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

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам определения параметров прибора СВЧ, и может быть применено при конструировании широкого класса приборов СВЧ - электронный прибор, полупроводниковый прибор, электровакуумный прибор, электродинамическая система.
Известен способ определения параметров прибора СВЧ, включающий
измерение в n точках рабочей полосы частот его комплексных параметров рассеяния (S-параметров),
моделирование его в рабочей полосе частот в виде эквивалентной схемы, содержащей активные и реактивные элементы, каждый из которых описывают соответствующим параметром, не зависящим от частоты,
определение самих параметров посредством одной математической процедуры [1] - прототип.
Недостатки данного способа заключаются:
в необходимости электронно-вычислительной машины (ЭВМ) большой мощности,
в выполнении сложной многопараметрической, многоцелевой математической процедуры оптимизации с большим числом локальных минимумов, часто не позволяющих приблизиться к глобальному минимуму, при этом необходимо наличие упомянутой ЭВМ,
в необходимости определения, с целью лучшего приближения к глобальному минимуму, начальных значений параметров прибора СВЧ, причем по возможности максимально приближенных к глобальному минимуму.
И, как следствие этого, - значительная сложность способа и низкая точность определения параметров прибора СВЧ.
Техническим результатом заявленного способа определения параметров прибора СВЧ является существенное упрощение способа и повышение точности определения.
Указанный технический результат достигается заявленным способом определения параметров прибора СВЧ, включающим измерение в n точках рабочей полосы частот его комплексных параметров рассеяния, моделирование его в рабочей полосе частот в виде эквивалентной схемы, содержащей активные и реактивные элементы, каждый из которых описывают соответствующим параметром, не зависящим от частоты, определение собственно параметров посредством математической процедуры.
В котором
эквивалентную схему прибора СВЧ представляют в виде Т-образного соединения трех комплексных сопротивлений
1
k
1k
1k
Z(f)=R+j×X,
2
k
2k
2k
Z(f)=R+j×X,
3
k
3k
3k
Z(f)=R+j×X,
где
1k
2k
3k
R, R, R - активные составляющие трех комплексных сопротивлений соответственно,
1k
2k
3k
X, X, X - реактивные составляющие трех комплексных сопротивлений соответственно,
,
3
1
2
3
при этом комплексное сопротивление Z включают параллельно, а комплексные сопротивления Z и Z включают последовательно входу и выходу прибора СВЧ слева и справа относительно комплексного сопротивления Z соответственно,
i
i,
i
каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L и емкости, которую описывают параметром C,
где
i равно 1, 2, 3, что соответствует трем комплексным сопротивлениям,
а определение собственно параметров осуществляют посредством двух математических процедур, при этом в первой - определяют три комплексных сопротивления в n точках рабочей полосы частот из математических формул соответственно:
,
,
,
где
11
k
21
k
22
k
S(f), S(f), S(f) - комплексные параметры рассеяния прибора СВЧ, измеренные в n точках рабочей полосы частот,
0
Z - сопротивление на входе и выходе прибора СВЧ,
k равно 1, 2, 3…n,
i
i
i
во второй определяют собственно параметры прибора СВЧ R, L и C из математических формул соответственно:
,
,
,
где
k
k
ω=2×π×f,
π=3,14156592.
Прибором СВЧ может быть, например, электронный прибор, полупроводниковый прибор, электровакуумный прибор, электродинамическая система.
Раскрытие сущности заявленного изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного способа определения параметров прибора СВЧ, а именно когда:
эквивалентную схему прибора СВЧ представляют в виде Т-образного соединения трех комплексных сопротивлений
1
k
1k
1k
Z(f)=R+j×X,
2
k
2k
2k
Z(f)=R+j×X,
3
k
3k
3k
Z(f)=R+j×X,
3
1
2
3
при этом комплексное сопротивление Z включают параллельно, а комплексные сопротивления Z и Z включают последовательно входу и выходу прибора СВЧ слева и справа относительно комплексного сопротивления Z соответственно,
i
i
i
каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L, и емкости, которую описывают параметром C,
а определение собственно параметров осуществляют посредством двух математических процедур,
при этом в первой определяют три комплексных сопротивления в n точках рабочей полосы частот из математических формул соответственно:
,
,
,
i
i
i
во второй определяют собственно параметры прибора СВЧ R, L и C из математических формул соответственно:
,
,
.
Это обеспечит исключение:
во-первых, сложной многопараметрической, многоцелевой математической процедуры оптимизации с большим числом локальных минимумов, часто не позволяющих приблизиться к глобальному минимуму,
во-вторых, необходимости определения начальных значений параметров прибора СВЧ, причем по возможности максимально приближенных к глобальному минимуму.
в-третьих, ЭВМ большой мощности.
И, как следствие этого, - упрощение способа и повышение точности определения параметров прибора СВЧ.
Раскрытие сущности изобретения поясняется следующим экспериментальным и математическим анализом.
