БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ УКВ-ДИАПАЗОНА Российский патент 2009 года по МПК H03K17/74 

Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для коммутации широкополосных сигналов и может быть использовано в радиоэлектронных схемах различного назначения, в частности синтезаторах частот прямого или смешанного синтеза.

Из множества известных переключающих устройств УКВ-диапазона наиболее близким к изобретению является коммутатор, содержащий последовательно-параллельно включенные диоды, источник питания, подключенный через резистор и дроссель к точке соединения диодов последовательной цепи, к которой также подключен анод стабилитрона, катод которого подключен к катоду диода параллельной цепи, а точка их соединения через развязывающий дроссель подключена к источнику управляющего напряжения [Авт. св-во СССР №494849, М. кл. Н03К 17/04, 1976].

Причинами, препятствующими получению указанного ниже технического результата при использовании известного коммутатора, являются ограниченные функциональные возможности устройства, обусловленные недостаточным подавлением сигналов при закрытом состоянии порядка -40…-50дБ, относительно небольшой скоростью переключения порядка 0,5…20 мкс. Качество работы быстродействующих ключей для коммутаторов в высокочастотных диапазонах начинает определяться эффектами межэлектродных емкостей и индуктивностей, накоплением зарядов и с уменьшением длины волны оно ухудшается. УКВ-диапазон характеризуется тем, что еще рано применять полосковые линии, но уже нельзя эффективно применять объемный монтаж элементов схемы устройства.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей электронного ключа за счет увеличения уровня подавления сигналов при закрытом состоянии, снижения уровня неравномерности в прямом прохождении сигналов, увеличения скорости переключения из одного состояния в другое.

Это достигается тем, что в известный коммутатор, содержащий последовательно-параллельно включенные диоды, последовательно соединенные первый дроссель и первый резистор, согласно изобретению введены последовательно соединенные второй дроссель и второй резистор, первый и второй разделительные конденсаторы, третий, четвертый и пятый дроссели, при этом в последовательной цепи диоды включены попарно так, что катод первого диода соединен с катодом второго диода, анод которого соединен с анодом третьего диода, катод которого соединен с катодом четвертого диода, анод первого диода через первый разделительный конденсатор связан с входом устройства, а анод четвертого диода через второй разделительный конденсатор связан с выходом устройства; к точке соединения катодов первого и второго диодов последовательной цепи подключены анод первого диода параллельной цепи и последовательно включенные первый дроссель и первый резистор, второй вывод которого подключен к общему источнику управляющего двухполярного постоянного напряжения; к точке соединения катодов третьего и четвертого диодов последовательной цепи подключены анод второго диода параллельной цепи и последовательно включенные второй дроссель и второй резистор, второй вывод которого подключен к общему источнику управляющего двухполярного постоянного напряжения; третий, четвертый и пятый дроссели установлены в параллельной цепи устройства так, что третий дроссель подключен к точке соединения первого разделительного конденсатора и анода первого диода последовательной цепи, четвертый дроссель - к точке соединения анодов второго и третьего диодов последовательной цепи, пятый дроссель - к точке соединения анода четвертого диода последовательной цепи и второго разделительного конденсатора; вход устройства и первый диод последовательной цепи помещены в металлический экран, сердечники дросселей выполнены на ферритовых кольцах, причем сердечники соседних дросселей расположены под углом 90° друг к другу.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - принципиальная схема быстродействующего электронного ключа УКВ-диапазона; фиг.2 - график прохождения мощности сигнала при открытом ключе; фиг.3 - график прохождения мощности сигнала при закрытом ключе; фиг.4 - график потерь мощности и неравномерности уровня сигнала при открытом ключе в полосе частот 1 ГГц.

