СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА СВЧ Российский патент 2015 года по МПК G01R27/00 

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

Z₁(f_k)=R_1k+j×X_1k,

Z₂(f_k)=R_2k+j×X_2k,

Z₃(f_k)=R_3k+j×X_3k,

где

R_1k, R_2k, R_3k - активные составляющие трех комплексных сопротивлений соответственно,

X_1k, X_2k, X_3k - реактивные составляющие трех комплексных сопротивлений соответственно,

,

при этом комплексное сопротивление Z₃ включают параллельно, а комплексные сопротивления Z₁ и Z₂ включают последовательно входу и выходу прибора СВЧ слева и справа относительно комплексного сопротивления Z₃ соответственно,

каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R_i, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L_i, и емкости, которую описывают параметром C_i,

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

S₁₁(f_k), S₂₁(f_k), S₂₂(f_k) - комплексные параметры рассеяния прибора СВЧ, измеренные в n точках рабочей полосы частот,

Z₀ - сопротивление на входе и выходе прибора СВЧ,

k равно 1, 2, 3…n,

во второй определяют собственно параметры прибора СВЧ R_i, L_i и C_i из математических формул соответственно:

,

,

,

где

ω_k=2×π×f_k,

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

Z₁(f_k)=R_1k+j×X_1k,

Z₂(f_k)=R_2k+j×X_2k,

Z₃(f_k)=R_3k+j×X_3k,

при этом комплексное сопротивление Z₃ включают параллельно, а комплексные сопротивления Z₁ и Z₂ включают последовательно входу и выходу прибора СВЧ слева и справа относительно комплексного сопротивления Z₃ соответственно,

каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R_i, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L_i, и емкости, которую описывают параметром C_i,

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:

,

,

,

во второй определяют собственно параметры прибора СВЧ R_i, L_i и C_i 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.

Частотная зависимость реактивной составляющей комплексного сопротивления при последовательном соединении двух реактивных элементов - индуктивности, которая описывается параметром L_i, и емкости, которая описывается параметром C_i, описывается математической формулой

.

Оптимальные значения L_i и C_i определяются с помощью метода наименьших квадратов, при котором сумма F_i, равная

,

достигает минимального значения.

Приравнивая производные суммы F_i по параметрам L_i и C_i к нулю, получаем систему двух уравнений

,

.

Решение этой системы имеет вид:

,

,

Сопротивление, которое описывается параметром R_i, 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;

Концентрация носителей - 2×l0¹⁷ см^-3;

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

S₁₂=S₂₁.

Представляют эквивалентную схему полевого транзистора с барьером Шотки в виде Т-образного соединения трех комплексных сопротивлений

Z₁(f_k)=R_1k+j×X_1k,

Z₂(f_k)=R_2k+j×X_2k,

Z₃(f_k)=R_3k+j×X_3k,

при этом комплексное сопротивление Z₃ включают параллельно, а комплексные сопротивления Z₁ и Z₂ включают последовательно входу и выходу полевого транзистора с барьером Шотки слева и справа относительно комплексного сопротивления Z₃ соответственно, каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R_i, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L_i, и емкости, которую описывают параметром C_i,

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:

,

,

,

во второй определяют значения параметров прибора СВЧ R_i, L_i и C_i из математических формул:

,

,

,

Итак:

Для открытого состояния собственно параметры полевого транзистора с барьером Шотки составили:

R₁=1,24 Ом, R₂=1,35 Ом, R₃=0,55 Ом,

C₁=0,85 пФ, С₂=0,15 пФ, С₃=0,03 пФ,

L₁=0,33 нГн, L₂=0,29 нГн, L₃=0,05 нГн.

Для закрытого состояния собственно параметры полевого транзистора с барьером Шотки составили:

R₁=1,22 Ом, R₂=1,28 Ом, R₃=0,60 Ом,

C₁=0,47 пФ, С₂=0,22 пФ, С₃=0,06 пФ,

L₁=0,34 нГн, L₂=0,28 нГн, L₃=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.

Способ определения параметров прибора СВЧ, включающий 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. Причем эквивалентную схему прибора СВЧ представляют в виде Т-образного соединения трех комплексных сопротивлений Z₁, Z₂, Z₃, при этом комплексное сопротивление Z₃ включают параллельно, а комплексные сопротивления Z₁ и Z₂ включают последовательно входу и выходу прибора СВЧ слева и справа относительно комплексного сопротивления Z₃ соответственно, каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R_i, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L_i, и емкости, которую описывают параметром C_i, а определение собственно параметров осуществляют посредством двух математических процедур, при этом в первой определяют три комплексных сопротивления в n точках рабочей полосы частот, во второй - собственно параметры прибора СВЧ R_i, L_i и C_i из соответствующих математических формул. Технический результат заключается в существенном упрощении способа и повышении точности определения. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ определения параметров прибора СВЧ, включающий 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, отличающийся тем, что эквивалентную схему прибора СВЧ представляют в виде Т-образного соединения трех комплексных сопротивлений

где
R_1k, R_2k, R_3k - активные составляющие трех комплексных сопротивлений соответственно,
X_1k, X_2k, X_3k - реактивные составляющие трех комплексных сопротивлений соответственно,
,
при этом комплексное сопротивление Z₃ включают параллельно, а комплексные сопротивления Z₁ и Z₂ включают последовательно входу и выходу прибора СВЧ слева и справа относительно комплексного сопротивления Z₃ соответственно, каждое из трех комплексных сопротивлений представляют последовательным соединением активного элемента - сопротивления, которое описывают параметром R_i, и двух реактивных элементов - индуктивности, которую описывают параметром L_i, и емкости, которую описывают параметром C_i,
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
S₁₁(f_k), S₂₁(f_k), S₂₂(f_k) - комплексные параметры рассеяния прибора СВЧ, измеренные в n точках рабочей полосы частот,
Z₀ - сопротивление на входе и выходе прибора СВЧ,
k равно 1, 2, 3…n,
во второй определяют собственно параметры прибора СВЧ R_i, L_i и C_i из математических формул соответственно:
,
,
,
где
,
π=3,14156592.

2. Способ определения параметров прибора СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что прибором СВЧ может быть, например, электронный прибор, полупроводниковый прибор, электровакуумный прибор, электродинамическая система.