EP0054645A2 - PIN diode switch - Google Patents

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EP0054645A2
EP0054645A2 EP81108177A EP81108177A EP0054645A2 EP 0054645 A2 EP0054645 A2 EP 0054645A2 EP 81108177 A EP81108177 A EP 81108177A EP 81108177 A EP81108177 A EP 81108177A EP 0054645 A2 EP0054645 A2 EP 0054645A2
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EP
European Patent Office
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pin diode
compensation
diode switch
lines
switch according
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EP81108177A
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EP0054645A3 (en
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Manfred Wondrowitz
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/10—Auxiliary devices for switching or interrupting
    • H01P1/15—Auxiliary devices for switching or interrupting by semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to a PIN diode switch with high blocking attenuation.
  • BIN diodes In the area of higher frequencies, PIN diodes are often used for switching tasks. BIN diodes have an effective resistance for HF, the size of which depends on the strength of an impressed control direct current. If no direct current flows through the PIN diode, then it only has a small, very low-loss capacity without parametric effects. The capacitance is independent of the RF voltage applied.
  • diode chain is useful for microwaves, in which PIN diodes are coupled to one another via so-called inverting elements (four-pole) - in the microwave range these are preferably A / 4 lines.
  • the "inverting" elements rotate the phase of the voltage by 90 ° at the operating frequency.
  • all diodes are grounded on one side and always have the same switching state with each other.
  • the object of the invention is to provide a PIN diode switch which, with little circuit complexity, has a high blocking attenuation and a low pass loss.
  • the object is achieved in that an arrangement with two series-connected inverting four-pole is provided between an input and an output, that a PIN diode is connected as a shunt between the individual conductors of the lines in the connection point of these four-pole and that between input and output a compensation network is connected in parallel.
  • the circuit becomes particularly simple if ⁇ / 4 lines are provided as inverting four-poles.
  • the invention is based on the knowledge that a higher blocking attenuation is possible through compensation.
  • the circuit arrangement is particularly simple and space-saving.
  • the PIN diode D is switched between two ⁇ / 4 lines.
  • a decoupling network K is connected in parallel with the ⁇ / 4 lines. With this arrangement, a blocking attenuation higher than 25 dB is achieved. RF losses are generally lower than diode networks. In the case of layered circuits, the area requirement decreases and compensation of undesirable diode reactances is possible in part.
  • the il / 4 lines and the compensation network have a common ground line.
  • the compensation network consists of a parallel connection of a compensation resistor and a compensation capacitor in the series branch.
  • This simple parallel connection of a resistor with a capacitance enables the .PIN diode D to be compensated over a broadband range.
  • the PIN diode switch is implemented using layer technology and the ⁇ / 4 lines are implemented as printed conductor tracks.
  • This circuit is characterized by a particularly small footprint. The entire back of the printed circuit serves as a ground.
  • the compensation capacitance is formed by a special configuration of the feed lines of the ⁇ / 4 lines.
  • the compensation capacitance C K is generated by a special line routing.
  • Fig. 1 shows the basic circuit diagram of a PIN diode switch.
  • a generator G with the internal resistance Z I is connected to a line L via a decoupling capacitor C E1 .
  • the terminating resistor Z V is connected to the other end of the line L via a second decoupling capacitor C E2 .
  • the PIN diode e D is connected between the line L and ground in parallel to the consumer Z V or in parallel to the generator G.
  • the equivalent circuit diagram of the PIN diode consists of a parallel capacitance C P ⁇ 0.3 pF, which is parallel to the connection terminals of the PIN -Diodes lies.
  • FIG. 2 An arrangement according to the invention is shown in FIG. 2.
  • the generator G with the internal resistance Z I is connected via the first decoupling capacitor C E1 to the input E of a ⁇ / 4-long line L1 with the practically real characteristic impedance Z L.
  • the line L1 was shown as a four-pole, the second input of which is connected to the second connection of the generator G. Between the two outputs of line L1 - these are the individual conductors L11 and L12 - the PIN diode D is connected as a cross-member, which is followed by a second ⁇ / 4 line L2, at the output A of which a consumer Z v is connected via a second decoupling capacitor C E2 is switched on.
  • a further four-pole K is connected, which contains the compensation circuit - a compensation resistor R K connected between input E and output A of the arrangement, to which a compensation capacitance C K can be connected in parallel.
  • the lines L1 and L2 have the characteristic impedance Z L , which is generally the same or similar to the generator resistance Z I and the consumer resistance Zv .
  • this residual voltage causes the PIN diode to appear as a source that generates a wave propagating towards the consumer.
  • the decoupling is limited.
  • the longitudinal inductance L D of the PIN diode has to be taken into account, it can be largely compensated for by the compensation capacitor C K.
  • FIG. 3 shows the structure of the PIN diode switch according to the invention in layered technology.
  • the PIN diode D is used here in the "chip on rivet" design.
  • L1 and L2 represent the ⁇ / 4 lines.
  • the compensation is used to compensate the diode reactances resisted R K and the compensation capacitor C K.
  • the compensation capacitor C K can be simulated by a special line routing, in which the lines L1 and L2 are symmetrical and are in line with one another. move closer to each other at the transition to the supply lines Z1 and Z2.
  • the input of the circuit was designated E and the output A as in FIG.
  • the copper cladding on the back of the layer circuit serves as the ground. With such an arrangement, blocking attenuation greater than 60 dB can be achieved.
  • FIG. 4 A variant for increasing the bandwidth is shown in FIG. 4.
  • the compensation resistor R K was replaced by two compensation resistors R K1 and R K2 .
  • the compensation resistors R K1 and R K2 are arranged at a distance ⁇ L1 smaller than ⁇ / 4.
  • the distance ⁇ L2 of the second compensation resistor R K2 to the diode D is also less than ⁇ / 4.
  • the curve of the blocking attenuation as a function of the frequency f is shown in curve 3 of FIG. 5.
  • the line lengths ⁇ L1 and ⁇ L 2 damping curves of different widths can be achieved.
  • the attenuation curve of the circuit wiring was shown in FIG. 2 as curve 1.
  • curve 4 shows an uncompensated diode for comparison.

