ДИОДНЫЙ КЛЮЧ
DIODE WRENCH

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться, например, для коммутации высокочастотных широкополосных сигналов в радиотехнических устройствах, в частности для переключения антенн в устройствах разнесенного радиоприема или антенных решетках.
Известен диодный ключ, содержащий мост из четырех диодов, в диагональ которого между точками соединения разноименных электродов диодов включена коммутируемая цепь, а в диагональ моста между точками соединения одноименных электродов диодов включен источник разнополярных управляющих сигналов [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том 2: Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 942 с.: и л. ISBN 5-94074-148-7 стр. 279], [Романов В.А., Давиденко В.А. Мостовой диодный коммутатор, авт. свид-во СССР 1370773, опубл. в бюлл. №4 от 30.01.1988 г.].
Недостатками приведенных технических решений являются, во-первых, высокий уровень коммутационных импульсных помех, проникающих в цепь коммутируемого сигнала, обусловленных несовпадением фронтов отрицательных и положительных управляющих импульсов из-за различия временных задержек в цепях управления, во-вторых, низкий коэффициент использования управляющего тока, в связи с его делением между двумя ветвями диодного моста, а также в связи с неопределенностью этого распределения из-за разброса вольт-амперных характеристик диодов, что вынуждает дополнительно увеличивать этот ток для обеспечения значительного превышения над током коммутируемого сигнала в обеих ветвях диодного моста.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является электронный ключ [АС №418977, опубл. 05.03.1974 г.]. В данном прототипе проблема уменьшения коммутационных импульсных помех решена путем включения между выходами источника управляющих сигналов противоположной полярности и диагональю диодного моста трансформатора с идентичными обмотками, при этом одна обмотка трансформатора подключена началом к точке соединения анодов двух диодов моста и концом - к выходу источника управляющих сигналов, а другая обмотка трансформатора подключена началом к точке соединения катодов двух диодов моста и концом - к выходу источника управляющих сигналов противоположной полярности. Трансформатор, работающий в режиме «длинной линии» не оказывает сопротивления симметричным составляющим управляющих импульсов и оказывает высокое сопротивление их несовпадающим во времени фрагментам, тем самым уменьшая импульсные помехи.
Однако, так же как и в вышеприведенных аналогах, у прототипа сохраняются недостатки, состоящие в низком коэффициенте полезного действия ключа, определяемого как отношение максимальной величины тока коммутируемого высокочастотного сигнала к току управления, и высокая критичность к разбросу вольтамперных характеристик диодов, приводящему к неравномерному делению управляющего тока между ветвями диодного моста. Поскольку для предотвращения искажений коммутируемых сигналов минимальный из токов ветвей диодного моста должен существенно превышать максимальное возможное значение коммутируемого сигнала, ток от источника управляющего сигнала должен более чем в два раза превышать ток каждой из диодных ветвей, что и обусловливает низкий к.п.д. ключа.
Задачей заявляемого изобретения является создание диодного ключа для коммутации высокочастотных широкополосных сигналов с малым уровнем импульсных помех, высокими коэффициентом использования управляющего тока и стабильностью передаточной характеристики.
Техническим результатом является снижение величины суммарного управляющего тока диодов и, как следствие, снижение энергопотребления ключа, повышение его коэффициента полезного действия и уменьшение импульсных помех, проникающих в цепь коммутируемого сигнала из источника управляющих сигналов, а так же повышение стабильности передаточной характеристики ключа вследствие устранения зависимости тока через диоды от технологического разброса вольтамперных характеристик.
1
2
Данный технический результат достигается тем, что предложен диодный ключ, выполненный в виде мостового коммутирующего элемента (далее «мост»), в одну из диагоналей которого включена коммутируемая цепь, а к другой диагонали подключены одноименные концы двух идентичных обмоток широкополосного трансформатора, вторые концы которых подключены к выходам источника управляющих сигналов, согласно заявляемому техническому решению одна из параллельных ветвей моста, подключенных к выводам трансформатора, выполнена в виде двух последовательно соединенных конденсаторов приблизительно равной емкости C ~ С ~ С, выбранной, исходя из условия, при котором обеспечивается пренебрежимо малое затухание сигнала.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого диодного ключа.
