Исследование динамического диапазона амплитудного манипулятора с оптоэлектронным управлением

А.И. Климов,

доктор технических наук, доцент

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА АМПЛИТУДНОГО МАНИПУЛЯТОРА С ОПТОЭЛЕКТРОННЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ

RESEARCH OF THE DYNAMIC RANGE OF AN OPTICALLY STEERABLE AMPLITUDE MANIPULATOR

Представлены результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования оптически управляемого амплитудного манипулятора СВЧ. Устройство состоит из отрезка прямоугольного металлического волновода и резонансной диафрагмы с полупроводниковым фотопроводящим элементом и излучающего диода инфракрасного диапазона.

Results of experimental research and computer simulation of an optically steerable SHF amplitude manipulator are presented. The device consists of a piece of a rectangular metal waveguide and a resonant diaphragm with a semiconductor photoconductiv e element and infrared diode.

В радиопередающих и радиоприемных устройствах СВЧ для управления амплитудой СВЧ колебаний в настоящее время широко применяются полупроводниковые р-i-n диоды, характеризующиеся низким сопротивлением (десятые доли — единицы Ом) в открытом состоянии, высокой кратностью сопротивлений в закрытом и открытом состоянии, возможностью работы при высоких уровнях мощности СВЧ колебаний, низкими затратами энергии на переключение и высоким быстродействием [1]. Использование p-i-n диодов обычно сопряжено с усложнением управляющих устройств из-за необходимости блокировочных элементов в цепи управления, а также необходимости сравнительно высоковольтных источников напряжения обратного смещения. В связи с этим вызывает интерес исследование возможности замены p-i-n диодов, например, резисторными оптронами в виде комбинации полупроводниковых фоточувствительных элементов и источников оптического излучения, а также их использования в оптически управляемых СВЧ выключателях и модуляторах [2—4]. Для построения эффективных оптронов необходимо обеспечить совпадение спектра оптического излучения источника и полосы наибольшего поглощения полупроводника, максимальную квантовую эффективность преобразования оптического излучения, использовать материалы с большим эффективным временем жизни и высокой подвижностью неравновесных носителей заряда и источники управляющего излучения с высоким коэффициентом полезного действия и быстродействием. Для обеспечения низких потерь пропускания в устройствах управления амплитудой СВЧ колебаний целесообразно выбирать полупроводниковый материал с высоким темновым удельным сопротивлением (более 102 Ом-см).

Среди различных источников оптического излучения наиболее перспективными представляются полупроводниковые излучающие диоды (ИД) или инжекци-онные лазеры, в частности GaAs диоды ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (0,9—0,96 мкм) и полупроводниковые лазеры (0,53—0,86 мкм); соответственно приведенным выше условиям, из полупроводниковых материалов в первом приближении подходят Si, Ge, InAs, InSb, InP. Кремний в указанном диапазоне имеет коэффициент поглощения около 250 см-1, что позволяет достичь практически равномерной генерации неравновесных носителей заряда в слое толщиной до десятков мкм; при этом и квантовая эффективность преобразования достаточно высока [5]. В фосфиде

индия в пределах спектра излучения ОяЛб ИД, как и в кремнии, можно получить высокую фотопроводимость. Для получения полупроводникового материала с высоким темновым удельным сопротивлением рт> 100 Ом-см и низким ро<1 Ом-см при оптическом облучении в качестве неравновесных носителей заряда желательно использовать электроны, обладающие большей подвижностью, чем дырки; необходимо уменьшать концентрацию центров рекомбинации для достижения достаточно большого релаксационного времени жизни носителей. Увеличение времени жизни обычно достигается очисткой материала от возможных примесей или специальным легированием материала электронного типа проводимости примесями, создающими глубокие акцепторные состояния в запрещенной зоне полупроводника.

В данной работе экспериментально исследован оптрон в виде полупроводникового фоточувствительного элемента из фосфида индия (1пР), легированного медью (1пР<Си>), с удельным темновым сопротивлением рт 70 кОм-см в сочетании с ИД ближнего ИК диапазона АЛ115 с номинальной мощностью излучения 10 мВт при управляющем постоянном токе 50 мА. На его основе был изготовлен волноводный амплитудный манипулятор с резонансной диафрагмой, аналогичный п-1-рч-п- диодному манипулятору, в котором вместо п-ьр-ьп-диода в центре диафрагмы установлен полупроводниковый образец 1пР<Си> с размерами 1х1 х1 мм3, облучаемый ИД через отверстия со стороны верхней или боковой грани (рисунок).

