Билет №8. Вопрос №2.

В настоящее время как альтернатива традиционным переключателям на рin-диодах, транзисторах или электромеханическим широко используются монолитные переключатели на GаАs (МGS). Они имеют близкие характеристики, но помимо этого обладают и рядом преимуществ.

Такие переключатели выпускаются многими фирмами, например Хьюлетт-Паккард, но несмотря на это, они имеют множество общего. Изготавливаются переключатели обычно по технологии арсенид-галлиевых монолитных интегральных схем на основе структур полевых транзисторов Шоттки (ПТШ). Каждая ИМС имеет три высокочастотных входа/выхода (J) и два входа для подачи постоянных управляющих напряжений (Control). При этом, переключатели можно разделить на 2 класса - отражающего и поглощающего типа. Так, например, если выводы J ИМС являются отражающими в выключенном состоянии, это означает, что вывод, не подключенный к другим выводам, закорачивается на землю. Отражающие переключатели обеспечивают минимальные проходные потери.

В тех случаях, когда отключаемая цепь оказывается чувствительной к нагрузке, или когда требуется обеспечить большую развязку входов, больше подходят переключатели поглощающего типа. В этих переключателях неподключенный вход нагружается на 50 Ом. Поглощение высокочастотного сигнала на отключенном входе снижает уровень отраженного сигнала в системе, улучшает развязку входов и, таким образом, обеспечивает стабильную нагрузку по всем входам ВЧ.

Переключатели обычно работающие на частотах до 6 ГГц, имеют стандартный металлостеклянный корпус с 8 выводами для поверхностного монтажа.

Переключатели работающие до частоты порядка 3 ГГц поставляются в пластиковом корпусе, предназначенном для

Достоинства монолитных переключателей. По сравнению с рin-диодами, монолитные переключатели обладают рядом достоинств. Они потребляют малый ток по цепи управления (обычно не более 12 мкА) во включенном состоянии. Для сравнения, типовые рin-переключатели во включенном состоянии потребляют при аналогичных параметрах до 20 мА. Монолитные переключатели имеют достаточно низкое напряжение управления -3,3÷-8 В. Они обладают высоким быстродействием. Так длительность фронта, измеренного по уровням 0,1 и 0,9, составляет у монолитных переключателей 3

нс, в то время как у большинства рin-переключателей − 100 нс.

Поскольку по принципу работы монолитные переключатели не требуют установки разделительных конденсаторов, то они могут работать на постоянном токе. Верхняя граничная частота в основном определяется паразитами корпусов и составляет 6 ГГц для компонентов в металлостеклянных корпусах и 3 ГГц − в пластиковых. И хотя рin-переключатели обычно могут работать на более высоких частотах, они имеют ограничение по нижней частоте из-за обязательного присутствия разделительного конденсатора.

Достоинством монолитного переключателя является также слабое прохождение сигналов с управляющих входов на входы ВЧ. Типовое значение шумов на выходе без фильтров составляет -60 дБн (сигнал управления - меандр с частотой 10 МГц). Это позволяет обеспечить хорошую развязку сигналов управления и ВЧ.

Монолитные переключатели серии МGS обеспечивают малые нелинейные искажения. При двухтоновом измерении на частоте 1 ГГц с уровнем входного сигнала +5 дБм относительный уровень интермодуляционных искажений третьего порядка составляет не более -60 дБ. Уровень максимальной коммутируемой мощности составляет 27 дБм (0,5Вт), что говорит о широком динамическом диапазоне монолитного переключателя. В табл.1 приводятся сравнительные характеристики монолитных и рin переключателей.

Области применения. Малая стоимость и размеры, а также хорошие электрические характеристики монолитных переключателей обеспечивают им широкие области применения как на ВЧ, так и на СВЧ. Наличие в ассортименте продукции изделий как в металлостеклянных, так и в пластиковых корпусах обеспечивает применение их как для военных, так и для коммерческих целей.

Монолитные переключатели находят широкое применение в сотовых и радиотелефонных системах связи. Выгодно использовать в качестве антенных коммутаторов приемо-передающих трактов таких систем.

