RU2719571C1

RU2719571C1 - Multifunctional switch for millimeter range

Info

Publication number: RU2719571C1
Application number: RU2019130013A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Александрович Евтюшкин; Антон Сергеевич Лукьянов; Артем Юрьевич Никишов; Елена Александровна Шепелева; ПёнгКван КИМ; Чжонгсок КИМ
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-04-21
Also published as: KR20210035734A

Abstract

FIELD: radio engineering instrument making.SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in devices of high-frequency switches. Multimode switch comprises an input port; first and second output ports; a first output arm comprising a first switching element configured to vary the impedance of the first output arm; a second output arm comprising a second switching element configured to change the impedance of the second output arm; and an input arm comprising a third switching element configured to vary the impedance of the input arm; wherein the first and second switching elements are made with the possibility of grounding to change the impedance of the corresponding output arm in the mode of transmitting all power to the other arm, third switching element is configured to introduce an inhomogeneity into the transmission line in the form of a matching element or circuit for changing the impedance of the input arm in divider mode, note here that matching element or circuit has purely reactive resistance opposite to sign and modulus of reactance caused by mismatch of output arms in divider mode.EFFECT: broader functional capabilities based on the formation of a simplified millimeter range switch, which is capable of operating both in switching mode of one port, when all input power must be supplied only to one of output ports, and in power divider mode, when input power should be divided between output ports, as well as reduction of losses at high frequencies and simplified design in printed-circuit boards.6 cl, 1 tbl, 13 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к высокочастотным коммутаторам.The present invention relates to radio engineering, and, more specifically, to high-frequency switches.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время ведется активная разработка сетей и устройств миллиметрового диапазона, таких как 5G и 6G, радары для автономной навигации и т.д. Появление подобных новых приложений в миллиметровом диапазоне требует разработки в рамках электронных устройств нового класса элементов и схем (активных элементов, антенн, печатных плат, фидеров и коммутационных устройств).Currently, active development of millimeter-band networks and devices, such as 5G and 6G, radars for autonomous navigation, etc., is underway. The appearance of such new applications in the millimeter range requires the development of a new class of elements and circuits within electronic devices (active elements, antennas, printed circuit boards, feeders and switching devices).

В частности, для многих приложений (например, для коммутации прием/передача (Rx/Tx), реконфигурируемых антенн, контроля поляризации) коммутатор является ключевым компонентом, поскольку именно он позволяет переключать каналы распространения сигнала.In particular, for many applications (for example, for transmit / receive (Rx / Tx) switching, reconfigurable antennas, polarization control), the switch is a key component, since it is it that allows you to switch the signal propagation channels.

Однако, существующие коммутаторы миллиметрового диапазона могут работать только в режиме SPDT (однополюсный двухпозиционный), когда входной сигнал поступает только на один из выходных портов: в 1–м состоянии на 1–й порт и во 2–м состоянии на 2–й порт. Между тем, ввиду вышеуказанных вариантов применения существует потребность в создании коммутаторов для миллиметрового диапазона, имеющих не только данные 2 режима, но и дополнительно к ним режим делителя, в котором сигнал поступает на оба порта одновременно. Реализация обоих типов режима в одном коммутаторе позволила бы расширить возможности его применения, с тем чтобы создавать, например, антенны с управляемой шириной диаграммы направленности и усилением, а также устройства с управляемой поляризацией.However, existing millimeter-wave switches can only work in SPDT (single-pole, two-position) mode, when the input signal comes to only one of the output ports: in the 1st state to the 1st port and in the 2nd state to the 2nd port. Meanwhile, in view of the above applications, there is a need to create switches for the millimeter range, having not only these 2 modes, but also in addition to them a divider mode in which the signal is sent to both ports simultaneously. The implementation of both types of mode in one switch would expand the possibilities of its application in order to create, for example, antennas with a controlled radiation pattern width and gain, as well as devices with controlled polarization.

Например, обычно в радарах для выбора между режимами MR (средней дальности) и SR (малой дальности) используется переключение сигнала из одного и того же передающего канала между двумя антеннами: первая – для MR, а вторая – для SR. Это требует дополнительного пространства для второй антенны, которая к тому же и не используется часть времени, при том что эти две антенны могут использоваться только в режиме TDM (режиме с временным разделением). Соответственно, реализация многорежимного коммутатора позволила бы использовать единственную перестраиваемую антенну и уменьшить необходимое пространство для антенн.For example, usually in radars, to switch between MR (medium range) and SR (short range) modes, the signal is switched from the same transmitting channel between two antennas: the first for MR and the second for SR. This requires additional space for the second antenna, which is also not used part of the time, despite the fact that these two antennas can only be used in TDM mode (time division mode). Accordingly, the implementation of a multi-mode switch would allow the use of a single tunable antenna and reduce the necessary space for the antennas.

Кроме того, по мере увеличения частоты стоимость таких устройств значительно возрастает, поэтому в уровне техники существует потребность в создании простых и недорогих коммутаторов для миллиметрового диапазона с хорошими характеристиками.In addition, as the frequency increases, the cost of such devices increases significantly, therefore, in the prior art there is a need to create simple and inexpensive switches for the millimeter range with good characteristics.

Из уровня техники известны, например, следующие решения, которые являются близкими к настоящему изобретению.The following solutions are known in the art, for example, which are close to the present invention.

Фидерное устройство для интеллектуальной антенны по US 8,441,964 B2 (14.05.2013) используется для подвода питающих сигналов на две антенны. Схема переключения выполняет операцию переключения для управления электрическими соединениями делителя мощности в соответствии с управляющим сигналом. Устройство позволяет распределять входную мощность между антенной с вертикальной поляризацией (VP), антенной с горизонтальной поляризацией (HP) или обеими одновременно, обеспечивая круговую поляризацию (CP). Тем не менее, данное устройство не подходит для высокочастотного применения из–за сложной схемы питания, большого количества сосредоточенных элементов и большого количества переключательных элементов.The feeder device for the smart antenna according to US 8,441,964 B2 (05/14/2013) is used to supply power signals to two antennas. The switching circuit performs a switching operation for controlling the electrical connections of the power divider in accordance with the control signal. The device allows you to distribute the input power between the antenna with vertical polarization (VP), the antenna with horizontal polarization (HP), or both at the same time, providing circular polarization (CP). However, this device is not suitable for high-frequency applications due to the complex power circuit, a large number of concentrated elements and a large number of switching elements.

Оптически–управляемый переключатель по US 2019/0086763 A1 (12.09.2018) содержит печатную плату, включающую в себя верхний и нижний проводящие слои и диэлектрический слой между ними, множество переходных металлизированных отверстий, электрически соединенных с верхним и нижним слоями и расположенных по меньшей мере двумя рядами, шунтирующее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижним слоем и отделенное от верхнего слоя диэлектрическим зазором, и фотопроводящий полупроводниковый элемент, электрически соединенный с верхним слоем и шунтирующим отверстием, причем фотопроводящий элемент имеет состояние диэлектрика или состояние проводника в зависимости от его освещенности, причем электромагнитная волна, подаваемая на оптически–управляемый переключатель, распространяется через волновод, сформированный между упомянутыми по меньшей мере двумя рядами, или отражается обратно. Данное решение дает возможность реализовать только режим выключателя.The optically controlled switch according to US 2019/0086763 A1 (09/12/2018) contains a printed circuit board including an upper and lower conductive layers and a dielectric layer between them, a plurality of transition metallized holes electrically connected to the upper and lower layers and located at least in two rows, a shunt metallized hole electrically connected to the lower layer and separated from the upper layer by a dielectric gap, and a photoconductive semiconductor element electrically connected to the upper layer and a shunt hole, wherein the photoconductive element has a dielectric state or a conductor state depending on its illumination, the electromagnetic wave supplied to the optically controlled switch propagating through the waveguide formed between the at least two rows or reflected back. This solution makes it possible to implement only the switch mode.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание высокочастотного коммутатора, способного работать как в режиме переключателя SPDT, так и в режиме делителя мощности.In order to eliminate at least some of the aforementioned disadvantages of the prior art, the present invention is directed to a high-frequency switch capable of operating both in the SPDT switch mode and in the power divider mode.