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Abstract

1. A PIN-diode switch having a high blocking attenuation, and an arrangement of two series-connected four-poles (L1, L2) between an input (E) for the signal (U1) to be switched and an output (A), which effect a phase rotation of the signal to be switched, through 90 degrees at the operating frequency, wherein a PIN-diode (D) is inserted as a shunt arm between the connection of the two four-poles (L1, L2) and a common earth line (L12), characterised in that a compensation network (K) is inserted between the input (E) and the output (A) for compensating the residual voltage fed from the input (E) to the output (A) in the case of a conducting PIN-diode (D).

Description

Die Erfindung betrifft einen PIN-Diodenschalter mit hoher Sperrdämpfung.The invention relates to a PIN diode switch with high blocking attenuation.

Im Bereich höherer Frequenzen werden für Schaltaufgaben häufig PIN-Dioden eingesetzt. BIN-Dioden besitzen einen für HF wirksamen Widerstand, dessen Größe von der Stärke eines eingeprägten Steuergleichstromes abhängt. Fließt durch die PIN-Diode kein Gleichstrom, dann besitzt sie lediglich eine geringe, sehr verlustarme Kapazität ohne parametrische Effekte. Die Kapazität ist von der angelegten HF-Spannung unabhängig.In the area of higher frequencies, PIN diodes are often used for switching tasks. BIN diodes have an effective resistance for HF, the size of which depends on the strength of an impressed control direct current. If no direct current flows through the PIN diode, then it only has a small, very low-loss capacity without parametric effects. The capacitance is independent of the RF voltage applied.

Beim Anlegen einer Gleichspannung in Flußrichtung fließt ein Diodenstrom, der zur Folge hat, daß der HF-Diodenwiderstand auf sehr kleine Werte in der Größenordnung kleiner 1 Ohm absinkt.When a direct voltage is applied in the direction of flow, a diode current flows, which has the consequence that the RF diode resistance drops to very small values in the order of magnitude of less than 1 ohm.

Im allgemeinen stellt man an Schalter Forderungen nach möglichst kleinen Verlusten im durchgeschalteten Zustand und einer möglichst hohen Sperrdämpfung. Bei höheren Frequenzen liegen PIN-Dioden im allgemeinen parallel zum Verbraucher. Da der Durchlaßwiderstand der durchgeschalteten PIN-Diode in der Größenordnung zwischen 0,5 und 1 Ohm liegt, werden geforderte Werte für die Sperrdämpfung in der Praxis meist nicht mit einer einzelnen Diode erreicht, sondern es sind Netzwerke aus PIN-Dioden erforderlich. Als Grundschaltung sind Netzwerke mit drei PIN-Dioden, die als π-Glied geschaltet sind, bekannt. Besonders nachteilig ist es, daß der Schaltzustand der Diode im Längszweig immer ein anderer sein muß als der Schaltzustand der Dioden in den Querzweigen des π-Gliedes. Es sind-daher getrennte Gleichstromkreise mit entsprechenden Abblockkondensatoren erforderlich. Bei hohen Frequenzen ist eine breitbandige Kompensation dieser Elemente schwierig, so daß man nur sehr schmalbandig wirksame Schaltungen erhält.In general, there are demands on switches for the smallest possible losses in the switched-on state and the highest possible blocking damping. At higher frequencies, PIN diodes are generally parallel to the consumer. Since the forward resistance of the switched PIN diode is in the order of magnitude between 0.5 and 1 ohm, the required values for the blocking attenuation are usually not achieved in practice with a single diode, but networks of PIN diodes are required. Networks with three PIN diodes, which are connected as a π element, are known as the basic circuit. It is particularly disadvantageous that the switching state of the diode in the series branch must always be different than the switching state of the diodes in the transverse branches of the π element. Separate DC circuits with appropriate blocking capacitors are therefore required. At high frequencies, broadband compensation of these elements is difficult, so that only very narrowband circuits are obtained.

