ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к управляющим устройствам СВЧ и может быть использовано для управления амплитудой высокочастотных сигналов.

Одноканальные выключатели применяются для амплитудной манипуляции высокочастотных колебаний и в защитных устройствах приемников. Кроме того, на основе одноканальных выключателей могут быть реализованы матричные коммутаторы и многоканальные переключатели, используемые, например, в фазированных антенных решетках.

Известны выключатели, выполненные на основе непосредственного параллельного или последовательного включения полупроводниковых диодов в линию передачи [см. книгу Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, стр. 28]. Такие выключатели отличаются хорошими массогабаритными показателями, удобством электрического управления. Кроме того, при работе на умеренно высоких частотах (до 100 МГц) они имеют малые прямые потери (менее 0,5 дБ) и значительную величину потерь запирания (до 30 дБ). На более высоких частотах начинают существенно проявляться емкость диодов и индуктивность выводов. Поэтому для обеспечения большой величины потерь запирания необходимо использовать в одном выключателе несколько диодов, что приводит к увеличению прямых потерь.

Известны также выключатели, использующие при параллельном включении диода в линию передачи его емкость, индуктивность выводов и дополнительные реактивные элементы для создания параллельного и последовательного резонансов [см. книгу Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на p-i-n- диодах в интегральном исполнении. - М.: Радио и связь, 1984, стр. 21]. Последовательный резонанс при параллельном включении диода в линию передачи обеспечивает режим короткого замыкания, а параллельный резонанс - соответственно отсутствие шунтирования. Следовательно, в данном выключателе режим запирания будет иметь место при обесточенном диоде, а режим пропускания - при прямом смещении на диоде. Такое управление выключателя является инверсным. Недостатками данного выключателя являются узкополосность и большие прямые потери, обусловленные непосредственным включением полупроводникового диода в линию передачи.

Кроме того, известен также выключатель, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий два разделительных конденсатора, включенных между входом и выходом и последовательно между собой, полупроводниковый диод, подключенный через четвертьволновый трансформирующий шлейф к общей точке соединения разделительных конденсаторов, к которой через блокировочный дроссель подведено управляющее напряжение [см. книгу Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, стр. 21]. Анализ, проведенный в вышеупомянутой книге, показывает, что данное устройство имеет инверсный режим управления, а относительная полоса рабочих частот определяется соотношением:

где - относительная полоса рабочих частот;
ω_o - центральная частота;
ω₊ - максимальная рабочая частота;
ω_- - минимальная рабочая частота;
Δω = ω₊-ω_- полоса рабочих частот;
- потери пропускания;
К_п - коэффициент передачи в режиме пропускания;
- потери запирания;
K_з - коэффициент передачи в режиме запирания.

Как следует из выражения (1), чем ближе L_п к единице, тем меньше относительная полоса рабочих частот η. Относительная полоса частот уменьшается также при увеличении требуемой величины потерь запирания L_з. Таким образом, основным недостатком прототипа является узкополосность. Из описания прототипа и уравнения (1) следует, что при L_п=1,01 и L_з=10 (K_з=-20 дБ) относительная полоса пропускания η составляет 13%.

Задачей предлагаемого изобретения является создание выключателя, работающего в широкой полосе частот.

Поставленная задача достигается тем, что в известный выключатель, содержащий первый и второй разделительные конденсаторы, блокировочный дроссель, включенный между источником управляющего напряжения и обкладкой первого разделительного конденсатора, другая обкладка которого является входом устройства, первый полупроводниковый диод, второй электрод которого соединен с общей шиной, и первый четвертьволновый трансформирующий шлейф, подключенный соответственно к первому электроду первого полупроводникового диода и к точке соединения первого разделительного конденсатора и блокировочного дросселя, дополнительно введены четвертьволновый отрезок линии передачи, включенный между точкой соединения первого разделительного конденсатора и блокировочного дросселя и обкладкой второго разделительного конденсатора, другая обкладка которого является выходом устройства, второй полупроводниковый диод, второй электрод которого соединен с общей шиной, и второй четвертьволновый трансформирующий шлейф, подключенный соответственно к первому электроду второго полупроводникового диода и к точке соединения четвертьволнового отрезка линии передачи и второго разделительного конденсатора, при этом волновое сопротивление обоих четвертьволновых трансформирующих шлейфов равно

а волновое сопротивление четвертьволнового отрезка линии передачи равно

где R₀ - входное сопротивление выключателя, |Г| - допустимое значение коэффициента отражения в режиме пропускания, К_з - допустимая величина потерь запирания, g₁ - значение нормированного элемента низкочастотного фильтра прототипа, соответствующего величине |Г|.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема выключателя, на фиг. 2 изображены частотные характеристики коэффициента передачи в режиме пропускания (U_yпp>0) и коэффициента передачи в режиме запирания (U_yпp=0).

