DE69904929T2 - Hochfrequenzschalter - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Hochfrequenzschalter, die wirken, um Hochfrequenzsignale von einem Eingang des Schalters abhängig von einem an einem Steuereingang des Schalters angelegten Schaltsignal zu einem Ausgang des Schalters zu übermitteln.
• Schalter für Hochfrequenzsignale müssen wirken, um sowohl an einen Eingang des Schalters angelegte Hochfrequenzsignale zu isolieren, wenn er sich in einem "Aus"-Zustand befindet, als auch dagegen einen effektiven Durchlaß für die Hochfrequenzsignale bereitzustellen, wenn sich der Schalter in einem "Ein"- Zustand befindet. Hochfrequenzschalter müssen ein erstes technisches Problem überwinden, um den Eingang des Schalters effektiv vom Ausgang zu isolieren, wenn sich der Schalter im "Aus"-Zustand befindet. Ein zweites technisches Problem bei derzeitigen Hochfrequenzschaltern besteht darin, daß sie ein Umschalten vom "Ein"-Zustand in den "Aus"-Zustand nicht in einer Zeit ermöglichen, die kurz genug ist, damit nur eine vorbestimmte Hochfrequenzenergiemenge zum Ausgang durchgelassen wird.
• Weiterhin ist es bekannt. Hochfrequenzsignale abhängig von einem Schaltsignal zwischen zwei unabhängigen Antennen umzuschalten. US-A-4499606 ist ein Beispiel für einen solchen Schalter. Hierbei werden alle Halbleiterdioden als ein einziger Halbleiterbaustein ausgebildet, und die an die Halbleiterdioden angelegte Vorspannung wird durch ein digitales Logikmittel gesteuert.
• Ein Beispiel für einen bekannten Hochfrequenzschalter ist in dem in Fig. 1 gezeigten Schaltbild dargestellt. In Fig. 1 weist ein Hochfrequenzschalter 1 einen Eingang 2 und einen Ausgang 4 und einen zwischen zwei weiteren Anschlüssen 6 und 8 ausgebildeten Steuereingang auf. Der Hochfrequenzschalter 1 besteht aus einer Halbleiterdiode 10, die über Entkopplungs kondensatoren 12, 14 zwischen den Eingang 2 und den Ausgang 4 geschaltet ist. Die Steuereingangsanschlüsse 6, 8 sind über eine erste bzw. zweite Hochfrequenzdrossel 16, 18 über die Kathode bzw. Anode der Diode 10 geschaltet. Im Betrieb verhindert der in Fig. 1 gezeigte bekannte Hochfrequenzschalter, daß an den Eingangsanschluß 2 angelegte Signale den Ausgangsanschluß 4 erreichen, während sich die Diode 10 in einem Aus-Zustand befindet. Der Aus-Zustand wird deshalb durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen die Steuereingangsanschlüsse 6, 8 erzielt, so daß die Diode 10 in Sperrichtung vorgespannt wird. Folglich werden an den Eingangsanschluß 2 angelegte Hochfrequenzsignale zu dem Ausgangsanschluß 4 übertragen, während die Diode 10 leitend ist, was durch Anlegen einer entsprechenden Gleichspannung zwischen die Eingangssteueranschlüsse 6, 8 erzielt wird, die die Wirkung einer Vorspannung der Diode 10 in Vorwärtsrichtung hat.
• Ein Nachteil bei dieser bekannten Form von Hochfrequenzschalter besteht darin, daß, wenn sehr hochfrequente Signale an einen Eingang des Schalters angelegt werden, die Hochfrequenzdrosseln 16, 18 möglicherweise nicht verhindern können, daß Hochfrequenzsignale von dem Eingangsanschluß 2 durch die Hochfrequenzdrosseln 16, 18 über die Anschlüsse 6 und 8 den Ausgang 4 des Schalters 1 erreichen und dadurch die Diode 10 umgehen. Für Signale im Bereich zwischen 1 und 10 GHz wäre diese Anordnung deshalb nicht befriedigend. Alternativ dazu könnte man eine größere Hochfrequenzisolation durch Vergrößern der Induktivität der Hochfrequenzdrosseln 16, 18 erzielen. Dies hätte jedoch den Nachteil, daß die Zeit, die benötigt wird, damit die Diode 10 leitet, zunimmt, so daß es länger dauert, bis der Schalter 1 von einem "Aus"- zum "Ein"-Zustand wechselt. Folglich ist der bekannte Hochfrequenzschalter 1 möglicherweise nicht zum Schalten eines Hochfrequenzsignals einer sehr kurzen Dauer zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 4 verwendbar.
