Твердотельные РЧ-переключатели. Часть 1

Введение

В отличие от остальных типов РЧ-переклю­чателей, у твердотельных РЧ-переключателей меньшая толщина корпуса и физические размеры, поскольку элементы их схемы относительно плоские и не содержат крупные компоненты. Кроме того, твердотельные переключатели отличаются большим сроком службы и не критичны к условиям эксплуатации в связи с тем, что у них нет механических контактов.

В твердотельных РЧ-переключателях в качестве переключательных элементов используются быстродействующие кремниевые диоды, p‑i‑n‑диоды или полевые транзисторы (ПТ, FET), или интегрированные кремниевые или FET микроволновые монолитные интегральные схемы. На той же печатной плате, что и переключающие элементы, независимо интегрированы другие компоненты для поверхностного монтажа, такие как конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы.

Твердотельные РЧ-переключатели обладают повышенной надежностью, практически бесконечным сроком службы, поскольку не содержат движущихся частей. Твердотельные РЧ-переключатели имеют высокую степень изоляции (60–80 дБ), малое время переключения (100 нс) и устойчивы к вибрациям.

С точки зрения вносимых потерь такие устройства уступают электромеханическим переключателям.

Твердотельные РЧ-переключатели также более чувствительны к электростатическому разряду, и их возможности по коммутации мощности зависят от типа разъема, рабочей частоты и температуры окружающей среды. Некоторые топологии РЧ-переключателей на p‑i‑n‑диодах могут выдерживать пиковую мощность в несколько киловатт, но это достигается ценой более низкой скорости переключения.

Классификация

Классификацию твердотельных РЧ-пере­ключателей можно провести как с точки зрения поведения неиспользуемого порта, так и с точки зрения архитектуры.

Классификация с точки зрения поведения неиспользуемого порта

 Поведение неиспользуемого порта коммутатора описывают две основные архитектуры коммутаторов: поглощающие или отражающие.

• Поглощающие коммутаторы обеспечивают замыкание (чаще всего 50 Ом) на невыбранном плече, что обычно приводит к увеличению вносимых потерь. Поглощающий переключатель будет иметь хороший КСВН на каждом порту, независимо от режима переключения. Поглощающие переключатели оптимальны для приложений, где необходимо свести к минимуму отражение сигнала от источника радиочастотного излучения
• Отражающие переключатели оставляют неиспользуемый порт неподключенным. В отражающем переключателе полное сопротивление выключенного порта не будет составлять 50 Ом и будет иметь место очень высокий КСВН.

Отражающие переключатели также могут быть разделены на следующие категории: отражающие разомкнутые и отражающие с коротким замыканием.

В архитектурах с отражающим разомк­нутым портом отсутствует замыкание на «землю» в выключенном состоянии; в результате нагрузка на неиспользуемый порт будет сведена к минимуму.

Например, переключатели МШУ выполняются отражающими с разомкнутыми портами, чтобы не нарушать функциональность МШУ, когда переключатель находится в выключенном состоянии.

Классификация с точки зрения архитектуры

 В архитектурах с отражающим замкнутым портом используется шунтирующий путь на «землю».

Такой низкий импеданс нагрузки делает подключенную схему практически бесполезной.

• Идея состоит в том, чтобы использовать поглощающий переключатель, когда требуется хороший КСВН, видимый порт, который не подключен к общему порту, и использовать отражающий переключатель, когда высокая КСВН выключенного порта не имеет значения и коммутатор обладает какой-либо другой желаемой особенностью.

В большинстве случаев поглощающие переключатели могут применяться вместо отражающих, но не наоборот.

С точки зрения архитектуры можно выделить следующие типы твердотельных РЧ-пе­реключателей:

• с быстродействующими кремниевыми диодами;
• с использованием структур «кремний на изоляторе» (Silicon-on-insulator SOI);
• на p‑i‑n‑диодах;
• на полевых транзисторах (ПТ) на основе арсенида галлия (GaAs FET);
• на ПТ на основе нитрида галлия (GaN FET);
• гибридные (ПТ и p‑i‑n‑диоды).

Рассмотрим особенности РЧ-переклю­чателей, использующих каждую из упомянутых технологий.

