EP2178152A1 - Dispositif de commutation électronique pour signaux a haute fréquence - Google Patents

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EP2178152A1
EP2178152A1 EP09173457A EP09173457A EP2178152A1 EP 2178152 A1 EP2178152 A1 EP 2178152A1 EP 09173457 A EP09173457 A EP 09173457A EP 09173457 A EP09173457 A EP 09173457A EP 2178152 A1 EP2178152 A1 EP 2178152A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diode
transmission line
series
shunt
access point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09173457A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Bizien
Pascal Cornic
Jean-Philippe Coupez
Julien Boucher
Jérémie Hemery
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Groupe des Ecoles des Telecommunications/ Ecole Nationale Superieure de Telecommunications De Bretagne
Thales SA
Original Assignee
Groupe des Ecoles des Telecommunications/ Ecole Nationale Superieure de Telecommunications De Bretagne
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Groupe des Ecoles des Telecommunications/ Ecole Nationale Superieure de Telecommunications De Bretagne, Thales SA filed Critical Groupe des Ecoles des Telecommunications/ Ecole Nationale Superieure de Telecommunications De Bretagne
Publication of EP2178152A1 publication Critical patent/EP2178152A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • H01P1/12—Auxiliary devices for switching or interrupting by mechanical chopper
    • H01P1/127—Strip line switches

Definitions

  • the invention relates to an electronic switching device for high frequency signals.
  • the invention finds particular utility in the connection between a microwave antenna and an electronic circuit.
  • This circuit comprises for example one or two channels intended to be connected to the antenna.
  • a first channel commonly called Tx channel
  • a second channel commonly called Rx channel
  • a device with two access points used as a switch is well known in the English literature under the name of SPST for "Single-Pole, Single-throw” and a device with three access points used as a switch is well known. under the name of SPDT for "Single-Pole, Double-throw”.
  • PIN diode For microwave uses, it is known to use, as a switching element, diodes comprising an undoped zone, called the intrinsic zone, interposed between doped zones, one positive and the other negative. Subsequently this type of diode will be called PIN diode in reference to its name in the Anglo-Saxon literature: "Positive Intrinsic Negative Diode". PIN diodes, reverse biased, have a low capacitance and a high breakdown voltage, while in live they have a very low resistance, hence their use in microwave switching.
  • SPST type switching devices comprising two PIN diodes have been developed, one of which, referred to as a series diode, is connected in series between the two access points and the other, called a shunt diode, between one of the points and a mass of the device which furthermore comprises biasing means of the diodes making it possible to define an on state of the device obtained when the series diode and the shunt diode are in an on state, and a blocked state of the device obtained when the series diode and the shunt diode are in a secure state.
  • the serial link is the link between the two access points and shunts the link between the first access point and the ground.
  • the series branch contains the series diode and the shunt branch contains the shunt diode.
  • PIN diodes For an SPDT switching device, four PIN diodes, two series diodes and two shunt diodes are used. These devices have good performance levels in terms of adaptation, insertion loss and isolation.
  • a transmission line section in series with each shunt diode has been placed.
  • This section is adapted according to the wavelength ⁇ , of the switched signal.
  • the tuning of the transmission line section limits the bandwidth of the device due to the length equivalent to ⁇ / 4.
  • the invention aims to improve the operation of such devices including improving its bandwidth. This goal is achieved by avoiding setting up a shunt branch whose length is equivalent to ⁇ / 4.
  • the figure 1 represents an SPDT switch for connecting to an antenna, either an Rx channel or a Tx channel.
  • the device comprises three ports 11, 12 and 13.
  • the access 11 is connected to a transmitter, thus forming the channel Tx
  • the access 12 is connected to an antenna
  • the access 13 is connected to a receiver , forming the Rx path.
  • the transmitter, the receiver and the antenna are external to the device and are not represented on the figure 1 .
  • a radiofrequency signal from the transmitter drives the switch through a decoupling capacitor Cd1.
  • a radiofrequency signal received by the antenna drives the switch to the access point 12 via a decoupling capacitor Cd2 and leaves the switch at the access point 13 via a decoupling capacitor.
  • Cd3 the decoupling capacitor
  • the switch is symmetrical with respect to the access 12, intended to be connected to the antenna.
  • the switch makes it possible to connect access 12, either access 11 or access 13.
  • the switch comprises a diode D1, called a shunt diode, connected between the access point 11, on the side of its anode, and a mass 14 of the switch, on the side of its cathode, and a diode D2, called series diode, connected in series between the access point 11, on the side its anode, and the access point 12 on the side of its cathode.
  • Biasing means 15 of the diodes D1 and D2 make it possible to define an on or off state between the channels 11 and 12.
  • the biasing means 15 comprise, for example, a voltage source 16 filtered by an inductor 17 and a capacitor 18.
  • inductor 17 is connected between the voltage source 16 and the access point 11.