Предлагаемый выключатель содержит: первый и второй разделительные конденсаторы 1, 2; блокировочный дроссель 3; источник управляющего напряжения 4; первый четвертьволновый трансформирующий шлейф 5; второй четвертьволновый трансформирующий шлейф 6; четвертьволновый отрезок линии передачи 7; первый полупроводниковый диод 8; второй полупроводниковый диод 9.

Первый разделительный конденсатор 1, четвертьволновый отрезок линии передачи 7 и второй разделительный конденсатор 2 соответственно образуют последовательную цепь, включенную между входом и выходом устройства. Блокировочный дроссель 3 подключен между источником управляющего напряжения 4 и точкой соединения первого разделительного конденсатора 1 с четвертьволновым отрезком линии передачи 7. Первый четвертьволновый трансформирующий шлейф 5 подключен соответственно к первому электроду первого полупроводникового диода 8 и к точке соединения первого разделительного конденсатора 1 с четвертьволновым отрезком линии передачи 7. Второй четвертьволновый трансформирующий шлейф 6 подключен соответственно к первому электроду второго полупроводникового диода 9 и к точке соединения четвертьволнового отрезка линии передачи 7 со вторым разделительным конденсатором 2. Второй электрод первого полупроводникового диода 8 и второй электрод второго полупроводникового диода 9 соединены с общей шиной.

Выключатель работает следующим образом.

При нулевом управляющем напряжении источника 4 полупроводниковые диоды 8 и 9 заперты и четвертьволновые трансформирующие шлейфы 5 и 6 совместно с четвертьволновым отрезком линии передачи 7 образуют структуру режекторного фильтра, которая обеспечивает требуемую величину потерь запирания в широкой полосе частот. При положительном управляющем напряжении источника 4 полупроводниковые диоды 8 и 9 открываются и обеспечивают режим короткого замыкания для четвертьволновых трансформирующих шлейфов 5 и 6. При этом короткозамкнутые четвертьволновые трансформирующие шлейфы 5, 6 и отрезок линии передачи 7 с соответствующими волновыми сопротивлениями, указанными в формуле изобретения, образуют структуру чебышевского полосно-пропускающего фильтра, полоса рабочих частот которого соответствует полосе режекции режекторного фильтра по уровню К_з. За счет этого соответствия обеспечивается максимально возможная полоса рабочих частот выключателя в режиме пропускания и в режиме запирания, как показано на фиг.2.

Далее проведем аналитическое определение полосы рабочих частот предлагаемого выключателя.

Используя теорию ориентированных графов [Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. - М.: Сов. радио, 1970], и учитывая, что волновое сопротивление четвертьволнового отрезка 7 всего на несколько процентов отличается от R₀, запишем выражение для коэффициента передачи выключателя К_з в режиме запирания в следующем виде

где - нормированная проводимость разомкнутых четвертьволновых трансформирующих шлейфов 5 и 6 при обесточенных диодах 8 и 9;
θ - электрическая длина трансформирующих шлейфов 5, 6 и четвертьволнового отрезка 7 (на центральной частоте рабочего диапазона выключателя θ = π/2).

Принимая во внимание, что в области частот режекции при К_з<<1, выполняются условия |y|≫1 и e^-j2θ ≈ -1, соотношение (2) может быть упрощено

Разлагая функцию ctgθ в ряд Тейлора относительно значения θ_o = π/2 и ограничиваясь первыми двумя слагаемыми этого ряда, получаем

Теперь подставим в выражение (4) значение ρ₁, указанное в формуле изобретения

В соотношении (5) проведем следующие эквивалентные преобразования

Учитывая, что

и

выразим из соотношения (6) относительную полосу рабочих частот

Далее, для относительной полосы рабочих частот (7) определим требуемую величину волнового сопротивления четвертьволновых трансформирующих шлейфов 5 и 6 для режима пропускания, когда полупроводниковые диоды 8 и 9 закорачивают шлейфы 5 и 6 и структура выключателя соответствует чебышевскому полосно-пропускающему фильтру с четвертьволновыми связями. Из теории фильтров известно [см. книгу Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, стр. 59-64, стр.31], что волновое сопротивление шлейфов фильтра, имеющих θ_o = π/2, определяется соотношением

где Q₁ - нагруженная добротность шлейфов 5 и 6.

