ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КОММУТАТОРЫ С УМЕНЬШЕННЫМ ЧИСЛОМ КОММУТИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
HIGH-FREQUENCY COMMUTATORS WITH REDUCED NUMBER OF SWITCHING ELEMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к высокочастотным коммутаторам.
Уровень техники
Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка сетей и устройств миллиметрового диапазона, таких как 5G и WiGig, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, основанными на опыте использования, включая такие факторы, как высокая скорость передачи и энергоэффективность. Появление подобных новых приложений в миллиметровом диапазоне требует разработки нового класса элементов и схем в рамках электронных устройств. Среди доступных технологий удобны устройства, реализованные в печатных платах, так как им присущи компактность; простая конструкция и изготовление; экономичный способ встраивания в одной диэлектрической подложке; подходящая база для реализации широкой полосы частот; удобство интегрирования с классическими технологиями печатных плат (PCB).
Важным компонентом современных электронных устройств являются высокочастотные коммутаторы и переключатели. Поскольку эти устройства все более усложняются и работают на очень высоких частотах, возникает ряд сложностей, с которыми не справляются элементы коммутации, созданные и работающие на основе традиционных методов. В частности, в настоящее время в качестве коммутационных компонентов в высокочастотных цепях используются PIN-диоды, MOSFET (устройства на полевых МОП транзисторах), MEMS (микроэлектромеханические системы), при этом
- PIN-диоды имеют сложную схему управления (совмещение высокочастотных сигнальных цепей и цепей управления диодами требует введения специальных развязывающих цепей);
- MOSFET имеет высокую паразитную емкость, вызывающую значительное рассогласование цепи, а также сложную схему управления;
- MEMS имеет конечное число циклов переключения и высокое управляющее напряжение.
На Фиг. 1 показан традиционный двухпозиционный коммутатор, в котором используются два PIN-диода в качестве коммутирующих элементов и два разных управляющих сигнала - по одному на каждый из коммутирующих элементов, поскольку в любой момент времени один коммутирующий элемент должен быть открыт, а другой закрыт. Для исключения взаимовлияния между РЧ-цепями и цепями управления в таком коммутаторе необходимо использовать специальную схему развязки.
Если обобщить, то в целом, на практике, существующие технологии коммутации для высокочастотных устройств приема/передачи сигналов (переключателей, фазовращателей, антенн) имеют следующие технические проблемы:
- очень высокая сложность и, следовательно, стоимость существующих изделий мм-диапазона - в частности, переключателей, особенно с ростом рабочей частоты от 30 ГГц и более;
- ухудшение рабочих характеристик с ростом рабочей частоты;
- совмещение радиочастотного (РЧ) канала со схемами управления и питания приводит к увеличению РЧ потерь;
- высокая сложность схем управления и питания, а также слишком большая занимаемая площадь печатной платы с громоздкими компонентами приводят к тому, что интеграция в компактные устройства становится сложной.
Например, в известном из современного уровня техники микрополосковом переключателе (US 3,678,414 A, 1972-07-18) требуется очень большое пространство из-за биполярной схемы управления, содержащей вспомогательный низкочастотный коммутатор и габаритные дроссели для изоляции как высокочастотных силовых, так и управляющих сигнальных цепей.
В еще одном документе (US 7,009,195 B2, 2006-03-07) описывается фотопроводящий переключающий модуль, который содержит специальный слой, направляющий свет от светоизлучающих элементов к фотопроводящим элементам. Светоизлучающие элементы обращены к фотопроводящим переключающим элементам так, чтобы фотопроводящие переключающие элементы включались/выключались в соответствии со свечением/погасанием светоизлучающих элементов. Такой модуль подвержен высоким прямым потерям из-за последовательного подключения проводящего переключающего элемента и требует наличия двух сигналов управления.
Кроме того, в уровне техники известен переключатель на основе фотоэффекта (US 9,431,564 B2, 2016-08-30), содержащий фотопроводящий материал, первый и второй контакты, предусмотренные на указанном фотопроводящем материале, причем указанные первый и второй контакты содержат множество взаимосвязанных дорожек, причем дорожки каждого контакта отделены от дорожек другого контакта фотопроводящим зазором, а дорожки изогнуты так, что минимальный фотопроводящий зазор, измеренный в первом направлении, остается практически одинаковым независимо от ориентации первого направления. В этом переключателе существует паразитная емкость, вызывающая паразитное просачивание сигнала в выключенном состоянии и высокие прямые потери из-за последовательного подключения проводящего переключающего элемента с конечной проводимостью.
