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Die Erfindung betrifft eine Umschaltanordnung zum wahlweisen Durchschalten eines von mehreren Signalpfaden mit unterschiedlichen Frequenzbereichen auf einen gemeinsamen Ausgang.
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Bei modernen Signalgeneratoren, die in einem extrem breiten Frequenzbereich ein Hochfrequenz-Ausgangssignal mit möglichst hohem Pegel erzeugen sollen, kann dies meist nur durch Zusammenschalten der Ausgangssignale von mehreren gesonderten Signalpfaden erreicht werden, in denen jeweils die Signale unterschiedlicher aneinander anschließender Frequenzbereiche erzeugt werden.
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In der
GB 2 325 590 sowie der
US 5,117,207 sind allgemein bekannte Umschaltanordnungen beschrieben. Aus der
US 4,789,846 ist ein Mikrowellenhalbleiter bekannt, welcher einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor sowie erste, zweite und dritte Eingangs/Ausgangs Mikrostreifenleitungen auf einem Halbleitersubstrat ausbildet. Der erste Feldeffekttransistor ist in Serie zur zweiten Mikrostreifenleitung und einem Anschlusspunkt der Streifenleitungen. Der zweite Feldeffekttransistor ist im λ/4 Abstand vom Anschlusspunkt der Mikrostreifenleiter mit einem Bezugspotential verbunden. Die Drain- und Source Anschlüsse der Feldeffekttransitoren sind auf jeweils das gleiche Potential geschaltet. Die Übertragungspfade werden durch Vorspannungen an den Gate-Anschlüssen umgeschaltet.
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Aus der
US 5,053,733 ist ein Verfahren sowie eine Anordnung für das Zusammenfassen, englisch: Multiplexing, von Breitbandhochfrequenzsignalen unterschiedlicher Signalquellen mittels Mikrowellen-Koppler bekannt. Durch Verwenden von auf die Frequenz der Signale angepassten Kopplern wird die Dämpfung eines Signals einer zweiten Quelle verringert, während das Signal der ersten Quelle nur minimal verstärkt wird.
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Aus der
US 5,103,195 sind hybride Übertragungsschalter, englisch: hybrid transfer switch, bekannt. Als Schalter werden zwei Galliumarsenid-Feldeffekttransistor-Wechselschalter in monolithischer Mikrowellentechnik, englisch: Galiumarsenid monolithic microwave integrated circuit field effect transistor single pole double throw, kurz GaAs MMIC FET SPDT verwendet, die über eine Übertragungsleitung gekoppelt sind. PIN-Dioden spannen die Übertragungsleitungen mit einer Vorspannung vor.
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Ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Umschaltens zeigt 1. Ein Signal mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 44 GHz kann zum Beispiel durch drei Hochfrequenzquellen (HF-Quellen) 1 bis 3 erzeugt werden, deren Ausgangssignale über einen Umschalter 4 dem gemeinsamen Ausgang 5 wahlweise zuschaltbar sind. Die HF-Quelle 1 erzeugt Signale im Frequenzbereich I von 100 kHz bis 1 GHz, die HF-Quelle 2 liefert Signale im Frequenzbereich II von 1 GHz bis 22 GHz und die HF-Quelle 3 stellt Signale im Frequenzbereich III von 22 bis 44 GHz bereit. Diese so in unterschiedlichen HF-Quellen 1 bis 3 erzeugten Signale der drei unterschiedlichen Frequenzbereiche I, II und III können durch den Umschalter 4 wahlweise zum Ausgang 5 durchgeschaltet werden.
