EP0675559A1 - Umschalter für den Hochfrequenzbereich - Google Patents

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EP0675559A1
EP0675559A1 EP95104168A EP95104168A EP0675559A1 EP 0675559 A1 EP0675559 A1 EP 0675559A1 EP 95104168 A EP95104168 A EP 95104168A EP 95104168 A EP95104168 A EP 95104168A EP 0675559 A1 EP0675559 A1 EP 0675559A1
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EP
European Patent Office
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output
diodes
switching
branch
switched
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EP95104168A
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EP0675559B1 (de
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Axel Dipl.-Ing. Brokmeier
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Airbus Defence and Space GmbH
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Daimler Benz Aerospace AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/10Auxiliary devices for switching or interrupting
    • H01P1/15Auxiliary devices for switching or interrupting by semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to a switch for the high frequency range according to the preamble of claim 1.
  • Such switches include an input gate and two output gates and have the effect that a high-frequency signal (RF signal) coupled into the input gate can alternatively be switched to one of the output gates as a function of a control signal.
  • RF signal high-frequency signal
  • Such switches are used in particular in radar technology in so-called T / R modules and are used in this Field of application also called SPDT switch (" S ingle P ole D ouble T hrow").
  • SPDT switch S ingle P ole D ouble T hrow
  • Such SPDT switches are for the maximum frequency range, for. B. designed the gigahertz (GHz) range.
  • the invention has for its object to provide a generic switch that enables the lossless switching of an RF signal with high power, with the highest possible isolation in the blocked branch and between the output gates and which can be produced in a cost-effective and reliable manner.
  • a first advantage of the invention is that in the X-band range (approximately 10 GHz) a structure with a power compatibility greater than or equal to 20 watts with an insertion loss in the switched branch of less than or equal to 1.0 dB and an insulation in the blocked branch greater than or equal 30 dB, isolation between the output gates greater than or equal to 30 dB and a standing wave ratio VSWR at all gates less than or equal to 2: 1 is possible.
  • a second advantage is that a mechanically compact and robust construction is possible in hybrid circuit technology.
  • a third advantage is that the diodes required for switching, e.g. PIN diodes are not directly in the RF signal path.
  • the non-blocking (switched through) branch can have a very high RF power, for example 25 W, with very little insertion loss.
  • the figure shows an exemplary circuit arrangement, which on a substrate, for. B. a ceramic substrate for a frequency range of z. B. 8 GHz can be produced.
  • the arrangement contains a y-shaped waveguide which is adapted to the specified frequency range and the RF power to be switched, the input branch EZ of which is coupled to the input gate TO and which branches at a branching point P1 into the two output branches AZ1, AZ2.
  • Each output branch AZ1, AZ2 contains a switchable filter for the specified frequency range, for example a band or low-pass filter.
  • the diodes D1 to D4 and D1 'to D4' preferably consist of PIN diodes for the specified HF range.
  • Two diode quartets D1 to D4 and D1 'to D4' are created. Each diode quartet contains two diode pairs D1, D4 and D2, D3 and D1 ', D4' and D2 ', D3'. For each pair of diodes, the associated diodes are on opposite sides of the associated output waveguide.
  • each diode quartet similar connections, for example anodes, are connected to the associated output waveguide, while the other connections (cathodes) are at reference potential (ground).
  • the diodes are polarized in opposite directions, so that depending on the switching voltage UB a filter, e.g. B. in the output branch AZ1, can be switched into the pass band, while the other filter, for. B. in the output branch AZ2, is switched to the locked state.
  • a filter e.g. B. in the output branch AZ1
  • the other filter for. B. in the output branch AZ2
  • the diodes are connected in opposite directions. This advantageously means that only a single switching voltage UB is required, which enables the filters in the output branches to always have opposite switching states for the RF signal.
  • a type of circuit polarity of the respective diode quartet can be set by selecting the spacing of the diode pairs within a diode quartet depending on the frequency range used. For example, it is possible to choose the distance between the two diode pairs in such a way that, in the case of high-resistance diodes (for the HF signal), this becomes transparent within a diode quartet for the prevailing RF signal, that is, the filter is switched to the on state. In the blocked state, each filter acts as a short circuit for the RF signal.
