ОПТИЧЕСКИ-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА И ОСНОВАННЫЕ НА НЕМ УСТРОЙСТВА
OPTICALLY CONTROLLED MILLIMETER RANGE SWITCH AND DEVICES BASED ON IT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к оптически-управляемому переключателю миллиметрового диапазона и основанным на нем устройствам.
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 устройства, реализованные в печатных платах, играют важную роль, так как им присущи простая конструкция и изготовление; экономичный способ встраивания в одной диэлектрической подложке; подходящая база для реализации широкой полосы частот; удобство интегрирования с классическими технологиями печатных плат (PCB).
В настоящее время в качестве коммутационных компонентов в высокочастотных цепях используются PIN-диоды, MOSFET (устройства на полевых МОП транзисторах), MEMS (микроэлектромеханические системы), при этом
- PIN-диоды имеют сложную схему управления (переключение от источника положительного тока к источнику отрицательного напряжения);
- MOSFET имеет высокую паразитную емкость в случае низкого сопротивления канала;
- MEMS имеет конечное число циклов переключения и высокое управляющее напряжение.
Если обобщить, то в целом, на практике, существующие технологии коммутации для высокочастотных устройств приема/передачи сигналов (переключателей, фазовращателей, антенн) имеют следующие технические проблемы:
- очень высокая сложность и, следовательно, стоимость существующих изделий мм-диапазона (>10 ГГц) - в частности, переключателей;
- пересечение радиочастотного (РЧ) канала со схемами управления и питания 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 в компактные устройства становится сложной.
Например, из уровня техники известен микрополосковый диодный переключатель с высокой изоляцией (US 3678414). В этом решении раскрывается микрополосковый переключатель на основе PIN-диодов, реализующих результирующее препятствие в широкополосный резонансный контур, который может переключаться в два состояния. Когда диод находится в проводящем состоянии, препятствие проявляется как замкнутая цепь. Однако в таком решении имеется соединение цепей ВЧ тракта с цепями управления и питания PIN-диодов, что является несомненным недостатком. Кроме того, такая конструкция является довольно громоздкой.
В другом известном решении (US 6580337 B1) раскрывается микрополосковый однополюсный двухпозиционный переключатель, включающий в себя несколько контактов MEMS. Первая пара контактов расположена рядом с соединением входных и выходных линий для оптимизации пропускной способности. Контакты MEMS, которые не расположены рядом с соединением, разнесены вдоль выходных линий, чтобы дополнительно оптимизировать пропускную способность и изоляцию в выключенном состоянии, при этом минимизируются вносимые потери во включенном состоянии. Недостаток такого решения состоит в сложной организации схем управления и питания и дорогом и сложном производстве для высоких частот.
Из уровня техники известны также непатентные публикации Y. Tawk at all, ʺOptically Pumped Frequency Reconfigurable Antenna Designʺ, IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 9, 2010 и E. K. Kowalczuk, ʺSimulating, Fabricating and Characterising Photoconductive Microwave Switches for RF Applicationsʺ, PhD Thesis. В обоих этих публикациях описывается микрополосковый радиочастотный переключатель на основе фотопроводящего переключающего элемента, устанавливаемый последовательно в микрополосковой линии (то есть в разрыве полоска). На Фиг. 1 показан этот переключатель и схема распределения токов в нем.
В этом известном решении электрический ток концентрируется вблизи краев полупроводника, где электропроводность низкая из-за краевых эффектов и соответствующей поверхностной рекомбинации носителей на краях, тогда как в центре микрополоска наблюдается минимальная плотность тока, где поверхностная рекомбинация меньше, поскольку технологически может быть обеспечено хорошее качество поверхности пластин полупроводникового материала, из которого изготавливаются данные элементы. Вследствие этого возникают высокие потери при прохождении электрического тока через эти плохо проводящие участки переключателя, и требуется высокая оптическая мощность для перевода переключателя во включенное состояние. Кроме того, указанный тип переключателя имеет низкий уровень блокировки из-за паразитной емкости.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании высокочастотных устройств приема/передачи сигналов с очень высокими рабочими частотами (до 100 ГГц), которые имели бы одновременно низкие потери, малую мощность управления, малые размеры, простую схему питания и управления во избежание паразитных эффектов, возможность простой интеграции в рамках технологии печатных плат и низкую стоимость. 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 на базе печатной платы, а также устройств, основанных на таком переключателе.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен оптически-управляемый переключатель, содержащий: печатную плату, содержащую сигнальный проводящий слой и земляной проводящий слой и слой диэлектрика между ними, причем сигнальный слой содержит микрополосковый проводник и согласующий элемент; шунтирующее металлизированное отверстие, расположенное в слое диэлектрика между сигнальным и земляным слоем печатной платы и отделенное от земляного слоя печатной платы диэлектрическим зазором, причем шунтирующее отверстие имеет электрическое соединение с микрополосковым проводником и с согласующим элементом; фотопроводящий полупроводниковый элемент, расположенный на земляном слое печатной платы и электрически соединенный с шунтирующим отверстием и с сигнальным 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, причем согласующий элемент предназначен для компенсации паразитной емкости, возникающей в зазоре между контактной площадкой шунтирующего отверстия и землей, и имеет индуктивные свойства в диапазоне рабочих частот переключателя.
