RU2685768C9 - Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона - Google Patents

Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона Download PDF

Info

Publication number
RU2685768C9
RU2685768C9 RU2018123298A RU2018123298A RU2685768C9 RU 2685768 C9 RU2685768 C9 RU 2685768C9 RU 2018123298 A RU2018123298 A RU 2018123298A RU 2018123298 A RU2018123298 A RU 2018123298A RU 2685768 C9 RU2685768 C9 RU 2685768C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
semiconductor element
optically
state
key
controlled key
Prior art date
Application number
RU2018123298A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2685768C1 (ru
Inventor
Антон Сергеевич Лукьянов
Елена Александровна Шепелева
Артем Юрьевич Никишов
Геннадий Александрович Евтюшкин
Михаил Николаевич Макурин
Ки Со КИМ
Донгил ЯНГ
Джонг Ин ЛИ
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2018123298A priority Critical patent/RU2685768C9/ru
Priority to KR1020190033201A priority patent/KR20200001457A/ko
Publication of RU2685768C1 publication Critical patent/RU2685768C1/ru
Priority to EP19826407.9A priority patent/EP3807937B1/en
Priority to US16/454,688 priority patent/US11233507B2/en
Priority to PCT/KR2019/007838 priority patent/WO2020004991A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2685768C9 publication Critical patent/RU2685768C9/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02002—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/10—Auxiliary devices for switching or interrupting
    • H01P1/15—Auxiliary devices for switching or interrupting by semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203—Strip line filters
    • H01P1/2039—Galvanic coupling between Input/Output
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/74—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of diodes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Switches Operated By Changes In Physical Conditions (AREA)

