ШИРОКОПОЛОСНЫЕ МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СВЧ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ЛУЧЕВОГО ТИПА С ОПТИМИЗИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

May 11, 2012 by admin Комментировать »

Владимиров В. М., Кулинич С. Н., Савин А. К., Шихов Ю. Г. Красноярский научный центр СО РАН Академгородок, Красноярск, 660036, Россия тел.: 3912-494494, e-mail: kulinich@ksc.krasn.ru

Аннотация – Показан простой способ увеличения частоты среза в многоканальных переключателях лучевого типа с Г- образными элементарными ключами на основе p-i-n- диодов. заключающийся в применении дополнительного RC-элемента, без увеличения количества элементарных ключей. Также предложен простой способ увеличения и выравнивания развязок в каналах. Проведена оптимизация основных параметров переключателя с использованием полной электродинамической компьютерной модели. Определены диссипативные потери и верхняя граница частотного диапазона одиннадцати канального переключателя.

I.  Введение

Основными требованиями, предъявляемыми к переключателям СВЧ мощности, являются: малые диссипативные потери проходящей СВЧ мощности, большой коэффициент вносимого затухания в закрытом состоянии. Этим основным требованиям наиболее полно соответствуют микрополосковые переключатели СВЧ мощности на p-i-n-диодах.

Полосковые СВЧ переключатели лучевого типа с последовательно и параллельно включенными коммутирующими диодами широко применяются для переключения сравнительно невысокого уровня СВЧ мощности. Принципиальный недостаток таких переключателей, ограничивающий их область применения, сравнительно узкий диапазон частот по заданному уровню согласования, обусловленный шунтирующим влиянием на открытый канал коммутирующих диодов в закрытых каналах переключателя [1].

Цель данной работы – разработка многоканальных переключателей лучевого типа с Г- образными элементарными ключами, с расширенной верхней границей частотного диапазона и улучшенными развязками без каскадирования и увеличения количества элементарных ключей.

II.  Основная часть

В работе [2] предложен один из способов увеличения развязок закрытых каналов и увеличения частоты среза многоканального переключателя. Основной принцип предложенного способа заключается в том, что токи смещения параллельных p-i-n-диодов в закрытых каналах выбираются такими, чтобы диоды находились в приоткрытом состоянии. Таким образом, выбирается оптимальное эквивалентное прямое сопротивление параллельного p-i-n-диода, промежуточное между открытым и закрытым состоянием, обеспечивающее его работу как ключевого, так и диссипативного элемента одновременно. Температурные испытания показывают, что такие режимы параллельных диодов достаточно устойчивы к изменению температуры, несмотря на достаточно сильную зависимость эквивалентного прямого сопротивления p-i-n- диода от температуры. Оптимальные развязки закрытых каналов имеют более слабую зависимость от прямого сопротивления p-i-n-диода, чем зависимость прямого сопротивления p-i-n-диода от температуры.

Вследствие увеличения количества каналов в многоканальном переключателе неизбежно уплотняется электродинамическая микрополосковая структура. В этом случае увеличивается электромагнитная связь между микрополосковыми структурами коммутируемых каналов, т.к. на высоких частотах в микрополосках возникают паразитные резонансы. Паразитные резонансы неизбежно возникают в закрытых каналах вследствие образования стоячих волн при отражении падающей волны от максимально закрытых последовательных p-i-n-диодов и открытых параллельных p-i-n-диодов. В этом случае приходится искать компромисс между количеством каналов, развязкой, обеспечиваемой канальными ключами и граничной частотой переключателя по заданному уровню согласования. Для улучшения основных электрических характеристик необходимо уменьшить электромагнитную связь между каналами. Уменьшить электромагнитную связь между каналами можно, вводя в электродинамическую структуру закрытых каналов диссипативные элементы, которые ослабляют возникающие в закрытых каналах паразитные резонансы. Очевидно, что, приоткрывая параллельные p-i-n-диоды, можно внести в закрытый канал диссипативные потери, что приведет к значительному снижению добротности линий передачи образованных закрытыми каналами, при этом паразитные связи между каналами уменьшатся.

