КОММУТАТОР СВЧ

Полезная модель относится к технике СВЧ, в частности, к переключателям мощности. В разработках СВЧ устройств используются полупроводниковые переключательные устройства. Переключатель мощности используется для переключения СВЧ мощности из одного плеча в другое.
Известны многоканальные коммутаторы (Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь. 1987. с.91.).В таких коммутаторах в каждом канале установленпо крайней мере один pin-диод. Pin-диоды переводятся в открытое состояние прямым током и в закрытое - обратно приложенным напряжением. В реальных устройствах, использующих pin-диоды, обычно применяется включение нескольких диодов в линию передачи. Включение нескольких диодов позволяет создать коммутаторы, работающие при большом уровне СВЧ мощности, а также значительно повысить потери запирания коммутатора и расширить полосу рабочих частот. Одной из схем включения диодов в линию передачи является последовательное включение диодов в линию передачи. Такое включение диодов получило очень широкое распространение и применяется в устройствах как высокого, так и низкого уровня мощности. Основным преимуществом этой схемы включения диодов является возможность значительного увеличения потерь запирания при сравнительно небольшом увеличении потерь пропускания.
Одной из разновидностей многоканальных коммутаторов являются лучевые многопозиционные коммутаторы СВЧ. - (Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь. 1987. с.93-95.).В таких коммутаторах используются последовательно включенные диоды с малой емкостью. Потери запирания в таких коммутаторах определяются емкостями используемых в них диодов. Несмотря на небольшую емкость применяемых диодов, при увеличении числа каналов рост суммарной емкости закрытых диодов, включенных параллельно друг другу, может сузить полосу пропускания прибора.
Наиболее распространенным техническим решением для согласования диодов, включенных последовательно в волноведущую линию, является использование отрезков волноведущих линий по длине равных четверти длины волны на центральной частоте и использование схем компенсации реактивности диодов (Ковалев И.С.Конструирование и расчет полосковых устройств. М.: Советское радио. 1974. С.226-228,238).
Достоинством данного решения является то, что увеличиваются потери запирания, уменьшается влияние частоты на параметры коммутатора и согласование и уменьшаются потери на отражение. Недостатком является то, что помимо емкости диода, существует еще реактивность, возникающая из-за неоднородности в точках включения диодов в волноведущую линию, поэтому компенсацию реактивной составляющей можно осуществить только в том случае, если известны параметры диода с учетом этой реактивности.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение коэффициента отражения во входном и открытом выходном каналах при большом количестве выходных каналов.
1
2
n+1
1
2
n+1
1
2
n+1
2×2
2×2
Для достижения указанного результата предложен коммутатор СВЧ, содержащий входной канал, представляющий собой отрезок волноведущей линии, и N выходных каналов, где N=1, 2, 3… каждый из которых представляет собой отрезки волноведущих линий, между которыми последовательно включено по крайней мере по одному pin-диоду, при этом импедансы Zi и длины Li i-го отрезка волноведущей линии выходного канала где i - номер волноведущей линии 2i-1 (2-1, 2-1…2-1, 2-2, 2-2…2-2, 2-N, 2-N…2-N) выбраны из условия минимизации функционалов  и , где  и  - элементы матрицы рассеяния [S] эквивалентного 4-х полюсника коммутатора, полученного из эквивалентного 2(N+1)-полюсника коммутатора с использованием приближения нагрузки закрытых каналов на активную согласованную 50-Омную нагрузку. Элементы  и  матрицы рассеяния [S] являются коэффициентами отражения во входном и открытом выходном каналах коммутатора соответственно.
Кроме того, каждый отрезок волноведущей линии выходного канала может представлять собой один или несколько последовательно включенных отрезков, представляющих в совокупности трансформатор импеданса.