Предложенный диодный ключ содержит мостовой коммутирующий элемент 1, представляющий из себя мост, состоящий из четырех элементов, одна из параллельных ветвей которого состоит из последовательно включенных диодов D, а другая, согласно изобретению, составлена из последовательно включенных конденсаторов равной емкости С. К точкам соединения конденсаторов и диодов моста подключены одноименные выводы идентичных обмоток широкополосного трансформатора 2, вторая пара выводов которого подключена к выходам источника управляющих сигналов противоположных полярностей 3. Между точкой соединения конденсаторов и точкой соединения катода и анода диодов моста подключены источник коммутируемого сигнала 4 и нагрузка 5.
Диодный ключ работает следующим образом.
В состоянии низкой проводимости ключа диоды моста 1 заперты отрицательным напряжением источника управляющих сигналов 3, поступающим в точку соединения конденсатора и анода диода, и положительным напряжением, поступающим в точку соединения другого конденсатора и катода диода.
При смене полярностей управляющих сигналов диодный ключ переходит в состояние высокой проводимости. Трансформатор 2 способствует выравниванию токов управления диодным мостом 1 в переходный период, практически не оказывая сопротивления во время совпадения противофазных управляющих импульсов и создавая максимальное индуктивное сопротивление управляющему току во время рассогласования их фронтов, в результате чего значительно уменьшается импульсная помеха на нагрузке 5, обусловленная несовпадением фронтов перепадов напряжений на выходах источника 3 управляющих сигналов.
В отличие от моста из четырех диодов, используемого в прототипе, содержащего две параллельные диодные ветви, в предлагаемой схеме диодного ключа весь управляющий ток в установившемся режиме протекает через два диода единственной оставшейся диодной ветви, поэтому его величина по сравнению с прототипом может быть уменьшена в два раза, что наряду с повышением в два раза к.п.д. ключа, приводит к уменьшению импульсной помехи, пропорциональной величине управляющего тока. Одновременно исключается влияние разброса вольтамперных характеристик диодов на величину протекающего через них тока, поскольку цепь протекания тока содержит только последовательное соединение диодов, что повышает стабильность передаточной характеристики ключа.
y
y
Некоторое замедление процесса перехода диодного ключа из одного состояния в другое, вызванное временем перезаряда конденсаторов ключа с постоянной времени τ≈C⋅R, где С - емкость конденсатора, R - величина выходного сопротивления источника управляющих сигналов 3, для областей применения предлагаемого диодного ключа (коммутация высокочастотных сигналов в декаметровом диапазоне волн, в частности, антенн при разнесенном приеме и в адаптивных антенных решетках), не имеет существенного значения. Более того «сглаживание» фронтов импульсов управления на величину τ приводит к дополнительному уменьшению высокочастотных спектральных составляющих импульсных помех, обусловленных рассогласованием по времени управляющих сигналов.
с
с
н
5
с
н
5
н
Для того, чтобы реактивное сопротивление конденсаторов мостовой схемы Х практически не увеличивало полное сопротивление ключа в открытом состоянии величина емкости С рассчитывается с учетом того, что реактивное сопротивление конденсатора Х на нижней частоте диапазона коммутируемых сигналов ƒ для минимизации потерь должно быть много меньше сопротивления нагрузки R, исходя из известной формулы Х=1/(2πСƒ) [см. например: Зевеке Г.Н. и др. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд. 4-е, переработанное, М. «Энергия», 1975, стр. 123]. Произведя необходимые преобразования получаем: С>>1/(2πRƒ).
тр.
L
тр.
н
5
Величину индуктивности L обмотки широкополосного трансформатора следует рассчитывать исходя из того, что реактивное сопротивление X=2πLƒ [Зевеке Г.Н. и др. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд. 4-е, переработанное, М. «Энергия», 1975, стр. 123] должно быть много больше сопротивления нагрузки R. С учетом этого формула для расчета индуктивности обмотки:  Конструктивно, для обеспечения симметричности, трансформатор рекомендуется выполнять путем намотки двойным проводом на ферритовом сердечнике.
Таким образом, предложен диодный ключ для коммутации высокочастотных широкополосных сигналов с малым уровнем импульсных помех, с высокими коэффициентом использования управляющего тока и стабильностью передаточной характеристики в радиотехнических устройствах, в частности при переключении антенн в устройствах разнесенного радиоприема или антенных решетках.
Кроме того диодный ключ позволяет снизить величину управляющего тока диодов и, как следствие, снизить энергопотребление ключа, повысить его коэффициент полезного действия и уменьшить импульсные помехи, проникающие в цепь коммутируемого сигнала из источника управляющих сигналов, а так же повысить стабильность передаточной характеристики ключа вследствие устранения зависимости тока через диоды от технологического разброса вольтамперных характеристик.