Владимиров В. М., Кулініч С. Н., Савін А. К., Шихов Ю. Г. Красноярський науковий центр СО РАН Академмістечко, Красноярськ, 660036, Росія тел.: 3912-494494, e-mail: kulinich @ ksc. krasn.ru

Анотація – Показаний простий спосіб збільшення частоти зрізу в багатоканальних перемикачах променевого типу з Г-подібними елементарними ключами на основі pin-діодів. полягає в застосуванні додаткового RC-елемента, без збільшення кількості елементарних ключів. Також запропоновано простий спосіб збільшення і вирівнювання розв’язок у каналах. Проведена оптимізація основних параметрів перемикача з використанням повної електродинамічної комп’ютерної моделі. Визначено дисипативні втрати і верхня межа частотного діапазону одинадцяти канального перемикача.

I. Вступ

Основними вимогами, що пред’являються до перемикачів НВЧ потужності, є: малі дисипативні втрати проходить НВЧ потужності, великий коефіцієнт внесеного загасання в закритому стані. Цим основним вимогам найбільш повно відповідають мікрополоскових перемикачі НВЧ потужності на pin-діодах.

Полосковим СВЧ перемикачі променевого типу з послідовно і паралельно включеними коммутирующими діодами широко застосовуються для перемикання порівняно невисокого рівня НВЧ потужності. Принциповий недолік таких перемикачів, що обмежує їх область застосування, порівняно вузький діапазон частот за заданим рівнем узгодження, обумовлений шунтувальним впливом на відкритий канал комутуючих діодів в закритих каналах перемикача [1].

Мета даної роботи – розробка багатоканальних перемикачів променевого типу з Г-подібними елементарними ключами, з розширеною верхньою межею частотного діапазону і поліпшеними розв’язками без каскадування і збільшення кількості елементарних ключів.

II. Основна частина

В роботі [2] запропоновано один із способів збільшення розв’язок закритих каналів і збільшення частоти зрізу багатоканального перемикача. Основний принцип запропонованого способу полягає в тому, що струми зміщення паралельних pin-діодів в закритих каналах вибираються такими, щоб діоди перебували у відкритому стані. Таким чином, вибирається оптимальне еквівалентну пряме опір паралельного pin-діода, проміжне між відкритим та закритим станом, що забезпечує його роботу як ключового, так і дисипативного елемента одночасно. Температурні випробування показують, що такі режими паралельних діодів досить стійкі до зміни температури, незважаючи на досить сильну залежність еквівалентного прямого опору pin-діода від температури. Оптимальні розв’язки закритих каналів мають більш слабку залежність від прямого опору pin-діода, ніж залежність прямого опору pin-діода від температури.

Внаслідок збільшення кількості каналів в багатоканальному перемикачі неминуче ущільнюється електродинамічна микрополосковая структура. У цьому випадку збільшується електромагнітна зв’язок між мікрополоскових структурами комутованих каналів, тому що на високих частотах в мікрополосках виникають паразитні резонанси. Паразитні резонанси неминуче виникають в закритих каналах внаслідок утворення стоячих хвиль при відображенні падаючої хвилі від максимально закритих послідовних pin-діодів і відкритих паралельних pin-діодів. У цьому випадку доводиться шукати компроміс між кількістю каналів, розв’язкою, забезпечуваною канальними ключами і граничною частотою перемикача за заданим рівнем узгодження. Для поліпшення основних електричних характеристик необхідно зменшити електромагнітну зв’язок між каналами. Зменшити електромагнітну зв’язок між каналами можна, вводячи в електродинамічну структуру закритих каналів дисипативні елементи, які послаблюють виникають у закритих каналах паразитні резонанси. Очевидно, що, відкриваючи паралельні pin-діоди, можна внести в закритий канал дисипативні втрати, що призведе до значного зниження добротності ліній передачі утворених закритими каналами, при цьому паразитні зв’язки між каналами зменшаться.