  • the capacitor 18 is connected between the voltage source 16 and the ground 14.
  • the voltage source 16 can take two levels. A low level blocks the passage of a current in the diodes D1 and D2, while a high level makes the diodes D1 and D2 passing.
  • the switch comprises a diode D4 called shunt diode, connected between the access point 13 and the ground 14 and a diode D3 called series diode, connected between the access point 13 and the access point 12.
  • Polarization means 19 of the diodes D3 and D4 identical to the polarization means 15, make it possible to define an on or off state between the channels 12 and 13.
  • the switch comprises several sections of transmission lines arranged at specific locations of the switch.
  • the transmission lines are dimensioned so that, by combining the electrical effects of the series and shunt branches with that of the common branch on the access 12, one obtains, on the one hand, the lowest level of possible reflection and the minimum insertion losses on one of the channels Tx or Rx in the on state, associated on the other hand, the highest level of insulation possible on the other channel in the blocked state.
  • Shunt branch is then called the assembly formed by the shunt diode D1, the first transmission line L1 and the third transmission line L3.
  • the series formed by the series diode D2 and the second transmission line L2 will be called the series branch.
  • the switch has other lines of symmetrical transmissions of the lines L1 to L4 in each of the branches comprising the diodes D3 and D4. More specifically, a transmission line L5 is arranged between the access point 13 and the shunt diode D4, a transmission line L6 is arranged between the series diode D3 and the second access point 12, a transmission line L7 is arranged at the common point of the transmission line L5 and the shunt diode D4, a transmission line L8 is disposed at the access point 13. There is also a transmission line L9 at the access point 12.
  • This arrangement increases the number of adaptation possibilities branches, series and shunt, and makes it easier to optimize all the electrical performance of the switch. Moreover, the use of transmission lines of reduced dimensions allows greater compactness of the switch.
  • the transmission lines L3 and L4 are of the open circuit type.
  • the transmission lines L7 and L8 are also of the open circuit type.
  • the transmission line L9 short circuit type.
  • the transmission lines L3, L4, and L7 to L9 are known as Stub.
  • the different transmission lines L1 to L9 advantageously have the same characteristic impedance which is for example 50 ohms.
  • FIG. 2 The case of a SPST type switch device, that is to say comprising only two access points is represented on the figure 2 .
  • This switch has only two access points similar to points 11 and 12.
  • the access point will therefore have the same pins 11 and 12 and there are also the decoupling capacitors Cd1 and Cd2, the diodes D1 and D2 and the transmission lines L1 to L4.
  • An open-circuit transmission line L10 is placed at the common point of the transmission lines L2 and L9, that is to say at the second access point 12, to replace the whole of the Rx channel.
  • each switching diode which, in its conducting state (forward bias), is modeled as a resistance R diode of low value, in series with a small inductor L diode .
  • R diode In its off state (reverse bias), the diode is modeled as a diode capacitance.
  • the "Tx" channel is busy and the "Rx” channel is isolated.
  • the diodes D1 and D2 are both forward biased through the polarization means 15, and the diodes D3 and D4, are reverse biased through the polarization means 19 .
  • the figure 3 represents a modeling of the isolated Rx channel without taking into account the decoupling capacitors Cd2 and Cd3. Only Transmission lines L5, L6, L7 and L9 are shown and diodes D3 and D4 are shown as capacitors.
  • a high level of insulation on this channel is achieved thanks, on the one hand, to the effect of the shunt branch with the diode D4 blocked at its end, which brings back using the L5 and L7 transmission lines. equivalent of a short circuit at the access point 13, the operating frequency of the switch, and secondly, the resonant combination between the serial branch with the diode D3 blocked and the transmission line L9 common to the Tx and Rx channels, which provides, at this same frequency, the equivalent of an open circuit to the access point 12, when looking to the Rx channel.
  • the transmission line L8 in open circuit and connected to the access point 13, in parallel with the shunt branch, has no electrical influence insofar as this point is equivalent to a short circuit.
  • the transmission line L8 is therefore not represented on the figure 3 .
  • the electrical states, open circuit at point 12 and short circuit at point 13 which ensure an excellent level of insulation on the Rx channel, are thus directly controlled by an appropriate choice of the lengths of the transmission lines L5, L6, L7 and L9. These lengths all remaining well below ⁇ / 4.
  • the length of the transmission line L7 in open circuit, connected in parallel with the shunt diode D4 it constitutes a setting parameter which makes it possible to very simply fix the frequency for which the level of insulation is optimal. , by directly varying the length of the transmission line L7.
  • the figure 4 represents a modeling of the Tx pass channel without taking into account the decoupling capacitors Cd1 and Cd2. Only the transmission lines L1, L2, L3 and L4 are shown and the diodes D1 and D2 are represented as inductances.
  • the impedance brought back by the shunt branch at point 11 is close to that of an open circuit, but without being always strictly equal to a perfect open circuit.
