DE69005075T2

DE69005075T2 - Hybrider Schalter mit GaAs-MMIC-FET und PIN-Diode.

Info

Publication number: DE69005075T2
Application number: DE90114294T
Authority: DE
Inventors: Joel P Dunsmore
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1990-07-25
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: EP0423442B1; US5103195A; EP0423442A1; JPH03140001A; DE69005075D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Schalter. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem hybriden GaAs-MMIC-FET-PIN-Dioden-Übertragungsschalter mit einer hohen Isolation im ausgeschalteten Zustand, einem niedrigen Einfügungsverlust im eingeschalteten Zustand und breiter Bandbreite.

Hintergrund der Erfindund

Übertragungsschalter sind im Stand der Technik bekannt und werden allgemein in Verbindung mit elektronischen Testgeräten eingesetzt, wie beispielsweise Netzwerkanalysatoren, um ein Signal von einem Weg zu einem andern zu leiten, wie beispielsweise von einem gerade hindurchgehenden Zustand zu einem Weg, welcher einen Testling durchläuft ("der Testweg"). Die Signale, die geschaltet werden, sind typischerweise im HF-Bereich und im Mikrowellenbereich, so daß spezielle Beachtung ihrer Konstruktion geschenkt werden muß. Allgemein müssen die Schalter im eingeschalteten Zustand niedrige Einfügungsverluste und im ausgeschalteten Zustand eine hohe Isolation, eine gute Impedanzanpassung und eine hohe Stabilität und Wiederholbarkeit (einschließlich des Einfügungsverlustes und der Isolationsstabilität und der Wiederholbarkeit) schaffen, wobei diese Anforderungen sämtlich über eine breite Bandbreite und über Temperaturwechsel zu erfüllen sind. Es ist wünschenswert, daß der Frequenzbereich, über den der Schalter diese Charakteristika zeigt, sich an dem unteren Ende so nahe wie möglich an den Gleichstrom und an dem oberen Ende weit in das Mikrowellenband erstreckt.
Mechanische und elektromechanische Übertragungsschalter wurden im Stand der Technik umfangreich eingesetzt. Koaxialschalter der Modelle HP 8761 A/B und HP 33311 B/C seien beispielshaft genannt. Gleichfalls seien beispielshaft elektromagnetische Übertragungsschalter erwähnt, die in den Testgeräten der Modelle HP 85046 A/B, HP 85047 A und HP 8753 verwendet werden. Sämtliche dieser Geräte werden durch die Firma Hewlett-Packard Company, Palo Alto, CA (nachfolgend "HP" genannt) hergestellt.
Mechanische und elektromechanische Übertragungsschalter zeigen viele der genannten Charakteristika, wobei sie jedoch Verschleiß und Fehlern unterworfen sind und sich daher nicht zur Verwendung in ständig schaltenden Anwendungen eignen. Diese sind gleichfalls sperrig und teuer. Zusätzlich liefern mechanische und elektromechanische Übertragungsschalter keine wiederholbare Rückflußdämpfung, wenn der Schalter zyklisch betätigt wird - wobei eine Rückflußdämpfungstabilitat von ungefahr 0,005 oder -46 dB üblich sind. Die Schaltgeschwindigkeit von mechanischen und elektromechanischen Übertragungsschaltern ist gleichfalls beschränkt.
Festkörperübertragungsschalter sind gleichfalls im Stand der Technik bekannt. Allgemein fallen bekannte Festkörperübertragungsschalter in zwei Kategorien: PIN-Diodenschalter; und GaAs-MMIC (gallium arsenide monolithic microwave integrated circuit = monolithische integrierte GaAs-Mikrowellenschaltung) - FET-Schalter. Beide Schaltertypen überwinden die obigen Fehler von mechanischen/elektromechanischen Übertragungsschaltern, jedoch leiden diese an anderen Nachteilen. Ein Beispiel eines PIN-Diodenschalters ist das Modell HP 333016 C, welches von HP hergestellt wird. Beispiele eines GaAs-MMIC-FET-Schalters sind die Modelle SW-200 und SW-210, welche von Adams Russell Elektronics Co., Inc., in Burlington, MA, hergestellt werden.
PIN-Diodenschalter sind zufriedenstellend für Hochfrequenz(d.h. Mikrowellen-) -Anwendungen, jedoch zeigen sie eine schwache Isolation unter Frequenzen von ungefähr 45 MHz. Rückwärts vorgespannte Reihen-PIN-Dioden können verwendet werden, um eine größere Isolation bei niedrigen Frequenzen zu schaffen, jedoch führt dies zu einem anderen Problem. Die Reihen-Dioden müssen in dem eingeschalteten Zustand des Schalters stark vorwärts gespannt werden, was zu einem erhöhten Einfügungsverlust und zu einer Drift des Einfügungsverlustes aufgrund von Wärmeeffekten führt. Fernen können Reihen-PIN-Dioden Verzerrungen bei niedrigen Frequenzen aufgrund der Selbstvorspannung innerhalb der Dioden aufgrund von HF-Energie verursachen. Ferner benötigen PIN-Diodenschalter große Treiberströme, um die benötigte Isolation zu schaffen. Vorspannschaltungen zum Zuführen eines derartigen großen Treiberstromes sind schwierig herzustellen. Fernerhin zeigen PIN-Diodenschalter eine schlechte Impedanzanpassung in ihrem ausgeschalteten Zustand oder in ihrem Isolationszustand, da sie in diesem Zustand tatsächlich Nebenschlüsse bilden. Obwohl Anpaßwiderstände die Anpassung verbessern können, führen sie zu größeren Einfügungsverlusten.
GaAs-MMIC-FET-Schalter zeigen umgekehrt typischerweise eine sehr gute Isolation bei niedrigen Frequenzen, jedoch eine schwache Isolation bei hohen Frequenzen. Daher sind sie komplementär bezüglich des Verhaltens von PIN-Diodenschaltern. Nichtsdestoweniger liefern bekannte GaAs-MMIC-FET- Schalter nicht die gleiche Isolation wie mechanische Übertragungsschalter, welche größer als 100 db bis 6 GHz sein kann. Dies rührt daher, daß trotz der Tatsache, daß GaAs- MMIC-FET-Schalter allgemein eine Reihen-Nebenschluß-Konfiguration haben und einen oder mehrere GaAs-Chips verwenden, die Reihenimpedanz der Nebenschlußgeräte (FETs) zu hoch ist, um die benötigte Isolation zu erzielen. Gleichfalls wird eine große Anzahl von GaAs-Chips benötigt, um die erforderliche Isolation zu erhalten, wobei der Isolationsverlust mit ansteigender Anzahl der Chips gleichfalls ansteigt. Ferner sind die Niederfrequenz leistungshandhabungsfähigkeiten von GaAs-MMIC-FET-Schaltern aufgrund der Hochfreuqenzvorspannung der GaAs-FETs auf den Chips begrenzt. Letzlich sind bekannte GaAs-MMIC-FET-Schalter in nicht hinnehmbarer Weise sowohl in ihrem eingeschalteten als auch in ihrem ausgeschalteten Zustand fehlangepaßt.
Es ist daher wünschenswert, einen Hochgeschwindigkeits- Festkörper-Übertragungsschalter zu schaffen, welcher eine hohe Isolation im ausgeschalteten Zustand und einen niedrigen Einfügungsverlust im eingeschalteten Zustand zeigt; gut an Systeme, mit denen er verwendet wird, angepaßt ist; und Stabilität und Wiederholbarkeit einschließlich des Einfügungsverlustes und der Isolationsstabilität und der Wiederholbarkeit zeigt, wobei diese Anforderungen über eine Bandbreite, die sich im wesentlichen von Gleichstrom bis weit in den Mikrowellenbereich erstreckt, sowie gleichfalls über Temperaturänderungen erfüllt sein sollen. Es ist gleichfalls wünschenswert, daß der Schalter kompakt, zuverlässig und preisgünstig ist. Vorzugsweise sollte ein derartiger Schalter eine Kompatibilität PIN für PIN mit einem mechanischen Schalter, wie beispielsweise das Modell HP 33311 B/C, zeigen, welchen er ersetzen soll. Die vorliegende Erfindung erreicht diese Zielsetzungen.

