DE2523525C3 - Schalteinheit und Schaltmatrix für Hochfrequenzsignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schatteinheit für Hochfrequenzsignale mit einem isolierenden, flachen Substrat, auf dessen einer Seite vier durch Unterbrechungen gleichstrommäßig voneinander entkoppelte Mikrostreifenleiter angeordnet sind, die vier jeweils wahlweise als Eingang bzw. Ausgang benutzbare Signalanschlüsse hochfrequenzmäßig miteinander verbinden, wobei jeder Mikrostreifenleiter mit einer auf der anderen Seite des Substrates angeordneten, elektrisch leitenden Massefläche durch wenigstens eine zwischen einem Zustand sehr hoher Impedanz und einem Zustand sehr niedriger Impedanz hin- und herschaltbare PIN-Diode verbunden ist, die von einer unmittelbar benachbarten Unterbrechung einen Abstand gleich einer viertel Wellenlänge aufweist

Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltmatrix, die aus mehreren Schalteinheiten besteht

Eine derartige Schalteinheit ist beispielsweise aus der FR-PS 20 64 079 entnehmbar. Bei dieser bekannten Anordnung sind die vier Mikrostreifenleiter kreuzförmig um einen Zentralpunkt angeordnet, von dem sie jeweils durch eine zur Gleichstromentkoppelung dienende Unterbrechung getrennt sind. Im Abstand einer viertel Wellenlänge der Mittenfrequenz des zu übertragenden bzw. zu schaltenden Frequenzbandes von der jeweiligen Unterbrechung weist jeder der Mikrostreifenleiter eine PIN-Diode variabler Impedanz auf, die es über ihre Gleichstromsteuerung erlaubt, den Mikrostreifenleiter entweder mit der auf der anderen Seite des die gesamte Anordnung tragenden Substrates befindlichen Massefläche kurzzuschließen oder den Mikrostreifenleiter von dieser Massefläche hochohmig zu isolieren. Jeder der vier Mikrostreifenleiter ist mit seinem vom zentralen Kreuzungspunkt entfernt liegenden Ende über das Substrat hinaus nach außen geführt Diese freien Enden der Mikrdstreifenleiter sind die vier Hochfrequenzanschlüsse der Anordnung, die wahlweise als Eingänge oder Ausgänge benützt werden können.

Diese bekannte Schalteinheit weist jedoch einige Nachteile auf. So läßt sich mit vier Mikrostreifenleitern und vier PIN-Dioden immer nur ein einziger Signalweg durchschalten, der allenfalls verzweigt werden kann. Es ist aber prinzipiell unmöglich, bei dieser Anordnung zwei HF-Signale voneinander unabhängig gleichzeitig zu übertragen. Weiterhin muß jedes übertragene Signal über wenigstens zwei PIN-Dioden geleitet werden, die voneinander einen Abstand einer halben Wellenlange besitzen. Das führt dazu* daß die immer vorhandenen Impedanzunterschiede der einzelnen Dioden durch eine Anpassung der Langen der Mikrostreifenleiter kompensiert werden müssen. Dies ist jedoch ein recht aufwendiges Verfahren, das die Herstellung einer solchen Schalteinheit erheblich erschwert und verteuert

Sowohl aus der FR-PS 1548893 als auch aus der

US-PS 36 78 414 sind Schaltanordnungen bekannt, bei denen wahlweise einer von zwei HF-Anschlössen mit einem dritten. Anschluß dadurch verbunden bzw, von diesem entkoppelt werden kann, daß die Impedanz einer zwischen dem betreffenden HF-Anschluß und Masse liegenden PIN-Diode auf einen sehr hohen bzw. einen sehr niederen Wert gebracht wird. Diese Entgegenhaltungen zeigen, wenn auch nur for drei Anschlüsse, die aus der FR-PS 20 64 079 bekannte stern- bzw. kreuzförmige Anordnung und sind mit denselben Nachteilen wie diese behaftet

