КОММУТАТОР С ВЫСОКОЙ РАЗВЯЗКОЙ Российский патент 2002 года по МПК H04M3/00 H03F3/72 H01P1/15 

Изобретение касается коммутатора с высокой развязкой, и в частности, но не исключительно, - коммутатора на полевых транзисторах для передачи сигнала с усилением из одной из множества входных линий передачи в одну общую выходную линию.

В коммутаторе, в котором одна выходная линия подключается к одной или более входным линиям, желательно, чтобы коммутация выполнялась так, чтобы развязка между каналами осуществлялась с наивысшими возможными стандартами или проектными стандартами. В настоящее время в Соединенных Штатах Америки предложен стандарт развязки между каналами 27 дБ, и это по всему диапазону частот 11,7-12,2 ГГц. Это означает, что когда одна поляризация включена, а другая поляризация выключена, развязка между поляризациями составляет по меньшей мере 27 дБ.

Коммутатор линий передачи раскрывается в заявке на патент Соединенного Королевства GВ 2220538 А, поданной фирмой "Маркони". Этот коммутатор позволяет подключать одну выходную линию к одной или более входным линиям, к которым она постоянно подключена в общей точке соединения. В раскрываемом в этой заявке коммутаторе, каждая входная линия имеет соответственный каскад усиления, который может смещаться в нормальное состояние высокого коэффициента усиления (включенное), или в состояние изолирования (выключенное). Смещение выбирают таким, что при смещении усилителя в выключенное состояние, оно гарантирует, что выход каскада усилителя представляет низкое полное сопротивление для своей собственной входной линии, длину которой выбирают так, чтобы получить высокое полное сопротивление в точке соединения с другими линиями. В раскрытом в вышеупомянутой заявке коммутаторе линий передачи низкое выходное полное сопротивление, представляемое усилительным устройством, являющимся полевым транзистором, в своем выключенном состоянии может трансформироваться в высокое полное сопротивление в точке соединения посредством выбора соответственной длины линии передачи. В этом документе устанавливают, что при соответственном выборе длины L линии ожидаемый сигнал в точке соединения предпочтительно следует по пути с низким полным сопротивлением, который представляет выходную линию, и потеря сигнала в закрытой входной линии или линиях минимизируется. Установлено также, что это устройство обнаружило обеспечение более высокого ослабления нежелательного сигнала при работе с низким выходным полным сопротивлением, чем при работе с высоким выходным полным сопротивлением. В любом случае, критическим для этого изобретения является то, что высокое полное сопротивление, достигаемое в точке соединения, получается только посредством сочетания выходного полного сопротивления средства усиления с соответственной длиной линии передачи.

Раскрытый коммутатор линий передачи обеспечивает развязку примерно 20 дБ в диапазоне частот 10,95-11,70 ГГц между поляризациями и не удовлетворяет предлагаемым стандартам США, что ограничивает применение такого устройства. Кроме того, потребность участка линии передачи между средством усиления и коммутатором увеличивает размер коммутатора и стоимость. Это является существенным, когда площадь платы ограничена.

Целью настоящего изобретения является обеспечить коммутатор с высокой развязкой, который избавлен по крайней мере от одного из вышеупомянутых недостатков или они уменьшены.

В одном аспекте это достигается путем исключения линии передачи между выходной согласующей секцией и точкой соединения входа и выхода. В одном варианте осуществления изобретения выход каждого усилителя, то есть полевого транзистора, подсоединен непосредственно к общему выходу, а выходная согласующая схема также исключена из входных линий, обеспечивая общую выходную цепь согласования и смещения, размещенную в выходной линии.

В другом варианте осуществления изобретения выходная согласующая цепь подсоединена непосредственно к общей точке соединения, а отрезок линии передачи между выходной согласующей цепью и точкой соединения для каждой входной линии исключается.