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Dieser Umschalter 4 soll dabei einerseits zum Schalten von relativ hohen Signalpegeln geeignet sein, andererseits jedoch möglichst wenig Oberwellen erzeugen. Die am Markt hierfür verfügbaren Halbleiterschalter erfüllen diese Eigenschaft nicht im gesamten Frequenzbereich gleich gut. So sind beispielsweise die am Markt verfügbaren Feldeffekttransistor-Schalter (FET-Schalter) nur bis etwa 8 GHz zum Schalten einer hohen Leistung von beispielsweise 20 dBm oder mehr geeignet. Für höhere Frequenzen bis beispielsweise 50 GHz können verfügbare FET-Schalter nur eine geringe Leistung verzerrungsarm schalten. PIN-Diodenschalter, die auch für 50 GHz geeignet sind, können prinzipiell für tiefe Frequenzen im kHz-Bereich auch mit hohen Vorströmen nicht eingesetzt werden, ohne dass man einen hohen Grad an Verzerrungen hinnehmen muß. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für die Frequenzaufbereitungsschaltung eines Signalgenerators der eingangs erwähnten Art eine Umschaltanordnung zu schaffen, die für die unterschiedlichen Frequenzbereiche jeweils eine optimale Schalttechnologie besitzt.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Umschaltanordnung laut Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Mit einer erfindungsgemäßen Umschaltanordnung können die Ausgangssignale von drei unterschiedlichen HF-Quellen 1 bis 3, die jeweils unterschiedliche Frequenzbereiche überstreichen, auch mit hohen Signalpegeln auf einen gemeinsamen Ausgang durchgeschaltet werden, ohne dass dabei signifikante Verzerrungen durch Oberwellen zu befürchten sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Umschaltanordnung;
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2 die vergrößerte Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Umschaltanordnung;
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3 ein Detail für die Art der Montage eines der hierbei verwendeten PIN-Chip-Dioden und zwar im vergrößerten Querschnitt;
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4, 5, 6 und 7 jeweils die mit einer Umschaltanordnung gemäß
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2 möglichen verschiedenen Schaltpositionen. Die wirksame Schaltung ist dabei jeweils schwarz ausgezogen;
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8 und 9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele mit Diodenpaaren.
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Die in 2 dargestellte Umschaltanordnung ist auf der Ober- und Unterseite eines Keramiksubstrats von im Beispiel 0,254 mm Dicke aufgebaut, welches in einem Gehäuse untergebracht ist. 2 zeigt dabei in Draufsicht die Oberseite mit verschiedenen jeweils durchgezogen gezeichneten Mikrostreifenleitungen. Ferner ist eine Schlitzleitung 50 mit Punktschraffur dargestellt, die sich in der Massefläche 51 auf der Substratunterseite befindet. Die auf der Unterseite des Substrats angebrachten Schaltungsteile sind mit Bezugsziffern ab 50 gekennzeichnet.
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Auf der Oberseite des Substrats ist ein FET-Schalter 10 und ein PIN-Diodenschalter 11 angebracht. Die Zufuhr der Ausgangssignale der HF-Quellen 1 bis 3 erfolgt über seitlich am Substrat angebrachte Koaxialbuchsen 1, 2 und 3. Das aus HF-Quelle 1 zugeführte Signal des Frequenzbereiches I wird über die Koaxialbuchse 1 und eine Mikrostreifenleitung 12 mit zwischengeschaltetem Trennkondensator C dem Eingang a des FET-Schalters 10 zugeführt. Die zweite HF-Quelle 2 mit dem Frequenzbereich II ist über die Koaxialbuchse 2 und eine Mikrostreifenleitung 13 mit zwischengeschaltetem Trennkondensator C mit dem Eingang a des PIN-Diodenschalters 11 verbunden. Über positive bzw. negative Steuer Spannungen an den Steuerleitungen 14, 15 kann entweder der Eingang a oder der Eingang b des FET-Schalters auf seinen Ausgang c geschaltet werden. Ebenso kann der Eingang a des PIN-Diodenschalters 11 auf seinen Ausgang b oder seinen Ausgang c geschaltet werden, indem positive bzw. negative Spannungen an die Steuerleitungen 16, 17 gelegt werden.
