Широкополосный микрополосковый СВЧ переключатель

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники, а в частности, к широкополосным диодным коммутирующим СВЧ устройствам на микрополосковых линиях, и может быть использована в приемных и передающих СВЧ устройствах.
Известен аналогичный микрополосковый многоканальный переключатель на основе pin-диодов [1], выполненный в виде параллельно разветвляющихся переключательных групп, соединенных с общей для всех разветвлений распределительной линией, а в качестве одного из трансформаторов использованы Т-сочленения полосковых линий.
Недостатком данного устройства является относительно невысокая величина ослабления СВЧ сигнала на выходе закрытого канала переключателя (развязка), вследствие малого количества pin-диодов, не обеспечивающих требуемое запирание. Кроме того, устройство имеет большие габариты вследствие того, что выходные микрополосковые линии переключателя, представляющие собой понижающие полуволновые трансформаторы, расположены вдоль входной распределительной линии на расстояниях, кратных половине длины волны в линии, при этом один из концов отрезка микрополосковой линии передачи коротко замкнут на расстоянии четверти длины волны от точки подключения последнего выходного канала к распределительной линии.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) по наличию сходных конструктивных признаков принят широкополосный микрополосковый переключатель СВЧ [2], представленный на фиг. 1. В данном однополюсном переключателе на два положения применяют по три последовательно включенных pin-диода в каждом плече. В каждом плече содержатся два участка токонесущего проводника, выполненных в виде разомкнутых шлейфов длиной около 1/8 длины волны в микрополосковой линии на верхней частоте рабочего диапазона, которые представляют собой отрезки микрополосковых линий и подключены к точкам соединения выводов pin-диодов.
Прототип содержит следующие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемой полезной модели:
- микрополосковый вариант исполнения;
- один вход сигнала в устройство;
- два выходных плеча;
- два входа сигналов управления;
- pin-диоды в качестве коммутирующих элементов схемы.
Недостатками данного устройства являются относительно малая величина развязки в рабочей полосе частот, а также относительно большие габариты устройства за счет наличия отрезков микрополосковых линий.
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение развязки в рабочей полосе частот устройства при сохранении величины прямых потерь на выходе в допустимых пределах (не более 2 дБ) и при уменьшении габаритов устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее шесть переключательных pin-диодов, входное и два выходных плеча в виде отрезков микрополосковых линий и два входа сигналов управления, причем один конец отрезка микрополосковой линии входного плеча является входом переключателя, а один конец отрезков микрополосковых линий первого и второго выходных плеч является, соответственно, первым и вторым выходом переключателя, а другим концом отрезки микрополосковых линий первого и второго выходных плеч подключены, соответственно, к анодам первого и шестого pin-диодов, катоды которых соединены, соответственно, с анодами второго и пятого pin-диодов, дополнительно введены две шунтирующие емкости, четыре pin-диода, причем пять pin-диодов в каждом плече включены по Т-образной схеме, седьмой и девятый pin-диоды являются шунтирующими, ко второму концу отрезка микрополосковой линии входного плеча присоединены аноды восьмого и десятого pin-диодов, катоды которых подключены, соответственно, к анодам третьего и четвертого pin-диодов, к катоду третьего pin-диода подключены катод второго pin-диода и анод седьмого pin-диода, причем эта общая точка является первым входом сигналов управления, к катоду четвертого pin-диода подключены катод пятого pin-диода и анод девятого pin-диода, причем эта общая точка является вторым входом сигналов управления, катоды седьмого и девятого pin-диодов через шунтирующие первую и вторую емкости подключены, соответственно, к общей шине схемы. Кроме того, в каждом плече исключены по два разомкнутых отрезка микрополосковых линий.
Предлагается полезная модель широкополосного микрополоскового переключателя СВЧ с повышенной развязкой, сущность которой поясняется следующими фигурами.
Для упрощения на фиг. 2 представлена только высокочастотная часть полезной модели без цепей управления, где введены обозначения:
1-6 - pin-диоды с первого по шестой, соответственно;
7 - отрезок микрополосковой линии входного плеча;
8 - отрезок микрополосковой линии первого выходного плеча;
9 - отрезок микрополосковой линии второго выходного плеча;
14-17 - pin-диоды с седьмого по десятый, соответственно;
18, 19 - первая и вторая шунтирующие емкости, соответственно;
20, 21 - первый и второй входы сигналов управления, соответственно.
Устройство представляет собой широкополосный микрополосковый СВЧ переключатель на два канала с повышенной развязкой. Предлагаемый переключатель содержит десять pin-диодов 1-6, 14-17, три отрезка микрополосковой линии 7-9 и две шунтирующие емкости 18, 19. Один конец отрезка микрополосковой линии входного плеча 7 является входом СВЧ сигнала в устройство, к другому концу присоединены аноды pin-диодов 15 и 17, к катодам которых подключены, соответственно, аноды pin-диодов 3 и 4. К катоду pin-диода 3 подключены катод pin-диода 2 и анод шунтирующего pin-диода 14. Эта общая точка 20 является контактной площадкой, с которой соединен первый вход сигналов управления.