Überblick über die Erfindung

Der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 festgelegt.
Ein elektronischer Schalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt folgende Merkmale:
a) wenigstens einen ersten und zweiten elektronischen Schalter mit jeweils zwei HF-Toren, von denen einer das Eingangstor und der andere das Ausgangstor festlegt;
b) eine Übertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz und einer elektrischen Länge l&sub1; in Kaskadenschaltung mit dem Ausgangstor des ersten Schalters;
c) eine zweite Übertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz und einer elektrischen Länge l&sub2; in Kaskadenschaltung mit dem Eingangstor des zweiten Schalters; und
d) wenigstens eine Nebenschluß-PIN-Diode, die in Kaskadenschaltung mit der ersten und zweiten Übertragungsleitung liegt und an eine Vorspannschaltung angeschlossen ist.
Die charakteristische Impedanz und elektrischen Längen l&sub1;, l&sub2; der ersten und zweiten Übertragungsleitung sind ausgewählt, um eine Eingangsimpedanz und eine Ausgangsimpedanz innerhalb vorgestimmter Impedanzbereiche zu schaffen. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt es ein gemeinsames Tor und zwei geschaltete Tore, wobei die elektronischen Schalter einen ersten, zweiten und dritten GaAs-MMIC-FET-Schalter umfassen. Zwei PIN-Dioden, welche ein erstes PIN-Dioden-Paar festlegen, sind parallel zueinander geschaltet, wobei die Anoden des ersten Paares der PIN-Dioden mit einem ersten geschalteten Tor des ersten GaAs-MMIC-FET-Schalters verbunden sind. Zwei zusätzliche PIN-Dioden, welche ein zweites Paar von PIN-Dioden bilden, sind parallel zueinander geschaltet, wobei die Anoden des zweiten Paares der PIN-Dioden mit einem zweiten geschalteten Tor des ersten GaAs-MMIC-FET-Schalters verbunden sind. Das erste geschaltete Tor des zweiten GaAs-MMIC-FET-Schalters ist an die Anoden des ersten Paares von PIN-Dioden angeschlossen. Ein zweites geschaltetes Tor des zweiten GaAs- MMIC-FET-Schalters ist durch eine erste Widerstandslast gegen Masse geschaltet. Die Anoden des zweiten Paares von PIN-Dioden sind an ein erstes geschaltetes Tor des dritten GaAs-MMIC-FET-Schalters angeschlossen. Das zweite geschaltete Tor des dritten GaAs-MMIC-FET-Schalters ist durch eine zweite Widerstandslast gegen Masse geschaltet. Die Vorspannschaltung liefert ein Niveau einer Gleichstromvorspannung an die PIN-Dioden und die GaAs-MMIC-FET-Schalter.
Bei dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Schalter GaAs-MMIC-FET-SPDT- Schalter. Gleichfalls wird bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel die PIN-Diode mit einer Vd-Anpaßschaltung vorgespannt, welche nachfolgend vollständig beschrieben wird. Das am meisten bevorzugte Ausführungsbeispiel ist PIN für PIN kompatibel mit dem mechanischen Schalter HP 33311 B/C.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines zweistufigen hybriden GaAs-MMIC-FET-PIN-Dioden-Übertragungsschalters zur Verdeutlichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines einstufigen hybriden GaAs-MMIC-FET-PIN-Dioden-Übertragungsschalters zur Verdeutlichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3A, 3B, 3C zeigen eine beispielshafte Topologie des zweistufigen hybriden GaAs-MMIC-FET-PIN-Dioden- Übertragungsschalters gemäß Fig. 1.
Fig. 4A, 4B zeigen die Topologie des bevorzugtesten Ausführungsbeispiels eines hybriden Viel-Tor GaAs- MMIC-FET-PIN-Dioden-Schalters gemäß der Erfindung.
Fig. 5A, 5B, 5c zeigen eine bevorzugte Implementierung der Vorspannschaltung des Schalters gemäß Fig. 4.
Fig. 6A, 6B sind schematische Diagramme des Schalters gemäß Fig. 4.
Fig. 7 zeigt ein bevorzugtes Gehäuse für den Schalter gemäß Fig. 4.
Fig. 8A bis 8D sind graphische Darstellungen zum Verdeutlichen des Betriebsverhaltens des Schalters gemäß Fig. 4.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Nunmehr wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. In Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines hybriden zweistufigen GaAs-MMIC-FET-PIN-Diodenschalters 10 dargestellt, welcher die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verdeutlicht. Der beispielshafte Schalter, der hier gezeigt und beschrieben wird, dient zum Schalten von Signalen durch einen Testling 52 oder um diesen herum, d.h. zum Schalten des Gerätes 52 in eine Schaltung und aus dieser heraus. Man wird jedoch erkennen, daß der Schalter 10 ebenso wie sämtliche Ausführungsbeispiele der hier beschriebenen Erfindung verwendet werden kann, um Signale von einem Weg zu einem anderen zu leiten. Der beispielshafte Schalter 10 umfaßt zwei GaAs-MMIC-Einzel-Pol-Doppel-Schaltungs- (SPDT) -FET-Schalter 12, 14, die mit zwei Übertragungsleitungen 16, 18 in Reihe geschaltet sind. Die Annode einer Nebenschluß-PIN-Diode 20 ist mit der Verbindung der ersten und zweiten Übertragungsleitung 16, 18 verbunden, wie dies gezeigt ist. Die Übertragungsleitungen 16, 18 können abweichend hiervon eine einzige Leitung sein, die ungefähr in ihrer Mitte mit einem Abgriff derart versehen ist, daß deren Mitte durch die Annode der PIN-Diode 20 abgegriffen wird.
