СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА СВЧ
METHOD FOR DETERMINING PARAMETERS OF SHF DEVICE

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при проектировании устройств СВЧ широкого применения.
В основе проектирования устройств управления амплитудой сигнала СВЧ (ограничителей, переключателей и т.д.) лежит нелинейная модель диода, которая в простейшем случае описывается эквивалентной схемой с элементами (емкостью, проводимостью, источником тока и т.п.), величины которых являются нелинейными функциями приложенных к этим элементам напряжений. Так зависимость тока от напряжения прибора СВЧ, как правило, представляет собой резко возрастающую функцию.
j
j
Известен способ определения параметров прибора СВЧ, включающий измерение Μ значений тока I, протекающего через прибор, и Μ значений напряжения U на электрических контактах прибора при значениях j, равных 1, 2, … М,
моделирование работы прибора в виде нелинейной функции этого напряжения на электрических контактах прибора от этого тока и определяемых параметров,
собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами [1] - прототип.
Недостатком этого способа является то, что измерение вольтамперной характеристики прибора осуществляют при сравнительно малых значениях тока, протекающего через прибор.
Между тем при работе в устройствах управления амплитудой, особенно в защитных устройствах, ток через прибор СВЧ может достигать большой величины и поэтому точность определения параметров приборов СВЧ данным способом приводит к снижению точности, так что при больших токах способ определения параметров прибора СВЧ приводит к большой погрешности при проектировании устройств СВЧ.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей способа определения параметров прибора СВЧ.
j
j
Технический результат достигается заявленным способом определения параметров прибора СВЧ включающим измерение Μ значений тока I, протекающего через прибор, и Μ значений напряжения U на электрических контактах прибора при значениях j равных 1, 2, … М,
моделирование работы прибора в виде нелинейной функции этого напряжения на электрических контактах прибора от этого тока и определяемых параметров,
i
i
собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами, в котором дополнительно измеряют N значений тока I и N значений дифференциального сопротивления R при значениях i, равных 1, 2, … N,
дополнительно осуществляют моделирование работы прибора нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров,
а собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами осуществляют при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.
Раскрытие сущности заявленного изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного способа определения параметров прибора СВЧ, а именно когда:
i
i
дополнительно измеряют N значений тока I и N значений дифференциального сопротивления R при значениях i, равных 1, 2,…N,
дополнительно осуществляют моделирование работы прибора нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров,
а собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами осуществляют при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.
Это обеспечит возможность:
во-первых, использования помимо измерения напряжения результатов измерения второй, отличной от напряжения, характеристики прибора СВЧ - дифференциального сопротивления, что приводит к увеличению, по меньшей мере, вдвое точности определения параметров прибора СВЧ и к расширению его функциональных возможностей;
во-вторых, увеличения от N до Μ+N числа измеряемых значений тока, и тем самым увеличения, по меньшей мере, в (Μ+Ν)/Ν раз точности определения параметров прибора СВЧ;
в-третьих, расширения диапазона изменения тока, протекающего через прибор СВЧ, благодаря возможности измерения вольтамперных характеристик прибора СВЧ при малых и средних значений тока, а дифференциального сопротивления - при больших значениях тока и тем самым возможности определения параметров прибора СВЧ для более широкого диапазона токов, при этом в сторону больших токов и, как следствие, - расширение функциональных возможностей;
в-четвертых, применения метода наименьших квадратов, дающего наибольшую точность из всех известных методов, применяемых для обработки результатов измерения, поскольку полное число уравнений (М+Ν) больше числа определяемых параметров.
Сущность изобретения подтверждается также следующими теоретическими выкладками.
Прибор СВЧ имеет низкое сопротивление при прямом включении и высокое - при обратном. Это свойство прибора СВЧ может быть описано с помощью зависимости
где
T
V - температурный потенциал;
T
в идеальном случае V=k×T/e, e - заряд электрона,
k - постоянная Больцмана,
Т - температура в градусах Кельвина,
T
при комнатной температуре Т=300 K и V=0,026 В.
S
I - ток насыщения.