Другим известным техническим решением в данной области является публикация Deborah M. Mechtel et al., ʺRadio frequency switching network: a technique for infrared sensingʺ, Optical Engineering 55(10), 107106 (21 October 2016), в которой раскрываются фотопроводящие датчики, работающие в качестве быстродействующих коммутирующих элементов в двухслойной радиочастотной схеме, встроенной в подложку. Данное решение характеризуется низкими коэффициентами передачи и изоляции, а также очень большим отражением.
Еще одна публикация, Youssef Tawk et al., ʺMeasuring the transition switching speed of a semiconductor-based photoconductive switch using RF techniquesʺ, IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (August 2011), описывает способ измерения скорости переключения реконфигурируемых антенных систем, управляемых полупроводниковыми коммутирующими элементами на основе фотоэффекта. Лазерные диоды интегрированы в полосковую линию передачи, чтобы эффективно освещать включенные коммутирующие элементы. Недостатком данной модели являются высокие потери во включенном режиме, также из-за конечной проводимости фотопроводящего элемента.
В другом высокочастотном переключателе (US 5,519,364, 1996-05-21), имеющем один входной порт и два выходных порта, распределенную линию передачи, соединенную между двумя диодами на каждом выходном порту, имеющем различную полярность, и управляющемся одновременно двумя независимыми сигналами Vc1 и Vc2, используется слишком много переключающих элементов, а также биполярный управляющий сигнал, что вновь приводит к громоздкой конструкции.
Известен также микрополосковый SPDT (однополюсный двухпозиционный) MEMS-переключатель (US 6,580,337 B1, 2003-06-17), включающий в себя множество MEMS контактов. Первая пара контактов расположена рядом с точкой соединения входной и выходной линий для оптимизации пропускной способности. MEMS контакты, которые не расположены рядом с точкой соединения, расположены вдоль выходных линий, чтобы дополнительно оптимизировать пропускную способность и изоляцию в выключенном состоянии, что снижает вносимые потери во включенном состоянии. Обобщенно принцип работы настоящего изобретения наиболее близок к данному техническому решению среди всех приведенных выше, однако и ему присуща сложная организация схем питания и управления и дорогое и сложное производство для высоких частот.
Таким образом, в современном уровне техники сформировалась потребность в создании двухпозиционных и многопозиционных коммутаторов с упрощенной конструкцией, управлением и/или работой коммутирующих элементов без избыточных потерь и частотной зависимости. Как показано выше, известные технологии не подходят для разработки устройств, которые соответствовали бы этим требованиям.
Сущность изобретения
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание высокочастотного многопозиционного коммутатора с уменьшенным числом элементов и с упрощенным управлением.
Согласно первому аспекту изобретения, предложен двухпозиционный коммутатор, содержащий: входной порт; первый и второй выходные порты; первый отрезок линии передачи, соединенный своими концами со входным портом и первым выходным портом; второй отрезок линии передачи, соединенный своими концами со входным портом и вторым выходным портом; третий отрезок линии передачи, одним концом соединенный с точкой, в которой соединены второй отрезок линии передачи со вторым выходным портом; и два включенных встречно коммутирующих элемента, одним концом соединенных друг с другом, причем первый коммутирующий элемент соединен свободным концом с точкой, в которой соединены первый отрезок линии передачи с первым выходным портом, второй коммутирующий элемент соединен свободным концом с другим концом третьего отрезка линии передачи, коммутирующие элементы подключены к земле в точке их соединения между собой, коммутирующие элементы выполнены с возможностью управления посредством одного и того же управляющего сигнала, и каждый отрезок линии передачи имеет электрическую длину, равную четверти длины волны сигнала, проходящего через коммутатор.
В одном из вариантов осуществления импеданс каждого из первого и второго отрезков линии передачи в два раза превышает импеданс третьего отрезка линии передачи.
В одном из вариантов осуществления электрическая длина каждого коммутирующего элемента от точки его соединения с первым или третьим отрезком линии передачи до заземления гораздо меньше четверти длины волны сигнала, проходящего через коммутатор.
В одном из вариантов осуществления коммутирующими элементами являются PIN-диоды, MEMS-элементы и/или оптические коммутирующие элементы.
В одном из вариантов осуществления отрезки линии передачи выполнены в прямой форме, в закругленной форме и/или в форме меандра.
В одном из вариантов осуществления отрезки линии передачи выполнены на основе микрополосковых линий передачи, копланарных волноводов, заземленных копланарных волноводов и/или сосредоточенных индуктивных и емкостных элементов.
В одном из вариантов осуществления два коммутирующих элемента выполнены в виде единого оптического коммутирующего элемента на основе фотопроводящего элемента (PE), покрывающего весь промежуток между точками их соединения с первым и третьим отрезками линии передачи, причем между упомянутыми точками соединения оптического коммутирующего элемента под PE выполнен диэлектрический зазор, отделяющий эти точки от точки подключения к земле.