Die beiden Schalter 12, 14 umfassen vorzugsweise jeweils drei HF-Tore. Ein Beispiel eines derartigen Schalters ist das Modell SW-200, welches oben beschrieben worden ist. Bezugnehmend auf den Schalter 12 ist das "HFGemeinsam"- Tor oder "Gemeinsam" Tor mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet (Bezugszeichen 32 für den Schalter 14), wobei die beiden geschalteten HF-Tore HF&sub1; und HF&sub2; mit den Bezugszeichen 22 bzw. 24 bezeichnet sind (Bezugszeichen 36 bzw. 34 für den Schalter 14). Der Schalter 12 wird durch Anlegen geeigneter Steuersignale gesteuert, um die Anschlüsse A, B zu steuern (die mit den Bezugszeichen 28, 30 versehen sind). In ähnlicher Weise wird der Schalter 14 durch Anlegen von geeigneten Steuersignalen gesteuert, um die Anschlüsse A und B (die mit den Bezugszeichen 38 bzw. 40 versehen sind) zu steuern.
Der GaAs-MMIC-FET-Schalter umfaßt eine Reihen-Nebenschluß- FET-Konfiguration, wie dies in den Blöcken 150 und 150' von Fig. 6 gezeigt ist. Im Falle des Isolations-Zustandes (hoher Verlust) ist der Reihen-FET 13 offen und liefert eine Niederfrequenzisolation. Der Nebenschluß-FET 15 liefert einen Hochfrequenznebenschluß, der bei Phasendrehung durch die Viertel-Wellenlängen-Leitung 16 (Fig. 1), welche an die PIN-Diode 20 angeschlossen ist (Dioden 82, 82' von Fig. 6A und 6B) als hoher Quellwiderstand erscheint. Die Diode 20 ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, um eine niedrige Impedanz zu liefern.
In dem Zustand niedrigen Verlustes bewirkt die vorwärts gerichtete Vorspannung des Gate-Source-Überganges des FET 13, daß der Gatestrom fließt. Die Spannung am Widerstand 48 (den Widerständen 128, 128' in den Fig. 6A und 6B) ist derart gewählt, daß sowohl die PIN-Diode 20 in Rückwärtsrichtung vorgespannt wird als auch eine Gleichspannung von 0 Volt an der Drainleitung 26 aufrecht erhalten wird, so daß der gleiche Strom gezogen wird, welcher in das Gate des in Reihe geschalteten FET 13 fließt. Hierdurch wird verhindert, da Vgs die Abschnürspannung der in Reihe geschalteten FETs erreicht, selbst wenn große Hochfrequenzsignale vorliegen.
Die Widerstände 46, 48, die PIN-Diode 42 und der Kondensator 44 bilden eine Gleichspannungsvorspannschaltung für die Vorspannungsbeaufschlagung der PIN-Diode 20. Wie gezeigt ist, ist der Widerstand 48 mit einer Gleichspannungsquelle B+ und mit der Anode der PIN-Diode 20 verbunden. Die Kathode der PIN-Diode 20 ist mit einer Parallelkombination eines Kondensators 44 und einer angepaßten PIN-Diode 42 verbunden, wie dies gezeigt ist. Es sei angemerkt, daß die Kathoden der beiden PIN-Dioden 20, 42 miteinander verbunden sind. Eine Seite der Parallelkombination der Diode 42 und des Kondensators 44 ist mit einer Gleichspannungsquelle B- verbunden, während die andere Seite mit Masse verbunden ist. Die Betriebsweise dieses beispielshaften Schalters 10 und der Vorspannungsschaltung 42, 44, 46, 48 wird nachfolgend erläutert.
Wenn die Schalter 12, 14 in ihrem ausgeschalteten Zustand an dem A- und dem B- Anschluß 28, 38 bzw. 30, 40 gebracht werden, wird ein an das Tor 26 des Schalters 12 angelegtes Signal an das Tor 24 über die Übertragungsleitungen 16 und 18 in den Schalter 14 an dem Tor 36 und aus dem Schalter 14 an dem Tor 32 geleitet. Daher liegt die Vorrichtung 52 außerhalb der Schaltung, wenn sich die Schalter 12, 14 in diesem Zustand befinden. Die PIN-Diode 20 ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt und bewirkt keine wesentliche Hinzufügung zu dem Einfügungsverlust durch den Schalter.
Wenn die Schalter 12, 14 in ihren eingeschalteten Zustand gebracht werden, wird ein an das Tor 26 angelegte Signal zu dem Tor 22 durch die Vorrichtung 52 und sodann in den Schalter 14 bei dem Tor 34 und aus dem Schalter 14 bei dem Tor 32 geleitet. Die Pin-Diode 20 wird durch die Gleichspannungsvorspannschaltung derart in Vorwärtsrichtung vorgespannt, daß ein Niederimpedanz-Weg nach Masse für Hochfrequenzsignale geschaffen wird, d.h. durch die PIN-Diode 20 und den Kondensator 44. Diese Signale werden dann teilweise zurück in die Übertragungsleitung 16, 18 reflektiert. Durch die Hinzufügung der Nebenschluß-PIN-Diode 20 wird die Isolation des Signales von dem Tor 26 zu dem Tor 32 erheblich erhöht, wobei dies den einzigen Signalweg durch die Vorrichtung 52 darstellt. Daher liegt die Vorrichtung 52 in der Schaltung, wenn sich die Schalter 12, 14 in diesem Zustand befinden.
Die elektrische Länge der Übertragungsleitungen 16, 18 beträgt ungefähr 1/4 der Wellenlänge bei 6,0 GHz, wobei 6,0 GHz die höchste Frequenz des gewünschten Betriebsfrequenzbereiches ist. Diese Längen können jedoch eingestellt werden, wenn die Schaltung abgestimmt wird, um eine besser angepaßte Schaltung gemäß an sich bekannten Prinzipien zu erreichen. Die Impedanz der Übertragungsleitungen 16, 18 liegt vorzugsweise bei etwa 55 Ohm. Diese kann gleichfalls für eine verbesserte Anpassung auf 50 Ohm eingestellt werden.
Viele GaAS-MMIC-FET-Schalter einschließlich des bereits genannten Schalters SW-200 erfordern, daß eine Spannung auf der Übertragungsleitung 16, 18 niedriger als ungefähr 0,4 Volt ist. Wenn jedoch die PIN-Diode 20 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, hat sie einen Spannungsabfall von ungefähr 0,7 Volt. Die Verwendung einer Vd-Anpassungstechnik zum Schaffen einer Gleichvorspannung macht Gleichspannungsabblockungskondensatoren in den Übertragungsleitungen überflüssig, während gleichzeitig die Vorspannung auf den Übertragungsleitungen bei dem gewünschten Pegel gehalten wird. Daher verwendet eine bevorzugte Gleichvorspannungsschaltung eine derartige Technik. Die PIN-Dioden 20 und 42 sind derart angepaßt, daß die Diode 42 den gleichen Strombetrag leitet wie die PIN-Diode 20 und die Spannung an der Kathode der PIN-Diode 20 unter den Massepegel zieht. Dies hält die Spannung auf der Übertragungsleitung 16, 18 innerhalb weniger Zehntel eines Volt bei Masse. Der Kondensator 44 liefert einen Niederimpedanzweg für hochfrequente Signale nach Masse. Es ist jedoch für Fachleute offenkundig, daß andere Vorspannungsschaltungen verwendet werden können.
