DE10340619B4

DE10340619B4 - Eichleitung

Info

Publication number: DE10340619B4
Application number: DE2003140619
Authority: DE
Inventors: Peter Nöst
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: DE10340619A1

Abstract

Eichleitungs-Anordnung mit einer Eichleitung (3), deren mehrere Dämpfungsglieder gesteuert über eine Steuervorrichtung (4) durch Hochfrequenzschalter in Stufen zwischen Eingang (1) und Ausgang (2) schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochfrequenzschalter Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)-Schalter (7) benutzt werden und zwischen Eingang (1) und der Eichleitung (3) ein Halbleiterschalter (5) angeordnet ist und/oder zwischen Eichleitung (3) und Ausgang (2) ein weiterer Halbleiterschalter (6) angeordnet ist, der/die über die Steuervorrichtung (4) so gesteuert ist/sind, dass die Eichleitung (3) vor jedem Eichleitungs-Schaltvorgang vom Eingang (1) und/oder Ausgang (2) isoliert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eichleitungs-Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
Eichleitungen (step attenuator) dieser Art sind bekannt und werden beispielsweise zum Einstellen der Ausgangsleistung in Signalgeneratoren oder Spektrumanalysatoren eingesetzt. Verschiedene Dämpfungsglieder mit fester Dämpfung werden dabei durch Hochfrequenzschalter verbunden oder auch überbrückt so, daß sich ein Dämpfungsbereich in Stufen realisieren läßt. Als Hochfrequenz-Umschalter werden dazu entweder mechanische Koaxialschalter, PIN-Dioden oder Feldeffekttransistoren, vorzugsweise Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren (GaAsFET bzw. GaASMESFET) benutzt. Eine elektronische Eichleitung mit Feldeffekttransistoren ist beispielsweise aus der DE 100 63 999 A1 bekannt. Diese bisher benutzten Hochfrequenzschalter besitzen unterschiedliche Nachteile.
Ein Dämpfungsglied mit zuschaltbaren Dämpfungsstufen, welches ein elektromagnetisches Signal dämpft, wird in der US 6,472,948 B1 vorgestellt. In einem ersten Pfad sind die Dämpfungsglieder angeordnet, welche durch einen zweiten Pfad selektiv zuschaltbar sind. Ein dritter Pfad ist in Reihe mit den beiden bisherigen parallelen Pfaden und enthält ebenfalls ein aktivierbares Dämpfungsglied.
Ein programmierbares Dämpfungsglied mit hoher und niedriger Impedanz wird in der US 4,121,183 B1 vorgestellt. Das Netzwerk mit der niedrigen Impedanz wird durch FET-Transistoren gesteuert, das Netzwerk mit der hohen Impedanz besteht aus passiven Elementen.
Ein MEMS hat einen Eingang und zwei Ausgänge, zwischen denen durch eine Steuerleitung geschaltet werden kann. Der MEMS dient dazu, elektronische HF-Signale schnell zu schalten. Ein HF-MEMS wird in der US 6,426,687 B1 vorgestellt. Eine Elektrode des MEMS-Substrates wird hoch und runterbewegt. Zusätzlich wird das HF-MEMS durch ein Verkapselung für EMV geschützt.
Ein Aufbau wie elektronische Bauelemente, wie z. B. MEMS, vor Strahlung oder elektrischer Überlast durch einen Überspannungsschalter oder eine Strombegrenzung geschützt werden können, wird in WO 03/067617 A2 diskutiert.
Die US 5,943,223 B1 zeigt einen MEMS-Schalter, der durch einen parallelen Halbleiter geschützt wird, so dass der MEMS-Schalter durch eine Steuervorrichtung so gesteuert wird, dass er nur dann schaltet, wenn eine bestimmte Schwellspannung über dem MEMS-Schalter nicht überschritten wird.
Die US 6,469,602 B1 stellt ein elektronisch schaltbares Mikro-Relay vor, bei welchem mittels magnetischer Kraft zwischen zwei Position geschaltet wird.
Keines der bisher vorgestellten Dokumente zeigt Halbleiterschalter, die so angeordnet sind und über eine Steuervorrichtung so gesteuert werden, dass eine Eichleitung vor jedem Eichleitungs-Schaltvorgang vom Eingang und/oder Ausgang isoliert wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Eichleitung zu schaffen, die diese den bekannten Hochfrequenzschaltern eigenen Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung ausgehend von einer Eichleitung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung werden als Hochfrequenzschalter sogenannte Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) benutzt, wie sie beispielsweise von der Firma MICROLAB unter der Bezeichnung ML06B (siehe beigefügtes Datenblatt) angeboten werden. Solche MEMS-Schalter besitzen, verglichen mit GaAs-Feldeffekttransistor-Schaltern, eine hohe Isolation und hervorragende Linearitätseigenschaften, ebenso eine geringe Einfügungsdämpfung. Gegenüber konventionellen Koaxial-Hochfrequenzschaltern besitzen sie außerdem eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Solche MEMS-Schalter besitzen lediglich den Nachteil des sogenannten hot switching-Problems, d. h. die sehr empfindlichen Schaltkontakte dieser MEMS werden vor allem bei höheren Schaltleistungen über 10 dBm schnell abgenutzt und ihre Lebensdauer dadurch stark reduziert. Die Eigenschaften von MEMS-Schaltern sind z. B. in David Becher, Richard Chan, Michael Hattendorf, and Milton Feng, ”Reability Study of Low-Voltage RF MEMS Switches”, GaAsMANTECH Conference, 2002 ausführlich diskutiert.