Abstract

Настоящее изобретение относится к радиотехнике. Оптически-управляемый ключ содержит: управляющий источник света, фотопроводящий полупроводниковый элемент и линию копланарного волновода, причем управляющий источник света выполнен с возможностью облучения фотопроводящего полупроводникового элемента, линия копланарного волновода состоит из заземляющих участков и центрального проводника, конечные точки которого предназначены для соединения с линией передачи сигнала, причем заземляющие участки расположены с двух сторон в боковом направлении относительно центрального проводника и отделены от него материалом фотопроводящего полупроводникового элемента, причем фотопроводящий полупроводниковый элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока. Технический результат состоит в снижении потерь, стоимости, энергопотребления, геометрических размеров и в улучшении изоляционных характеристик ключа в миллиметровом диапазоне длин волн сигнала. 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к оптически-управляемому ключу миллиметрового диапазона.
Уровень техники
Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка сетей миллиметрового диапазона 5G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, основанными на опыте использования, включая такие факторы, как высокая скорость передачи и энергоэффективность.
Сети стандарта 5G и сенсоры для автомобильной навигации могут изменить сценарий беспроводных систем. Новые приложения в миллиметровом диапазоне требуют внедрения нового класса схем, способных интегрировать передачу данных и имеющих возможности обнаружения, в одном беспроводном устройстве. Среди доступных технологий устройства, реализованные в печатных платах, играют важную роль, так как им присущи простая конструкция и изготовление; экономичный способ встраивания в одной диэлектрической подложке; подходящая база для реализации широкой полосы частот; удобство интегрирования с классическими технологиями печатных плат (PCB).
В настоящее время в качестве коммутационных компонентов в высокочастотных цепях используются PIN-диоды, MOSFET (устройства на полевых МОП транзисторах), MEMS (микроэлектромеханические системы), при этом
- PIN-диоды имеют сложную схему управления (переключение от источника положительного тока к источнику отрицательного напряжения);
- MOSFET имеет высокую паразитную емкость в случае низкого сопротивления канала;
- MEMS имеет конечное число циклов переключения и высокое управляющее напряжение.
Если обобщить, то в целом, на практике, существующие технологии коммутации для высокочастотных устройств приема/передачи сигналов (ключей, переключателей, фазовращателей) имеют следующие технические проблемы:
- высокая сложность и, следовательно, стоимость существующих изделий, в частности, переключателей, cм- и мм-го диапазона длин волн, особенно для частот >10 ГГц из-за необходимости их минюатюризации;
- пересечение радиочастотного (РЧ) канала со схемами управления и питания по постоянному току приводит к увеличению РЧ потерь;
- высокая сложность схем управления и питания, а также слишком большая занимаемая площадь печатной платы с громоздкими компонентами приводят к тому, что интеграция в компактные устройства становится сложной.
Решением данных проблем может стать компонент, управляемый светом, т.е. схема управления которого гальванически развязана с РЧ каналом. В таком случае получается так называемый «развязанный» РЧ канал. Это позволит исключить дополнительные схемы фильтрации частот, требующиеся при применении обычных компонентов. Принцип действия таких управляемых светом компонентов основан на эффекте фотопроводимости, т.е. способности полупроводникового материала в зависимости от освещенности менять свои электрические параметры, переходя из диэлектрического состояния в проводящее.
Например, из уровня техники известен фотопроводящий переключающий модуль (US 7009195 B2), содержащий специальный слой, направляющий свет от светоизлучающих элементов в фотопроводящие элементы. Однако, такой переключающий модуль имеет большие размеры и ему присуща большая потребляемая мощность на световое излучение.
Кроме того, известен фотопроводящий ключ (US 9431564 B2), содержащий фотопроводящий материал, а также первый и второй контакты на упомянутом фотопроводящем материале, при этом упомянутые первый и второй контакты содержат множество встречнонаправленных дорожек, причем дорожки каждого контакта отделены от дорожек другого контакта фотопроводящим зазором, причем дорожки изогнуты так, что минимальный фотопроводящий зазор, измеренный в первом направлении, остается по существу одинаковым независимо от ориентации первого направления. Недостатком такого ключа является наличие паразитной емкости, что приводит к дополнительным волновым утечкам и низкой изоляции. Кроме того, такой ключ не пригоден для блокировки волн миллиметрового диапазона.
Также из уровня техники известен микрополосковый диодный ключ с высокой изоляцией (US 3678414 A). В этом решении раскрывается микрополосковый ключ на основе PIN-диодов, реализующих результирующее препятствие в широкополосный резонансный контур, который может переключаться в два состояния. Когда диод находится в непроводящем состоянии, препятствие проявляется как разомкнутая цепь. Однако в таком решении имеется соединение цепей ВЧ тракта с цепями управления и питания PIN-диодов, что является несомненным недостатком. Кроме того, такая конструкция является довольно громоздкой.
