Сверхвысокочастотный выключатель

 

Изобретение относится к области СВЧ-техники, а именно к устройствам, коммутирующим сигнал в трактах передачи СВЧ-сигнала с применением полупроводниковых приборов в качестве коммутаторов. Техническим результатом, на который направлено изобретение, является достижение высокого быстродействия на ограниченном количестве циклов замыкания - размыкания в широком диапазоне уровней коммутируемого СВЧ-сигнала. Данный технический результат достигается тем, что в СВЧ-замыкателе линии передачи СВЧ-сигнала, содержащем линию 1 передачи СВЧ-сигнала, двухполюсную цепь 2 с коммутирующим p-i-n диодом, подсоединенную параллельно линии 1 передачи СВЧ-сигнала, двухполюсная цепь выполнена в виде чередующихся коммутирующих p-i-n диодов 4, 5 и инверторов 3 полного сопротивления, причем p-i-n диоды подсоединены параллельно инверторам 3 полного сопротивления, соединенным друг с другом каскадно, при это количество p-i-n диодов равно 2n, а количество инверторов полного сопротивления равно 2n для замыкателя с нормальной разомкнутым состоянием и равно (2n-1) для замыкателя с нормально разомкнутым состоянием, где n - число быстрых циклов замыкания - размыкания. 3 ил.

Изобретение относится к области СВЧ-техники, а именно к устройствам, коммутирующим сигнал в трактах передачи СВЧ-сигнала с применением полупроводниковых приборов в качестве коммутаторов.

Известно устройство для коммутации СВЧ-сигналов с помощью p-i-n диодов, включенных параллельно инверторам полного сопротивления, каскадно включенным между собой [1] Эта цепь включена в тракт передачи СВЧ-сигнала в виде четырехполюсника, причем все p-i-n диоды этой цепи (14,16) отпираются одновременно от одного источника (BiAS).

К недостаткам этого коммутирующего СВЧ-устройства следует отнести относительно невысокое быстродействие в полном цикле коммутации (при отпирании-запирании p-i-n диодов), что особенно проявляется при высоких уровнях передаваемого в тракте СВЧ-сигнала. При высоком уровне мощности в тракте приходится применять диоды с высоким пробивным напряжением, а это означает, что у них повышена толщина i-области, а следовательно, повышено время рассасывания накопленного заряда.

Известно устройство для коммутации СВЧ-сигнала в линии передачи СВЧ-сигнала с помощью p-i-n диода, включенного параллельно в эту линию передачи [2] Данное устройство принято за прототип предложенному изобретению. Устройство работает как замыкатель СВЧ-сигнала при отпирании p-i-n диода.

К недостаткам прототипа следует отнести недостаточно высокое быстродействие коммутации СВЧ-сигнала в момент размыкания этого замыкателя при запирании p-i-n диода, что обусловлено известными свойствами p-i-n диодов. Этот недостаток становится особенно существенным при высоких уровнях сигнала (порядка 100-1000 Вт и более) из-за того, что приходится использовать высоковольтные диоды с толстой i-областью.

Так, например, включение замыкателя на диоде типа 2А536А-6 при мощности сигнала в несколько сотен Ватт может быть осуществлено при надлежащей схеме управления за время порядка 100 нс, а время выключения не удается сделать короче 1 мкс.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является достижение высокого быстродействия на ограниченном числе циклов замыкания - размыкания в широком диапазоне уровней коммутируемого СВЧ-сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что в СВЧ-замыкателе линии передач СВЧ-сигнала, содержащем линию передачи СВЧ-сигнала, двухполюсную цепь с коммутирующим p-i-n диодом, подсоединенную параллельно линии передачи СВЧ-сигнала, двухполюсная цепь выполнена в виде чередующихся коммутирующих p-i-n диодов и инверторов полного сопротивления, причем p-i-n диоды подсоединены параллельно инверторам полного сопротивления, соединенным друг с другом каскадно, при этом количество p-i-n диодов равно 2n, а количество инверторов полного сопротивления равно 2n для замыкателя с нормальной разомкнутым состоянием и равно (2n-1) для замыкателя с нормально разомкнутым состоянием, где n число быстрых циклов замыкания размыкания.

