Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2013
Chin-Leong Lim, Avago Technologies, Малайзия
Electronic Design
Схемы на основе Шоттки и PIN диодов обеспечивают требуемую защиту коммуникационного оборудования и других радиочастотных систем. Однако при их использовании инженеры сталкиваются с проблемой ограничения верхних частот. Как при синхронной, так и при асинхронной передаче излучаемая мощность может вызывать перегрузку входных цепей приемников беспроводных коммуникационных систем. В дуплексных системах с временным разделением несовершенство изоляции между портами коммутатора или циркулятора становится причиной синхронной перегрузки, в то время как источниками сигналов, приводящих к асинхронной перегрузке, являются расположенные поблизости антенны других систем связи.
Иная ситуация возникает в приемниках сигналов ЯМР (ЯМР – ядерный магнитный резонанс), где причиной перегрузок является «звон», после возбуждающего импульса, сопровождающий высвобождение энергии, запасенной в катушке ЯМР-зонда. На устойчивости к перегрузкам, к сожалению, сказывается и уменьшение размеров малошумящих усилителей (МШУ). Например, максимально допустимая входная мощность МШУ с транзисторами, изготовленными по технологии PHEMT с проектными нормами 0.25 мкм, при размерах кристалла 400 мкм и 800 мкм составляет 7 дБм и 10 дБм, соответственно.
Перегрузки неблагоприятно сказываются и на целостности передаваемой информации. Значительный выход за пределы допустимых режимов приводит к немедленному отказу устройства, вызванному перегоранием металлических межсоединений или пробоем переходов транзистора. Экспоненциальный рост тока затвора при перегрузке также сокращает срок службы прибора из-за электромиграции металлов. Постоянное воздействие небольших перегрузок может приводить либо к снижению выходной мощности устройства, либо к росту выходных интермодуляционных искажений. Как следствие, в приемниках ЯМР устройств происходит потеря полезной информации в период «мертвого времени», пока усилитель восстанавливается после насыщения.
Ограничитель защищает вход устройства от перегрузок, пропуская ВЧ сигналы с амплитудой ниже установленного порогового значения, и выступает в роли аттенюатора, рассеивая избыточную мощность сигналов, превышающих безопасный уровень. Простейшая схема ограничителя, состоящая из PIN диода с параллельно включенной индуктивностью для отвода постоянной составляющей, называется «ограничителем с автоматическим смещением». Однако порог ограничения данной схемы выше, чем допустимый предел перегрузки для большинства МШУ. Включением диода Шоттки параллельно основному PIN диоду (Рисунок 1) добиваются снижения порога срабатывания ограничителя на 10 дБ за счет более низкого прямого падения напряжения на диоде Шоттки. Такая схема называется «улучшенным ограничителем с Шоттки и PIN диодами».
 |
|
| Рисунок 1. | Принципиальная и эквивалентная схемы ограничителя на Шоттки и PIN диодах. |
Поскольку для эффективного выполнения своей функции ограничитель должен устанавливаться перед всеми усилительными каскадами, вносимые им потери при малых сигналах пропорционально увеличивают суммарный коэффициент шума (в дБ). Вносимые ограничителем потери обусловлены, в первую очередь, паразитными емкостями диодов, нагружающими линии передачи. Раньше СВЧ ограничители выпускались на основе бескорпусных диодов. Выпускаемые массовыми тиражами современные ограничительные диоды герметизируются в пластиковые корпуса, существенно увеличивающие их емкость. Кроме того, в ограничителе на Шоттки и PIN диодах дополнительный диод также увеличивает потери по сравнению с ограничителем только на PIN диоде.
Актуальность уменьшения емкости диодов в ограничителе подтверждается большим количеством публикаций по этой теме. Изготовление кристаллов нескольких диодов на одной подложке максимально близко друг к другу может уменьшить емкость, но при этом возрастает прямое падение напряжения на такой сборке, а значит порог напряжения ограничения. Сокращение площади перехода PIN диода за счет использования меза-структуры уменьшает паразитную емкость, но, к сожалению, при этом увеличивается переходное тепловое сопротивление диода.
Альтернативные способы изоляции диода Шоттки от линии передачи ВЧ сигнала могут быть реализованы с помощью высокоимпедансной четвертьволновой линии или направленного ответвителя, однако такое пассивное решение увеличивает стоимость и размеры ограничителя. Подключение диодов к точке с низким импедансом (12.5 Ом) может снизить емкостную нагрузку, но при этом потребуются понижающий и повышающий трансформаторы.