В одном из вариантов осуществления точка подключения оптического коммутирующего элемента к земле выполнена в виде проводящей контактной площадки, соединенной с землей с помощью одного или нескольких шунтирующих металлизированных отверстий (VIA).
В одном из вариантов осуществления точки соединения оптического коммутирующего элемента с первым и третьим отрезками линии передачи выполнены в виде проводящих контактных площадок, причем ширина контактных площадок больше ширины отрезков линии передачи.
Согласно второму аспекту изобретения, предложен N-позиционный коммутатор, содержащий: N-1 смежных двухпозиционных коммутаторов, описанных в первом аспекте, причем N - натуральное число, большее или равное 3, все двухпозиционные коммутаторы имеют один и тот же входной порт, и для каждой пары смежных двухпозиционных коммутаторов, первый или второй отрезок линии передачи одного двухпозиционного коммутатора одновременно является вторым или первым отрезком линии передачи смежного с ним двухпозиционного коммутатора.
Согласно третьему аспекту изобретения, предложен многопозиционный коммутатор, содержащий: входной порт; N выходных портов, причем N - натуральное число, большее или равное 3; и множество составляющих коммутаторов, причем множество составляющих коммутаторов содержит по меньшей мере один двухпозиционный коммутатор по п. 1 и/или по меньшей мере один многопозиционный коммутатор по п. 10, причем каждый выходной порт каждого составляющего коммутатора является либо выходным портом данного многопозиционного коммутатора, либо входным портом последующего составляющего коммутатора.
В одном из вариантов осуществления каждый входной порт последующего составляющего коммутатора соединен с соответствующим выходным портом предыдущего составляющего коммутатора посредством отрезка линии передачи с электрической длиной, равной четверти длины волны сигнала, проходящего через коммутатор.
Технический результат
Настоящее изобретение обеспечивает простой и недорогой SPDT-коммутатор, который способен работать в мм-диапазоне, демонстрируя при этом улучшенные характеристики по сравнению с решениями, известными из уровня техники, а именно:
- малые потери в мм-диапазоне (отсутствие развязывающих элементов, препятствующих протеканию тока, отсутствие паразитной утечки и РЧ-излучения);
- минимальное число цепей управления (управление с помощью всего одного сигнала);
- минимальное число переключающих элементов (переключение с помощью всего одного элемента);
- высокая изоляция цепей управления и питания;
- слабая зависимость от частоты в широком диапазоне частот;
- компактность и простая интеграция с существующими технологиями PCB.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан двухпозиционный коммутатор, известный из уровня техники.
На Фиг. 2 показана эквивалентная схема двухпозиционного коммутатора согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 3A-3B показан принцип работы двухпозиционного коммутатора.
На Фиг. 4A-4D показаны результаты моделирования S-параметров двухпозиционного коммутатора.
На Фиг. 5A-5B показаны варианты исполнения отрезков линий передачи двухпозиционного коммутатора.
На Фиг. 6 показана эквивалентная схема двухпозиционного коммутатора на базе фотопроводящего элемента согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 7A-7B показаны варианты исполнения двухпозиционного коммутатора на базе фотопроводящего элемента.
На Фиг. 8A-8B показаны графики зависимости входного импеданса третьей ветви от частоты.
На Фиг. 9A-9B показаны другие варианты исполнения двухпозиционного коммутатора на базе фотопроводящего элемента.
На Фиг. 10 показан вариант осуществления двухпозиционного коммутатора на сосредоточенных элементах.
На Фиг. 11 показан трехпозиционный коммутатор на основе двух двухпозиционных коммутаторов.
На Фиг. 12A-12B показаны результаты моделирования S-параметров трехпозиционного коммутатора.
На Фиг. 13A-13B показан вариант осуществления многопозиционного коммутатора из двухпозиционных коммутаторов, подключенных по бинарной схеме.
На Фиг. 14A-14B показано отличие принципа управления многопозиционным коммутатором согласно настоящему изобретению от принципа, известного из уровня техники.
Подробное описание
Трехшлейфный коммутатор
В настоящем изобретении предлагается отказаться от традиционных подходов управления многопозиционным коммутатором на основе двух сигналов и применять вместо этого лишь один управляющий сигнал. Первым вариантом осуществления изобретения является SPDT-коммутатор, показанный на Фиг. 2.