РЧ-переключатели на p‑i‑n‑диодах

В твердотельных переключателях p‑i‑n‑диоды управляются током, а ПТ – напряжением. Оба типа переключателей могут быть реализованы в различных полупроводниковых процессах, таких как GaAs, AlGaAs, GaN и Si. Для переключателей на ПТ также часто используется технология SOI и «кремний на сапфире».

Переключатели, основанные на p‑i‑n‑диоодах, могут коммутировать большую мощность, а основанные на FET имеют большую скорость переключения.

Твердотельные РЧ-переключатели на p‑i‑n‑диодах имеют ограничения по нижнему пределу рабочей частоты, который составляет всего лишь килогерцы, а не постоянный ток, из-за присущих полупроводниковому диоду характеристик, связанных со сроком службы.

Использование p‑i‑n‑диодов сопряжено со сложным набором компромиссов. Их ключевые преимуществ  – умеренная РЧ-мощность в несколько ватт, время переключения в диапазоне от нано- до микросекунд, высокая изоляция и значения IP3, превышающие 45 дБм. Эти преимущества необходимо сопоставить с недостатками, связанными с потреблением энергии постоянного тока, которое может превышать 100 мВт на коммутатор, рабочей частотой, которая может не опускаться ниже 50 МГц, большей общей площадью схемы и повышенными вносимыми потерями, создаваемыми дополнительными пассивными компонентами смещения.

РЧ-переключатели на ПТ на основе GaAs

Основанные на GaAs ПТ-переключатели широко используются потому, что они легко перекрывают необходимый частотный диапазон. GaAs ПТ имеют время переключения порядка единиц нс при установлении сигнала в пределах 10–90%. Это достаточно для большинства систем, но задержка по затвору может достигать нескольких мс, что снижает полезность устройств на основе GaAs в прецизионной испытательной и измерительной аппаратуре, где требуется стабильность сигнала и полная установка его амплитуды.

Переключатели на GaAs имеют малую коммутируемую РЧ-мощность (порядка 0,5 Вт) и большие вносимые потери, особенно для переключателей с большим количеством положений.

Линейность является посредственной при значениях IP3 около 35 дБм и низком значении P1dB.

РЧ-переключатели на GaN ПТ

Производительность GaN-переключателей аналогична производительности переключателей на GaAs, но эти устройства могут коммутировать более высокую РЧ-мощность.

Для управления GaN-переключателями необходимо напряжение в диапазоне 40–60 В. Большинство GaN также ограничено по максимальной рабочей частоте 18 ГГц. Они также обладают коммутационными характеристиками, аналогичными характеристикам коммутаторов на GaAs, в том числе с задержками на затворе, и, как правило, стоят дороже.

РЧ-переключатели на быстродействующих кремниевых диодах

• Кремниевый переключающий диод выполняет основную функцию практически в любом электронном устройстве.
• Переключающие диоды используются в высокочастотных выпрямителях таких устройств, как радиоприемники. Кроме того, они применяются для переключения и защиты от обратной полярности в телекоммуникационной аппаратуре.
• РЧ-переключатели малой мощности (< 100 мВт) на быстродействующих кремниевых диодах могут обеспечить скорость переключения до 1 нс и сопротивление во включенном состоянии менее 0,5 Ом.
• Следует убедиться, что текущий через быстродействующие кремниевые диоды постоянный ток является достаточным для его полного открывания, поскольку слишком маленький прямой ток через p‑n‑переход может привести к большим потерям при переключении. Обычно для открывания кремниевого диода требуется ток в несколько мА, но не более 20 мА.
• Одиночный кремниевый переключательный диод может обеспечить изоляцию до 20 дБ, а два диода включенных встречно-последовательно – до 30 дБ.

В качестве примера на рис. 1 приведена схема коммутатора полосового фильтра на кремниевых переключательных диодах.

Рис. 1. Коммутатор полосового фильтра на кремниевых переключательных диодах

РЧ-переключатели на p‑i‑n‑диодах

P‑i‑n‑диод содержит слой полупроводникового материала с собственной проводимостью (нелегированного) между слоями с очень высокой степенью легирования P‑типа и N‑типа, называемыми P+ и N+. Это отличает его от обычного быстродействующего переключающего диода, такого как 1N914, который имеет простой p‑n‑переход.