  • This short circuit is transformed in such a way that there is an open circuit for the relevant output branch at the branching point P1.
  • the RF power coupled into the input branch EZ is then advantageously conducted almost losslessly into the respective other output branch to the corresponding output gate.
  • the switching voltage UB a direct voltage, causes a direct current which is supplied to the switching points P2, P2 'via filters L, C or L', C '. These are coupled to the associated diode quartets via a line S or S ', which is also a component determining the filter.
  • the arrangement described also has the advantage that through the switchable filters present in the output branches AZ1, AZ2, the z. B. are carried out in a so-called quasi-lumped element design, in the RF signal at the input gate TO possibly existing harmonics are suppressed.
  • an insertion loss of less than or equal to 0.6 dB can be achieved in continuous operation with an RF power of greater than or equal to 20 watts (measured between an unlocked output gate and the Entrance gate TO).
  • the RF isolation in the blocked output branch is greater than 35 dB.
  • the RF isolation between the output gates T1, T2 is greater than 35 dB.
  • the invention is not limited to the example described, but can be applied analogously to others.
  • it is known to a person skilled in the art to choose a waveguide structure matched to it and corresponding switching diodes (diode quartets) for each RF range to be selected.

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umschalter für den Hochfrequenzbereich, insbesondere einen Leistungs-SPDT-Schalter für das X-Band. Dabei sind in den Ausgangszweigen des Schalters durch Schaltdioden schaltbare Filter vorhanden, die durch lediglich eine Schaltspannung jeweils in entgegengesetzte HF-Schaltzustände (Sperrzustand oder Durchlaßzustand) geschaltet werden. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Umschalter für den Hochfrequenzbereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Solche Umschalter enthalten ein Eingangstor sowie zwei Ausgangstore und bewirken, daß ein in das Eingangstor eingekoppeltes Hochfrequenzsignal (HF-Signal) in Abhängigkeit von einem Steuersignal, alternativ auf eines der Ausgangstore geschaltet werden kann.
  • Solche Umschalter werden insbesondere in der Radartechnik in sogenannten T/R-Modulen verwendet und werden in diesem Anwendungsbereich auch SPDT-Schalter ("Single Pole Double Throw") genannt. Solche SPDT-Schalter sind für den Höchstfrequenzbereich, z. B. den Gigahertz(GHz)-Bereich ausgelegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Umschalter anzugeben, der ein möglichst verlustloses Schalten eines HF-Signales mit hoher Leistung ermöglicht, wobei eine möglichst hohe Isolation im gesperrten Zweig und zwischen den Ausgangstoren vorhanden ist und der in kostengünstiger und zuverlässiger Weise herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
  • Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß im X-Band-Bereich (ungefähr 10 GHz) ein Aufbau mit einer Leistungsverträglichkeit größer gleich 20 Watt bei einer Einfügungsdämpfung im durchgeschalteten Zweig mit kleiner gleich 1,0 dB, einer Isolation im gesperrten Zweig größer gleich 30 dB, einer Isolation zwischen den Ausgangstoren größer gleich 30 dB sowie einem Stehwellenverhältnis VSWR an allen Toren kleiner gleich 2:1 möglich ist.
  • Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß ein mechanisch kompakter sowie robuster Aufbau in hybrider Schaltungstechnologie möglich ist.
  • Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die für den Schaltvorgang erforderlichen Dioden, z.B. PIN-Dioden, nicht direkt in dem HF-Signalweg liegen. Dadurch kann der nicht sperrende (durchgeschaltete) Zweig bei sehr geringer Einfügungsdämpfung eine sehr hohe Hf-Leistung, beispielsweise 25 W, führen.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf eine schematisch dargestellte Figur näher erläutert.