Багатоканальний широкосмуговий

перемикач з RC-ланцюжком в каналах

Як класичні перемикачі, так і перемикачі, запропоновані в роботі [2], мають істотний недолік – в закритих каналах відкриті паралельні pin-діоди шунтуючих закриті послідовні pin-діоди і обмежують зворотне зміщення на них. Прохідна ємність pin-діода залежить від прикладеної до нього зворотного зсуву і може змінюватися в кілька разів. Прохідні ємності повинні бути як якнайменше для багатоканальних перемикачів променевого типу, тому що фактично включені паралельно відкритого каналу, це призводить до його неузгодженості, що є основною причиною зниження верхньої кордону частотного діапазону.

З метою збільшення частоти зрізу багатоканального перемикача необхідно максимально зменшити ємності обратносмещенном послідовних pin-діодів в закритих каналах. Для цього потрібно збільшити напруга, що прикладається до обратносмещенном послідовним pin-діодів. Збільшити напругу на послідовному pin-діод можна лише тоді, коли послідовний і паралельний діоди розв’язані по постійному струму. Можна розв’язати послідовні і паралельні pin-діоди, застосовуючи роздільні ланцюга управління, що небажано, тому що значно ускладнюються ланцюга управління і сама конструкція перемикача. В роботі [2] показано, що керуючі струми зміщення паралельних pin-діодів в пропонованому багатоканальному перемикачі знижені більш ніж на порядок у порівнянні з класичною схемою променевого перемикача. Отже, в ланцюг, між послідовним і паралельним pin-діодами можна включити чіп RC-елемента, в якому резистор з відносно великим опором зашунтірован по СВЧ конденсатором великої ємності. Резистор RC-ланцюжка обмежує струм паралельного pin-діода і малим струмом утримує його у відкритому стані. Внаслідок цього, до послідовного pin-діода прикладається максимальна напруга зворотного зсуву, що і потрібно для оптимальної роботи перемикача.

На малюнку 1 наведена принципова електрична схема багатоканального СВЧ перемикача. Перемикач містить вхідну мікропилу-лосковую лінію 1 (МПЛ), короткозамкненим по постійному току дроселем 2. МПЛ 1 з’єднана з мікрополоскових променевим перехідником потужності

3 на 1 < -> п каналів, виконаним у вигляді кільця для зменшення паразитної шунтової ємності. У кожному каналі розміщені послідовні pin-діоди 4, підключені позитивним електродом до променевого розгалужувачі 3, а негативним – до паралельної RC-ланцюжку 5, яка, в свою чергу, підключена до позитивного електроду паралельного pin-діода 6. Напруга зсуву на діоди подається через дросель 7, діод 6 з’єднаний з вихідною МПЛ 8.

Пропонований багатоканальний перемикач працює таким чином. При подачі негативного сигналу в один з каналів, послідовний pin-діод відкривається, а паралельні діоди – закриваються. СВЧ сигнал з входу перемикача проходить через відкритий послідовний pin-діод, конденсатор RC-ланцюжка, і надходить на один з виходів перемикача. При цьому інші канали закриті і НВЧ сигнал на виходах цих каналів відсутня, тому що на послідовні та паралельні pin-діоди цих каналів подається позитивний зсув. Послідовні pin-діоди максимально закриті, а паралельні pin-діоди знаходяться у відкритому стані.

Електродинамічне моделювання багатоканального перемикача променевого типу проводилося в пакеті програм “Microwave office 5.5”. В процесі моделювання поряд з квазістатичного параметрами pin-діодних ключів враховувалося електродинамічні взаємодія мікрополос-кової структури перемикача.

На малюнку 2 приведені основні характеристики електродинамічної моделі широкосмугового пятиканального перемикача. На графіках відображені типові для всіх каналів характеристики одного з каналів.

Рисунок 2 (Fig. 2)

Де: а – прямі втрати в одному з відкритих каналів, які не перевищують 0,5 дБ на частоті зрізу

5 ГГц, виміряної за рівнем узгодження -20 дБ (див. криву с), для класичної схеми перемикача; b – прямі втрати в одному з відкритих каналів, які не перевищують 0,6 дБ на частоті зрізу, виміряної за рівнем узгодження -20 дБ, для оптимізованої схеми перемикача з RC-ланцюжком в каналах; с – типовий КСВ (зворотні втрати Snn) в одному з відкритих каналів, для класичної схеми перемикача; d – типовий КСВ Snn в одному з відкритих каналів, для оптимізованої схеми перемикача з RC-ланцюжком в каналах; е – типова розв’язка S-|N в одному із закритих каналів для класичної схеми перемикача; f – типова розв’язка S-in, для оптимізованої схеми з RC-ланцюжком в каналах.