В одном из вариантов осуществления шунтирующее отверстие имеет непосредственный контакт с микрополосковым проводником и с согласующим элементом.
В одном из вариантов осуществления оптически-управляемый переключатель дополнительно содержит вспомогательный согласующий элемент, электрически соединенный с шунтирующим отверстием, предназначенный для компенсации реактивности шунтирующего отверстия и имеющий емкостные свойства в диапазоне рабочих частот переключателя.
В одном из вариантов осуществления вспомогательный согласующий элемент выполнен в виде проводящей площадки, расположенной снаружи печатной платы со стороны сигнального слоя и отделенной от него дополнительным слоем диэлектрика, при этом шунтирующее отверстие не имеет контакта с сигнальным слоем.
В одном из вариантов осуществления шунтирующее отверстие выполнено с разрывом, и вспомогательный согласующий элемент выполнен в виде проводящих площадок, расположенных в разрыве шунтирующего отверстия в плоскостях, параллельных сигнальному слою и земляному слою печатной платы, причем одна из проводящих площадок контактирует с шунтирующим отверстием на одном конце разрыва, а другая контактирует с шунтирующим отверстием на другом конце разрыва, причем проводящие площадки отделены друг от друга дополнительным слоем диэлектрика.
В одном из вариантов осуществления печатная плата является многослойной.
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 светодиод или лазерный диод.
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 управляющая схема выполнена с возможностью управления подачей света в импульсном режиме посредством: формирования первого импульса с длительностью, достаточной для перевода переключателя во включенное состояние, и во время поддержания переключателя во включенном состоянии, формирования последующих импульсов с периодом, меньшим времени жизни носителя в материале фотопроводящего элемента, и с длительностью, достаточной для восстановления полностью включенного состояния.
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 фотопроводящий элемент полностью перекрывает шунтирующее отверстие и диэлектрический зазор.
В одном из вариантов осуществления фотопроводящий элемент является пассивированным.
В одном из вариантов осуществления согласующий элемент выполнен в виде микрополоскового отвода от точки соединения с микрополосковым проводником.
В одном из вариантов осуществления согласующий элемент выполнен в виде треугольника с вершиной в точке соединения с микрополосковым проводником.
В одном из вариантов осуществления оптически-управляемый переключатель дополнительно содержит закорачивающее металлизированное отверстие, расположенное в слое диэлектрика между сигнальным и земляным слоем печатной платы и электрически соединенное с дальним концом согласующего элемента и с земляным слоем печатной платы.
В одном из вариантов осуществления переключатель используется в качестве переключающего элемента в микрополосковом фазовращателе, антенне или однополюсном многопозиционном переключателе.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения раскрывается микрополосковый фазовращатель, содержащий: направленный ответвитель, содержащий входной порт, выходной порт и два отвода, два элемента регулируемой отражательной нагрузки, каждый из которых соединен одним концом с соответствующим отводом направленного ответвителя, а другим концом - с концевым металлизированным отверстием, которое электрически соединено с заземлением, причем в качестве по меньшей мере части элемента регулируемой отражательной нагрузки используется оптически-управляемый переключатель по первому аспекту, причем во включенном состоянии переключателя происходит отражение волны от шунтирующего отверстия, а в выключенном состоянии переключателя происходит отражение волны от концевого отверстия, причем длина микрополоскового проводника оптически-управляемого переключателя и точка включения фотопроводящего элемента задают требуемый сдвиг фазы.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения раскрывается микрополосковый фазовращатель, содержащий: четвертьволновую секцию линии передачи, соединенную на одном конце со входом фазовращателя и с первым отводом, а на другом конце с выходом фазовращателя и со вторым отводом, причем в линии каждого отвода расположены последовательно соединенные линия передачи, оптически-управляемый переключатель по первому аспекту и дополнительный отрезок линии передачи, соединяющий выход оптически-управляемого переключателя с концевым металлизированным отверстием, которое электрически соединено с заземлением, причем во включенном состоянии переключателя происходит отражение волны от шунтирующего отверстия, а в выключенном состоянии переключателя происходит отражение волны от концевого отверстия, причем длины всех элементов линии в отводе и точка включения фотопроводящего элемента задают требуемый сдвиг фазы.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения раскрывается микрополосковая антенна, содержащая: по меньшей мере один излучающий элемент, имеющий два плеча, соединенные со входом антенны, причем в каждом из плеч излучающего элемента на расстоянии четверти длины волны от входа антенны расположен оптически-управляемый переключатель по первому аспекту, причем переключатели в каждый момент времени имеют отличные друг от друга состояния включения/выключения для задания соответствующей полярности излучающего элемента.