  • the shunt branch is therefore more or less transparent with respect to the transmission of the signal on the Tx channel.
  • the diode D2 in the series branch it is also passing and in cascade with a transmission line of length L2, also fixed by the insulation constraints on the Rx channel.
  • Transmission lines L1 and L5 are identical. The same is true for lines L2 and L6, L3 and L7 as well as for L4 and L8. It is therefore not necessary to detail the operation of the case where the Rx channel is busy and the Tx channel is isolated. Just reverse the symmetrical elements.
  • the figure 5 represents an exemplary embodiment of an SPDT type device according to the diagram of the figure 1 , in micro-ribbon technology and intended to operate in X-band, that is to say around a central frequency of 9.35GHz.
  • the shapes of the micro ribbons are represented on a scale bearing the mark 20 on the figure 5 . It is understood that other forms of micro ribbons are possible to implement the invention.
  • the configuration of the switch is based on a particular combination of several transmission lines with two PIN type diodes on each of the channels. The lengths of all these transmission lines represent flexibility parameters facilitating the design of the device, in particular to achieve a relatively large switch operating bandwidth.
  • the diodes, capacitors and inductors are, for example, surface-mounted components on the substrate. It is possible to take into account the discontinuities of micro-ribbons intended for mounting surface-mounted components in modeling.
  • the largest transmission line length corresponds to that of the L9 common transmission line Tx and Rx channels, whose value is equal to 3.00mm.
  • the lengths of the other transmission lines of the device are all much smaller than ⁇ / 4, which makes it possible to increase the bandwidth of the device and to reduce the dimensions of its implantation on the substrate.
  • the transmission line L9 forms an axis of symmetry of the embodiment of the device on its substrate. In the example shown on the figure 5 the switch occupies only a total usable area of about 7.5 x 7 mm 2 , including the surface mounted components.
  • the electrical characteristics resulting from a simulation have given the following values: When the Tx channel is busy, the insertion losses are about 0.7 dB at the central operating frequency of 9.35 GHz, with an adaptation that is less at -30dB on Tx access and -32dB on access 12.
  • the level of isolation between the two Tx and Rx channels is, meanwhile, excellent since its value is about 60dB.
  • the electrical performance of the circuit remains correct over a bandwidth of relatively large width, which is of the order of 20% to 25% around the central frequency if we consider, for example, levels of adaptation not exceeding -20dB.
  • the figure 6 represents an exemplary embodiment of a device of the SPST type according to the diagram of the figure 2 .
  • this device is made in micro-ribbon technology on the same type of substrate. It is intended to operate in X band. The scale is also reported at mark 20. In a simulation of this device made using the same software, electrical performance is equivalent to that of the device of SPDT type.
  • the insertion losses are of the order of 0.7 dB at the center frequency of 9.35 GHz, with adaptation levels that remain below -30 dB as input and output of the SPST switch.
  • the electrical performances of the circuit remain correct on a bandwidth of more than 20% around the central frequency, with very little variation of insertion losses and adaptation levels which do not exceed -20 dB on this bandaged.
  • the switch occupies a total usable area of approximately 5.5 x 7 mm 2 , including the surface mounted components. We keep here the same compactness as in the device of the figure 5 .

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Transceivers (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif de commutation électronique pour signaux à haute fréquence. L'invention trouve une utilité particulière dans le raccordement entre une antenne hyperfréquence et un circuit électronique. Ce circuit comporte un ou deux accès destinés à être reliées à l'antenne formant un troisième accès. Dans le cas d'un commutateur entre un accès et l'antenne (commutateur dit SPST) il comporte deux diodes (D1, D2) de commutation l'une, dite diode série (D2), étant reliée en série entre les points d'accès (11, 12) et l'autre, dite diode shunt (D1), entre un des points (11) et une masse (14) du dispositif. Selon l'invention, le dispositif comporte :
• une première ligne de transmission (L1) disposée en série avec la diode shunt(D1),
• une deuxième ligne de transmission (L2) disposée en série avec la diode série (D2),
• une troisième ligne de transmission (L3) disposée au point commun de la première ligne de transmission (L1) et de la diode shunt (D1),
• une quatrième ligne de transmission (L4) disposée au niveau du premier point d'accès (11), et
• une cinquième ligne de transmission (L9) disposée au niveau du second point d'accès (12).
Pour un commutateur à trois accès on ajoute deux autres diodes et quatre autres lignes de transmission de façon symétrique par rapport à celles déjà décrites. On peut obtenir des lignes adaptées ayant des longueurs bien inférieures à λ/4, ce qui permet d'améliorer la compacité du dispositif tout en augmentant sa largeur de bande.

Description

  • L'invention concerne un dispositif de commutation électronique pour signaux à haute fréquence. L'invention trouve une utilité particulière dans le raccordement entre une antenne hyperfréquence et un circuit électronique. Ce circuit comporte par exemple une ou deux voies destinées à être reliées à l'antenne. Dans le cas de deux voies, une première voie, couramment appelée voie Tx, utilise l'antenne en émission et une seconde voie, couramment appelée voie Rx, utilise l'antenne en réception.