На прикладі роботи комп’ютерної моделі широкосмугового пятиканального перемикача добре видно переваги оптимізованої схеми перемикача з RC-ланцюжками в каналах. За всіма основними параметрами вона дає виграш в порівнянні з класичною схемою перемикача: частота зрізу збільшилася з 5 ГГц до 12ГГц за рівнем узгодження -20 дБ, Прямі втрати у відкритому каналі зменшилися з 5 дБ до 0,6 дБ, розв’язки в закритих каналах збільшилися з 20 до 28 дБ.

Багатоканальний широкосмуговий перемикач з оптимізованими струмами паралельних pin-duodoe

Відкритий канал в основному взаємодіє з двома найближчими сусідніми каналами, які електромагнітно сильно пов’язані з відкритим каналом, далекі – слабо пов’язані. Розв’язка, що забезпечується перемикачем, обмежується розв’язкою в сусідніх каналах. У далеких каналах розв’язки завжди краще, ніж розв’язки в каналах, близько розташованих до відкритого каналу. Отже, еквівалентні прямі опору паралельних pin-діодів закритих каналів повинні бути різними. Пропонований принцип полягає в тому, що прямі струми паралельних pin-діодів в закритих каналах вибираються такими, щоб діоди знаходилися у відкритому стані. Встановлюючи прямі струми паралельних pin-діодів закритих каналів зростаючими від каналу до

каналу, по мірі віддалення від відкритого каналу, тим самим вибираємо оптимальне еквівалентну пряме опір відкритого паралельного pin-діода для кожного каналу. При цьому паралельний p-i- n-діод буде працювати одночасно як ключовий, так і дисипативний елемент.

На малюнку 3 наведені основні характеристики електродинамічної моделі широкосмугового пятиканального перемикача. На графіках відображені типові для всіх каналів розв’язки для перемикача з класичною схемою, розглянутої в роботі [2] і перемикача з оптимізованими струмами паралельних pin-діодів. Де: а – розв’язка одного із закритих каналів класичного переклю-

Рисунок 3 (Fig. 3)

отримувача; b – розв’язка одного із закритих каналів перемикача з рівними по величині струмами паралельних pin-діодів; с – розв’язка закритих каналів перемикача, з струмами паралельних pin-діодів, встановленими зростаючими від каналу до каналу, по мірі віддалення від відкритого каналу.

З графіків видно, що оптимізовані режими паралельних pin-діодів призводять до значного збільшення розв’язок між входом і закритими каналами пятиканального перемикача.

III. Висновок

У роботі розглянуто новий спосіб збільшення частоти зрізу багатоканального перемикача променевого типу усуває шунтування послідовних pin-діодів паралельними pin-діодами в закритих каналах шляхом введення в канали перемикача розв’язує RC-ланцюжка. Також запропоновано простий спосіб збільшення і вирівнювання розв’язок в каналах, не пов’язаний зі збільшенням кількості елементарних ключів, що полягає в оптимізації отпирающих струмів паралельних pin-діодів. За результатами електродинамічного моделювання проведена оптимізація основних параметрів перемикача. Пропоновані способи застосовані в серійно випускається одіннадцатіканальном перемикається фільтрі С – діапазону.

IV. Список літератури

1. А. С. Петров, Граничні співвідношення для твердотільних багатоканальних перемикачів променевого типу, “Радіотехніка та електроніка”, том 42 № 5

стр.553-558, 1997 р.

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

Ю. Г. Шихов, В. В. Югай. Одіннадцатіканальний широкосмуговий СВЧ перемикач, Матеріали “13-й Міжнародній Кримської Конференції”, 2003, стор 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, з 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 pin-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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»