ПЕРЕКЛЮЧАЮЩАЯ СВЧ-МАТРИЦА Российский патент 1997 года по МПК H01P1/15 H04Q1/00 

Использование относится к технике СВЧ и может быть использовано для создания диаграммообразующих систем многолучевых антенн в радиорелейных системах и системах космической радиосвязи.

Известна матрица СВЧ по патенту США N 4316159, МКИ H 01 P 1/15, НКИ 333-104, в которой селективное переключение СВЧ сигналов с заданного входа на заданный выход осуществляется направленными ответвителями, симметричными относительно диагонали матрицы. Ответвители управляются p-i-n диодами. Конструкция матрицы содержит поглощающие согласованные нагрузки, включенные в ответвители в конце строки и в начале столбцов, сложна, имеет большие потери сигнала со входа на любой выход и малые развязки между входами и между выходами. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является матрица СВЧ по патенту США N 4731594, МКИ H 010 1/04, НКИ 333-103. Матрица содержит m горизонтальных и n вертикальных линий, образованных усилителями-компенсаторами потерь на полевых транзисторах. Усилители горизонтальных линий связаны с усилителями вертикальных линий направленными ответвителями, в цепях которых установлены переключатели. Устройство сложно, громоздко по конструкции и имеет малые развязки между входами и между выходами.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении устройства и в увеличении развязки между входами и между выходами матрицы.

Устройство, в котором данная задача решается, представляет собой СВЧ матрицу, содержащую m горизонтальных и n вертикальных линий, образованных коммутационными ячейками на двухзатворных транзисторах. Каждая ячейка матрицы состоит из двух пар двухзатворных транзисторов, истоки которых заземлены, стоки первой пары транзисторов, образованной первым и вторым транзисторами, соединены между собой и через первый и второй разделительные конденсаторы связаны с первыми затворами второй пары транзисторов, образованной третьим и четвертым транзисторами, причем, первый затвор первого транзистора ij-й ячейки через третий разделительный конденсатор связан со стоком четвертого транзистора (i-1)j-й ячейки, первый затвор второго транзистора ij-й ячейки через четвертый разделительный конденсатор связан со стоком третьего транзистора i(j-1)-й ячейки, первые затворы вторых транзисторов ячеек первой вертикальной линии являются сигнальными входами матрицы, а вторые затворы транзисторов каждой ячейки являются управляющими входами матрицы, а стоки четвертых транзисторов ячеек m-й горизонтальной линии являются выходами матрицы.

Структурная схема матрицы приведена на чертеже.

Матрица СВЧ содержит m горизонтальных и n вертикальных линий, образованный m•n коммутационными ячейками 1. Каждая коммутационная ячейка 1 состоит из двух пар двухзатворных полевых транзисторов 2,3 и 4,5, истоки которых заземлены. Стоки первой пары транзисторов 2,3 соединены между собой и через первый и второй разделительные конденсаторы 6,7 подключены к первым затворам второй пары транзисторов 4,5. Первый затвор первого транзистора ij-й ячейки 1 связан через третий разделительный конденсатор 8 со стоком четвертого транзистора 5 (i-1)j-й ячейки 1. Первый затвор второго транзистора 3 ij-й ячейки 1 через четвертый разделительный конденсатор 9 связан со стоком третьего транзистора i(j-1) ячейки 1. Первые затворы вторых транзисторов 3 ячеек 1 первой вертикальной линии (ячейки 1₁₁ ^oC1_m1) являются сигнальными входами матрицы, стоки четвертых транзисторов 5 ячеек 1 m-й горизонтальной линии (ячеек 1_m1 ^oC1_mn) являются выходами матрицы. Первые затворы первых транзисторов 2 ячеек 1 первой горизонтальной линии матрицы (ячеек 1₁₁ ^oC1_1n) и стоки третьих транзисторов 4 ячеек n-й вертикальной линии (ячеек 1_1n ^oC1_mn) свободны. Вторые затворы всех транзисторов 2, 3, 4, 5 каждой коммутационной ячейки 1 являются управляющими входами матрицы, на которые подаются напряжения управления Uijупр1

, Uijупр2, Uijупр3, Uijупр4.

Каждый коммутационный элемент имеет клеммы, на которые подаются напряжения смещения первых затворов U₃₁ и напряжения питания стоков U_c.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения питания U_c, U₃₁ на транзисторы 2ij, 3ij, 4ij, 5ij и сигнала на i-й вход i-й горизонтальной линии мощности сигнала, не уменьшаясь по величине за счет эффекта усиления в транзисторных структурах, может появиться в зависимости от управляющих напряжений U_упр1 U_упр4 на вторых затворах транзисторов 2, 3, 4, 5 на любой из m вертикальных линий. Комбинация управляющих напряжений и их величина задается внешним контроллером-управителем устройства (на чертеже не показано).