Учитывая, что g₁= 2Q₁ (в соответствии с теорией фильтров), последнее соотношение приводим к виду

Из полученного соотношения находим волновое сопротивление ρ₁

Учитывая, что для типовых значений К_з=0,1-0,01 (-20 дБ; -40 дБ) величина относительной полосы пропускания обычно равна , последнее соотношение можно записать в виде

Подставив в соотношение (8) величину из (7), получаем

Таким образом, получили значение волнового сопротивления четвертьволновых трансформирующих шлейфов 5 и 6, указанное в формуле изобретения. Следовательно, полоса режекции режекторного фильтра и чебышевского полосно-пропускающего фильтра соответствуют друг другу, что обеспечивает максимально возможную полосу рабочих частот выключателя.

Основываясь на трансформирующих свойствах четвертьволнового отрезка линии передачи 7, на центральной частоте рабочего диапазона (θ = θ_o = π/2) определим входное сопротивление выключателя в режиме пропускания

где - волновое сопротивление четвертьволнового отрезка линии передачи 7.

Следует отметить, что в режиме пропускания на центральной частоте четвертьволновые трансформирующие шлейфы 5 и 6 оказываются соответственно короткозамкнутыми открытыми диодами 8 и 9. При этом за счет большого входного сопротивления шлейфы 5 и 6 на работу выключателя в рассматриваемом режиме влияния не оказывают.

С другой стороны запишем определение комплексного коэффициента отражения на входе выключателя

Из последнего соотношения выразим величину входного сопротивления

Учитывая, что при ρ<R_o, величина является отрицательной, последнее соотношение запишем в виде

Из сопоставления (10) и (11) следует, что указанная в формуле изобретения величина волнового сопротивления четвертьволнового отрезка линии передачи 7 обеспечивает чебышевский вид частотной характеристики в режиме пропускания и практически не влияет на величину К_з режекторного фильтра в режиме запирания (режим пропускания режекторного фильтра в предлагаемом выключателе оказывается за полосой рабочих частот). Этим обеспечивается наибольшая из всех достижимых полоса рабочих частот выключателя. Действительно, при выборе, например, ρ = R_o, на центральной частоте будет выполняться равенство R_вх=r₀, a частотная характеристика |Г| будет батервортовской или максимально плоской. В этом случае полоса рабочих частот в соответствии с теорией фильтров уменьшится в 1,5 раза.

Для типового значения Г=0,1 в чебышевском фильтре величина g₁ равна g₁= 2Q₁=0,666 [см. книгу Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых устройствах. - М.: Радио и связь, 1987, стр. 62, табл. 2.2]. Подставив это значение g₁ в формулу (7) находим, что Это значение относительной полосы рабочих частот в три раза больше, чем в прототипе (напомним, что в прототипе
Кроме аналитического определения полосы рабочих частот, было проведено компьютерное моделирование частотных свойств предлагаемого выключателя в среде pspice для значений R₀=75 Ом, |Г| = 0,1, К_з=0,1, ρ=67,8 Ом, ρ₁ = 55 Ом. Результаты моделирования представлены в таблице.

Как видно из данных таблицы, полоса рабочих частот выключателя составляет 36%. Это свидетельствует о корректности и достаточно высокой точности формул (7) и (9).

Изобретение относится к частотно-избирательным цепям и может быть использовано для коммутации сигналов в широкополосных устройствах СВЧ. Выключатель выполнен на основе двух четвертьволновых трансформирующих шлейфов, расположенных на расстоянии четверти длины волны друг от друга и на концах которых включены полупроводниковые диоды. В режиме пропускания на полупроводниковые диоды подано прямое смещение. При этом структура выключателя соответствует полосно-пропускающему фильтру с четвертьволновыми связями. При обесточенных диодах структура выключателя соответствует режекторному фильтру. Предлагаемый выключатель работает в широкой полосе частот, достигающей 40%, что является техническим результатом. 2 ил., 1 табл.

Выключатель, содержащий четвертьволновый отрезок линии передачи, два четвертьволновых трансформирующих шлейфа, два разделительных конденсатора, через которые концы четвертьволнового отрезка линии передачи соединены соответственно со входом и выходом устройства, блокировочный дроссель, включенный между источником управляющего сигнала и одним из концов четвертьволнового отрезка линии передачи, два полупроводниковых диода, первые электроды которых соединены с общей шиной, а вторые электроды соответственно через четвертьволновые трансформирующие шлейфы подключены к концам четвертьволнового отрезка линии передачи, отличающийся тем, что четвертьволновые трансформирующие шлейфы выполнены с волновым сопротивлением

при этом волновое сопротивление четвертьволнового отрезка линии передачи равно

где R₀ - входное сопротивление выключателя, - допустимое значение коэффициента отражения в режиме пропускания, K₃ - допустимая величина потерь запирания, g₁ - значение нормированного элемента низкочастотного фильтра, соответствующего величине