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung zusätzlich am Eingang und/oder Ausgang ein üblicher Halbleiterschalter, beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder eine PIN-Diode angeordnet, der bzw. die während des Eichleitungs-Schaltvorganges, also während der Betätigung der MEMS-Schalter, die Eichleitung vom Eingang und/oder Ausgang abtrennt bzw. dort ein zusätzliches hohes Dämpfungsglied zwischenschaltet. Dadurch wird das hot switching-Problem vermieden und die empfindlichen MEMS-Schaltkontakte werden gegen hot switching geschützt, so daß auch eine mit MEMS-Schaltern aufgebaute Eichleitung auch bei höheren Schaltleistungen ausreichende Lebensdauer besitzt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Eichleitung und
2 ein konkretes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Eichleitung.
Die in 1 dargestellte Eichleitungs-Anordnung, die mit ihrem Eingang 1 beispielsweise am Ausgang eines Signalgenerators oder Spektrumanalysators angeschaltet ist und an ihrem Ausgang 2 ein entsprechend leistungsreduziertes Ausgangssignal liefert, besteht aus einer üblichen Eichleitung 3, die z. B. aus mehreren in Kette geschalteten Dämpfungsgliedern besteht, die über MEMS-Schalter stufenweise auf verschiedene Dämpfungswerte einstellbar sind. Die MEMS-Schalter und Halbleiterschalter sind über eine Steuereinrichtung 4 schaltbar. Zwischen Eingang 1 und/oder Ausgang 2 und dieser Eichleitung 3 ist ein Halbleiterschalter 5 bzw. 6 angeordnet, beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder eine PIN-Diode, vorzugsweise ein Galliumarsenid-Feldeffekttransistor.
Wenn die MEMS-Schalter der Eichleitung 3 nur eingangsseitig vor zu hoher Leistung geschützt werden sollen, genügt ein eingangsseitiger Halbleiterschalter 5. Wenn nur ausgangsseitig geschützt werden soll, genügt ein ausgangsseitiger Halbleiterschalter 6. Vorzugsweise werden jedoch ein- und ausgangsseitig entsprechende Schutzschalter 5 bzw. 6 vorgesehen, die ebenfalls über die Steuereinrichtung 4 gesteuert sind und zwar so, daß vor jedem Schaltvorgang in der Eichleitung 3 diese vom Eingang 1 bzw. Ausgang 2 isoliert wird, indem entweder die Eichleitung vom Eingang 1 bzw. Ausgang 2 abgetrennt und nach Abschluß des Schaltvorgangs der MEMS-Schalter in der Eichleitung diese wieder mit dem Ein- bzw. Ausgang verbunden wird oder indem vor oder hinter der Eichleitung 3 über die Schalter 5 bzw. 6 zusätzliche hohe Dämpfungsglieder eingeschaltet werden, wie dies im Ausführungsbeispiel nach 2 näher beschrieben ist.
Durch diese Isolation der über MEMS-Schalter geschalteten Eichleitung 3 während des eigentlichen Eichleitungs-Schaltvorganges werden die MEMS-Schalter vor dem Lebensdauer-reduzierenden Hot switching geschützt. Die Halbleiterschalter (GaAS-Feldeffekttransistoren oder PIN-Dioden) vertragen Hot switching bis etwa 10 W und eignen sich daher bestens zum Schutz der sehr empfindlichen MEMS-Schalter in der eigentlichen Eichleitung.
2 zeigt das konkrete Ausführungsbeispiel für eine in 5 dB-Stufen zwischen 0 und 115 dB schaltbare Eichleitung bestehend aus zwei ein- und ausgangsseitig vorgesehenen 40 dB-Dämpfungsgliedern sowie dazwischen in Kette angeordneten 20 dB, 10 dB und 5 dB-Dämpfungsgliedern, die jeweils über sogenannte MEMS-SPDT(Single Pole Double Throw)-Schalter 7 zwischen Eingang 1 und Ausgang 2 jeweils gesteuert durch die Steuereinrichtung 4 in verschiedenen Kombinationen schaltbar sind. Die nicht benötigten Dämpfungsglieder werden durch dämpfungsarme Leitungen 8 überbrückt.
Am Ein- und Ausgang der Eichleitung sind wieder Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren 5, 6 (GaASMESFET-SPDT) als Schutzschalter vorgeschaltet. Vor jedem Schaltvorgang der MEMS-Schalter werden die vorgeschalteten Feldeffekttransistorschalter 5 und 6 in die dargestellte Schaltstellung gebracht, in welcher jeweils die beiden 40 dB-Dämpfungsglieder 9 und 10 der eigentlichen, aus den Dämpfungsgliedern 5 dB, 10 dB und 20 dB bestehenden, Eichleitung mit den empfindlichen MEMS-Schaltern 7 vorgeschaltet sind. Damit sind beim anschließenden eigentlichen Eichleitungs-Schaltvorgang die MEMS-Schalter 7 vor vom Eingang 1 oder Ausgang 2 zugeführter hoher Hochfrequenzleistung geschützt.
Wenn die MEMS-Schalter 7 in die für die gewählte Dämpfung erforderliche Schaltposition gebracht sind, werden die Halbleiterschalter 5 bzw. 6 wieder in die Schaltstellung gebracht, die für die jeweils gewünschte Gesamtdämpfung zwischen Eingang 1 und Ausgang 2 erforderlich ist, d. h. die 40 dB-Dämpfungsglieder 9 bzw. 10 bleiben entweder in Kette zwischengeschaltet oder werden durch die Umgehungsleitungen 8 ersetzt.
Das erfindungsgemäße Prinzip, die gegen hot switching empfindlichen MEMS-Schalter durch Schutzschalter zu schützen, ist nicht nur auf Eichleitungen beschränkt sondern könnte, sofern der Aufwand gerechtfertigt ist, auch bei einfachen Hochfrequenzschaltern angewendet werden.