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In dem gemeinsamen Vorstrom-Rückweg 18 der Dioden des Diodenschalters 11 gegen Masse ist ein Widerstand 19 von 511 Ohm angeordnet. Der Ausgang c des PIN-Diodenschalters 11 ist mit einer in Mikrostreifenleitungstechnik ausgebildeten Struktur verbunden, die aus der Leitung 20 und der leerlaufenden Leitung 21 besteht und rechtwinklig die auf der Rückseite ausgebildete Schlitzleitung 50 koppelnd kreuzt. Der Ausgang b des Diodenschalters 11 ist über ein mit einem Trennkondensator C versehenes Mikrostreifenleitungsstück 22 mit dem Eingang b des FET-Schalters 10 verbunden. Der Ausgang c des FET-Schalters 10 steht mit der Leitung 23 in Verbindung, die über ein Goldbändchen 24, welches auch die Anode einer PIN-Diode 25 (Chip-Ausführung) kontaktiert, mit dem ebenfalls in Mikrostreifenleitungstechnik ausgebildeten Leitungsstück 26 verbunden ist, das in der gemeinsamen Ausgangs-Koaxialbuchse 5 endet. Mit der PIN-Diode 25 kann das Goldbändchen 24 mit der rückseitigen Massefläche 51 kurzgeschlossen werden, um ein Signal von der Schlitzleitung 50 auf das Leitungsstück 26 zu koppeln. In den Mikrostreifenleitungen 23 und 26 sind wiederum Trennkondensatoren C angeordnet. Da PIN-Schaltdioden trotz Vorströmen prinzipiell einen gewissen endlichen Widerstand von einigen Ohm aufweisen, ist hier sinnvollerweise ein PIN-Diodenpaar 25 vorgesehen, so dass der wirksame Ohm'sche Widerstand halbiert wird. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich über die Leitung 23 an die Kombination aus Schlitzleitung 50 und Leitung 26 Impedanzen transformieren, die zu unerwünschten Resonanzen und damit zu Einbrüchen im Frequenzgang führen.
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Auf der Oberseite des Substrats ist verbunden mit der Koaxialbuchse 3 eine in Mikrostreifenleitungstechnik ausgebildete Struktur angebracht, die aus der Leitung 28 und der leerlaufenden Leitung 29 besteht und wiederum rechtwinklig die Schlitzleitung 50 auf der Unterseite koppelnd kreuzt.
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Auf der Unterseite des Substrats sind außerdem Schaltdioden 53 und 54 (Flip-Chip-Ausführung) angebracht, welche die Schlitzleitung 50 überbrücken und über die Steuerleitungen 55, 56 leitend oder sperrend geschaltet werden können.
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3 zeigt im vergrößerten Querschnitt ein Detail für die Montage einer PIN-Diode 25 auf der Oberseite des Substrats 30, welches sinngemäß auch für den PIN-Diodenschalter 11 gilt. Für die Aufnahme der PIN-Diode ist in dem Keramiksubstrat 30 eine Ausnehmung 31 vorgesehen, die Dicke des Substrats wird also in diesem Bereich auf etwa die Hälfte reduziert. Zusätzlich sind zwei Bohrungen 32 vom Boden der Ausnehmung zur Substratrückseite vorgesehen, die unmittelbar in der rückseitigen Massefläche 51 enden und mit Leitkleber 33 aufgefüllt werden, nachdem die PIN-Diode 25 mit Leitkleber in der Ausnehmung 31 fixiert wurde. Auf diese Weise wird eine sehr induktivitätsarme Verbindung der Kathode der PIN-Diode 25 mit der rückseitigen Massefläche 51 gewährleistet und außerdem eine einfache Montage der PIN-Diode 25 ermöglicht.
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8 zeigt ebenfalls im vergrößerten Querschnitt den Aufbau des zur rückseitigen Massefläche 51 schaltbaren Diodenschalters 25 realisiert durch zwei zu einem Diodenpaar parallel geschalteten PIN-Chip-Dioden. Das Diodenpaar 25 ist wieder in einer Ausnehmung 31 im Substrat 30 eingesetzt, die Verbindung mit der rückseitigen Massefläche 51 erfolgt wieder über die mit Leitkleber 33 gefüllten Bohrungen 32. Der Aufbau entspricht ansonsten dem nach 3.