0
0
Фиг. 2 иллюстрирует эквивалентную схему двухпозиционного коммутатора 100, имеющего два выходных порта 1 и 2 и один входной порт 3. Как первая ветвь коммутатора, которая располагается между входным портом 3 и выходным портом 1, так и вторая ветвь коммутатора, которая располагается между входным портом 3 и выходным портом 2, содержит отрезок (4 и 5, соответственно) линии передачи длиной L=λ/4, имеющий импеданс Z=Z. Третья ветвь коммутатора располагается между выходными портами 1 и 2 и содержит непрерывный отрезок 6 линии передачи длиной L=λ/4, имеющий импеданс Z=Z/2, а также с одной стороны от отрезка 6 два соединенных друг с другом противоположно направленных (включенных встречно) коммутирующих элемента 7 и 8, которые в любой момент времени имеют одинаковое состояние: либо оба включены, либо оба выключены. Таким образом, для их управления требуется всего один управляющий сигнал 13. Между коммутирующими элементами 7 и 8 располагается точка 9 подключения к земле. Точка 10 соединяет между собой вторую ветвь, третью ветвь и второй выходной порт 2. Точка 11 соединяет между собой первую ветвь, вторую ветвь и входной порт 3. Точка 12 соединяет между собой первую ветвь, третью ветвь и первый выходной порт 1.
На Фиг. 3A-3B проиллюстрирован принцип работы двухпозиционного коммутатора 100. В состоянии 1 (Фиг. 3A) управляющий сигнал приводит коммутирующие элементы 7 и 8 в выключенное состояние. Рассмотрим сначала третью ветвь. Как известно из теории длинных линий, если один конец четвертьволнового отрезка линии передачи открыт (разомкнут, или имеет нагрузку с бесконечным сопротивлением R=∝) - в данном случае это конец отрезка 6 линии передачи, соединенный с выключенным коммутирующим элементом 8, то противоположный конец - в данном случае это конец отрезка 6 линии передачи, соединенный с точкой 10, имеет нулевой импеданс, то есть находится в режиме короткого замыкания, или R=0. Иными словами, в точке 10 образуется «виртуальная земля».
Таким образом, половина энергии электромагнитной волны, поступающей на входной порт 3, проходит из точки 11 через отрезок 4 линии передачи, а затем, в отсутствие неоднородности в линии (поскольку коммутирующий элемент 7 выключен), полностью переходит в нагрузку - первый выходной порт 1. В свою очередь, другая половина потока электромагнитной волны проходит из точки 11 через отрезок 5 линии передачи и, отражаясь в точке 10 от нулевого импеданса «виртуальной земли», попадает обратно в точку 11, складывается в фазе с первой частью волны и тоже переходит в первый выходной порт 1.
В состоянии 2 (Фиг. 3B) управляющий сигнал приводит коммутирующие элементы 7 и 8 во включенное состояние. Снова рассмотрим сначала третью ветвь. Если один конец четвертьволнового отрезка линии передачи короткозамкнут (R=0) -в данном случае это точка 9, замыкающая на землю конец отрезка 6 линии передачи через включенный коммутирующий элемент 8, то противоположный конец (точка 10) имеет крайне высокий импеданс (Z=∝).
Таким образом, первая часть энергии электромагнитной волны, поступающей на входной порт 3, проходит из точки 11 через отрезок 4 линии передачи, отражается в точке 9 от короткозамкнутого конца и попадает обратно в точку 11, складываясь в фазе со второй частью потока электромагнитной волны, которая, в свою очередь, в отсутствие неоднородности в линии (поскольку конец отрезка 5 линии передачи, ближний к точке 10, имеет импеданс Z=∝), полностью переходит в нагрузку - второй выходной порт 2.
Соответственно, в состоянии 1 вся энергия переходит в первый выходной порт 1, а в состоянии 2 вся энергия переходит во второй выходной порт 2.
На Фиг. 4A-4D представлены результаты моделирования S-параметров вышеописанного двухпозиционного коммутатора на частоте 4,5 ГГц ± 0,5 ГГц (широкополосность 22%). А именно, на Фиг. 4A и 4B показаны графики коэффициента отражения волны обратно во входной порт 3 (S33) в состоянии 1 и в состоянии 2, соответственно, а на Фиг. 4C и 4D показаны графики коэффициентов передачи из входного порта в первый выходной порт 1 (S13) и во второй выходной порт 2 (S23) в состоянии 1 и в состоянии 2, соответственно. Следует отметить, что на Фиг. 4D вместо графика для S13 в состоянии 2 используется лишь замещающая надпись, поскольку весь этот график оказался ниже -50 дБ и не попал на изображение. Как видно из представленных графиков, в состоянии 1 весь сигнал переходит в первый выходной порт 1 (S13 → 0 дБ), тогда как в портах 2 и 3 сигнала нет (S23 < -50 дБ, S33 < -40 дБ). Аналогичным образом, в состоянии 2 весь сигнал переходит во второй выходной порт 2 (S23 → 0 дБ), тогда как в портах 1 и 3 сигнала нет (S13 < -50 дБ, S33 < -50 дБ).