Многоканальный широкополосный

переключатель с RC-цепочкой в каналах

Как классические переключатели, так и переключатели, предложенные в работе [2], имеют существенный недостаток – в закрытых каналах открытые параллельные p-i-n-диоды шунтируют закрытые последовательные p-i-n-диоды и ограничивают обратное смещение на них. Проходная емкость pin-диода зависит от приложенного к нему обратного смещения и может изменяться в несколько раз. Проходные емкости должны быть как можно меньше для многоканальных переключателей лучевого типа, т.к. фактически включены параллельно открытому каналу, это приводит к его рассогласованию, что является основной причиной снижения верхней границы частотного диапазона.

С целью увеличения частоты среза многоканального переключателя необходимо максимально уменьшить емкости обратносмещенных последовательных p-i-n-диодов в закрытых каналах. Для этого требуется увеличить напряжение, прикладываемое к обратносмещенным последовательным p-i-n-диодам. Увеличить напряжение на последовательном p-i-n- диоде можно лишь тогда, когда последовательный и параллельный диоды развязаны по постоянному току. Можно развязать последовательные и параллельные p-i-n-диоды, применяя раздельные цепи управления, что нежелательно, т.к. значительно усложняются цепи управления и сама конструкция переключателя. В работе [2] показано, что управляющие токи смещения параллельных p-i-n-диодов в предлагаемом многоканальном переключателе снижены более чем на порядок по сравнению с классической схемой лучевого переключателя. Следовательно, в цепь, между последовательным и параллельным p-i-n-диодами можно включить чип RC- элемента, в котором резистор с относительно большим сопротивлением зашунтирован по СВЧ конденсатором большой емкости. Резистор RC-цепочки ограничивает ток параллельного pin-диода и малым током удерживает его в приоткрытом состоянии. Вследствие этого, к последовательному p-i-n-диоду прикладывается максимальное напряжение обратного смещения, что и требуется для оптимальной работы переключателя.

На рисунке 1 приведена принципиальная электрическая схема многоканального СВЧ переключателя. Переключатель содержит входную микропо- лосковую линию 1 (МПЛ), короткозамкнутую по постоянному току дросселем 2. МПЛ 1 соединена с микрополосковым лучевым разветвителем мощности

3   на 1<->п каналов, выполненным в виде кольца для уменьшения паразитной шунтирующей емкости. В каждом канале размещены последовательные p-i-n- диоды 4, подключенные положительным электродом к лучевому разветвителю 3, а отрицательным – к параллельной RC-цепочке 5, которая, в свою очередь, подключена к положительному электроду параллельного p-i-n-диода 6. Напряжение смещения на диоды подается через дроссель 7, диод 6 соединен с выходной МПЛ 8.

Предлагаемый многоканальный переключатель работает следующим образом. При подаче отрицательного управляющего сигнала в один из каналов, последовательный p-i-n-диод открывается, а параллельные диоды – закрываются. СВЧ сигнал с входа переключателя проходит через открытый последовательный p-i-n-диод, конденсатор RC-цепочки, и поступает на один из выходов переключателя. При этом остальные каналы закрыты и СВЧ сигнал на выходах этих каналов отсутствует, т.к. на последовательные и параллельные p-i-n-диоды этих каналов подается положительное смещение. Последовательные p-i-n- диоды максимально закрыты, а параллельные p-i-n- диоды находятся в приоткрытом состоянии.

Электродинамическое моделирование многоканального переключателя лучевого типа производилось в пакете программ “Microwave office 5.5”. В процессе моделирования наряду с квазистатическими параметрами p-i-n-диодных ключей учитывалось электродинамическое взаимодействие микрополос- ковой структуры переключателя.

