PIN-Dioden-Schalter

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen PIN-Diodenschalter mit hoher Sperrdämpfung. Bei diesem PIN-Diodenschalter ist eine PIN-Diode parallel zum Verbraucherwiderstand Z_v zwischen zwei λ/4-Leitungen L1 und L2 geschaltet. Bei sperrendem PIN-Diodenschalter ist die Diode durch einen Steuergleichstrom leitend geschaltet. Am Ausgang A der Schaltungsanordnung liegt jedoch eine geringe Restspannung an, da der Widerstand der durchgeschalteten Diode nicht unendlich klein ist. Über Kompensationsschaltung K, die beispielsweise aus einem Widerstand R_K mit parallelgeschaltetem Kondensator C_K besteht, wird dieser Restspannung eine um 180° phasenverschobene Spannung der gleichen Größe überlagert Die erzielbaren Dämpfungen liegen in der Größenordnung von 60 dB (Fig. 2). Durch mehrere Kompensationswiderstände (R_KI, R_K2) kann der PIN-Diodenschalter breitbandiger ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, durch Einstellung des PIN-Dioden-Steuerstromes innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs die Dämpfung der Schaltungsanordnung optimal einzustellen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen PIN-Diodenschalter mit hoher Sperrdämpfung.

[0002] Im Bereich höherer Frequenzen werden für Schaltaufgaben häufig PIN-Dioden eingesetzt. BIN-Dioden besitzen einen für HF wirksamen Widerstand, dessen Größe von der Stärke eines eingeprägten Steuergleichstromes abhängt. Fließt durch die PIN-Diode kein Gleichstrom, dann besitzt sie lediglich eine geringe, sehr verlustarme Kapazität ohne parametrische Effekte. Die Kapazität ist von der angelegten HF-Spannung unabhängig.

[0003] Beim Anlegen einer Gleichspannung in Flußrichtung fließt ein Diodenstrom, der zur Folge hat, daß der HF-Diodenwiderstand auf sehr kleine Werte in der Größenordnung kleiner 1 Ohm absinkt.

[0004] Im allgemeinen stellt man an Schalter Forderungen nach möglichst kleinen Verlusten im durchgeschalteten Zustand und einer möglichst hohen Sperrdämpfung. Bei höheren Frequenzen liegen PIN-Dioden im allgemeinen parallel zum Verbraucher. Da der Durchlaßwiderstand der durchgeschalteten PIN-Diode in der Größenordnung zwischen 0,5 und 1 Ohm liegt, werden geforderte Werte für die Sperrdämpfung in der Praxis meist nicht mit einer einzelnen Diode erreicht, sondern es sind Netzwerke aus PIN-Dioden erforderlich. Als Grundschaltung sind Netzwerke mit drei PIN-Dioden, die als π-Glied geschaltet sind, bekannt. Besonders nachteilig ist es, daß der Schaltzustand der Diode im Längszweig immer ein anderer sein muß als der Schaltzustand der Dioden in den Querzweigen des π-Gliedes. Es sind-daher getrennte Gleichstromkreise mit entsprechenden Abblockkondensatoren erforderlich. Bei hohen Frequenzen ist eine breitbandige Kompensation dieser Elemente schwierig, so daß man nur sehr schmalbandig wirksame Schaltungen erhält.

[0005] Für Mikrowellen ist die Verwendung einer Diodenkette sinnvoll, bei der PIN-Dioden über sog. invertierende Glieder (Vierpole) - im Mikrowellenbereich sind dies vorzugsweise ^A/4-Leitungen - miteinander verkoppelt sind. Die "invertierenden" Glieder drehen die Phase der Spannung um 90° bei der Betriebsfrequenz. Hier liegen alle Dioden einseitig auf Masse und haben untereinander immer den gleichen Schaltzustand.