В другом аспекте изобретения смещение усилителей изменяется так, что когда полевой транзистор нормально заперт, на него подается смещение в виде обратного напряжения отключения, так что выходное полное сопротивление выключенного усилительного средства высокое и, следовательно, отрезок линии передачи до общей точки соединения исключает использование номинального четвертьволнового отрезка линии, чтобы в выводе точки соединения образовалось высокое полное сопротивление, обеспечивающее эффективную разомкнутую цепь для прохождения. В описанных выше вариантах осуществления изобретения достигнута развязка между каналами по крайней мере 30 дБ (а фактически в диапазоне частот 10,95-12,2 ГГц показана развязка 40 дБ), по сравнению приблизительно с 20 дБ, полученными в устройстве Маркони.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения обеспечен коммутатор с высокой развязкой, имеющий по крайней мере две входные линии, подсоединенные к выходной линии в общей точке соединения, причем каждая входная линия имеет входную согласующую схему и средство усилителя, обеспеченное однозатворным полевым транзистором, выход каждого полевого транзистора подсоединен непосредственно к точке соединения.

Удобно то, что имеются две входные линии и стоки полевых транзисторов соединены в точке соединения. Выходная цепь согласования и смещения является общей для всех входных линий и размещена в выходной линии передачи.

В соответствии со следующим аспектом настоящего изобретения обеспечен коммутатор с высокой развязкой, в котором по крайней мере две входные линии подсоединены к общей выходной линии в общей точке соединения, причем каждая входная линия имеет входную согласующую схему, средство усилителя, обеспеченное полевым транзистором с одним затвором, вход которого подсоединен к выходу входной согласующей схемы, выход полевого транзистора подсоединен к выходной согласующей схеме, а выход выходной согласующей схемы подсоединен непосредственно к общей точке соединения без отрезка линии передачи. Полевыми транзисторами предпочтительно являются транзисторы с высокой подвижностью электронов.

В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения обеспечено устройство коммутатора с высокой развязкой, в котором по крайней мере две входные линии подсоединены к общей выходной линии в общей точке соединения, причем каждая входная линия имеет входную цепь согласования и смещения, а выход входной цепи согласования и смещения подсоединен ко входу усилительного средства, обеспеченного однозатворным полевым транзистором, выход которого подсоединен ко входу выходной согласующей цепи, а выход выходной согласующей цепи подсоединен к упомянутой общей точке соединения, где на каждый полевой транзистор подается такое смещение, что один из двух или более входов упомянутых входных линий может подключаться к общему выходу, причем на полевой транзистор подается смещение "открывания" для обеспечения большого усиления или "запирания" для обеспечения развязки, а в запертом состоянии смещение таково, что полевой транзистор переходит в "запертое" состояние, благодаря чему транзистор обеспечивает высокое полное сопротивление на своем выходе, позволяя подсоединять "открытый" и "закрытый" каналы к общей точке соединения с минимальными потерями, вносимыми в "открытый" канал.

Выходные согласующие цепи могут включать средства смещения. В одном устройстве отрезок линии передачи без четвертьволнового отрезка подсоединен между каждой выходной цепью согласования и смещения и общей точкой соединения, причем каждый отрезок линии передачи включает средство блокировки постоянного тока, благодаря чему на открытый полевой транзистор может податься смещение для обеспечения положительного напряжения на выходе, а на запертые полевые транзисторы подаваться смещение для обеспечения на выходе нулевого или минимального напряжения. Такое смещающее устройство создает чрезвычайно хорошую развязку сигнала.

Это устройство обеспечивает очень высокую развязку между "открытым" и "закрытым" каналами, фактически выше 30 дБ, создаваемую во всем диапазоне частот 10,90-12,2 ГГц. Это значительно выше, чем развязка, полученная посредством действия разомкнутого канала "запертого" транзистора, описываемого в документе фирмы "Маркони", который создает низкое полное сопротивление на выходе. Кроме того, это устройство не требует использования номинальной четвертьволновой передающей линии для преобразования низкого полного сопротивления в высокое полное сопротивление в точке соединения.