Для уменьшения потерь на высоких частотах в этом классе ограничителей предложена и исследована нестандартная конфигурация схемы, не требующая перечисленных выше компромиссов. Схема основана на использовании паразитной емкости диодов в качестве элементов лестничного фильтра нижних частот. Использование паразитной емкости для уменьшения потерь в ограничителях на PIN диодах с автоматическим смещением уже рассматривалось в ряде публикаций, но это первая работа, в которой изучается подобная схема на Шоттки и PIN диодах. В статье описывается ограничитель с низкими потерями и экспериментальные результаты, подтверждающие улучшение характеристик ограничителя.
Методы и средства исследования
Для быстрого изготовления прототипа были использованы дешевые диоды в корпусах SOT-323 из стандартной номенклатуры Avago Technologies. Использованный PIN диод имеет I-слой высотой 1.5 мкм с емкостью при нулевом смещении около 1 пФ, и корпус с двумя анодными выводами, что очень удобно для данной конструкции (Рисунок 2). Диод с тонким I-слоем был выбран из-за более высокого быстродействия и чувствительности (порога ограничения), а также из-за низких импульсных токов утечки. На переходе диода Шоттки при прямом токе 1 мА падает 250 мВ, а емкость при нулевом смещении составляет порядка 0.8 пФ. Паразитные индуктивности внутренних проволочных проводников и внешних выводов диодов равны 0.7 нГ и 0.4 нГ, соответственно.
 |
|
| Рисунок 2. | Внутреннее изображение PIN диода дает представление о способе подключения анода к двум выводам корпуса. |
Прототип ограничителя был собран на печатной плате из диэлектрика FR-4 толщиной 0.76 мм с 50-омным заземленным копланарным волноводом, имеющим разрез в средней части (Рисунок 3). PIN диод установлен на плату таким образом, чтобы анодные выводы перекрывали разрез центрального проводника. Диод Шоттки соединен с выходом линии передачи обычным для этого класса ограничителей способом. Комбинация двуханодного PIN диода, диода Шоттки и разрезанной линия передачи образует цепь, малосигнальная схема замещения которой соответствует двухзвенному фильтру нижних частот.
 |
|
| Рисунок 3. | Печатная плата для оценки характеристик предложенного ограничителя (сверху), его конструкция (внизу слева), а также упрощенная эквивалентная схема (внизу справа). |
Для сравнения характеристик на той же плате был собран ограничитель с традиционным подключением Шоттки и PIN диодов к линии передачи. В обоих ограничителях использованы идентичные диоды. Поскольку в обычном включении оба диода параллельны, эквивалентная схема такого ограничителя для малых сигналов может быть представлена в виде одного конденсатора емкостью 1.8 пФ.
Результаты и выводы
Экспериментальные результаты подтверждают, что новая конфигурация уменьшает вносимые потери и расширяет рабочую полосу частот ограничителя. Для частот ниже 300 МГц потери в обеих схемах почти одинаковы, поскольку влияние паразитных емкостей на этих частотах минимально. Зато, как только частота достигает 300 МГц, различие уровней потерь ограничителей становится хорошо заметным, и продолжает расти (Рисунок 4). Измерения показали впечатляющее снижение потерь на 0.8 дБ в полосе частот 2.1 ГГц, широко используемой телекоммуникационными системами поколения 3G. Количественной мерой улучшения может также служить расширение рабочей полосы частот, поскольку новая конфигурация почти удваивает верхний предел рабочих частот ограничителя, поднимая его с 1.3 ГГц до 2.4 ГГц по уровню потерь 1 дБ.
 |
 |
||
| Рисунок 4. | В новой конфигурации ограничителя существенно улучшена зависимость вносимых потерь от частоты. | Рисунок 5. | Вносимые потери для слабого сигнала при новой конфигурации ограничителя, измеренные до и после компенсации потерь в измерительном стенде, отчетливо демонстрируют эффект компенсации. |
От реального устройства, вероятно, можно будет ожидать гораздо лучших результатов, поскольку измерительный стенд вносит дополнительные потери. Скорее всего, в действующем приборе проводники печатной платы будут намного короче, а выход ограничителя будет подключен непосредственно к МШУ без ВЧ разъема. Если нормализовать графики на Рисунке 4 и вычесть составляющую потерь от измерительного стенда, полоса пропускания нового ограничителя по уровню 1 дБ поднимется до 3 ГГц (Рисунок 5).