Für Mikrowellen ist die Verwendung einer Diodenkette sinnvoll, bei der PIN-Dioden über sog. invertierende Glieder (Vierpole) - im Mikrowellenbereich sind dies vorzugsweise A/4-Leitungen - miteinander verkoppelt sind. Die "invertierenden" Glieder drehen die Phase der Spannung um 90° bei der Betriebsfrequenz. Hier liegen alle Dioden einseitig auf Masse und haben untereinander immer den gleichen Schaltzustand.The use of a diode chain is useful for microwaves, in which PIN diodes are coupled to one another via so-called inverting elements (four-pole) - in the microwave range these are preferably A / 4 lines. The "inverting" elements rotate the phase of the voltage by 90 ° at the operating frequency. Here, all diodes are grounded on one side and always have the same switching state with each other.

Wenn alle Dioden Strom führen, stellen sie für Hochfrequenz einen niederohmigen Widerstand dar, so daß der Schalter sperrt. Auf Grund der invertierenden Glieder zwischen den Dioden addieren sich die Dämpfungen der einzelnen Dioden. Bei drei PIN-Dioden ergibt sich eine rechnerische Sperrdämpfung von ca. 75 dB bei 25 dB pro Diode. Dieser Wert wird allerdings praktisch nie erreicht, weil parasitäre Reaktanzen und Verkopplungen über die Leitung, die nicht kompensierbar sind, zu einer Reduzierung der Sperrdämpfung führen. Weiter ist zu berücksichtigen, daß die elektrische wirksame Länge der Leitungen zwischen den Dioden frequenzabhängig ist. Dadurch erhält das Netzwerk Bandsperrencharakter, d.h. die Sperrdämpfung nimmt von einem maximalen Wert bei der Mittelfrequenz ausgehend, nach beiden Richtungen ab.If all diodes carry current, they represent a low-resistance for high frequency, so that the switch blocks. Due to the inverting elements between the diodes, the damping of the individual diodes add up. With three PIN diodes there is a calculated blocking attenuation of approx. 75 dB at 25 dB per diode. However, this value is practically never reached because parasitic reactances and coupling via the line, which cannot be compensated, lead to a reduction in the blocking loss. It must also be taken into account that the effective electrical length of the lines between the diodes is frequency-dependent. This gives the network band-stop character, i.e. The blocking attenuation decreases in both directions from a maximum value at the center frequency.

Als weitere Nachteile von PIN-Diodennetzwerken sind noch zu nennen:

  • Beim Schaltungsaufwand.fällt besonders die Zahl der erforderlichen'PIN-Dioden ins Gewicht. Zur Durchschaltung mehrerer PIN-Dioden ist eine höhere Gleichstromleistung erforderlich. Die HF-Verluste im offenen Zustand des Schalters steigen an.
Other disadvantages of PIN diode networks are:
  • In terms of circuitry, the number of required PIN diodes is particularly important. A higher direct current output is required to switch through several PIN diodes. The RF losses when the switch is open increase.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen PIN-Diodenschalter anzugeben, der bei geringem Schaltungsaufwand eine hohe Sperrdämpfung und eine geringe Durchlaßdämpfung aufweist.The object of the invention is to provide a PIN diode switch which, with little circuit complexity, has a high blocking attenuation and a low pass loss.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen einem Eingang und einem Ausgang eine Anordnung mit zwei in Serie geschalteten invertierenden Vierpolen vorgesehen ist, daß eine PIN-Diode als Querzweig zwischen den Einzelleitern der Leitungen im Verbindungspunkt dieser Vierpole angeschaltet ist und daß zwischen Eingang und Ausgang ein Kompensationsnetzwerk parallelgeschaltet ist.The object is achieved in that an arrangement with two series-connected inverting four-pole is provided between an input and an output, that a PIN diode is connected as a shunt between the individual conductors of the lines in the connection point of these four-pole and that between input and output a compensation network is connected in parallel.

Die Schaltung wird besonders einfach, wenn als invertierende Vierpole λ/4-Leitungen vorgesehen sind.The circuit becomes particularly simple if λ / 4 lines are provided as inverting four-poles.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine höhere Sperrdämpfung durch Kompensation möglich ist. Die Schaltungsanordnung ist besonders einfach und platzsparend. Die PIN-Diode D ist zwischen zwei Ä/4-Leitungen eingeschaltet. Parallel zu den λ/4-Leitungen ist ein Entkopplungsnetzwerk K geschaltet. Mit dieser Anordnung wird eine höhere Sperrdämpfung als 25 dB erreicht. Die HF-Verluste sind gegenüber Diodennetzwerken im allgemeinen geringer. Bei Schichtschaltungen sinkt der Flächenbedarf und eine Kompensation von unerwünschten Diodenreaktanzen ist zum Teil möglich.The invention is based on the knowledge that a higher blocking attenuation is possible through compensation. The circuit arrangement is particularly simple and space-saving. The PIN diode D is switched between two Ä / 4 lines. A decoupling network K is connected in parallel with the λ / 4 lines. With this arrangement, a blocking attenuation higher than 25 dB is achieved. RF losses are generally lower than diode networks. In the case of layered circuits, the area requirement decreases and compensation of undesirable diode reactances is possible in part.