Claims

Eichleitungs-Anordnung mit einer Eichleitung (3), deren mehrere Dämpfungsglieder gesteuert über eine Steuervorrichtung (4) durch Hochfrequenzschalter in Stufen zwischen Eingang (1) und Ausgang (2) schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochfrequenzschalter Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)-Schalter (7) benutzt werden und zwischen Eingang (1) und der Eichleitung (3) ein Halbleiterschalter (5) angeordnet ist und/oder zwischen Eichleitung (3) und Ausgang (2) ein weiterer Halbleiterschalter (6) angeordnet ist, der/die über die Steuervorrichtung (4) so gesteuert ist/sind, dass die Eichleitung (3) vor jedem Eichleitungs-Schaltvorgang vom Eingang (1) und/oder Ausgang (2) isoliert wird.
Eichleitungs-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (5) und/oder der weitere Halbleiterschalter (6) über die Steuervorrichtung (4) so gesteuert ist/sind, dass vor jedem Eichleitungs-Schaltvorgang die Eichleitung vom Eingang und/oder die Eichleitung vom Ausgang getrennt und nach Abschluss des Eichleitungs-Schaltvorganges die Eichleitung (3) wieder mit dem Eingang (1) und/oder die Eichleitung (3) wieder mit dem Ausgang (2) verbunden wird.
Eichleitungs-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (5) und/oder der weitere Halbleiterschalter (6) über die Steuervorrichtung (4) so gesteuert ist/sind, dass vor jedem Eichleitungs-Schaltvorgang zwischen Eingang (1) und Eichleitung (3) und/oder Ausgang (2) und der Eichleitung (3) ein zusätzliches Dämpfungsglied (9, 10) eingeschaltet wird.
Eichleitungs-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (5) und/oder der weitere Halbleiterschalter (6) über die Steuervorrichtung (4) so gesteuert sind, dass nach Abschluss des Eichleitungs-Schaltvorganges das zusätzliche Dämpfungsglied (9, 10) zwischen Eichleitung (3) und Eingang (1) und/oder Eichleitung (3) und Ausgang (2) wieder ausgeschaltet oder als wirksames Dämpfungsglied der Eichleitungskette zugeschaltet bleibt.
Eichleitungs-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterschalter (5, 6) Feldeffekttransistoren, insbesondere Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren oder PIN-Dioden benutzt werden.