В одном из вариантов осуществления излучающим элементом является симметричный вибратор, причем антенна предназначена для излучения в продольном направлении.
В одном из вариантов осуществления излучающим элементом является патч (микрополосковая резонаторная антенна), причем антенна предназначена для излучения в поперечном направлении.
В одном из вариантов осуществления микрополосковая антенна содержит два излучающих элемента, причем одним излучающим элементом является симметричный вибратор, а другим излучающим элементом является патч, причем антенна предназначена для излучения в продольном направлении с помощью симметричного вибратора и в поперечном направлении с помощью патча.
В одном из вариантов осуществления микрополосковая антенна выполнена в многослойной печатной плате, причем два излучающих элемента расположены друг над другом в разных проводящих слоях печатной платы.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения раскрывается микрополосковый однополюсный многопозиционный (SPnT) переключатель, содержащий: входной порт; множество выходных портов; и множество оптически-управляемых переключателей по первому аспекту, расположенных на расстоянии четверти длины волны от точки пересечения микрополосков, соединяющих входной порт с выходными портами, причем для соединения входного порта с требуемым выходным портом переключатель, расположенный на пути между ними, находится во включенном состоянии, а остальные переключатели находятся в выключенном состоянии.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения раскрывается микрополосковый однополюсный многопозиционный (SPnT) переключатель, содержащий: многоканальный делитель мощности, содержащий множество составляющих делителей мощности, имеющих один вход и два выхода; и множество оптически-управляемых переключателей по первому аспекту, расположенных в каждом плече каждого составляющего делителя мощности на расстоянии четверти длины волны от точки разветвления, причем для соединения входного порта с требуемым выходным портом многоканального делителя мощности переключатели, расположенные на пути между ними, находятся в выключенном состоянии, а остальные переключатели находятся во включенном состоянии.
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. 1 показан микрополосковый переключатель, известный из уровня техники.
На Фиг. 2A-2C показан оптически-управляемый переключатель согласно первому аспекту настоящего изобретения.
На Фиг. 3 показан принцип работы оптически-управляемого переключателя согласно настоящего изобретения.
На Фиг. 4A-4B показаны эквивалентные схемы переключателя и соответствующие графики коэффициента передачи в выключенном состоянии и во включенном состоянии переключателя.
На Фиг. 5A-5B показаны результаты моделирования предложенного выключателя.
На Фиг. 6 показана полученная при моделировании зависимость коэффициента передачи от частоты предложенного переключателя.
На Фиг. 7 показан вариант подвода света к фотопроводящему полупроводниковому элементу.
На Фиг. 8 показана зависимость требуемой оптической мощности от размеров элементов оптически-управляемого переключателя.
На Фиг. 9 показан пример влияния пассивации на время включения/выключения переключателя.
На Фиг. 10 показан пример применения импульсного режима источника света.
На Фиг. 11A-11D показаны примеры вариантов исполнения согласующего элемента.
На Фиг. 12 показана эквивалентная схема оптически-управляемого переключателя с двумя согласующими элементами.
На Фиг. 13A-13B показаны примеры вариантов исполнения вспомогательного согласующего элемента.
На Фиг. 14-15 показаны фазовращатели на основе оптически-управляемых переключателей.
На Фиг. 16 показан принцип работы отражательной нагрузки.
На Фиг. 17-19 показаны антенны на основе оптически-управляемых переключателей.
На Фиг. 20A-20B показан пример однополюсного многопозиционного переключателя на основе оптически-управляемых переключателей.
На Фиг. 21A-21B показан многоканальный двоичный переключатель на основе оптически-управляемых переключателей.