По тем же причинам, что и для сотовых систем связи, монолитные переключатели прекрасно подходят и для более современных систем связи с широким спектром на частотах 0,9; 2,4 и 5,7 ГГц. Эти переключатели находят применение в качестве элементов беспроводных удлинителей существующих проводных разговорных линий и линий систем передачи данных, таких, как охранные системы, локальные сети, бытовые системы управления, компьютерные сети − везде, где требуются переключатели СВЧ. В уличных системах связи таких, как пакетные радиосети, локальные сети связи между зданиями, радиометрические системы.

Монолитные переключатели серии МGS обеспечивают малые потери в полосе от постоянного тока до 3 ГГц, благодаря чему они оказываются особенно привлекательными для использования в приемо-передающих активных фазированных антенных решетках диапазонов L и S (от 1 до 4 ГГц). Следующим применением являются ВЧ- и СВЧ- приемники и пеленгаторы, где переключатели могут использоваться в трактах ВЧ обработки сигналов, обеспечивая фильтрацию, фазировку или затухание. На рис.5÷7 показаны некоторые простейшие примеры использования.

Рисунок 5 Рисунок 6 Рисунок 7

Принципы работы. Принцип работы, основанный на свойствах ключа на ПТШ, весьма прост. Несколько ПТШ, работающих в режиме обеднения, включаются таким образом, что подача определенных управляющих сигналов обеспечивает прохождение сигнала в одном из направлений. Отрицательное управляющее напряжение приводит к разрыву цепи, в которой включен ПТШ. При нормальной работе переключателя управляющие сигналы С1 и С2 всегда противофазны. При подаче напряжения -5 В на вход управления С1 и 0 В на С2 обеспечивается соединение между входами J1 и J2. При подаче напряжения 0 В на С1 и -5 В на С2 произойдет соединение J1 и J3 (см. рис.8, где изображены схемы отражающего и поглощающего переключателей). Другие два состояния (С1=С2= 0 или С1=С2= -5 В) обычно не используются.

Рисунок 8

Необходимо также отметить, что при использовании данных коммутаторов необходимо особое внимание уделять способу управления их работой, так как возможны различные варианты, которые будут влиять на характеристики коммутации. Так, например, возможно:

Прямое управление от источника -5 В. Простейшим способом управления переключателем при наличии в системе отрицательного напряжения, является прямое управление от источника -5 В. Схема управления должна быть комплементарной т.е. когда один из сигналов управления находится в состоянии -5 В, то другой должен быть в состоянии 0 В. При таком управлении не требуется специальная схема. Поскольку сигналы ВЧ поступают на входы переключателя непосредственно без разделительных конденсаторов, то такой переключатель может работать на постоянном токе. Скорость переключения будет зависеть только от быстродействия комплементарной логики. Поскольку схема управления отсутствует, то потребление будет минимальным. Такой способ включения является предпочтительным при наличии источника отрицательной полярности.

Схема управления при двуполярном источнике. Если отсутствует управляющий сигнал -5/0 В, то другим наиболее оптимальным вариантом является использование двуполярного питания ±5В для организации схемы управления монолитного переключателя на основе быстродействующего аналогового мультиплексора. К достоинствам такой схемы управления следует отнести возможность управления от постоянного тока, простота, малые потребление и стоимость. К недостаткам − необходимость в двуполярном источнике питания и снижение быстродействия (обычно 100÷150 нс, хотя возможно и более высокое быстродействие при увеличении уровня потребления тока).

Схемы управления при однополярном питании. Возможна и альтернативная схема управления, работающая от однополярного источника питания. При таком питании используются шунтирующие и разделительные конденсаторы, обеспечивающие "подвешивание" потенциалов ВЧ трактов над потенциалом земли. С помощью резисторов управляющий сигнал -5 В сдвигается на уровень 0 В, а 0 В − на уровень 5 В. При таком включении переключатель может управляться от однополярного источника 5 В. К недостаткам однополярной схемы питания следует отнести усложнение конструкции, невозможность работы на постоянном токе из-за наличия емкостей и, как правило, большая стоимость, чем при двуполярном питании. По этой причине такой способ управления является наименее рекомендуемым из рассмотренных нами.