  • Un dispositif à deux points d'accès utilisé en interrupteur est bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de SPST pour « Single-Pole, Single-throw » et un dispositif à trois points d'accès utilisé en commutateur est bien connu sous le nom de SPDT pour « Single-Pole, Double-throw ».
  • Pour des utilisations hyperfréquences, il est connu d'utiliser comme élément de commutation, des diodes comportant une zone non dopée, dite zone intrinsèque, intercalée entre des zones dopées, l'une positive et l'autre négative. Par la suite ce type de diode sera appelé diode PIN en référence à son appellation dans la littérature anglo-saxonne : « Positive Intrinsic Negative Diode ». Les diodes PIN, polarisées en inverse, présentent une faible capacité et une tension de claquage élevée, alors qu'en direct elles présentent une très faible résistance, d'où leur utilisation en commutation hyperfréquence.
  • On a mis au point des dispositifs de commutation de type SPST comprenant deux diode PIN, l'une, dite diode série, étant reliée en série entre les deux points d'accès et l'autre, dite diode shunt, entre un des points et une masse du dispositif qui comprend en outre des moyens de polarisation des diodes permettant de définir un état passant du dispositif obtenu lorsque la diode série et la diode shunt sont dans un état passant, et un état bloqué du dispositif obtenu lorsque la diode série et la diode shunt sont dans un état bloqué. On appelle branche série, la liaison entre les deux points d'accès et branche shunt la liaison entre le premier point d'accès et la masse. La branche série contient la diode série et la branche shunt contient la diode shunt.
  • Pour un dispositif de commutation de type SPDT, on utilise quatre diodes PIN, deux diodes série et deux diodes shunt. Ces dispositifs ont de bons niveaux de performances en termes d'adaptation, de pertes d'insertion et d'isolation.
  • Néanmoins, l'existence d'éléments électriques parasites soit intrinsèques aux diodes PIN elles-mêmes, soit associés à l'implantation des composants du dispositif sur un circuit imprimé ne permet pas d'obtenir des niveaux de pertes d'insertion et d'isolation optimaux.
  • Afin de pallier ce problème, on a placé un tronçon de ligne de transmission en série avec chaque diode shunt. Ce tronçon est adapté en fonction de la longueur d'onde λ, du signal commuté. On choisit un tronçon de longueur λ/4, voire légèrement inférieure à cette valeur, pour que le tronçon associé à la diode shunt ait une longueur équivalente à λ/4. Toutefois, l'accord du tronçon de ligne de transmission limite la largeur de la bande passante du dispositif du fait de la longueur équivalente à λ/4.
  • L'invention vise à améliorer le fonctionnement de tels dispositifs notamment en améliorant sa largeur de la bande passante. Ce but est atteint en évitant de mettre en place une branche shunt dont la longueur est équivalente à λ/4.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de commutation électronique pour signaux à haute fréquence entre au moins deux points d'accès et comprenant deux diodes de commutation, l'une, dite diode série, étant reliée en série entre les points d'accès, et l'autre, dite diode shunt, entre un des points et une masse du dispositif, des moyens de polarisation des diodes permettant de définir un état passant du dispositif obtenu lorsque la diode série et la diode shunt sont dans un état passant, et un état bloqué du dispositif obtenu lorsque la diode série et la diode shunt sont dans un état bloqué, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte :
    • une première ligne de transmission disposée en série avec la diode shunt,
    • une deuxième ligne de transmission disposée en série avec la diode série,
    • une troisième ligne de transmission disposée au point commun de la première ligne de transmission et de la diode shunt,
    • une quatrième ligne de transmission disposée au niveau du premier point d'accès, et
    • une cinquième ligne de transmission disposée au niveau du second point d'accès.
  • La mise en oeuvre d'une telle structure permet de réduire la longueur des différentes lignes de transmission, notamment celle de la branche shunt (première ligne de transmission), et donc les dimensions d'un dispositif mettant en oeuvre l'invention.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :
    • la figure 1 représente schématiquement un dispositif de type SPDT;
    • la figure 2 représente schématiquement un dispositif de type SPST;
    • la figure 3 représente une modélisation d'une voie isolée;
    • la figure 4 représente une modélisation d'une voie passante;
    • la figure 5 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de type SPDT en technologie micro ruban, dispositif schématisé à la figure 1 ;
    • la figure 6 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de type SPST en technologie micro ruban, dispositif schématisé à la figure 2.
  • Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
  • La figure 1 représente un commutateur SPDT permettant de raccorder à une antenne, soit une voie Rx, soit une voie Tx. A cet effet, le dispositif comprend trois accès 11, 12 et 13. L'accès 11 est relié à un émetteur, formant ainsi la voie Tx, l'accès 12 est relié à une antenne et l'accès 13 est relié à un récepteur, formant la voie Rx. L'émetteur, le récepteur et l'antenne sont extérieurs au dispositif et ne sont pas représentés sur la figure 1. Un signal radiofréquence issu de l'émetteur attaque le commutateur par l'intermédiaire d'un condensateur de découplage Cd1. De même un signal radiofréquence reçu par l'antenne attaque le commutateur au point d'accès 12 par l'intermédiaire d'un condensateur de découplage Cd2 et sort du commutateur au point d'accès 13 par l'intermédiaire d'un condensateur de découplage Cd3.
  • Le commutateur est symétrique par rapport à l'accès 12, destiné à être relié à l'antenne. Le commutateur permet de raccorder à l'accès 12, soit l'accès 11 soit l'accès 13. Pour assurer la liaison de l'accès 11 à L'accès 12, le commutateur comprend une diode D1, dite diode shunt, reliée entre le point d'accès 11, du côté de son anode, et une masse 14 du commutateur, du côté de sa cathode, ainsi qu'une diode D2, dite diode série, reliée en série entre le point d'accès 11, du côté de son anode, et le point d'accès 12 du côté de sa cathode. Des moyens de polarisation 15 des diodes D1 et D2 permettent de définir un état passant ou bloqué entre les voies 11 et 12. Les moyens de polarisation 15 comprennent par exemple une source de tension 16 filtrée par une inductance 17 et une capacité 18. L'inductance 17 est reliée entre la source de tension 16 et le point d'accès 11. La capacité 18 est reliée entre la source de tension 16 et la masse 14. La source de tension 16 peut prendre deux niveaux. Un niveau bas bloque le passage d'un courant dans les diodes D1 et D2, tandis qu'un niveau haut rend les diodes D1 et D2 passantes.
  • De même le commutateur comprend une diode D4 dite diode shunt, reliée entre le point d'accès 13 et la masse 14 ainsi qu'une diode D3 dite diode série, reliée entre le point d'accès 13 et le point d'accès 12. Des moyens de polarisation 19 des diodes D3 et D4, identiques aux moyens de polarisation 15, permettent de définir un état passant ou bloqué entre les voies 12 et 13.
  • Selon l'invention, le commutateur comprend plusieurs tronçons de lignes de transmission disposés à des endroits précis du commutateur. Les lignes de transmission sont dimensionnées pour que, par combinaison des effets électriques des branches série et shunt avec celui de la branche commune sur l'accès 12, l'on obtienne, d'une part, le plus faible niveau de réflexion possible et le minimum de pertes d'insertion sur l'une des voies Tx ou Rx à l'état passant, associé d'autre part, au plus fort niveau d'isolation possible sur l'autre voie à l'état bloqué.
  • On constate qu'une bonne adaptation permet d'obtenir des longueurs des différentes lignes de transmission bien inférieures à λ/4, ce qui permet d'augmenter la bande passante du commutateur. Plus précisément le commutateur comprend :
    • une première ligne de transmission L1 disposée entre le premier point d'accès 11 et la diode shunt D1,
    • une deuxième ligne de transmission L2 disposée entre la diode série D2 et le second point d'accès 12,
    • une troisième ligne de transmission L3 disposée au point commun de la première ligne de transmission L1 et de la diode shunt D1,
    • une quatrième ligne de transmission L4 disposée au niveau du premier point d'accès 11, et
    • une cinquième ligne de transmission (L9) disposée au niveau du second point d'accès (12).
  • On appellera par la suite, branche shunt, l'ensemble formé par la diode shunt D1, la première ligne de transmission L1 et la troisième ligne de transmission L3. De même, on appellera branche série l'ensemble formé par la diode série D2 et la deuxième ligne de transmission L2.
  • Pour relier le point accès 13 le commutateur dispose d'autres lignes de transmissions symétriques des lignes L1 à L4 dans chacune des branches comprenant les diodes D3 et D4. Plus précisément, une ligne de transmission L5 est disposée entre le point d'accès 13 et la diode shunt D4, une ligne de transmission L6 est disposée entre la diode série D3 et le second point d'accès 12, une ligne de transmission L7 est disposée au point commun de la ligne de transmission L5 et de la diode shunt D4, une ligne de transmission L8 est disposée au niveau du point d'accès 13. On dispose aussi une ligne de transmission L9 au point d'accès 12.
  • Cette disposition augmente le nombre de possibilités d'adaptation des branches, série et shunt, et permet d'optimiser plus facilement l'ensemble des performances électriques du commutateur. Par ailleurs, l'utilisation de lignes de transmission de dimensions réduites permet une plus grande compacité du commutateur.
  • Dans l'exemple représenté, les lignes de transmission L3 et L4 sont de type circuit ouvert. De même les lignes de transmission L7 et L8 sont également de type circuit ouvert. La ligne de transmission L9 de type court circuit. Dans la littérature anglo-saxonne les lignes de transmission L3, L4, et L7 à L9 sont connues sous le nom de Stub.