Следует отметить, что все признаки, представленные в формуле изобретению, взаимосвязаны между собой настолько, что образуют единую, неразрывную функционально-конструктивную совокупность, отражающую сущность изобретения и было бы неправомерным вычленять из этой совокупности отдельные признаки с целью противопоставления им известных из других технических решений. Это связано с тем, что как каждый из признаков, так и группы признаков многофункциональны и проявляют одновременно несколько технических свойств.

Так, например, сами по себе p-i-n диоды являются быстрыми замыкателями СВЧ-сигнала, присутствующего на их электродах при отпирании диодов, но в совокупности с инверторами полного сопротивления, а также со способом включения их в двухполюсную цепь и включением этой линии в цепь СВЧ-передачи они могут являться как быстрыми замыкателями, так и быстрыми размыкателями СВЧ-сигнала. При этом одновременно с высоким быстродействием цикла замыкания размыкания предложенное устройство позволяет коммутировать весьма высокие мощности в СВЧ-трактах, что, например, не позволяет сделать устройство, предложенное в [3] ориентированное на последовательное включение диодов. Кроме того, названное известное устройство имеет значительно меньшее быстродействие в цикле, что связано с использованным вариантом схемы включения p-i-n диодов, а также схемы управления ими, требующими принципиального выключения одного из p-i-n диодов в одном цикле замыкания размыкания.

Поэтому при анализе предлагаемого нами изобретения на соответствие требованию изобретательского уровня было установлено.

1. Все отличительные признаки находятся в неразрывном конструктивно-функциональном единстве между собой, а также с остальными признаками и расчленение устройства на отдельные функциональные части с целью противопоставления им таких же известных частей было бы неправомерным, в связи с тем, что любая часть устройства одновременно проявляет несколько свойств и при вычленении одного из совокупности существенных признаков, представленных в формуле изобретения, потеряла бы ряд своих функций или свойств, таких как быстродействующее замыкание, быстродействующее размыкание, весьма быстродействующий (короткий) цикл замыкания размыкания и, наоборот, быстродействующее замыкание размыкание при одновременном расширении диапазона коммутации в сторону больших уровней коммутируемых сигналов.

2. Данное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники, поскольку из последнего не выявляется влияние предписываемых этим изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа признаками на достижение технического результата.

3. Автору не известны технические решения, содержащие отличительные признаки, которые одновременно проявляли бы несколько отмеченных свойств.

Отмеченное выше позволяет сделать вывод о соответствии предложенного изобретения требованию изобретательского уровня.

Предложенное устройство представлено на фиг.1-3; при этом на фиг.1 представлена схема предлагаемого замыкателя для случая однократного быстрого замыкания и однократного быстрого размыкания нормально разомкнутого СВЧ-замыкателя; на фиг.2 представлена схема, допускающая двухкратное быстрое замыкание и двухкратное столь же быстрое размыкание СВЧ-тракта; на фиг.3 представлена схема замыкателя для случая однократного быстрого размыкания и однократного быстрого замыкания нормально замкнутого СВЧ-замыкателя.

СВЧ-замыкатель содержит (см. фиг.1, 2, 3): 1 линию передачи СВЧ-сигнала (например, в виде длинной линии); 2 двухполюсную цепь; 3 инверторы полного сопротивления; 4 7 p-i-n диоды; 8 разделительные конденсаторы; 9 - дроссели смещения p-i-n диодов; 10, 11 источники смещения рабочей точки диодов.

На фиг. 1, 2, 3 также обозначены: 12 источник СВЧ-сигнала; 13 - сопротивление нагрузки.