В другом известном решении (US 6580337 B1) раскрывается микрополосковый однополюсный двухпозиционный ключ, включающий в себя несколько контактов MEMS. Первая пара контактов расположена рядом с соединением входных и выходных линий для оптимизации пропускной способности. Контакты MEMS, которые не расположены рядом с соединением, разнесены вдоль выходных линий, чтобы дополнительно оптимизировать пропускную способность и изоляцию в выключенном состоянии, при этом минимизируются вносимые потери во включенном состоянии. Недостаток такого решения состоит в сложной организации схем управления и питания и дорогом и сложном производстве для высокочастотных применений.
Из уровня техники известны также непатентные публикации Y. Tawk at all, ʺOptically Pumped Frequency Reconfigurable Antenna Designʺ, IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 9, 2010 и E. K. Kowalczuk, ʺSimulating, Fabricating and Characterising Photoconductive Microwave Switches for RF Applicationsʺ, PhD Thesis. В обеих этих публикациях описывается микрополосковый радиочастотный ключ на основе фотопроводящего переключающего элемента, устанавливаемый последовательно в микрополосковой линии (то есть в разрыве полоска). На Фиг. 1 показан ключ, раскрытый в документе E. K. Kowalczuk, ʺSimulating, Fabricating and Characterising Photoconductive Microwave Switches for RF Applicationsʺ, и схема распределения токов в нем.
В этом известном решении электрический ток концентрируется вблизи краев полупроводника, где электропроводность низкая из-за краевых эффектов и соответствующей поверхностной рекомбинации носителей на краях, тогда как в центре микрополоска наблюдается минимальная плотность тока, где поверхностная рекомбинация меньше, поскольку технологически может быть обеспечено хорошее качество поверхности пластин полупроводникового материала, из которого изготавливаются данные элементы. Вследствие этого возникают высокие потери при прохождении электрического тока через эти плохо проводящие участки ключа, и требуется высокая оптическая мощность для перевода ключа во включенное состояние. Кроме того, указанный тип ключа имеет низкий уровень блокировки из-за паразитной емкости.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании оптически-управляемых ключей для высокочастотных устройств приема/передачи сигналов с очень высокими рабочими частотами (до 100 ГГц), которые имели бы одновременно низкие потери, малую мощность управления, малые размеры, простую схему питания и управления во избежание паразитных эффектов и низкую стоимость. Как показано выше, известные технологии не подходят для разработки устройств, которые одновременно соответствовали бы всем этим требованиям.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен оптически-управляемый ключ, содержащий: управляющий источник света, фотопроводящий полупроводниковый элемент и линию копланарного волновода, выполненную на диэлектрической подложке печатной платы, причем управляющий источник света выполнен с возможностью облучения фотопроводящего полупроводникового элемента. Конечные точки линии копланарного волновода соединяются с линией передачи сигнала, причем слой заземления копланарной линии сверху печатной платы отделен от центрального проводника материалом фотопроводящего полупроводникового элемента, причем фотопроводящий элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.
Согласно одному варианту осуществления ключа копланарный волновод выполнен прямолинейным.
Согласно другому варианту осуществления ключа копланарный волновод выполнен непрямолинейным.
Согласно другому варианту осуществления ключа линия копланарного волновода дополнительно содержит резонансную структуру, состоящую из емкостных шлейфов и согласующих индуктивностей.
Согласно другому варианту осуществления ключа линия копланарного волновода дополнительно содержит нижний слой заземления, расположенный под упомянутыми заземляющими участками и центральным проводником.
Согласно другому варианту осуществления ключ дополнительно содержит дополнительные управляющие источники света.
Согласно другому варианту осуществления ключа источник света является одним из светодиода, лазера или лазерного диода.
Согласно другому варианту осуществления ключа источник света дополнительно включает в себя оптоволокно для передачи света к фотопроводящему полупроводниковому элементу.
Оптически-управляемый ключ согласно настоящему изобретению может использоваться в широком диапазоне частот (до 100ГГц), при этом обладает низкими потерями в миллиметровом диапазоне длин волн сигнала. РЧ порты настоящего ключ при этом изолированы от схем питания и управления ключом. Ключ согласно настоящему изобретению обладает низкой стоимостью, компактными размерами, низким энергопотреблением и высокими показателями изоляции.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает ключ согласно предшествующему уровню техники и распределение токов в нем.