  • Les différentes lignes de transmissions L1 à L9 ont avantageusement la même impédance caractéristique qui est par exemple de 50 ohms.
  • Le cas d'un dispositif interrupteur de type SPST, c'est-à-dire ne comprenant que deux points d'accès est représenté sur la figure 2. Cet interrupteur ne comprend que deux points d'accès semblables aux points 11 et 12. Sur la figure 2, les point d'accès porteront donc les mêmes repères 11 et 12 et on retrouve également les condensateurs de découplage Cd1 et Cd2, les diodes D1 et D2 ainsi que les lignes de transmission L1 à L4. On retrouve également la ligne de transmission L9. Une ligne de transmission L10 de type circuit ouvert est placée au point commun des lignes de transmission L2 et L9, c'est-à-dire au niveau du second point d'accès 12, pour remplacer l'ensemble de la voie Rx.
  • Le fonctionnement de tels dispositifs, commutateur ou interrupteur, va maintenant être expliqué en utilisant une modélisation de chaque diode de commutation qui, dans son état passant (polarisation en direct), est modélisée sous la forme d'une résistance Rdiode de faible valeur, en série avec une petite inductance Ldiode. Dans son état bloqué (polarisation en inverse), la diode est modélisée sous la forme d'une capacité Ddiode.
  • Dans un premier cas, la voie « Tx » est passante et la voie « Rx » est isolée. Dans ce cas, de par leur sens de montage, les diodes D1 et D2 sont toutes deux polarisées en direct par l'intermédiaire des moyens de polarisation 15, et les diodes D3 et D4, sont polarisées en inverse au travers des moyens de polarisation 19.
  • Le fonctionnement n'est décrit en détail que pour le dispositif de type SPDT à trois points d'accès. Il est bien entendu que ce fonctionnement est transposable au dispositif de type SPST ne comportant que les deux points d'accès 11 et 12. Lorsque le dispositif est passant entre les points d'accès 11 et 12, on applique ce qui est décrit pour la voie passante Tx et lorsque le dispositif est bloqué entre les points d'accès 11 et 12, on applique ce qui est décrit pour la voie bloquée Rx.
  • La figure 3 représente une modélisation de la voie Rx isolée sans tenir compte des condensateurs de découplage Cd2 et Cd3. Seules les lignes de transmission L5, L6, L7 et L9 sont représentées et les diodes D3 et D4 sont représentées comme des condensateurs.
  • Un fort niveau d'isolation sur cette voie est atteint grâce, d'une part, à l'effet de la branche shunt avec la diode D4 bloquée à son extrémité, qui ramène à l'aide des lignes de transmission L5 et L7 l'équivalent d'un court-circuit au point d'accès 13, à la fréquence de fonctionnement du commutateur, et, d'autre part, à la combinaison résonante entre la branche série avec la diode D3 bloquée et la ligne de transmission L9 commune aux voies Tx et Rx, ce qui permet d'obtenir, à cette même fréquence, l'équivalent d'un circuit ouvert au point d'accès 12, lorsque l'on regarde vers la voie Rx.
  • Par ailleurs, il est à noter que, dans ce cas, la ligne de transmission L8 en circuit ouvert et connectée au point d'accès 13, en parallèle avec la branche shunt, n'a aucune influence électrique dans la mesure où ce point est équivalent à un court-circuit. La ligne de transmission L8 n'est donc pas représentée sur la figure 3.
  • De façon plus générale, les états électriques, circuit ouvert au point 12 et court-circuit au point 13 qui assurent un excellent niveau d'isolation sur la voie Rx, sont ainsi directement contrôlés par un choix approprié des longueurs des lignes de transmission L5, L6, L7 et L9. Ces longueurs restant toutes bien inférieures à λ/4. En particulier, concernant la longueur de la ligne de transmission L7 en circuit ouvert, montée en parallèle avec la diode shunt D4, celle-ci constitue un paramètre de réglage qui permet de fixer très simplement la fréquence pour laquelle le niveau d'isolation est optimal, en faisant varier directement la longueur de la ligne de transmission L7.
  • La figure 4 représente une modélisation de la voie Tx passante sans tenir compte des condensateurs de découplage Cd1 et Cd2. Seules les lignes de transmission L1, L2, L3 et L4 sont représentées et les diodes D1 et D2 sont représentées comme des inductances.