Цепи подачи управляющего видеосигнала на p-i-n диоды, необходимые разделительные конденсаторы и элементы развязки цепей СВЧ и цепей управления показаны на фигурах условно, так как данные цепи являются стандартными.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии (см. фиг.1) оба диода 4, 5 находятся в запертом состоянии с подачей запирающего напряжения или без него. При этом на зажимах диода 5 в схеме образуется режим, близкий холостому ходу. На зажимах диода 4 режим близок к короткому замыканию по СВЧ. Соответственно в точках подключения инвертора 3 к линии передачи СВЧ сигнала 1 вся коммутационная цепь имеет высокое входное сопротивление, так что сигнал генератора 12 беспрепятственно передается в нагрузку 13.

Схема позволяет реализовать следующий рабочий цикл: для быстрого замыкания тракта передачи СВЧ-сигнала на диод 5 от источника 11 через дроссель смещения 9 подается прямой ток с достаточно малым фронтом нарастания. Поскольку переход диода из запертого в открытое состояние происходит достаточно быстро, создаваемое диодом "короткое замыкание" через два каскадно включенных инвертора 3 обеспечит быстрое установление "короткого замыкания" в линии 1 передачи СВЧ-сигнала, т.е. будет осуществлено быстрое замыкание тракта передачи СВЧ-сигнала, состояние замыкания может поддерживаться необходимое время; для быстрого устранения замыкания, т.е. для размыкания замыкателя на диод 4 подается от источника 10 через соответствующий дроссель 9 прямой ток с малым фронтом нарастания, при этом диод 5 остается в открытом состоянии. Быстро достигаемое состояние "короткого замыкания" на зажимах 4 через инвертор 3 создаст соответствующее ему состояние "холостого хода" цепи замыкателя в тракте передачи СВЧ-сигнала; в результате столь же быстро, как и на первом этапе замыкатель будет разомкнут, и прохождение СВЧ-сигнала в тракте будет восстановлено.

Для восстановления схемы, т.е. для повторения цикла замыкание - размыкание необходима пауза, в течение которой оба диода 4, 5 будут из открытого состояния переведены в запертое состояние.

На фиг.2 показана схема, допускающая двухкратное быстрое замыкание тракта и двухкратное столь же быстрое выключение замыкателя на интервале одного сообщения. Это осуществляется поочередным включением четырех p-i-n диодов 4, 5, 6, 7 (цепи управления p-i-n диодами не показаны).

Замыкатель, который обеспечивает нормально замкнутое состояние основного тракта, быстро переводит его в состояние прохождения сигнала, затем столь же быстро опять закорачивает тракт, представлен на фиг.3.

Как и в предыдущих примерах, начальное состояние соответствует выключенным диодам. Холостой ход на диоде 5 трансформируется через инвертор 3 в короткое замыкание основного тракта.

Включение диода 5 обеспечивает переход в состояние пропускания сигнала через основной тракт. Быстрое возвращение к запертому состоянию тракта обеспечивается включением 4.

Пример можно обобщить на несколько быстрых циклов размыкания замыкания (аналогично устройству на фиг.2).

Источники информации 1. Патент США N 4267538, Мкл⁵ H 01 P 1/15, 1981 г.

2. Патент Великобритании N 996721, 1965 г. Мкл⁵ H 01 P 1/15, фиг.9в.

3. А.С. СССР N 1171876, 1982 г. Мкл⁵ H 01 P 1/15.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотный выключатель, содержащий линию передачи, параллельно которой подключена двухполюсная цепь с коммутирующим p-i-n -диодом и инвертором полных сопротивлений, отличающийся тем, что двухполюсная цепь выполнена в виде чередующихся коммутирующих p-i-n-диодов и инверторов полных сопротивлений, причем p-i-n-диоды подсоединены параллельно инверторам полных сопротивлений, соединенных друг с другом каскадно, при этом количество p-i-n-диодов равно удвоенному количеству быстрых циклов выключения - включения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3