СВЧ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НА PIN-ДИОДАХ С ФИЛЬТРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ
MICROWAVE SWITCH BASED ON PIN DIODES WITH FILTER PROPERTIES

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к СВЧ переключателям на PIN-диодах. СВЧ переключатели применяются в приемопередающих системах для работы приемников и передатчиков в дуплексном режиме на одну антенну на одной частоте.
Известен полосно-пропускающий перестраиваемый фильтр СВЧ, приведенный в патенте №2372695, H01P 1/203 от 20.10.2008, в котором полупроводниковые элементы используются для перестройки фильтра по частоте. Это устройство обладает свойствами частотной селекции СВЧ сигнала, но не обеспечивает дуплексного режима работы системы на одну антенну на заданной частоте.
Недостатком попоено-пропускающего перестраиваемого фильтра, помимо отсутствия дуплексного режима работы, является и то, что в нем используются полевые транзисторы с барьером Шотки, которые не могут обеспечить прохождение через фильтр СВЧ сигнала большой мощности.
Для устранения этих недостатков в переключателе СВЧ были установлены PIN-диоды и сосредоточенные элементы, дающие возможность работать в дуплексном режиме и пропускать высокочастотные сигналы значительно большей мощности.
Известны СВЧ переключатели на PIN-диодах, обеспечивающие широкие полосы пропускания путем компенсации паразитных параметров PIN-диодов отрезками линий (заявки №2244989, Н01Р 1/15, №2275716, Н01Р 1/15, №2339126, H01P 1/15).
Однако эти переключатели используются только для обеспечения работы приемопередающего тракта в дуплексном режиме и получения необходимой развязки между приемником и передатчиком, не обеспечивая частотной избирательности, из-за чего приходится использовать в антенно-фидерном тракте устройства фильтрации высокочастотного сигнала, что ухудшает его общие электрические показатели, а кроме того отрицательно сказывается на массогабаритных показателях всей системы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому переключателю является выключатель, приведенный в патенте №2195053, H01P 1/15, который был выбран в качестве прототипа (Фиг.1).
Устройство-прототип выполнен на основе двух четвертьволновых трансформирующих шлейфов, расположенных на расстоянии четверти длины волны друг от друга и на концах которых включены полупроводниковые диоды. В режиме пропускания на полупроводниковые диоды подано прямое смещение. При этом структура выключателя соответствует попоено-пропускающему фильтру с четвертьволновыми связями. При обесточенных диодах структура выключателя соответствует режекторному фильтру. Предлагаемый выключатель работает в широкой полосе частот, достигающей 40%.
Устройство-прототип содержит:
C1, C2 - первый и второй разделительные емкости (конденсаторы);
L3 - блокировочная индуктивность;
VD1 - первый полупроводниковый диод;
VD2 - второй полупроводниковый диод;
15 - первый четвертьволновый трансформирующий шлейф;
16 - второй четвертьволновый трансформирующий шлейф;
17 - четвертьволновый отрезок линии передачи;
26 - источник управляющего напряжения.
Первая разделительная емкость C1, четвертьволновый отрезок линии передачи 17 и вторая разделительная емкость C2 соответственно образуют последовательную цепь, включенную между входом и выходом устройства. Блокировочная индуктивность L3 подключена между источником управляющего напряжения 26 и точкой соединения первой разделительной емкости C1 с четвертьволновым отрезком линии передачи 17. Первый четвертьволновый трансформирующий шлейф 15 подключен соответственно к первому электроду первого полупроводникового диода VD1 и к точке соединения первой разделительной емкости С1 с четвертьволновым отрезком линии передачи 17. Второй четвертьволновый трансформирующий шлейф 16 подключен соответственно к первому электроду второго полупроводникового диода VD2 и к точке соединения четвертьволнового отрезка линии передачи 17 со второй разделительной емкостью С2. Второй электрод первого полупроводникового диода VD1 и второй электрод второго полупроводникового диода VD2 соединены с общей шиной.
Устройство-прототип работает следующим образом.
з
При нулевом управляющем напряжении источника 26 полупроводниковые диоды VD1 и VD2 заперты и четвертьволновые трансформирующие шлейфы 15 и 16 совместно с четвертьволновым отрезком линии передачи 17 образуют структуру режекторного фильтра, которая обеспечивает требуемую величину потерь запирания в широкой полосе частот. При положительном управляющем напряжении источника 26 полупроводниковые диоды VD1 и VD2 открываются и обеспечивают режим короткого замыкания для четвертьволновых трансформирующих шлейфов 15 и 16. При этом короткозамкнутые четвертьволновые трансформирующие шлейфы 15, 16 и отрезок линии передачи 17 с соответствующими волновыми сопротивлениями, образуют структуру чебышевского полосно-пропускающего фильтра, полоса рабочих частот которого соответствует полосе режекции режекторного фильтра по уровню К. За счет этого соответствия обеспечивается максимально возможная полоса рабочих частот выключателя в режиме пропускания и в режиме запирания.