Таким образом, SPDT-коммутатор 100 имеет два коммутирующих элемента (7 и 8), но при этом управление производится с помощью всего одного управляющего сигнала (13), то есть для развязки управляющих сигналов и РЧ-сигналов требуется всего одна схема развязки. Даже на высоких частотах такой коммутатор обладает малыми потерями и не подвержен интерференционному влиянию внешних компонентов. За счет минимизации количества компонентов обеспечивается снижение цены и возможность интеграции в компактные устройства. Следовательно, обеспечивается упрощение конструкции SPDT-коммутатора по сравнению с существующими решениями для миллиметрового диапазона при одновременном обеспечении высоких характеристик в отношении потерь и доступных рабочих частот.
Варианты исполнения предложенного двухпозиционного коммутатора могут быть различными. Например, на Фиг. 2 в качестве показанных схематично коммутирующих элементов могут быть применены любые доступные элементы, в том числе PIN-диоды, MEMS-элементы, оптические коммутирующие элементы и т.д. Кроме того, на Фиг. 2 и 3 коммутирующие элементы 7 и 8 изображены слева от отрезка 6 линии передачи, однако следует понимать, что они могут располагаться справа от него, и к такой схеме все перечисленные особенности работы коммутатора будут также применимы, поскольку это является, в сущности, зеркальным отражением показанной на Фиг. 2 схемы. В качестве отрезков линии передачи показаны микрополосковые проводники, поскольку они удобны для интеграции с PCB-решениями, однако при необходимости могут быть применены иные типы линии передачи, известные специалисту в данной области техники.
Отрезки 4, 5, 6 линии передачи могут быть выполнены в виде отрезка любой подходящей формы - прямой (Фиг. 3), закругленной (Фиг. 5B), меандра (Фиг. 5A) и т.д. Неизменным условием является электрическая длина каждого отрезка, которая должна составлять λ/4 - четверть длины волны.
Коммутатор с одним коммутирующим элементом
В другом аспекте настоящего изобретения предлагается дополнительно упростить вышеописанную схему коммутатора. Для этого в коммутаторе 200 в качестве пары коммутирующих элементов 7 и 8 используется всего один оптический коммутирующий элемент 14 на основе фотопроводящего элемента (PE), покрывающего весь промежуток между точкой 12 и концом отрезка 6 линии передачи (см. Фиг. 6). Между точкой 9, в которой оптический коммутирующий элемент 14 соединяется с землей, и точками, в которых оптический коммутирующий элемент 14 соединяется с отрезками 4 и 6 линии передачи, имеется диэлектрический зазор.
PE имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.
Когда на оптический коммутирующий элемент 14 не падает свет 13, PE находится в диэлектрическом состоянии (ВЫКЛ), что эквивалентно состоянию 1 коммутатора 100, когда коммутирующие элементы 7 и 8 выключены. То есть ЭМ-волна, поступающая в коммутатор 200 через входной порт 3, практически без потерь поступает на первый выходной порт 1.
Когда на оптический коммутирующий элемент 14 падает свет 13, PE находится в проводящем состоянии (ВКЛ), тем самым замыкая точку 12 и конец отрезка 6 линии передачи на землю 9, что эквивалентно состоянию 2 коммутатора 100, когда коммутирующие элементы 7 и 8 включены. В результате ЭМ-волна, поступающая в коммутатор 200 через входной порт 3, практически без потерь поступает на второй выходной порт 2.
0
0
В предпочтительном варианте осуществления изобретения коммутатор 200 выполнен на основе микрополосковых линий передачи (MSL) с использованием технологии печатных плат (Фиг. 7A-7B). С учетом того, что импеданс первой и второй ветви составляет Z=Z, а импеданс третьей ветви равен Z/2, ширина микрополосков выбирается из условия Z1=Z2=2Z3. Длина каждого отрезка линии передачи составляет четверть длины волны (λ/4). Точка 9 расположена в диэлектрическом зазоре между концами микрополосков 4 и 6 и представляет собой контактную площадку для соединения с «земляным» слоем печатной платы. Само соединение контактной площадки 9 с землей осуществляется с помощью одного (Фиг. 7A) или нескольких (Фиг. 7B) шунтирующих металлизированных отверстий (VIA) 15. Контактная площадка 16 на конце микрополоска 4, контактная площадка 17 на конце микрополоска 6 и контактная площадка 9 - все они предпочтительно полностью покрыты фотопроводящим элементом PE. Зазор между контактными площадками выполняется настолько малым, насколько это возможно, с целью уменьшения сопротивления короткого замыкания. Увеличивая поперечные размеры контактных площадок и число шунтирующих VIA, можно увеличить площадь и снизить сопротивление короткого замыкания, что позволяет улучшить характеристики коммутатора 200.