На рисунке 2 приведены основные характеристики электродинамической модели широкополосного пятиканального переключателя. На графиках отражены типичные для всех каналов характеристики одного из каналов.

Рисунок 2 (Fig. 2)

Где: а – прямые потери в одном из открытых каналов, которые не превышают 0,5 дБ на частоте среза

5    ГГц, измеренной по уровню согласования -20 дБ (см. кривую с), для классической схемы переключателя; b – прямые потери в одном из открытых каналов, которые не превышают 0,6 дБ на частоте среза, измеренной по уровню согласования -20 дБ, для оптимизированной схемы переключателя с RC- цепочкой в каналах; с – типичный КСВ (обратные потери Snn) в одном из открытых каналов, для классической схемы переключателя; d – типичный КСВ Snn в одном из открытых каналов, для оптимизированной схемы переключателя с RC-цепочкой в каналах; е – типичная развязка S-|N в одном из закрытых каналов для классической схемы переключателя; f – типичная развязка S-in, для оптимизированной схемы с RC-цепочкой в каналах.

На примере работы компьютерной модели широкополосного пятиканального переключателя хорошо видны преимущества оптимизированной схемы переключателя с RC-цепочками в каналах. По всем основным параметрам она дает выигрыш по сравнению с классической схемой переключателя: частота среза увеличилась с 5 ГГц до 12ГГц по уровню согласования -20 дБ, Прямые потери в открытом канале уменьшились с 5 дБ до 0,6 дБ, развязки в закрытых каналах увеличились с 20 до 28 дБ.

Многоканальный широкополосный переключатель с оптимизированными токами параллельных p-i-n-duodoe

Открытый канал в основном взаимодействует с двумя ближайшими соседними каналами, которые электромагнитно сильно связаны с открытым каналом, дальние – слабо связаны. Развязка, обеспечиваемая переключателем, ограничивается развязкой в соседних каналах. В дальних каналах развязки всегда лучше, чем развязки в каналах, близко расположенных к открытому каналу. Следовательно, эквивалентные прямые сопротивления параллельных p-i-n-диодов закрытых каналов должны быть различными. Предлагаемый принцип заключается в том, что прямые токи параллельных p-i-n-диодов в закрытых каналах выбираются такими, чтобы диоды находились в приоткрытом состоянии. Устанавливая прямые токи параллельных pin- диодов закрытых каналов возрастающими от канала к

каналу, по мере удаления от открытого канала, тем самым выбираем оптимальное эквивалентное прямое сопротивление приоткрытого параллельного p-i-n- диода для каждого канала. При этом параллельный p-i- n-диод будет работать одновременно как ключевой, так и диссипативный элемент.

На рисунке 3 приведены основные характеристики электродинамической модели широкополосного пятиканального переключателя. На графиках отражены типичные для всех каналов развязки для переключателя с классической схемой, рассмотренного в работе [2] и переключателя с оптимизированными токами параллельных p-i-n-диодов. Где: а – развязка одного из закрытых каналов классического переклю-

Рисунок 3 (Fig. 3)

чателя; b – развязка одного из закрытых каналов переключателя с равными по величине токами параллельных p-i-n-диодов; с – развязка закрытых каналов переключателя, с токами параллельных pin- диодов, установленными возрастающими от канала к каналу, по мере удаления от открытого канала.

Из графиков видно, что оптимизированные режимы параллельных pin-диодов приводят к значительному увеличению развязок между входом и закрытыми каналами пятиканального переключателя.

III.    Заключение

В работе рассмотрен новый способ увеличения частоты среза многоканального переключателя лучевого типа устраняющий шунтирование последовательных p-i-n-диодов параллельными p-i-n-диодами в закрытых каналах путем введения в каналы переключателя развязывающей RC-цепочки. Также предложен простой способ увеличения и выравнивания развязок в каналах, не связанный с увеличением количества элементарных ключей, заключающийся в оптимизации отпирающих токов параллельных p-i-n- диодов. По результатам электродинамического моделирования проведена оптимизация основных параметров переключателя. Предлагаемые способы применены в серийно выпускаемом одиннадцатиканальном переключаемом фильтре С – диапазона.