Волноводный амплитудный манипулятор с оптоэлектронным управлением На рисунке обозначено: 1 — отрезок прямоугольного металлического волновода со стандартным сечением 23х10 мм2 с волной Н10; 2 — металлическая диафрагма (с размерами 8х1х1 мм3) со щелью 3, между кромками которой установлен полупроводниковый элемент 4 (размеры 3х1х1 мм3, материал — 1пР<Си>); 5 и 6 — отверстия в стенках диафрагмы и волновода, через которые производилось облучение полупроводникового элемента. Измерения проведены в диапазоне частот 10—11 ГГц с использованием панорамного измерителя КСВ и ослаблений Р2-61. Установлено, что лучшими характеристиками обладает вариант с облучением образца, впаянного в щель по кромкам верхней и нижней граней, через верхнее отверстие 6. При отсутствии облучения коэффициент ослабления (потерь передачи) мощности Ьр составил 0,2 дБ на частоте 10,5 ГГц при КСВ=1,1; увеличение Ьр до 3 дБ имело место в полосе частот 10,2—10,7 ГГц, по уровню КСВ=2. При включении ИК диода на максимальную мощность в режиме непрерывного излучения в указанной полосе частот Ьр =10 дБ при КСВ=20 (модуль коэффициента отражения напряжения от диафрагмы б11=0,905, коэффициент отражения мощности бр=0,819). По полученным данным сделан вывод, что основное ослабление мощности (7,5 дБ) было обусловлено отражением от диафрагмы с облучаемым образцом, тогда как остальные потери можно отнести на счет поглощения СВЧ колебаний в полупроводниковом элементе с недостаточно высокой фотопроводимостью. Таким образом, при низ-

кой интенсивности оптического излучения кратность электрической проводимости элемента оказалась ниже характерной для рч-п-диодов. Расчеты показывают, что при использовании полупроводникового материала с меньшим темновым удельным сопротивлением (порядка единиц кОм-см) коэффициент качества [1] оптрона достигнет значений, характерных для р-ьп-диодов. Быстродействие переключения оптрона составило около 120 мс (порядка времени релаксации фотопроводимости). Известно, что существенное увеличение быстродействия (вплоть до наносекунд) может быть достигнуто при использовании ряда полупроводниковых материалов в сочетании с двухволновым оптическим облучением — для эффективной генерации неравновесных носителей заряда и последующего быстрого гашения фотопроводимости.

Для оценки возможного динамического диапазона устройства управления амплитудой СВЧ колебаний на основе резонансной диафрагмы с фотопроводящим элементом выполнено компьютерное моделирование с помощью программы ИРББ варианта амплитудного модулятора с фотопроводящим элементом из кремния для ряда значений его удельного электрического сопротивления. Элемент с размерами 2х1х1 мм3 был включен в центре диафрагмы с размерами 8,6 х1 х1 мм3, установленной в прямоугольном металлическом волноводе со стандартным сечением 23х10 мм ; центральная рабочая частота составляла 10,05 ГГц.

Результаты моделирования параметров оптически управляемого амплитудного ________________________________модулятора_______________________________

p, Омм 100 50 10 5 1 0,5 0,1

о, Ом-м 0,01 0,02 0.1 0,2 1 2 10

s11, дБ -28,0 -24,5 -14,5 -9,9 -3,1 -1,4 -0,4

s11 0,04 0,06 0,19 0,32 0,7 0,85 0,96

КСВ 1,08 1,13 1,47 1,94 5,7 12,3 49

s21, дБ -0,2 -0,41 -1,8 -3,3 -10,5 -15,8 -27,4

s21 0,98 0,95 0,81 0,68 0,30 0,16 0,04

X 0,04 0,09 0,31 0,44 0,42 0,25 0,08

Lp 1,04 1,11 1,5 2,2 11,1 39,1 168,7

L д СП 0,2 0,5 1,8 3,3 10,5 15,9 22,3

В таблице приведены значения удельных сопротивления р и проводимости о материала элемента (соответствующих различным уровням интенсивности оптического облучения), значения модулей коэффициента отражения напряжения sn от диафрагмы и коэффициента передачи по напряжению s21, коэффициента стоячей волны напряжения (КСВ), коэффициента поглощения мощности в элементе х?=1- (s11)2 - (s21)2, а также коэффициента потерь передачи мощности Lp=(s21)-2 . Анализ приведенных данных показывает, что устройство может быть использовано в качестве эффективного амплитудного манипулятора — динамический диапазон регулирования мощности СВЧ колебаний может достигать 22 дБ при потерях пропускания не более десятых долей дБ (при кратности проводимости необлучаемого и облучаемого элемента порядка 103), что характерно для лучших образцов p-i-n-диодных аналогов [1].

ЛИТЕРАТУРА

1. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. — М.: Радио и связь, 1987. — 120 с.

2. A new silicon-based photoconductive microwave switch / Joseph R. Flemish [et al.] // Microwave and Optical Technology Letters. — 2009. — V. 51. — I1. — P. 248—252.

3. Canseliet C. Optoelectronic modelling of high speed modulated optically-controlled gallium arsenide microwave switches [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http:// rp.iszfirk.ru/hawk/URSI2002/URSI-GA/papers/p1886.pdf (дата обращения: 01.11.2010).

4. Merrar A. Direct digital modulation introduced via optically-controlled gaps in active mmic on GaAs [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://amsacta.cib.unibo.it/ 225/1/GAAS11_3.pdf (дата обращения: 01.11.2010).

5. Справочник по электротехническим материалам: в 3 т. / под ред. Ю. В. Кориц-кого и др. — 3-е изд., перераб. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. — Т. 3. — 728 с.