[0006] Wenn alle Dioden Strom führen, stellen sie für Hochfrequenz einen niederohmigen Widerstand dar, so daß der Schalter sperrt. Auf Grund der invertierenden Glieder zwischen den Dioden addieren sich die Dämpfungen der einzelnen Dioden. Bei drei PIN-Dioden ergibt sich eine rechnerische Sperrdämpfung von ca. 75 dB bei 25 dB pro Diode. Dieser Wert wird allerdings praktisch nie erreicht, weil parasitäre Reaktanzen und Verkopplungen über die Leitung, die nicht kompensierbar sind, zu einer Reduzierung der Sperrdämpfung führen. Weiter ist zu berücksichtigen, daß die elektrische wirksame Länge der Leitungen zwischen den Dioden frequenzabhängig ist. Dadurch erhält das Netzwerk Bandsperrencharakter, d.h. die Sperrdämpfung nimmt von einem maximalen Wert bei der Mittelfrequenz ausgehend, nach beiden Richtungen ab.

[0007] Als weitere Nachteile von PIN-Diodennetzwerken sind noch zu nennen:

Beim Schaltungsaufwand.fällt besonders die Zahl der erforderlichen'PIN-Dioden ins Gewicht. Zur Durchschaltung mehrerer PIN-Dioden ist eine höhere Gleichstromleistung erforderlich. Die HF-Verluste im offenen Zustand des Schalters steigen an.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, einen PIN-Diodenschalter anzugeben, der bei geringem Schaltungsaufwand eine hohe Sperrdämpfung und eine geringe Durchlaßdämpfung aufweist.

[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen einem Eingang und einem Ausgang eine Anordnung mit zwei in Serie geschalteten invertierenden Vierpolen vorgesehen ist, daß eine PIN-Diode als Querzweig zwischen den Einzelleitern der Leitungen im Verbindungspunkt dieser Vierpole angeschaltet ist und daß zwischen Eingang und Ausgang ein Kompensationsnetzwerk parallelgeschaltet ist.

[0010] Die Schaltung wird besonders einfach, wenn als invertierende Vierpole λ/4-Leitungen vorgesehen sind.

[0011] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine höhere Sperrdämpfung durch Kompensation möglich ist. Die Schaltungsanordnung ist besonders einfach und platzsparend. Die PIN-Diode D ist zwischen zwei Ä/4-Leitungen eingeschaltet. Parallel zu den λ/4-Leitungen ist ein Entkopplungsnetzwerk K geschaltet. Mit dieser Anordnung wird eine höhere Sperrdämpfung als 25 dB erreicht. Die HF-Verluste sind gegenüber Diodennetzwerken im allgemeinen geringer. Bei Schichtschaltungen sinkt der Flächenbedarf und eine Kompensation von unerwünschten Diodenreaktanzen ist zum Teil möglich.

[0012] Vorteilhaft ist es, daß die il/4-Leitungen und das Kompensationsnetzwerk eine gemeinsame Masseleitung haben. Durch diese Maßnahmen wird der Diodenschalter D und das Kompensationsnetzwerk K besonders einfach. Eine parallel zum Verbraucher geschaltete und einseitig auf Masse liegende PIN-Diode stellt oberhalb von ca. 1 GHz die wirksamste Lösung dar. Auch das Kompensationsnetzwerk K wird besonders einfach.

[0013] Besonders vorteilhaft ist es, daß das Kompensationsnetzwerk aus einer Parallelschaltung eines Kompensationswiderstandes und eines Kompensationskondensators im Längszweig besteht. Durch diese einfache Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität ist die .PIN-Diode D breitbandig kompensierbar. Es ist zweckmäßig, wenn der PIN-Diodenschalter in Schichttechnik ausgeführt ist und die λ/4-Leitungen als gedruckte Leiterbahnen ausgeführt sind. Diese Schaltung zeichnet sich durch besonders geringen Flächenbedarf aus. Die gesamte Rückseite der gedruckten Schaltung dient als Masse.

[0014] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kompensationskapazität durch eine besondere Ausgestaltung der Zuleitungen der λ/4-Leitungen gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Kompensationskapazität C_K durch eine spezielle Leitungsführung erzeugt.

[0015] Die weiteren Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0016] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Figuren 1 bis 5 beschrieben.