Фиг. 2А и 2Б изображают общий вид и принцип работы оптически-управляемого ключа в выключенном состоянии (фиг. 2А) и включенном состоянии (Фиг. 2Б).
Фиг. 3А и 3Б изображают вид сбоку и принцип работы оптически-управляемого ключа в выключенном состоянии (фиг. 3А) и включенном состоянии (Фиг. 3Б).
На фиг.4 представлены результаты моделирования работы оптически-управляемого ключа в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 2 и 3.
Фиг.5 изображает вариант осуществления оптически-управляемого ключа с изогнутой линией копланарного волновода.
Фиг.6А, 6Б и 6В изображают эквивалентные схемы оптически-управляемого ключа 1.
На фиг.7 представлено сравнение результатов моделирования работы оптически-управляемого ключа в соответствии с вариантами осуществления по фиг. 2 и 5.
На фиг.8 изображен общий вид и вид сверху оптически-управляемого ключа 1 на основании резонансного заземляемого CPW.
На фиг.9А и 9Б изображены эквивалентные схемы варианта осуществления оптически-управляемого ключа по фиг.8 в выключенном (фиг. 9А) и включенном (фиг. 9Б) состояниях.
На фиг.10 представлены результаты моделирования работы оптически-управляемого ключа в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 8 на частотах 3 и 6 ГГц.
На фиг. 11А и 11Б изображены варианты осуществления оптически-управляемого ключа с несколькими источниками света.
Подробное описание
Оптически-управляемый ключ 1 (см. фиг. 2А и 2Б) состоит из источника 2 света (не изображен), фотопроводящего полупроводникового элемента 3 (PSE - photoconductive semiconductor element) и линии копланарного волновода (CPW - co-planar waveguide). Линия копланарного волновода состоит из заземляющих участков 4 и центрального проводника 5. Конечные точки центрального проводника 5 соединяются с линией передачи сигнала. При этом одна конечная точка копланарного волновода соединяется с участком линии передачи сигнала, соединенным с первым РЧ портом, а вторая конечная точка копланарного волновода соединяется с другим участком линии передачи сигнала, соединенным со вторым РЧ портом. Упомянутые заземляющие участки 4 и центральный проводник 5 лежат в одной плоскости. При этом заземляющие участки 4 расположены с двух сторон в боковом направлении относительно центрального проводника 5 и отделены от него материалом фотопроводящего полупроводникового элемента 3. Фотопроводящий элемент 3 имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.
Оптически-управляемый ключ 1 согласно настоящему изобретению функционирует следующим образом. Оптически-управляемый ключ встраивают в микрополосковую линию посредством подключения конечных точек центрального проводника 5 к упомянутой линии. Размеры CPW (зазор между центральным проводником 5 и заземляющими участками 4, ширина линии и т.д.) вычисляют таким образом, чтобы иметь волновой импеданс идентичный импедансу микрополосковой линии (например, 50 Ом) с учетом диэлектрической проницаемости полупроводникового элемента. В результате - линия передачи и ключ согласованы и в выключенном состоянии упомянутого ключа электромагнитные волны (сигнал) проходят с минимальными потерями (фиг. 2А). При подаче управляющего светового потока от источника света полупроводниковый элемент 3 становится проводящим (σ>0). Перекрывая зазор между центральным проводником и землей, он функционирует в качестве параллельного резистора с малым сопротивлением и эффективно закорачивает на заземляющие участки возникающие в PSE токи проводимости. В результате нарушаются условия распространения прямой волны и создаются условия для распространения обратной (отраженной) волны. Таким образом, электромагнитные волны эффективно отражаются (фиг. 2Б).
В качестве материала для PSE могут быть выбраны различные типы полупроводников, например, кремний, арсенид галлия-индия и другие, обеспечивающие два состояния полупроводника: высокорезистивное и проводящее.
В качестве материала для изготовления заземляющих участков и центрального проводника линии копланарного волновода могут применяться известные проводники, используемые при изготовлении печатных плат (например, медь). Конкретные материалы и требования к ним определяются технологией изготовления печатных плат.
На фиг. 3 изображен вид сбоку оптически-управляемого ключа.
На Фиг. 3, помимо ранее упоминавшихся компонентов, показаны также управляющая схема (которая может быть печатной платой) и источник 2 света (например, светодиод (LED)). Свет на PSE поступает от LED, включение и выключение которого осуществляет управляющая схема с помощью управления питанием. В выключенном состоянии отсутствует световой поток от источника 2 света. При этом центральный проводник 5 отделен от заземляющих участков 4 полупроводниковым элементом 3, находящимся в состоянии диэлектрика. В результате электромагнитные волны (сигнал) проходят через оптически-управляемый ключ 1 с минимальными потерями (фиг. 3А). Во включенном состоянии световой поток от источника света поступает на полупроводниковый элемент 3, который в результате становится проводящим. Между центральным проводником 5 и заземляющими участками 4 возникает контакт, который вызывает закорачивание токов на землю. В результате электромагнитные волны (сигнал) отражаются и не проходят через оптически-управляемый ключ 1 (фиг. 3Б).
