Сверхширокополосный pin-диодный диплексерный переключатель Российский патент 2024 года по МПК G01R23/165 H01P1/15 

Область техники

Изобретение относится к области радиоэлектроники сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к устройствам управления СВЧ-сигнала, и может быть использовано в коммутационных узлах СВЧ-техники, в частности в контрольно-измерительной аппаратуре.

Уровень техники

Известны схемы коммутации СВЧ-сигналов с помощью управляемых полупроводниковых устройств, таких как pin-диоды (далее диоды), которые обеспечивают коммутацию сигнала в широкой полосе частот, где верхняя граница рабочего частотного диапазона может превышать 100 ГГц. Известен двухканальный коммутатор (SPDT) компании «MACOM Technology Solutions» (URL: https://cdn.macom.com/datasheets/MA4AGSW2.pdf, дата обращения 15.05.2024) с комбинированной (последовательно-параллельной) схемой включения диодов. Коммутатор реализован в монолитно-интегральном исполнении, обеспечивает вносимые потери менее 1 дБ и работу в полосе частот от 50 МГц до 50 ГГц.

Основным недостатком известной схемы является невозможность работы на частотах менее 50 МГц, что в свою очередь связано с использованием в конструкции переключателя диодов, которые ограничивают рабочий диапазон частот снизу.

Наиболее близким решением, выбранным за прототип, является схема диплексирующего переключателя на основе pin-диодов, применяемая в известном портативном анализаторе спектра (патент US 9103856, МПК G01R23/165, опубл. 11.08.2015). Схема прототипа содержит два плеча, предназначенные для разделения сигналов на разные тракты - нижней и верхней полосы частот. В тракте нижней полосы частот от 9 кГц до 5,5 ГГц последовательно включена катушка индуктивности и диод на землю, параллельно которому подключен конденсатор. Тракт верхней полосы частот от 5,5 ГГц до 20 ГГц включает в свой состав последовательно включенный конденсатор и диод на землю, параллельно которому подключена катушка индуктивности. При подаче управляющего тока на диоды осуществляется коммутация каналов переключателя.

Недостатком известного устройства является ограничение нижней границы частотного диапазона.

Сущность изобретения

Основной технической задачей заявляемого изобретения является создание pin-диодного диплексерного широкополосного переключателя с возможностью работы от постоянного тока в низкочастотном канале.

Техническим результатом является расширение рабочего диапазона частот в низкочастотном канале до значений, соответствующих постоянному току.

Технический результат достигается за счет того, что в cверхширокополосный pin-диодный диплексерный переключатель, управляемый при помощи цепи управления, который содержит два канала с общим выводом - низкочастотный (НЧ), представляющий собой согласующую цепь, и высокочастотный (ВЧ), выполненный на основе одного диода, согласно предложенному решению, введены дополнительный диод в состав ВЧ-канала и разделительный топологический конденсатор, через верхнюю обкладку которого подключен анод диода к катоду дополнительного диода, анод которого заземлен, а нижняя обкладка конденсатора является элементом согласующей цепи НЧ-канала и соединена с общим выводом, при этом верхняя обкладка конденсатора представляет собой четвертьволновый шлейф на центральной частоте ВЧ-канала.

В частном случае выполнения в заявляемом устройстве, согласно предложенному решению, в состав ВЧ-канала введен первый развязывающий диод, анод которого подключен к катоду диода ВЧ-канала, а катод заземлен.

В частном случае выполнения в заявляемом устройстве, согласно предложенному решению, в состав ВЧ-канала введен второй развязывающий диод, который подключен параллельно дополнительному диоду ВЧ-канала.

В частном случае выполнения в заявляемом устройстве, согласно предложенному решению, в схему устройства введена цепь смещения, состоящая из последовательно соединенных источника постоянного напряжения, резистора и шунтирующего конденсатора, нижняя обкладка которого заземлена, при этом резистор и верхняя обкладка шунтирующего конденсатора подключены к анодам дополнительного и второго развязывающего диодов.