Согласно первому аспекту изобретения, предложен многорежимный коммутатор, содержащий: входной порт; первый и второй выходные порты; первое выходное плечо, соединенное своими концами с первым выходным портом и с точкой разветвления и содержащее первый коммутирующий элемент, выполненный с возможностью изменения импеданса первого выходного плеча; второе выходное плечо, соединенное своими концами со вторым выходным портом и с точкой разветвления и содержащее второй коммутирующий элемент, выполненный с возможностью изменения импеданса второго выходного плеча; и входное плечо, соединенное своими концами со входным портом и с точкой разветвления и содержащее третий коммутирующий элемент, выполненный с возможностью изменения импеданса входного плеча; причем первый и второй коммутирующие элементы выполнены с возможностью замыкания на землю для изменения импеданса соответствующего выходного плеча в режиме передачи всей мощности в другое плечо, третий коммутирующий элемент выполнен с возможностью внесения неоднородности в линию передачи в виде согласующего элемента или цепи для изменения импеданса входного плеча в режиме делителя, причем согласующий элемент или цепь имеет чисто реактивное сопротивление, противоположное по знаку и равное по модулю реактивному сопротивлению, вызванному рассогласованием выходных плеч в режиме делителя.According to a first aspect of the invention, there is provided a multi-mode switch, comprising: an input port; first and second output ports; a first output arm connected at its ends to the first output port and to a branch point and comprising a first switching element configured to change the impedance of the first output arm; a second output arm connected at its ends to a second output port and to a branch point and comprising a second switching element configured to change the impedance of the second output arm; and an input arm connected at its ends to the input port and to a branch point and comprising a third switching element configured to change the impedance of the input arm; moreover, the first and second switching elements are made with the possibility of ground fault to change the impedance of the corresponding output arm in the mode of transferring all power to the other arm, the third switching element is made with the possibility of introducing heterogeneity into the transmission line in the form of a matching element or circuit to change the impedance of the input arm divider mode, and the matching element or circuit has a purely reactance, opposite in sign and equal in magnitude to the reactance, caused mismatch of th shoulder in the divider output mode.

В одном из вариантов осуществления входное плечо содержит отрезок линии передачи, соединенный со входным портом и с согласующим элементом или цепью и имеющий импеданс Z_in, каждое выходное плечо содержит два последовательно соединенных отрезка линии передачи, коммутирующий элемент в соответствующем выходном плече одним концом подключен к точке соединения упомянутых двух отрезков линии передачи, а вторым концом – к земле, отрезок линии передачи между точкой разветвления и точкой подключения коммутирующего элемента имеет импеданс Z_λ/4 и электрическую длину, эквивалентную приблизительно четверти длины волны (λ/4) сигнала, проходящего через коммутатор, отрезок линии передачи в выходном плече между точкой подключения коммутирующего элемента и выходным портом имеет импеданс, равный Z_in.In one embodiment, the input arm contains a segment of the transmission line connected to the input port and with a matching element or circuit and having an impedance Z _in , each output arm contains two series-connected segments of the transmission line, the switching element in the corresponding output arm is connected at one end to a point the connection of the two segments of the transmission line, and the second end to the ground, the segment of the transmission line between the branch point and the connection point of the switching element has an impedance Z _{λ / 4} and the electrical length equivalent to about a quarter of the wavelength (λ / 4) of the signal passing through the switch, the segment of the transmission line in the output arm between the connection point of the switching element and the output port has an impedance equal to Z _in .

В одном из вариантов осуществления все отрезки линии передачи выполнены на основе SIW–волновода (реализованного в печатной плате волновода со штырьевыми стенками), каждый из первого и второго коммутирующего элемента содержит шунтирующее металлизированное отверстие, электрически соединенное с нижней стенкой SIW–волновода и отделенное от верхней стенки SIW–волновода диэлектрическим зазором, и управляемый световым потоком фотопроводящий элемент, полностью покрывающий диэлектрический зазор и электрически соединенный с шунтирующим отверстием и с верхней стенкой SIW–волновода, согласующий элемент представляет собой отверстие диаметром меньше λ/4 в верхней стенке SIW–волновода вблизи точки разветвления, третий коммутирующий элемент содержит упомянутое отверстие, полностью покрытое фотопроводящим элементом, электрически соединенным с верхней стенкой SIW–волновода и управляемым световым потоком, импеданс части каждого плеча длиной ¼ λ после точки разветвления Z_λ/4 равен Z_in.In one embodiment, all segments of the transmission line are based on an SIW waveguide (implemented in a printed circuit board of a waveguide with pin walls), each of the first and second switching element contains a shunt metallized hole electrically connected to the lower wall of the SIW waveguide and separated from the upper walls of the SIW waveguide with a dielectric gap, and a photoconductive element controlled by the light flux, completely covering the dielectric gap and electrically connected to the shunt hole By means of and with the upper wall of the SIW waveguide, the matching element is a hole with a diameter less than λ / 4 in the upper wall of the SIW waveguide near the branch point, the third switching element contains the aforementioned hole completely covered by a photoconductive element electrically connected to the upper wall of the SIW waveguide and controlled by the light flux, the impedance of the part of each arm with a length of ¼ λ after the branch point Z _{λ / 4} is equal to Z _in .

В одном из вариантов осуществления все отрезки линии передачи выполнены на основе микрополосковой линии, каждый коммутирующий элемент выполнен в виде разрыва в микрополосковой линии, края которого соединены между собой фотопроводящим элементом, управляемым световым потоком, согласующая цепь содержит отрезок линии передачи с импедансом Z_in и электрической длиной приблизительно 0,13λ, одним концом соединенный с упомянутым отрезком линии передачи во входном плече и другим концом – с точкой разветвления, и микрополосковый отвод с импедансом 2,8Z_in и электрической длиной приблизительно 0,13λ, одним концом соединенный с упомянутым отрезком линии передачи во входном плече и другим концом – с третьим коммутирующим элементом, который, в свою очередь, другим концом подключен к земле, импеданс части каждого плеча длиной ¼ λ после точки разветвления Z_λ/4 равен 1,2Z_in.In one embodiment, all segments of the transmission line are made on the basis of a microstrip line, each switching element is made as a gap in the microstrip line, the edges of which are interconnected by a photoconductive element controlled by the light flux, the matching circuit contains a segment of the transmission line with impedance Z _in and electric approximately 0.13λ long, connected at one end to the said transmission line segment in the input arm and at the other end with a branch point, and a microstrip tap with impedance m 2,8Z _in electrical length and approximately 0,13λ, with one end connected to said transmission line segment in the input arm and the other end - a third switching element which, in turn, the other end connected to ground, the impedance of each arm length ¼ λ after the branch point Z _{λ / 4} is equal to 1.2Z _in .

В одном из вариантов осуществления коммутатор дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный выходной порт; по меньшей мере одно дополнительное выходное плечо, соединенное своими концами с упомянутым дополнительным выходным портом и с точкой разветвления и содержащее дополнительный коммутирующий элемент, выполненный с возможностью изменения импеданса данного дополнительного выходного плеча.In one embodiment, the switch further comprises at least one additional output port; at least one additional output arm connected at its ends to said additional output port and to a branch point and comprising an additional switching element configured to change the impedance of this additional output arm.

Согласно второму аспекту изобретения, предложен многопозиционный коммутатор, содержащий: входной порт; N выходных портов, причем N – натуральное число, большее или равное 3; и множество составляющих коммутаторов, причем множество составляющих коммутаторов содержит по меньшей мере один коммутатор согласно первому аспекту изобретения, причем каждый выходной порт каждого составляющего коммутатора является выходным портом данного многопозиционного коммутатора.According to a second aspect of the invention, there is provided a multi-position switch comprising: an input port; N output ports, with N being a positive integer greater than or equal to 3; and a plurality of constituent switches, the plurality of constituent switches comprising at least one switch according to a first aspect of the invention, each output port of each constituent switch being an output port of a given multi-position switch.

