БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопередающих устройствах СВЧ для переключения СВЧ-сигналов со входа на один из выходов.

Электрически управляемые СВЧ-переключатели на полупроводниковых диодах в настоящее время составляют новый класс коммутационных устройств, использование которых предопределяет возможность построения целого ряда современных СВЧ-устройств, позволяющих решать различные коммутационные и логические задачи. СВЧ-переключатели используются в импульсных модуляторах, переключателях различных типов, устройствах защиты и т.д.

Применение полупроводниковых управляющих устройств в технике СВЧ оказывается во многих случаях более целесообразным, чем применение освоенных ранее управляющих устройств с использованием ферритов и газоразрядной плазмы. Обусловлено это тем, что полупроводниковые устройства обладают следующими важными характеристиками: высоким быстродействием, компактностью и малым весом, продолжительным сроком службы.

При разработке устройств СВЧ возникает задача создания конструкций с малыми габаритами, повышенной надежностью и хорошей технологичностью. Эти требования предъявляются и к СВЧ-переключателям.

В СВЧ-переключателях для получения больших значений затухания в режиме "закрыто" и малых величин потерь в режиме "открыто" применяют параллельное подключение диодов к линии вывода мощности на расстоянии λ/4 друг от друга. А для получения высокого быстродействия и коммутации больших мощностей диоды подключают к линии вывода мощности через четвертьволновые отрезки линии. При использовании таких СВЧ-переключателей в дециметровом и сантиметровом диапазоне возникает задача создания компактных и технологических конструкций. Для улучшения электрических характеристик СВЧ-переключателей применяют несколько групп диодов в каждом его плече. Как правило, для управления диодами используют две шины питания и двухполярный источник управляющего напряжения. Так как в таких быстродействующих СВЧ-переключателях управляющее напряжение подводится отдельно к каждому диоду или группе диодов, то цепь управления такого устройства будет сложной и занимать дополнительную площадь на подложке.

При изготовлении СВЧ-устройств используют платы стандартных размеров, поэтому максимальный габарит устройства определяется наибольшим размером стандартной платы из СВЧ-диэлектрика.

Таким образом, представляют интерес схемные решения, позволяющие получать конструкции СВЧ-переключателей, которые можно располагать на стандартных подложках с хорошим коэффициентом использования площади, с простой цепью управления диодами (желательно с одной шиной питания).

При этом схема управления диодами не должна увеличивать требуемую площадь подложки.

Известен быстродействующий СВЧ-переключатель, содержащий первый и второй pin-диоды, включенные последовательно, точка соединения которых является входом переключателя каналов, а к их внешним выводам переключателя подключены соответственно первый и второй выходные каналы, параллельно которым подключены третий и четвертый pin-диоды, управляющее напряжение подается в точку подключения входного канала переключателя (авт.св. СССР N 1201925, H 01 P 1/10, 1985).

Однако в указанном устройстве для получения высокого быстродействия необходимо применять маломощные pin- диоды, что в свою очередь не позволяет коммутацию СВЧ-сигналов большой мощности. К тому же в указанном устройстве трудно достичь малых величин потерь в режиме "открыто" и больших величин развязки в режиме "закрыто", а использование дополнительных реактивных элементов в виде ФПЧ и конденсаторов снижает надежность всего устройства.

Кроме того, известен быстродействующий СВЧ-переключатель (авт.св. СССР N 253880, кл. H 01 P 1/10, 1968), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий тройник, в выходных плечах которого на расстоянии λ/4 точки соединения плеч и друг от друга подключены отрезки линии длиной λ/4, на концах которых установлены последовательно соединенные диоды и настроечные шлейфы. Управляющее напряжение подается в противофазе к этим диодам, установленным в каждом плече переключателя, через резистор. К точке соединения выходных плеч подключен короткозамкнутый отрезок линии длиной λ/4.
Однако указанное устройство имеет большие габариты из-за того, что максимальный размер такого переключателя будет не менее длины волны, а второй размер больше чем четверть длины волны для коммутируемого СВЧ-сигнала. А так как диоды управляются по двум шинам питания, то это дополнительно увеличит габариты переключателя и усложнит управление диодами.