  • Die Figur zeigt eine exemplarische Schaltungsanordnung, die auf einem Substrat, z. B. einem Keramiksubstrat, für einen Frequenzbereich von z. B. 8 GHz herstellbar ist. Die Anordnung enthält einen an den angegebenen Frequenzbereich und die zu schaltende HF-Leistung angepaßten y-förmig verzweigten Wellenleiter, dessen Eingangszweig EZ an das Eingangstor TO angekoppelt ist und der sich an einem Verzweigungspunkt P1 in die beiden Ausgangszweige AZ1, AZ2 verzweigt. Diese führen zu Ausgangstoren T1, T2, an denen die am Eingangstor EZ eingekoppelte HF-Leistung je nach Schaltzustand alternativ ausgekoppelt werden kann. Jeder Ausgangszweig AZ1, AZ2 enthält für den angegebenen Frequenzbereich ein schaltbares Filter, z.B ein Band- oder Tiefpaßfilter. Dieses besteht im wesentlichen aus dem Ausgangswellenleiter AZ1, bzw. AZ2, in den jeweils eine durch eine Schaltspannung UB schaltbare Diodenanordnung D1 bis D4 bzw. D1' bis D4' eingefügt ist. Dabei bestehen die Dioden D1 bis D4 sowie D1' bis D4' vorzugsweise aus PIN-Dioden für den angegebenen HF-Bereich. Es entstehen zwei Dioden-Quartette D1 bis D4 sowie D1' bis D4'. Jedes Dioden-Quartett enthält zwei Dioden-Paare D1, D4 sowie D2, D3 bzw. D1', D4' sowie D2', D3'. Bei jedem Dioden-Paar liegen die zugehörigen Dioden auf gegenüberliegenden Seiten des zugehörigen Ausgangswellenleiters. Bei jedem Dioden-Quartett sind jeweils gleichartige Anschlüsse, z.B. Anoden, mit dem zugehörigem Ausgangswellenleiter verbunden, während die jeweils andern Anschlüsse (Kathoden) auf Bezugspotential (Masse) liegen. In jedem Dioden-Quartett D1 bis D4 bzw. D1' bis D4' sind die Dioden entgegengesetzt gepolt, so daß in Abhängigkeit von der Schaltspannung UB immer ein Filter, z. B. im Ausgangszweig AZ1, in den Durchlaßbereich geschaltet werden kann, während das andere Filter, z. B. im Ausgangszweig AZ2, in den Sperrzustand geschaltet ist. Durch Änderung der Schaltspannung UB werden entgegengesetzte Schaltzustände der Filter erreicht. So sind z.B. in dem ersten Dioden-Quartett D1 bis D4 alle Kathoden mit dem zugehörigen Ausgangszweig AZ1 verbunden, während die Anoden auf Masse liegen. Bei dem zweiten Dioden-Quartett sind die Dioden entgegengesetzt geschaltet. Dadurch wird also vorteilhafterveise lediglich eine einzige Schaltspannung UB benötigt, die ermöglicht, daß die Filter in den Ausgangszweigen immer entgegengesetzte Schaltzustände für das HF-Signal besitzen. Durch eine von dem verwendeten Frequenzbereich abhängige Wahl des Abstandes der Dioden-Paare innerhalb eines Dioden-Quartettes ist eine Art Schaltungspolarität des betreffenden Dioden-Quartettes einstellbar. So ist es beispielsweise möglich, den Abstand zwischen den zwei Dioden-Paaren so zu wählen, daß bei hochohmig geschalteten Dioden (für das HF-Signal), innerhalb eines Dioden-Quartettes, dieses durchlässig wird für das anligende HF-Signal, das heißt, das Filter ist in den Durchlaßzustand geschaltet. Im Sperrzustand wirkt jedes Filter als Kurzschluß für das HF-Signal. Dieser Kurzschluß wird so transformiert, daß an dem Verzweigungspunkt P1 ein Leerlauf für den betreffenden Ausgangszweig entsteht. Die in den Eingangszweig EZ eingekoppelte HF-Leistung wird dann vorteilhafterveise nahezu verlustlos in den jeweils anderen Ausgangszweig zu dem entsprechenden Ausgangstor geführt. Die Schaltspannung UB, eine Gleichspannung, bewirkt einen Gleichstrom, der über Filter L, C bzw. L', C' den Schaltungspunkten P2, P2' zugeführt wird. Diese sind mit den zugehörigen Diodenquartetten über jeweils eine Leitung S bzw. S', die gleichzeitig ein das Filter bestimmender Bestandteil ist, gekoppelt. Die Schaltungspunkte P2, P2' liegen für das HF-Signal an Masse (kapazitiver Kurzschluß). Somit kann an diese Schaltungspunkte P2, P2' über eine induktive Zuleitung (L, L') die Steuerspannung für die Diodenquartette angelegt werden.