На рис. 2 показано различие в структуре между быстродействующим переключательным диодом и p‑i‑n‑диодом.

Рис. 2. Различие между p-i-n диодом и обычным диодом

Диод с обычным p‑n‑переходом можно использовать в качестве переключателя РЧ-сигналов с состояниями «Вкл.» (ON) и «Выкл.» (OFF).

• Для полного прекращения тока через диод (состояние OFF), на него необходимо подать обратное смещение с напряжением, превышающим пиковое напряжение РЧ-сигнала.
• Например, чтобы блокировать РЧ-сигнал с пиковым значением напряжения 10 В, анод диода должен быть на 10 В постоянного тока более отрицательным, чем катод. Чтобы диод оставался во включенном состоянии (ON) в течение всего цикла РЧ-сигнала, постоянный ток смещения должен превосходить РЧ ток. Например, если через диод должен проходить пиковый РЧ-ток в 0,1 А, то он должен иметь прямое смещение не менее 0,1 А постоянного тока.

Поведение p‑i‑n‑диода существенно отличается. Из-за внутреннего слоя РЧ- сигналу требуется значительное время для прохождения между областями P+ и N+.

Характеристики этой задержки являются важными для переключения РЧ-сигналов.

• P‑i‑n-диод нормально разомкнут (OFF) для РЧ и для его включения (ON) требуется постоянное смещение.
• Если длительность периода РЧ сигнала короче, чем эта задержка, и у диода отсутствует прямое смещение, то ток через диод будет пренебрежимо мал и диод будет находится в закрытом (OFF) состоянии.
• При появлении тока прямого смещения, диод перейдет в открытое (ON) состояние и через него начнет течь некоторый РЧ-ток.
• В ограниченном диапазоне токов смещения диод по отношению к РЧ-сигналу ведет себя как управляемое сопротивление.
• При увеличении тока смещения сопротивление диода уменьшается. В сочетании с постоянным резистором p‑i‑n‑диод может использоваться для создания электрически управляемого РЧ-аттенюатора.
• Собственная емкость диода и его корпуса приводят к появлению РЧ-тока утечки в выключенном (OFF) состоянии. Ток утечки в выключенном состоянии (OFF) всегда будет ненулевым, таким образом, переключатель для обеспечения высокого уровня изоляции часто имеет два p‑i‑n‑диода.

Последовательный элемент (D1 на рис. 3) отключает переключатель от источника, а шунтирующий элемент (D2 на рис. 3) шунтирует большую часть проходящего сигнала.

Рис. 3. Переключатель прием/передача, использующий p-i-n диоды

Когда переключатель включен (ON), последовательный элемент D1 имеет прямое смещение, а шунтирующий элемент D2 смещения не имеет. И наоборот, когда переключатель выключен (OFF), последовательный элемент D1 смещения не имеет, а шунтирующий элемент имеет прямое смещение (ON), чтобы закоротить проходящий сигнал.

Кроме того, p‑i‑n‑диод является полупроводниковым прибором, который может работать в режиме переменного сопротивления для РЧ- и микроволновых сигналов.

• Значение сопротивления может меняться от менее чем 1 Ом (ON состояние) до более чем 10 кОм (OFF состояние), в зависимости от величины прямого тока смещения. В режиме управления током, сопротивление диода определяется только величиной постоянного тока прямого смещения.При включении/выключении (ON/OFF) управляющего тока p‑i‑n‑диод может использоваться в качестве переключателя.
• По сравнению с быстродействующим кремниевым диодом, важной особенностью p‑i‑n‑диода в переключателях является возможность управления большим РЧ сигналом при использовании меньшего уровня управляющего постоянного тока.
• Сопротивление p‑i‑n‑диода при прямом смещении обратно пропорционально общему току смещения (рис. 4), что делает p‑i‑n‑диод превосходным элементом для достижения высокого уровня изоляции на высоких частотах.