• Die obigen Nachteile des Isolierens eines Hochfrequenzsignals zwischen einem Eingang und einem Ausgang eines Hochfrequenzschalters und des Einrichtens, daß der Schalter schnell von einem "Aus"- zu einem "Ein"- Zustand wechselt, stellen ein technisches Problem dar, an das sich die vorliegende Erfindung wendet.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Hochfrequenzschalter bereitgestellt, der wirkt, um ein Hochfrequenzsignal gemäß einem an einen Steuereingang des Schalters angelegten Steuersignal von einem Eingang des Schalters zu einem Ausgang des Schalters zu übermitteln, wobei der Hochfrequenzschalter folgendes umfaßt: ein erstes und ein zweites Paar von Halbleiterdioden, wobei das erste Paar von Halbleiterdioden in Reihe geschaltet ist, das zweite Paar von Halbleiterdioden ebenfalls in Reihe geschaltet ist und das erste Paar mit dem zweiten Paar parallel geschaltet ist und der Eingang des Hochfrequenzschalters an einen Schaltungsknoten zwischen dem ersten Paar von Halbleiterdioden angekoppelt ist und der Ausgang des Hochfrequenzschalters an einen Schaltungsknoten zwischen dem zweiten Paar von Halbleiterdioden angekoppelt ist; und ein digitales Logikmittel mit einem ersten Ausgang, das eine erste Gleichspannung erzeugt, und einem zweiten Ausgang, der eine Umkehrung der ersten Gleichspannung erzeugt, und einem an dem Steuereingang des Hochfrequenzschalters angekoppelten Aktivierungseingang, wobei der erste Ausgang des digitalen Logikmittels an eine Kathode jedes der Paare in Reihe geschalteter Halbleiterdioden angekoppelt ist und der zweite Ausgang des digitalen Logikmittels an eine Anode jedes der Paare von in Reihe geschalteten Halbleiterdioden angekoppelt ist und die erste Spannung und die Umkehrung der ersten Spannung die Wirkung haben, die Halbleiterdiode in Sperrichtung vorzuspannen, wenn sich das digitale Logikmittel in einem ersten Zustand befindet, und als Folge einer Änderung des dem Aktivierungseingang des digitalen Logikmittels zugeführten Steuersignals das digitale Logikmittel zu einem zweiten Zustand wechselt, indem der erste Ausgang die Umkehrung der ersten Spannung und der zweite Ausgang die erste Spannung erzeugt, wodurch die Halbleiterdiode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Eingang des Schalters mit dem Ausgang des Schalters verbunden wird;
• dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Paar von Halbleiterdioden in getrennten Halbleiterbausteinen hergestellt werden, wodurch die Hochfrequenzisolation zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Schalters wesentlich verbessert wird.
• Durch Verwendung eines digitalen Logikmittels zum Vorspannen der Diode in Sperrichtung, wenn sich der Schalter im Aus-Zustand befindet, und zum Vorspannen der Diode in Vorwärtsrichtung, wenn sich der Schalter in dem Ein-Zustand befindet, kann eine Hochfrequenzisolation bewirkt werden, während als Ergebnis des vergleichsweise schnellen Betriebs des digitalen Logikmittels eine schnelle Schaltzeit bereitgestellt wird. Das digitale Logikmittel kann digitale Logikgatter umfassen, die gemäß der emittergekoppelten Logik hergestellt werden. Das digitale Logikmittel kann ein Flipflop sein. Das Flipflop kann ein D-Flipflop sein.
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Hochfrequenzschalters,
• Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Hochfrequenzschalters.