Быстродействующий электронный ключ УКВ-диапазона (фиг.1) выполнен по схеме последовательно-параллельного включения диодов. В последовательной цепи диоды включены попарно так, что катод первого диода 2 соединен с катодом второго диода 3, анод которого соединен с анодом третьего диода 4, катод которого соединен с катодом четвертого диода 5; анод первого диода 2 через первый разделительный конденсатор 1 связан с входом устройства, а анод четвертого диода 5 через второй разделительный конденсатор 6 связан с выходом устройства. К точке соединения катодов первого 2 и второго 3 диодов подключены анод первого диода 7 параллельной цепи устройства и последовательно включенные первый дроссель 11 и первый резистор 16, второй вывод которого подключен к общему источнику управляющего двухполярного постоянного напряжения (на схеме не показан). К точке соединения катодов третьего 4 и четвертого 5 диодов подключены анод второго диода 8 параллельной цепи устройства и последовательно включенные второй дроссель 13 и второй резистор 17, второй вывод которого подключен к общему источнику управляющего двухполярного постоянного напряжения. Катоды первого 7 и второго 8 диодов параллельной цепи через шину печатной платы соединены с корпусом устройства. Третий 10, четвертый 12 и пятый 14 дроссели установлены в параллельной цепи устройства так, что третий дроссель 10 подключен к точке соединения первого разделительного конденсатора 1 и анода первого диода 2 последовательной цепи, четвертый дроссель 12 - к точке соединения анодов второго 3 и третьего 4 диодов последовательной цепи, пятый дроссель 14 - к точке соединения анода четвертого диода 5 последовательной цепи и второго разделительного конденсатора 6. Вторые выводы указанных дросселей через шину печатной платы соединены с корпусом устройства. На входе и выходе устройства установлены соответственно входной согласующий резистор 9 и резистор нагрузки 15. Вход устройства - проводник, соединяющий входной ВЧ-разъем с выводом первого разделительного конденсатора 1, помещен в металлический экран 18. Конструктивно в зависимости от геометрических размеров под экран 18 могут быть помещены ближайшие элементы схемы: конденсатор 1, входной согласующий резистор 9, диод 2. Сердечники дросселей 10-14 выполнены на ферритовых кольцах, при этом сердечники соседних дросселей расположены под углом 90° друг к другу.

В примере осуществления изобретения макетирование устройства выполнялось на типовой элементной базе. В частности, использовались полупроводниковые диоды 2А547В-3 аА0.339.346ТУ, конденсаторы К10-17в-Н50-4700пФ ОЖ0.460.107ТУ, резисторы P1-8-0.25-178Ом±5% ОЖ0.467.164ТУ и Р1-8-0.25-50Ом ±5% ОЖ0.467.164ТУ. Дроссели выполнены на тороидальных ферритовых сердечниках марки М2000НМ1-17 ПЯ0.707.094ТУ с десятью витками медного провода ПЭВТЛК - 0,1 мм ТУ 16.502.007-82.

Быстродействующий электронный ключ УКВ-диапазона работает следующим образом. Для управления диодами ключа используется управляющее двухполярное постоянное напряжение. При подаче минусового управляющего напряжения через резисторы 16, 17 и дроссели 11, 13 диоды 2, 3, 4 и 5 последовательной цепи устройства открываются, а диоды 7, 8 параллельной цепи запираются. Токи через диоды 2, 3, 4 и 5 последовательной цепи замыкаются на корпус устройства через дроссели 10, 12 и 14 параллельной цепи. Входной сигнал с малыми потерями проходит на выход устройства. Малые потери сигнала при прохождении тракта обусловлены большим сопротивлением дросселей 10, 11, 12, 13 и 14 на рабочих частотах и малым сопротивлением открытых диодов (по справочным данным - сопротивление открытого диода составляет 3 Ом). Рассчитанные потери мощности сигнала составляют - 1,95 дБ. При этом неравномерность потерь мощности сигнала в диапазоне частот макетного образца показана на фиг.4 и составляет -0,8 дБ при потерях мощности -4дБ. Разница между расчетными потерями и потерями мощности в макетном образце объясняется неучтенными индуктивностями и емкостями печатных проводников, неучтенными сопротивлениями переходных емкостей и неоднородностями покрытий элементов схемы и печатной платы. График неравномерности потерь мощности (фиг.4) получен с помощью анализатора цепей 8719ЕТ фирмы Agilent Technologies.

При подаче положительного управляющего напряжения через резисторы 16, 17 и дроссели 11, 13 диоды 2, 3, 4 и 5 последовательной цепи запираются, а диоды 7 и 8 параллельной цепи открываются, замыкая ток через земляную шину платы на корпус устройства. Расчетное значение подавления входного сигнала составляет -129 дБ. Учитывая реактивные составляющие элементов, паразитные емкости и индуктивности печатных проводников, входных и выходных разъемов, мест паек, затухание сигнала будет несколько хуже расчетного. Это подтверждается на макетном образце. На графиках фиг.2 и 3 видно, что разница мощности входного сигнала при открытом и закрытом ключе составляет -81 дБ на частоте 1,2 ГГц. При уменьшении частоты входного сигнала эта разница увеличивается и может составлять более -90 дБ. Графики фиг.2, 3 получены с помощью анализатора спектра Е4440А фирмы Agilent Technologies. При измерениях частоты использовался широкополосный усилитель заявителя с коэффициентом усиления +20 дБ.