Технический результатTechnical result

Настоящее изобретение обеспечивает упрощенный и недорогой коммутатор миллиметрового диапазона с высокими техническими характеристиками, который способен работать как в режиме коммутации одного порта, когда вся входная мощность должна поступать только в один из выходных портов, так и в режиме делителя мощности, когда входная мощность должна делиться между выходными портами. Данное решение позволяет реализовать функцию формирования диаграммы направленности антенной решетки и фазированной антенной решетки, управление поляризацией излучения (VP; HP; CP), а также придать дополнительные возможности антеннам MIMO (с множеством входов и множеством выходов).The present invention provides a simplified and inexpensive millimeter-wave switch with high technical characteristics, which is capable of operating both in a single port switching mode, when all input power should be supplied to only one of the output ports, and in a power divider mode, when the input power should be divided between output ports. This solution allows you to implement the function of forming the radiation pattern of the antenna array and the phased antenna array, controlling the polarization of radiation (VP; HP; CP), as well as giving additional capabilities to MIMO antennas (with many inputs and many outputs).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Эти и другие преимущества станут понятны из нижеследующего описания при рассмотрении с сопроводительными чертежами, на которых:These and other advantages will become apparent from the following description when considered with the accompanying drawings, in which:

На Фиг. 1 показан коммутатор на базе SIW–волновода согласно первому варианту осуществления изобретения.In FIG. 1 shows a switch based on an SIW waveguide according to a first embodiment of the invention.

На Фиг. 2А–2B показана конструкция оптических коммутирующих элементов, расположенных в выходных плечах коммутатора на базе SIW–волновода.In FIG. 2A – 2B show the design of optical switching elements located in the output arms of the switch based on the SIW waveguide.

На Фиг. 3А–3B показана конструкция согласующего коммутирующего элемента, расположенного во входном плече коммутатора на базе SIW–волновода.In FIG. 3A – 3B show the design of the matching switching element located in the input arm of the switch based on the SIW waveguide.

На Фиг. 4A–4B показаны принцип работы и эквивалентная схема коммутатора в режиме передачи всей мощности на порт 1.In FIG. 4A – 4B show the principle of operation and the equivalent circuit of the switch in the mode of transmitting all the power to port 1.

На Фиг. 5A–5B показаны принцип работы и эквивалентная схема коммутатора в режиме делителя.In FIG. 5A – 5B show the operating principle and equivalent circuit of the switch in divider mode.

На Фиг. 6 показано распределение электромагнитного поля в области согласующего коммутирующего элемента в режиме делителя.In FIG. 6 shows the distribution of the electromagnetic field in the region of the matching switching element in the divider mode.

На Фиг. 7A–7B показана зависимость импеданса и коэффициента отражения входного порта от размеров согласующего отверстия и его удаленности от точки разветвления.In FIG. 7A – 7B show the dependence of the impedance and reflection coefficient of the input port on the size of the matching hole and its distance from the branch point.

На Фиг. 8A–8B показаны результаты моделирования S–параметров многорежимного коммутатора на частоте 79 ГГц ± 3 ГГц.In FIG. 8A – 8B show the results of modeling S – parameters of a multi-mode switch at a frequency of 79 GHz ± 3 GHz.

На Фиг. 9A показан традиционный двухантенный радар.In FIG. 9A shows a conventional two-antenna radar.

На Фиг. 9B показан одноантенный радар с применением коммутатора согласно настоящему изобретению.In FIG. 9B shows a single-antenna radar using a switch according to the present invention.

На Фиг. 10A–10C показан пример управления поляризацией излучения с использованием коммутатора согласно настоящему изобретению.In FIG. 10A to 10C show an example of radiation polarization control using a switch according to the present invention.

На Фиг. 11A–11C показан пример управления диаграммой направленности антенны на базовой станции с использованием коммутатора согласно настоящему изобретению.In FIG. 11A to 11C show an example of antenna pattern control at a base station using a switch according to the present invention.

На Фиг. 12 показан многопозиционный коммутатор согласно второму варианту осуществления изобретения.In FIG. 12 shows a multi-position switch according to a second embodiment of the invention.

На Фиг. 13A–13B показан коммутатор на базе микрополосковой линии согласно третьему варианту осуществления изобретения.In FIG. 13A – 13B show a microstrip switch according to a third embodiment of the invention.

Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.It should be understood that the figures can be presented schematically and not to scale and are intended mainly to improve understanding of the present invention.

Подробное описаниеDetailed description

В настоящем документе раскрывается в общем случае многопозиционный многорежимный коммутатор для работы в миллиметровом диапазоне (например, > 40 ГГц).This document generally discloses a multi-position multi-mode switch for operation in the millimeter range (e.g.,> 40 GHz).

Двухпозиционный коммутатор на SIW–волноводахOn-off switch on SIW waveguides

Первым вариантом осуществления изобретения является коммутатор, показанный на Фиг. 1, имеющий 3 режима: режим 1, в котором входной сигнал поступает только на 1–й выходной порт, режим 2, в котором входной сигнал поступает только на 2–й выходной порт, и режим делителя, в котором входной сигнал поступает на оба выходных порта.A first embodiment of the invention is the switch shown in FIG. 1, which has 3 modes: mode 1, in which the input signal arrives only at the 1st output port, mode 2, in which the input signal arrives only at the 2nd output port, and divider mode, in which the input signal arrives at both output port.

Коммутатор 100, показанный на Фиг. 1, имеет два выходных порта 1 и 2 и один входной порт 3 и выполнен на базе реализованного в печатной плате волновода 4 со штырьевыми стенками (SIW). Первое выходное плечо коммутатора, соединенное своими концами с первым выходным портом 1 и с точкой разветвления, содержит первый коммутирующий элемент 5–1. Второе выходное плечо коммутатора, соединенное своими концами со вторым выходным портом 2 и с точкой разветвления, содержит второй коммутирующий элемент 5–2. Входное плечо, соединенное своими концами со входным портом 3 и с точкой разветвления, содержит управляемый согласующий элемент 5–3 (далее в настоящем документе может также в общем случае называться коммутирующим элементом 5–3). Все три элемента 5–1, 5–2, 5–3 в этом варианте осуществления выполнены в виде оптического коммутирующего элемента на основе фотопроводящего элемента (PE). Управляющим сигналом для коммутирующих элементов в данном случае является световой поток, который подается на них от источников света 7–1, 7–2, 7–3, таких как светодиоды или лазерные диоды. Источники света могут быть отдельными компонентами либо могут быть частью коммутатора. Каждый коммутирующий элемент выполнен с возможностью изменения импеданса соответствующего плеча, в котором он находится, при его включении/выключении, как будет более подробно пояснено ниже в данном документе.The switch 100 shown in FIG. 1, has two output ports 1 and 2 and one input port 3 and is based on a waveguide 4 with pin walls (SIW) implemented in a printed circuit board. The first output arm of the switch, connected at its ends to the first output port 1 and to the branch point, contains the first switching element 5–1. The second output arm of the switch, connected at its ends to the second output port 2 and to the branch point, contains a second switching element 5–2. The input arm, connected at its ends to the input port 3 and to the branch point, contains a controlled matching element 5–3 (hereinafter, it can also be referred to in the general case as a switching element 5–3). All three elements 5–1, 5–2, 5–3 in this embodiment are made in the form of an optical switching element based on a photoconductive element (PE). The control signal for the switching elements in this case is the light flux that is supplied to them from light sources 7–1, 7–2, 7–3, such as LEDs or laser diodes. Light sources may be separate components or may be part of a switch. Each switching element is configured to change the impedance of the corresponding arm in which it is located when it is turned on / off, as will be described in more detail later in this document.

Общие принципы изготовления коммутирующего элемента на основе фотопроводящего элемента (PE) и его управления посредством светового потока от источников света являются известными для специалистов в данной области техники и не являются предметом настоящего изобретения, поэтому не рассматриваются подробно в данном документе. Аналогичным образом, SIW–волноводы являются известными структурами, и их принципы построения не рассматриваются подробно в данном документе.General principles for the manufacture of a switching element based on a photoconductive element (PE) and its control by the light flux from light sources are known to specialists in this field of technology and are not the subject of the present invention, therefore, are not considered in detail in this document. Similarly, SIW waveguides are known structures, and their construction principles are not discussed in detail in this document.

Как упоминалось выше, все три коммутирующих элемента в этом варианте осуществления выполнены на базе печатной платы в виде оптического коммутирующего элемента на основе фотопроводящего элемента (PE), такого как полупроводниковый фотопроводящий элемент на основе кремния, арсенида галлия–индия и т.д. Фотопроводящий элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой собственной электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.As mentioned above, all three switching elements in this embodiment are based on a printed circuit board in the form of an optical switching element based on a photoconductive element (PE), such as a silicon-based semiconductor photoconductive element, gallium-indium arsenide, etc. A photoconductive element has at least two states: a state of a dielectric with low intrinsic electrical conductivity (off state) in the absence of a control light flux and a state of a conductor with relatively high electrical conductivity (on state) in the presence of a control light flux.