Рис. 4. Зависимость импеданса p-i-n диода от прямого тока через p-i-n переход

Характеристики p‑i‑n‑диода, такие как высокая частота переключения, маленькие значения паразитной емкости и индуктивности и небольшой физический размер по сравнению с длиной волны сигнала, делают его идеальным элементом для использования в создании широкополосных переключателей.

• Недостатком p‑i‑n‑диодов является то, что они не могут использоваться на низких частотах.

Одним из свойств p‑i‑n‑диодов является частота времени прохождения I‑области, определяемая как:

f_{transit [МГц]} = 1300/W²

где W – ширина I‑области в микронах.

Нормальная работа p‑i‑n‑диода возможна при частоте сигнала большей, чем f_transit.

• На частотах меньших, чем f_transit, p‑i‑n‑диод работает как обычный диод с p‑n‑переходом и выпрямляет РЧ-сигнал, что делает невозможным использование p‑i‑n‑диода на этих частотах. Частота f_transit обычно лежит в диапазоне от нескольких кГц до 1 МГц.
• В режиме обратного смещения, на низких частотах, емкостные характеристики p‑i‑n‑диода напоминают характеристики варакторного диода (варикапа). Изменения этой емкости влияют на возможность использования p‑i‑n‑диода в качестве переключателя на низких частотах, так же как и в режиме прямого смещения.

P‑i‑n‑диоды часто используются для создания переключателей, которые управляют трактами прохождения РЧ-сигналов.

Ослабление (изоляция) для нескольких включенных последовательно p‑i‑n‑диодов описывается сопротивлением p‑i‑n‑перехода, уменьшающееся при увеличении прямого тока.

В случае конфигурации шунта происходит обратное. Если управляющее смещение быстро переключается между высоким и низким (нулевым) значениями, то схема работает просто как переключатель.

Рис. 5. Последовательный РЧ-переключатель на p-i-n диоде

Рис. 6. Шунтирующий (параллельный) РЧ-переключатель на p-i-n диоде

На рис. 5 и 6 показаны схемы последовательного и параллельного РЧ-переключателя на p‑i‑n‑диоде.

• Изоляция для SPST (одно положение – одно направление) переключателя на p‑i‑n‑диодах составляет 50 дБ при 10 МГц и, примерно, 15 дБ при 1 ГГц.
• При изменении смещения через диод сопротивление нагрузки, видимое источником, также изменяется, следовательно, изоляция (затухание) достигается главным образом за счет отражения и частично за счет поглощения в p‑i‑n‑диоде.
• Ограничение по верхней рабочей частоте в конфигурации параллельного переключателя на p‑i‑n‑диоде определяется увеличением вносимых потерь за счет паразитной емкости диода, при которой начинается короткое замыкание нагрузки. Однако может быть использована симметричная согласующая схема, которая расширяет это частотное ограничение за счет включения емкости диода С в фильтр нижних частот (рис. 7).

Рис. 7. Компенсация паразитной емкости p-i-n диод введением внешних индуктивностей

Значение индуктивности L выбирают так, чтобы получился фильтр Чебышева с минимальной неравномерностью.

Верхняя частота определяется паразитной емкостью диода C, значением неравномерности, и сопротивлением нагрузки R.

• Более высокая верхняя частота или меньшая неравномерность могут быть получены путем уменьшения паразитной емкости диода C использованием обратного смещения.

В зависимости от требований производительности, переключатель может содержать диоды, включенные только последовательно (рис. 8, 9), только параллельно (рис. 10), или путем комбинации обоих схем включения (рис. 11).

Рис. 8. Переключатель SPDT на последовательных p-i-n диодах

Рис. 9. Переключатель SPDT на встречно-последовательных p-i-n диодах

Рис. 10. Переключатель SPDT на параллельных p-i-n диодах

Рис. 11. Переключатель SPDT на p-i-n диодах по последовательно-параллельной схеме

• Переключатели на последовательно включенных p‑i‑n‑диодах способны работать в широкой полосе частот, которая ограничена индуктивностями смещения и блокирующими по постоянному току конденсаторами. В режиме обратного смещения паразитная емкость p‑i‑n‑диодов приводит к плохой изоляции в микроволновом диапазоне, со спадом 6 дБ/октава относительно частоты.

