СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
MICROWAVE SWITCH

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для переключения СВЧ-сигналов в фидерных трактах различного назначения, в частности при создании СВЧ-переключателя «прием-передача».
Полупроводниковые СВЧ-переключатели обладают следующими характеристиками: высоким быстродействием, малым весом, продолжительным сроком службы.
При разработке устройств СВЧ возникает задача создания СВЧ-переключателя на большой уровень мощности, имеющего широкую полосу рабочих частот и простую схему управления.
Так, в отдаленном аналоге заявляемого изобретения - СВЧ-переключателе, содержащем первый и второй p-i-n диоды, включенные последовательно, точка соединения которых является входом СВЧ-переключателя, а к их внешним выводам подключены соответственно первый и второй выходные каналы, параллельно которым подключены третий и четвертый p-i-n диоды и фильтр нижних частот, первый и второй p-i-n диоды включены согласно, к их внешним выводам подключен фильтр нижних частот, частота среза которого ниже частоты рабочего диапазона, при этом первый и второй p-i-n диоды соединены соответственно с третьим и четвертым p-i-n диодами одинаковыми электродами (авт. св. СССР №1201925, Н01Р 1/15, 1985), обеспечивается широкая полоса рабочих частот.
Однако указанное устройство не может применяться для переключения мощности высокого уровня. Во-первых, это связано с тем, что в данном устройстве СВЧ диоды включены последовательно. Трудности, связанные с отводом тепла от диодов, не позволяют использовать такой вариант включения диодов при переключении высоких уровней средней мощности. Переключаемая пиковая мощность ограничивается тем, что сумма амплитуды переменного напряжения, действующего на диоде, и напряжения обратного смещения не должна превосходить величину пробивного напряжения (точнее, максимально допустимого мгновенного напряжения). (Справочник. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Томск МГП «РАСКО», 1992, с.92). Допустимое мгновенное напряжение для СВЧ диодов обычно не превышает 1000 В. Увеличение пробивного напряжения, кроме того, приводит также к уменьшению быстродействия СВЧ диодов, и как следствие, к уменьшению быстродействия СВЧ-переключателей (Лебедев И.В., Шнитников А.С., Купцов Е.И. Твердотельные СВЧ ограничители проблемы и решения (обзор), Изв. вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника, 1985, т.28, №10 с.37). Недостатком данного и аналогичных устройств является то, что необходимо одновременно подавать управляющее смещение на разные группы диодов разной полярности, при этом мощность источника управления потребляется непрерывно, что значительно усложняет устройство источника управления.
При создании СВЧ-переключателей на большой уровень мощности используют схемы с параллельным включением диодов в основную линию.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи с сходством выполняемой технической задачи, является СВЧ-переключатель (Ильченко М.Е., Осипов В.Г. Электрически управляемые СВЧ переключатели на полупроводниковых диодах (обзор), Изв. вузов СССР. Радиотехника, 1977, т.20, №2 с.10), содержащий тройник, первое плечо которого является входом, второе и третье - первым и вторым выходами соответственно, во втором плече на расстоянии, равным λ/4 от узла разветвления тройника, установлена параллельно включенная первая группа СВЧ диодов, состоящая из одного или нескольких СВЧ диодов, в третьем плече на расстоянии, равном λ/4 от узла разветвления тройника, включен четвертьволновой шлейф, на конце которого установлена параллельно включенная вторая группа СВЧ диодов, состоящая из одного или нескольких СВЧ диодов.
Для управления этого устройства на все группы СВЧ диодов подается управляющее смещение одинаковой полярности, и при подаче отрицательного смещения мощность источника управления практически не потребляется. Все это значительно упрощает схему управления, снижает уровень потребляемой мощности. Использование этого переключателя в качестве переключателя «прием-передача» позволяет значительно повысить переключаемую мощность за счет того, что диоды при высокой мощности работают только в режиме прямого смещения, и, кроме того, что важно, при создании переключателя «прием-передача» возможно использование ограничительных СВЧ диодов.
Однако этому устройству, как устройству с параллельным включением диодов в основную линию, свойственна узкая полоса рабочих частот (СВЧ фазовращатели и переключатели. Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. - М.: «Радио и связь», 1984, с.22-23).
Для увеличения полосы рабочих частот уменьшают волновое сопротивление четвертьволнового шлейфа, на конце которого установлена параллельно включенная вторая группа СВЧ диодов. Однако, так как рабочая мощность устройства обратно пропорциональна волновому сопротивлению линии, в которую включен диод, то это приводит к снижению рабочей мощности (Справочник. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Томск МГП «РАСКО», 1992, с.92).
Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение полосы рабочих частот, при сохранении уровня рабочей мощности, без усложнения схемы управления.