Подробное описание
На Фиг. 2A-2C показан оптически-управляемый переключатель мм-диапазона на основе микрополосковой линии согласно первому аспекту настоящего изобретения.
Переключатель 1 содержит печатную плату 2, содержащую сигнальный проводящий слой 3 и земляной проводящий слой 4 и слой 5 диэлектрика между ними. В сигнальном слое 3 выполнены микрополосковый проводник 6 и согласующий элемент 7, соединенные между собой. Согласующий элемент 7 на виде сбоку показан приподнятым над платой только в целях улучшения понимания изобретения, в действительности же он расположен в рамках сигнального слоя 3 печатной платы 2. Концы микрополоскового проводника 6 представляют собой входной и выходной порты переключателя. В точке соединения микрополоскового проводника 6 и согласующего элемента 7 в плате 2 выполнено шунтирующее металлизированное отверстие (VIA) 8, которое имеет непосредственный электрический контакт с микрополосковым проводником 6 и с согласующим элементом 7, но не контактирует напрямую с земляным слоем 4 печатной платы 2 и отделено от него диэлектрическим зазором 9.
Основную роль в переключателе выполняет фотопроводящий полупроводниковый элемент (PSE) 10, расположенный на земляном слое 4 печатной платы 2. PSE 10 соединяет между собой шунтирующее VIA 8 и земляной слой 4 печатной платы 2. PSE 10 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.
На Фиг. 2A, помимо ранее упоминавшихся компонентов, показаны также управляющая схема 11 (которая может быть печатной платой) и источник 12 света (например, светодиод (LED)). Свет на PSE поступает от LED, включение и выключение которого осуществляет управляющая схема с помощью управления питанием.
Когда на PSE 10 не падает свет, PSE 10 находится в диэлектрическом состоянии, и ЭМ-волна, поступающая в переключатель 1 через входной порт (РЧ порт 1), практически без потерь поступает на выходной порт (РЧ порт 2), не испытывая существенного отражения в точке расположения PSE 10 и шунтирующего VIA 8 (см. Фиг. 3 слева, выключенное состояние).
Когда на PSE 10 падает свет, PSE 10 находится в проводящем состоянии, тем самым замыкая сигнальный слой 3 на земляной слой 4. В результате ЭМ-волна, поступающая в переключатель 1 через входной порт, отражается в точке расположения PSE 10 и шунтирующего VIA 8 и не доходит до выходного порта (см. Фиг. 3 справа, включенное состояние).
При этом следует заметить, что в вышеупомянутом диэлектрическом зазоре между шунтирующим VIA 8 (в частности, контактной площадкой, соединяющей шунтирующее VIA 8 и PSE 10) и землей (в частности, контактной площадкой, соединяющей земляной слой 4 и PSE 10) возникает паразитная емкость, которая ухудшает свойства переключателя, внося некоторые потери в выключенном состоянии. Согласующий элемент 7 предназначен для компенсации этой паразитной емкости. Для этой цели он должен иметь индуктивные свойства в диапазоне рабочих частот переключателя 1. Благодаря таким свойствам согласующий элемент 7 вместе с паразитной емкостью, индуктивностью шунтирующего VIA 8 и проводимостью PSE 10 образует параллельный резонансный контур с частичным включением, который обладает высоким сопротивлением в области резонанса. Эквивалентные схемы переключателя и соответствующие графики коэффициента передачи переключателя в выключенном состоянии и во включенном состоянии переключателя показаны на Фиг. 4A-4B.
Индуктивность согласующего элемента может выбираться согласно следующему выражению:
,
где  - резонансная частота,
L
m
- индуктивность согласующего элемента,
L
via
- индуктивность шунтирующего VIA,
C
- паразитная емкость.
В состоянии ВЫКЛ (Фиг. 4A), когда свет не падает на PSE, шунтирующее VIA эквивалентно индуктивному элементу L, а полупроводниковый PSE, диэлектрический зазор и контактная площадка шунтирующего VIA эквивалентны емкостному элементу C. Если в нерезонансной реализации (без согласующего элемента) в состоянии ВЫКЛ (см. график внизу на Фиг. 4A) имеются потери, возникающие за счет отражения волны от неоднородности в линии, создаваемой паразитной емкостью, из-за чего коэффициент передачи падает, то в резонансной реализации (при наличии согласующего элемента) возникает колебательный контур с более высоким сопротивлением в области резонанса, а электромагнитная волна проходит через структуру с меньшими потерями, и коэффициент передачи значительно улучшается.