В некоторых приложениях эти паразитные элементы могут быть «отключены» с помощью дополнительного внешнего реактивного сопротивления (параллельной катушки индуктивности), которая фактически создается путем формирования резонансного контура вокруг диода. Однако ширина полосы пропускания таких схем ограничена.

• Параллельные (шунтирующие) РЧ-пере­ключатели на p‑i‑n‑диодах обладают высоким уровнем изоляции, на зависящим от частоты. Чтобы замкнуть переключатель, на p‑i‑n‑диоды необходимо подать обратное смещение. В таком режиме диод представляет собой конденсатор. Для компенсации емкости диода разработчики, как правило, используют полосковую линию передачи для создания последовательной индуктивности с целью получения фильтра нижних частот, который позволяет переключателю работать на необходимой частоте.

Параллельные диодные РЧ-переключатели имеют ограничение на частотный диапазон, возникающее в результате использования линий передачи λ/4 между общей линией и каждым шунтирующим диодом.

На частоте fo, на которой полосковая линия передачи имеет длину λ/4, при которой диод D1 прямо смещен, диод D2 обратно смещен, РЧ-сигнал распространяется от порта 3 к порту 2, а порт 1 изолирован. Линия λ/4 будет трансформировать короткое замыкание на D1 в разомкнутую цепь в общей линии, устраняя любую реактивную нагрузку в этой точке. При изменении частоты от fo линия передачи будет изменять свою электрическую длину, создавая рассогласование в общей точке.

• Существует переключатели на p‑i‑n‑диодах (рис. 12, 13), в которых используется комбинация последовательного и параллельного включения диодов (составной переключатель), и переключатели, использующие резонансные структуры (подстраиваемые переключатели), позволяющие улучшить изоляцию и уменьшить вносимые потери.
  

  Рис. 12. Последовательно-параллельный SPST-переключатель

  

  Рис. 13. Переключатель SP3T

Эти переключатели более сложны в конструкции и потребляют больший ток смещения по сравнению с последовательными или параллельными переключателями и диодными переключателями на p‑i‑n‑диодах.

В конструкции РЧ-переключателя на p‑i‑n‑ диоде цепь смещения подключена к РЧ-тракту переключателя, а в РЧ-портах необходимы блокирующие конденсаторы для изоляции от постоянного тока.

Блокирующие конденсаторы снижают величину вносимых потерь переключателей на p‑i‑n‑диодах:

• на низких частотах благодаря эффекту ФВЧ-конденсатора;
• на высоких частотах благодаря наличию собственной резонансной частоты (SRF), и благодаря наличию потерь при прохождении сигнала через конденсатор.

Для предотвращения утечек РЧ-сигнала в цепях смешения диодов используются РЧ-индуктивности.

• РЧ-индуктивности должны иметь высокий импеданс на низкой частоте таким образом чтобы предотвратить утечку РЧ-сигнала через цепи смещения диодов, увеличивающую вносимые потери.

Хорошим правилом является выбор индуктивности катушки таким образом, чтобы ее реактивное сопротивление XL на рабочей частоте было как минимум в десять раз выше полного сопротивления порта. Если импеданс порта равен 50 Ом, то XL > 500 Ом. В то же время, чтобы не уменьшить частотный диапазон переключателя, катушка должна иметь высокую собственную резонансную частоту (SRF).

РЧ-переключатели на полевых транзисторах

Полевые транзисторы (FET) – это полупроводниковые приборы, в которых с помощью внешнего электрического поля происходит управление проводимостью канала из полупроводника.

• Сила тока между истоком и стоком управляется напряжением, приложенным между затвором и истоком (в ПТ с p‑n‑переходом) или подложкой (в ПТ с изолированным затвором).
• Переключатели на полевых транзисторах стабильны и воспроизводимы благодаря хорошему контролю сопротивления между стоком и истоком (RDS).
• Подача напряжения обратного смещения между затвором и истоком приводит к расширению объемного заряда в этой области, тем самым перекрывая канал между истоком и стоком, по которому проходит ток.
• В выключенном состоянии проводящий канал обеднен. Это приводит к тому, что полевой транзистор имеет очень высокое сопротивление (R_OFF) и обеспечивает хорошую изоляцию на низких частотах.
• Полевой транзистор, по сути, является резистором, управляемым напряжением на затворе (рис. 14). Вносимые потери определяются сопротивлением канала в открытом состоянии, а степень изоляции определяется емкостью затвор-исток (подложка).
  