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Die gleiche Anordnung gemäß 3 bzw. 8 wird auch für den PIN-Diodenschalter 11 gewählt, der in einer entsprechenden Ausnehmung 34 auf der Oberseite des Substrats angeordnet ist und wiederum über mit Leitkleber gefüllte Bohrungen unmittelbar mit der rückseitigen Massefläche 51 in Kontakt steht.
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Die Schaltdioden 53 und 54, welche die Schlitzleitung 50 überbrücken, bestehen ebenfalls aus PIN-Dioden, wobei jede dieser Schaltdioden 53 bzw. 54 entweder aus nur einer einzigen PIN-Diode oder vorzugsweise jedoch jeweils aus einem PIN-Diodenpaar in Flip-Chip-Ausführung besteht, wie dies 2 zeigt. Die Diodenpaare sind auf integrierten Dünnschichtkondensatoren zusammen mit 500 Ohm-Vorwiderständen montiert, wodurch eine Trennung des HF-und Gleichstrom-Pfades erreicht wird. Über die Dünnschichtkondensatoren erfolgt der HF-Kurzschluss der Schlitzleitung 50 bei leitend geschalteten Diodenschaltern 53 bzw. 54. Durch die Parallelschaltung von zwei PIN-Dioden jeweils zu einem PIN-Diodenpaar beim Diodenschalter 25 bzw. bei den Schaltdioden 53 und 54 wird eine sehr induktivitätsarme Verbindung gewährleistet.
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Im Ausführungsbeispiel nach 2 sind zwar die Schaltdioden 53 bzw. 54 als Diodenpaare dargestellt, während der zur rückseitigen Massefläche 51 schaltbare Diodenschalter 25 in 2 nur als einzige PIN-Diode dargesetellt ist, in dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch auch dieser Diodenschalter 25 als Chip-PIN-Diodenpaar 25 dargestellt, die übrige Schaltung in 9 entspricht der nach 2.
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Der Aufbau und die Dimensionierung einer Schlitzleitung ist bekannt und beispielsweise näher beschrieben in ”Taschenbuch der Hochfrequenztechnik” Meinke/Grundlach. 5. Auflage, Seiten K15/16. Dort sind auch auf Seite K 17 die Übergänge von Mikrostreifenleitungen auf Schlitzleitungen beschrieben. Der Schlitz 50 im Beispiel ist ca. 50 μm breit, hat eine Länge von ca. 16 mm und ist eingebettet in eine Massefläche von ca. 32 mm mal 32 mm. Die Schlitzleitung wirkt daher zusammen mit dem Gehäuse erst bei hohen Frequenzen im GHz-Bereich als HF-Leitung.
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Mit der in 2 dargestellten Umschaltanordnung kann nun nach folgendem Schaltschema jeweils wahlweise eine der Hochfrequenzquellen 1, 2 oder 3 zum Ausgang 5 durchgeschaltet werden.
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Einschaltung des Frequenzbereiches I, 100 kHz bis 1 GHz: Gemäß 4 wird der FET-Schalter 10 so angesteuert, dass das an der Koaxialbuchse 1 eingespeiste Hochfrequenzsignal der HF-QUelle 1 direkt an die Koaxialbuchse 5 durchgeschaltet wird. Der FET-Schalter ist dabei so konzipiert, dass er selbst bei 100 kHz und einer Ausgangsleistung an der Koaxialbuchse 5 von beispielsweise 18 dBm verzerrungsarm arbeitet. Der PIN-Diodenschalter 11 ist vollständig gesperrt. Das PIN-Diodenpaar 25 ist mit einer Vorspannung von –12 Volt gesperrt und kann so ebenfalls nicht signifikant im Ausgangssignal Oberwellen erzeugen. Durch die Trennkondensatoren C zwischen FET-Schalter 10 und PIN-Diodenpaar 25 einerseits sowie PIN-Diodenpaar 25 und Koaxialbuchse 5 andererseits wird ein einwandfreies Schalten ermöglicht und gleichzeitig auch eine Gleichstromentkopplung des gemeinsamen Ausgangs an der Koaxialbuchse 5 erreicht. Die Diodenpaare 53 und 54 sind ebenfalls mit –12 Volt gesperrt, so dass auch diese über der Schlitzleitung 50 angebrachten Dioden nicht zum Oberwellengehalt beitragen. Die Schlitzleitung 50 auf der Unterseite in der Masseflächen 51 stört bei einer Frequenz von 1 GHz nicht weiter, da sie gegen die Wellenlänge als kurz anzusehen ist.