Aus der US-PS 33 17 748 ist bekannt, daß mehrere gleichartige Schalteinheiten zu einer mehrere Eingänge mit mehreren Ausgängen verbindenden Matrix zusammengeschaltet werden können. In ihrem grundlegenden Aufbau unterscheiden sich diese Schalteinheiten aber vollständig von der der Erfindung zugrundeliegenden Anordnung.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schalteinheit der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die bei gleicher Bauelementezahl eine größere Variabilität hinsichtlich der Schaitungsmögiichkeiten aufweist und bei der zur Verringerung der Impedanzanpassungsprobleme die HF-Signale über eine minimale Zahl von PIN-Dioden geführt sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß jeder der vier Signalanschlüsse über ein kurzes Mikrostreifenleiterstück direkt mit einer Y-förmigen Verzweigungsstelle verbunden ist und daß der zwischen zwei jeweils benachbarten Verzweigungsstellen liegende Mikrostreifenleiter zwei Unterbrechungen mit wenigstens einer dazwischenliegenden PIN-Diode aufweist

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, mit ebenfalls nur vier PIN-Dioden zwischen vier HF-Anschlüssen zwei voneinander völlig unabhängige Signalwege durchzuschalten. Hieraus ergibt sich eine wesentlich bessere Nutzung der verwendeten Bauelemente, was insbesondere beim Zusammenschalten mehrerer solcher Schalteinheiten zu einer größeren Matrixanordnung zu einer erheblich gesteigerten Variabilität und Flexibilität führt, weil eine weit größere Zahl von Möglichkeiten für das Durchschalten von Signalwegen zur Verfügung steht Auch müssen beim Durchgang durch eine Schalteinheit die HF-Signale im Regelfall nur eine PIN-Diode passieren, so daß die Impedanz-Anpassungsschwierigkeiten stark vermindert sind.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß zum Durchschalten eines Signalweges durch eine Schalteinheit immer nur drei PIN-Dioden in einen definierten Zustand gebracht werden müssen, während der Zustand der vierten Diode beliebig ist Hierdurch verringert sich der für das Freischalten eines ,Signaiweges erforderliche Ansteuerungsaufwand beträchtlich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schalteinheit ist dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei jeweils benachbarten Verzweigungstellen liegenden Mikrostreifenleiter alle die gleiche Länge besitzen.

Prinzipiell ist es möglich, daß jeder der Mikrostreifcnleiter nur eine einzige PIN-Diode enthält In diesem Fall ist seine gesamte elektrische Länge vorzugsweise gleich einer halben Wellenlänge.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schalteinheit ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mikrostreifenleiter eine Vielzahl von PIN-Dioden umfaßt In diesem Fall ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die PlN-Dioden in jedem Mikrostreifenleiter untereinander einen Abstand von einer viertel Wellenlänge aufweisen. Durch diese Anordnung wird eine noch bessere Entkopplung der voneinander getrennt zu haltenden Signalwege sichergestellt Wegen des Abstandes von einer viertel Wellenlänge der in einem Mikrostreifenleiter liegenden PIN-Diode ergibt sich keine Vergrößerung der Impedanzanpassungsschwierigkeiten, Auch können die in einem Mikrostreifenleiter liegenden PIN-Dioden gleichstrommäßig immer gemeinsam angesteuert werden, so daß sich durch die Vermehrung der in einem Mikrostreifenleiter angeordneten PIN-Dioden keine Vergrößerung des zu ihrer Ansteuerung erforderlichen Schaltungsaufwandes ergibt

Vorzugsweise umfaßt jeder Mikrostreifenleiter drei PIN-Dioden, die so angeordnet sind, daß seine gesamte elektrische Länge gleich einer Wellenlänge ist

Gemäß inner vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schalteinheit ist vorgehen, daß die zur gleichstrommäßigen Isolation zwischen c"-en Mikrostreifenleitern und den benachbarten Verzweigungsstellen vorgesehenen Unterbrechungen jeweils mit einem Kondensator überbrückt sind.

Der Befestigungspunkt für jede PIN-Diode besteht vorzugsweise aus einem örtlich begrenzten, engen Hals des Mikrostreifenleiters, wobei die PIN-Diode leicht nach der einen Seite der Mittellinie des Mikrostreifenleiters hin versetzt ist.

Günstigerweise wird in einer Schaltmatrix eine gerade Zahl von Vierpol-Schalteinheiten vorgesehen, von denen die eine Hälfte auf einem Aluminiumoxid-Substrat und die andere Hälfte auf einem anderen Aluminiumoxid-Substrat angebracht ist, wobei die -beiden Substrate Rücker, an Rücken angeordnet und durch einen Luftspalt getrennt sind.

