Многоканальный коммутатор СВЧ
MULTICHANNEL MICROWAVE SWITCH

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в различных радиотехнических устройствах для коммутации сигнала СВЧ с входа на один или на несколько из N выходов, например в антенных системах для поочередного подключения к общему входу по одной или одновременно по несколько антенн для формирования дополнительных диаграмм направленности или дополнительного вектора поляризации.
Известен широкополосный микрополосковый переключатель СВЧ (пат. РФ №2339126, МПК Н01Р 1/15, опубл. 20.11.2008 г.). Переключатель содержит входную линию, к концу которой подключены две выходные линии, через коммутаторы из последовательно соединенных трех p-i-n диодов, между которыми расположены разомкнутые шлейфы. Переключатель выполняет функции только переключения мощности между двумя выходами.
Известен лучевой коммутатор на N каналов с последовательно включенными коммутирующими диодами (Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, стр. 93, рис 3.20). Лучевой коммутатор содержит входной отрезок линии передачи, к первому концу которого подключен вход коммутатора и одним выводом первая катушка индуктивности, второй вывод которой заземлен. К другому концу входного отрезка подключены первыми выводами N коммутирующих диодов. Ко вторым выводам каждого диода подключены одним концом четвертьволновые отрезки линии. К другому концу этих отрезков подключены первыми выводами дополнительные коммутирующие диоды, ко вторым выводам каждого из которых одновременно подключены вывод катушки индуктивности цепей управления и выход коммутатора. Коммутатор используется для переключения мощности между двумя и более количеством выходов. Однако в известном лучевом коммутаторе требуется подключение в одной точке N диодов, что ухудшает технологичность и параметры коммутатора.
Известен многоканальный СВЧ полосковый переключатель (АС СССР №1840040, МПК Н01Р 1/15, опубл. 10.07.2006), в котором выходные каналы, содержащие по два диода, между которыми включен отрезок линии передачи, подключены на полуволновых расстояниях друг от друга к общему отрезку линии передачи, закороченного на конце. Переключатель имеет большие габариты и узкий диапазон частот, что обусловлено использованием полуволновых отрезков линий. Кроме того, переключатель при одновременном подключении двух выходов имеет большой КСВН.
Известен бинарный коммутатор на основе каскадного соединения коммутаторов 1×2 с одним последовательно включенным диодом в плече (Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь, 1987, стр 87-92), наиболее близкий к заявляемому и, выбранный в качестве прототипа. Коммутатор содержит отрезок входной линии передачи, к первому концу которого подключен вход, к другому концу подключены первыми выводами два коммутирующих диода первого каскада. Ко вторым выводам каждого диода подключены одними концами отрезки соединительной линии передачи, к другому концу каждого из которых подключены первыми выводами два коммутирующих диода следующего каскада. К выходам каждого из этих диодов подключены первыми концами отрезки соединительных линий. Первые выводы коммутирующих диодов каждого из последующих каскадов соединены со вторыми концами соединительных линий предыдущих каскадов. Ко вторым выводам каждого диода последнего каскада подключены одним концом отрезки выходных линий, ко вторым концам которых подключены выходы коммутатора. К отрезкам входной и выходных линий подключены одни выводы катушек индуктивности цепей управления, при этом второй вывод катушки, подключенной к входному отрезку, заземлен. При поочередной подаче управляющего напряжения на второй вывод катушки индуктивности, подключенной к одному из выходных отрезков, соответствующий выход подключается к входу. Прототип согласован при подключении одного выхода. Недостатком прототипа является то, что в случае подключения одновременно двух выходов к входу, КСВН со стороны входа будет равен 2.0.
Цель изобретения - улучшение согласования при одновременной коммутации сигнала СВЧ любых двух, четырех до N/2 из N выходов на общий вход.
Для достижения указанной цели, в многоканальном коммутаторе СВЧ, содержащем отрезок входной линии передачи, к первому концу которого подключен вход, к другому концу подключены первыми выводами два коммутирующих диода первого каскада, к вторым выводам каждого из которых подключены одними концами отрезки соединительной линии передачи, к другому концу каждого из которых подключены первыми выводами два коммутирующих диода следующего каскада, к выходам каждого из которых подключены первыми концами отрезки соединительных линий, первые выводы коммутирующих диодов каждого последующего каскада соединены с вторыми концами соединительных линий предыдущих каскадов, к вторым выводам каждого диода последнего каскада подключены одним концом отрезки выходных линий, к вторым концам которых подключены выходы коммутатора, к отрезкам входной и выходных линий подключены одни выводы катушек индуктивности цепей управления, при этом второй вывод катушки, подключенной к входному отрезку, заземлен, согласно изобретению длины всех отрезков соединительных линий равны одной десятой длины волны и к ним подключены выводы дополнительных катушек индуктивности цепей управления. К первому концу входного отрезка дополнительно подключен первым выводом коммутирующий диод, ко второму выводу которого подключен одним концом разомкнутый отрезок линии. К разомкнутому отрезку подключена одним выводом дополнительная катушка индуктивности цепи управления, при этом длины входного и разомкнутому отрезков равны одной десятой длины волны.