В данном варианте осуществления коммутирующие элементы 5–1 и 5–2 являются обычными оптическими коммутирующими элементами, известными из уровня техники, содержащими шунтирующее металлизированное отверстие 10, электрически соединенное с нижним слоем 13 печатной платы (то есть с нижней стенкой SIW–волновода 4) и отделенное от верхнего слоя 11 печатной платы (то есть от верхней стенки SIW–волновода 4) диэлектрическим зазором 9, и фотопроводящий элемент 8, расположенный на верхнем слое 11 печатной платы, полностью покрывающий диэлектрический зазор 9 и электрически соединенный с шунтирующим отверстием 10 и с верхним слоем 11 печатной платы, как показано на Фиг. 2А–2B.In this embodiment, the switching elements 5–1 and 5–2 are conventional optical switching elements known in the art, containing a shunt metallized hole 10 electrically connected to the lower layer 13 of the printed circuit board (i.e., the bottom wall of the SIW waveguide 4) and separated from the top layer 11 of the printed circuit board (that is, from the upper wall of the SIW waveguide 4) by a dielectric gap 9, and a photoconductive element 8 located on the upper layer 11 of the printed circuit board, completely covering the dielectric gap 9 and electrically connected to the shunt hole 10 and to the top layer 11 of the printed circuit board, as shown in FIG. 2A – 2B.

Согласующий коммутирующий элемент 5–3 представляет собой отверстие 15 с радиусом R_h, выполненное в верхнем слое 11 печатной платы (то есть в верхней стенке SIW–волновода 4), расположенное около точки разветвления (на расстоянии D_h от нее) и полностью покрытое фотопроводящим элементом 8, соединенным с верхним слоем 11 печатной платы, как показано на Фиг. 3А–3B. Далее в настоящем документе оно может называться согласующим отверстием.The matching switching element 5–3 is a hole 15 with a radius R _h made in the upper layer 11 of the printed circuit board (that is, in the upper wall of the SIW waveguide 4), located near the branch point (at a distance D _h from it) and completely covered with photoconductive an element 8 connected to the upper layer 11 of the printed circuit board, as shown in FIG. 3A – 3B. Hereinafter, it may be referred to as a matching hole.

Далее показаны принцип работы и эквивалентные схемы коммутатора 100: на Фиг. 4A–4B – в режиме 1, на Фиг. 5A–5B – в режиме делителя. Отрезок линии передачи в первом выходном плече между точкой разветвления и точкой подключения коммутирующего элемента 5–1 имеет импеданс Z_λ/4 и электрическую длину, эквивалентную четверти длины волны (λ/4) сигнала, проходящего через коммутатор. Отрезок линии передачи во втором выходном плече между точкой разветвления и точкой подключения коммутирующего элемента 5–2 также имеет импеданс Z_λ/4 и электрическую длину λ/4. Можно считать, что коммутирующие элементы 5–1 и 5–2 одним концом подключены к концу отрезка линии передачи в соответствующем выходном плече, а вторым концом – к земле. Отрезок линии передачи в первом выходном плече между точкой подключения коммутирующего элемента 5–1 и выходным портом 1 имеет импеданс Z1. Отрезок линии передачи во втором выходном плече между точкой подключения коммутирующего элемента 5–2 и выходным портом 2 имеет импеданс Z2. Отрезок линии передачи во входном плече между входным портом 1 и точкой подключения коммутирующего элемента 5–3 имеет импеданс Z_in, согласованный с каждым выходным портом, для чего Z_λ/4, Z1 и Z2 в данном варианте осуществления задаются равными Z_in. Коммутирующий элемент 5–3 в данном случае можно рассматривать как одним концом подключенный к концу отрезка линии передачи во входном плече, а вторым концом – к точке разветвления. Включение каждого из коммутирующих элементов изменяет импеданс соответствующего плеча. Тем самым, реализуются условия и для режима SPDT, когда необходимо весь входной сигнал выводить в один выходной порт, и для режима делителя, когда сигнал должен распределяться между выходными портами.The following shows the principle of operation and equivalent circuitry of the switch 100: in FIG. 4A – 4B — in mode 1, in FIG. 5A – 5B - in divider mode. The segment of the transmission line in the first output arm between the branch point and the connection point of the switching element 5–1 has an impedance of Z _{λ / 4} and an electric length equivalent to a quarter of the wavelength (λ / 4) of the signal passing through the switch. The segment of the transmission line in the second output arm between the branch point and the connection point of the switching element 5–2 also has an impedance Z _{λ / 4} and an electric length λ / 4. We can assume that the switching elements 5–1 and 5–2 are connected at one end to the end of the transmission line segment in the corresponding output arm, and at the other end to the ground. A segment of the transmission line in the first output arm between the connection point of the switching element 5–1 and the output port 1 has an impedance Z1. The segment of the transmission line in the second output arm between the connection point of the switching element 5–2 and output port 2 has an impedance Z2. The segment of the transmission line in the input arm between the input port 1 and the connection point of the switching element 5–3 has an impedance Z _in matched with each output port, for which Z _{λ / 4} , Z1 and Z2 in this embodiment are set equal to Z _in . In this case, the switching element 5–3 can be considered as one end connected to the end of the segment of the transmission line in the input arm, and the other end to the branch point. The inclusion of each of the switching elements changes the impedance of the corresponding arm. Thus, the conditions are realized both for the SPDT mode, when it is necessary to output the entire input signal to one output port, and for the divider mode, when the signal should be distributed between the output ports.

Для режима SPDT коммутирующий элемент в требуемом выходном плече должен быть выключен, а коммутирующий элемент в другом выходном плече и коммутирующий элемент во входном плече должны быть во включенном состоянии. Например, в режиме 1, показанном на Фиг. 4, на оптический коммутирующий элемент 5–2 во втором плече падает свет, и его фотопроводящий элемент находится в проводящем состоянии (ВКЛ), то есть коммутирующий элемент 5–2 замыкается на землю, и импеданс в этой точке становится равен нулю. Соответственно, другой конец четвертьволнового отрезка линии передачи во втором плече, соединенного с включенным коммутирующим элементом 5–2, имеет бесконечный импеданс, то есть находится в разомкнутом режиме, или R=∞ в точке разветвления. В то же время, на оптический коммутирующий элемент 5–1 не падает свет, и его фотопроводящий элемент находится в диэлектрическом состоянии (ВЫКЛ), то есть в первом выходном плече не возникает неоднородность. На оптический коммутирующий элемент 5–3 падает свет, и его фотопроводящий элемент находится в проводящем состоянии (ВКЛ), при этом согласующее отверстие коммутирующего элемента 5–3 оказывается полностью закороченным на верхний слой печатной платы (то есть на верхнюю стенку SIW–волновода) и не является препятствием для волны, поскольку все поле находится внутри SIW, то есть во входном плече тоже не возникает неоднородность.For SPDT mode, the switching element in the desired output arm must be turned off, and the switching element in the other output arm and the switching element in the input arm must be on. For example, in mode 1 shown in FIG. 4, light is incident on the optical switching element 5-2 in the second arm, and its photoconductive element is in a conducting state (ON), that is, the switching element 5-2 closes to the ground, and the impedance at this point becomes zero. Accordingly, the other end of the quarter-wave segment of the transmission line in the second arm connected to the switched switching element 5–2 has an infinite impedance, that is, it is in open mode, or R = ∞ at the branch point. At the same time, light does not fall on the optical switching element 5–1, and its photoconductive element is in a dielectric state (OFF), i.e., inhomogeneity does not occur in the first output arm. Light is incident on the optical switching element 5–3, and its photoconductive element is in a conducting state (ON), while the matching hole of the switching element 5–3 is completely shorted to the upper layer of the printed circuit board (that is, to the upper wall of the SIW waveguide) and is not an obstacle for the wave, since the entire field is inside the SIW, that is, inhomogeneity also does not occur in the input arm.