Таким образом, схемы питания/управления такого ключа изолированы от РЧ тракта. Его характеристиками можно управлять с помощью изменения мощности подаваемого света. За счет минимального количества компонентов обеспечивается низкая сложность и стоимость такого ключа, а также обеспечивается возможность интеграции его в компактные устройства.
В качестве источника света могут использоваться светодиоды (LED), лазеры, лазерные диоды и любые другие подходящие источники света. Рабочую длину волны источников света следует выбирать исходя из поглощающей способности выбранного полупроводника. Например, кремний проявляет максимальную поглощающую способность в ближнем ИК диапазоне (~940нм), что будет означать эффективное использование поданной от источника света оптической мощности.
В других возможных реализациях подвода света к PSE могут использоваться передача света по оптоволокну и другие варианты, понятные специалисту в данной области техники.
Как изображено на фиг.3, в одном из вариантов осуществления линия копланарного волновода может дополнительно содержать нижний слой заземления, расположенный под упомянутыми заземляющими участками и центральным проводником.
На фиг.4 представлены результаты моделирования работы оптически-управляемого ключа в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 2 и 3. Пунктирными линиями показан коэффициент передачи S12 во включенном (ON) и в выключенном (OFF) состоянии оптически-управляемого ключа, а сплошными - коэффициент отражения S11 во включенном (ON) и в выключенном (OFF) состоянии. Коэффициент отражения S11 и коэффициент передачи S12 демонстрируют, соответственно, потери сигнала при его отражении, либо передаче через оптически-управляемый ключ. Состояние ON (подается управляющий поток света на PSE, для значения удельной проводимости 200 См/м): основная часть мощности (сигнала) отражается (при частоте сигнала 6ГГц потери проходящей волны более 31 дБ, потери отраженной волны 1,74 дБ). Состояние OFF (управляющий поток света отсутствует, удельная проводимость PSE ≈ 0 См/м) основная часть мощности (сигнала) проходит с порта 1 на порт 2 (при частоте сигнала 6ГГц потери на прохождение 0,1 дБ, потери на отражение более 23 дБ).
Изоляционные характеристики ключа 1 определяются длиной заземляемого CPW. Он эквивалентен параллельному резистору и его сопротивление вычисляется по известной формуле сопротивления проводника:
R≈L/(σS),
где для рассматриваемого случая σ - проводимость полупроводникового элемента под воздействием светового потока, L - длина зоны прохождения токов (т.е. ширина зазора между центральным проводником и заземляющими участками), S - поперечное сечение зоны прохождения токов (по длине копланарной линии).
Таким образом, для повышения изоляционных характеристик оптически-управляемого ключа 1 следует увеличивать длину линии заземляемого CPW, что приведет к увеличению площади контакта резистора с землей и линией и как результат к уменьшению его сопротивления. Согласно одному из вариантов осуществления линию CPW выполняют изогнутой (фиг. 5), а не прямолинейной, что позволяет предотвратить значительное увеличение размера ключа 1 при одновременном улучшении его изоляционных характеристик.
На фиг.6А изображена эквивалентная схема оптически-управляемого ключа 1 в выключенном состоянии, в котором электромагнитные волны проходят через ключ 1. На фиг.6Б изображена эквивалентная схема оптически-управляемого ключа 1 во включенном состоянии, в котором электромагнитные волны отражаются ключом 1. На фиг.6В изображена эквивалентная схема варианта осуществления оптически-управляемого ключа 1 с изогнутым CPW, изображенного на фиг.5, во включенном состоянии, в котором электромагнитные волны эффективно отражаются ключом 1.
На фиг.7 представлено сравнение результатов моделирования работы оптически-управляемого ключа в соответствии с вариантами осуществления по фиг. 2 и 5. Сравнение коэффициентов передачи S12 для этих случаев показывает, что при увеличении длины CPW линии (на примере изогнутой CPW-линии в форме меандра - пунктирные графики) можно достигнуть большего уровня изоляции ключа при меньших уровнях обеспечиваемой проводимости полупроводникового элемента, а значит при меньшей поданной оптической мощности, чем это возможно реализовать для короткого отрезка CPW-линии (сплошные графики). Так для сигнала с частотой 6 ГГЦ при обеспечении проводимости полупроводникового элемента 100 См/м, ключ с изогнутым CPW демонстрирует улучшенную изоляцию (коэффициент передачи более -53 дБ во включенном состоянии ключа) по сравнению с ключом с прямым CPW (коэффициент передачи около -21 дБ во включенном состоянии ключа).
Согласно одному из альтернативных вариантов осуществления оптически-управляемый ключ 1 реализован на основании резонансного заземляемого CPW (фиг.8).
В таком ключе 1 параллельно отрезку CPW-линии интегрированы емкостные шлейфы 6 и согласующие индуктивности 7 (например, посредством разделения подающей линии на узкие шлейфы). Причем шлейфы, отходящие от основной линии, являются резонансными структурами. Они согласованы друг с другом и не влияют на передачу электромагнитных волн в некотором частотном диапазоне. В результате, в выключенном состоянии ключа 1 электромагнитные волны проходят с минимальными потерями.