0
0
S
0
Если к прибору СВЧ приложить напряжение U, то через прибор СВЧ будет протекать ток I. Величины напряжения U и тока I измеряют. Часть напряжения в приборе СВЧ падает в области движения электронов, которая описывается сопротивлением R, а другая часть U - в области, где это движение отсутствует, поэтому внешнее напряжение U распределяется между двумя областями
S
С учетом условия I>>I и выражения (1) это равенство можно записать в виде
С помощью измерителя LCR-параметров (Тип Л52) измеряют дифференциальное сопротивление прибора
S
Поскольку I>>I, то выражение (4) преобразуется к виду
0j
j
При малых токах измеряют зависимость тока от напряжения. При этом получают Μ значений напряжения U и тока I, связанных соотношением (3);
j=1,…M.
j
i
При больших токах измеряют N значений дифференциального сопротивления R и тока I, связанных соотношением (5);
i=1,…N.
S
T
T
S
Параметры прибора СВЧ, которые требуется определить, обозначим в виде неизвестных переменных: x=R, y=V, z=V×ln(I).
Таким образом, для определения этих неизвестных необходимо решить систему Μ+N уравнений:
j
j
0j
x×I+y×ln(I)-z-U=0,
i
i
i
x×I+y-R×I=0, i=1, … N.
Для решения системы уравнений воспользуемся методом наименьших квадратов [2].
Для этого запишем сумму квадратов
j
i
Здесь токи I и I разделены, чтобы иметь возможность отдельно получать решения по измеренным ΒΑΧ и сопротивлениям.
Минимум суммы находится путем приравнивания к нулю частных производных S по x, y и z. После ряда преобразований, получаем систему из трех уравнений с тремя неизвестными:
,
CM
CM
0
CM
x(I)+y(lnI)-z·M=(U),
где
,
Решение системы (8) находится методами линейной алгебры.
S
Если используется только ΒΑΧ - зависимость напряжения от тока, то в системе (8) отбрасываются все члены, содержащие суммирование по i, если используются только зависимости сопротивления от тока, то отбрасываются члены, содержащие суммирование по j. Отметим, что в последнем случае не определяется ток насыщения I, поскольку он не входит в уравнение (4).
Итак, как видно теоретическое обоснование полностью подтверждает реализацию заявленного способа определения параметров прибора СВЧ и достижение технического результата - повышение точности и расширение функциональных возможностей.
Пример конкретной реализации способа определения параметров прибора СВЧ.
Рассмотрим определение параметров ограничительного кремниевого диода СВЧ типа «Параграф» с толщиной базы d=0.7 мкм и диаметром мезаструктуры D=20 мкм.
j
j
Измеряют Μ значений тока I, протекающего через прибор СВЧ - кремниевый диод СВЧ (далее диод), и Μ значений напряжения U на его контактах при значениях j, равных 1, 2, … М.
Моделируют работу диода в виде нелинейной функции этого напряжения на его контактах от этого тока и определяемых параметров.
i
i
Дополнительно измеряют N значений тока I и N значений дифференциального сопротивления R, при значениях i, равных 1, 2, … N.
Дополнительно осуществляют моделирование работы диода нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров.
Определяют собственно параметры диода решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.
Измеренные зависимости для этого диода:
1. Напряжения от тока (М=4) приведены в табл. 1.
2.Сопротивления от тока (N=9) приведены в табл.2:
При использовании только зависимостей напряжения от тока (табл. 1) в результате расчета были получены значения параметров диода:
S
T
S
-13
R=2,45 Ом; V=0,0356 В; I=0,67·10 А.
При использовании только зависимостей сопротивления от тока (табл. 2) в результате расчета по предложенной методике были получены значения параметров диода:
S
T
R=1,775 Ом; V=0,04 В.
При использовании обоих зависимостей (табл. 1 и 2) были получены значения параметров диода:
S
T
S
-13
R=1,82 Ом; V=0,037 В; I=1,53·10 А.
Примеры 2-9.
Аналогично примеру 1 определены параметры для других ограничительных диодов того же типа, но имеющих другие конструкционные параметры (геометрические размеры).
Данные представлены в таблице 3.
Как видно из таблицы 3, заявленный способ позволяет:
S
1. Рассчитывать параметры диода, при этом сопротивление Rопределяется с наибольшей погрешностью.
T
S
2. Величины напряжения V и тока I практически не зависят от диаметра диода.
Таким образом, заявленный способ определения параметров прибора СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом повышение точности примерно в два раза и расширение функциональных возможностей.
Источники информации
1. Обзоры по электронной технике. Серия 1, Электроника СВЧ. 1991 г., вып. 7, с. 52 - прототип.
2. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений М., Физматгиз. - 1962 г.