Таким образом, в режиме 1 половина мощности электромагнитной волны, поступающей на входной порт 3, проходит из точки разветвления через первое плечо, а затем, в отсутствие неоднородности в линии (поскольку коммутирующий элемент 5–1 выключен, а входной порт согласован), полностью переходит в нагрузку – первый выходной порт 1. В свою очередь, другая половина мощности электромагнитной волны проходит из точки разветвления через отрезок линии передачи во втором плече и, отражаясь в точке подключения коммутирующего элемента 5–2 от нулевого импеданса, попадает обратно в точку разветвления, складывается в фазе с первой частью волны и тоже переходит в первый выходной порт 1. Аналогичным образом происходит распределение и в режиме 2 (не показан), в котором коммутирующие элементы 5–1 и 5–3 включены, а коммутирующий элемент 5–2 выключен. Соответственно, в режиме 1 вся мощность переходит в первый выходной порт 1, а в режиме 2 вся мощность переходит во второй выходной порт 2 без потерь на отражение.Thus, in mode 1, half the power of the electromagnetic wave transmitted to input port 3 passes from the branch point through the first arm, and then, in the absence of heterogeneity in the line (since the switching element 5–1 is turned off and the input port is matched), it completely switches over the first output port 1 is loaded into the load. In turn, the other half of the electromagnetic wave power passes from the branch point through a segment of the transmission line in the second arm and is reflected at the connection point of the switching element 5–2 from the zero impedance nsa, gets back to the branching point, folds in phase with the first part of the wave and also goes to the first output port 1. Similarly, distribution occurs in mode 2 (not shown), in which the switching elements 5–1 and 5–3 are turned on, and switching element 5–2 is turned off. Accordingly, in mode 1, all power goes to the first output port 1, and in mode 2, all power goes to the second output port 2 without reflection loss.

Для режима делителя (Фиг. 5A–B) все три коммутирующих элемента должны быть выключены. В этом случае в выходных плечах не возникает неоднородность, и волна движется в оба выходных плеча с одинаковыми волновыми сопротивлениями Z1 и Z2, сумма которых не равна Z_in, то есть происходит рассогласование, и из–за этого возникает отраженная волна. Сопротивление нагрузки при этом составит Z_load=Z_in/2, на некотором смещении от точки разветвления его можно представить как Z_load=jL+Z_in, где jL характеризует реактивное сопротивление, вызванное рассогласованием.For the divider mode (Figs. 5A – B), all three switching elements must be turned off. In this case, inhomogeneity does not occur in the output arms, and the wave moves to both output arms with the same wave impedances Z1 and Z2, the sum of which is not equal to Z _in , i.e. there is a mismatch, and because of this, a reflected wave arises. The load resistance in this case will be Z _load = Z _in / 2, at a certain offset from the branch point, it can be represented as Z _load = jL + Z _in , where jL characterizes the reactance caused by the mismatch.

Между тем, поскольку на оптический коммутирующий элемент 5–3 не падает свет, его фотопроводящий элемент 8 находится в диэлектрическом состоянии (ВЫКЛ), и при определенных размерах согласующего отверстия 15 в верхней стенке 11 SIW–волновода 4 электромагнитное поле выходит через это отверстие наружу, волна деформируется, но не излучается, если отверстие 15 не слишком большое (диаметр < λ/4) (Фиг. 6). Это вносит в линию передачи неоднородность в виде реактивного (в частности, индуктивного) сопротивления, равного Z_PM=–jL, то есть импеданс входного плеча изменяется. Возникает дополнительная отраженная волна, которая компенсирует отраженную волну, возникшую в результате вышеуказанного рассогласования выходных плеч, когда эти волны являются противофазными. Для полной компенсации (то есть для полного согласования) модуль реактивного сопротивления во входном плече должен быть равен модулю реактивного сопротивления jL, вызванного рассогласованием выходных плеч. Соответственно, в состоянии делителя за счет полного согласования вся мощность поровну распределяется между первым выходным портом 1 и вторым выходным портом 2.Meanwhile, since light does not fall on the optical switching element 5–3, its photoconductive element 8 is in a dielectric state (OFF), and at certain sizes of the matching hole 15 in the upper wall 11 of the SIW waveguide 4, the electromagnetic field exits through this hole, the wave is deformed, but not radiated, if the hole 15 is not too large (diameter <λ / 4) (Fig. 6). This introduces heterogeneity in the transmission line in the form of reactive (in particular, inductive) resistance equal to Z _PM = –jL, that is, the impedance of the input arm changes. An additional reflected wave arises, which compensates for the reflected wave arising from the above mismatch of the output arms when these waves are out of phase. For full compensation (that is, for full coordination), the reactance module in the input arm should be equal to the reactance module jL caused by the mismatch of the output arms. Accordingly, in the state of the divider, due to full coordination, all power is equally distributed between the first output port 1 and the second output port 2.

Далее на Фиг. 7A–7B показана зависимость импеданса и коэффициента отражения входного порта от размеров R_h согласующего отверстия, выполненного в рамках согласующего коммутирующего элемента 5–3, и его удаленности D_h от точки разветвления. Приведенные графики получены в результате моделирования параметров выходного порта при разных радиусах R_h согласующего отверстия и его расстояния D_h от точки разветвления. В частности, когда R_h=0 (то есть отверстия нет), в режиме делителя согласование отсутствует, и отражение составляет –8 дБ. Как видно из Фиг. 7A–7B, оптимальным сочетанием (показано звездочкой) для тестируемого образца являются значения радиуса R_h=0,375 мм и расстояния D_h=0,7 мм, при которых импеданс входного порта и коэффициент отражения минимальны.Further in FIG. 7A – 7B show the dependence of the impedance and reflection coefficient of the input port on the dimensions R _{h of the} matching hole made in the framework of the matching switching element 5–3, and its distance D _h from the branch point. The presented graphs were obtained as a result of modeling the parameters of the output port for different radii R _{h of the} matching hole and its distance D _h from the branch point. In particular, when R _h = 0 (that is, there is no hole), there is no matching in the divider mode, and the reflection is –8 dB. As can be seen from FIG. 7A – 7B, the optimal combination (shown by an asterisk) for the test sample is the radius R _h = 0.375 mm and the distance D _h = 0.7 mm, at which the input port impedance and reflection coefficient are minimal.

На Фиг. 8A–8B представлены результаты моделирования S–параметров вышеописанного многорежимного коммутатора на частоте 79 ГГц ± 3 ГГц. А именно, на Фиг. 8A показаны графики коэффициента отражения волны обратно во входной порт 3 (S33) в режиме 1 и в режиме делителя, а на Фиг. 8B показаны графики коэффициентов передачи из входного порта в первый выходной порт 1 (S31) и во второй выходной порт 2 (S32) в режиме 1 и в режиме делителя. Как видно из представленных графиков, в режиме 1 весь сигнал переходит в первый выходной порт 1 (S31 → 0 дБ), тогда как в портах 2 и 3 сигнала нет (S32 ≈ –25 дБ, S33 < –15 дБ). В режиме делителя весь сигнал распределяется поровну между первым выходным портом 1 и вторым выходным портом 2 (S31 ≈ –3 дБ, S32 ≈ –3 дБ), тогда как в порте 3 отраженного сигнала нет (S33 < –18 дБ).In FIG. 8A – 8B present the results of modeling S – parameters of the above-described multi-mode switch at a frequency of 79 GHz ± 3 GHz. Namely, in FIG. 8A shows graphs of the reflection coefficient of the wave back to the input port 3 (S33) in mode 1 and in divider mode, and in FIG. 8B shows graphs of transmission coefficients from the input port to the first output port 1 (S31) and to the second output port 2 (S32) in mode 1 and in divider mode. As can be seen from the graphs, in mode 1 the entire signal goes to the first output port 1 (S31 → 0 dB), while in ports 2 and 3 there is no signal (S32 ≈ –25 dB, S33 <–15 dB). In the divider mode, the entire signal is distributed evenly between the first output port 1 and the second output port 2 (S31 ≈ –3 dB, S32 ≈ –3 dB), while port 3 does not have a reflected signal (S33 <–18 dB).

Для удобства понимания принцип работы предложенного коммутатора сведен в нижеследующую таблицу.For ease of understanding, the principle of operation of the proposed switch is summarized in the following table.

