eng
При создании высокочастотных узлов переключения резервных блоков, блоков управления мощностью, задержкой и положением диаграмм направленности антенн постоянно возникают задачи коммутации сигналов и цепей СВЧ-диапазона. Взрывное развитие цифровых технологий вызвало необходимость построения устройств, коммутирующих СВЧ-сигналы за время, сравнимое с периодом несущих колебаний и быстродействующих аналого-цифровых модуляторов сигналов. При создании таких узлов необходимо предотвратить возможность возникновения противоречий, способных привести к ограничению интервала рабочих частот, скорости переключения, мощности коммутируемого сигнала, росту потерь и ухудшению развязки. Что же делается ведущими мировыми производителями современных электронных компонентов в этом направлении?
Классификация и основные параметры высокочастотных коммутаторов
Простейший коммутатор электрической цепи – однополюсный включатель/выключатель на одно направление (SPST) с нулевым сопротивлением между контактами в замкнутом состоянии и бесконечно большим – в разомкнутом (рис.1а). Возможны и более сложные схемы коммутации, различающиеся числом одновременно переключаемых контактов, последовательностью переключения, числом входных и выходных цепей (рис.1). Например, кольцевая (transfer) двухпозиционная схема (рис.1д) с поворотом ротора на 90° удобна для включения дополнительного усилителя в разрыв цепи или для переключения антенны между режимами передачи и приёма (T/R). Подобная схема с тремя контактами и поворотом ротора на 120° эквивалентна схеме однополюсного переключателя на два направления (SPDT) (рис.1б) и удобна в волноводной электромеханической реализации. Кольцевая трёхпозиционная схема с поворотом ротора на 45° (рис.1е) позволяет комбинировать различные варианты соединения по двум цепям из четырех, приближаясь по комбинационным свойствам к матричным переключателям.
Время переключения электромеханических коммутаторов составляет десятки миллисекунд. При этом могут проявиться паразитные процессы, например "дребезг" пружинных контактов, зависимость состояния контактов от значения проходящего тока, неодновременное переключение нескольких контактов, деградация переключателя после определенного числа циклов работы, влияние на его работу направления и уровня механических воздействий. В СВЧ-диапазоне коммутатор одной цепи можно представить четырехполюсником, для которого связь между падающими и отраженными волнами описывается матрицей передачи (иногда ее называют матрицей рассеяния) размером 2х2. Элементы матрицы – коэффициент отражения по входу S11; коэффициент передачи с выхода на вход S12; коэффициент передачи с входа на выход S21, коэффициент отражения от выхода S22. Значения этих коэффициентов зависят от частоты и состояния коммутатора. При коммутации изменяются все комплексные коэффициенты матрицы передачи: коэффициенты отражения (RL – Return Loss) и передачи в открытом (IL – Insertion Loss) и закрытом (Iso) состояниях. На СВЧ возникают и дополнительные паразитные явления: влияние емкостных связей некоммутируемых контактов; реакция входных или выходных узлов на изменение коэффициентов отражения в результате коммутации; несовпадение момента коммутации с определённой фазой колебания; появление высших типов волн в линии передачи.
В случае применения быстродействующих (время переключения – десятки наносекунд) твёрдотельных переключателей с управляемым нелинейным сопротивлением необходимо также учитывать такие факторы, как изменение импеданса цепи в открытом и закрытом состояниях; характер процессов перехода из одного состояния в другое и обратно; соответствие уровней сигналов управляющих узлов и используемых полупроводниковых элементов; зависимость сопротивления коммутатора от уровня проходящей мощности и возможность искажения передаваемого сигнала.