Поскольку измеренные S-параметры имеют разброс, то и составляющие комплексных сопротивлений определяются с некоторой ошибкой.
i
i
Частотная зависимость реактивной составляющей комплексного сопротивления при последовательном соединении двух реактивных элементов - индуктивности, которая описывается параметром L, и емкости, которая описывается параметром C, описывается математической формулой
.
i
i
i
Оптимальные значения L и C определяются с помощью метода наименьших квадратов, при котором сумма F, равная
,
достигает минимального значения.
i
i
i
Приравнивая производные суммы F по параметрам L и C к нулю, получаем систему двух уравнений
,
.
Решение этой системы имеет вид:
,
,
i
Сопротивление, которое описывается параметром R, определяют из математической формулы:
.
Итак, заявленный способ определения параметров прибора СВЧ обеспечит существенное упрощение способа и повышение точности определения.
Пример реализации заявленного способа определения параметров прибора СВЧ.
Пример реализации рассмотрен для определения параметров полупроводникового прибора СВЧ - полевого транзистора с барьером Шотки.
Полевой транзистор с барьером Шотки имеет следующие геометрические, технологические и электрические параметры:
Длина затвора - 0,3 мкм;
Ширина затвора - 300 мкм;
Толщина активного слоя - 0,2 мкм;
17
-3
Концентрация носителей - 2×l0 см;
Напряжение отсечки Uoтc. - -2 В.
В управляющих устройствах СВЧ (аттенюаторах, фазовращателях, переключателях и т.д.) полевой транзистор с барьером Шотки работает в ключевом режиме, который предусматривает:
при подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки напряжения, равного 0 В, полевой транзистор с барьером Шотки откроется и по нему потечет ток (открытое состояние),
при подаче на затвор полевого транзистора с барьером Шотки напряжения, равного напряжению отсечки, полевой транзистор с барьером Шотки закроется и через него ток течь не будет (закрытое состояние).
Заявленный способ основан на измерении комплексных параметров рассеяния (S-параметров).
Полевой транзистор с барьером Шотки включают по схеме с общим истоком и помещают в специальную измерительную линию.
Измерение S-параметров проводят на анализаторе цепей в рабочей полосе частот 0,5…18 ГГц.
В ключевом режиме полевой транзистор с барьером Шотки ведет себя как взаимный прибор СВЧ, поэтому для S-параметров полевого транзистора с барьером Шотки на всех частотах выполняется равенство
12
21
S=S.
Представляют эквивалентную схему полевого транзистора с барьером Шотки в виде Т-образного соединения трех комплексных сопротивлений
1
k
1k
1k
Z(f)=R+j×X,
2
k
2k
2k
Z(f)=R+j×X,
3
k
3k
3k
Z(f)=R+j×X,
3
1
2
3
i
i
i
при этом комплексное сопротивление Z включают параллельно, а комплексные сопротивления Z и Z включают последовательно входу и выходу полевого транзистора с барьером Шотки слева и справа относительно комплексного сопротивления Z соответственно, каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L, и емкости, которую описывают параметром C,
а определение значений параметров осуществляют посредством двух математических процедур, при этом
в первой определяют три комплексных сопротивления в 18 точках рабочей полосы частот из математических формул для каждого из состояний:
,
,
,
i
i
i
во второй определяют значения параметров прибора СВЧ R, L и C из математических формул:
,
,
,
Итак:
Для открытого состояния собственно параметры полевого транзистора с барьером Шотки составили:
1
2
3
R=1,24 Ом, R=1,35 Ом, R=0,55 Ом,
1
2
3
C=0,85 пФ, С=0,15 пФ, С=0,03 пФ,
1
2
3
L=0,33 нГн, L=0,29 нГн, L=0,05 нГн.
Для закрытого состояния собственно параметры полевого транзистора с барьером Шотки составили:
1
2
3
R=1,22 Ом, R=1,28 Ом, R=0,60 Ом,
1
2
3
C=0,47 пФ, С=0,22 пФ, С=0,06 пФ,
1
2
3
L=0,34 нГн, L=0,28 нГн, L=0,055 нГн.
Из полученных результатов видно:
во-первых, шесть собственно параметров полевого транзистора с барьером Шотки - сопротивлений и индуктивностей - мало изменяются при переходе от одного состояния к другому,
во-вторых, эти параметры определены с высокой точностью - менее 10%.
Таким образом, заявленный способ определения параметров прибора СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
во-первых, существенное упрощение способа благодаря исключению:
ЭВМ большой мощности,
необходимости выполнения сложной математической процедуры оптимизации с применением упомянутой ЭВМ,
определения начальных значений параметров прибора СВЧ для выполнения процедуры оптимизации с применением упомянутой ЭВМ;
во-вторых, повышение точности примерно в 2-3 раза.
Источники информации
Городецкий А.Ю., Дудинов К.В., Емельянов A.M., Днестранская Е.Ю. «Принцип создания маштабируемых моделей транзисторов на основе наногетероструктур» // Электронная техника, серия 1, СВЧ-техника, 2012 г., вып. 1, с. 91 - прототип.