• In Fig. 2 ist ein Hochfrequenzschalter 20 gezeigt, der aus einem D-Flipflop 22 besteht, das einen Q- und einen -Ausgang aufweist, die dazu dienen, Gleichspannungen von +V bzw. -V zu erzeugen, wenn der Steuereingang (D) 24 auf einer niedrigen Gleichspannung liegt, wenn der aktive Übergang eines an dem Takteingang 38 angelegten Taktsignals CLK erfolgt. Zwischen einen Eingang 26 des Schalters 20 und einen Ausgang 28 des Schalters 20 ist eine Diode 30 geschaltet, die über Kondensatoren 32, 34 mit dem Eingang 26 und dem Ausgang 28 wechselstromgekoppelt ist. Die Schaltung wird durch Vorspannungswiderstände R komplettiert, die bewirken, daß die Ausgänge Q und aus dem Flipflop 22 an die Anode und Kathode der Diode 30 angekoppelt werden. Die Vorspannungswiderstände R dienen dazu, die Diode 30 im Modus der Vorspannung in Sperrichtung zu halten, während das Flipflop 22 so angeordnet ist, daß es sich in einem ersten Modus befindet, in dem der Q-Ausgang die positive Gleichspannung +V und der -Ausgang die negative Gleichspannung -V erzeugt. Ein Merkmal dieses Schalters 20 besteht darin, daß das Flipflop 22 aus emittergekoppelten Logikgattern besteht, durch die das Flipflop eine Schaltzeit in der Größenordnung von 50 ps erhält. Es ist jedoch erkennbar, daß auch andere aktive Halbleiterkomponenten und Logikkonstruktionen verwendet werden könnten. Wenn ein Schaltimpuls 36 empfangen und an den Eingang 24 des Flipflops 22 angelegt wird, schaltet sich das Flipflop beim aktiven Übergang eines an den Takteingang 38 angelegten Taktsignals CLK ein, so daß der -Ausgang positiv +V ist, während der Q- Ausgang negativ -V ist. Dies hat den Effekt, die Diode 30 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, so daß die Diode 30 leitet, was wiederum den Effekt hat, daß der Eingang 26 mit dem Ausgang 28 verbunden wird, wodurch das Signal von dem Eingang 26 zum Ausgang 28 weitergeleitet wird, während sich der Steuereingang 24 in dem High- Zustand befindet. Mit dieser Schalteranordnung kann eine Schaltzeit in der Größenordnung von 50 Picosekunden erreicht werden, so daß der Hochfrequenz Schalter 20 einen Hochfrequenzimpuls mit einer Dauer in der Größenordnung von 500 ps übermitteln kann, während eine durch das Schalten verursachte Verzerrungsperiode in der Größenordnung von nur 10% dieser Dauer liegt.
• Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei Teile, die auch in Fig. 2 erscheinen, identische numerische Kennzeichnungen tragen. Der in Fig. 3 gezeigte Hochfrequenzschalter ist derselbe Hochfrequenzschalter wie in Fig. 2, mit der Ausnahme, daß die Diode 30 durch zwei Paare von Dioden 40, 42, 44, 46 ersetzt wird und weiterhin der Eingang und Ausgang des Hochfrequenzschalters, die mit den beiden Paaren von Dioden verbunden sind. Die Diode 30 wurde durch zwei Paare in Reihe geschalteter Dioden 40, 42, 44, 46 ersetzt, wobei jedes Paar mit dem anderen Paar parallel geschaltet ist und zwischen die Ausgänge Q und des Flipflops 22 geschaltet ist. Der Eingang 26 des Hochfrequenzschalters 20 ist über den Kondensator 32 zwischen den Schaltungsknoten zwischen dem ersten Paar 40, 42 freigeschalteter Dioden geschaltet, und der Ausgang 28 des Hochfrequenzschalters ist über den Kondensator 34 mit dem Schaltungsknoten zwischen dem zweiten Paar 44, 46 in Reihe geschalteter Dioden verbunden. Das erste Paar von Dioden 40, 42 ist in einem ersten Halbleiterbaustein 50 ausgebildet, während das zweite Paar von Dioden 44, 46 in einem zweiten Halbleiterbaustein 48 ausgebildet ist.
• Ein Effekt der Anordnung des Ersetzens der Diode 30 durch das erste und das zweite Paar von Halbleiterdioden besteht darin, daß eine Hochfrequenzisolation zwischen dem Eingang 26 und dem Ausgang 28 des Schalters verbessert wird. Ansonsten ist die Funktionsweise des in Fig. 3 gezeigten Hochfrequenzschalters im wesentlichen gemäß der für Fig. 2 beschriebenen und wird also hier nicht wiederholt. Eine weitere Verbesserung der Isolation wird erzielt, indem eingerichtet wird, daß das erste und das zweite Paar von Dioden in den getrennten Halbleiterbausteinen 48, 50 hergestellt werden.
• Für Fachleute ist erkennbar, daß verschiedene Modifikationen an den obenerwähnten Ausführungsformen vorgenommen werden können, die jedoch immer noch in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims (4)