  • Etant donné l'état passant de la diode shunt D1, combiné avec les lignes de transmission L1 et L3 fixées précédemment pour obtenir un fort niveau d'isolation sur la voie Rx, égales respectivement aux lignes de transmission L5 et L7, l'impédance ramenée par la branche shunt au niveau du point 11 est proche de celle d'un circuit ouvert, sans toutefois être toujours strictement égale à un circuit ouvert parfait. La branche shunt est donc plus ou moins transparente vis à vis de la transmission du signal sur la voie Tx. Quant à la diode D2 dans la branche série, celle-ci est également passante et en cascade avec une ligne de transmission de longueur L2, fixée elle aussi par les contraintes d'isolation sur la voie Rx. Dans ces conditions, vu les faibles valeurs de Rdiode et Ldiode ainsi que les caractéristiques de la ligne de transmission L2, les performances en transmission et en réflexion sont suffisantes sur la voie Tx. Toutefois, afin d'optimiser au mieux ces niveaux de performance, il s'avère indispensable de pallier la transparence partielle de la branche shunt et l'influence parasite des éléments électriques intrinsèques à la diode D2 notamment. Pour ce faire, un moyen simple consiste à utiliser la ligne de transmission L4 connectée en circuit ouvert au point d'accès 11. La longueur de la ligne de transmission L4 reste très inférieure à λ/4. Cette ligne de transmission L4 constitue alors un paramètre de flexibilité supplémentaire dans la structure du commutateur, très facilement ajustable pour optimiser l'ensemble des performances électriques.
  • Dans un commutateur de type SPDT, les deux voies sont symétriques. Les lignes de transmissions L1 et L5 sont identiques. Il en est de même pour les lignes L2 et L6, L3 et L7 ainsi que pour L4 et L8. Il n'est donc pas nécessaire de détailler le fonctionnement du cas où la voie Rx est passante et la voie Tx est isolée. Il suffit d'inverser les éléments symétriques.
  • La figure 5 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de type SPDT selon le schéma de la figure 1, en technologie micro ruban et destiné à fonctionner en bande X, c'est-à-dire autour d'une fréquence centrale de 9,35GHz. Les formes des micro rubans sont représentées à une échelle portant le repère 20 sur la figure 5. Il est bien entendu que d'autres formes de micro rubans sont possibles pour mettre en oeuvre l'invention. La configuration du commutateur repose sur une combinaison particulière de plusieurs lignes de transmission avec deux diodes de type PIN sur chacune des voies. Les longueurs de toutes ces lignes de transmission représentent des paramètres de flexibilité facilitant la conception du dispositif, en particulier pour atteindre une largeur de bande passante de fonctionnement du commutateur relativement importante.
  • Le commutateur représenté sur la figure est réalisé sur un substrat d'épaisseur H = 254µm, de permittivité relative εr = 3,5, de tangente de pertes tgδ = 3.5 10-3 et d'épaisseur de métallisation cuivre t = 17,5µm. Pour un tel substrat, une ligne de transmission d'impédance caractéristique 50Ω a une largeur de ruban de l'ordre de 540µm, et la longueur d'onde associée est de λ = 19,45mm (d'où λ/4 = 4,86mm).
  • Pour la conception du circuit on peut utiliser un logiciel de simulation tel que par exemple « Advance Design System » commercialisé par la société Aligent Technologies situé à Santa Clara en Californie (Etats-Unis). Les diodes PIN sont par exemple modélisées très simplement sous la forme: soit d'une résistance Rdiode = 2,4Ω, en série avec une inductance Ldiode = 0,25nH, en polarisation directe, soit d'une capacité Cdiode = 0,06pF, en série avec l'inductance précédente Ldiode = 0,25nH, en polarisation inverse. Des capacités de découplage Cd1 = Cd2 = Cd3 = 4.7pF ont été ajoutées sur chacun des accès 11, 12 et 13 du commutateur, ainsi que des filtres de polarisation : inductance 17 de 4,7nH et condensateur 18 de 4,7pF sur les accès 11 et 13. Les diodes, condensateurs et inductances sont par exemple des composants montés en surface sur le substrat. Il est possible de prendre en compte les discontinuités des micro rubans prévues pour le montage des composants montés en surface dans la modélisation.
  • Dans le circuit conçu, la longueur de ligne de transmission la plus importante correspond à celle de la ligne de transmission L9 commune aux voies Tx et Rx, dont la valeur est égale à 3,00mm. En conséquence, les longueurs des autres lignes de transmission du dispositif sont toutes bien inférieures à λ/4, ce qui permet d'augmenter la bande passante du dispositif et de réduire les dimensions de son implantation sur le substrat. La ligne de transmission L9 forme un axe de symétrie de la réalisation du dispositif sur son substrat. Dans l'exemple représenté sur la figure 5, le commutateur n'occupe qu'une surface utile totale d'environ 7,5 x 7 mm2, y compris les composants montés en surface.
  • Les caractéristiques électriques issues d'une simulation ont données les valeurs suivantes : Lorsque la voie Tx est passante, les pertes d'insertion sont d'environ 0,7dB à la fréquence centrale de fonctionnement de 9,35GHz, avec une adaptation qui est inférieure à -30dB sur l'accès Tx et à -32dB sur l'accès 12. Le niveau d'isolation entre les deux voies Tx et Rx est, quant à lui, excellent puisque sa valeur est d'environ 60dB. En outre, les performances électriques du circuit demeurent correctes sur une bande passante de largeur relativement importante, celle-ci étant de l'ordre de 20% à 25% autour de la fréquence centrale si l'on considère, par exemple, des niveaux d'adaptation n'excédant pas -20dB.