Краткое описание чертежей

Заявляемое устройство поясняется демонстрационными материалами, подтверждающими его осуществление, где представлены: на фиг. 1 - его электрическая схема, на фиг. 2 - его электрическая схема с цепью смещения, на фиг. 3, фиг. 4 - частотные графики вносимых потерь НЧ- и ВЧ-каналов соответственно; на фиг. 5, фиг. 6 - частотные графики возвратных потерь общего порта при работе НЧ- и ВЧ-каналов соответственно; на фиг. 7 - график частотной зависимости межканальной изоляции в режиме работы НЧ- и ВЧ-каналов, на фиг. 8 - отклонение выходной мощности от линейного участка на частоте 18 ГГц при работе НЧ-канала со смещением (U2= -15В) и без смещения (U2= -0В).

В заявляемом устройстве (фиг. 1, фиг. 2) обозначено:

1 - цепь управления;

2 - НЧ-порт;

3 - ВЧ-порт;

4 - pin-диод;

5 - согласующая цепь НЧ-тракта;

6 - дополнительный pin-диод;

7 - разделительный конденсатор;

8 - верхняя обкладка конденсатора 7;

9 - нижняя обкладка конденсатора 7;

10 - общий вывод;

11 - первый развязывающий pin-диод;

12 - второй развязывающий pin-диод;

13 - цепь смещения.

В заявляемом изобретении НЧ-канал включает в свой тракт согласующую цепь 5, которая совместно с нижней обкладкой 9 разделительного конденсатора 7 определяет его полосу пропускания. Диапазон рабочих частот ВЧ-канала определяется короткозамкнутым четвертьволновым шлейфом, представленным в виде верхней обкладки 8 конденсатора 7 и настраиваемым на центральную частоту канала. Шлейф заземляется через открытые диоды 6 и 12. Оба плеча разделены по постоянному току через топологический конденсатор 7, где по верхней его обкладке 8 протекает управляющий ток через диоды 6 и 12, не попадая на порты НЧ-канала. Данная реализация позволяет не использовать разделительные конденсаторы на портах 2 и 10. Короткозамкнутый четвертьволновый шлейф (верхняя обкладка 8) обеспечивает изоляцию между портами 2 и 3 в режиме работы ВЧ-канала согласно формуле 1:

где Z_вх - входное сопротивление шлейфа;

Z₀ - волновое сопротивление линии шлейфа;

Z_н - сопротивление нагрузки шлейфа.

Согласно формуле 1, для увеличения изоляции за счёт увеличения Z_вх следует стремиться к уменьшению Z_н. Параллельное включение диодов 6 и 12 на землю и обеспечение их открытого состояния путем протекания управляющего тока позволяют достичь близкого к нулю сопротивления Z_н и, как следствие, улучшения развязки.

Работа устройства

Заявляемый переключатель на фиг. 1 работает следующим образом.

В режиме работы ВЧ-канала на анод диода 11 и на катод диода 4 подается напряжение отрицательной полярности от источника U1 цепи управления 1. Это обеспечивает запирание диода 11 (закрытое состояние), а также протекание тока через диоды 4, 6 и 12 (открытое состояние), что в свою очередь способствует заземлению четвертьволнового шлейфа (верхняя обкладка 8). Величина управляющего тока регулируется резистором R1 цепи управления 1.

В режиме работы НЧ-канала на анод диода 11 и на катод диода 4 подается положительное напряжение от источника питания U1, обеспечивающее запирание диода 4 и открытие диода 11, что в итоге способствует изоляции ВЧ-канала. Ограничение тока осуществляется резистором R1 управляющей цепи 1.

Благодаря использованию заявляемой совокупности признаков, представленных на электрической схеме устройства фиг. 1, происходит расширение рабочего диапазона частот в низкочастотном канале до значений, соответствующих постоянному току, чем подтверждается заявляемый технический результат.

В частном случае реализации (фиг. 2) в схему включается цепь смещения 13, которая содержит в себе элементы: U2 - источник постоянного напряжения, R2 - токозадающий резистор, С3 - шунтирующий конденсатор.

Принцип работы схемы, представленной на фиг. 2, отличается от принципа работы схемы на фиг. 1 следующим.

В режиме работы НЧ-канала с источника U2 цепи 13 поступает отрицательное напряжение на аноды диодов 6 и 12, которое закрывает их, это способствует увеличению линейности переключателя при большой подаваемой мощности.