В качестве полевого транзистора предпочтительно используется транзистор с высокой подвижностью электронов. Транзистор с высокой подвижностью электронов обеспечивает усиление в "открытом" состоянии и высокую развязку в "запертом" состоянии.

В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения обеспечен способ подсоединения одного из двух или более входов коммутатора с высокой развязкой к общему выходу для развязывания сигнала в "открытом" канале по крайней мере от одного "запертого" канала, причем упомянутый способ включает этапы соединения выхода усилительного средства в каждом из упомянутых входных каналов непосредственно вместе в общей точке соединения, и обеспечивает общую выходную цепь согласования и смещения в упомянутой выходной линии, и подачу смещения на усилительное средство в "закрытом" канале или каналах для выключения с целью обеспечения высокого полного сопротивления на выходе усилительного средства.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечен способ развязывания сигнала, проходящего по входной линии с усилением, от других входных линий, которые закрыты, причем упомянутый способ включает этапы обеспечения по крайней мере двух входных линий, подсоединенных к общей точке соединения, и выходной линии, также подсоединенной к упомянутой общей точке соединения, где каждая из упомянутых входных линий имеет: цепь согласования и смещения, усилительное средство, подсоединенное к выходу упомянутой входной цепи согласования и смещения, и выходной цепи согласования и смещения, причем выходная цепь согласования и смещения в каждой входной линии подсоединена к упомянутой общей точке соединения, благодаря чему на усилитель входной линии, подключенный к общему выходу, подается смещение "открывания" для обеспечения высокого усиления, а на усилители в других входных линиях подается смещение для разрыва, с целью обеспечения развязки.

Этот способ позволяет не использовать номинальную четвертьволновую линию для трансформации полного сопротивления в разомкнутую схему в точке соединения.

Эти и другие аспекты изобретения станут ясными из последующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 представляет принципиальную схему усовершенствованного коммутатора с высокой развязкой, соответствующего первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет принципиальную схему второго варианта осуществления коммутатора линий с высокой развязкой, соответствующего настоящему изобретению;
фиг. 3 представляет третий вариант осуществления коммутатора с высокой развязкой, соответствующего настоящему изобретению.

Рассмотрим вначале фиг. 1, изображающий первый вариант осуществления изобретения, в котором множество входных линий передачи 10А, 10В,...N показаны подсоединенными к общей выходной линии 14 в общей точке соединения 16. Все входные линии идентичны. В целях упрощения подробно показаны только две входные линии 10А и 10В, и только одна входная линия (А) будет описана, хотя понятно, что это описание подойдет ко всем другим входным линиям (В, С и так далее), и аналогичные детали будут обозначены одинаковыми позициями. Входная линия 10 состоит из усилительного средства, обычно обозначенного ссылочной позицией 18, которое включает входную цепь согласования и смещения, подсоединенную к первому входу 22. Выход входной цепи согласования и смещения 20 подсоединен к затвору (G) полевого транзистора, исток (S) которого подсоединен к заземлению. Выходной сигнал полевого транзистора 24 снимается со стока (D), и этот сигнал образует входной сигнал для выходной цепи согласования и смещения 26, выход которой подсоединен к общей точке соединения 16 через отрезок линии передачи 28. Длина линии передачи 28 равна нулю или кратная числу полуволновых участков и не требует использования номинального четвертьволнового отрезка линии передачи для трансформации полного сопротивления в разомкнутую цепь в точке соединения 16, как подробно описано ниже. К общему выходу 14 может подключаться один из входов 22А, 22В,...22N путем подачи нужного смещения на полевые транзисторы 24А, 24В и так далее. На каждый полевой транзистор (усилитель) 24А, 24В можно подавать смещение "открывания" для обеспечения большого усиления или "запирания" для обеспечения развязки. Развязывающее состояние "запирания" достигается путем подачи точного смещения на полевой транзистор 24А - 24В для отсечки. Когда это происходит, смещенный в состояние "запирания" транзистор обеспечивает высокое полное сопротивление на выходном выводе, являющемся стоком. Это позволяет соединять "открытый" канал и "закрытый" канал в точке соединения 16 с минимальными потерями, вносимыми в "открытый" канал.