Nunmehr wird auf Fig. 2 Bezug genommen. In dieser Figur ist ein einstufiger hybrider GaAs-MMIC-FET-PIN-Dioden-Schalter 10' gemäß den Prinzipien der Erfindung dargestellt. Der Schalter 10' gemäß Fig. 2 verwendet einen einzigen GaAs- MMIC-FET-Schalter 12' in Reihenschaltung mit der Übertragungsleitung 16'. Die Anode der Nebenschluß-PIN-Diode 20' ist an die Übertragungsleitungen 16' und 18' angeschlossen. Das ungenutzte Tor 22' des Schalters 12' ist vorzugsweise mit einer Widerstandslast 50 mit 50 Ohm abgeschlossen. Die Prizipien der Schaltung von Fig. 1 sind ansonsten auf die Schaltung der Fig. 2 anwendbar.
Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen eine beispielshafte Topologie für einen Schalter des Types gemäß Fig. 1. Fig. 3A zeigt die physikalischen Verbindungen mit dem Schalter 12, während Fig. 3B die Verbindungen der PIN-Diode 20 und der Gleichstromvorspannungsschaltung zeigt, während wiederum Fig. 3C die Verbindungen mit dem Schalter 14 darstellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten in den Fig. 1, 3A, 3B und 3C, so daß das Schaltungslayout offenkundig ist. Die Schalter 12, 14 können an ein Substrat mit einem leitfähigen Harz oder anderen bekannten Mitteln gebondet werden, wobei auch eine Drahtbondung verwendet werden kann, um die gezeigten Verbindungen herzustellen. Es wurde entdeckt, daß eine obere Abdeckung oberhalb der Schaltung deren Betriebseigenschaften verbessert.
Die Fig. 4A und 4B, 5A bis 5C sowie 6A und 6B zeigen das am meisten bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Hybrid-GaAs- MMIC-FET-PIN-Dioden-Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 4A und 4B zeigen die Topologie des am meisten bevorzugten Ausführungsbeispieles, während die Fig. 5A bis 5C eine bevorzugte Implementierung der Vorspannungsschaltung des Schalters nach den Fig. 4A und 4B zeigt, während letztlich die Fig. 6A und EB ein schematisches Diagramm des Schalters der Fig. 4A und 4B wiedergeben. Die Prinzipien der Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 sind auf diejenigen der Fig. 4A und 4B, 5A bis 5C sowie 6A und 6B anwendbar.
Der Festkörperschalter 60 der Fig. 4A und 4B ist vorzugsweise eine Vorrichtung mit drei Toren (obgleich die Prinzipien der Erfindung auf einen Schalter mit mehr oder weniger Toren angewendet werden können), wobei ein Tor das gemeinsame Tor 62 und die weiteren Tore geschaltete Tore sind, welche mit den Bezugszeichen 64 und 66 in den Fig. 4A und 4B bezeichnet sind. Der Schalter 60 hat zwei Zustände. Der Zustand 1 liefert einen Weg mit niedrigem Verlust von dem gemeinsamen Tor 62 zu dem Tor 64 mit einer hohen Isolation zwischen dem gemeinsamen Tor 62 und dem Tor 66, wobei das Tor 66 eine gute Anpassung liefert. Der Zustand 2 liefert einen Weg niedrigen Verlustes zwischen dem gemeinsamen Tor 62 und dem Tor 66 sowie eine gute Anpassung an dem Tor 64.
Der Schalter 60 ist um das gemeinsame Tor 62 herum symmetrisch. Die Beschreibung der Betriebsweise des Schalters vom Tor 62 zum Tor 64 in beiden Zuständen stellt eine vollständige Wiedergabe des Betriebes des Schalters dar. In Fig. 4 sind diejenigen Elemente, die mit einem Apostroph auf der Seite des Tores 66 versehen sind, identisch zu den Elementen auf der Seite des Tores 64, die mit Bezugszeichen ohne Apostroph bezeichnet sind. Ferner haben die Elemente auf der Seite des Tores 64 im Zustand 1 und im Zustand 2 den gleichen Betriebszustand wie die Elemente auf der Seite des Tores 66 im Zustand 2 bzw. im Zustand 1.
Das gemeinsame Tor 62 ist mit einem ersten GaAs-MMIC-FET- Schalter 70 durch die Übertragungsleitung 68 verbunden, die einen Nennwert von 50 Ohm hat. Die Übertragungsleitung 68 ist mit dem Schalter 70 durch einen Bonddraht 72 verbunden. Der GaAs-MMIC-FET-Schalter 70 ist ein SPDT-Schalter, wobei eine Seite mit der Seite des Tores 64 durch den Bonddraht 74 und die andere Seite mit der Seite des Tores 66 durch den Bonddraht 74' verbunden ist. Der GaAs-MMIC-FET-Schalter 70 wird durch Spannungsanlegen durch die Bonddrähte 131 und 131' gesteuert. Bypasskondensatoren 124 und 124' halten eine Isolation auf den Vorspannungsleitungen 131, 131' bei.
Der GaAs-MMIC-FET-Schalter 70 ist mit einem Paar von PIN- Dioden 82, 84 durch eine Anpaßstruktur, die aus den Übertragungsleitungen 76, 78 und 80 besteht, verbunden. Die Länge und Impedanz (oder Breite) dieser Übertragungsleitungen werden vorzugsweise mit an sich bekannten Verfahren optimiert, um die optimale Rückflußdämpfung oder die optimale Impedanzanpassung in Blickrichtung auf das Tor 64 zu schaffen. Diese Leitungen kompensieren eine überschüssige Induktivität der Bonddrähte und eine überschüssige Kapazität der GaAs-MMIC- FET-Schalter und der PIN-Dioden.
Die PIN-Dioden 82, 84 sind auf einem Kondensator 164 mit 1500 pF befestigt, welcher seinerseits auf einer Masseebene befestigt ist. Die Kathoden der Dioden sind auf dem Kondensator befestigt, während die Anoden in einem Nebenschluß mit den Übertragungsstrukturen 80, 88 und einen Goldnetz 86 liegen.