Если сигнал подан в первую горизонтальную линию на первый сигнальный вход, то он попадает на первый затвор транзистора 3₁₁. Если на второй затвор этого транзистора подано разрешающее напряжение
(U11упр2

> U11отс2,
где U11отс2 напряжения отсечки), сигнал может быть усилен и подан на первые затворы второй пары транзисторов 4₁₁, 5₁₁. Если на вторых затворах транзисторов 4₁₁, 5₁₁ разрешающее напряжение (U11упр4> U11отс4, U11отс5, где U11отс4 и U11отс5 напряжения отсечки транзисторов 4₁₁ и 5₁₁) сигнал может быть усилен и и подан с коммутационной ячейки 1₁₁ в первую вертикальную линию (коммутационные ячейки 1₁₁ ^oC1_m1), если управляющие напряжения на вторых затворах транзисторов 2_i1 и 5_i1 - разрешающие, или далее по первой горизонтальной линии, если на вторые затворы транзисторов 3_1j и 4_ij поданы разрешающие напряжения. Таким образом, сигнал поданный на первый вход матрицы СВЧ может поступать на один выход, на определенную группу выходов или на все выходы устройства одновременно и без потерь в зависимости от соотношений и величин напряжений питания и смещения U₃₁ и U_c и управления U_упр1 U_упр4.

Если сигналы попадают на первые затворы транзисторов 2_ij и 3_ij, то при наличии разрешающих напряжений управления Uijупр1

>Uijотс1, Uijупр2>Uijотс2 сигналы усиливаются в транзисторных структурах и появляются одновременно на первых затворах транзисторов 4_ij и 5_ij. При Uijупр3>Uijотс3, Uijупр4> Uijотс4,, Ui,j+1упр2 >Ui,j+1отс2, усиленная сумма сигналов появится на стоках транзисторов 4_ij и 5_ij. Далее сигналы проходят к первым затвора транзисторов 3_i,j+1 и 2_i+1,j, где произойдет усиление, при наличии разрешающих управляющих напряжений Ui+1,jупр1> Ui+1,jотс1, и распределение сигналов в зависимости от соотношений напряжений Ui,j+1упр3, Ui,j+1упр4. Затем эти сигналы подаются на входы коммутационных ячеек 1_i,j+2 и (или) 1_i+2,j и т.д. и в зависимости от управляющих напряжений на вторых затворах транзисторов 2, 3, 4, 5 последующих ячеек 1 появляются на соответствующих выходах матрицы.

При работе матрицы СВЧ напряжения на стоки транзисторов 4_1n ^oC4_mn, не подаются; напряжения на вторых затворах транзисторов 2₁₁ ^oC2_1n запрещающие.

Развязки между входами выходами устройства определяются развязками между коммутационными элементами и, в частности, определяются совокупностью (суммой или произведением) обратных коэффициентов передачи трех полевых транзисторов, что составляет для верхней части сантиметрового диапазона более 40 дБ. Простота устройства определяется отсутствием направленных ответвителей и согласованных нагрузок. Структура заявляемого устройства позволяет реализовать его в одной плоскости (без пересечения СВЧ линий) в гибридно-монолитном или монолитном исполнении.

Использование: для создания диаграммообразующих систем многолучевых антенн. Сущность изобретения: матрица содержит горизонтальные строки и вертикальные столбцы, образованные коммутационными ячейками. Каждая ячейка состоит из двух пар двухзатворных полевых транзисторов, истоки которых заземлены. Стоки первой пары транзисторов соединены между собой и через разделительные конденсаторы связаны с первыми затворами второй пары транзисторов. Первый затвор первого транзистора каждой коммутационной ячейки через конденсатор соединен со стоком четвертого транзистора коммутационной ячейки находящейся в предыдущей горизонтальной строке и в том же вертикальном столбе, а первый затвор второго транзистора каждой ячейки через разделительный конденсатор соединен со стоком третьего транзистора коммутационной ячейки находящейся в предыдущем вертикальном столбце и в той же горизонтальной строке. Первые затворы вторых транзисторов ячеек первого вертикального столбца являются сигнальными входами. Стоки четвертых транзисторов ячеек последней горизонтальной строки являются сигнальными выходами. Вторые затворы каждого транзистора являются управляющими входами матрицы. 1 ил.

Переключающая СВЧ-матрица, содержащая m горизонтальных строк и n вертикальных столбцов, образованных m•n коммутационными ячейками (где m и n 1,2,3,), каждая из которых включает первый и второй полевые транзисторы и третий и четвертый двухзатворные полевые транзисторы, истоки всех транзисторов подключены к общей шине, отличающаяся тем, что первый и второй полевые транзисторы выполнены двухзатворными и их стоки соединены между собой и через введенные первый и второй конденсаторы подключены соответственно к первым затворам третьего и четвертого транзисторов, причем первый затвор первого транзистора каждой коммутационной ячейки через введенный третий конденсатор соединен со стоком четвертого транзистора коммутационной ячейки, находящейся в предыдущей горизонтальной строке и в том же вертикальном столбце, а первый затвор второго транзистора каждой коммутационной ячейки через введенный четвертый конденсатор соединен со стоком третьего транзистора коммутационной ячейки, находящейся в предыдущем вертикальном столбце и в той же горизонтальной строке, при этом первые затворы вторых транзисторов коммутационных ячеек первого вертикального столбца являются сигнальными входами, стоки четвертых транзисторов коммутационных ячеек m-й горизонтальной строки являются сигнальными выходами, а вторые затворы каждого из транзисторов управляющими входами.