СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА СВЧ

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при проектировании устройств СВЧ широкого применения.

В основе проектирования устройств управления амплитудой сигнала СВЧ (ограничителей, переключателей и т.д.) лежит нелинейная модель диода, которая в простейшем случае описывается эквивалентной схемой с элементами (емкостью, проводимостью, источником тока и т.п.), величины которых являются нелинейными функциями приложенных к этим элементам напряжений. Так зависимость тока от напряжения прибора СВЧ, как правило, представляет собой резко возрастающую функцию.

Известен способ определения параметров прибора СВЧ, включающий измерение Μ значений тока I_j, протекающего через прибор, и Μ значений напряжения U_j на электрических контактах прибора при значениях j, равных 1, 2, … М,

моделирование работы прибора в виде нелинейной функции этого напряжения на электрических контактах прибора от этого тока и определяемых параметров,

собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами [1] - прототип.

Недостатком этого способа является то, что измерение вольтамперной характеристики прибора осуществляют при сравнительно малых значениях тока, протекающего через прибор.

Между тем при работе в устройствах управления амплитудой, особенно в защитных устройствах, ток через прибор СВЧ может достигать большой величины и поэтому точность определения параметров приборов СВЧ данным способом приводит к снижению точности, так что при больших токах способ определения параметров прибора СВЧ приводит к большой погрешности при проектировании устройств СВЧ.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей способа определения параметров прибора СВЧ.

Технический результат достигается заявленным способом определения параметров прибора СВЧ включающим измерение Μ значений тока I_j, протекающего через прибор, и Μ значений напряжения U_j на электрических контактах прибора при значениях j равных 1, 2, … М,

моделирование работы прибора в виде нелинейной функции этого напряжения на электрических контактах прибора от этого тока и определяемых параметров,

собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами, в котором дополнительно измеряют N значений тока I_i и N значений дифференциального сопротивления R_i при значениях i, равных 1, 2, … N,

дополнительно осуществляют моделирование работы прибора нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров,

а собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами осуществляют при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.

Раскрытие сущности заявленного изобретения

Совокупность существенных признаков заявленного способа определения параметров прибора СВЧ, а именно когда:

дополнительно измеряют N значений тока I_i и N значений дифференциального сопротивления R_i при значениях i, равных 1, 2,…N,

дополнительно осуществляют моделирование работы прибора нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров,

а собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами осуществляют при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.

Это обеспечит возможность:

во-первых, использования помимо измерения напряжения результатов измерения второй, отличной от напряжения, характеристики прибора СВЧ - дифференциального сопротивления, что приводит к увеличению, по меньшей мере, вдвое точности определения параметров прибора СВЧ и к расширению его функциональных возможностей;

во-вторых, увеличения от N до Μ+N числа измеряемых значений тока, и тем самым увеличения, по меньшей мере, в (Μ+Ν)/Ν раз точности определения параметров прибора СВЧ;

в-третьих, расширения диапазона изменения тока, протекающего через прибор СВЧ, благодаря возможности измерения вольтамперных характеристик прибора СВЧ при малых и средних значений тока, а дифференциального сопротивления - при больших значениях тока и тем самым возможности определения параметров прибора СВЧ для более широкого диапазона токов, при этом в сторону больших токов и, как следствие, - расширение функциональных возможностей;

в-четвертых, применения метода наименьших квадратов, дающего наибольшую точность из всех известных методов, применяемых для обработки результатов измерения, поскольку полное число уравнений (М+Ν) больше числа определяемых параметров.

Сущность изобретения подтверждается также следующими теоретическими выкладками.

Прибор СВЧ имеет низкое сопротивление при прямом включении и высокое - при обратном. Это свойство прибора СВЧ может быть описано с помощью зависимости

где

V_T - температурный потенциал;

в идеальном случае V_T=k×T/e, e - заряд электрона,

k - постоянная Больцмана,

Т - температура в градусах Кельвина,

при комнатной температуре Т=300 K и V_T=0,026 В.

I_S - ток насыщения.