  Рис. 14. Схема замещения идеального ПТ для открытого (ON) и закрытого (OFF) состояний

Чтобы увеличить степень изоляции (увеличить импеданс в закрытом состоянии), между истоком и стоком подключается короткий (индуктивный) участок линии передачи, который образует резонансный контур с емкостью затвор-исток в закрытом состоянии C_off.

Катушка индуктивности L представляет собой короткий отрезок линии передачи, подключаемый параллельно резонансной RC цепи для расширения высокоимпедансного состояния. Для получения высоко значения добротности (Q) необходимо малое значение R_on, R_s и C_off. Хорошей аппроксимацией будет соотношение:

Q² = (R_onR_s) – 1(ωC_off) – 2R_off/R_on

Масштабирование ширины затвора позволяет найти компромисс между изоляцией и вносимыми потерями.

Если ширина затвора удваивается, R_on и R_s уменьшаются вдвое, C_off удваивается, а Q остается неизменным. Типичные значения Q² на частотах 10 и 30 ГГц составляют около 1000 и 100 соответственно. При нормальной работе на сток не подается смещение. Отрицательное смещение на затворе (относительно истока) перекрывает канал. Нулевое или положительное смещение затвора включает канал.

• Изоляция для переключателей на ПТ уменьшается с ростом частоты вследствие роста паразитной емкости исток-сток (C_DS).

Например, GaAs ПТ имеет реактивное сопротивление X_C для C_DS на 10 ГГц примерно 320 Ом, которое может на 10 дБ уменьшать изоляцию исток-сток, что может привести к недостаточному значению изоляции.

Упрощенная схема SPDT переключателя (одно направление – два положения) на ПТ приведена на рис. 15.

Рис. 15. Упрощенная схема SPDT-переключателя на ПТ

Для переключения РЧ-сигнала от общего порта к порту 2, на Q1 и Q4 подается обратное смещение таким образом, что каналы исток-сток ПТ закрываются; в то время как на Q2 и Q3 подается прямое смещение таким образом, что сопротивление между истоком и стоком становится малым.

Q1 и Q2 работают как последовательные устройства для переключения РЧ-сигнала. С целью получения лучшей изоляции Q3 и Q4 используются для замыкания сигнала на общий провод, что уменьшает величину утечек РЧ-сигнала.

• Для повышения уровня изоляции и линейности в переключателях на ПТ может быть использовано несколько включенных последовательно транзисторов в каждом плече.

Максимальная рабочая мощность в выключенном состоянии может быть увеличена последовательной стыковкой транзисторов.

Если все сделано правильно, РЧ-напряжение распределится между затворами.

Таким образом, два состыкованных ПТ с напряжением отсечки 12 В могут коммутировать мощность, сравнимую с переключателем на p‑i‑n‑диоде с напряжением отсечки 24 В.

• В коммутаторах с каскадированными ПТ коммутируемая мощность в идеале пропорциональна квадрату количества полевых транзисторов в стеке. Структура с двойным стеком (два последовательных полевых транзистора) может коммутировать в 4 раза большую мощность, чем структура с одним ПТ. Чтобы напряжение между затворами ПТ распределялось поровну, необходима достаточная изоляция между соседними затворами. Одним из способов достижения этой цели является использование включенных последовательно с затворами резисторов (рис. 16).
  

  Рис. 16. Выравнивание напряжений на последовательно включенных ПТ путем включения последовательно с затвором постоянного резистора

• Если в рассмотренных выше переключателях на ПТ добавить параллельно переходу исток-сток каждого транзистора резистор сопротивлением несколько кОм, то можно уменьшить вносимые потери и повысить линейность переключателя.
• Недостатком объединения полевых транзисторов для увеличения коммутируемой мощности в выключенном состоянии является то, что при этом в несколько раз увеличивается последовательное сопротивление (вносимые потери) во включенном состоянии.