IV.   Список литературы

1.     А. С. Петров, Предельные соотношения для твердотельных многоканальных переключателей лучевого типа, “Радиотехника и электроника”, том 42 №5

стр.553-558, 1997 г.

2.      В. М. Владимиров, С. Н. Кулинич, А. К. Савин,

Ю. Г. Шихов, В. В. Югай. Одиннадцатиканальный широкополосный СВЧ переключатель, Материалы “13-й Международной Крымской Конференции”, 2003, стр. 177- 180.

THE BROADBAND MULTICHANNEL MICROWAVE BEAM SWITCHES WITH THE OPTIMIZED PARAMETERS

Vladimirov V. М., Kulinich S. N., Savin A. K., Shihov Y. G., Yugay V. V.

Krasnoyarsk scientific center ofRAS Siberian Branch Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia Ph.:3912-494494, e-mail: kulinich@ksc.krasn.ru

Abstract – The multichannel switches with the L-type elementary keys on p-i-n-diodes are investigated. Simple ways are suggested to increase the cut-off frequency and to improve channel isolation by choice of an appropriate p-i-n-diode operating regime and by using of an additional RC-sub circuit.

I.  Introduction

The main disadvantage of the broadband beam switches with p-i-n diodes connected in series and in parallel (L-type elementary keys) is insufficiently broad frequency range due to shunting of the series p-i-n-diode by conductivity of the parallel p-i-n-diode.

II.  Main part

The element packing density increases with the increase of the number of channels, leading to the growth of undesirable electromagnetic channel-to-channel coupling and thus limiting the working frequency range. In the work [2] authors suggest to increase channel isolation by inserting of the switch of dissipative losses into closed channels. It is obtained by change of operating regimes of parallel p-i-n-diodes, which are kept in half-open state. Such diode regimes are temperature-resistant, besides in this case the controls current are decreased in order of value.

Multichannel broadband switch with RC-chain in channels

In closed channels, parallel p-i-n-diodes limit back bias on series p-i-n-diodes. This results in the increase of diode cross capacitance, making worse the switch characteristics. In the present paper, we suggest to insert a parallel RC-sub circuit in the form of a chip-element between the series p-i-n diode and the parallel one (fig. 1). The chain resistor limits current of the parallel p-i-n-diode and keeps the diode in half-open state. Thus, the maximal back bias is applied to the series diode. In fig.2 the basic characteristics of a five-channel switch with and without the RC-sub circuit are given, where a and b are open losses, с and d are return losses in a channel, e and f are closed channel isolation relative to switch input.

Multichannel broadband switch with the optimized currents of the parallel p-i-n-diodes

In the beam switch an open channel interacts mainly with the two nearest adjacent channels, therefore, maximal dissipative losses should be inserted just into these channels. The suggested principle is that the direct currents of parallel p-i-n- diodes in closed channels are chosen to keep the diodes in half-open state. After tuning the direct currents of the parallel p-

i-                n-diodes of the closed channels to increase from channel to channel, the parallel p-i-n-diode will operate both as key element and as dissipative element, simultaneously.

In fig.3 typical isolation in closed channels is shown, where a is the classical operating regime of the switch, b is the switch regime when all the parallel p-i-n-diodes in the closed channels have the same bias [2], с is the regime with the optimized currents of the parallel p-i-n-diodes in closed channels.

III.  Conclusion

The broadband multichannel beam switches with the L-type elementary keys have been investigated. Two ways of increasing the cut-off frequency and improving channel-to-channel isolation have been considered. The suggested methods are used in the serial eleven-channel switch.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты