения волн в плоскопараллельном SIW. Набор PSE 1 с шунтирующими отверстиями размещен в плоском SIW на расстоянии <λ/2 друг от друга. Это образует отражающие области, если оптически управляемый переключатели включены (Фиг. 15A), и обеспечивает свободное распространение ЭМ-волн, если оптически управляемые переключатели выключены (Фиг. 15B).
Размер, форма и положение полупроводниковых элементов в оптически управляемом переключателе и SIW могут быть разными. Они определяются структурой SIW и зонами протекания токов для эффективного переключения, удобства расположения элементов для монтажа и требований к изоляции. Источник света может располагаться над центром полупроводникового элемента или смещаться к его краю. В любом случае PSE полностью или частично перекрывает шунтирующее VIA, имеет контакт с верхним металлизированным слоем печатной платы и не перекрывает резонансные отверстия.
Например, как показано на Фиг. 16A, PSE выполнен прямоугольным и расположен по существу перпендикулярно оси волновода. Ширина PSE примерно равна диаметру шунтирующего VIA.
В примере на Фиг. 16B PSE выполнен прямоугольным и расположен по существу параллельно оси волновода. Ширина PSE примерно равна диаметру шунтирующего VIA.
В примере на Фиг. 16C PSE выполнен прямоугольным и расположен под углом к оси волновода. Ширина PSE примерно равна диаметру шунтирующего VIA.
В примере на Фиг. 16D переключатель содержит PSE сложной, например крестообразной формы. При этом ширина плеч PSE примерно равна диаметру шунтирующего VIA.
В примере на Фиг. 16E PSE выполнен круглым. Диаметр PSE больше диаметра шунтирующего VIA и диэлектрического зазора, так что PSE полностью перекрывает шунтирующее VIA и диэлектрический зазор.
В примере на Фиг. 16F PSE выполнен квадратным. Длина стороны PSE больше диаметра шунтирующего VIA и диэлектрического зазора, так что PSE полностью перекрывает шунтирующее VIA и диэлектрический зазор.
В примере на Фиг. 16G PSE выполнен круглым. Диаметр PSE больше диаметра шунтирующего VIA и приблизительно равен диаметру диэлектрического зазора, при этом PSE полностью перекрывает шунтирующее VIA и частично перекрывает диэлектрический зазор.
В качестве материала для PSE могут быть выбраны различные типы полупроводников, например, кремний, арсенид галлия-индия и другие. Время жизни τ электрона в материале определяет время переключения оптически управляемого переключателя (tвкл и tвыкл ~ τ). Оно может быть уменьшено путем пассивации материала (обработка поверхности). Однако время жизни носителя обратно пропорционально оптической энергии Pопт ~ 1/τ. В результате уменьшение времени переключения требует большей оптической энергии и увеличения потребления энергии.
Пример влияния пассивации на время включения/выключения отражен на Фиг.17 и в Таблице 1. Время включения и выключения определяются по уровню 10%-90% от подаваемой мощности.
Таблица 1
<b>Материал оптически управляемого переключателя</b>
<b>t</b><sub><b>вкл</b></sub><b>, мкс</b>
<b>t</b><sub><b>выкл</b></sub><b>, мкс</b>
Пассивированный кремний
9.6
20.1
Не пассивированный кремний
3.1
10.6
вкл
выкл
t и t можно сократить при помощи:
- оптимизации фотопроводящего материала (зависит от времени жизни носителя)
- модификации кремния (оптимизация чистоты, легирование)
- использования другого материала (например, арсенид галлия-индия)
- оптимизации конструкции переключателя
- контроля зазора 12
- учета распределения объемного тока в фотопроводящем материале и электромагнитных краевых эффектов.
Следует понимать, что в настоящем документе показаны принцип построения и базовые примеры оптически управляемого переключателя мм-диапазона для SIW. Специалист в данной области техники, используя данные принципы, сможет получить и другие варианты осуществления изобретения, не прикладывая творческих усилий.
Применение
Оптически управляемые переключатели на основе фотопроводящих элементов и созданные с их использованием полосковые линии, циркуляторы, фазовращатели, переключатели и антенны с адаптивным формированием диаграммы направленности согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление ВЧ-сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективного стандарта 5G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi-Fi, для беспроводной передачи энергии, в том числе на большие расстояния, для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного оптически управляемого переключателя находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.