Введение дополнительного управления коммутирующим диодом закрытого канала, подключающего разомкнутый отрезок соединительной линии закрытого канала длиной, равной одной десятой длины волны, на таком же расстоянии от точки разветвления двух открытых каналов, позволяет согласовать скачок волновых сопротивлений разветвления двух открытых каналов.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого многоканального коммутатора СВЧ при количестве выходов, равном восьми; на фиг. 2 - эквивалентная схема и АЧХ согласования разветвления линий разомкнутым отрезком, при его длине и длине отрезка линии до разветвления линий, равных одной десятой длины волны (а - разветвление на два канала, б - разветвление на четыре канала). Сплошная линия - ослабление, шкала слева; пунктирная линия - КСВН, шкала справа.
Предлагаемый многоканальный коммутатор СВЧ (на 8 выходов) (фиг. 1) содержит отрезок входной линии передачи 1, к первому концу которого подключен вход «Вх», к другому концу подключены первыми выводами два коммутирующих диода 2, 3. Ко вторым выводам диодов 2, 3 подключены одними концами отрезки соединительной линии передачи 4, 5, к другому концу которых подключены первыми выводами по два коммутирующих диода 6 и 7, 8 и 9 соответственно. Ко вторым выводам каждого диода подключены одним концом отрезки соединительной линии передачи 10, 11, 12, 13. К другим концам этих отрезков подключены первыми выводами по два коммутирующих диода 14 и 15, 16 и 17, 18 и 19, 20 и 21, соответственно. К вторым выводам каждого диода подключены одним концом отрезки выходных линий передачи 22-29, ко вторым концам которых подключены выходы коммутатора «Вых 1» - «Вых 8». К этим же отрезкам подключены одни выводы катушек индуктивности цепей управления 30-37, при этом второй вывод этих катушек подключен к контактам для подачи управляющего напряжения «упр 1» - «упр 8». К входному отрезку 1 подключена одним выводом катушка индуктивности 38, второй вывод которой заземлен. К соединительным отрезкам линии передачи 10, 11, 12, 13, 4,5 подключены одни выводы шести катушек индуктивности цепей управления 39-44, соответственно, при этом второй вывод этих катушек подключен к контактам для подачи управляющего напряжения «упр 3.4», «упр 1.2», «упр 7.8», «упр 5.6», «упр 5.8», «упр 1.4».
К первому концу входного отрезка 1 подключен первым выводом коммутирующий диод 45, ко второму выводу которого подключен одним концом отрезок 46, второй конец которого разомкнут. К этому отрезку подключена одним выводом катушка индуктивности 47. Второй вывод этой катушки подключен к контакту для подачи управляющего напряжения «упр 1.8».
0
Волновое сопротивление всех отрезков линий передачи одинаково и равно сопротивлению входа и выходов. Длины отрезков линий передачи 1, 4, 5, 10-13, (l) одинаковы и примерно равны одной десятой длины волны. Реактивное сопротивление катушек индуктивности 30-44, 47 много больше сопротивления входа и выходов.
Предлагаемый многоканальный коммутатор СВЧ работает следующим образом.
В режиме коммутации мощности с входа «Вх» на один из выходов «Вых. 1» - «Вых. 8» подается управляющее напряжение на соответствующий контакт управления «упр 1» - «упр 8». Коммутирующие диоды в цепи между входом и выходом открываются, и СВЧ мощность проходит на выход. Например, при подаче управляющего напряжения на контакт «упр 1» открываются диоды 2, 6, 14. Так как волновые сопротивления всех отрезков линии передачи одинаковы и равны сопротивлению входа и выходов, коммутатор согласован во всем диапазоне частот. Здесь и далее все токи управления диодами замыкаются на корпус через катушку индуктивности 38.
