Die Erfindung betrifft einen PIN-Dioden-Schalter mit hoher Sperrdämpfung, der zwischen einem Eingang für das zu schaltende Signal und einem Ausgang eine Anordnung zweier in Serie geschalteter Vierpole, die eine Phasendrehung des zu schaltenden Signals von 90° bei der Betriebsfrequenz vornehmen, aufweist, bei der als Querzweig zwischen der Verbindung der beiden Vierpole und einer gemeinsamen Masseleitung eine PIN-Diode eingeschaltet ist.

Im Bereich höherer Frequenzen werden für Schaltaufgaben häufig PIN-Dioden eingesetzt. PIN-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.

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 als 1 Ohm absinkt.

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 oder T-Glied (elektronikpraxis, Nr. 12, Dezember 1972, S. 14 bis 22) geschaltet sind, bekannt. Besonders nachteilig ist es, daß der Schaltzustand der Dioden im Längszweig immer ein anderer sein muß als der Schaltzustand der Dioden in den Querzweigen des π- oder T-Gliedes. Es sind daher zur Ansteuerung 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.

Ein PIN-Diodenschalter mit hoher Dämpfung ist aus JP-A-5212963 bekannt. Der PIN-Dioden- Schalter besteht im wesentlich aus zwei in Serie geschalteten \/4-Leitungen und einer PIN-Diode, die vom Verbindungspunkt der X/4-Leitungen nach Masse geschaltet ist.

Für Mikrowellenschalter werden auch Diodenketten verwendet, bei denen mehrere PIN-Dioden über sog. invertierende Glieder (Vierpole) - im Mikrowellenbereich sind diese vorzugsweise X/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 (a.a.O. elektronikpraxis, US-A-3 859 609).

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 zu einer Reduzierung der Sperrdämpfung führen. Weiter ist zu berücksichtigen, daß die elektrisch 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.

Als weitere Nachteile von herkömmlichen PIN-Dioden-Netzwerken 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen PIN-Dioden-Schalter anzugeben, der bei geringem Schaltungsaufwand eine hohe Sperrdämpfung und eine geringe Durchlaßdämpfung aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Eingang und dem Ausgang ein Kompensationsnetzwerk zur Kompensation der bei leitender PIN-Diode vom Eingang an den Ausgang gelangenden Restspannung eingeschaltet ist.

Die Schaltung wird besonders einfach, wenn die beiden Vierpole λ/4-Leitungen sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine höhere Sperrdämpfung durch Kompensation möglich ist. Die Schaltungsanordnung ist besonders einfach und platzsparend. Die PIN-Diode ist zwischen zwei X/4-Leitungen eingeschaltet. Parallel zu den A/4-Leitungen ist ein Kompensationsnetzwerk geschaltet. Mit dieser Anordnung wird eine weitaus 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 großen Teil möglich.

Vorteilhaft ist es, daß die )_£/4-Leitungen und das Kompensationsnetzwerk eine gemeinsame Masseleitung haben. Durch diese Maßnahmen wird der Diodenschalter und das Kompensationsnetzwerk 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 wird besonders einfach.

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 breitbandig kompensierbar.

Es ist zweckmäßig, wenn der PIN-Diodenschalter in Schichttechnik ausgeführt ist und die X/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.

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

Die weiteren Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

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

Es zeigen :

• Figur 1 das Prinzipschaltbild eines PIN-Dioden-Schalters,
• Figur 2 eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der PIN-Diode,
• Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des PIN-Dioden-Schalters,
• Figur 4 ein Ausführungsbeispiel zur breitbandigen Kompensation und
• Figur 5 ein Dämpfungsdiagramm zur breitbandigen Kompensation.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines PIN-Dioden-Schalters. Ein Generator G mit dem Innenwiderstand Z, ist über einen Entkopplungskondensator C_E1 an eine Leitung L angeschlossen. Der Generator G symbolisiert hier die Quelle eines zu schaltenden Signals.

Über einen zweiten Entkopplungskondensator CE2 ist der Abschlußwiderstand Z_v am anderen Ende der Leitung L angeschlossen. Die PIN-Diode 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 CP ≈ 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 R_D, S parallelgeschalteten weiteren Serienschaltung eines Widerstandes R_B ≈ 5 Ohm mit einer Kapazität C_s ≈ 0,5 pF angeordnet.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Generator G mit dem Innenwiderstand Z, 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.

Die Leitungen L1 und L2 haben den Wellenwiderstand Z_L, der im allgemeinen gleich oder ähnlich dem Generatorwiderstand Z_l und dem Verbraucherwiderstand Zv ist.

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. 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.

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-Dioden-Schalter ist die Diode D leitend. Hierbei ist der Durchlaßwiderstand R_D kleiner als 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 = RD + jwLD über die λ/4-Leitung L1 in den hochohmigen Widerstand ZL²/X_D transformiert wird, der die Quelle nur schwach belastet. An der Diode steht jetzt eine Spannung

Für die Spannung U₂ am Verbraucherwiderstand 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 Kompensationszweig liegende Kompensationsimpedanz X_K = Z_L²/X_D,. die sich aus der Parallelschaltung von R_K und C_K zuerrechnet, 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° gegen über der Spannung des Hauptweges in der Phase gedreht. Die resultierende Spannung U₂ am Verbraucherwiderstand Z_v wird 0, wenn die Bedingungerfüllt ist.

Bei leitendem PIN-Dioden-Schalter ist die PIN-Diode gesperrt, 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 U, an. Die durch R_K bei Vernachlässigung von L_K verursachte Zusatzdämpfung beträgt mitmit Z = Z, = Z_v. Bei einem Abschlußwiderstand Z_v = 50 Ohm ergibt sich eine Durchlaßdämpfung a = ca. 0,3 dB.

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

Die Fig. 3 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen PIN-Dioden-Schalters in Schichttechnik. Die PIN-Diode D ist hier in der Bauform. « Chip auf Niete eingesetzt. L1 und L2 stellen die λ/4-Leitungen 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 der Ausgang mit A bezeichnet. Als Masse dient die Kupferkaschierung auf der Rückseite der Schichtschaltung. Mit einer solchen Anordnung ist eine Sperrdämpfung größer als 60 dB erzielbar.

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 als 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 Dämpfungskurven erzielt werden. Zum Vergleich wurde der Dämpfungsverlauf der Schaltungsanordnung nach 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 einem Wellenwiderstand Z_L = 70 Ohm der Leitungen L1 und L2, die Kurve 4 zeigt zum Vergleich eine unkompensierte Diode.

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 AL₂ möglich in einem bestimmten Frequenzbereich durch Einstellen des PIN-Dioden-Steuerstromes optimale Dämpfungswerte zu erreichen.