дующей подгонкой значений параметров в выражении полного сопротивления моделируемой эквивалентной схемы. Для схемы приведенной на рнс. 9.8, расчетное значение полного сопротивления определи ется формулой

-of LC[R,-R,) LC

(9 48)

С другой стороны полное сопротивление диода можно определить ис ходя из структуры прибора, свойств материала и с учетом выбора рабочей точки Затем это значение полного сопротивления приравнивается значению Z (w) определяемому формулой (9.48), Полное сопротив ление прибора может быть рассчитано по формуле

Ч I 1

sin 6

~((вп (,)}»

(9 49)

где Лпосд " последовательное сопротивление диода; ш., - лавинная

частота; и, -~ скорость насыщения носителей в полупроводнике;

диэлектрическая проницаемость полупроводника; А - площадь по перечного сечения диода; 1 ~ длина области лавины; 1 - длина области дрейфа; Сд = еоСгЛ д - емкость области дрейфа 9 шТд "Гд - ij ~ время прохождения области дрейфа.

Уравнение (9.49) является функцией четырех независимых пара метров: ТдСд /л/д и сол- Первые три могут быть получены путем из мерения профиля распределения легирующей примеси. Четвертый о)п, зависит также от рабочей точки и может быть измерен или оценен

Параметры эквивалентной схемы можно определить, аналитически сравнивая (9,48) и (9.49), Допуская некоторые приближения для эле ментов схемы, получаем

«1-Л!1пгл +0.25а (1-

Hs-Rt

С -b(to*L) L -4

0 06a) b

(9,50) (9.51) (9.52) (9 53)

(9 54)

где aw., Тд! Ь--ш, Сд.

Эквивалентная схема для болыиого сигнала (13) Малосигнальная эквивалентная схема, показанная на рнс. 9.8, может быть также использована для случая большого сигнала если считать, что 176

и L являются квадратичными функциями амплитуды СВЧ напряжения на диоде

(9 55) (9 56)

где й;;" L" - соответствующие малосигнальные значения; Гг а. j ~ константы, определяющиеся нелинейностью Значения этих констант дюгут быть найдены из условия хорошего соответствия между проводимостями диода Од и Оэкв- Д-я определения этих констант могут быть также использованы и некоторые другие критерии. Г[ля некоторых диодов значения этих констант найдены в ПЗ]-

г, 10 V. Га--8-!0 VV

(, -3 10 » 1г-~7 \0-/V

Как и схемы на диодах Ганна многие схемы на ДПД проектируют, ос новываясь на представлении ЛПД в виде простого эквивалентного ком ллексного сопротивления Эти комплексные сопротивления опреде ляют экспериментально при условиях в которых используется при бор

Глава 10

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

В предыдущих главах рассматривалось моделирован>1е компонентов различных типов, используемых в устройствах СВЧ. Однако в ряде случаев аналитические модели оказываются недостаточно точными Причиной этого являются, например, неоднородности в различных ли ниях передачи. Характеристики неоднородностей некоторых новых ти нов линий, таких как щелевые линии, копланарные волноводы, коп ланарные полосковые линии, еще недостаточно изучены. Кроме это го, параметры некоторых компонентов, таких как полупроводниковые приборы, резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы значи тельно изменяются от образца к образцу. Причиной этого является не точность изготовления из-за использования сложных технологических процессов В этих и других аналогичных случаях требуемые модели для машинного проектирования могут быть получены только экспе риментальными методами с помощью точных измерений

Все необходимые характеристики для моделирования могут быть получены измерением S-параметров многополюсных компонентов и полных входных сопротивлений (или комплексных коэффициентов от ражений) для двухполюсных приборов. В настоящей главе описывают ся используемые для этих целей методы измерений

10 1 ИЗМЕРЕНИЕ S ПАРАМЕТРОВ НА СВЧ

Для измерения S параметров на СВЧ используются измерители комплексных коэффициентов передачи. Здесь рассматриваются три типа измерителей. По сравнению с используемыми ранее измеритель ными линиями и рефлектометрами эти приборы позволяют существенно увеличить скорость измерений, упростить и повысить их точность

Ш11 ИЗМЕРЕНИЕ 5 ПАРАМЕТРОВ

Как гоюрилосьвгл 2. параметры рассеяния многополюсника определяются отношением волновых переменных на выходе к волновым переменным на входе:

(10 \)

Следовательно, для определения параметра Sn необходимо найти от иотекие двух комплексных величин: fc к а„ В измерителе вырабаты ваются сигналы, пропорциональные значениям 6„ и а„. и затем опре деляется их отношение (в комплексной форме).

Обычно значения а, й„ и т д не могут быть измерены правильно непосредственно в плоскости выводов. Они измеряются с помощью специального линейного измерительного устройства, как показано на рис. 10.1. В общем виде измеряемые сигналы Ь и bi связаны со знэче ниями а,п и Ьт системой линейных уравнений:

-.4д„, , ВЬ„, (10.2)

Ь,-Са„ \ Db„ (10 3)

где -4.fi CD - комплексные константы. Измерительное устройство выполняется таким образом, чтобы константы А к D были равными ну лю, поэтому значения 6., и Ь оказываются пропорциональными значениям Ь„, и От соответственно. Принцип работы такого измерителя по ясняется на рис 10 2 ("игнал на измерительное устройство поступает

J ЛнЪинотар

Рис lOI Схема измерения параметров Smm многополюсника 178

Рис 102 Структурные схемы измерения компле1. {а) \\ комплексных коффициентои передачи (б)