Таблица 1Table 1

Элемент/ режимItem / Mode Порт 1Port 1 Порт 2Port 2 Комм.5–1Comm. 5–1 Комм.5–2Comm. 5–2 Соглас. комм. 5–3I agree. comm 5–3 ДелительDivider –3 дБ–3 dB –3 дБ–3 dB ВЫКЛOff ВЫКЛOff ВЫКЛOff 11 0 дБ0 dB –- ВЫКЛOff ВКЛOn ВКЛOn 22 –- 0 дБ0 dB ВКЛOn ВЫКЛOff ВКЛOn

Таким образом, коммутатор 100 обладает способностью работать как в режимах передачи всей входной мощности от входного порта к любому одному выходному порту (1 или 2), так и в режиме делителя, когда входная мощность распределяется на оба порта одновременно. При этом даже на высоких частотах такой коммутатор обладает малыми потерями и не подвержен интерференционному влиянию внешних компонентов. За счет минимизации количества компонентов обеспечивается снижение цены и возможность интеграции в компактные устройства. Следовательно, обеспечивается упрощение конструкции многорежимного коммутатора по сравнению с существующими решениями для миллиметрового диапазона при одновременном обеспечении высоких характеристик в отношении потерь и доступных рабочих частот.Thus, the switch 100 is capable of operating both in transmission modes of all input power from the input port to any one output port (1 or 2), and in a divider mode, when the input power is distributed to both ports simultaneously. Moreover, even at high frequencies, such a switch has low losses and is not subject to the interference effect of external components. By minimizing the number of components, lower prices and the ability to integrate into compact devices are provided. Consequently, the design of the multi-mode switch is simplified in comparison with existing solutions for the millimeter range, while at the same time providing high performance with respect to losses and available operating frequencies.

Данное решение позволяет реализовать функцию формирования диаграммы направленности антенной решетки и фазированной антенной решетки, управление поляризацией излучения (VP; HP; CP), а также придать дополнительные возможности антеннам MIMO (с множеством входов и множеством выходов).This solution allows you to implement the function of forming the radiation pattern of the antenna array and the phased antenna array, controlling the polarization of radiation (VP; HP; CP), as well as giving additional capabilities to MIMO antennas (with many inputs and many outputs).

Например, на Фиг. 9A–9B схематично показано, как за счет многорежимности можно уменьшить количество антенн в радаре, сохранив их характеристики и сохранив возможность переключения между режимами дальности. В частности, в традиционном радаре из уровня техники, показанном на Фиг. 9A, для переключения между режимами MR (средней дальности) и SR (малой дальности) используется переключение сигнала из одного и того же передающего канала между двумя антеннами: первая – для MR, а вторая – для SR. Это требует дополнительного пространства для второй антенны, которая к тому же и не используется часть времени, при том что эти две антенны могут использоваться только в режиме TDM (режиме с временным разделением). В отличие от этого, с помощью предложенного многорежимного коммутатора можно использовать одну и ту же антенную решетку (Фиг. 9B) частично или полностью в зависимости от выбранного режима и тем самым уменьшить необходимое пространство для антенн. Например, в режиме 1 работает только левая часть антенной решетки, которая по своей сути идентична решетке 1 из традиционного радара, а в режиме делителя работают обе части антенной решетки, что идентично решетке 2 из традиционного радара.For example, in FIG. 9A – 9B schematically show how, due to multi-mode, the number of antennas in the radar can be reduced, while retaining their characteristics and maintaining the ability to switch between range modes. In particular, in the conventional prior art radar shown in FIG. 9A, to switch between MR (medium range) and SR (short range) modes, the signal is switched from the same transmitting channel between two antennas: the first for MR and the second for SR. This requires additional space for the second antenna, which is also not used part of the time, despite the fact that these two antennas can only be used in TDM mode (time division mode). In contrast, using the proposed multi-mode switch, it is possible to use the same antenna array (Fig. 9B) partially or completely depending on the selected mode and thereby reduce the required space for antennas. For example, in mode 1, only the left part of the antenna array works, which is essentially identical to array 1 from the traditional radar, and in divider mode, both parts of the antenna array work, which is identical to array 2 from the traditional radar.

Далее на Фиг. 10A–10C показано, как за счет многорежимности можно управлять поляризацией излучения. В качестве примера, первый выходной порт коммутатора может быть нагружен напрямую на излучатель (такой как патч–излучатель), а второй выходной порт может быть нагружен на тот же излучатель, только через фазовращатель на 90°. В режиме 1 вся мощность попадает на излучатель через первый выходной порт, и реализуется вертикальная поляризация. В режиме 2 вся мощность попадает на излучатель через второй выходной порт со сдвигом фазы –90°, и реализуется горизонтальная поляризация. В режиме делителя мощность попадает на излучатель поровну через первый выходной порт без сдвига фазы и через второй выходной порт со сдвигом фазы –90°, и тогда реализуется круговая поляризация.Further in FIG. 10A – 10C show how radiation polarization can be controlled by multi-mode. As an example, the first output port of the switch can be loaded directly on the emitter (such as a patch emitter), and the second output port can be loaded on the same emitter, only through a 90 ° phase shifter. In mode 1, all power is supplied to the emitter through the first output port, and vertical polarization is realized. In mode 2, all the power is delivered to the emitter through the second output port with a phase shift of –90 °, and horizontal polarization is realized. In the divider mode, the power is distributed to the emitter equally through the first output port without phase shift and through the second output port with a phase shift of –90 °, and then circular polarization is realized.

Фиг. 11A–11C показано, как за счет многорежимности можно управлять диаграммой направленности на базовой станции.FIG. 11A – 11C show how radiation patterns at a base station can be controlled by multi-mode.

На Фиг. 11A показана базовая станция, содержащая расположенные равномерно по кругу 4 антенны (201–204). Питание на антенны подается через делитель мощности с 1 входом и 4 выходами, скомпонованный по традиционной бинарной схеме, в узлах которой расположены не традиционные делители мощности, а предложенные в настоящем изобретении коммутаторы (101–103). Когда все эти коммутаторы работают в режиме делителя мощности, сигнал равномерно поступает на все 4 антенны, и реализуется всенаправленная диаграмма направленности.In FIG. 11A shows a base station comprising 4 antennas (201–204) evenly spaced around a circle. Power is supplied to the antennas through a power divider with 1 input and 4 outputs, arranged according to a traditional binary circuit, in the nodes of which are not traditional power dividers, but the switches proposed in the present invention (101–103). When all these switches operate in the power divider mode, the signal is uniformly fed to all 4 antennas, and an omnidirectional radiation pattern is realized.

На Фиг. 11B показана та же базовая станция с тем же делителем мощности, но в этом случае коммутаторы в узлах делителя мощности работают в режиме SPDT – в частности, коммутаторы 101 и 103 работают в режиме 1. Сигнал поступает только на антенну 201, и реализуется узкая диаграмма направленности, сформированная только этой антенной. Аналогичным образом, управляя режимом SPDT в коммутаторах, можно получить сценарии, в которых излучает только антенна 202, 203 или 204.In FIG. 11B shows the same base station with the same power divider, but in this case, the switches in the nodes of the power divider work in SPDT mode - in particular, the switches 101 and 103 operate in mode 1. The signal is transmitted only to the antenna 201, and a narrow radiation pattern is realized formed only by this antenna. Similarly, by controlling the SPDT mode in the switches, it is possible to obtain scenarios in which only the antenna 202, 203 or 204 emits.

На Фиг. 11C показана та же базовая станция с тем же делителем мощности, но в этом случае по меньшей мере один коммутатор работает в режиме делителя мощности и по меньшей мере один коммутатор работает в режиме SPDT – в частности, коммутатор 101 работает в режиме 2, коммутатор 102 работает в режиме 1, а коммутатор 103 работает в режиме делителя мощности. Сигнал поступает только на антенны 202 и 203, и реализуется соответствующая диаграмма направленности, сформированная только этими антеннами. Аналогичным образом, включая режим SPDT в одних коммутаторах и режим делителя мощности в других коммутаторах, можно получить сценарии, в которых одновременно излучают 2 антенны (или при необходимости 3).In FIG. 11C shows the same base station with the same power divider, but in this case at least one switch operates in power divider mode and at least one switch operates in SPDT mode - in particular, switch 101 operates in mode 2, switch 102 operates in mode 1, and the switch 103 operates in a power divider mode. The signal is supplied only to the antennas 202 and 203, and the corresponding radiation pattern formed only by these antennas is implemented. Similarly, including the SPDT mode in some switches and the power divider mode in other switches, it is possible to obtain scenarios in which 2 antennas (or 3 if necessary) radiate simultaneously.