Под воздействием света от источника 2 света полупроводниковый элемент 3 становится проводящим и замыкает емкостные шлейфы 6 и CPW-линию, что улучшает изоляционные характеристики ключа вследствие наличия дополнительного параллельного сопротивления. В результате электромагнитные волны эффективно отражаются и удается достигнуть повышения изоляционных характеристик ключа. При этом можно понизить требования по проводимости фотопроводящего полупроводникового элемента 3, а, следовательно, и потребление мощности на его облучение.
На фиг.9А и 9Б изображены эквивалентные схемы варианта осуществления оптически-управляемого ключа по фиг.8 в выключенном (фиг. 9А) и включенном (фиг. 9Б) состояниях.
На фиг.10 представлены результаты моделирования работы оптически-управляемого ключа в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 8 на частотах 3 и 6 ГГц. Как видно из графиков, по сравнению с прямолинейным участком CPW-линии по фиг.2, при тех же значениях обеспечиваемой проводимости полупроводникового элемента (например, 100 См/м) удается достигнуть больший уровень изоляции оптически-управляемого ключа (коэффициент передачи около -37 дБ для сигнала 6 ГГц и около -36 дБ для сигнала 3 ГГц). Причем также удается минимизировать потери на отражение в данном элементе (коэффициент отражения около -1 дБ).
В одном из альтернативных вариантов осуществления для обеспечения равномерного распределения проводимости фотопроводящего полупроводникового элемента 3 под воздействием света предусмотрено использование одновременно нескольких источников 2 света. На фиг. 11А изображен вариант осуществления оптически-управляемого ключа, в котором использованы 2 светодиода, а на фиг. 11Б изображен вариант осуществления оптически-управляемого ключа, в котором использованы 4 светодиода для освещения фотопроводящего полупроводникового элемента 3.
Применение нескольких светодиодов вместо одного позволяет использовать маломощные и недорогие светодиоды, предотвращая при этом перегрев светодиодов и продлевая их срок эксплуатации.
Производство оптически-управляемого ключа согласно настоящему изобретению может выполняться следующим образом. Линия заземляемого CPW печатается на фотопроводящем полупроводниковом элементе, к которому затем прикрепляют управляющий источник света. Затем полученный ключ встраивают в линию передачи сигнала, при этом одна конечная точка центрального проводника копланарного волновода соединяется с участком линии передачи сигнала, соединенным с первым РЧ портом, а вторая конечная точка центрального проводника копланарного волновода соединяется с другим участком линии передачи сигнала, соединенным со вторым РЧ портом.
Согласно альтернативному варианту производства оптически-управляемого ключа линия заземляемого CPW печатается на диэлектрике, на который после этого поверх устанавливают фотопроводящий полупроводниковый элемент с управляющим источником света. При этом в диэлектрике заранее формируются точки гальванического соединения линии CPW для подключения к линии передачи сигнала.
Приведенные выше способы производства оптически-управляемого ключа позволяют получить в результате недорогой универсальный элемент, подходящий для установки в различные устройства.
Оптически-управляемые ключи на основе фотопроводящих элементов и созданные с их использованием полосковые линии, циркуляторы, фазовращатели, переключатели и антенны с адаптивным формированием диаграммы направленности согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление ВЧ-сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективного стандарта 5G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi-Fi, для беспроводной передачи энергии, в том числе на большие расстояния, для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.
В частности, при использовании для беспроводной передачи энергии можно применять антенную решетку из множества излучателей, каждый из которых через собственный оптически-управляемый ключ подключен к управляющей схеме, которая выполняет управление включением/выключением ключей по типу дифракционной решетки. Это позволяет получить передающую антенну с хорошими характеристиками направленности в широком диапазоне углов.
При использовании в робототехнике можно использовать антенну на основе оптически-управляемых ключей для обнаружения/избежания препятствий.
На основе оптически-управляемых ключей можно также создать антенну для базовой станции 5G, используемой внутри помещений (внутренний ретранслятор). В этом случае обеспечивается стабильный сигнал для пользователя, находящегося в любом положении относительно базовой станции, без ухудшения характеристик сигнала и без механического вращения антенны, тогда как в традиционных базовых станциях в пределах угла 360 градусов есть зоны с плохим качеством связи.
Использование предложенных ключей в рамках автомобильных радаров позволяет увеличить разрешение при ограниченном числе доступных передатчиков и приемников и совмещать в одном устройстве несколько режимов дальности.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного оптически-управляемого ключа находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Claims (14)