В состоянии ВКЛ (Фиг. 4B), когда свет падает на PSE, шунтирующее VIA эквивалентно индуктивному элементу L, а полупроводниковый PSE становится эквивалентным резистивному элементу. Индуктивность в таком случае также частично шунтирует линию параллельно низкому сопротивленю PSE. То есть, в состоянии ВКЛ (см. график внизу на Фиг. 4B) добавление согласующего элемента (резонансная реализация) почти не меняет запирающие свойства переключателя.
Таким образом, PSE и шунтирующее VIA вместе с отрезком печатной платы, на котором расположены микрополосковый проводник и согласующий элемент, играют роль оптически управляемого переключателя, работающего на основе эффекта фотопроводимости. Схемы питания/управления такого переключателя изолированы от РЧ тракта. Его характеристиками можно управлять с помощью изменения мощности подаваемого света. Даже на высоких частотах такой переключатель обладает малыми потерями и не подвержен интерференционному влиянию внешних компонентов. Кроме того, такой переключатель можно без труда установить в любом требуемом месте печатной платы, в том числе в многослойную плату. За счет минимизации количества компонентов обеспечивается снижение сложности и цены и возможность интеграции в компактные устройства. Также оптически-управляемый переключатель согласно настоящему изобретению имеет относительную широкую рабочую полосу частот, в частности, в некоторых вариантах осуществления 10-20%.
Авторами изобретения проведено моделирование работы предложенного выключателя. Результаты моделирования изображены на Фиг. 5A-5B. В частности, подтверждено, что в состоянии ВЫКЛ (Фиг. 5A) волна проходит от входного порта 1 к выходному порту 2 лишь с небольшими изменениями амплитуды, а именно с коэффициентом передачи на порт 2 более -1 дБ, при этом коэффициент отражения в порт 1 составляет менее -20 дБ.
В состоянии ВКЛ (Фиг. 5B) волна, поступающая из входного порта 1, практически полностью отражается от оптически-управляемого переключателя, а именно с коэффициентом передачи на порт 2 менее -20 дБ. Передаваемые и отраженные волны создают стоячую волну между портом 1 и переключателем, и вблизи переключателя формируется область с максимальным электрическим током. Коэффициент отражения в порт 1 при этом составляет более -1 дБ.
На Фиг. 6 показана полученная при моделировании зависимость коэффициента передачи с входного порта 1 на выходной порт 2 от частоты оптически-управляемого переключателя согласно настоящему изобретению.
Как видно из Фиг. 6, настоящее изобретение проявляет положительные свойства даже в условиях низкого освещения. Например, уже при проводимости PSE 200 См/м обеспечивается достаточный уровень коэффициента передачи ниже -20 дБ. Соответственно, благодаря значительному снижению требований к необходимой проводимости PSE для реализации заданного уровня запирания переключателя достаточно даже низкой интенсивности подаваемого света. Тем самым, в настоящем изобретении обеспечивается высокая чувствительность в условиях слабого освещения и низкое энергопотребление.
На Фиг. 7 показан один из возможных вариантов реализации подвода света к PSE. Для обеспечения необходимых режимов работы оптически-управляемого переключателя в настоящем изобретении вполне достаточно мощности света современных светодиодов (LED), поэтому они могут использоваться в качестве источников света. Между тем, доступный на рынке LED 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 11, а с другой стороны для соединения со вторым питающим выводом управляющей схемы 11 необходим дополнительный питающий проводник 13. Чтобы этот питающий проводник 13 не имел электрического соединения с PSE 10 (чтобы обеспечить развязку по питанию), применяется диэлектрический светопрозрачный разделитель 14, расположенный между LED 12 и PSE 10. Питающий проводник 13 может быть проведен внутри светопрозрачного разделителя 14, не контактируя с PSE 10. Светопрозрачный разделитель 14 может использоваться как световод, чтобы обеспечить требуемую удаленность источника света 12 от PSE 10. Изображенные на Фиг. 7 металлические (например, выполненные из меди) площадки 15 представляют собой контакты PSE 10, предназначенные для соединения с шунтирующим отверстием и земляным слоем печатной платы.
Такая 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.
В других возможных реализациях подвода света к PSE могут использоваться передача света по оптоволокну и другие варианты, понятные специалисту в данной области техники.
На Фиг. 8 показана зависимость требуемой оптической мощности от размеров элементов оптически-управляемого переключателя согласно настоящему изобретению. Как удалось выявить авторам изобретения, соотношение размеров источника света и PSE также влияет на требуемую величину оптической мощности. 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 мощность (примерно 3,8 мВт). С уменьшением размера PSE требуемая величина оптической мощности начинает кратно расти, тогда как с увеличением размера PSE требуемая величина оптической мощности почти не уменьшается. Аналогичный эффект распространяется не только на рассмотренный при моделировании пример, но и на другие варианты осуществления.