Недостатком устройства-прототипа является невозможность получения полноценной амплитудно-частотной характеристики заданной формы с хорошей крутизной.
В заявляемом изобретении решается задача создания СВЧ переключателя, обеспечивающего дуплексный режим работы приемо-передающих систем и позволяющего получить АЧХ полосно-пропускающего фильтра заданной формы с повышенной крутизной.
Достигаемый технический результат - улучшение частотной избирательности, массогабаритных параметров системы, за счет объединения в одном устройстве коммутирующих и фильтрующих элементов.
Для достижения технического результата заявляется СВЧ переключатель с фильтрующими свойствами, который, согласно изобретению, содержит как минимум 3 последовательных и 2 параллельных колебательных LC-контура цепей развязки, как минимум 3 параллельных колебательных LC-контура цепей фильтрации, как минимум 4 PIN-диода, объединенные попарно отрицательными выводами, для подачи на них сигналов от управляющих источников через индуктивности соответствующих параллельных колебательных LC-контуров цепей развязки, при этом, положительные выводы PIN-диодов через элементы соответствующих последовательных колебательных LC-контуров цепей развязки подключены к соответствующим сигнальным выводам устройства, а через индуктивности соответствующих параллельных колебательных LC-контуров цепей фильтрации и соответствующие резисторы подключены к общей шине.
Схема заявляемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
С1, С4, С7 - первая, четвертая и седьмая разделительные емкости (конденсаторы), входящие в последовательные колебательные LC-контуры цепей развязки;
С2, С5, С8 - вторая, пятая и восьмая контурные емкости (конденсаторы), входящие в параллельные колебательные LC-контуры цепей фильтрации;
С3, С6 - третья и шестая контурные емкости (конденсаторы), входящие в параллельные колебательные LC-контуры цепей развязки;
С9, С10 - девятая и десятая блокировочные емкости (конденсаторы);
L1, L4, L7 - первая, четвертая и седьмая индуктивности (дроссели), входящие в последовательные колебательные LC-контуры цепей развязки;
L2, L5, L8 - вторая, пятая и восьмая индуктивности (дроссели), входящие в параллельные колебательные LC-контуры цепей фильтрации;
L3, L6 - третья и шестая индуктивности (дроссели), входящие в последовательные колебательные LC-контуры цепей развязки;
R1…R3 - с первого по третий ограничительные резисторы;
VD1…VD4 - с первого по четвертый PIN-диоды;
11, 12, 13 - сигнальные выводы устройства;
26, 27 - первый и второй источники управляющего напряжения.
Последовательно соединенные первая индуктивность L1 и первая емкость С 1 образуют первый (последовательный) колебательный LC-контур 1, подключенный одним концом индуктивности L1 к сигнальному выводу устройства 11, а другим концом емкости С1 к положительному выводу первого PIN-диода VD1.
Параллельно соединенные вторая индуктивность L2 и вторая емкость С2 образуют второй (параллельный) колебательный LC-контур 2, подключенный одним концом к положительному выводу первого PIN-диода VD1, а вторым - через первый резистор R1, к общей шине.
Параллельно соединенные третья индуктивность L3 и третья емкость С3 образуют третий (параллельный) колебательный LC-контур 3, подключенный одним концом к отрицательным выводам первого VD1 и второго VD2 PIN-диодов, а другим концом, через девятый блокировочный конденсатор С9, - к общей шине.
Последовательно соединенные четвертая индуктивность L4 и четвертая емкость С4 образуют четвертый (последовательный) колебательный LC-контур 4, подключенный одним концом индуктивности к положительным выводам второго VD2 и третьего VD3 PIN-диодов, а другим концом емкости ко второму сигнальному выводу устройства 12.
Параллельно соединенные пятая индуктивность L5 и пятая емкость С5 образуют пятый (параллельный) колебательный LC-контур 5, подключенный одним концом к положительным выводам второго VD2 и третьего VD3 PIN-диодов, а другим, через второй резистор R2, - к общей шине.