[0017] Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines PIN-Diodenschalters,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der PIN-Diode,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des PIN-Diodenschalters,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zur breitbandigen Kompensation und

Fig. 5 ein Dämpfungsdiagramm zur breitbandigen Kompensation.

[0018] Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines PIN-Diodenschalters. Ein Generator G mit dem Innenwiderstand Z_I ist über einen Entkopplungskondensator C_E1 an eine Leitung L angeschlossen. Über einen zweiten Entkopplungskondensator C_E2 ist der Abschlußwiderstand Z_V am anderen Ende der Leitung L angeschlossen. Die PIN-Diod e D ist zwischen der Leitung L und Masse parallel zum Verbraucher Z_V bzw. parallel zum Generator G geschaltet Das Ersatzschaltbild der PIN-Diode besteht aus einer Parallelkapazität C_P ≃ 0,3 pF, die parallel zu den Anschlußklemmen der PIN-Dioden liegt. Zu dieser Kapazität ist eine Reihenschaltung einer Längsinduktivität L_D≃ 0,4 nH in Serie mit einer Parallelschaltung eines Durchlaßwiderstandes R_D ≃1 Ohm in Serie mit einem die ideale Diode symbolisierenden Schalter S und einer zur Serienschaltung RD, S parallelgeschalteten weiteren Serienschaltung eines Widerstandes R_B≃ 5 Ohm mit einer Kapazität C_S≃ 0,5 pF angeordnet.

[0019] Eine erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Generator G mit dem Innenwiderstand Z_I ist über den ersten Entkopplungskondensator C_E1 an den Eingang E einer λ/4-langen Leitung L1 mit dem praktisch reellen Wellenwiderstand Z_L angeschlossen. Die Leitung L1 wurde als Vierpol dargestellt, deren zweiter Eingang mit dem zweiten Anschluß des Generators G verbunden ist. Zwischen die beiden Ausgänge der Leitung L1 - dies sind die Einzelleiter L11 und L12 - ist die PIN-Diode D als Querglied angeschaltet, der eine zweite λ/4-Leitung L2 nachgeschaltet ist, an deren Ausgang A ein Verbraucher Z_v über einen zweiten Entkopplungskondensator C_E2 angeschaltet ist. Parallel zu dieser Anordnung ist ein weiterer Vierpol K geschaltet, der die Kompensationsschaltung - einen zwischen Eingang E und Ausgang A der Anordnung geschalteten Kompensationswiderstand R_K enthält, dem eine Kompensationskapazität C_K parallelgeschaltet sein kann.

[0020] Die Leitungen L1 und L2 haben den Wellenwiderstand Z_L, der im allgemeinen gleich oder ähnlich dem Generatorwiderstand Z_I und dem Verbraucherwiderstand _Zv ist.

[0021] Wenn in Fig. 1 die parallel zum Verbraucher geschaltete PIN-Diode D aufgrund ihres restlichen Durchlaßwiderstandes R_D von ca. 1 Ohm und der durch ihre mechanischen Abmessungen bestimmten Längsinduktivität L_D keinen idealen Kurzschluß darstellt, bleibt am Ankoppelpunkt der Diode eine Restspannung erhalten.

[0022] Vom Verbraucher aus gesehen, bewirkt diese Restspannung, daß die PIN-Diode als Quelle erscheint, die eine sich in Richtung zum Verbraucher ausbreitende Welle erzeugt. Damit ist aber die Entkopplung begrenzt.

[0023] Eine Kompensation der Restspannungsquelle - der PIN-Diode - muß möglich sein, wenn man eine genügend breitbandige Kompensationsschaltung findet, die gleichzeitig bei offener, also hochohmiger Diode den Energiefluß zum Verbraucher möglichst wenig stört. Diese Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt und soll näher erläutert werden. Bei sperrendem PIN-Diodenschalter ist die Diode D leitend. Hierbei ist der Durchlaßwiderstand R_D kleiner 1 Ohm; die Impedanz der Längsinduktivität L_D liegt bei einer Arbeitsfrequenz von ca. 1 GHz in der gleichen Größenordnung. Die zu R_D parallelliegende Reihenschaltung des Widerstandes R_B und des Kondensators C_S wird bei diesen Betrachtungen vernachlässigt. Die am Eingang E der Leitung L1 liegende Spannung U₁ entspricht betragmäßig praktisch der Leerlaufspannung des Generators G, weil die Diodenimpedanz X_D = R_D+jωL_D über die λ/4-Leitung L1 in den hochohmigen Widerstand

transformiert wird, der die Quelle nur schwach be- lastet..An der Diode steht jetzt eine Spannung U_D = -j