Die PIN-Dioden 82, 84 sind gleichfalls an einen zweiten GaAs-MMIC-FET-Schalter 150 durch Übertragungsleitungen 88, 90, 92 angeschlossen, welche in der gleichen Weise wie die Leitungen 76, 78, 80 optimiert sind, um die Rückflußdämpfung am Tor 64 zu minimieren. Die Leitung 92 ist mit einem von zwei SPDT-Ausgängen des GaAs-MMIC-FET-Schalters 150 durch einen Bonddraht 94 verbunden. Der andere Ausgang ist durch den Bonddraht 148 mit der Goldkontaktstelle 140 verbunden. Die Goldkontaktstelle 140 ist an einen Widerstand 142 mit 47,5 Ohm angeschlossen, welcher an Masse durch eine Bandbondverbindung 144 angeschlossen ist.
Der gemeinsame Ausgang des GaAs-MMIC-FET-Schalters 150 ist durch eine Bandbondung 98 an die Übertragungsleitung 100 angeschlossen. Die Leitung 100 ist an die Leitung 102 angeschlossen, die an die Leitung 104, die Bandbondung 120 und den Bonddraht 112 angeschlossen ist. Der Bonddraht 112 stellt eine Verbindung mit der Anode der PIN-Diode 110 her.
Die Kathode der PIN-Diode 110 ist mit der Kathode einer Zenerdiode 116 verbunden. Die Anode der Zenerdiode 116 ist mit Masse verbunden. Die Leitung 104 ist mit der Leitung 106 und mit der Kathode der PIN-Diode 108 verbunden. Die Anode der PIN-Diode 108 ist mit der Anode der Zenerdiode 118 durch einen Bonddraht 114 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode 118 ist gegen Masse gelegt.
In der in dem vorhergehenden Absatz beschriebenen Struktur wird keine der Dioden (d.h. der PIN-Dioden 108, 110 und der Zenerdioden 116, 118) bei dem normalen Betrieb des Schalters verwendet. Sie liefern einen Schutz des empfindlichen GaAs- MMIC-FET-Schalters in der Form eines Spannungsbegrenzers, welcher die Spannung auf 0,7 Volt oberhalb der Zenerspannung in jeder Polarität festhält, wobei dies im vorliegenden Fall +/- 6,2 Volt bedeutet. Die Leitungen 102, 104, 106 und das Band 120 sind für einen minimalen Rückkehrverlust bzw. eine minimale Rückflußdämpfung an dem Tor 64 optimiert.
Die Übertragungsleitung 122 ist mit dem Verbinder an dem Tor 64 (nicht dargestellt) verbunden, um die Schaltung an der Seite des Tores 64 des Schalters zu vervollständigen. Die Vorspannung für die GaAs-MMIC-FET-Schalter 70, 150, 150' wird an den PINs 136, 136' von der in Fig. 5B dargestellten und nachfolgend beschriebenen Vorspannungsschaltung geliefert. Die Vorspannungen werden an die richtigen Vorspannungspunkte durch Leitungen 152, 154, 152' und 154' verteilt. Diese Leitungen sind von der Seite des Tores 64 zu der Seite des Tores 66 durch ein Netzwerk von Reihenwiderständen 126, 127, 133, 156, 127', 156', 126', 133' und Bypasskondensatoren 123, 125, 129, 130, 123', 125', 129', 130' isoliert. Die Vorspannung für die PIN-Dioden wird an den Pins 132, 134, 132', 134' geliefert. Der PIN 132 ist mit dem Kondensator 146 durch den Widerstand 138 verbunden. Der PIN 134 ist mit den Anoden der PIN-Dioden 82, 84 durch das Netzwerk des Kondensators 158 und des Widerstandes 128 verbunden.
Der Zustand 1 wird erhalten, indem der GaAs-MMIC-FET-Schalter 150 derart vorgespannt wird, daß die mit dem Widerstand 142 verbundene Seite isoliert ist, wobei die entgegengesetzte Seite den Durchgangsweg bildet. Die PIN-Dioden 82, 84 werden in Rückwärtsrichtung vorgespannt, um einen sehr niedrigen Verlust zu bilden, indem der PIN 132 in positiver Richtung und der PIN 134 in negativer Richtung vorgespannt werden.
Auf der Seite des Tores 66 liefert der GaAs-MMIC-FET-Schalter 70 einen Kurzschluß für die Leitung 76', wobei die PINDioden 82', 84' in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind, um gleichfalls einen Kurzschluß zu schaffen, indem der Stift 132' in negativer Richtung und der PIN 134' in positiver Richtung vorgespannt werden. Der GaAs-MMIC-FET-Schalter 150 liefert einen Kurzschluß an dem Draht 94' und ist zu dem Draht 98' hin isoliert (offen). Dies liefert einen sehr hohen Einfügungsverlust zwischen dem Tor 66 und dem Tor 62, wenn sich der Schalter 60 in dem Zustand 1 befindet. Der breitestbandige Verlust wird erhalten, wenn die Entfernung zwischen den GaAs-MMIC-FET-Schaltern 70, 150, 150' und den PIN-Dioden 82, 84, 82', 84' sich an 1/4 der Wellenlänge bei der höchsten Betriebsfrequenz annähert. Die Übertragungsleitungen 76', 78', 80', 88', 90' und 92' sind vorzugsweise mit bekannten Mitteln optimiert, um einen maximalen Einfügungsverlust bei dem Schalterzustand 1 zu erzielen.
Das Tor 66 liefert eine gute Hochfrequenzanpassung, indem der GaAs-MMIC-FET-Schalter 150' durch den Draht 148' an das Widerstandsnetzwerk der Kontaktstelle 140', des Dünnfilmwiderstandes 142' und Masse 144' angeschlossen wird. Die Kontaktstelle 140' und der Widerstand 142' sind mittels bekannter Einrichtungen optimiert, um einen minimalen Rückkehrverlust bzw. eine minimale Rückflußdämpfung an dem Tor 66 zu erreichen.
Letztlich sind die Gates der GaAs-MMIC-FET-Schalter 70, 150, 150' durch Anlegen einer Spannung an die PINs 136, 136' in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Hierdurch wird in einem erheblichen Umfang die Leistungshandhabungsfähigkeit des Schalters 60 erhöht, indem Hochfrequenzselbstvorspannungseffekte in den GaAs-MMIC-FET-Schaltern beschränkt werden. In den inneren, in Reihe geschalteten FETs der Schalter, die in dem Zustand des niedrigen Verlustes vorliegen, wird der Gatestrom durch das Drain entfernt, indem der PIN 134 in negativer Richtung mit einer Spannung beaufschlagt wird, die den Gatestrom durch den Widerstand 128 gerade herauszieht. Die Spannung wird derart gewählt, daß 0 Volt auf der Übertragungsleitung 88 beibehalten werden. Sämtliche Gleichstromdurchgänge sind mit integrierten Bypasskondensatoren 159, 160, 161, 159', 160', 161' (mit einem Wert von 10.000 pF) versehen, um Isolationen zwischen den Vorspannungswegen zu schaffen.