Для технически корректной оценки качества СВЧ-коммутирующего элемента используются следующие основные параметры:
· тип переключателя в соответствии со схемой соединения контактов;
· интервал рабочих частот (обычно от постоянного тока до частоты, на которой коэффициент передачи в открытом состоянии уменьшается на 3 дБ);
· потери в открытом состоянии IL (измеряемые в децибелах);
· коэффициент стоячей волны (КСВ) или коэффициент отражения RL (в децибелах);
· развязка (изоляция, Iso) разомкнутой цепи (в децибелах);
· мощность входного сигнала, при которой коэффициент передачи сигнала в открытом состоянии уменьшается на 1 дБ;
· импеданс, необходимый для согласования коммутатора по входу и выходу (в омах);
· время включения и выключения соединения (в наносекундах);
· групповое запаздывание сигнала в коммутаторе (в наносекундах);
· вид и уровни управляющих сигналов;
· конструктивное оформление.
Электромеханические коммутаторы
Простейшие электромеханические переключатели высокочастотных сигналов (на частоту до 100 МГц) – герконовые магнитоуправляемые реле. Для СВЧ-диапазона с повышенной мощностью сигнала переключаемых цепей разработаны специализированные коммутаторы микрополоскового, коаксиального, волноводного типов с электромеханическими реле (EMR – Electro-Mechanical Relays) (табл.1). Лидер в области производства таких устройств – фирма Dow-Key Microwave [1]. Конкурентоспособные модели выпускают компании Mini-Circuits, Peregrine, Filtronic Sage Labs, Flann Microwave, Narda Microwave и др. Базу данных по разным типам коммутаторов СВЧ-сигналов можно найти на сайте ООО "Радиокомп" (www.radiocomp.ru).
В спецификациях электромеханических переключателей помимо основных параметров приводятся также следующие дополнительные данные:
· тип переключения, т.е. состояние переключателя при снятии управляющего воздействия: запоминание предшествующего состояния (Failsafe); возвращение в исходное состояние (Self Cutoff); переключение на определенное время после поступления фронта управляющего воздействия (Pulse Latching);
· наличие встроенного драйвера для управления переключающим реле при помощи стандартных сигналов ТТЛ-уровня;
· наличие контрольной цепи постоянного тока для индикации или сигнализации о состоянии переключателя;
· допустимые уровень и частота вибраций и ударов (например, для изделий компании Dow-Key Microwave во время работы допустимы вибрации с ускорением до 10–20 g и частотой 20–2000 Гц, а также удары при отсутствии управляющего воздействия с ускорением до 50 g);
· напряжение и ток потребления обмотки переключения (например, постоянное напряжение 6–48 В, ток 360–150 мА).
Кроме того, приводятся значения импеданса входной и выходной цепей (например, 50 или 75 Ом), а также пробивного напряжения; соответствие используемых материалов нормам экологической безопасности; методы испытания коммутатора – горячий (при действии максимально допустимой высокочастотной мощности) или холодный (при малой проходящей мощности). В конструкции некоторых коммутаторов предусмотрена схема автоматического сброса в исходное состояние (Set Reset Circuit), а для подавления колебательных процессов в обмотке управления используются шунтирующие диоды.
Наибольшая коммутируемая мощность Рвх в электромеханических EMR-переключателях ограничена явлением искрения (пробоя) и падает с повышением рабочей частоты (рис.2). В переключателях с наибольшей мощностью СВЧ-сигнала используются специализированные SC-соединители, потребляемая мощность которых по постоянному току цепи управления составляет 3–5 Вт.
Большинство электромеханических коммутаторов переключаются при помощи реле или шагового двигателя ротора, хотя некоторые имеют ручной или комбинированный механизм переключения (см. табл.1). Время переключения варьируется от 10 до 100 мс в зависимости от модели, типа СВЧ-линии или размера волновода. Модели с встроенным драйвером сигналов ТТЛ-уровня содержат, как правило, дополнительную цепь для установления соответствия между уровнями логических сигналов на входе и нормальным (при отсутствии сигнала управления) состоянием контактов. В конструкции ряда моделей (например, в SPDT-переключателях серии 521 фирмы Dow-Key Microwave) предусмотрено подключение согласующих резисторов взамен размыкаемого контакта, что улучшает согласование. На частоте 12 ГГц максимальный КСВ таких переключателей составляет 1,5:1; изоляция – 60 дБ; потери в замкнутом состоянии – 0,5 дБ. Внешний вид шестипозиционного коммутатора с коаксиальными соединителями показан на рис.3.