0
0
0
0
0,
В режиме коммутации мощности с входа «Вх» одновременно на два выхода, напряжение подается одновременно на два контакта управления открытых выходов и один контакт управления, подключенный к соединительной линии смежного закрытого канала. При этом к линии передачи на расстоянии l от точки разветвления открытых выходов подключается разомкнутый отрезок линии длиной l. Эквивалентная схема соединения и ее АЧХ имеет вид, представленный на фиг. 2а. Как видно из АЧХ, разомкнутый отрезок линии длиной l на расстоянии l от точки разветвления согласует скачок волнового сопротивления разветвления, равного 2.0, при длине l равной одной десятой длины волны.
Например, для одновременного включения выходов «Вых. 1» и «Вых. 2», напряжение подается на контакты «упр 1», « упр 2», а также контакт «упр 1.2». При этом открываются диоды 2, 6, 14, 15 открытых каналов, а также один диод 7 закрытых каналов «Вых. 3» и «Вых. 4». К разветвлению отрезков 22, 23 через отрезок 10 подключается отрезок 11, разомкнутый на конце, так как диоды 16, 17 закрыты. При этом отрезок 11 согласует разветвление отрезков 22, 23 (см. фиг. 2а).
Аналогичным образом для одновременного включения выходов «Вых. 3» и «Вых. 4», напряжение подается на контакты «упр 3», «упр 4», а также контакт «упр 3.4» Для одновременного включения выходов «Вых. 5» и «Вых. 6», напряжение подается на контакты «упр 5», « упр 6», а также контакт «упр 5.6». Для одновременного включения выходов «Вых. 7» и «Вых. 8», напряжение подается на контакты «упр 7», « упр 8», а также контакт «упр 7.8».
Для одновременного соединения с входом «Вх.» одного из выходов «Вых. 1», «Вых. 2» и одного из выходов «Вых. 3», «Вых. 4» дополнительно подается напряжение на контакт «упр 1.4», при этом для согласования разветвления отрезков 10 и 11 подключается через открытый диод 3 разомкнутый отрезок 5. Аналогично, для одновременного соединения с входом «Вх» одного из выходов «Вых. 5», «Вых. 6» и одного из выходов «Вых. 7», «Вых. 8» дополнительно подается напряжение на контакт «упр 5.8», при этом для согласования разветвления отрезков 12 и 13 подключается разомкнутый отрезок 4.
В вышеприведенных примерах не требуется подключения отрезка 46 через диод 45. Их использование необходимо, если требуется производить одновременное соединение с входом «Вх.» одного из выходов «Вых. 1» - «Вых. 4» и одного из выходов «Вых. 5» - «Вых. 8». При этом одновременно с подачей напряжения на два контакта управления открытых каналов, дополнительно подается напряжение на контакт «упр 1.8» и через диод 45 подключается разомкнутый отрезок 46. Этот отрезок согласует разветвление отрезков 4 и 5.
Для восьмиканального коммутатора (см. фиг. 1) возможно также согласованное подключение к входу «Вх.» одновременно четырех выходов в четырех комбинациях:
1 - выходы «Вых. 1», «Вых. 2», «Вых. 5», «Вых. 6»;
2 - выходы «Вых. 1», «Вых. 2», «Вых. 7», «Вых. 8»;
3 - выходы «Вых. 3», «Вых. 4», «Вых. 5», «Вых. 6»;
4 - выходы «Вых. 3», «Вых. 4», «Вых. 7», «Вых. 8».
Например, для одновременного включения выходов «Вых. 1», «Вых. 2», «Вых. 5», «Вых. 6», напряжение подается на контакты «упр 1», « упр 2», «упр 5», «упр 6», а также на контакты «упр 1.2» «упр 5.6» и «упр 1.8». При этом открываются диоды 2, 6, 14, 15, 3, 8, 18, 19 открытых каналов, а также диоды 7, 9 закрытых каналов и диод 45, подключающие согласующие отрезки 11, 13 и 46. Схема получившегося делителя на 4 и его АЧХ представлены на фиг. 2, 6. Видно, что коммутатор в режиме синфазного деления на четыре выхода хорошо согласован в широком диапазоне частот.
Технико-экономический эффект предлагаемого многоканального коммутатора СВЧ состоит в следующем. Использование одних и тех же отрезков линий в качестве или соединительных линий или согласующих отрезков обеспечивает согласование при различных режимах работы коммутатора.
На предприятии изготовлен макет предложенного восьмиканального коммутатора СВЧ. Макет выполнен на микрополосковой линии. При экспериментальной проверке были получены результаты, подтверждающие достижение поставленной цели. Макет в диапазоне частот с перекрытием 1.4 обеспечивал режимы деления и переключения мощности при КСВН со стороны входа ВХ меньше 1.5.