Для рассмотрения причин указанных недостатков проведем анализ конструкции СВЧ-переключателя прототипа.

СВЧ-переключатель (прототип) содержит тройник, в выходных плечах которого установлены по два четвертьволновых шлейфа с pin-диодами на конце. В каждом плече шлейф с pin-диодом установлен от входной линии на расстоянии, равном четверти длины волны, а второй шлейф с pin-диодом установлен на том же расстоянии от точки подключения первого шлейфа с диодом. Таким образом, длина одного плеча СВЧ-переключателя-прототипа равна половине длины волны. Конструкция СВЧ-переключателя-прототипа такова, что плечи переключателя должны находиться относительно друг друга под углом ± 180 градусов, поэтому длина всего переключателя будет равна длине волны коммутируемого СВЧ-сигнала.

Второй размер СВЧ-переключателя-прототипа будет определяться длиной шлейфа, через который подключается диод к плечу СВЧ-переключателя, размером диода и длиной настроечного шлейфа. Длина шлейфа, через который подключается диод равна четверти длины волны. Размером диода можно пренебречь. А длина настроечного шлейфа при достаточно низких у частотах (200-400 МГц) близка к λ/4, т.к. паразитная реактивная составляющая диода мала. Кроме того, к каждой паре диодов подводится по шине управления напряжение смещения диодов, что увеличит второй размер СВЧ-переключателя не менее чем на шесть толщин используемой подложки. При применении поликора с толщиной h = 1 мм расстояние 6h на частоте 1 ГГц будет примерно равно λ/8λ/8. Суммируя указанные выше размеры получим, что второй размер СВЧ-переключателя будет равен не менее чем λ/2.
Длину подводящих линий и расстояние до края платы мы можем не принимать в расчет, потому что к ним предъявляются одинаковые требования для всех видов СВЧ-переключателей. Эти размеры будут одинаковы для СВЧ-переключателя-прототипа и для предлагаемого СВЧ-переключателя.

Рассмотрев вышеприведенное, можно сказать, что площадь, занимаемая СВЧ-переключателем прототипа будет равна λ²/2, а соотношение сторон конструкции 2:1.

Наиболее типичный размер подложки из неорганического материала 60х48 выбран исходя из стандартов на подложки для высокочастотных микросхем. При необходимости подложки разрезаются на части меньшего размера: 15х24; 24х30; 30х48 мм. Некоторые из подложек этих размеров поставляются заводами изготовителями (поликор 24х30, 30х48, 24х30 мм и т.п.); разработаны подложки (ситалл СТ32-1, СТ38-1) с габаритными размерами 78х48, 150х48 мм. Зарубежные фирмы выпускают квадратные подложки 50х50, 25х25 и т.д., удобные для размещения некоторых СВЧ-схем (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. / Под ред. Вольмана В.И. -М.: Радио и связь, 1982, с.169).

Как видно, в производстве СВЧ-микросхем используются стандартные подложки с соотношением сторон примерно 1,5:1 или 1,2:1, за исключением подложек из ситалла СТ32-1 и СT38-1 с соотношением сторон 1,6:1 и 3:1.

СВЧ-переключатель-прототип имеет соотношение сторон 2:1, поэтому если располагать его на стандартной подложке из неорганического диэлектрика, то для его размещения необходимо выбирать подложку исходя из наибольшего размера СВЧ-переключателя. Кроме того, для данной конструкции быстродействующего СВЧ-переключателя-прототипа при использовании стандартной подложки будет необходима большая подложка. Дополнительно ко всему сказанному при размещении СВЧ-переключателя-прототипа на стандартной подложке у конструкции будет мал коэффициент использования площади.

Для управления СВЧ-переключателя-прототипа необходимы две шины управления и относительно сложный источник управляющего напряжения. Кроме того, управляющее напряжение подается отдельно на каждую группу диодов, что требует увеличить габариты подложки для размещения этих шин управления.

В быстродействующем СВЧ-переключателе-прототипе нельзя применить управление диодами по одной шине питания, т.к. невозможно достаточно близко расположить диоды относительно друг друга.

