[1]Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при проектировании устройств СВЧ широкого применения.
[2]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.
[3]Известен способ определения параметров прибора СВЧ, включающий измерение Μ значений тока Ij, протекающего через прибор, и Μ значений напряжения Uj на электрических контактах прибора при значениях j, равных 1, 2, … М,
[4]моделирование работы прибора в виде нелинейной функции этого напряжения на электрических контактах прибора от этого тока и определяемых параметров,
[5]собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами [1] - прототип.
[6]Недостатком этого способа является то, что измерение вольтамперной характеристики прибора осуществляют при сравнительно малых значениях тока, протекающего через прибор.
[7]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.
[8]Техническим результатом изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей способа определения параметров прибора СВЧ.
[9]Технический результат достигается заявленным способом определения параметров прибора СВЧ включающим измерение Μ значений тока Ij, протекающего через прибор, и Μ значений напряжения Uj на электрических контактах прибора при значениях j равных 1, 2, … М,
[10]моделирование работы прибора в виде нелинейной функции этого напряжения на электрических контактах прибора от этого тока и определяемых параметров,
[11]собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами, в котором дополнительно измеряют N значений тока Ii и N значений дифференциального сопротивления Ri при значениях i, равных 1, 2, … N,
[12]дополнительно осуществляют моделирование работы прибора нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров,
[13]а собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами осуществляют при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.
[14]Раскрытие сущности заявленного изобретения
[15]Совокупность существенных признаков заявленного способа определения параметров прибора СВЧ, а именно когда:
[16]дополнительно измеряют N значений тока Ii и N значений дифференциального сопротивления Ri при значениях i, равных 1, 2,…N,
[17]дополнительно осуществляют моделирование работы прибора нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров,
[18]а собственно определение параметров прибора решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами осуществляют при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.
[19]Это обеспечит возможность:
[20]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;
[21]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;
[22]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;
[23]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.
[24]Сущность изобретения подтверждается также следующими теоретическими выкладками.
[25]Прибор СВЧ имеет низкое сопротивление при прямом включении и высокое - при обратном. Это свойство прибора СВЧ может быть описано с помощью зависимости
[26]
[28]VT - температурный потенциал;
[29]в идеальном случае VT=k×T/e, e - заряд электрона,
[30]k - постоянная Больцмана,
[31]Т - температура в градусах Кельвина,
[32]при комнатной температуре Т=300 K и VT=0,026 В.
[34]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 RS, а другая часть U - в области, где это движение отсутствует, поэтому внешнее напряжение U0 распределяется между двумя областями
[35]
[36]С учетом условия I>>IS и выражения (1) это равенство можно записать в виде
[37]
[38]С помощью измерителя LCR-параметров (Тип Л52) измеряют дифференциальное сопротивление прибора
[39]
[40]Поскольку I>>IS, то выражение (4) преобразуется к виду
[41]
[42]При малых токах измеряют зависимость тока от напряжения. При этом получают Μ значений напряжения U0j и тока Ij, связанных соотношением (3);
[44]При больших токах измеряют N значений дифференциального сопротивления Rj и тока Ii, связанных соотношением (5);
[46]Параметры прибора СВЧ, которые требуется определить, обозначим в виде неизвестных переменных: x=RS, y=VT, z=VT×ln(IS).
[47]Таким образом, для определения этих неизвестных необходимо решить систему Μ+N уравнений:
[48]x×Ij+y×ln(Ij)-z-U0j=0, 
[49]x×Ii+y-Ri×Ii=0, i=1, … N.
[50]Для решения системы уравнений воспользуемся методом наименьших квадратов [2].
[51]Для этого запишем сумму квадратов
[52]
[53]Здесь токи Ij и Ii разделены, чтобы иметь возможность отдельно получать решения по измеренным ΒΑΧ и сопротивлениям.
[54]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:
[55]
,
[56]
[57]x(I)CM+y(lnI)CM-z·M=(U0)CM,
[59]
,
[60]Решение системы (8) находится методами линейной алгебры.
[61]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 IS, поскольку он не входит в уравнение (4).
[62]Итак, как видно теоретическое обоснование полностью подтверждает реализацию заявленного способа определения параметров прибора СВЧ и достижение технического результата - повышение точности и расширение функциональных возможностей.
[63]Пример конкретной реализации способа определения параметров прибора СВЧ.
[64]Рассмотрим определение параметров ограничительного кремниевого диода СВЧ типа «Параграф» с толщиной базы d=0.7 мкм и диаметром мезаструктуры D=20 мкм.
[65]Измеряют Μ значений тока Ij, протекающего через прибор СВЧ - кремниевый диод СВЧ (далее диод), и Μ значений напряжения Uj на его контактах при значениях j, равных 1, 2, … М.
[66]Моделируют работу диода в виде нелинейной функции этого напряжения на его контактах от этого тока и определяемых параметров.
[67]Дополнительно измеряют N значений тока Ii и N значений дифференциального сопротивления Ri, при значениях i, равных 1, 2, … N.
[68]Дополнительно осуществляют моделирование работы диода нелинейной функцией дифференциального сопротивления от этих i значений тока и определяемых параметров.
[69]Определяют собственно параметры диода решением нелинейных уравнений с определяемыми параметрами при их общем числе, равном Μ+N, посредством метода наименьших квадратов.
[70]Измеренные зависимости для этого диода:
[71]1. Напряжения от тока (М=4) приведены в табл. 1.
[72]
[73]2.Сопротивления от тока (N=9) приведены в табл.2:
[74]
[75]При использовании только зависимостей напряжения от тока (табл. 1) в результате расчета были получены значения параметров диода:
[76]RS=2,45 Ом; VT=0,0356 В; IS=0,67·10-13 А.
[77]При использовании только зависимостей сопротивления от тока (табл. 2) в результате расчета по предложенной методике были получены значения параметров диода:
[78]RS=1,775 Ом; VT=0,04 В.
[79]При использовании обоих зависимостей (табл. 1 и 2) были получены значения параметров диода:
[80]RS=1,82 Ом; VT=0,037 В; IS=1,53·10-13 А.
[82]Аналогично примеру 1 определены параметры для других ограничительных диодов того же типа, но имеющих другие конструкционные параметры (геометрические размеры).
[83]Данные представлены в таблице 3.
[84]
[85]Как видно из таблицы 3, заявленный способ позволяет:
[86]1. Рассчитывать параметры диода, при этом сопротивление RSопределяется с наибольшей погрешностью.
[87]2. Величины напряжения VT и тока IS практически не зависят от диаметра диода.
[88]Таким образом, заявленный способ определения параметров прибора СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом повышение точности примерно в два раза и расширение функциональных возможностей.
[90]1. Обзоры по электронной технике. Серия 1, Электроника СВЧ. 1991 г., вып. 7, с. 52 - прототип.
[91]2. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений М., Физматгиз. - 1962 г.