Bei der in den Fig. 6A und 6B gezeigten Schaltung haben die Schaltungskomponenten folgende Werte: die Kondensatoren 129, 129', 130, 130' und 158, 158' haben vorzugsweise ungefähr 80 pF. Die Kondensatoren 146, 146' haben vorzugsweise ungefähr 1.500 pF. Die Widerstände 126, 126', 127, 127' und 133, 133' haben vorzugsweise ungefähr 200 Ohm; die Widerstände 128, 128' und 156, 156' haben vorzugsweise ungefähr 650 Ohm; die Widerstände 138, 138' haben vorzugsweise ungefähr 450 Ohm. Die Kondensatoren 123, 123', 124, 124' und 125, 125' haben ungefähr 80 pF.
Nunmehr wird auf die Figuren 5A bis 5C Bezug genommen. Hier ist eine bevorzugte Implementierung der bereits erwähnten Vorspannungsschaltung gezeigt. Die PlNs zum Herstellen einer Verbindung mit dem hybriden Schalter gemäß den Fig. 4A und 4B sind mit den Bezugszeichen 132, 134, 136, 132', 134' und 136' versehen. Vorzugsweise sind diese an Stifte mit den gleichen Bezugszeichen innerhalb der Schaltung der Fig. 4A und 4B angeschlossen. Wie dies gezeigt ist, umfaßt die Vorspannungsschaltung drei Abschnitte: einen FET-Gate-Vorspannungsabschnitt 210; einen PIN-Vorspannungsabschnitt 212; und einen Leistungsversorgungsabschnitt 180. Der Leistungsversorgungsabschnitt 180 führt Spannungen E1 bis E4 zu, die durch die Abschnitte 210 und 212 verwendet werden. Der Abschnitt 212 liefert eine Vorspannung an die GaAs-MMIC-FET- Schalter 70, 150. 150'; der Abschnitt 212 liefert eine Vorspannung an die PIN-Dioden 82, 84, 82', 84'. Die normale Betriebsspannung und der Strom für den Zustand 1 eines jeden PINs sind in der unten gezeigten Tabelle 1 zusammen mit bevorzugten Werten für die Schaltungskomponenten dargestellt. Unterschiedliche Verfahren können zur Erhaltung unterschiedlicher Spannungen verwendet werden, wobei jedoch dieses Schema und diese Spannungen verwendet worden sind, um eine PIN-zu-PIN-Kompatibilität mit dem mechanischen Schalter HP 33311 B/C zu erzeugen, welcher den Schalter gemäß Fig. 4 ersetzen kann. Die kompakte Abmessung der Schaltung und das Hybridgehäuse (welches unten erläutert wird) ermöglichen es, daß dieses als Einsteckersatz für den mechanischen Schalter HP 33311 B/C dient. Die einzige kritische Schaltung innerhalb der Vorspannungsschaltung ist die Anordnung der Kondensatoren C7 und C8. Diese Kondensatoren werden verwendet, um einen Tieffrequenzbypass der Gatevorspannungsleitungen zu bilden und sollten innerhalb von ungefähr 1 Inch bezogen auf die Gleichspannungsdurchführung liegen, um zu verhindern, daß eine parasitäre Induktivität einen Parallelresonanzkreis zwischen den Gleichspannungsdurchführungskondensatoren und den Kondensatoren 161 oder 161' bildet. Fachleute erkennen, daß die Vorspannungsschaltung nach den Figuren 5A bis 5C eine Vd Anpassungstechnik verwendet, wie sie bereits beschrieben worden ist. Der Widerstand R7 wird verwendet, um einen großen Spannungsstrom von der +3,7-Volt-Versorgung zu der -9,1-Volt-Versorgung während der Schaltübergänge zu verhindern, oder für den Fall, daß beide Eingänge (E7 und E8) offen gelassen werden. Während des Betriebes muß einer der Eingänge auf Masse gelegt sein, während der andere geöffnet sein muß.
Innerhalb des Leistungsversorgungsabschnittes 180 liefert die Vorrichtung 182 ein geregeltes Treiben für positive Spannungserfordernisse, während die Vorrichtung 184 eine Spannungsinversion für eine negative Versorgung schafft, wobei die Vorrichtung 186 die negative Versorgung regelt. Die Chips 188, 190, 192, 194, 196, 198, 200 und 202 sind Schalter, die die richtige Vorspannung an die Hybrid-Vorspannungs-PINs weiterleiten. Tabelle 1 Komponente oder Bezugszeichen Beschreibung Teile Nummer TC703 Teile Nummer 5082-0001 LM317 Spannungsregulator S17661 Spannungswandler LM337 Spannungsregulator DG411 Schalter niederer Eingang hoher Eingang 5,1 V Zenerdiode 13 V Zenerdiode
Die Fig. 6A und 6B zeigen ein schematisches Diagramm der Schaltung der Fig. 4A und 4B. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten in den Fig. 4 und 6, so daß Schaltungsdetails offenkundig sind. Der Wert des Kondensators C in Fig. 6A und 6B ist 80 pF, wobei der Wert des Widerstandes R 200 Ohm beträgt.
In Fig. 7 ist ein bevorzugtes Gehäuse für die Schaltung der Fig. 4A und 4B gezeigt. Wie oben diskutiert worden ist, ist das Gehäuse für eine Einsteckkompatiblität zwischen der in Fig. 4 gezeigten Schaltung und dem mechanischen Schalter HP 33311 B/C entworfen. Die Tore 62, 64, 66 entsprechen denjenigen gemäß Fig. 4, wobei die Schaltung 60 einschließlich einer Abdeckung 61 gezeigt sind.
Die Fig. 8A bis 8D zeigen das Verhalten des Schalters gemäß den Fig. 4A und 4B. Die Fig. 8A zeigt die Rückflußdämpfung im eingeschalteten Zustand, wie sie bei dem Hochfrequenztor 1 gemessen wird. Die Fig. 8B zeigt die Rückflußdämpfung im ausgeschalteten Zustand, wie sie an dem Hochfrequenztor 1 gemessen wird. Die Fig. 8C zeigt die Isolation des Schalters im ausgeschalteten Zustand. Die Fig. 8D zeigt den Einfügungsverlust des Schalters im eingeschalteten Zustand.