  • Die beschriebene Anordnung hat außerdem den Vorteil, daß durch die in den Ausgangszweigen AZ1, AZ2 vorhandenen schaltbaren Filter, die z. B. in einem sogenannten Quasi-Lumped-Element-Design ausgeführt sind, in dem HF-Signal am Eingangstor TO möglicherweise vorhandenen Harmonischen unterdrückt werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel für den Frequenzbereich von 8 GHz bis 12 GHz ist mit der beschriebenen Anordnung bei einer zu schaltenden HF-Leistung von größer gleich 20 Watt im Dauerbetrieb eine Einfügungsdämpfung von kleiner gleich 0,6 dB erreichbar (gemessen zwischen einem nicht gesperrten Ausgangstor sowie dem Eingangstor TO). Dabei ist die HF-Isolation in dem jeweils gesperrten Ausgangszweig größer 35 dB. Die HF-Isolation zwischen den Ausgangstoren T1, T2 ist größer 35 dB. An jedem Tor T0, T1, T2 ist vorteilhafterweise ein sehr geringes Stehwellenverhältnis vorhanden, z. B. ist VSWR kleiner gleich 1,1:1.
  • Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es einem Fachmann geläufig, bei jedem zu wählenden HF-Bereich eine daran angepaßte Wellenleiterstruktur sowie entsprechende Schaltdioden (Diodenquartette) zu wählen.

Claims (5)

  1. Umschalter für den Hochfrequenzbereich, bestehend aus einem Eingangstor und mindestens zwei Ausgangstoren sowie mindestens einem aktiven Halbleiterbauelement, mit dem ein an dem Eingangstor anliegendes Hochfrequenzsignal wahlweise auf eines der Ausgangstore umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet,
    - daß an das Eingangstor (T0) ein y-förmiger Wellenleiter (W) mit einem Eingangszweig (EZ) sowie zwei Ausgangszweigen (AZ1, AZ2) angeschlossen ist,
    - daß in jedem Ausgangszweig (AZ1, AZ2) ein durch Schaltdioden (D1 bis D4, D1' bis D4') schaltbares HF-Filter vorhanden ist und
    - daß die in den Ausgangszweigen (AZ1, AZ2) vorhandene Schaltdioden entgegengesetzt gepolt (geschaltet) sind, derart, daß lediglich eine Schaltspannung (UB) erforderlich ist, um die HF-Filter in entgegengesetzte HF-Schaltzustände (Durchlaßzustand bzw. Sperrzustand) zu schalten.
  2. Umschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Filter in einem Quasi-Lumped-Element-Design ausgeführt ist.
  3. Umschalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Schaltdioden (D1 bis D4 bzw. D1' bzw. D4') als PIN-Dioden ausgebildet sind und
    - daß die Schaltdioden (D1 bis D4) jeweils eines Ausgangszweiges (AZ1) über einen Steuer-Wellenleiter (S) an eine Schaltspannung (UB) angeschlossen sind.
  4. Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im jeden Ausgangszweig (AZ1, AZ2) vorhandene schaltbare HF-Bandpaß im gesperrten HF-Zustand einen HF-Kurzschluß bildet, der an dem Verzweigungspunkt (P1) der Wellenleiter (EZ, AZ1, AZ2) zu einem HF-Leerlauf transformiert ist.
  5. Umschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Verzweigungspunkt (P1) die Wellenleiter der Ausgangszweige (AZ1, AZ2) gekrümmt sind und daß der Wellenleiter des Eingangszweiges (EZ) an den Scheitelpunkt der Krümmung angekoppelt ist.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4078217A (en) * 1976-04-05 1978-03-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Microwave isolation switch
US4502027A (en) * 1982-03-01 1985-02-26 Raytheon Company Bidirectional switch

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Title
G.H. NESBIT ET AL.: "Monolithic transmit/receive switch for millimeter-wave application", GAAS IC SYMPOSIUM 1987,TECHNICAL DIGEST;PORTLAND,US, 13 October 1987 (1987-10-13) - 16 October 1987 (1987-10-16), pages 147 - 148 *

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