Как показано на Фиг. 8, при одном и том же размере LED и при различных размерах PSE для обеспечения проводящего состояния PSE необходима различная оптическая мощность. Размер светового пятна и зона, в которой обеспечивается заданный уровень проводимости (заштрихованная область) с учетом пространственного распределения токов в PSE, при этом не меняются. В результате можно добиться уменьшения требуемой подаваемой оптической мощности более чем в 2 раза за счет оптимизации соотношения продольных размеров LED и PSE.
Данный эффект достигается за счет диффузии электронов, перешедших под действием света в зону проводимости и диффундирующих в PSE, а также за счет уменьшения влияния Зона эффектов, связанных c повреждением структуры полупроводника при его механической резке во время изготовления. В результате в данной области электроны имеют менее эффективное время жизни, что требует более высокой оптической мощности, чтобы привести весь полупроводниковый материал в проводящее состояние. В то же время качество поверхности пластин может быть высоким, что значительно снижает влияние этих поверхностей на процесс рекомбинации неосновных носителей. 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 мощность источника света при его фиксированном размере.
Таким образом, в предложенном изобретении электрический ток концентрируется в центральной части PSE, где электрическая проводимость самая высокая. Соответственно, уменьшаются требования к качеству исполнения PSE и к подаваемой оптической мощности.
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.
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 переключателя. Поэтому, в зависимости от целей устройства назначения, подбором геометрических параметров PSE и источника освещения, можно оптимизировать потребляемую оптическую мощность переключателя и его время включения/выключения.
С другой стороны, необходимо отметить, что на практике встречаются как приложения, в которых размеры устройств являются ограниченными (например, портативная электроника), и каждый миллиметр в них имеет значение, так и приложения, в которых относительно отсутствуют ограничения по размерам (например, базовые станции), и увеличение размера элементов устройства в них на несколько миллиметров не имеет существенного значения. Поэтому при определении размеров PSE и источника освещения необходимо искать компромисс между размерами устройства, потребляемой оптической мощностью переключателя, временем его включения/выключения и подбором PSE с требуемой проводимостью.
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 мощности Pопт ~ 1/τ. В результате уменьшение времени переключения требует большей оптической мощности и увеличения потребления энергии.
Пример влияния пассивации на время включения/выключения отражен на Фиг. 9 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
tвкл и tвыкл 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.
Для освещения PSE могут применяться разные режимы подачи света: как непрерывный, так и импульсный. В качестве источника света при этом может применяться, например, светодиод или лазерный диод. При импульсном режиме подачи света затрачивается меньше оптической мощности, поэтому он является энергосберегающим по сравнению с непрерывным. В этом случае необходимо учитывать, что длительность первого импульса должна быть достаточной для перевода переключателя в состояние ВКЛ, а в дальнейшем, во время того как переключатель должен сохранять состояние ВКЛ, период импульсов должен быть меньше срока службы носителя в материале PSE, так чтобы концентрация носителей не успевала значительно уменьшиться за время выключения источника света, а длительность импульсов должна быть достаточной для восстановления полностью включенного состояния. Пример применения импульсного режима источника света показан на Фиг. 10.
Размер, форма и положение PSE, источника света и шунтирующего VIA в оптически-управляемом переключателе и печатной плате могут быть разными. Они определяются структурой печатной платы 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 перекрывает шунтирующее VIA и имеет контакт с сигнальным слоем печатной платы.
Размер, форма и положение согласующего элемента в оптически-управляемом переключателе также могут быть разными и выбираются в зависимости от требований конкретного применения. Примеры вариантов исполнения согласующего элемента показаны на Фиг. 11. Так, например, в самом простом исполнении (Фиг. 11B), когда нет ограничений по размерам согласующего элемента 7, а рабочая полоса частот относительно узкая, достаточно разместить на печатной плате микрополосковый отвод от точки соединения с микрополосковым проводником 6 и шунтирующим VIA длиной L > λ/4. Если размеры устройства ограничены, то можно сократить длину согласующего элемента 7 до L < λ/4 и установить на его дальнем конце закорачивающее VIA 16 (Фиг. 11A, 11C). Если требуется работа в широкой полосе частот, то согласующий элемент 7 может иметь форму треугольника с вершиной в точке соединения с микрополосковым проводником 6 и шунтирующим VIA (Фиг. 11C, 11D).
m
m
С целью улучшения запирающих свойств переключателя в состоянии ВКЛ переключатель может дополнительно включать в себя вспомогательный согласующий элемент, имеющий емкостные свойства и позволяющий за счет этого компенсировать реактивность Lvia шунтирующего VIA. На Фиг. 12 изображена эквивалентная схема переключателя в состоянии ВКЛ, в котором используются и согласующий элемент L, и вспомогательный согласующий элемент C. Тем самым, можно улучшать блокировку сигнала.