  • La figure 6 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de type SPST selon le schéma de la figure 2. Comme précédemment, ce dispositif est réalisé en technologie micro ruban sur le même type de substrat. Il est destiné à fonctionner en bande X. L'échelle est également reportée au repère 20. Dans une simulation de ce dispositif réalisée à l'aide du même logiciel, on retrouve des performances électriques équivalentes à celles du dispositif de type SPDT.
  • Les pertes d'insertion sont de l'ordre de 0,7dB à la fréquence centrale de 9.35GHz, avec des niveaux d'adaptation qui demeurent inférieurs à -30dB aussi bien en entrée qu'en sortie du commutateur SPST. En outre, les performances électriques du circuit restent correctes sur une bande passante de plus de 20% autour de la fréquence centrale, avec très peu de variations des pertes d'insertion et des niveaux d'adaptation qui n'excédent pas -20dB sur cette bande.
  • Le commutateur n'occupe qu'une surface utile totale d'environ 5,5 x 7 mm2, y compris les composants montés en surface. On conserve ici la même compacité que dans le dispositif de la figure 5.

Claims (8)

  1. Dispositif de commutation électronique pour signaux à haute fréquence entre au moins deux points d'accès (11, 12, 13) et comprenant deux diodes (D1, D2, D3, D4) de commutation, l'une, dite diode série (D2, D3), étant reliée en série entre un premier (11, 13) et un second (12) des points d'accès (11, 12, 13), et l'autre, dite diode shunt (D1, D4), entre le premier point d'accès (11, 13) et une masse (14) du dispositif, des moyens de polarisation (15, 19) des diodes (D1, D2, D3, D4) permettant de définir un état passant du dispositif obtenu lorsque la diode série (D2, D3) et la diode shunt (D1, D4) sont dans un état passant, et un état bloqué du dispositif obtenu lorsque la diode série (D2, D3) et la diode shunt (D1, D4) sont dans un état bloqué, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte :
    • une première ligne de transmission (L1, L5) disposée en série avec la diode shunt (D1, D4), entre le premier point d'accès (11, 13) et la diode shunt (D1, D4),
    • une deuxième ligne de transmission (L2, L6) disposée en série avec la diode série (D2, D3), entre la diode série (D2, D3) et le deuxième point d'accès (12),
    • une troisième ligne de transmission (L3, L7) disposée au point commun de la première ligne de transmission (L1, L5) et de la diode shunt (D1, D4),
    • une quatrième ligne de transmission (L4, L8) disposée au niveau du premier point d'accès (11, 13), et
    • une cinquième ligne de transmission (L9) disposée au niveau du second point d'accès (12).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les troisième et quatrième lignes de transmission (L3, L7, L4, L8) sont de type circuit ouvert.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cinquième ligne de transmission (L9) est de type court circuit.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il ne comporte que deux points d'accès (11, 12) et en ce qu'il comporte une sixième ligne de transmission (L10) de type circuit ouvert disposée au niveau du second point d'accès (12).
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre:
    • un troisième point d'accès (13),
    • une troisième (D3) et une quatrième diode (D4) de commutation la troisième, dite diode série (D3), étant reliée entre le deuxième (12) et le troisième point d'accès (13) et la quatrième diode, dite diode shunt (D4), entre le troisième point d'accès (13) et la masse (14),
    • une septième ligne de transmission (L5) disposée en série avec la quatrième diode dite shunt (D4), entre le troisième point d'accès (13) et la quatrième diode dite diode shunt (D4),
    • une huitième ligne de transmission (L6) disposée en série avec la troisième diode dite série (D3), entre la troisième diode, dite diode série (D3) et le deuxième point d'accès (12),
    • une neuvième ligne de transmission (L7) disposée au point commun de la troisième ligne de transmission (L5) et la quatrième diode (D4), dite diode shunt,
    • une dixième ligne de transmission (L8) disposée au niveau du troisième point d'accès.
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les neuvième et dixième lignes de transmission (L7, L8) sont de type circuit ouvert.
  7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lignes de transmission (L1 à L10) sont dimensionnées pour que, par combinaison des effets électriques dans une branche dite série contenant la diode série (D2, D3) et dans une branche dite shunt contenant la diode shunt (D1, D4) avec celui d'une branche contenant la cinquième ligne de transmission (L9), l'on obtienne, d'une part, le plus faible niveau de réflexion possible et le minimum de pertes d'insertion sur une voie du dispositif à l'état passant, associé d'autre part, au plus fort niveau d'isolation possible sur une voie du dispositif à l'état bloqué.
  8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différentes lignes de transmission (L1 à L10) ont la même impédance caractéristique.
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