. Für die Spannung U₂ am Verbraucher- widerstand Z_V gilt ohne die Kompensationsschaltung K U₂ = -jU_D; beide Spannungen U_D und U₂ haben die gleiche reelle Amplitude aber 90° Phasenverschiebung. Wenn zusätzlich die im Kompens₂tionszweig liegende Kompensa- sationsimpedanz X_K =

, die sich aus der Parallel- schaltung von R_K und C_K errechnet

angeschaltet wird, überlagern sich am Verbraucher die Spannung U_D und die über das Kompensationsnetzwerk K gelangende Spannung U_KO. Diese ist wegen der Phasenverdrehung der Λ/4-Leitungen L1, L2 um 180° gegenüber der Spannung des Hauptweges in der Phase gedreht. Die resultierende Spannung U₂ am Verbraucherwiderstand Z_V wird 0, wenn die Bedingung

erfüllt ist.

[0024] Bei leitendem PIN-Diodenschalter ist die PIN-Diode gespert, also hochohmig. Das entspricht dem geöffneten Schalter S in Fig.1. Der im Nebenweg liegende Widerstand R_K in Fig. 2 beeinflußt jetzt die Durchlaßdämpfung, da ein kleiner Anteil der Generatorleistung in ihm verbraucht wird. Da die Spannungen U₁ und U₂ gegeneinander um 180° phasenverschoeben sind, liegt an den Klemmen der Kompensationsimpedanz X_K die Spannung U_K = 2·U₁ an. Die durch R_K bei Vernachlässigung von L_K verursachte Zusatzdämpfung beträgt mit



mit Z = Z_I = Z_V. Bei einem Abschlußwiderstand Z_V= 50 Ohm ergibt sich eine Durchlaßdämpfung a = ca. 0,3 dB.

[0025] Ist die Längsinduktivität L_D der PIN-Diode zu berücksichtigen, so kann sie durch den Kompensationskondensator C_K weitgehend kompensiert werden.

[0026] Die Fig. 3 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen PIN-Diodenschalters in Schichttechnik. Die PIN-Diode D ist hier in der Bauform."Chip auf Niete" eingesetzt. L1 und L2 stellen die λ/4-Leit ungen dar. Zur Kompensation der Diodenreaktanzen dienen der Kompensationswiderstand R_K und der Kompensationskondensator C_K. Der Kompensationskondensator C_K kann durch eine spezielle Leitungsführung nachgebildet werden, bei der die Leitungen L1 und L2 symmetrisch ausgebildet sind und sich. beim Übergang in die Zuleitungen Z1 und Z2 einander annähern. Der Eingang der Schaltung wurde entsprechend Fig. 2 mit E und derAusgang mit A bezeichnet. Als Masse dient die Kupferkaschierung auf der Rückseite der Schichtschaltung. Mit einer solchen Anordnung ist eine Sperrdämpfung größer 60 dB erzielbar.

[0027] Eine Variante zur Erhöhung der Bandbreite ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Anordnung wurde der Kompensationswiderstand R_K durch zwei Kompensationswiderstände R_K1 und R_K2 ersetzt. Die Kompensationswiderstände R_K1 und R_K2 sind hierbei in einem Abstand ΔL1 kleiner λ/4 angeordnet. Der Abstand ΔL2 des zweiten Kompensationswiderstandes R_K2 zur Diode D ist ebenfalls kleiner als λ/4. Es ergibt sich der in Kurve 3 der Fig. 5 dargestellte Verlauf der Sperrdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz f. Durch Variation der Leitungslängen ΔL1 und ΔL₂ können unterschiedlich breite Dänpfungskurven erzielt werden. Zum Vergleich wurde der Dämpfungsverlauf der SchaltungsaDrdnung in Fig. 2 als Kurve 1 eingezeichnet. Die Kurve 2 zeigt den Dämpfungsverlauf der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 bei einem Abschluß mit einem Verbraucherwiderstand Z_v = 50 Ohm und der Wellenwiderstand Z_L = 70 Ohm.der Leitungen L1 und L2, die Kurve 4 zeigt zum Vergleich eine unkompensierte Diode.