Полезная модель поясняется следующим описанием и схемой, приведенной на фиг.1. и 2
На фиг.1 представлена принципиальная схема коммутатора;
на фиг.2 представлена схема эквивалентных многополюсников, используемых для расчета параметров устройства.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1
2
n
1-1, 1-1,…1-1 - диоды первого выходного канала
1
2
n
1-2, 1-2,…1-2 - диоды второго выходного канала
1
2
n
1-N, 1-N,…1-N - диоды N-го выходного канала
1
2
(n+1)
2-1, 2-1,…2-1 - волноведущие линии первого выходного канала
1
2
(n+1)
2-2, 2-2,…2-2 - волноведущие линии второго выходного канала
1
2
(n+1)
2-N, 2-N,…2-N - волноведущие линии N-го выходного канала
3 - волноведущая линия входного канала
4 - разветвитель
5 - эквивалентный четырехполюсник открытого выходного канала
6-1…6-N - эквивалентные четырехполюсники закрытых выходных каналов
7 - эквивалентный 2(N+1)-полюсник разветвителя
8 - эквивалентный четырехполюсник входного канала
1
2
n+1
1
2
n+1
1
2
n+1
1
2
n
1
2
n
1
2
n
Указанный технический результат достигается тем, что коммутатор состоит из одного входного, N выходных каналов и разветвителя 4 между ними. Каждый выходной канал представляет из себя отрезки волноведущих линий 2-1, 2-1…2-1, 2-2, 2-2…2-2, 2-N, 2-N…2-N, между которыми последовательно включены pin-диоды 1-1, 1-1…1-1, 1-2, 1-2…1-2, 1-N, 1-N…1-N. Входной канал состоит из отрезка волноведущей линии 3. При этом волновые сопротивления отрезков волноведущих линий коммутатора подобраны таким образом, чтобы скомпенсировать реальные характеристики диодов (собственную емкость диода и реактивность в точках включения диодов) и, соответственно, уменьшить коэффициент отражения по общему входу коммутатора. Задача может решаться различными методами, как аналитически, так и численно, с помощью ЭВМ. Для решения задачи используется подход построения эквивалентного 2(N+1)-полюсника и дальнейший расчет его параметров с использованием метода матриц рассеяния.
2(N+1)
Эквивалентный 2(N+1)-полюсник получается объединением входного четырехполюсника 8 через 2(N+1)-полюсник разветвителя 7 с четырехполюсниками выходного открытого канала 5 и выходных закрытых каналов 6-2…6-N. Данная схема 2(N+1)-полюсника приведена на фиг.2. При этом эквивалентный 2(N+1)-полюсник коммутатора полностью описывается матрицей [S] размера 2(N+1)×2(N+1).
2(N+1)
2×2
2×2
i
i
i
1
2
n+1
1
2
n+1
1
2
n+1
1
1
Для уменьшения размерности задачи без потери в точности использовано приближение нагрузки закрытых каналов на активную согласованную 50-Омную нагрузку. В таком случае матрица рассеяния [S] размера 2(N+1)×2(N+1) вырождается в матрицу [S] размера 2×2. Далее рассчитывается матрица рассеяния [S] полученного эквивалентного 4-х полюсника, которая будет представлять собой оптимизационный функционал от переменных Z и L (импеданса и длины i-го отрезка волноведущей линии), где i - номер волноведущей линии 2-1(2-1, 2-1…2-1, 2-2, 2-2…2-2, 2-N, 2-N…2-N). Путем решения оптимизационной задачи заключающейся в минимизации функционалов ,  выбираются оптимальные значения {Z,L…}. Кроме того, каждый отрезок волноведущей линии выходного канала может представлять собой один или несколько последовательно включенных отрезков, представляющих в совокупности трансформатор импеданса, параметры которых (импеданс и длина) рассчитываются аналогичным образом.
Данное устройство легло в основу ряда коммутаторов сантиметрового диапазона, производимых в ООО «НТМР», что подтверждает техническую реализуемость устройства. Осуществление полезной модели обеспечивает выполнение переключения СВЧ-мощности с вносимым затуханием в закрытый канал >40 дБ и уровнем КСВН по входу в открытом состоянии <2.