Vorteilhaft ist es, daß die il/4-Leitungen und das Kompensationsnetzwerk eine gemeinsame Masseleitung haben. Durch diese Maßnahmen wird der Diodenschalter D und das Kompensationsnetzwerk K besonders einfach. Eine parallel zum Verbraucher geschaltete und einseitig auf Masse liegende PIN-Diode stellt oberhalb von ca. 1 GHz die wirksamste Lösung dar. Auch das Kompensationsnetzwerk K wird besonders einfach.It is advantageous that the il / 4 lines and the compensation network have a common ground line. These measures make the diode switch D and the compensation network K particularly simple. A PIN diode connected in parallel to the consumer and one-sided to ground is the most effective solution above approx. 1 GHz. The compensation network K is also particularly simple.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das Kompensationsnetzwerk aus einer Parallelschaltung eines Kompensationswiderstandes und eines Kompensationskondensators im Längszweig besteht. Durch diese einfache Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität ist die .PIN-Diode D breitbandig kompensierbar. Es ist zweckmäßig, wenn der PIN-Diodenschalter in Schichttechnik ausgeführt ist und die λ/4-Leitungen als gedruckte Leiterbahnen ausgeführt sind. Diese Schaltung zeichnet sich durch besonders geringen Flächenbedarf aus. Die gesamte Rückseite der gedruckten Schaltung dient als Masse.It is particularly advantageous that the compensation network consists of a parallel connection of a compensation resistor and a compensation capacitor in the series branch. This simple parallel connection of a resistor with a capacitance enables the .PIN diode D to be compensated over a broadband range. It is expedient if the PIN diode switch is implemented using layer technology and the λ / 4 lines are implemented as printed conductor tracks. This circuit is characterized by a particularly small footprint. The entire back of the printed circuit serves as a ground.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kompensationskapazität durch eine besondere Ausgestaltung der Zuleitungen der λ/4-Leitungen gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Kompensationskapazität CK durch eine spezielle Leitungsführung erzeugt.It is particularly advantageous if the compensation capacitance is formed by a special configuration of the feed lines of the λ / 4 lines. In this embodiment, the compensation capacitance C K is generated by a special line routing.

Die weiteren Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The further developments of the invention are specified in the subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Figuren 1 bis 5 beschrieben.An embodiment of the invention is described with reference to Figures 1 to 5.

Es zeigen:

  • Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines PIN-Diodenschalters,
  • Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der PIN-Diode,
  • Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des PIN-Diodenschalters,
  • Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zur breitbandigen Kompensation und
  • Fig. 5 ein Dämpfungsdiagramm zur breitbandigen Kompensation.
Show it:
  • 1 shows the basic circuit diagram of a PIN diode switch,
  • 2 shows a circuit arrangement for compensation of the PIN diode,
  • 3 shows an embodiment of the PIN diode switch,
  • Fig. 4 shows an embodiment for broadband compensation and
  • Fig. 5 is an attenuation diagram for broadband compensation.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines PIN-Diodenschalters. Ein Generator G mit dem Innenwiderstand ZI ist über einen Entkopplungskondensator CE1 an eine Leitung L angeschlossen. Über einen zweiten Entkopplungskondensator CE2 ist der Abschlußwiderstand ZV am anderen Ende der Leitung L angeschlossen. Die PIN-Diod e D ist zwischen der Leitung L und Masse parallel zum Verbraucher ZV bzw. parallel zum Generator G geschaltet Das Ersatzschaltbild der PIN-Diode besteht aus einer Parallelkapazität CP ≃ 0,3 pF, die parallel zu den Anschlußklemmen der PIN-Dioden liegt. Zu dieser Kapazität ist eine Reihenschaltung einer Längsinduktivität LD≃ 0,4 nH in Serie mit einer Parallelschaltung eines Durchlaßwiderstandes RD ≃1 Ohm in Serie mit einem die ideale Diode symbolisierenden Schalter S und einer zur Serienschaltung RD, S parallelgeschalteten weiteren Serienschaltung eines Widerstandes RB≃ 5 Ohm mit einer Kapazität CS≃ 0,5 pF angeordnet.Fig. 1 shows the basic circuit diagram of a PIN diode switch. A generator G with the internal resistance Z I is connected to a line L via a decoupling capacitor C E1 . The terminating resistor Z V is connected to the other end of the line L via a second decoupling capacitor C E2 . The PIN diode e D is connected between the line L and ground in parallel to the consumer Z V or in parallel to the generator G. The equivalent circuit diagram of the PIN diode consists of a parallel capacitance C P ≃ 0.3 pF, which is parallel to the connection terminals of the PIN -Diodes lies. To this capacitance is a series connection of a series inductance L D ≃ 0.4 nH in series with a parallel connection of a forward resistor R D ≃1 Ohm in series with a switch S symbolizing the ideal diode and a further series connection of a resistor R connected in parallel with the series connection RD, S B ≃ 5 ohms with a capacitance C S ≃ 0.5 pF.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Generator G mit dem Innenwiderstand ZI ist über den ersten Entkopplungskondensator CE1 an den Eingang E einer λ/4-langen Leitung L1 mit dem praktisch reellen Wellenwiderstand ZL angeschlossen. Die Leitung L1 wurde als Vierpol dargestellt, deren zweiter Eingang mit dem zweiten Anschluß des Generators G verbunden ist. Zwischen die beiden Ausgänge der Leitung L1 - dies sind die Einzelleiter L11 und L12 - ist die PIN-Diode D als Querglied angeschaltet, der eine zweite λ/4-Leitung L2 nachgeschaltet ist, an deren Ausgang A ein Verbraucher Zv über einen zweiten Entkopplungskondensator CE2 angeschaltet ist. Parallel zu dieser Anordnung ist ein weiterer Vierpol K geschaltet, der die Kompensationsschaltung - einen zwischen Eingang E und Ausgang A der Anordnung geschalteten Kompensationswiderstand RK enthält, dem eine Kompensationskapazität CK parallelgeschaltet sein kann.An arrangement according to the invention is shown in FIG. 2. The generator G with the internal resistance Z I is connected via the first decoupling capacitor C E1 to the input E of a λ / 4-long line L1 with the practically real characteristic impedance Z L. The line L1 was shown as a four-pole, the second input of which is connected to the second connection of the generator G. Between the two outputs of line L1 - these are the individual conductors L11 and L12 - the PIN diode D is connected as a cross-member, which is followed by a second λ / 4 line L2, at the output A of which a consumer Z v is connected via a second decoupling capacitor C E2 is switched on. In parallel to this arrangement, a further four-pole K is connected, which contains the compensation circuit - a compensation resistor R K connected between input E and output A of the arrangement, to which a compensation capacitance C K can be connected in parallel.

Die Leitungen L1 und L2 haben den Wellenwiderstand ZL, der im allgemeinen gleich oder ähnlich dem Generatorwiderstand ZI und dem Verbraucherwiderstand Zv ist.The lines L1 and L2 have the characteristic impedance Z L , which is generally the same or similar to the generator resistance Z I and the consumer resistance Zv .

Wenn in Fig. 1 die parallel zum Verbraucher geschaltete PIN-Diode D aufgrund ihres restlichen Durchlaßwiderstandes RD von ca. 1 Ohm und der durch ihre mechanischen Abmessungen bestimmten Längsinduktivität LD keinen idealen Kurzschluß darstellt, bleibt am Ankoppelpunkt der Diode eine Restspannung erhalten.If the PIN diode D connected in parallel to the consumer does not represent an ideal short circuit due to its remaining forward resistance R D of approx. 1 ohm and the longitudinal inductance L D determined by its mechanical dimensions, a residual voltage remains at the coupling point of the diode.

Vom Verbraucher aus gesehen, bewirkt diese Restspannung, daß die PIN-Diode als Quelle erscheint, die eine sich in Richtung zum Verbraucher ausbreitende Welle erzeugt. Damit ist aber die Entkopplung begrenzt.Seen from the consumer, this residual voltage causes the PIN diode to appear as a source that generates a wave propagating towards the consumer. However, the decoupling is limited.

Eine Kompensation der Restspannungsquelle - der PIN-Diode - muß möglich sein, wenn man eine genügend breitbandige Kompensationsschaltung findet, die gleichzeitig bei offener, also hochohmiger Diode den Energiefluß zum Verbraucher möglichst wenig stört. Diese Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt und soll näher erläutert werden. Bei sperrendem PIN-Diodenschalter ist die Diode D leitend. Hierbei ist der Durchlaßwiderstand RD kleiner 1 Ohm; die Impedanz der Längsinduktivität LD liegt bei einer Arbeitsfrequenz von ca. 1 GHz in der gleichen Größenordnung. Die zu RD parallelliegende Reihenschaltung des Widerstandes RB und des Kondensators CS wird bei diesen Betrachtungen vernachlässigt. Die am Eingang E der Leitung L1 liegende Spannung U1 entspricht betragmäßig praktisch der Leerlaufspannung des Generators G, weil die Diodenimpedanz XD = RD+jωLD über die λ/4-Leitung L1 in den hochohmigen Widerstand