Далее на Фиг. 8A-8B приведены графики зависимости входного импеданса третьей ветви от частоты, для того чтобы пояснить, почему предлагается импеданс третьей ветви задавать равным половине импедансов первой и второй ветви.
Фиг. 8A иллюстрирует график для состояния 1, в котором коммутирующий(-ие) элемент(-ы) открыт(-ы). Входной импеданс третьей ветви в этом случае равен
,
0
где Z - собственный импеданс третьей ветви,
- длина третьей ветви,
- постоянная распространения.
Соответственно, , , и тогда для открытого(-ых) коммутирующего(-их) элемента(-ов) . Однако это условие верно только для центральной рабочей частоты. На практике во многих применениях может понадобиться пропускать через коммутатор сигнал в определенной полосе частот, то есть величина  будет варьироваться в пределах , и вместе с ней будет варьироваться импеданс . Чем больше импеданс , тем быстрее изменяется импеданс . Эту закономерность можно видеть на Фиг. 8A, где график для  () является менее пологим, чем для . Между тем, чем более пологим является график, или чем меньше импеданс , тем шире рабочая полоса частот - то есть разность граничных частот для  больше, чем для : .
В отличие от этого, для состояния 2 (Фиг. 8B), в котором коммутирующий(-ие) элемент(-ы) замкнут(-ы), входной импеданс третьей ветви равен
.
Следовательно, , , и тогда для замкнутого(-ых) коммутирующего(-их) элемента(-ов) для центральной рабочей частоты . Если же величина  будет варьироваться в пределах , то чем меньше будет импеданс , тем быстрее будет изменяться импеданс , то есть более широкая рабочая полоса частот соответствует большему импедансу .
0
Как видно, эти два случая противоречат друг другу, поэтому в качестве компромисса между ними оптимальное значение импеданса третьей линии должно быть равно Z=Z/2, при котором полоса пропускания первого выходного канала равна полосе пропускания второго выходного канала.
В другом варианте осуществления изобретения коммутатор 200 выполнен на основе копланарных (полосковых) волноводов (CPW) с использованием технологии печатных плат (Фиг. 9A-9B). Все отрезки линии передачи выполнены с помощью фидерных линий CPW, то есть в виде параллельно расположенных микрополосков, между которыми имеется диэлектрический зазор, в котором и распространяется волна, как показано на Фиг. 9A. В данном случае отсутствуют шунтирующие VIA, так как копланарный земляной слой 20 располагается в одной плоскости с фидерными линиями на диэлектрической подложке 24. PE 14 покрывает собой контактные области 18 и 19 на концах фидерных линий и во включенном состоянии закорачивает их на земляной слой 20, пролегающий в зазоре 21 между микрополосками, ограничивающими эти контактные области 18 и 19. Этот вариант позволяет реализовать коммутатор в рамках всего одного слоя печатной платы, что упрощает технологию его изготовления и уменьшает его размеры. Однако, в таком решении могут наблюдаться расхождения по фазе между каналами из-за неидентичного растекания токов в разных ветвях. Вариант, изображенный на Фиг. 9B, основан на заземленных копланарных волноводах (GCPW), где вокруг микрополосков, ограничивающих фидерные линии, выполнены экранирующие VIA 22, которые проходят через диэлектрическую подложку 24 и соединяют между собой копланарный земляной слой 20 с нижним земляным слоем 23, что позволяет избежать паразитных вытекающих волн и потерь в тракте.
В качестве материала для PE могут быть выбраны различные типы полупроводников, например, кремний, арсенид галлия-индия и другие. Время жизни τ электрона в материале определяет время переключения оптического коммутирующего элемента (tвкл и tвыкл ~ τ). Оно может быть уменьшено с помощью специальной обработки фотопроводящего материала, например бомбардировки электронами или ионной имплантации. Тем не менее, время жизни носителя обратно пропорционально оптической мощности Pопт ~ 1/τ. В результате уменьшение времени переключения требует большей оптической мощности и увеличения потребления энергии.
Обратная задача уменьшения потребляемой мощности оптического ключа может быть решена путем увеличения времени жизни носителей в материале PE, что может быть достигнуто пассивацией его поверхности, т.е. нанесением на него специального покрытия (например Al2O3, SiO2), нивелирующего дефекты поверхности PE.