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Einschaltung des Frequenzbereiches II, 1 GHz bis 22 GHz: Ein Signal in diesem Frequenzbereich von 1 GHz bis 22 GHz kann nicht einfach über den FET-Schalter 10 geschaltet werden, da bisher handelsübliche FET-Schalter für hohe Leistungen nur bis zu einer Frequenz von etwa 8 GHz verzerrungsfrei arbeiten. Aus diesem Grund ist dieser Frequenzbereich in zwei Teilfrequenzbereiche unterteilt, einem unteren Teilbereich von 1 GHz bis 8,4 GHz und einem oberen Teilbereich zwischen 8,4 GHz und 22 GHz.
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Für den unteren Teilbereich 1 GHz bis 8,4 GHz wird das an der Koaxialbuchse 2 zugeführte Eingangssignal der HF-Quelle 2 gemäß 5 über den entsprechend gesteuerten PIN-Diodenschalter 11 vom Eingang a zum Ausgang b und über die Mikrostreifenleitung 22 zum Eingang b des FET-Schalters 10 durchgeschaltet. Der FET-Schalter ist so angesteuert, dass er vom Eingang b zum Ausgang c und so wieder auf die Leitung 23 schaltet, von der das Signal über das Goldbändchen 24 und die Leitung 26 auf die Koaxialbuchse 5 gelangt. Der Trennkondensator C in der Mikrostreifenleitung 22 sorgt auch hier wieder für ein einwandfreies Funktionieren der beiden Schalter. Der PIN-Diodenschalter 11 arbeitet in diesem Frequenzbereich verzerrungsarm, wenn in dem Masserückweg für die Vorströme der Vorwiderstand 19 eingefügt ist, an dem eine hinreichend große Spannung abfällt, die dafür sorgt, dass die Sperrschichtkapazität der Längsdiode im abgeschalteten Pfad nicht durch das HF-Signal moduliert wird.
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Das PIN-Diodenpaar 25 ist mit –12 Volt gesperrt und kann so ebenfalls nicht signifikant zum Oberwellengehalt des Ausgangssignals beitragen. Die beiden Diodenpaare 53 und 54 über der Schlitzleitung 50 auf der Rückseite des Substrats sind durchgesteuert, so dass die Schlitzleitung auf beiden Seiten der auf der Oberseite überquerenden Struktur, bestehend aus den beiden Leitungen 23, 26 und dem Goldbändchen 24, elektrisch verkürzt wird, und so auch in diesem Frequenzbereich das HF-Signal nicht beeinflusst. Da PIN-Dioden trotz Vorströmen prinzipiell einen gewissen endlichen Widerstand von einigen Ohm aufweisen, sind sinnvollerweise Diodenpaare 53 und 54 über der Schlitzleitung 50 vorgesehen, so dass der wirksame Ohm'sche Widerstand halbiert wird.
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Einschalten des oberen Teilbereiches 8,4 GHz bis 22 GHz: Für diesen Teilbereich wird gemäß 6 der FET-Schalter 10 vollständig gesperrt und das Eingangssignal der Koaxialbuchse 2 über den PIN-Diodenschalter 11 vom Eingang a zum Ausgang c durchgeschaltet und einer in Mikrostreifenleitungstechnik realisierten Struktur zugeführt. Die Struktur, bestehend aus Leitung 20 und leerlaufender Leitung 21 kreuzt die Schlitzleitung 50 auf der Unterseite rechtwinklig so, dass ihre jeweils überstehenden Enden eine Länge von etwa λ/4 aufweisen, wobei λ hierbei die Wellenlänge bei der mittleren Frequenz des zu übertragenden Frequenzbereiches von 8,4 bis 22 GHz ist.