Figure imgb0001
transformiert wird, der die Quelle nur schwach be- lastet..An der Diode steht jetzt eine Spannung UD = -j
Figure imgb0002
. Für die Spannung U2 am Verbraucher- widerstand ZV gilt ohne die Kompensationsschaltung K U2 = -jUD; beide Spannungen UD und U2 haben die gleiche reelle Amplitude aber 90° Phasenverschiebung. Wenn zusätzlich die im Kompens2tionszweig liegende Kompensa- sationsimpedanz XK =
Figure imgb0003
, die sich aus der Parallel- schaltung von RK und CK errechnet
Figure imgb0004
angeschaltet wird, überlagern sich am Verbraucher die Spannung UD und die über das Kompensationsnetzwerk K gelangende Spannung UKO. Diese ist wegen der Phasenverdrehung der Λ/4-Leitungen L1, L2 um 180° gegenüber der Spannung des Hauptweges in der Phase gedreht. Die resultierende Spannung U2 am Verbraucherwiderstand ZV wird 0, wenn die Bedingung
Figure imgb0005
erfüllt ist.Compensation of the residual voltage source - the PIN diode - must be possible if one finds a sufficiently broadband compensation circuit which at the same time disturbs the energy flow to the consumer as little as possible when the diode is open, that is to say with a high impedance. This circuit is shown in Fig. 2 and will be explained in more detail. When the PIN diode switch is blocked, diode D is conductive. The on-state resistance R D is less than 1 ohm; the impedance of the longitudinal inductance L D is in the same order of magnitude at an operating frequency of approximately 1 GHz. The series connection of the resistor R B and the capacitor C S parallel to R D is neglected in these considerations. The voltage U 1 at the input E of the line L1 corresponds practically to the open circuit voltage of the generator G, because the diode impedance X D = R D + jωL D via the λ / 4 line L1 into the high-resistance resistor
Figure imgb0001
 is transformed, which only weakly loads the source. There is now a voltage U D = -j at the diode
Figure imgb0002
 . For the voltage U 2 across the consumer resistor Z V , the compensation circuit KU 2 = -jU D applies; both voltages U D and U 2 have the same real amplitude but a 90 ° phase shift. In addition, when the expansion joint tion branch lying in Compens sationsimpedanz 2 X K =
Figure imgb0003
 , which is calculated from the parallel connection of R K and C K
Figure imgb0004
 is switched on, the voltage U D and the voltage U KO reaching via the compensation network K overlap at the consumer. This is due to the phase rotation of the Λ / 4 lines L1, L2 by 180 ° against in phase over the tension of the main path. The resulting voltage U 2 across the consumer resistor Z V becomes 0 if the condition
Figure imgb0005
 is satisfied.

Bei leitendem PIN-Diodenschalter ist die PIN-Diode gespert, also hochohmig. Das entspricht dem geöffneten Schalter S in Fig.1. Der im Nebenweg liegende Widerstand RK in Fig. 2 beeinflußt jetzt die Durchlaßdämpfung, da ein kleiner Anteil der Generatorleistung in ihm verbraucht wird. Da die Spannungen U1 und U2 gegeneinander um 180° phasenverschoeben sind, liegt an den Klemmen der Kompensationsimpedanz XK die Spannung UK = 2·U1 an. Die durch RK bei Vernachlässigung von LK verursachte Zusatzdämpfung beträgt mit

Figure imgb0006
Figure imgb0007
mit Z = ZI = ZV. Bei einem Abschlußwiderstand ZV= 50 Ohm ergibt sich eine Durchlaßdämpfung a = ca. 0,3 dB.If the PIN diode switch is conductive, the PIN diode is blocked, i.e. high-resistance. This corresponds to the open switch S in Fig.1. The resistance R K in FIG. 2, which is in the bypass, now influences the transmission loss since a small proportion of the generator power is consumed in it. Since the voltages U 1 and U 2 are 180 ° out of phase with respect to one another, the voltage U K = 2 · U 1 is present at the terminals of the compensation impedance X K. The additional damping caused by R K when L K is neglected amounts to
Figure imgb0006
Figure imgb0007
 with Z = Z I = Z V. With a terminating resistor Z V = 50 ohms, there is a forward loss a = approx. 0.3 dB.

Ist die Längsinduktivität LD der PIN-Diode zu berücksichtigen, so kann sie durch den Kompensationskondensator CK weitgehend kompensiert werden.If the longitudinal inductance L D of the PIN diode has to be taken into account, it can be largely compensated for by the compensation capacitor C K.