В качестве источника света может применяться, например, светодиод или лазерный диод. В других возможных реализациях подвода света к PE могут использоваться передача света по оптоволокну и другие варианты, понятные специалисту в данной области техники. Для освещения PE могут применяться разные режимы подачи света: как непрерывный, так и импульсный. При импульсном режиме подачи света затрачивается меньше оптической мощности, поэтому он является энергосберегающим по сравнению с непрерывным. В этом случае необходимо учитывать, что длительность первого импульса должна быть достаточной для перевода коммутирующего элемента в состояние ВКЛ, а в дальнейшем, во время того как коммутирующий элемент должен сохранять состояние ВКЛ, период импульсов должен быть меньше времени жизни носителя в материале PE, так чтобы концентрация носителей не успевала значительно уменьшиться за время выключения источника света, а длительность импульсов должна быть достаточной для восстановления полностью включенного состояния.
Размер, форма и положение PE, источника света и шунтирующего VIA в оптическом коммутирующем элементе и печатной плате могут быть разными. Они определяются структурой печатной платы и зонами протекания токов для эффективного переключения, удобства расположения элементов для монтажа и требований к изоляции. Источник света может располагаться над центром PE или смещаться к его краю. В зависимости от целей устройства назначения, путем подбора геометрических параметров PE и источника освещения, можно оптимизировать потребляемую оптическую мощность коммутирующего элемента и его время включения/выключения. При определении размеров PE и источника освещения необходимо искать компромисс между размерами устройства, потребляемой оптической мощностью коммутирующего элемента, временем его включения/выключения и подбором PE с соответствующим временем жизни носителей и их диффузионной длиной, которая, в сочетании с засвечиваемой источником света площадью, определяет обеспечиваемую зону проводимости в элементе. Также необходимо учитывать требования к электрической длине отрезков линии передачи и минимизации сопротивления короткого замыкания.
Таким образом, коммутатор 200 содержит всего один коммутирующий элемент (оптический коммутирующий элемент 14) и всего один управляющий сигнал (световой поток 13), и при этом отсутствует необходимость в схемах развязки, так как управляющая схема изолирована от РЧ-портов коммутатора. Даже на высоких частотах такой коммутатор обладает малыми потерями и не подвержен интерференционному влиянию внешних компонентов. Кроме того, такой коммутатор можно без труда установить в любом требуемом месте печатной платы, в том числе в многослойную плату. Также за счет минимизации количества компонентов обеспечивается снижение цены и возможность интеграции в компактные устройства. Следовательно, обеспечивается еще большее упрощение конструкции SPDT-коммутатора по сравнению с существующими решениями для миллиметрового диапазона при одновременном обеспечении высоких характеристик в отношении потерь и доступных рабочих частот.
Коммутатор на сосредоточенных элементах
0
Другой вариант осуществления двухпозиционного коммутатора проиллюстрирован на Фиг. 10. В нем отрезки линии передачи выполнены в виде сосредоточенных элементов L (индуктивностей) и C (емкостей), замкнутых на землю. Задачей группы сосредоточенных элементов, составляющих один отрезок линии передачи, является обеспечение сдвига фазы на λ/4, то есть на 90. Такой подход позволяет уменьшить размеры коммутатора и интегрировать его в микросхему, а также распространить область его использования в более низкочастотные диапазоны, где применение линий длиной λ/4 невозможно или затруднительно, ввиду их значительных размеров.
Многопозиционный коммутатор
Вышеописанные подходы к созданию двухпозиционного (SPDT) коммутатора способны различным образом масштабироваться для создания коммутаторов с большим числом каналов, обладающих преимуществами настоящего изобретения. Например, в большинстве известных многопозиционных (SPnT) коммутаторов для каждого канала требуется своя собственная управляющая схема, что сильно усложняет схемы развязки. Предлагаемые SPnT-коммутаторы лишены этих недостатков.
Так, например, можно получить многопозиционный коммутатор 300, совмещая несколько вышеописанных двухпозиционных коммутаторов (100 или 200) так, чтобы они имели один и тот же входной порт и чтобы вторая ветвь одного двухпозиционного коммутатора одновременно служила первой ветвью смежного с ним двухпозиционного коммутатора. Образец реализованного таким методом трехпозиционного (SP3T) коммутатора показан на Фиг. 11. Принцип управления показанным SP3T-коммутатором приведен в Таблице 1.
Сигнал на вых. порте
Коммутирующий элемент 1
Коммутирующий элемент 2
1
ВЫКЛ
ВЫКЛ
2
ВКЛ
ВЫКЛ
3
ВКЛ
ВКЛ
Как можно заметить, число управляющих сигналов в таком подходе на один меньше, чем число каналов - в данном случае 2 управляющих сигнала для 3 каналов. В случае использования оптического коммутирующего элемента, количество коммутирующих элементов также уменьшается на один. Кроме того, этот подход по-прежнему является очень простым и не требует наличия схем развязки.