Примеры вариантов исполнения вспомогательного согласующего элемента показаны на Фиг. 13A-13B. Так, например, вспомогательный согласующий элемент может быть исполнен (Фиг. 13A) в виде дополнительной проводящей пластины 17, расположенной снаружи печатной платы 2 со стороны сигнального слоя 3 и отделенной от него дополнительным слоем 18 диэлектрика. За счет этого между пластиной 17 и сигнальным слоем 3 формируется дополнительная емкость Cm. При этом шунтирующее VIA 8 не имеет контакта с сигнальным слоем 3, а вместо этого контактирует с дополнительной проводящей пластиной 17.
Кроме того, вспомогательный согласующий элемент может быть исполнен внутри печатной платы 2 в виде конденсатора, встроенного в шунтирующее VIA 8 (Фиг. 13B), то есть шунтирующее VIA 8 выполнено с разрывом, а в разрыве в плоскостях, параллельных сигнальному слою 3 и земляному слою 4 печатной платы 2, сформированы обкладки 19 конденсатора Cm, одна из которых контактирует с шунтирующим VIA 8 на одном конце разрыва, а другая контактирует с шунтирующим VIA 8 на другом конце разрыва. Между обкладками 19 конденсатора также используется диэлектрик 18. Такой вариант легко реализовать, в частности, в многослойной печатной плате, в которой обкладки конденсатора могут быть выполнены в рамках промежуточных проводящих слоев.
Устройства на основе оптически-управляемого переключателя
На основе описанного оптически-управляемого переключателя можно построить разные типы устройств. Примерами таких устройств могут служить фазовращатели и антенны.
Фазовращатели на основе оптически-управляемых переключателей, используемых как часть регулируемой отражательной нагрузки (RL), показаны на Фиг. 14 и 15, а принцип работы отражательной нагрузки показан на Фиг. 16. Сами по себе такие фазовращатели могут использоваться в качестве элемента управления для управления антенными решетками или в других приложениях, где требуется управление фазой.
В частности, на Фиг. 14 изображен дискретный фазовращатель на базе направленного ответвителя (3-дБ гибридный ответвитель (мост), 2-отводный ответвитель, 3-дБ кольцевой делитель, ответвитель (мост) Ланге и т.д.), в котором задействуется состояние ВЫКЛ переключателя и отражение волны от концевого VIA, соединяющего выходной порт переключателя (конец микрополоскового проводника) с земляным слоем печатной платы. Когда переключатель находится в состоянии ВКЛ, происходит отражение волны от шунтирующего VIA. С помощью такого типа RL в фазовращателе можно задавать любой произвольный сдвиг фазы в пределах 0°-360°, выбирая нужные длины соответствующих микрополосков-плеч моста и точки включения PSE вдоль этих микрополосков, при этом для расчета задержки необходимо применять удвоенную разницу длин между концевым VIA и PSE. Переключение здесь изменяет электрическую длину микрополоска и изменяет фазу отраженного сигнала. 3-дБ гибридный ответвитель преобразует фазу отраженного сигнала в фазу передаваемого сигнала, что позволяет реализовать компактный и дешевый фазовращатель.
В фазовращателе на Фиг. 15 используются подобные принципы, с той разницей, что задействуется состояние ВКЛ переключателя и отражение волны непосредственно от шунтирующего VIA. Когда переключатель находится в состоянии ВЫКЛ, происходит отражение волны от концевого VIA. В этом варианте осуществления четвертьволновая секция линии передачи соединяется на одном конце со входом фазовращателя и с первым отводом, а на другом конце с выходом фазовращателя и со вторым отводом. Каждый отвод содержит последовательно соединенные линию передачи (TL), PSE и дополнительный отрезок линии передачи с комплексным импедансом Z (импеданс отрезка линии передачи с концевым VIA в плоскости переключателя). Длины всех элементов линии в отводе и точка включения фотопроводящего элемента задают требуемый сдвиг фазы. С помощью такого типа нагрузки в фазовращателе можно задавать сдвиг фазы в пределах 0°-45°.