Если к прибору СВЧ приложить напряжение U₀, то через прибор СВЧ будет протекать ток I. Величины напряжения U₀ и тока I измеряют. Часть напряжения в приборе СВЧ падает в области движения электронов, которая описывается сопротивлением R_S, а другая часть U - в области, где это движение отсутствует, поэтому внешнее напряжение U₀ распределяется между двумя областями

С учетом условия I>>I_S и выражения (1) это равенство можно записать в виде

С помощью измерителя LCR-параметров (Тип Л52) измеряют дифференциальное сопротивление прибора

Поскольку I>>I_S, то выражение (4) преобразуется к виду

При малых токах измеряют зависимость тока от напряжения. При этом получают Μ значений напряжения U_0j и тока I_j, связанных соотношением (3);

j=1,…M.

При больших токах измеряют N значений дифференциального сопротивления R_j и тока I_i, связанных соотношением (5);

i=1,…N.

Параметры прибора СВЧ, которые требуется определить, обозначим в виде неизвестных переменных: x=R_S, y=V_T, z=V_T×ln(I_S).

Таким образом, для определения этих неизвестных необходимо решить систему Μ+N уравнений:

x×I_j+y×ln(I_j)-z-U_0j=0,

x×I_i+y-R_i×I_i=0, i=1, … N.

Для решения системы уравнений воспользуемся методом наименьших квадратов [2].

Для этого запишем сумму квадратов

Здесь токи I_j и I_i разделены, чтобы иметь возможность отдельно получать решения по измеренным ΒΑΧ и сопротивлениям.

Минимум суммы находится путем приравнивания к нулю частных производных S по x, y и z. После ряда преобразований, получаем систему из трех уравнений с тремя неизвестными:

,

x(I)_CM+y(lnI)_CM-z·M=(U₀)_CM,

где

,

Решение системы (8) находится методами линейной алгебры.

Если используется только ΒΑΧ - зависимость напряжения от тока, то в системе (8) отбрасываются все члены, содержащие суммирование по i, если используются только зависимости сопротивления от тока, то отбрасываются члены, содержащие суммирование по j. Отметим, что в последнем случае не определяется ток насыщения I_S, поскольку он не входит в уравнение (4).

Итак, как видно теоретическое обоснование полностью подтверждает реализацию заявленного способа определения параметров прибора СВЧ и достижение технического результата - повышение точности и расширение функциональных возможностей.

Пример конкретной реализации способа определения параметров прибора СВЧ.

Рассмотрим определение параметров ограничительного кремниевого диода СВЧ типа «Параграф» с толщиной базы d=0.7 мкм и диаметром мезаструктуры D=20 мкм.

Измеряют Μ значений тока I_j, протекающего через прибор СВЧ - кремниевый диод СВЧ (далее диод), и Μ значений напряжения U_j на его контактах при значениях j, равных 1, 2, … М.

Моделируют работу диода в виде нелинейной функции этого напряжения на его контактах от этого тока и определяемых параметров.

Дополнительно измеряют N значений тока I_i и N значений дифференциального сопротивления R_i, при значениях i, равных 1, 2, … N.

Дополнительно осуществляют моделирование работы диода нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров.

Определяют собственно параметры диода решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.

Измеренные зависимости для этого диода:

1. Напряжения от тока (М=4) приведены в табл. 1.

2.Сопротивления от тока (N=9) приведены в табл.2:

При использовании только зависимостей напряжения от тока (табл. 1) в результате расчета были получены значения параметров диода:

R_S=2,45 Ом; V_T=0,0356 В; I_S=0,67·10^-13 А.

При использовании только зависимостей сопротивления от тока (табл. 2) в результате расчета по предложенной методике были получены значения параметров диода:

R_S=1,775 Ом; V_T=0,04 В.

При использовании обоих зависимостей (табл. 1 и 2) были получены значения параметров диода:

R_S=1,82 Ом; V_T=0,037 В; I_S=1,53·10^-13 А.

Примеры 2-9.

Аналогично примеру 1 определены параметры для других ограничительных диодов того же типа, но имеющих другие конструкционные параметры (геометрические размеры).

Данные представлены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, заявленный способ позволяет:

1. Рассчитывать параметры диода, при этом сопротивление R_S определяется с наибольшей погрешностью.

2. Величины напряжения V_T и тока I_S практически не зависят от диаметра диода.

Таким образом, заявленный способ определения параметров прибора СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом повышение точности примерно в два раза и расширение функциональных возможностей.

Источники информации

1. Обзоры по электронной технике. Серия 1, Электроника СВЧ. 1991 г., вып. 7, с. 52 - прототип.

2. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений М., Физматгиз. - 1962 г.