Daraus ergibt sich eine relativ kompakte Schaltvorrichtung, die in der Lage ist, eine große Zai.4 von verschiedenen auswählbaren Signalpfaden für hohe Frequenzen zu liefern.

So kann z. B. eine Schaltmatrix aus sechs Vierpol-Schalteinheiten bestehen, die so miteinander verbunden sind, daß sich 24 verschiedene Wegkombinationen zwischen vier Eingängen und vier Ausgängen ergeben. Ist eine kleinere Zahl von Kombinationen erforderlich, so enthält die Schaltmatrix eine gewisse eingebaute Redundanz, die dazu benutzt werden kann, im Falle eines Ausfalls eines der Mikrostreifenleiter oder der ihm zugeordneten PIN-Dioden in einer Schalteinheit für ein uneingeschränktes Arbeiten zu sorgen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fi«;. ί einen Teil einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung, der aus einer einzelnen mit vier Anschlüssen versehenen Schaltehiheit besteht

Fi g. 2 einen Ausschnitt aus F i g. 1, der einen Teil der Befestigungsvorrichtung für eine PIN-Diode zeigt

Fig.3 in schematischer Darstellung eine Schalt-Vorrichtung, die aus se^hs Schalteinheiten besteht wie sie in F ί g. 1 dargestellt sind, und

F i g. 4 in vereinfachter Form eine praktisch anwendbare Konfiguration für die Schaltvorrichtung aus Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte Schalt-Vorrichtung besitzt vier Haup'? "Schlüsse 1, 2, 3 und 4, die durch vier Mikrostreifen 5, 6, 7 und 8 in der gezeigten Weise

ZO Δ3

miteinander verbunden sind. Vier kurze zusätzliche Mikrostreifenstücke 9, 10, 11 und 12 verbinden die Hauptanschlüsse 1, 2, 3 bzw. 4 mit den Mikrostreifen-Verbindungspunkten 13,14,15 und 16. Jeder Mikrostreifenleiter 5,6,7 und 8 ist mit drei PIN-Dioden 17,18 und 19 versehen, die mit einem gegenseitigen Abstand von einer viertel Wellenlänge angeordnet sind. Die Dioden 17 und 19 sind mit einem Abstand von einer viertel Wellenlänge von den angrenzenden Verbindungsstellen 13, 14, 15 und 16 entfernt angebracht, so daß die elektrische Länge eines jeden Mikrostreifenleiters 5,6, 7 und 8 gleich einer Wellenlänge ist.

Die Größe der oben erwähnten Wellenlänge ist durch die Mittenfrequenz des Frequenzbandes gegeben, bei der die Schaltanordnung entwurfsgemäß verwendet werden soll. In dem vorliegenden Beispiel erstreckt sich das Arbeitsband von ungefähr drei GHz bis 4 1/2 GHz, was bedeutet, daß der viertel Wellenlängenabstand zwischen benachbarten PIN-Dioden ungefähr 8 mm betragt.

Die PIN-Dioden selbst haben einen Querschnitt von ungefähr 38 Hundertstel mm (15 Tausendstel inch) im Quadrat. Die Mikrostreifen sind auf einem Substrat aus Aluminiumoxyd befestigt, das ungefähr 56 Hundertstel mm (25 Tausendstel inch) dick und auf seiner Rückseite mit einer elektrisch leitenden Massefläche versehen ist. Es ist bekannt, daß die Breite des Mikrostreifenleiters in Relation zur Dicke und Dielektrizitätkonstante des Substrates so dimmensioniert wird, daß sich eine vorbestimmte, charakteristische Impedanz von z. B. 50 Ohm bei der Arbeitsfrequenz ergibt.

In Richtung der beiden Enden der Mikrostreifenleiter 5, 6, 7 und 8 ist ein kleiner Chip-Kondensator 20 über einer kleinen Lücke bzw. Unterbrechung in dem Mikrostreifenleiter angebracht, um die drei Dioden auf jedem Mikrostreifenleiter gleichstrommäßig zu isolieren. Das ermöglicht es, die vier Diodengruppen voneinander unabhängig zu betreiben. PIN-Dioden besitzen die Eigenschaft, daß ihre Impedanz mit einer geeignet ausgewählten Gleichspannungs-Vorspannung in steuerbarer Weise zwischen einem sehr hohen und einem sehr niederen Wert hin- und hergeschaltet werden kann. So kann z. B. der niedere Wert in der Größenordnung von 1 oder 2 Ohm oder sogar darunter liegen. Die Vorspannung für die PIN-Dioden wird über die Steueranschlüsse 21,22,23 und 24 angelegt, die von den hohen Frequenzen, die von den Mikrostreifenleitern 5,6,7 und 8 getragen werden, durch Tiefpaß-Filter 25,26,27 und 28 entkoppelt sind.