К катоду pin-диода 4 подключены катод pin-диода 5, анод шунтирующего pin-диода 16. Эта общая точка 21 является контактной площадкой, с которой соединен второй вход сигналов управления.
Катоды шунтирующих pin-диодов 14 и 16 соединены, соответственно, через шунтирующие емкости 18 и 19 с общей шиной схемы.
К анодам pin-диодов 2 и 5 подключены, соответственно, катоды pin-диодов 1 и 6. Аноды pin-диодов 1 и 6 подключены, соответственно, к одному из концов отрезков микрополосковых линий первого 8 и второго 9 выходных плеч, а другой конец которых является первым и вторым выходами СВЧ переключателя - "Выход 1" и "Выход 2".
Принцип работы заявленного двухканального широкополосного СВЧ переключателя основан на свойствах переключательных pin-диодов 1-6, 14-17, заключающихся в том, что они представляют собой на СВЧ активное сопротивление, величину которого можно изменять в диапазоне от единиц Ом до десятков кОм с помощью постоянного управляющего тока.
Устройство работает следующим образом.
На вход устройства подается СВЧ сигнал. Управляющие постоянные положительное и отрицательное напряжения относительно общей шины схемы подаются на pin-диоды с входов сигналов управления переключателем 20, 21. Группы коммутирующих pin-диодов 1, 2, 3, 14, 15 и 4, 5, 6, 16, 17 работают в инверсном режиме.
При подаче постоянного отрицательного напряжения на вход 20 и постоянного положительного на вход 21 открываются pin-диоды 1, 2, 3, 15, при этом шунтирующий pin-диод 14 находится в закрытом состоянии. В то же время pin-диоды 4, 5, 6, 17 находятся в закрытом состоянии, а шунтирующий pin-диод 16 открыт. Таким образом, СВЧ сигнал, частично прошедший через закрытые pin-диоды 17, 4, далее проходит через шунтирующие pin-диод 16 и емкость 19 на общую шину схемы. Тем самым обеспечивается его дополнительное ослабление в закрытом втором выходном плече переключателя ("Выход 2"). А с отрезка микрополосковой линии входного плеча 7 на отрезок микрополосковой линии первого выходного плеча 8 обеспечивается прямое прохождение СВЧ сигнала с минимальным ослаблением.
При подаче постоянного положительного напряжения на вход 20 и постоянного отрицательного на вход 21 открываются pin-диоды 4, 5, 6, 17, при этом шунтирующий pin-диод 16 находится в закрытом состоянии. В то же время pin-диоды 1, 2, 3, 15 находятся в закрытом состоянии, а шунтирующий pin-диод 14 открыт.Таким образом, СВЧ сигнал, частично прошедший через закрытые pin-диоды 15, 3, далее проходит через шунтирующие pin-диод 14 и емкость 18 на общую шину схемы. Тем самым обеспечивается его дополнительное ослабление в закрытом первом выходном плече переключателя ("Выход 1"). А с отрезка микрополосковой линии входного плеча 7 на отрезок микрополосковой линии второго выходного плеча 9 обеспечивается прямое прохождение СВЧ сигнала с минимальным ослаблением.
На фиг. 3 приведен график зависимости от частоты величины ослабления сигнала СВЧ на выходе закрытого канала переключателя (развязка).
На фиг. 4 приведен график зависимости от частоты величины прямых потерь на выходе отрытого канала переключателя (ослабление).
На фиг. 5 приведен график зависимости от частоты величины коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе и открытом выходе переключателя.
В данной полезной модели широкополосного СВЧ переключателя с повышенной развязкой, благодаря увеличению количества pin-диодов до десяти и применению в качестве рабочей схемы Т-образное включение pin-диодов в каждом плече, повышена развязка во всей рабочей полосе частот устройства, при этом величина прямых потерь на выходе осталась в допустимых пределах (не более 2 дБ). А также уменьшены габариты устройства за счет исключения четырех отрезков микрополосковых линий и выбора оптимально плотной компоновки топологии переключателя.
Двухканальный СВЧ микрополосковый переключатель, разработанный по данной схеме, используется для коммутации сигналов настройки некоторых опытных образцов и серийных изделий АО "ФНПЦ "ННИИРТ".
Таким образом, благодаря тому, что в известное устройство, содержащее входное и два выходных плеча в виде отрезков микрополосковых линий, две пары отрезков микрополосковых линий, шесть переключательных pin-диодов, два входа сигналов управления, дополнительно вводят четыре pin-диода и две шунтирующие емкости, а также исключаются в каждом плече пары отрезков микрополосковых линий с вышеописанными связями, повышена развязка при уменьшении габаритов устройства, и сохранении величины прямых потерь на выходе в допустимых пределах.
Источники информации:
1 "Многоканальный СВЧ полосковый переключатель", Авторское свидетельство №1840040, МПК H01P 1/15, опубликовано: 10.07.2006;
2 "Широкополосный микрополосковый переключатель СВЧ", патент РФ на изобретение №2339126, МПК H01P 1/15, опубликовано: 20.11.2008 (прототип).