В схеме переключателя на ПТ контур смещения (V‑контроль) не подключен к радиочастотному тракту переключателя, как в случае с контактным переключателем.

Это упрощает схему смещения полевого транзистора по постоянному току, устраняя необходимость в дорогостоящих РЧ-дросселях и предотвращая вносимые потери, возникающие в результате подключения схемы смещения к радиочастотному тракту, как в случае переключателей на p‑i‑n‑диодах.

• Сопротивление открытого ПТ обычно больше, чем у p‑i‑n‑диода, это приводит к более низким значениям вносимых потерь для переключателей на ПТ по сравнению с переключателями на p‑i‑n‑диодах.
• Как устройства, управляемые напряжением, переключатели на ПТ потребляют гораздо меньший ток, чем переключатели на p‑i‑n‑диодах.

Гибридные РЧ-переключатели

Как p‑i‑n‑диоды, так и ПТ имеют свои преимущества и недостатки. Однако ни один из них не показывает одновременно высоких значений полосы пропускания и изоляции.

Чтобы обеспечить широкую полосу пропускания и высокую производительность были созданы гибридные переключатели, использующие технологию ПТ и p‑i‑n‑диодов.

• Гибридные РЧ-переключатели используют последовательно включенные ПТ, чтобы расширить частотный отклик вплоть до постоянного тока при высокой степени изоляции и шунтирующие p‑i‑n‑диоды в λ/4 линии для обеспечения хорошей изоляции на высоких частотах. Кроме того, использование последовательно включенных ПТ вместо p‑i‑n‑диодов обеспечивает лучшую повторяемость параметров переключателей, вследствие хорошей контролируемос­ти сопротивления R_DS канала ПТ в открытом (ON) состоянии.
• Гибридные РЧ-переключатели содержат шунтирующие p‑i‑n‑диоды и поэтому потребляют некоторый ток.
• РЧ-тракт и тракт смещения не должны перекрываться. Это может привести к утечке РЧ-сигнала через тракт смещения постоянным током, как в случае с диодным переключателем на p‑i‑n‑диодах.

Антенные переключатели приема/передачи

Имеется класс РЧ-переключателей, используемых в приемопередатчиках, предназначенных для переключения антенны между передатчиком, в режиме передачи (Tx), и приемником, в режиме приема (Rx).

Использование в качестве элементов таких переключателей p‑i‑n‑диодов позволяет достичь более высокой надежности, большей механической прочности и более высокой скорости переключения по сравнению с электромеханическими устройствами.

Базовая схема переключателя Tx/Rx содержит p‑i‑n‑диод, включенный последовательно с передатчиком, и шунтирующий диод, подключенный к антенному входу приемника через λ/4 линию (рис. 17), в качестве которой может также использоваться эквивалентная LC-цепь (рис. 18).

Рис. 17. Переключатель приема/передачи на полосковой линии λ/4

Рис. 18. Переключатель приема/передачи с использованием дискретных компонентов

При переключении в режим передачи на каждый диод подается прямое смещение. Последовательно включенный диод переходит в состояние с низким импедансом по отношениию к сигналу, идущему в антенну, а шунтирующий диод эффективно закорачивает антенный вход приемника, предотвращая его перегрузку.

Этот тип РЧ-переключателя является узкополосным (из-за использования λ/4‑эле­мента), и его степень изоляции в основном обеспечивается резонансом контура, а не переключательными свойствами.

В широкополосных переключателях Tx/Rx резонансные элементы не используются (рис. 19, 20).

Рис. 19. Широкополосный переключатель Tx/Rx с двойным (+/–) смещением

Рис. 20. Широкополосный переключатель Tx/Rx с двойным (+/–) смещением и высокой изоляцией

Заключение

В первой части статьи были рассмот­рены вопросы архитектуры твердотельных РЧ-переключателей и приведены принципиальные схемы основных архитектурных решений.

Во второй части речь пойдет об основных параметрах твердотельных РЧ-пере­ключателей, а также будут приведены примеры конкретных реализаций.