1. Оптически-управляемый ключ, содержащий:
- управляющий источник света,
- фотопроводящий полупроводниковый элемент и
- линию копланарного волновода,
причем управляющий источник света выполнен с возможностью облучения фотопроводящего полупроводникового элемента,
линия копланарного волновода состоит из заземляющих участков и центрального проводника, конечные точки которого предназначены для соединения с линией передачи сигнала, причем заземляющие участки расположены в боковом направлении относительно центрального проводника и отделены от него материалом фотопроводящего полупроводникового элемента,
причем фотопроводящий полупроводниковый элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.
2. Оптически-управляемый ключ по п.1, в котором копланарный волновод выполнен прямолинейным.
3. Оптически-управляемый ключ по п.1, в котором копланарный волновод выполнен непрямолинейным.
4. Оптически-управляемый ключ по п.1, в котором линия копланарного волновода дополнительно содержит резонансную структуру, состоящую из емкостных шлейфов и согласующих индуктивностей.
5. Оптически-управляемый ключ по п.1, в котором линия копланарного волновода дополнительно содержит нижний слой заземления, расположенный под упомянутыми заземляющими участками и центральным проводником.
6. Оптически-управляемый ключ по п.1, дополнительно содержащий дополнительные управляющие источники света.
7. Оптически-управляемый ключ по любому из пп.1-6, в котором источник света является одним из светодиода, лазера или лазерного диода.
8. Оптически-управляемый ключ по любому из пп.1-6, в котором источник света дополнительно включает в себя оптоволокно для передачи света к фотопроводящему полупроводниковому элементу.
RU2018123298A 2018-06-27 2018-06-27 Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона RU2685768C9 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018123298A RU2685768C9 (ru) 2018-06-27 2018-06-27 Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона
KR1020190033201A KR20200001457A (ko) 2018-06-27 2019-03-22 고주파 스위치
EP19826407.9A EP3807937B1 (en) 2018-06-27 2019-06-27 High frequency switch for high frequency signal transmitting/receiving devices
US16/454,688 US11233507B2 (en) 2018-06-27 2019-06-27 High frequency switch for high frequency signal transmitting/receiving devices
PCT/KR2019/007838 WO2020004991A1 (en) 2018-06-27 2019-06-27 High frequency switch for high frequency signal transmitting/receiving devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018123298A RU2685768C9 (ru) 2018-06-27 2018-06-27 Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2685768C1 RU2685768C1 (ru) 2019-04-23
RU2685768C9 true RU2685768C9 (ru) 2019-08-01