В показанном варианте осуществления изобретения, если к общей выходной линии 14 подключается входная линия 10А, то на полевой транзистор 24А подается смещение "открывания". Поэтому на остальные полевые транзисторы 24В и так далее подается смещение для выключения, вследствие чего на выходном выводе D стока транзисторов получается высокое полное сопротивление. Таким образом, это полное сопротивление передается точке соединения 16, и сигнал, поступающий во входную линию 10, встречает крайне высокое полное сопротивление, вносимое остальными "закрытыми" входными линиями. При таком устройстве достигается очень большая развязка свыше 30 дБ между "открытым" и "закрытым" каналами во всем диапазоне частот 10,9-12,2 ГГц. Это значительно выше, чем развязка, получаемая благодаря действию разомкнутого канала с запертым транзистором с низким полным сопротивлением на выходе, как раскрыто в противопоставляемом материале. Это также не требует использования номинального четвертьволнового отрезка линии передачи для трансформации полного сопротивления в разомкнутую линию в точке соединения 16.

Следует понимать, что полевой транзистор можно выполнить в виде устройства транзистора с высокой подвижностью электронов для обеспечения усиления в "открытом" состоянии и большой развязки в "запертом" состоянии, а также с помощью любого другого подходящего устройства.

Рассмотрим теперь фиг. 2, на котором изображен альтернативный вариант осуществления улучшенного коммутатора линий передачи, в котором показаны только два входных канала 30 и 32, подсоединенных к общему выходу 34 посредством общей точки соединения 36, к которой непосредственно подсоединены выводы от стоков полевых транзисторов 38, 40. Входные линии 1 и 2 имеют соответственные согласующие схемы 40, 42, соответственно, а выходы этих входных согласующих схем подсоединены к затворам полевых транзисторов 38 и 40, соответственно. В этом варианте осуществления выходная согласующая схема в каждой входной линии устранена и выходы полевых транзисторов, то есть выводы стоков, соединены непосредственно вместе в точке соединения 36. Таким образом, здесь также нет выходной линии передачи между выводами стоков и выходом. Выходная линия передачи 44 включает выходную цепь согласования и смещения (не показанную) для получения максимального усиления от "открытого" усилителя. Смещение полевых транзисторов 38 и 40 осуществляется тем же способом, как и прежде, то есть в "открытом" состоянии транзистор смещен так, чтобы получить высокое усиление, а в "запертом" состоянии на транзистор подается обратное смещение для получения режима насыщения или отсечки, так что выходное полное сопротивление запертого транзистора сравнительно высокое, по сравнению с характеристическим сопротивлением выходной линии. Например, в этом случае, если сигнал получен по входной линии 1, то на транзистор 38 подается смещение "открывания", а на транзистор 40 подается смещение запирания, и для сигнала, передаваемого через вход 1, другая входная линия эффективно представляется в виде разомкнутой цепи.

Рассмотрим теперь следующий вариант осуществления, показанный на фиг. 3, на котором показаны 2 входные линии 50 и 52, подсоединенные к общей выходной линии 54 через общую точку соединения 56. Каждая входная линия 50, 52 идентична, и для простоты показаны только две из них, хотя следует понимать, что к точке соединения 56 может быть подсоединено множество таких входных линий. Каждая линия включает средство усиления сигнала, обычно обозначенное ссылочными позициями 58, 60. Каждое средство усилителя состоит из входной согласующей схемы 60А, 60В, подсоединенной к полевому транзистору 62А, 62В, выходы которых, то есть стоки, подсоединены к соответствующей выходной цепи согласования и смещения 64А, 64В. В этом случае выход каждого сродства усиления соединен непосредственно с точкой соединения 56, а между выходом согласующего средства 64 и точкой соединения 56 отсутствует участок линии передачи или отрезок линии передачи. Работа коммутатора линии передачи подобна описанной выше. Когда одна линия включается на прием сигнала, например, на входе 1, на транзистор 62А подается "открывающее" смещение, а на транзистор 62В подается обратное смещение "запирания" с целью отсечки, так что полное сопротивление, которое появляется в точке соединения 56, крайне высокое и представляет для сигнала, передаваемого со входа 1, разомкнутую цепь, обеспечивая, таким образом, высокую развязку между входом, на который подается нужный сигнал, и другими входными линиями.