1. Hochfrequenzschalter (20), der wirkt, um ein Hochfrequenzsignal gemäß einem an einen Steuereingang (24) des Schalters angelegten Steuersignal von einem Eingang (26) des Schalters zu einem Ausgang (28) des Schalters zu übermitteln, wobei der Hochfrequenzschalter (20) folgendes umfaßt:

ein erstes und ein zweites Paar (50, 48) von Halbleiterdioden, wobei die Dioden des ersten Paars (50) von Halbleiterdioden (40, 42) in Reihe geschaltet sind, die Dioden des zweiten Paars (48) von Halbleiterdioden (44, 46) ebenfalls in Reihe geschaltet sind und das erste Paar (50) mit dem zweiten Paar (48) parallel geschaltet ist, wobei der Eingang (26) des Hochfrequenzschalters an einen Schaltungsknoten zwischen den Dioden des ersten Paars von Halbleiterdioden angekoppelt ist und wobei der Ausgang (28) des Hochfrequenzschalters an einen Schaltungsknoten zwischen den Dioden des zweiten Paars von Halbleiterdioden angekoppelt ist; und

ein digitales Logikmittel (22) mit einem ersten Ausgang (Q) , der eine erste Gleichspannung (+V) erzeugt, und einem zweiten Ausgang ( ), der eine Umkehrung der ersten Gleichspannung (-V) erzeugt, und einem Aktivierungseingang (D), der an den Steuereingang (24) des Hochfrequenzschalters (20) angekoppelt ist, wobei der erste Ausgang (Q) des digitalen Logikmittels (22) an eine Kathode jedes der Paare (50, 48) in Reihe geschalteter Halbleiterdioden (50, 48) und der zweite Ausgang ( ) des digitalen Logikmittels (22) an eine Anode jedes der Paare (50, 48) in Reihe geschalteter Halbleiterdioden (50, 48) angekoppelt ist und die erste Spannung (+V) und die Umkehrung der ersten Spannung (-V) die Wirkung haben, die Halbleiterdioden (40, 42, 44, 46) in Sperrichtung vorzuspannen, wenn sich das digitale Logikmittel (22) in einem ersten Zustand befindet, und als Folge einer Änderung des dem Aktivierungseingang (D) des digitalen Logikmittels zugeführten Steuersignals das digitale Logikmittel (22) zu einem zweiten Zustand wechselt, in dem der erste Ausgang (Q) die Umkehrung der ersten Spannung (-V) und der zweite Ausgang ( ) die erste Spannung (+V) erzeugt, wodurch die Halbleiterdioden (40, 42, 44, 46) in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden und der Eingang (26) des Schalters mit dem Ausgang (28) des Schalters verbunden wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

das erste und das zweite Paar von Halbleiterdioden (50, 48) in getrennten Halbleiterbausteinen hergestellt werden, wodurch die Hochfrequenzisolation zwischen dem Eingang (26) und dem Ausgang (28) des Schalters wesentlich verbessert wird.

2. Hochfrequenzschalter nach Anspruch 1, wobei das digitale Logikmittel (22) aus digitalen Logikgattern besteht, die gemäß der emittergekoppelten Logik hergestellt sind.

3. Hochfrequenzschalter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das digitale Logikmittel (22) ein Flipflop ist.

4. Hochfrequenzschalter nach Anspruch 3, wobei das Flipflop ein D-Flipflop ist.