Многопозиционный коммутаторMulti-switch

Следует отметить, что выше в данном документе описывается только однополюсный двухпозиционный (SPDT) коммутатор, однако настоящее изобретение не ограничивается возможностью вывода сигналов только в 2 канала. Так, далее на Фиг. 12 показан второй вариант осуществления, в котором коммутатор 300 содержит N выходных портов, в каждый из которых может быть по отдельности передан сигнал из входного порта, когда коммутатор работает в режиме SPnT (однополюсного многопозиционного). Каждое из входного и выходных плеч коммутатора 300 скомпонованы аналогично тому, как скомпонованы входное и выходные плечи вышеописанного коммутатора 100. Необходимо при этом понимать, что чем больше плеч содержит коммутатор, тем сложнее добиться согласования в широкой полосе частот, то есть рабочая полоса частот коммутатора 300 будет уменьшаться с ростом числа N.It should be noted that only a single-pole two-position (SPDT) switch is described above, however, the present invention is not limited to the possibility of outputting signals in only 2 channels. So, further on FIG. 12 shows a second embodiment, in which the switch 300 contains N output ports, each of which can be separately transmitted a signal from the input port when the switch is operating in SPnT (single-pole multi-position) mode. Each of the input and output arms of the switch 300 are arranged in the same way as the input and output arms of the above-described switch 100 are arranged. It should be understood that the more shoulders the switch contains, the more difficult it is to achieve coordination in a wide frequency band, i.e., the operating frequency band of the switch 300 will decrease with increasing number N.

Двухпозиционный коммутатор на микрополосковой линииMicrostrip on-off switch

Следует также отметить, что выше в данном документе описывается вариант осуществления, в котором за основу взяты SIW–волновод и оптические коммутирующие элементы на базе SIW. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничивается такой реализацией, и возможны другие варианты осуществления. Например, далее на Фиг. 13A–13B показан третий вариант осуществления, в котором предложенный коммутатор 400 реализован на микрополосковой линии.It should also be noted that the above embodiment describes an embodiment in which the SIW waveguide and the optical switching elements based on SIW are taken as the basis. However, the present invention is not limited to such an implementation, and other embodiments are possible. For example, further on in FIG. 13A through 13B show a third embodiment in which the proposed switch 400 is implemented on a microstrip line.

В частности, все отрезки линии передачи в коммутаторе 400 выполнены на микрополосковой линии. Отрезок линии передачи в первом выходном плече между точкой разветвления и точкой подключения коммутирующего элемента 5–1 имеет импеданс Z_λ/4=1.2Z_in и электрическую длину, эквивалентную приблизительно четверти длины волны (λ/4, 92°) сигнала, проходящего через коммутатор. Отрезок линии передачи во втором выходном плече между точкой разветвления и точкой подключения коммутирующего элемента 5–2 также имеет импеданс Z_λ/4=1.2Z_in и электрическую длину приблизительно λ/4 (92°). Коммутирующие элементы 5–1 и 5–2 одним концом подключены к концу вышеуказанного отрезка линии передачи в соответствующем выходном плече, а вторым концом – к земле. Отрезок линии передачи в первом выходном плече между точкой подключения коммутирующего элемента 5–1 и выходным портом 1 имеет импеданс Z1=Z_in. Отрезок линии передачи во втором выходном плече между точкой подключения коммутирующего элемента 5–2 и выходным портом 2 имеет импеданс Z2=Z_in.In particular, all segments of the transmission line in the switch 400 are made on the microstrip line. The segment of the transmission line in the first output arm between the branch point and the connection point of the switching element 5–1 has an impedance Z _{λ / 4} = 1.2Z _in and an electric length equivalent to about a quarter of the wavelength (λ / 4, 92 °) of the signal passing through the switch . The segment of the transmission line in the second output arm between the branch point and the connection point of the switching element 5–2 also has an impedance Z _{λ / 4} = 1.2Z _in and an electric length of approximately λ / 4 (92 °). The switching elements 5–1 and 5–2 are connected at one end to the end of the above segment of the transmission line in the corresponding output arm, and at the other end to the ground. The segment of the transmission line in the first output arm between the connection point of the switching element 5–1 and the output port 1 has an impedance Z1 = Z _in . The segment of the transmission line in the second output arm between the connection point of the switching element 5–2 and output port 2 has an impedance of Z2 = Z _in .

Роль согласующего отверстия в третьем варианте осуществления выполняет согласующая цепь, также реализованная на микрополосковой линии. Отрезок линии передачи во входном плече между входным портом 1 и согласующей цепью имеет импеданс Z_in, согласованный с каждым выходным портом, для чего Z1 и Z2 в данном варианте осуществления задаются равными Z_in. Согласующая цепь содержит отрезок линии передачи с импедансом Z_in и электрической длиной приблизительно 0,13λ (46°), одним концом соединенный с вышеуказанным отрезком линии передачи во входном плече и другим концом – с точкой разветвления, а также микрополосковый отвод с импедансом Z_stub=2,8Z_in и электрической длиной приблизительно 0,13λ (46°), одним концом соединенный с вышеуказанным отрезком линии передачи во входном плече и другим концом – с коммутирующим элементом 5–3. Чтобы коммутирующий элемент 5–3 обеспечивал согласование, в данном случае он одним концом подключен к земле, а вторым концом – к упомянутому отводу согласующей цепи.The role of the matching hole in the third embodiment is performed by the matching circuit, also implemented on the microstrip line. A segment of the transmission line in the input arm between the input port 1 and the matching circuit has an impedance Z _in matched with each output port, for which Z1 and Z2 in this embodiment are set equal to Z _in . The matching circuit contains a segment of the transmission line with an impedance of Z _in and an electrical length of approximately 0.13λ (46 °), one end connected to the above segment of the transmission line in the input arm and the other end with a branch point, as well as a microstrip branch with impedance Z _stub = 2.8Z _in and an electrical length of approximately 0.13λ (46 °), connected at one end to the aforementioned segment of the transmission line in the input arm and at the other end to a switching element 5–3. In order for the switching element 5–3 to provide coordination, in this case it is connected to the ground at one end and to the mentioned branch of the matching circuit at the other end.

Коммутирующие элементы в данном случае могут быть любыми подходящими переключателями, такими как PIN–диоды, MEMS–элементы и/или оптические коммутирующие элементы. Например, для увеличения компактности они могут быть реализованы на основе фотопроводящих элементов, то есть представлять собой разрыв в микрополосковой линии, полностью перекрытый фотопроводящим элементом, на который подается управляющий световой поток.The switching elements in this case can be any suitable switches, such as PIN diodes, MEMS elements and / or optical switching elements. For example, to increase their compactness, they can be implemented on the basis of photoconductive elements, that is, they can be a gap in the microstrip line, completely blocked by a photoconductive element, to which a control light flux is supplied.

Включение каждого из коммутирующих элементов изменяет импеданс соответствующего плеча. Тем самым, реализуются условия и для режима SPDT, когда необходимо весь входной сигнал выводить в один выходной порт, и для режима делителя, когда сигнал должен распределяться между выходными портами. Вариант осуществления предложенного коммутатора 400 на микрополосковых линиях также является недорогим, как и на SIW–волноводах, но в силу того, что вместо простого согласующего отверстия здесь используется согласующая цепь, размеры его несколько больше вышеуказанного коммутатора 100 на SIW–волноводах. Соответственно, целесообразно применять такой вариант осуществления, когда требования конкретной реализации препятствуют возможности использования SIW–волноводов, или же когда микрополосковая линия уже применяется в других частях устройства – например, в фидерном тракте.The inclusion of each of the switching elements changes the impedance of the corresponding arm. Thus, the conditions are realized both for the SPDT mode, when it is necessary to output the entire input signal to one output port, and for the divider mode, when the signal should be distributed between the output ports. An embodiment of the proposed switch 400 on microstrip lines is also inexpensive, as on SIW waveguides, but due to the fact that instead of a simple matching hole, a matching circuit is used here, its dimensions are slightly larger than the above switch 100 on SIW waveguides. Accordingly, it is advisable to apply such an embodiment when the requirements of a particular implementation impede the possibility of using SIW waveguides, or when the microstrip line is already used in other parts of the device, for example, in the feeder path.