[0028] Abschließend soll noch auf die Möglichkeit aufmerksam gemacht werden, durch Variation des PIN-Dioden-Steuerstromes das Dämpfungsmaximum zu verschieben. Dies ist dadurch möglich, daß der HF-Widerstand der PIN-Diode vom Steuerstrom abhängig ist. Auf diese Weise ist es ähnlich wie bei der Änderung der Leitungslänge ΔL₂ möglich in einem bestimmten Frequenzbereich durch Einstellen des PIN-Dioden-Steuerstromes optimale Dämpfungswerte zu erreichen.

Ansprüche

1. PIN-Diodenschalter mit hoher Sperrdämpfung, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen einem Eingang (E) und einem Ausgang (A) eine Anordnung mit zwei in Serie geschalteten invertierenden Vierpolen (L1, L2) vorgesehen ist, daß eine PIN-Diode (D) als Querzweig zwischen den Einzelleitern (L11, L12) der Leitungen im Verbindungspunkt dieser yierpole- . (L1 , L2) angeschaltet ist und daß zwischen Eingang (E) und Ausgang (A) ein Kompensationsnetzwerk (K) parallelgeschaltet ist.

2. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als invertierende Vierpole λ/4-Leitungen (L1, L2) vorgesehen sind.

3. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die λ/4-Leitungen (L1, L2) und das Kompensationsnetzwerk (K) eine gemeinsame Masseleitung (L12) haben.

4. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Kompensationsnetzwerk aus einer Parallelschaltung eines Kompensationswiderstandes (R_K) und eines Kompensationskondensators (C_K) im Längszweig besteht.

5. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der PIN-Diodenschalter in Schichttechnik ausgeführt ist und die λ/4-Leitungen (L1, L2) als gedruckte Leiterbahnen ausgeführt sind.

6. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationskapazität (C_K) durch eine besondere Ausgestaltung der Zuleitungen (Z1, Z2) der λ/4-Leitungen (L1, L2) gebildet wird.

7. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kompensationskapazität (C_K) durch Annäherung der Zuleitungen (Z1, Z2) gegeneinander und der λ/4-Leitungen (L1, L2) gegeneinander im Verbindungsbereich zwischen Zuleitungen (Z1, Z2) und λ/4-Leitungen (L1, L2) gebildet wird.

8. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erhöhung der Bandbreite zwei Kompensationswiderstände (R_K1, R_K2) im Abstand ΔL1 kleiner λ/4 voneinander angeordnet sind und der Abstand (ΔL2) zwischen der PIN-Diode (D) und dem nächsten Kompensationswiderstand kleiner als λ/4 ist (Fig. 4) 9. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Vergrößerung der Bandbreite eine Fehlanpassung des Verbraucherwiderstandes (Z_v) zu dem Wellenwiderstand (Z_L) der λ/4-Leitungen (L1, L2) erfolgt.

10. PIN-Diodenschalter nach-einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung zur Änderung des PIN-Diodensteuerstromes vorgesehen ist, die das Dämpfungsmaximum frequenzmäßig ändert.

11. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß anstelle einer einzigen PIN-Diode mindestens zwei Dioden, insbesondere drei Dioden, im Abstand von λ/4 zueinander angeordnet sind und daß ein Kompensationsnetzwerk (K) parallel zu dieser Anordnung zwischen dem Eingang (E) und dem Ausgang (A) geschaltet ist.

12. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere PIN-Diodenschalter in Serie geschaltet werden.

13. PIN-Diodenscbalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung in Schichtschaltung ausgeführt ist.

Zeichnung