Параллельно соединенные шестая индуктивность L6 и шестая емкость С6 образуют шестой (параллельный) колебательный LC-контур 6, подключенный одним концом к отрицательным выводам третьего VD3 и четвертого VD4 PIN-диодов, а другим концом, через десятый блокировочный конденсатор С10, - к общей шине.
Последовательно соединенные седьмая индуктивность L7 и седьмая емкость С7 образуют седьмой (последовательный) колебательный LC-контур 7, подключенный одним концом индуктивности L7 к третьему сигнальному выводу устройства 13, а другим концом емкости С3 к положительному выводу четвертого PIN-диод а VD4.
Параллельно соединенные восьмая индуктивность L8 и восьмая емкость С8 образуют восьмой (параллельный) колебательный LC-контур 8, подключенный одним концом к положительному выводу четвертого PIN-диода VD4, а другим концом, через резистор R3, - к общей шине.
Через третий 3 и шестой 6 параллельные колебательные LC-контуры осуществляется подача открывающих и запирающих напряжений с источников 26, 27 соответственно на PIN-диоды, а второй 2, пятый 5 и восьмой 8 параллельные колебательные LC-контуры служат для прохождения токов прямого смещения PIN-диодов на общую шину.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
При подаче прямого напряжения смещения минус 3 В с источника 26 через третью индуктивность L3, первый VD1 и второй VD2 PIN-диоды открываются, обеспечивая прямое прохождение СВЧ сигнала от сигнального вывода устройства 11 на сигнальный вывод устройства 12. В тоже время на третий VD3 и четвертый VD4 PIN-диоды, через шестую индуктивность L6, подается обратное напряжение плюс 150 В с источника 27, закрывающее их и не дающее СВЧ сигналу попасть на сигнальный вывод устройства 13. Контуры цепей развязки 1, 3 и 4 и контуры цепей фильтрации 2 и 5 являются резонансными цепями полосового фильтра передатчика, поэтому на сигнальном выводе устройства 12, в данном случае СВЧ сигнал имеет АЧХ полосового фильтра.
При подаче прямого напряжения смещения минус 3 В с источника 27 через шестую индуктивность L6, третий VD3 и четвертый VD4 PIN-диоды открываются, обеспечивая прямое прохождение СВЧ сигнала от сигнального вывода 12 на сигнальный вывод устройства 13. В то же время на первый VD1 и второй VD2 PIN-диоды, через третью индуктивность L3, подается обратное напряжение плюс 150 В с источника 26, закрывающее их и не дающее СВЧ сигналу попасть на сигнальный вывод устройства 11. Контуры цепей развязки 4, 6 и 7 и контуры цепей фильтрации 5 и 8 являются резонансными цепями полосового фильтра приемника, поэтому в данном случае, на сигнальном выводе устройства 13 у СВЧ сигнала также появляется полоса пропускания и полосы не пропускания.
Блокировочные емкости C1, C4 и С7 служат для развязки по постоянному току входов и выхода СВЧ переключателя.
Блокировочные емкости С9 и С 10 предназначены для защиты от ВЧ-помех соответствующих источников 26 и 27 управляющего напряжения.
Стоковые резисторы R1-R3 служат для выравнивания токов через PIN-диоды: R1 для VD1, R2 для VD2 и VD3, R3 для VD4.
Таким образом, использование вместо элементов развязки переключателя резонансных звеньев позволяет получить АЧХ с повышенной избирательностью в антенно-фидерном тракте, что дает возможность исключить полосовой фильтр как самостоятельный узел в приемопередающей системе.
Практическое подтверждение получено в результате экспериментов с макетом рассматриваемого PIN-диодного переключателя. На фиг.3, 4 и 5 приведены экспериментальные АЧХ макета.
Как видно:
- потери в полосе пропускания в трактах передачи и приема составили соответственно 1,0 и 1,6 дБ;
- КСВ на выходе передатчика составляет 1,35;
0
0
- ослабление в полосах непропускания в тракте на частотах f/2 и 2f составляет соответственно -27 и -50 дБ;
- развязка приемника от передатчика составляет 44 дБ;
0
- ширина полосы пропускания на центральной частоте f составляет 15%.
Таким образом, заявленный попоено-пропускающий СВЧ переключатель на PIN-диодах позволит:
- снизить требования к фильтрующим структурам в составе антенно-фидерных трактов;
- снизить общие потери в антенно-фидерном тракте;
- уменьшить массогабаритные характеристики всей приемо-передающей системы.
Указанные преимущества полосно-пропускающего СВЧ переключателя на PIN-диодах особенно актуальны при создании миниатюрных как отдельных приборов СВЧ, так и радиоэлектронных СВЧ систем.