В режиме работы ВЧ-канала с источника U2 цепи смещения 13 подается 0 В, при этом ограничение тока в данном случае осуществляется резисторами R2 цепи смещения 13 и R1 цепи управления 1.

Заявляемый переключатель может быть использован в двух функциональных назначениях:

- для объединения, когда порты 2 и 3 являются входными, а 10 - выходным.

- для разделения, когда порт 10 является входным, а порты 2 и 3 - выходными.

В качестве примера конкретного выполнения были разработаны и произведены опытные образцы заявляемого переключателя в монолитно-интегральном исполнении по технологии компании АО «НПФ «Микран», НЧ-канал которых настроен в диапазоне частот от 0 ГГц до 18 ГГц, ВЧ-канал - от 18 ГГц до 26,5 ГГц.

Работоспособность предложенного устройства подтверждается графическими материалами (фиг. 3 - фиг. 8).

На фиг. 3-7 представлены графики S-параметров заявляемого переключателя, где для обоих каналов потери тракта на проход не превышают 0,8 дБ, возвратные потери составляют не более минус 13 дБ, а наименьшая изоляция - не менее 25 дБ. Измерения представлены в диапазоне частот от 10 МГц до 26,5 ГГц.

Как видно на графике отклонения от линейного закона НЧ-порта 2 на частоте 18 ГГц при отсутствии и наличии смещения (фиг. 8), смещение величиной минус 15 В позволяет увеличить верхнюю границу подаваемой на вход НЧ-канала мощности, при которой сохраняется линейный режим работы.

Изобретение относится к области радиоэлектроники сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к устройствам управления СВЧ-сигнала, и может быть использовано в коммутационных узлах СВЧ-техники, в частности в контрольно-измерительной аппаратуре. В заявляемом изобретении низкочастотный НЧ-канал включает в свой тракт согласующую цепь, которая совместно с нижней обкладкой разделительного конденсатора определяет его полосу пропускания. Диапазон рабочих частот высокочастотного ВЧ-канала определяется короткозамкнутым четвертьволновым шлейфом, представленным в виде верхней обкладки конденсатора и настраиваемым на центральную частоту канала. Шлейф заземляется через открытые диоды. Оба плеча разделены по постоянному току через топологический конденсатор, где по верхней его обкладке протекает управляющий ток через диоды, не попадая на порты НЧ-канала. Данная реализация позволяет не использовать разделительные конденсаторы на портах. Короткозамкнутый четвертьволновый шлейф (верхняя обкладка) обеспечивает изоляцию между портами в режиме работы ВЧ-канала. Техническим результатом при реализации заявленного решения является расширение рабочего диапазона частот в низкочастотном канале до значений, соответствующих постоянному току. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Сверхширокополосный pin-диодный диплексерный переключатель, управляемый при помощи цепи управления, который содержит два канала с общим выводом – низкочастотный (НЧ), представляющий собой согласующую цепь, и высокочастотный (ВЧ), выполненный на основе одного диода, отличающийся тем, что введены дополнительный диод в состав ВЧ-канала и разделительный топологический конденсатор, через верхнюю обкладку которого подключен анод диода к катоду дополнительного диода, анод которого заземлен, а нижняя обкладка конденсатора является элементом согласующей цепи НЧ-канала и соединена с общим выводом, при этом верхняя обкладка конденсатора представляет собой четвертьволновый шлейф на центральной частоте ВЧ-канала.

2. Сверхширокополосный pin-диодный диплексерный переключатель по п. 1, отличающийся тем, что в состав ВЧ-канала введен первый развязывающий диод, анод которого подключен к катоду диода ВЧ-канала, а катод заземлен.

3. Сверхширокополосный pin-диодный диплексерный переключатель по п. 2, отличающийся тем, что в состав ВЧ-канала введен второй развязывающий диод, который подключен параллельно дополнительному диоду ВЧ-канала.

4. Сверхширокополосный pin-диодный диплексерный переключатель по п. 3, отличающийся тем, что в схему устройства введена цепь смещения, состоящая из последовательно соединенных источника постоянного напряжения, резистора и шунтирующего конденсатора, нижняя обкладка которого заземлена, при этом резистор и верхняя обкладка шунтирующего конденсатора подключены к анодам дополнительного и второго развязывающего диодов.