Spannt man die PIN-Dioden, die in den Mikrostreifen und 7 vorhanden sind, so vor, daß sie ihren Zustand niederer Impedanz, annehmen und auf diese Weise die Mikrostreifenleiter an diesen Punkten mit der Massefläche kurzschließen, so weisen die Mikrostreifen 5 und 7 eine sehr hohe Impedanz gegenüber Eingangssignalen auf, die z. B. an den Hauptanschlüssen 1 und 3 anliegen. Richtet man es gleichzeitig so ein, daß die PIN-Dioden in den Mikrostreifen 6 und 8 ihren hohen Impedanzwert annehmen (so daß die Mikrostreifen 6 und 8 eine niedere Impedanz gegenüber Eingangssignalen an den Hauptanschlüssen 1 und 3 aufweisen), so werden die Eingangssignale zu den Ausgangsanschlüssen 2 und 4

mit kleiner Einfügungsdämpfung weitergeleitet. Andererseits ist die Isolation, die zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 bzw. 3 und 4 erzielt wird, sehr hoch, so z. B. 60 dB oder mehr.

Obwohl ein ähnlicher Effekt erreicht wird, wenn nur eine einzige PIN-Diode in jedem Mikrostreifen vorgesehen wird (in diesem Fall würde die Länge eines jeden Mikrostreifens vorzugsweise nur eine halbe Wellenlänge betragen), ist die Isolation wesentlich geringer.

Durch die Steuerung der PIN-Dioden können also hochfrequente Signale durch die Schaltanordnung in der gewünschten Weise geleitet werden.

Fig.2 zeigt einen Ausschnitt eines Mikrostreifens in der Gegend einer PIN-Diode. Es wird beispielsweise auf den Mikrostreifen 5 und die PIN-Diode 17 Bezug genommen, obwohl die Befestigungsanordnung für alle Dioden ähnlich ist. Im Bereich der Diode ist die Breite des Leiters auf einen sehr engen Hals 29 verringert, aber es isi keine unterbrechung des LciicfS vorgesehen. Diese Anordnung ergibt eine kleinere Einfügungsdämpfung als es der Fall sein würde, wenn keine Verringerung der Leiterbreite vorgesehen und notwendigerweise die Diode beträchtlich nach einer Seite des Leiters hin versetzt wäre. Andererseits wird mit der vorliegenden Konfiguration eine größere Zuverlässigkeit erreicht, als es der Fall sein würde, wenn der Leiter vollständig unterbrochen wäre, um es der Diode zu ermöglichen, auf die ;^itte des Leiters ausgerichtet zu sein, da in einem solchen Fall der Mikrostreifen unwirksam würde, wenn die angehefteten Anschlüsse 30 elektrisch unterbrochen würden. Mit der vorliegenden Konfiguration sind diese beiden Nachteile vermieden.

Eine Vielzahl der in F i g. 1 dargestellten Schalteinheiten ist miteinander verbunden, um eine Schaltmatrix zu liefern, von der ein Beispiel in Fig.3 schematisch wiedergegeben ist. 6 Schalteinheiten 31, 32, 33, 34, 35 und 36 sind auf zwei Aluminiumoxyd-Substraten 37 und 38 miteinander verbunden. Vier Eingangsanschlüsse 41, 42,43 und 44 können in beliebiger Kombination mit vier Ausgangsanschlüssen 45, 46, 47 und 48 verbunden werden. Die Glieder 49, die die Zwischenverbindungen herstellen, bestehen aus halbstarren Coaxial-Kabeln. Insgesamt sind vierundzwanzig Kombinationen von Eingangs-Ausgangs-Wegen möglich, obwohl in der Praxis durch die Festlegung einer kleineren Zahl von Kombinationen eine gewisse eingebaute Redundanz erreicht wird. Auf diese Weise können die Signale, wenn eine Einheit teilweise ausfällt, um die Fehlstelle herumgeleitet werden, ohne daß die Arbeitsweise dadurch verschlechtert wird. Eine praktisch anwendbare Ausführungsform ist in F i g. 4 dargestellt, bei dtv die beiden Substrate Rücken an Rücken montiert sind. In der Fig.4 sind die Masseflächen 51 und 52 angezeigt Zwischen den beiden Masseflächen besteht ein Luftspalt