Задачей предлагаемого изобретения является создание СВЧ-переключателя с уменьшенными габаритами и упрощенными цепями управления и развязки. Это достигается тем, что в известном быстродействующем СВЧ-переключателе, выполненном в виде тройника, содержащем диоды и шлейф, причем в каждом выходном плече установлены по две группы диодов, выходные плечи тройника расположены относительно друг друга под углом 90^o, в первом плече диоды первой группы присоединены катодом через полуволновой отрезок линии на расстоянии, равном половине длины волны от входной линии, другие электроды диодов всех групп соединены в звезду, а к общей точке групп диодов присоединен отрезок линии передачи, разомкнутый на конце, и шина управления.

В предлагаемом решении все признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект.

При этом обеспечивается сверхсуммарный технический эффект, обусловленный совокупностью указанных признаков, заключающийся в том, что удлинение отрезков крайних групп до λ/2 позволило соединить четыре группы диодов в звезду, расположив выходные плечи под углом 90^o. При этом увеличивается коэффициент использования площади стандартной подложки и обеспечивается возможность упрощения цепей управления СВЧ-переключателя. Емкости площадки, к которой припаяны диоды, при соединении в звезду может быть достаточно для замыкания токов СВЧ на землю, чем обеспечивается развязка цепей питания от токов СВЧ. Если недостаточно, то можно сосредоточенной емкостью через отверстие в плате обеспечить надежное замыкание на землю токов СВЧ. Как видно, нет необходимости установки заземляющего элемента по СВЧ в каждой группе диодов, а достаточно одного.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема быстродействующего СВЧ-переключателя, выполненная согласно данному изобретению.

Предлагаемое устройство содержит тройник с входным плечом 1 и выходными плечами 2 и 3, расположенными относительно друг друга под углом 90^o, диоды подключены к выходным плечам через шлейфы 5 и 6 длиной λ/4 и λ/2 соответственно. Другими электродами диоды соединены в звезду. К точке соединения диодов присоединены конденсатор 7 и резистор 8, через который подается управляющее напряжение. Цепи, состоящие из последовательно соединенных диодов 4 и отрезков линий 5 и 6, соединены между собой и подключены к точке А с помощью соединительных отрезков линий 9 длиной λ/4. K точке соединения плеч А подключен короткозамкнутый отрезок линии 10 длиной λ/4, создающий замыкание диодов 4 по постоянному току.

Конкретная реализация предлагаемого быстродействующего СВЧ-переключателя может быть следующей. Быстродействующий СВЧ-переключатель выполнен на стандартной подложке из поликора в виде несимметричных полосковых линий. Резистор 8 выполняется прямо на подложке. Группы диодов 4 безвыводные. Под группой диодов в соответствии с прототипом подразумевается последовательное, параллельное, последовательно-параллельное или какое-либо другое соединение диодов. Переключатель может быть выполнен по интегральной технологии на одной стандартной подложке из поликора или любого другого СВЧ-диэлектрика.

Устройство работает следующим образом. При подаче в точку соединения групп диодов 4 через резистор 8 напряжения положительной полярности группа диодов, подключенная анодом через четвертьволновый отрезок линии 5 к плечу 2, закрывается и ее сопротивление становится очень большим, а группа диодов, подключенная катодом к плечу 2 через полуволновой отрезок линии 6, открывается и ее сопротивление становится малым. Сопротивление диодов трансформируется через отрезки линий передач 5 в точку их подключения к плечу 2 в сопротивление короткого замыкания и таким образом выходное плечо 2 оказывается полностью развязанным со входом СВЧ-переключателя. В то же время, в выходном плече 3 сопротивление групп диодов трансформируется через отрезки линии 5 и 6, в точки подключения в выходном плече, в сопротивление холостого хода и СВЧ-сигнал будет проходить из плеча 1 в плечо 3. А так как в плече 2 точка короткого замыкания находится на расстоянии λ/4 от входа СВЧ-переключателя, то короткое замыкание в плече 2 не будет влиять на прохождение СВЧ-сигнала от плеча 1 к плечу 3.