Помимо сокращения вносимых потерь, схема, как неожиданно оказалось, снижает и возвратные потери (RL), особенно в полосе от 1.2 ГГц до 3 ГГц, где характеристика RL улучшилась более, чем на 4 дБ (Рисунок 6). По видимому, это объясняется тем, что лестничный фильтр, которому эквивалентна новая конфигурация, обеспечивает лучшее согласование, чем просто шунтирующий конденсатор. В области, где характеристика RL остается ниже –10 дБ, новый вариант схемы расширяет верхнюю граничную частоту схемы до 2.9 ГГц, почти утраивая ее по сравнению с 1.1 ГГц для обычной конфигурации.
 |
 |
||
| Рисунок 6. | Зависимость возвратных потерь (RL) от частоты для традиционной и новой конфигураций ограничителя демонстрирует улучшение характеристики от 4 до 6 дБ во всем диапазоне частот. | Рисунок 7. | Зависимость мощности на выходе ограничителя от входной мощности на частоте 900.1 МГц для традиционной и новой конфигураций демонстрирует, как паразитная индуктивность выводов PIN диода улучшает изоляцию, когда диод находится в низкоимпедансном состоянии. |
Лестничная цепь не влияет на порог ограничения, но улучшает изоляцию схемы. На частоте 900 МГц порог ограничения для обеих конфигураций примерно одинаков и составляет порядка 3 дБм (Рисунок 7). Неожиданным сюрпризом, обнаружившимся в новом варианте схемы, оказалось снижение уровня проникающей на выход ограничиваемой входной мощности. Из графика видно, что при входной мощности 30 дБм утечка сигнала через ограничитель снижается почти на 4 дБ. В новой конфигурации паразитные индуктивности корпуса PIN диода (LPKG), включенные последовательно с сигнальной линией, образуют изолирующий барьер, в то время как в традиционной конфигурации они лишь шунтируют линию передачи. Также стала более пологой передаточная характеристика ограничителя, поскольку угол наклона уменьшился до 0.3 дБ/дБ.
 |
|
 |
|
| Рисунок 8. | Блок-схема измерительного стенда для исследования переходных характеристики обеих конфигураций ограничителей (а) и временные зависимости мощности на их выходах (б). Обратите внимание, что в новой конфигурации амплитуды выброса и пологой части характеристики ниже примерно на 5 мВ. |
Лестничный фильтр не вносит запаздывания в переходную характеристику ограничителя. Кроме того, он частично гасит первоначальную энергию импульса. Переходная характеристика снималась при воздействии на вход 10-микросекундных пачек импульсов с несущей частотой 900 МГц и мощностью 30 дБм. (Энергия воздействия P × t = 10–6 Дж). Для обеих конфигураций длительность выбросов просачивающейся мощности равна приблизительно 2 мкс (Рисунок 8). Хорошо видно, что в новой конфигурации представленная площадью под импульсом энергия выброса существенно ниже. Видно также, что уменьшился и средний уровень пологой части переходной характеристики.
 |
|
| Рисунок 9. | Набор испытательного оборудования, использованного для оценки отношения мощностей на входах и выходах ограничителей, должен минимизировать артефакты измерений. Аттенюатор предотвращает выгорание датчика мощности. |
Обратите внимание, что в процессе свипирования входной мощности, по достижении определенного уровня входного сигнала, ограничительные диоды насыщаются, и с этого момента их можно рассматривать как короткое замыкание для предающей линии. Изолятор и аттенюатор в изображенной на Рисунке 9 измерительной установке нужны для того, чтобы исключить артефакты измерений, проявляющиеся в виде «провисания» характеристик на Рисунке 7. На выходе тестируемого устройства лучше установить аттенюатор с затуханием 10 дБ, поскольку, в отличие от изолятора, он будет не только буферизовать изменения импеданса, но и сможет защитить датчик мощности от выгорания.
Заключение
По сравнению с традиционной конфигурацией, новая схема включения Шоттки и PIN диодов одновременно снижает вносимые потери, улучшает согласование, расширяет рабочую полосу частот и уменьшает проникновение входной мощности на выход. Изменения не требуют других компонентов или дополнительного места на печатной плате, поскольку используются неотъемлемые паразитные характеристики диодов, играющие в описанной конструкции роль многозвенного фильтра нижних частот.
Хотя паразитные емкости в качестве компонентов фильтров нижних частот и раньше с успехом использовались для снижения вносимых потерь в простых ограничителях на PIN диодах, полученные результаты показывают, что аналогичного эффекта можно добиться в улучшенном ограничителе с Шоттки и PIN диодами. Новая конфигурация увеличит чувствительность устройств беспроводной связи и ЯМР/МРТ приемников, использующих этот класс ограничителей. Кроме того, это решение позволяет расширить частотный диапазон использования диодов в пластиковых корпусах.