Diese Anordnung ergibt eine sehr kompakte und zuverlässige Hochfrequenz-Schaltmatrix. Beispielsweise ist die in Fig.4 dargestellte Vorrichtung bei einer Mittenfrequenz von ungefähr 4 GHz nur etwa 15 cm (6 inches) lang, 5 cm (2 inches) breit und ycm(l inch) hoch.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche;

1. Schalteinheit für Hochfrequenzsignale mit einem isolierenden, flachen Substrat, auf «Jessen einer Seite vier durch Unterbrechungen gleichstrommäßig voneinander entkoppelte Mikrostreifenleiter angeordnet sind, die vier jeweils wahlweise als Eingang bzw. Ausgang benutzbare Signalanschlüsse hochfrequenzmäßig miteinander verbinden, wobei jeder Mikrostreifenleiter mit einer auf der to anderen Seite des Substrates angeordneten, elektrisch leitenden Massefläche durch wenigstens eine zwischen einem Zustand sehr hoher Impedanz und einem Zustand sehr niederer Impedanz hin- und herschaltbare PIN-Diode verbunden ist, die von einer unmittelbar benachbarten Unterbrechung einen Abstand gleich einer viertel Wellenlänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der vier Signaianschlüsse (1, 2, 3, 4) über ein kurzes Mikrostreifenleiterstück (9, 10, 11,12) direkt mit einer Y-Iörmigen Verzweigungsstelle (13,14,15, 16) verbunden ist und daß der zwischen zwei jeweils benachbarten Verzweigungsstellen (13, 14; 14, 15; 15,16; 16,13) liegende Mikrostreifenleiter (5,6,7,8) zwei Unterbrechungen (20) mit wenigstens einer dazwischenliegenden PIN-Diode (17, 18, 19) aufweist

2. Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei jeweils benachbarten Verzweigungsstellen (13, 14; 14, 15; 15, 16; 16, 13) liegenden Mikrostreifenleiter (5, 6, 7, 8) alle die gleiche Länge besitzen.

3. Schalteinneit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mikros'reifenleiter (5, 6, 7, 8) eine Vielzahl von PIN-Dioden (17, 18, 19) umfaßt

4. Schalteinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die PIN-Dioden (17, 18, 19) in jedem Mikrostreifenleiter (5, 6, 7, 8) untereinander einen Abstand von einer viertel Wellenlänge aufweisen.

5. Schalteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mikrostreifenleiter (5, 6, 7,8) drei PIN-Dioden (17, 18, 19) umfaßt, die so angeordnet sind, daß seine gesamte elektrische Länge gleich einer Wellenlänge ist

6. Schalteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur gleichstrommäßigen Isolation zwischen den Mikrostreifenleitern (S, 6, 7, 8) und den benachbarten Verzweigungssteilen (13, 14, 15, 16) vorgesehenen Unterbrechungen (20) jeweils mit einem Kondensator überbrückt sind.

7. Schalteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungspunkt für jede PIN-Diode (17, 18, 19) aus einem örtlich begrenzten, engen Hals (29) des Mikrostreifenleiters (5, 6, 7, 8) besteht, wobei die PIN-Diode (17,18,19) leicht nach der einen Seite der Mittellinie des Mikrostreifenleiters (5, 6, 7, 8) hin versetzt ist

8. Schältmatrix unter Verwendung von Schalteinheiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Zahl von Vierpol-Schalteinheiten (31, 32, 33, 34, 35, 36) vorgesehen ist, von denen die eine HBlfte auf einem Aluminiumoxid-Substrat (37) und die andere HBlfte auf einem anderen Aluminiumoxid-Substrat (38) angebracht ist, und daß die beiden Substrate (37,38) ROcken an Rücken angeordnet und durch einen Luftspalt getrennt sind,

9, Schaltmatrix nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmatrix aus sechs Vierpol-Schalteinheiten (31,32,33,34,35,36) besteht, die so miteinander verbunden sind, daß sich 24 verschiedene Wegkombinationen zwischen vier Eingängen (41, 42, 43, 44) und vier Ausgängen (45, 46, 47, 48) ergeben (F i g, 3),