Положительное управляющее напряжение необходимо для запирания ключа при больших уровнях (до 1,5 В) входного сигнала и уменьшения времени переключения диодов 2, 3, 4 и 5 последовательной цепи из открытого состояния ключа в запертое и обратно. В макетном образце скорость переключения ключа не превышала 100 нс, что на порядок выше чем у прототипа.

Малая неравномерность потерь мощности при открытом и закрытом ключе, а также затухание сигнала более -80дБ достигается за счет использования дросселей 10-14, выполненных на тороидальных ферритовых кольцах. Внутри тороидальной катушки магнитные силовые линии замкнуты и отсутствует краевое неоднородное поле. Расположение сердечников соседних дросселей под углом 90° друг к другу сводит до минимума явление взаимоиндукции и распространение входного сигнала вне шины печатного монтажа. Этому также способствует экранирование входной цепи устройства. Проводник, соединяющий входной ВЧ-разъем с шиной последовательной цепи, играет роль микроантенны, переизлучающей входной сигнал по пространству к выходу устройства, что в случае отсутствия экрана 18 не дает возможности получить разность мощности входного сигнала при открытом и закрытом ключе более -70 дБ. Благодаря указанным конструктивным особенностям устройства обеспечиваются наибольшее подавление мощности входного сигнала при закрытом ключе и минимальная неравномерность сигнала во всем рабочем диапазоне частот.

Быстродействующий электронный ключ УКВ-диапазона может быть использован для коммутации широкополосных сигналов в радиоэлектронных схемах различного назначения, в частности синтезаторах частот прямого или смешанного синтеза. Ключ содержит последовательно-параллельно включенные диоды, которые в последовательной цепи включены попарно так, что катод первого диода соединен с катодом второго диода, анод которого соединен с анодом третьего диода, катод которого соединен с катодом четвертого диода. Анод первого диода связан с входом устройства, а анод четвертого диода - с выходом устройства. К точкам соединения катодов первого и второго, третьего и четвертого диодов последовательной цепи подключены аноды соответственно первого и второго диодов параллельной цепи и источник управляющего двухполярного постоянного напряжения. Малые потери сигнала при открытом ключе обусловлены большим сопротивлением дросселей, установленных в параллельной цепи, и малым сопротивлением открытых диодов. Технический результат - большое затухание сигнала при закрытом ключе и малая неравномерность потерь мощности при открытом и закрытом ключе достигается за счет выполнения дросселей на тороидальных ферритовых кольцах, расположения сердечников соседних дросселей под углом 90° друг к другу и экранирования входной цепи ключа. 4 ил.

Быстродействующий электронный ключ УКВ-диапазона, содержащий последовательно-параллельно включенные диоды, последовательно соединенные первый дроссель и первый резистор, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные второй дроссель и второй резистор, первый и второй разделительные конденсаторы, третий, четвертый и пятый дроссели, при этом в последовательной цепи диоды включены попарно так, что катод первого диода соединен с катодом второго диода, анод которого соединен с анодом третьего диода, катод которого соединен с катодом четвертого диода, анод первого диода через первый разделительный конденсатор связан с входом устройства, а анод четвертого диода через второй разделительный конденсатор связан с выходом устройства; к точке соединения катодов первого и второго диодов последовательной цепи подключены анод первого диода параллельной цепи и последовательно включенные первый дроссель и первый резистор, второй вывод которого подключен к общему источнику управляющего двухполярного постоянного напряжения; к точке соединения катодов третьего и четвертого диодов последовательной цепи подключены анод второго диода параллельной цепи и последовательно включенные второй дроссель и второй резистор, второй вывод которого подключен к общему источнику управляющего двухполярного постоянного напряжения; третий, четвертый и пятый дроссели установлены в параллельной цепи устройства так, что третий дроссель подключен к точке соединения первого разделительного конденсатора и анода первого диода последовательной цепи, четвертый дроссель - к точке соединения анодов второго и третьего диодов последовательной цепи, пятый дроссель - к точке соединения анода четвертого диода последовательной цепи и второго разделительного конденсатора; вход устройства и первый диод последовательной цепи помещены в металлический экран, сердечники дросселей выполнены на ферритовых кольцах, причем сердечники соседних дросселей расположены под углом 90° друг к другу.