Конденсатор 7, подключенный к точке соединения групп диодов, обеспечивает замыкание на землю токов СВЧ, протекающих через группы диодов 4.

Величина развязки в режиме "закрыто" и величина потерь в режиме "открыто" были рассчитаны с помощью матриц передач и рассеяния по методике (Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах. Вайсблат А.В. -М. : Радио и связь, 1987). Расчеты показали, что эти величины не отличаются от значений для СВЧ-переключателя-прототипа.

В предлагаемой конструкции, если не учитывать длину входных и выходных линий, длина сторон СВЧ-переключателя равна λ/2. Дополнительные элементы: короткозамкнутый четвертьволновый шлейф, шина питания и резистор располагаются так, что не увеличивают размеры каждой стороны переключателя.

Таким образом, предлагаемый СВЧ-переключатель имеет компактную конструкцию площадью равной λ²/4, в то время как площадь, занимаемая переключателем-прототипом, равна λ²/2. Кроме того, соотношение сторон предлагаемого СВЧ-переключателя 1: 1, что удобно для его размещения на стандартной подложке, при этом будет нужна подложка меньшего размера, чем для переключателя-прототипа, и к тому же предлагаемый СВЧ-переключатель можно разместить на стандартной подложке с большим коэффициентом использования площади.

Существенными преимуществами предлагаемого изобретения перед СВЧ-переключателем-прототипом является то, что для подачи управляющего напряжения требуется одна шина питания, а не две, как в СВЧ-переключателе-прототипе. Это значительно уменьшает сложность источника управляющего сигнала, упрощает цепь управления диодами и для цепей управления диодами не требуется много площади на подложке, что также уменьшает габариты СВЧ-переключателя.

Таким образом, предлагаемый СВЧ-переключатель занимает площадь в два раза меньше, чем прототип, и значительно упрощается цепь управления группами диодов.

Переключатель может быть использован в радиопередающих СВЧ-трактах для переключения сигналов с входа на один из выходов. Электрически управляемые СВЧ-переключатели на полупроводниковых диодах представляют класс коммутационных устройств, позволяющих решать коммутационные и логические задачи при построении ряда современных СВЧ-устройств. Они используются в импульсных модуляторах, переключателях различных типов, устройствах защиты т.д. Переключатель содержит тройник, входное плечо которого является входом СВЧ-переключателя, а к двум другим плечам подключены первый и второй каналы, причем к первому каналу на расстоянии четверти волны от центра тройника одним концом подключен первый четвертьволновый шлейф и к второму каналу одним концом подключен первый полуволновой шлейф. Другие концы первых четвертьволнового и полуволнового шлейфов подключены к анодам первого и второго диодов соответственно, катоды которых подключены к цепи управления. Техническим результатом является уменьшение габаритов при простых цепях управления и развязки. 1 ил.

СВЧ-переключатель, содержащий тройник, входное плечо которого является входом СВЧ-переключателя, а к двум другим подключены первый и второй каналы, причем к первому каналу на четвертьволновом расстоянии от центра тройника одним концом подключен первый четвертьволновый шлейф, к второму каналу одним концом подключен первый полуволновой шлейф, другие концы первых четвертьволнового и полуволнового шлейфов подключены к анодам первого и второго диодов соответственно, катоды которых подсоединены к цепи управления, отличающийся тем, что введены вторые четвертьволновый и полуволновой шлейфы, второй четвертьволновый шлейф одним концом подключен к второму каналу на четвертьволновом расстоянии от центра тройника, а второй полуволновой шлейф одним концом подключен к первому каналу на полуволновом расстоянии от центра тройника, другие концы вторых четвертьволнового и полуволнового шлейфов подключены к катодам введенных третьего и четвертого диодов соответственно, аноды которых подключены к цепи управления, при этом первый и второй каналы расположены перпендикулярно один другому, аноды третьего и четвертого диодов подключены к цепи управления, при этом аноды третьего и четвертого и катоды первого и второго анодов соединены в одной точке, а расстояние от тройника до первого полуволнового шлейфа выбрано равным половине длины волн.