от генератора качающейся частоты. Измерительное устройство пред назначенное для измерения параметра 5,„„, (рис Ю.2,й), состоит, по существу, из двух направленных ответвителей падающей и отражен мой юли. которые включаются так же, как в реф1ектометрах. В случае измерения параметра [т Ф п) измерительным устройством является делитель .мощности, как noKasaFro на рис, 10.26. Измеритель ное устройства имеет два выхода - опорного сигнала и отраженного пли прошедшего сигнала, которые содержат информацию об изме ряемых параметрах и 5„,„. 11нд»каторный блок преобразует дан ные в формат, выбранный пользователем. Данные могут быть органи :юваны одним из двух способов: информация об амплитудах и фазах мо жет поступать на стрелочные приборы или подаваться на экран оспил лографадля индикации кривой в полярных координатах

Наиболее важной частью измерителя является блок измерения ком плексных отношений. Точное измерение отно1]1ений комплексных сиг налов на СВЧ является трудной и дорогостоящей задачей. Обычно из мерительные и опорные сигналы переносятся на низкие частоты с по мощью стробоскопических смесителей. Отношение амплитуд и разность фаз измеряются на низких частотах (обычно иа частоте 278 кГц). Под робнан структурная схема преобразования частоты показана на рис. 10,3, В стробоскопических смесителях местный гетеродин обычной гетеродинной системы заменяется импульсным генератором, генерирующим последовательность очень коротких импульсов Если дли-

тельность импульсов мала по сравнению с периодом приложенного ВЧ сигнала то стробоскопический смеситель становится гармоническим с одинаковой эффективностью по каждой гармонике. Поэтому смеситель стробоскопического типа является единственным смесителем, который может работать в чрезвычайно широком диапазоне вход ных частот Для обеспечения работы смесителя в режиме качающейся частоты вводится внутренняя петля фазовой автоподстройки частоты, которая перестраивает импульсный генератор. Если петлю разомкнуть, то частота будет автоматически изменяться в выбранной пользователем части октавного диапазона. Когда какая-либо гармоника сигнала импульсного генератора на 20 МГц превышает частоту входного сигнала (первая ПЧ), поиск прекращается и петля замыкается. По иск и замыкание петли обычно завершаются за время около 20 мкс После описанного преобразования частоты процесс линеен. Преоб разованные вниз сигналы имеют такие же относительные амплитуды и фазы, как и измерительный и опорный СВЧ сигналы Дальнейшая обработка опорного и измерительного сигналов производится на проме жуточиой частоте. Сигналы промежуточной частоты поступают на два согласованных усилителя с автоматической регулировкой усиления которые поддерживают уровень опорного сигнала постоянным, а в из мерительном канале изменяют усиление так, чтобы уровень измери тыльного сигнала не изменялся прн одновременном изменении уровней в

и ттен/оатор -*. Мвтентар -

*- OtpOHuvurnena

Рис 10.3. CTpyKTypHdt обработки сигнала 180

обоих каналах. Это эквивалентно получению отношения, причем влия line изменения мощности источника сигнала устраняется. После второ-io сдвига частоты амплитудное детектирование и сравнение фаз сигна-тов производится на более низкой частоте, обычно равной 278 кГц.

В блоке индикации непосредственно считываются амплитуда и фаза параметра рассеяния 5п,п, или Sn

10 12 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ S ПАРАМЕТРОВ

Снстема автоматизированного измерителя имеет существенные пре-и.мущества в скорости, удобстве и точности измерений перед неавтоматической системой, рассмотренной в подразд. 10.1.1 Автоматические измерители способны производить точные измерения характеристик неизвестных приборов без системных погрешностей, присущих измерительной аппаратуре, накапливать результаты и представлять их фактически в любой математической форме. Данные измерений могут быть непосредственно использованы в системах автоматизированного проектирования ив процессе моделирования. В противоположность рассмотренной ранее системе, в которой точность измерений повышалась обыч-1ю за счет улучшения качества всего измерительного оборудования, автоматический измеритель может использовать несовершенную аппаратуру и соответствующим образом корректировать результаты измерений. Здесь нет необходимости предполагать равенство нулю коэффи циентов AkD в формулах (10-2) и (10.3) (что было правильным при использовании совершенного измерительного оборудования) Процесс измерения включает в себя вычисление системой всех четырех констант А, В С иО Отклонения констант А » D от нулевых значений определяются системными погрешностями. В автоматических измерителях этн значения запоминаются и используются для коррекции результатов встроенными ЭВМ.

Автоматический измеритель (рис 10.4) измеряет 5-параметры четы рехполюсников, подключаемых как показано на рисунке. Измерительный электромеханический блок, управляемый ЭВМ. выбирает прошедший (от входа 1 к входу 2 или от входа 2 к входу /) или отраженный сигнал (от входа 1 или 2), Выбранный сигнал поступает в из мерительный канал преобразователя частоты, В опорный канал Преоб разователя частоты поступает часть входного сигнала. На измеритель ный блок сигнал поступает от генератора качающейся частоты, который также программируется и управляется ЭВМ,

Измеритель S-параметров здесь аналогичен измерителю неавто матизированной системы, показанной на рис. 10.3 В рассматривае мом случае СВЧ сигнал коммутируется переключателями по командам поступающим от ЭВМ. Информация об амплитуде и фазе преобразует ся в цифровую форму с помощью двух аналого-цифровых преобразова телей н затем поступает на вход ЭВМ. Эта ЭВМ управляет всеми основ ными функциями измерительного комплекса. Кроме того, в ЭВМ хра нится частотная зависимость собственных погрешностей системы (как по амплитуде, так и по фазе) и выполняются необходимые математи ческие вычисления