Claims

1. Ein hybrider GaAs-MMIC-FET-PIN-Dioden-Elektronikschalter, umfassend:

(a) wenigstens einen GaAs-MMIC-FET-Schalter (12; 12') mit einem ersten Hochfrequenztor (24; 22'), einem zweiten Hochfrequenztor (22; 24') und einem Steueranschluß (28 oder 30; 28' oder 30');

(b) eine erste Übertragungsleitung (16, 16') mit einer ersten charakteristischen Impedanz und elektrischen Länge (11) in Reihenschaltung mit dem ersten Hochfrequenztor (24; 22') des GaAs-MMIC-FET-Schalters (12; 12');

(c) eine zweite Übertragungsleitung (18; 18'), die an die erste Übertragungsleitung (16; 16') angeschlossen ist, wobei die zweite Übertragungsleitung (18; 18') eine zweite charakteristische Impedanz und elektrische Länge (12) hat; und

(d) wenigstens eine PIN-Diode (20; 20'), die an die Verbindung der ersten und zweiten Übertragungsleitung (16, 18; 16', 18') angeschlossen ist und die gleichfalls an eine Vorspannungsschaltung (42, 44, 46, 48; 42', 44', 46', 48') angeschlossen ist, wobei die erste und zweite charakteristische Impedanz und die erste und zweite elektrische Länge (11, 12) der ersten und zweiten Übertragungsleitung (16, 18; 16', 18') ausgewählt sind, um eine Eingangsimpedanz und eine Ausgangsimpedanz an den Hochfrequenztoren innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu schaffen.