Преимущества вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения заключаются в том, что исключается средство линии передачи, что не требуется отрезок линии передачи для трансформации полного сопротивления, что приводит к уменьшению площади платы, а это важно из-за размера, а также уменьшается стоимость изготовления. В каждом описанном варианте осуществления перевод транзистора в состояние отсечки в "закрытых" линиях дает значительно большую развязку, чем достигавшаяся прежде посредством вышеупомянутого прототипа, составляющую порядка 30 дБ в частотном диапазоне 10,9-12,2 ГГц, удовлетворяя, таким образом, ожидаемые США требования к развязке между каналами, равной 27 дБ. Устройство смещения можно использовать в виде варианта осуществления, изображенного на фиг. 1, который включает отрезок линии передачи (0,λ/2 или Nλ/2), но без отрезка длиной λ/4, подсоединенного между выходом каждой линии и общей точкой соединения. Включение блокирования постоянного тока в каждую линию передачи на выходе включенного усилителя позволяет иметь напряжение 2-3 В, а на выходе запертого усилителя иметь 0 В для обеспечения необходимого развязывания сигнала.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения отрезок передающей линии на выходе не требуется, поскольку на выходе средства усиления достигается высокое полное сопротивление. В некоторых вариантах осуществления изобретения не требуется иметь блокирования постоянного тока в выходной линии, так как выводы стоков всех полевых транзисторов могут оставаться под одинаковым потенциалом, упрощая таким образом изготовление.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к коммутаторам на полевых транзисторах для передачи сигнала с усилением из одной из множества входных линий в одну общую выходную линию. Технический результат - уменьшение потери сигнала в закрытой входной линии передачи и обеспечение высокой развязки посредством исключения линии передачи между выходной цепью согласования и точкой соединения входа и выхода. В коммутаторе выход каждого полевого транзистора (усилителя) подсоединяют к общему выходу, а выходная согласующая схема исключается из входных линий передачи, обеспечиваемых общей выходной цепью согласования и смещения в выходной линии, а также в другом варианте выходную цепь согласования подсоединяют непосредственно к общей точке соединения, а отрезок линии передачи между выходной цепью согласования и точкой соединения для каждой входной линии исключают. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Коммутатор с высокой развязкой, в котором по меньшей мере две входные линии (10) соединены с общей выходной линией (14) в общей точке (16) соединения, причем каждая входная линия (10) имеет входную цепь (20) согласования и смещения, а выход входной цепи (20) согласования и смещения подсоединен к входу соответствующего усилительного средства, снабженного однозатворным полевым транзистором (ПТ) (24), при этом полевой транзистор (24) выполнен с возможностью подачи на него смещения "открывания" для обеспечения высокого коэффициента усиления или "запирания" для обеспечения развязки, выход полевого транзистора (24) подключен к входу выходной цепи (26) согласования, а выход выходной цепи (26) согласования подсоединен к упомянутой общей точке (16) соединения, отличающийся тем, что на полевой транзистор подается смещение "запирания" путем смещения полевого транзистора в состояние отсечки, а выход каждой выходной цепи согласования соединен с упомянутой общей точкой соединения через отрезок линии передачи, равный нулевому или кратному числу полудлин волн передаваемого сигнала. 2. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что каждая выходная цепь согласования (26) включает в себя средство смещения. 3. Коммутатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что линия передачи (28) включает в себя средство блокирования постоянного тока, обеспечивающее подачу на "открытый" полевой транзистор смещения, обеспечивающего положительное напряжение на выходе, и подачу на "закрытый" полевой транзистор смещения, обеспечивающего нулевое или минимальное напряжение на выходе.