Die Fig. 3 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen PIN-Diodenschalters in Schichttechnik. Die PIN-Diode D ist hier in der Bauform."Chip auf Niete" eingesetzt. L1 und L2 stellen die λ/4-Leit ungen dar. Zur Kompensation der Diodenreaktanzen dienen der Kompensationswiderstand RK und der Kompensationskondensator CK. Der Kompensationskondensator CK kann durch eine spezielle Leitungsführung nachgebildet werden, bei der die Leitungen L1 und L2 symmetrisch ausgebildet sind und sich. beim Übergang in die Zuleitungen Z1 und Z2 einander annähern. Der Eingang der Schaltung wurde entsprechend Fig. 2 mit E und derAusgang mit A bezeichnet. Als Masse dient die Kupferkaschierung auf der Rückseite der Schichtschaltung. Mit einer solchen Anordnung ist eine Sperrdämpfung größer 60 dB erzielbar.3 shows the structure of the PIN diode switch according to the invention in layered technology. The PIN diode D is used here in the "chip on rivet" design. L1 and L2 represent the λ / 4 lines. The compensation is used to compensate the diode reactances resisted R K and the compensation capacitor C K. The compensation capacitor C K can be simulated by a special line routing, in which the lines L1 and L2 are symmetrical and are in line with one another. move closer to each other at the transition to the supply lines Z1 and Z2. The input of the circuit was designated E and the output A as in FIG. The copper cladding on the back of the layer circuit serves as the ground. With such an arrangement, blocking attenuation greater than 60 dB can be achieved.

Eine Variante zur Erhöhung der Bandbreite ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Anordnung wurde der Kompensationswiderstand RK durch zwei Kompensationswiderstände RK1 und RK2 ersetzt. Die Kompensationswiderstände RK1 und RK2 sind hierbei in einem Abstand ΔL1 kleiner λ/4 angeordnet. Der Abstand ΔL2 des zweiten Kompensationswiderstandes RK2 zur Diode D ist ebenfalls kleiner als λ/4. Es ergibt sich der in Kurve 3 der Fig. 5 dargestellte Verlauf der Sperrdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz f. Durch Variation der Leitungslängen ΔL1 und ΔL2 können unterschiedlich breite Dänpfungskurven erzielt werden. Zum Vergleich wurde der Dämpfungsverlauf der SchaltungsaDrdnung in Fig. 2 als Kurve 1 eingezeichnet. Die Kurve 2 zeigt den Dämpfungsverlauf der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 bei einem Abschluß mit einem Verbraucherwiderstand Zv = 50 Ohm und der Wellenwiderstand ZL = 70 Ohm.der Leitungen L1 und L2, die Kurve 4 zeigt zum Vergleich eine unkompensierte Diode.A variant for increasing the bandwidth is shown in FIG. 4. In this arrangement, the compensation resistor R K was replaced by two compensation resistors R K1 and R K2 . The compensation resistors R K1 and R K2 are arranged at a distance ΔL1 smaller than λ / 4. The distance ΔL2 of the second compensation resistor R K2 to the diode D is also less than λ / 4. The curve of the blocking attenuation as a function of the frequency f is shown in curve 3 of FIG. 5. By varying the line lengths ΔL1 and ΔL 2 , damping curves of different widths can be achieved. For comparison, the attenuation curve of the circuit wiring was shown in FIG. 2 as curve 1. Curve 2 shows the attenuation curve of the circuit arrangement according to FIG. 2 at a termination with a consumer resistance Z v = 50 ohms and the characteristic impedance Z L = 70 ohms. Of lines L1 and L2, curve 4 shows an uncompensated diode for comparison.

Abschließend soll noch auf die Möglichkeit aufmerksam gemacht werden, durch Variation des PIN-Dioden-Steuerstromes das Dämpfungsmaximum zu verschieben. Dies ist dadurch möglich, daß der HF-Widerstand der PIN-Diode vom Steuerstrom abhängig ist. Auf diese Weise ist es ähnlich wie bei der Änderung der Leitungslänge ΔL2 möglich in einem bestimmten Frequenzbereich durch Einstellen des PIN-Dioden-Steuerstromes optimale Dämpfungswerte zu erreichen.Finally, attention should be drawn to the possibility of shifting the damping maximum by varying the PIN diode control current. This is possible because the RF resistance of the PIN diode depends on the control current. In this way, it is possible to achieve optimal attenuation values in a certain frequency range by adjusting the PIN diode control current, similar to changing the line length ΔL 2 .