Как можно видеть из Фиг. 16, изменение состояния ВКЛ/ВЫКЛ переключателя, составляющего часть регулируемой отражательной нагрузки в обоих типах фазовращателя, указанных на Фиг. 14 и 15, переключает отражение поступающей на его вход волны между концевым VIA и шунтирующим VIA. Таким образом, в зависимости от состояния ВКЛ/ВЫКЛ переключателя, волна имеет тот или иной заданный сдвиг фазы.
Антенны на основе оптически-управляемых переключателей показаны на Фиг. 17-19. На Фиг. 17 изображена структура ячейки излучающего диполя (симметричного вибратора), в которой в каждое из плеч диполя встроен оптически-управляемый переключатель. Расстояние от входа антенны до каждого оптически-управляемого переключателя составляет четверть длины волны. Включая один переключатель и выключая другой, и наоборот, можно производить переключение полярности диполя. Такой тип антенны позволяет излучать в продольном направлении.
На Фиг. 18 изображена структура ячейки излучающей патч-антенны, в которой в каждое из плеч встроен оптически-управляемый переключатель. Как и в предыдущем варианте осуществления, расстояние от входа антенны до каждого оптически-управляемого переключателя составляет четверть длины волны. Включая один переключатель и выключая другой, и наоборот, можно производить переключение полярности патч-антенны. Такой тип антенны позволяет излучать в поперечном направлении.
На Фиг. 19 изображена структура антенны, представляющая собой комбинацию из антенн, изображенных на Фиг. 17 и 18. В данном случае можно использовать многослойную печатную плату. Такой комбинированный тип антенны позволяет излучать как в продольном, так и в поперечном направлении.
Предложенный оптически-управляемый переключатель можно также использовать в качестве основы для однополюсного многопозиционного (SPnT) переключателя, пример которого показан на Фиг. 20A-20B. Оптически-управляемые переключающие элементы в таком устройстве располагаются на расстоянии λ/4 от точки пересечения микрополосков, соединяющих входной порт с N выходными портами устройства. В процессе работы устройства один из оптически-управляемых переключающих элементов может находиться в состоянии ВЫКЛ, тогда как другие могут находиться в состоянии ВКЛ. В таком случае сигнал будет передаваться со входного порта на тот выходной порт, у которого оптически-управляемый переключающий элемент находится в состоянии ВЫКЛ, а от остальных элементов, находящихся в состоянии ВКЛ, сигнал будет отражаться. Тем самым, управляя включением/выключением оптически-управляемых переключающих элементов, можно выполнять переключение между несколькими РЧ-каналами.
Еще одним вариантом применения предложенного оптически-управляемого переключателя может являться многоканальный двоичный переключатель, пример которого изображен на Фиг. 21A-21B. Для этого в каждую ветвь (плечо) микрополоскового делителя мощности на расстоянии λ/4 от точки разветвления устанавливается оптически-управляемый переключающий элемент. Элементы, которые находятся на пути между входом и требуемым выходом, находятся в состоянии ВЫКЛ, поэтому сигнал свободно проходит через них, а остальные элементы находятся в состоянии ВКЛ, чтобы сигнал от них отражался и не попадал на соответствующие выходы. Тем самым, управляя включением/выключением оптически-управляемых переключающих элементов, можно выполнять переключение между несколькими РЧ-каналами.
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.
В частности, при использовании для беспроводной передачи энергии можно применять антенную решетку из множества излучателей, каждый из которых через собственный оптически-управляемый переключатель подключен к управляющей схеме, которая выполняет управление включением/выключением переключателей по типу дифракционной решетки. Это позволяет получить передающую антенну с хорошими характеристиками направленности в широком диапазоне углов.
При использовании в робототехнике можно использовать антенну на основе оптически-управляемых переключателей для обнаружения/избежания препятствий.
На основе оптически-управляемых переключателей можно также создать антенну для базовой станции 5G, используемой внутри помещений (внутренний ретранслятор). В этом случае обеспечивается стабильный сигнал для пользователя, находящемся в любом положении относительно базовой станции, без ухудшения характеристик сигнала и без механического вращения антенны, тогда как в традиционных базовых станциях в пределах угла 360 градусов есть зоны с плохим качеством связи.
Использование предложенных переключателей в рамках автомобильных радаров позволяет увеличить разрешение при ограниченном числе доступных передатчиков и приемников и совмещать в одном устройстве несколько режимов дальности.
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.