Отрезки линии передачи могут быть выполнены в прямой форме, в закругленной форме, в форме меандра и в любой другой форме, подходящей для конкретного применения.The segments of the transmission line can be made in a straight form, in a rounded shape, in the form of a meander and in any other form suitable for a particular application.

Отрезки линии передачи могут быть выполнены также на основе копланарных волноводов, заземленных копланарных волноводов, сосредоточенных индуктивных и емкостных элементов и т.д.Transmission line segments can also be made on the basis of coplanar waveguides, grounded coplanar waveguides, concentrated inductive and capacitive elements, etc.

Как и на Фиг. 12, данный коммутатор 400 при необходимости может быть реализован в виде многопозиционного коммутатора.As in FIG. 12, this switch 400 may optionally be implemented as a multi-switch.

ПрименениеApplication

Коммутаторы согласно настоящему изобретению можно использовать в электронных устройствах, в которых требуется управление РЧ–сигналами, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективных стандартов 5G и 6G, для различных датчиков, для сетей Wi–Fi, для беспроводной передачи энергии, для систем «умный дом» и иных адаптивных к мм–диапазону интеллектуальных систем, для автомобильной навигации, для Интернета вещей (IoT), беспроводной зарядки и т.д.The switches according to the present invention can be used in electronic devices that require RF signal control, for example, in the millimeter range for mobile networks of promising standards 5G and 6G, for various sensors, for Wi-Fi networks, for wireless energy transmission, for systems “Smart home” and other intelligent systems adaptive to the mm range, for car navigation, for the Internet of things (IoT), wireless charging, etc.

Например, в 5G–сетях удобно применять предложенные коммутаторы в составе антенной решетки базовой станции, чтобы управлять диаграммой направленности и сканированием луча. В другом примере коммутатор согласно настоящему изобретению может найти применение переключения между режимами дальности антенны или радара (допустим, между режимами большой, средней и малой дальности), для изменения разрешения радара, для сканирования лучом, для переключения между режимами работы антенны в продольной/поперечной плоскости, для переключения между разнесенными антеннами, для управления поляризацией в поисках оптимального уровня потерь в тракте и для множества других приложений.For example, in 5G networks it is convenient to use the proposed switches as part of the antenna array of the base station to control the radiation pattern and beam scanning. In another example, the switch according to the present invention may find application of switching between the range modes of the antenna or radar (for example, between the modes of long, medium and short range), to change the resolution of the radar, to scan with a beam, to switch between the operating modes of the antenna in the longitudinal / transverse plane , to switch between spaced antennas, to control polarization in search of the optimal level of path loss and for many other applications.

Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.It should be understood that although in this document to describe various elements, components, areas, layers and / or sections, terms such as "first", "second", "third" and the like can be used, these elements, components , areas, layers and / or sections should not be limited to these terms. These terms are used only to distinguish one element, component, region, layer or section from another element, component, region, layer or section. Thus, a first element, component, region, layer or section may be called a second element, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention. In the present description, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the corresponding items listed. The elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless specifically indicated otherwise.

Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.The functionality of the element indicated in the description or claims as a single element can be implemented in practice through several components of the device, and vice versa, the functionality of the elements indicated in the description or claims as several separate elements can be implemented in practice through a single component.

В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенного коммутатора находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.In one embodiment, the elements / blocks of the proposed switch are in a common housing, placed on the same frame / structure / printed circuit board and are structurally connected to each other by means of assembly (assembly) operations and functionally by means of communication lines. The mentioned communication lines or channels, unless otherwise indicated, are standard communication lines known to specialists, the material implementation of which does not require creative efforts. A communication line can be a wire, a set of wires, a bus, a track, a wireless communication line (inductive, radio frequency, infrared, ultrasonic, etc.). Communication protocols over communication lines are known to specialists and are not disclosed separately.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.The functional connection of elements should be understood as a connection that ensures the correct interaction of these elements with each other and the implementation of one or another functionality of the elements. Particular examples of functional communication may be communication with the possibility of exchanging information, communication with the possibility of transmitting electric current, communication with the possibility of transmitting mechanical motion, communication with the possibility of transmitting light, sound, electromagnetic or mechanical vibrations, etc. The specific type of functional connection is determined by the nature of the interaction of the mentioned elements, and, unless otherwise indicated, is provided by well-known means using principles well known in the art.

Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.The design of the elements of the proposed device is known to specialists in this field of technology and is not described separately in this document, unless otherwise indicated. The elements of the device may be made of any suitable material. These components can be made using known methods, including, by way of example only, machining on machines, investment casting, and crystal growth. Assembly, connection and other operations in accordance with the above description also correspond to the knowledge of a person skilled in the art and, therefore, will not be explained in more detail here.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.Although exemplary embodiments have been described in detail and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are merely illustrative and not intended to limit the present invention, and that the present invention should not be limited to the specific arrangements and structures shown and described, since various other modifications may also be apparent to a person skilled in the art based on the information set forth in the description and knowledge of the prior art. options for carrying out the invention, not beyond the essence and scope of this invention.

Claims

1. A multi-mode switch comprising:

input port

first and second output ports;

a first output arm connected at its ends to the first output port and to a branch point and comprising a first switching element configured to change the impedance of the first output arm;

a second output arm connected at its ends to a second output port and to a branch point and comprising a second switching element configured to change the impedance of the second output arm; and

an input arm connected at its ends with the input port and with a branch point and containing a third switching element configured to change the impedance of the input arm;

moreover, the first and second switching elements are made with the possibility of ground fault to change the impedance of the corresponding output arm in the transmission mode of all power to the other arm,

the third switching element is configured to introduce heterogeneity in the transmission line in the form of a matching element or circuit to change the impedance of the input arm in the divider mode,

moreover, the matching element or circuit has a purely reactance, opposite in sign and equal in magnitude to the reactance caused by the mismatch of the output arms in the divider mode.

2. The switch according to claim 1, in which:

the input arm contains a segment of the transmission line connected to the input port and with a matching element or circuit and having an impedance Z _in ,

each output arm contains two series-connected segments of the transmission line,

the switching element in the corresponding output arm is connected at one end to the connection point of the two segments of the transmission line, and at the second end to the ground,

the length of the transmission line between the branch point and the connection point of the switching element has an impedance Z _{λ / 4} and an electrical length equivalent to about a quarter of the wavelength (λ / 4) of the signal passing through the switch,

the segment of the transmission line in the output arm between the connection point of the switching element and the output port has an impedance equal to Z _in .

3. The switch according to claim 2, in which:

all segments of the transmission line are based on the SIW waveguide (implemented in the printed circuit board of the waveguide with pin walls),

each of the first and second switching element contains a shunt metallized hole electrically connected to the bottom wall of the SIW waveguide and separated from the upper wall of the SIW waveguide by a dielectric gap, and a photoconductive element controlled by the light flux completely covering the dielectric gap and electrically connected to the shunt hole and with the top wall of the SIW waveguide,

the matching element is a hole with a diameter less than λ / 4 in the upper wall of the SIW waveguide near the branch point,

the third switching element contains the aforementioned hole, completely covered with a photoconductive element, electrically connected to the upper wall of the SIW waveguide and controlled by the light flux,

the impedance Z _{λ / 4} is equal to Z _in .

4. The switch according to claim 2, in which:

all segments of the transmission line are based on a microstrip line,

each switching element is made in the form of a gap in the microstrip line, the edges of which are interconnected by a photoconductive element controlled by the light flux,

the matching circuit contains a segment of the transmission line with an impedance of Z _in and an electric length of approximately 0.13λ, one end connected to the said segment of the transmission line in the input arm and the other end with a branch point, and a microstrip branch with an impedance of 2.8Z _in and an electric length of approximately 0,13λ, at one end connected to the mentioned segment of the transmission line in the input arm and the other end - with the third switching element, which, in turn, is connected to the ground by the other end,

the impedance Z _{λ / 4} is equal to 1.2Z _in .

5. The switch according to claim 1, further comprising:

at least one additional output port;

at least one additional output arm connected at its ends to said additional output port and to a branch point and comprising an additional switching element configured to change the impedance of this additional output arm.

6. Multipoint switch containing:

input port

N output ports, with N being a positive integer greater than or equal to 3; and

a plurality of constituent switches, the plurality of constituent switches comprising at least one switch according to claim 1,

moreover, each output port of each component switch is an output port of this multi-position switch.