Claims (12)

1. PIN-Diodenschalter mit hoher Sperrdämpfung, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen einem Eingang (E) und einem Ausgang (A) eine Anordnung mit zwei in Serie geschalteten invertierenden Vierpolen (L1, L2) vorgesehen ist, daß eine PIN-Diode (D) als Querzweig zwischen den Einzelleitern (L11, L12) der Leitungen im Verbindungspunkt dieser yierpole- . (L1 , L2) angeschaltet ist und daß zwischen Eingang (E) und Ausgang (A) ein Kompensationsnetzwerk (K) parallelgeschaltet ist.1. PIN diode switch with high blocking attenuation, characterized in that between an input (E) and an output (A) an arrangement with two series-connected inverting four-pole (L1, L2) is provided that a PIN diode (D) as a cross-branch between the individual conductors (L11, L12) of the lines in the connection point of this yierpole. (L1, L2) is switched on and that a compensation network (K) is connected in parallel between input (E) and output (A). 2. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als invertierende Vierpole λ/4-Leitungen (L1, L2) vorgesehen sind.2. PIN diode switch according to claim 1, characterized in that λ / 4 lines (L1, L2) are provided as inverting four-pole. 3. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die λ/4-Leitungen (L1, L2) und das Kompensationsnetzwerk (K) eine gemeinsame Masseleitung (L12) haben.3. PIN diode switch according to claim 1, characterized in that the λ / 4 lines (L1, L2) and the compensation network (K) have a common ground line (L12). 4. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Kompensationsnetzwerk aus einer Parallelschaltung eines Kompensationswiderstandes (RK) und eines Kompensationskondensators (CK) im Längszweig besteht.4. PIN diode switch according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the compensation network consists of a parallel connection of a compensation resistor (R K ) and a compensation capacitor (C K ) in the series branch. 5. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der PIN-Diodenschalter in Schichttechnik ausgeführt ist und die λ/4-Leitungen (L1, L2) als gedruckte Leiterbahnen ausgeführt sind.5. PIN diode switch according to one of the preceding claims 2 to 4, characterized in that the PIN diode switch is made in layered technology and the λ / 4 lines (L1, L2) are designed as printed conductor tracks. 6. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationskapazität (CK) durch eine besondere Ausgestaltung der Zuleitungen (Z1, Z2) der λ/4-Leitungen (L1, L2) gebildet wird.6. PIN diode switch according to one of the preceding claims, characterized in that the compensation capacitance (C K ) is formed by a special configuration of the supply lines (Z1, Z2) of the λ / 4 lines (L1, L2). 7. PIN-Diodenschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kompensationskapazität (CK) durch Annäherung der Zuleitungen (Z1, Z2) gegeneinander und der λ/4-Leitungen (L1, L2) gegeneinander im Verbindungsbereich zwischen Zuleitungen (Z1, Z2) und λ/4-Leitungen (L1, L2) gebildet wird.7. PIN diode switch according to claim 6, characterized in that the compensation capacitance (C K ) by approaching the leads (Z1, Z2) against each other and the λ / 4 lines (L1, L2) against each other in the connection area between leads (Z1, Z2 ) and λ / 4 lines (L1, L2) is formed. 8. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erhöhung der Bandbreite zwei Kompensationswiderstände (RK1, RK2) im Abstand ΔL1 kleiner λ/4 voneinander angeordnet sind und der Abstand (ΔL2) zwischen der PIN-Diode (D) und dem nächsten Kompensationswiderstand kleiner als λ/4 ist (Fig. 4) 9. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Vergrößerung der Bandbreite eine Fehlanpassung des Verbraucherwiderstandes (Zv) zu dem Wellenwiderstand (ZL) der λ/4-Leitungen (L1, L2) erfolgt.8. PIN diode switch according to one of the preceding claims, characterized in that to increase the bandwidth two compensation resistors (R K1 , R K2 ) are arranged at a distance ΔL1 smaller than λ / 4 from each other and the distance (ΔL2) between the PIN diode ( D) and the next compensation resistance is less than λ / 4 (Fig. 4) 9. PIN diode switch according to one of the preceding claims, characterized in that to increase the bandwidth, a mismatch of the consumer resistance (Z v ) to the characteristic impedance (Z L ) of the λ / 4 lines (L1, L2). 10. PIN-Diodenschalter nach-einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung zur Änderung des PIN-Diodensteuerstromes vorgesehen ist, die das Dämpfungsmaximum frequenzmäßig ändert.10. PIN diode switch according to one of the preceding claims, characterized in that a device for changing the PIN diode control current is provided, which changes the damping maximum in terms of frequency. 11. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß anstelle einer einzigen PIN-Diode mindestens zwei Dioden, insbesondere drei Dioden, im Abstand von λ/4 zueinander angeordnet sind und daß ein Kompensationsnetzwerk (K) parallel zu dieser Anordnung zwischen dem Eingang (E) und dem Ausgang (A) geschaltet ist.11. PIN diode switch according to one of the preceding claims, characterized in that instead of a single PIN diode at least two diodes, in particular three diodes, are arranged at a distance of λ / 4 from each other and that a compensation network (K) parallel to this arrangement between the input (E) and the output (A) is switched. 12. PIN-Diodenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere PIN-Diodenschalter in Serie geschaltet werden.12. PIN diode switch according to one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that a plurality of PIN diode switches are connected in series. 13. PIN-Diodenscbalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung in Schichtschaltung ausgeführt ist.13. PIN-Diodenscbalter according to claim 12, characterized in that this arrangement is carried out in a layer circuit.
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