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Das den Leitungen 20, 21 zugewandte Diodenpaar 53 ist gesperrt und beeinflusst so die Wellenausbreitung des Hochfrequenzsignals in der Schlitzleitung 50 nicht. Das andere Diodenpaar 54 über der Schlitzleitung 50 ist im Abstand von etwa λ/4 (λ wieder mittlere Betriebswellenlänge im Teilbereich 8,4 GHz bis 22 GHz) zu den Leitungen 23, 26 angeordnet und durchgesteuert. Auch das PIN-Diodenpaar 25 wird durchgesteuert und schließt so die eine Seite der Schlitzleitung 50 auf der Substratunterseite direkt über das Goldbändchen 24 mit der Leitung 26 kurz.
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Im Zusammenwirken mit der durch das leitende Diodenpaar 54 erzeugten λ/4-Stichleitung der Schlitzleitung 50 koppelt das Hochfrequenzsignal komplett über das durchgesteuerte PIN-Diodenpaar 25 und das Goldbändchen 24 auf die Leitung 26 in Richtung Koaxialbuchse 5. Durch das niederohmig durchgesteuerte Diodenpaar 54 wird außerdem vermieden, dass von der Koaxialbuchse 3 für den Frequenzbereich 22 GHz bis 44 GHz über das abgeschaltete Ende der Schlitzleitung an das Ende der λ/4-Stichleitung transformierte ungünstige Impedanzverhältnisse zu Resonanzen und damit zu Einbrüchen im Frequenzgang führen.
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Einschalten des Frequenzbereichs 22 GHz bis 44 GHz: Der FET-Schalter 10 und der PIN-Diodenschalter 11 sind komplett gesperrt. Gemäß 7 wird in der dort dargestellten Schaltstellung das an der Koaxialbuchse 3 zugeführte Signal der HF-Quelle 3 direkt über die Struktur, bestehend aus der Mikrostreifenleitung 28 und der leerlaufenden Leitung 29, auf die Schlitzleitung 50 gekoppelt, die sich rechtwinklig koppelnd kreuzen und zwar wieder mit einer Überlappung von jeweils etwa λ/4, wobei in diesem Fall λ die mittlere Betriebswellenlänge für den Frequenzbereich 22 GHz bis 44 GHz ist. In dieser Schaltstellung ist das Diodenpaar 54 gesperrt und beeinflusst so die Wellenausbreitung des Hochfrequenzsignals auf der Schlitzleitung 50 nicht. Das andere über der Schlitzleitung im Abstand von etwa λ/4 zu den Leitungen 23, 26 (λ wieder mittlere Betriebswellenlänge des Frequenzbereichs 22 GHz bis 44 GHz) angeordnete Diodenpaar 53 ist durchgesteuert. Auch das PIN-Diodenpaar 25 wird wieder durchgesteuert und schließt so die eine Seite der Schlitzleitung 50 auf der Substratunterseite direkt über das Goldbändchen 24 mit der Leitung 26 kurz.
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Im Zusammenwirken mit der durch das leitende Diodenpaar 53 erzeugten λ/4-Stichleitung der Schlitzleitung 50 koppelt das Hochfrequenzsignal komplett von der Schlitzleitung 50 über das durchgesteuerte PIN-Diodenpaar 25 und das Goldbändchen 24 auf die Leitung 26 in Richtung Koaxialbuchse 5. Auch hier wird vermieden, dass vom gesperrten PIN-Diodenschalter 11 für den Bereich 8,4 GHz 1 bis 22 GHz über das abgeschaltete Ende der Schlitzleitung an das Ende der Stichleitung transformierte ungünstige Impedanzverhältnisse zu Resonanzen und damit zu Einbrüchen im Frequenzgang führen.