Указанный технический результат достигается тем, что в СВЧ переключателе, содержащем тройник, первое плечо которого является входом, второе и третье - первым и вторым выходами соответственно, во входом, второе и третье - первым и вторым выходами соответственно, во втором плече на расстоянии, равном λ/4 от узла разветвления тройника, установлена параллельно включенная первая группа СВЧ диодов, состоящая из одного или нескольких СВЧ диодов, в третьем плече на расстоянии, равном λ/4 от узла разветвления тройника, включен четвертьволновой шлейф, на конце которого установлена параллельно включенная вторая группа СВЧ диодов, состоящая из одного или нескольких СВЧ диодов, третье плечо выполнено в виде четвертьволнового отрезка связанной линии, ко вторичной линии которой подключен параллельно, по крайней мере, один дополнительный диод.
На фиг.1 показана схема предлагаемого СВЧ переключателя.
СВЧ-переключатель содержит тройник, первое плечо 1 которого является входом, второе 2 и третье 3 - первым и вторым выходами соответственно, во втором плече 2 на расстоянии, равном λ/4 от узла разветвления тройника 4, установлена параллельно первая группа СВЧ диодов 5, состоящая из одного или нескольких СВЧ диодов, в третьем плече 3 на расстоянии, равном λ/4 от узла разветвления тройника 4, включен четвертьволновой шлейф 6, на конце которого установлена параллельно включенная вторая группа СВЧ диодов 7, состоящая из одного или нескольких СВЧ диодов, причем третье плечо 3 выполнено в виде четвертьволнового отрезка связанной линии, ко вторичной линии 8 которой подключен параллельно по крайней мере один дополнительный диод 9. Разделительные конденсаторы 10 служат для развязки СВЧ сигналов и смещающих напряжений. В СВЧ переключателе «прием-передача» с использованием ограничительных СВЧ диодов конденсаторы отсутствуют, диоды включены непосредственно в линию.
СВЧ-переключатель работает следующим образом.
При подаче на все диоды 5, 7, 9 СВЧ-переключателя положительного смещения (для СВЧ-переключателя «прием-передача» с использованием ограничительных СВЧ диодов, диоды открываются сигналом высокого уровня мощности) диоды 5, 7, 9 открываются. Открытые диоды 5, 7 образуют два короткозамкнутых четвертьволновых шлейфа, разнесенных на расстояние, равное четверти длины волны, один из них образован четвертьволновым отрезком второго плеча 2 с установленными на конце отрезка параллельно включенными открытыми диодами 5, другой - четвертьволновым шлейфом 6, на конце которого установлена параллельно включенная вторая группа открытых СВЧ диодов 7. В результате ВЧ сигнал со входа (плечо 1) поступает на выход (плечо 3) (для СВЧ-переключателя «прием-передача» с использованием ограничительных СВЧ диодов ВЧ сигнал от передатчика, подключенного к плечу 3, поступает на плечо 1, являющееся входом антенны). Отрезок связанной линии (плечо 3) выполнен таким образом, что при открытом диоде 9 волновое сопротивление плеча 3 равно волновому сопротивлению плеча 1. Этим достигается хорошее согласование и малые потери при прохождении СВЧ сигнала со входа (плечо 1) на выход (плечо 3).
При подаче на все диоды 5, 7, 9, СВЧ-переключателя отрицательного смещения (для СВЧ-переключателя «прием-передача» с использованием ограничительных СВЧ диодов при сигнале малого уровня мощности). СВЧ диоды не открываются, диоды 5, 7, 9 закрыты и представляют собой емкости. ВЧ сигнал, так как третий выход оказывается отключенным, поступает со входа (плечо 1) на выход (плечо 2). Для СВЧ-переключателя «прием-передача» с использованием ограничительных СВЧ диодов ВЧ сигнал от антенны (плечо 1) поступает на плечо 2, являющееся входом приемного устройства. Отрезок связанной линии (плечо 3) выполнен таким образом, что при закрытом диоде 9 волновое сопротивление меньше волнового сопротивления плеча 3 и четвертьволнового шлейфа 6. Уменьшение волнового сопротивления плеча 3 относительно волнового сопротивления четвертьволнового шлейфа 6 приводит к расширению полосы рабочих частот устройства (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М.С.Жук, Ю.Б.Молочков. - М.: «Энергия», 1973, с.391-393). Так как на величину ширины полосы рабочих частот влияет отношение волнового сопротивления плеча 3 к волновому сопротивлению шлейфа 6, то уменьшая волновое сопротивление плеча 3 и не увеличивая волновое сопротивление шлейфа 6, можно расширить полосу рабочих частот, не уменьшая при этом уровня рабочей мощности, либо увеличить уровень рабочей мощности при сохранении полосы рабочих частот. Так как на все СВЧ диоды управляющее напряжение подается одинаковой полярности, то это не приводит к усложнению схемы управления, и, кроме того, позволяет использовать ограничительные СВЧ диоды для создания переключателя «прием-передача».