На Фиг. 12A-12B представлены результаты моделирования S-параметров данного трехпозиционного коммутатора на частоте 4,5 ГГц ±0,5 ГГц. А именно, на Фиг. 12A показаны графики коэффициента отражения волны обратно во входной порт 4 (S44) при подаче сигнала на каждый из выходных портов 1-3, а на Фиг. 12B показаны графики коэффициентов передачи из входного порта в выходной активный порт x (Sx4) и в другие отключенные выходные порты y (Sy4). Как видно из представленных графиков, весь сигнал переходит в требуемый выходной порт x (Sx4 > -0,4 дБ), тогда как отраженного от входного порта и прошедших в остальные выходные порты сигналов нет (Sy4 < -50 дБ, S44 < -30 дБ).
Еще один вариант реализации многопозиционного коммутатора на базе двухпозиционных коммутаторов состоит в их последовательном подключении друг к другу по бинарному принципу, как показано на Фиг. 13A. Выходные порты предыдущего двухпозиционного коммутатора одновременно являются входными портами последующих двухпозиционных коммутаторов. Для минимизации отражений и для того, чтобы сигнал поступал на следующий двухпозиционный коммутатор в фазе, расстояние от точек 10 и 12 предыдущего коммутатора до точки 11 последующих коммутаторов (длина линии передачи между точками разветвления) должно быть равно λ/4. Фиг. 13B демонстрирует пример прохождения РЧ-сигнала на выходной порт 2 в таком коммутаторе. В данном случае требуется поддерживать состояние ВКЛ всего на одном коммутирующем элементе. Как и в описанном ранее варианте осуществления, данный SPnT-коммутатор является очень простым, не требует наличия схем развязки и требует меньшего числа управляющих сигналов, чем традиционные решения из уровня техники.
n
Более того, в общем случае, в отличие от известного бинарного подхода, в котором для подачи РЧ-сигнала на любой канал требуется поддерживать состояние ВКЛ на n коммутирующих элементах, где n соответствует выражению N=2, а N - число каналов SPnT-коммутатора (см. Фиг. 14A), предложенный SPnT-коммутатор требует наличия состояния ВКЛ на n коммутирующих элементах только для крайнего случая с подачей сигнала на канал N (см. Фиг. 14B), тогда как для подачи сигнала на канал 1 вообще не требуется ни один включенный коммутирующий элемент. Соответственно, для каналов 2…N-1 необходимо от 1 до  коммутирующих элементов в состоянии ВКЛ (см., например, Фиг. 13B), то есть энергопотребление и сложность управления таким коммутатором значительно снижены.
Следует отметить, что возможен такой вариант осуществления многопозиционного коммутатора, в котором используются как описанные выше двухпозиционные коммутаторы 100 и 200, так и многопозиционные коммутаторы 300. Более того, в составе многопозиционного коммутатора возможно использование коммутаторов, конструкция которых отличается от предложенной в настоящем изобретении. Поэтому в общем случае данный вариант осуществления можно описать следующим образом: многопозиционный коммутатор содержит множество составляющих коммутаторов, причем множество составляющих коммутаторов содержит по меньшей мере один двухпозиционный коммутатор (100, 200) и/или по меньшей мере один многопозиционный коммутатор (300), причем каждый выходной порт каждого составляющего коммутатора является либо выходным портом данного многопозиционного коммутатора, либо входным портом последующего составляющего коммутатора.
Применение
Коммутаторы согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление РЧ-сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективных стандартов 5G и WiGig, для различных датчиков, для сетей Wi-Fi, для беспроводной передачи энергии, для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм-диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.
Например, в 5G-сетях удобно применять предложенные коммутаторы в составе передающей антенной решетки ретрансляционной базовой станции, расположенной внутри помещения, чтобы переключать или калибровать каналы антенной решетки с целью максимизации мощности в местоположении приемника даже при перемещении приемника и при наличии препятствий между передатчиком и приемником. В другом примере коммутатор согласно настоящему изобретению может найти применение для переключения между цепями приема и передачи, когда одни и те же антенные элементы используются и для приема, и для передачи. Можно также использовать такой коммутатор для переключения между режимами дальности антенны или радара (допустим, между режимами большой, средней и малой дальности), для изменения разрешения радара, для сканирования лучом, для переключения между режимами работы антенны в продольной/поперечной плоскости, для переключения между разнесенными антеннами, расположенными на разных торцах устройства и для множества других приложений.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного коммутатора находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.