2. Der Elektronikschalter nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten GaAs-MMIC-FET-Schalter (14) mit einem dritten Hochfrequenztor (34); einem vierten Hochfrequenztor (36) und einem zweiten Steueranschluß (38 oder 40), wobei das vierte Hochfrequenztor (36) mit der zweiten Übertragungsleitung (18) derart verbunden ist, daß die zweite Übertragungsleitung (18) zwischen die erste Übertragungsleitung (16) und den zweiten GaAs-MMIC-FET-Schalter (l4) geschaltet ist.

3. Der Elektronikschalter nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine GaAs-MMIC-FET-Schalter (12') einen ersten FET mit Drain, Source und Gate hat, wobei entweder Drain oder Source des ersten FET mit dem ersten Hochfrequenztor (22') verbunden ist, und ferner einen zweiten FET mit Drain, Source und Gate hat, wobei entweder Drain oder Source des zweiten FET an den anderen Anschluß von Drain und Source des ersten FET an einen Verbindungspunkt angeschlossen ist, wobei der andere Anschluß von Drain und Source des zweiten FET an das zweite Hochfrequenztor (24') angeschlossen ist und das Gate des zweiten FET an einen dritten Steueranschluß (28' oder 30') angeschlossen ist, wobei der Verbindungspunkt des ersten und zweiten FET an das gemeinsame Hochfrequenztor (26') angeschlossen ist, um einen elektronischen Übertragungsschalter zu schaffen.

4. Der Elektronikschalter nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine GaAs-MMIC-FET-Schalter (12) einen ersten FET mit Drain, Source und Gate hat, wobei entweder Drain oder Source des ersten FET an das erste Hochfrequenztor (24') angeschlossen ist, und ferner einen zweiten FET mit Drain, Source und Gate hat, wobei entweder Drain oder Source des zweiten FET an den anderen Anschluß des Drain oder der Source des ersten FET an einem Verbindungspunkt angeschlossen ist, wobei der andere Anschluß von Drain und Source des zweiten FET an das zweite Hochfrequenztor (22) angeschlossen ist und das Gate des zweiten FET an einen vierten Steueranschluß (28 oder 30) angeschlossen ist, wobei der Verbindungspunkt des ersten und zweiten FET an ein erstes gemeinsames Hochfrequenztor (26) angeschlossen ist, ferner mit einem zweiten GaAs-MMIC-FET-Schalter (14), welcher einen dritten FET mit Drain, Source und Gate umfaßt, wobei entweder Drain oder Source des dritten FET an ein drittes Hochfrequenztor (34) angeschlossen ist und das Gate des dritten FET an einen fünften Steueranschluß (38 oder 40) angeschlossen ist, und ferner mit einem vierten FET mit Drain, Source und Gate, wobei entweder das Drain oder die Source des vierten FET an den anderen Anschluß von Drain und Source des dritten FET an einem zweiten Verbindungspunkt angeschlossen ist, wobei der andere Anschluß des Drain oder der Source des vierten FET an ein viertes Hochfrequenztor (36) angeschlossen ist und das Gate des vierten FET an einen sechsten Steueranschluß (38 oder 40) angeschlossen ist, wobei der zweite Verbindungspunkt an ein zweites gemeinsames Hochfrequenztor (32) angeschlossen ist, wobei das vierte Hochfrequenztor (36) an die zweite Übertragungsleitung (18) derart angeschlossen ist, daß die zweite Übertragungsleitung (18) zwischen der ersten Übertragungsleitung (16) und dem zweiten GaAs-MMIC-FET-Schalter (14) geschaltet ist, um einen elektronischen Übertragungsschalter zu schaffen.

5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorspannungsschaltung eine Vd-Anpassung verwendet, wobei ein Gleichspannungspegel von weniger als 0,4 Volt auf der ersten und zweiten Übertragungsleitung (16, 18; 16') vorliegt.

6. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem (l&sub1; und l&sub2;) ungefähr einer viertel Wellenlänge bei der höchsten Betriebsfrequenz sind.

7. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und zweite charakteristische Impedanz ungefähr 50 Ohm beträgt.

8. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorspannungsschaltung folgende Merkmale umfaßt:

(a) einen ersten Widerstand (48; 48'), der zwischen eine erste Quelle eines vorwärts gerichteten Vorspannungsgleichstromes und einen ersten Anschluß der ersten PIN-Diode (20; 20') geschaltet ist;

(b) einen Kondensator (44; 44'), der zwischen einem zweiten Anschluß der ersten PIN-Diode (20; 20') und Masse geschaltet ist;

(c) eine zweite PIN-Diode (42; 42'), deren erster Anschluß an den Kondensator (44; 44') und an den zweiten Anschluß der ersten PIN-Diode (20; 20') angeschlossen ist und deren zweiter Anschluß an Masse geschaltet ist; und

(d) einen zweiten Widerstand (46; 46'), der zwischen dem ersten Anschluß der zweiten PIN-Diode (42; 42') und einer zweiten Quelle eines vorwärts gerichteten Vorspannungsgleichstromes geschaltet ist.

9. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorspannungsschaltung eine Selbstvorspannung der GaAs-MMIC-FET-Schalter (12, 14; 12'; 70, 150, 150') in einem Zustand eines niedrigen Verlustes bei hoher Hochfrequenztreiberleistung verhindert.