Family

ID=66314731

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018123298A RU2685768C9 (ru) 2018-06-27 2018-06-27 Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3807937B1 (ru)
KR (1) KR20200001457A (ru)
RU (1) RU2685768C9 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2721303C1 (ru) * 2019-12-03 2020-05-18 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Оптически-управляемый переключатель миллиметрового диапазона со встроенным источником света, основанный на линии передачи с полупроводниковой подложкой
RU212732U1 (ru) * 2021-08-06 2022-08-04 Общество с ограниченной ответственностью "Би Питрон" Приемопередающий оптический модуль

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102535309B1 (ko) * 2022-11-22 2023-05-26 국방과학연구소 전류 필라멘트 분산 유도를 위한 광전도 반도체 스위치

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007059089A2 (en) * 2005-11-14 2007-05-24 Northrop Grumman Space & Mission Systems Corporation Tunable mmic (monolithic microwave integrated circuit) waveguide resonators
GB2493193A (en) * 2011-07-27 2013-01-30 Thales Holdings Uk Plc Semiconducting optoelectronic switch for THz operation using undoped InGaAs with defects created by N-ion implantation.
RU2503087C1 (ru) * 2012-06-15 2013-12-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП") Монолитная интегральная схема миллиметрового диапазона
RU148921U1 (ru) * 2014-06-10 2014-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" Компланарный вентиль-аттенюатор
RU2600506C1 (ru) * 2015-10-02 2016-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" Волноводно-микрополосковый переход
US20170166438A1 (en) * 2015-12-15 2017-06-15 International Business Machines Corporation Small wafer area mems switch

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007059089A2 (en) * 2005-11-14 2007-05-24 Northrop Grumman Space & Mission Systems Corporation Tunable mmic (monolithic microwave integrated circuit) waveguide resonators
GB2493193A (en) * 2011-07-27 2013-01-30 Thales Holdings Uk Plc Semiconducting optoelectronic switch for THz operation using undoped InGaAs with defects created by N-ion implantation.
RU2503087C1 (ru) * 2012-06-15 2013-12-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП") Монолитная интегральная схема миллиметрового диапазона
RU148921U1 (ru) * 2014-06-10 2014-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" Компланарный вентиль-аттенюатор
RU2600506C1 (ru) * 2015-10-02 2016-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" Волноводно-микрополосковый переход
US20170166438A1 (en) * 2015-12-15 2017-06-15 International Business Machines Corporation Small wafer area mems switch

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2721303C1 (ru) * 2019-12-03 2020-05-18 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Оптически-управляемый переключатель миллиметрового диапазона со встроенным источником света, основанный на линии передачи с полупроводниковой подложкой
RU212732U1 (ru) * 2021-08-06 2022-08-04 Общество с ограниченной ответственностью "Би Питрон" Приемопередающий оптический модуль

Also Published As

Publication number Publication date
EP3807937A1 (en) 2021-04-21
KR20200001457A (ko) 2020-01-06
EP3807937A4 (en) 2021-08-11
EP3807937B1 (en) 2023-03-29
RU2685768C1 (ru) 2019-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109314290B (zh) 一种移相器、移相阵列及通信设备
US10802375B2 (en) Optically-controlled switch
CN103794879A (zh) 小型化垂直于天线平面的h面全向扫描波束可切换天线
RU2685768C9 (ru) Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона
KR101003014B1 (ko) 칩 안테나를 위한 ｐｃｂ 레이아웃 구조 및 이를 이용한 칩 안테나 장치
RU2691593C1 (ru) Высокочастотные коммутаторы с уменьшенным числом коммутирующих элементов
KR102615092B1 (ko) 광학적으로 제어되는 스위치
CN112166526B (zh) 用于基于光控制电磁波的传输的方法及其设备
KR20040070065A (ko) 내장 접지 평면을 구비한 다중 세그먼트된 평면 안테나
US11233507B2 (en) High frequency switch for high frequency signal transmitting/receiving devices
JP7445675B2 (ja) 操舵可能ビームアンテナ
JP4105522B2 (ja) 放射の多様性を有する電磁信号を送信及び／又は受信するための装置
CN112164866B (zh) 一种基于s-pin固态等离子体的高隔离度可重构缝隙天线及其频率重构方法
JP6565838B2 (ja) 導波管型可変移相器および導波管スロットアレーアンテナ装置
KR101346513B1 (ko) 감마 매칭을 이용한 다이폴 안테나
KR20210069580A (ko) 광학 제어 스위치 및 이를 포함하는 전자 장치
RU2782439C1 (ru) Беспроводное соединение для высокоскоростной передачи данных
US20220199849A1 (en) Optical control switch and electronic device comprising same
EP1267481B1 (en) Multi-frequency dielectric resonator oscillator
CN117080752A (zh) 一种极化可重构的毫米波圆极化介质谐振天线
WO2018119931A1 (zh) 可重构的多输入多输出天线以及移动终端
JP2004208093A (ja) 非放射性誘電体線路用の高周波変調器および非放射性誘電体線路

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 12-2019

TH4A Reissue of patent specification