Многопозиционные переключатели фирмы Dow-Key Microwave выпускаются на диапазон частот 0–26 ГГц с числом позиций до 12. При этом согласующие внешние нагрузки к разомкнутым цепям в моделях серии 5С1 подключаются отдельными соединителями, а в серии 5Е1 используются встроенные резисторы с сопротивлением 50 Ом. Кольцевой переключатель серии 417LP в непрерывном режиме коммутирует СВЧ-мощность 4 кВт с частотой 100 МГц или 1 кВт с частотой 2 ГГц. Малогабаритные (15ґ10ґ10 мм) переключатели серии 409 типа SPDT для диапазона частот 0–3 ГГц коммутируют мощность до 70 Вт за время менее 20 мс при КСВ не более 1,2:1 и изоляции не менее 70 дБ.
В конце 2005 года компания Dow-Key выпустила матричный переключатель типа SP12T с внутренними контактами, доступ к которым обеспечивают SMA-соединители. Это позволяет включать резервное устройство в одну из 12 основных линий сети. Такая технология двойного применения перспективна для средств беспроводной связи, особенно наземных станций спутниковых систем связи и оборудования беспроводных сетей. Частота входного сигнала SP12T составляет 0–18 ГГц, максимальные потери IL – от 0,2 дБ (при частоте 0–4 ГГц) до 0,8 дБ (при 16–18 ГГц), минимальная изоляция Iso – от 70 дБ (при 0–4 ГГц) до 55 дБ (при 16–18 ГГц). Управление может осуществляться через полноскоростной (12 бит/с) порт USB 2.0. Такие переключатели имеют оптоэлектронную схему индикации состояния, контролирующую перемещение приводов ВЧ-контактов. Возможна поставка вариантов с встроенными резисторами с сопротивлением 50 Ом каждый. Время переключения прибора, оснащенного приводом возвращения в исходное состояние и переключения на определенное время после поступления фронта управляющего воздействия, – 50 мс.
Интерес представляет многопозиционный матричный переключатель N6120 фирмы Narda Microwave, позволяющий выбрать пару соединяемых коаксиальных входов-выходов из 12 (рис.4), так что возможно до 66 различных комбинационных сочетаний.
Волноводные коммутаторы (рис.5) отличаются от микрополосковых или коаксиальных меньшими потерями в открытом состоянии, лучшей изоляцией закрытого канала и высоким уровнем коммутируемой мощности. Однако полоса рабочих частот, в которой гарантируется отсутствие высших типов волн или запредельная отсечка в используемом волноводе, у них более узкая. Обычный тип переключения – Failsafe или Latching, схема – SPDT или кольцевая. Потери в открытом состоянии не превышают 0,05–0,1 дБ, развязка закрытого канала 60–80 дБ, время переключения порядка 15–20 мс, гарантируемое число циклов переключения – не менее 0,2 млн. Производятся волноводные коммутаторы сдвоенного типа, содержащие одновременно волноводные и коаксиальные входы-выходы. Фирма Dow-Key Microwave выпускает стандартные волноводные переключатели с 20 номиналами волноводов для частот 2,6–18 ГГц, а по заказам – ещё восемь номиналов волновода до частоты 64 ГГц. А фирма Flann Microwave поставляет серию волноводных переключателей для частот до 140 ГГц (см. табл.1). Для решения вопросов получения разрешений и таможенной очистки при закупке волноводных коммутаторов целесообразно воспользоваться услугами ООО "Радиокомп" [2].
На основе простейших многопозиционных электромеханических коммутаторов создаются переключательные матрицы (рис.6) для сигналов с частотой 0–18 ГГц и мощностью до 40 Вт на максимальной частоте. Кросс-развязка такой матрицы фирмы Dow-Key Microwaves равна 50–70 дБ (серии 4101, 4402). Представляют интерес коаксиальные матрицы типа 2х8, 6х6, 1х6 и даже 10х10, которые обладают двунаправленными свойствами или могут содержать встроенные усилители. Во многих изделиях этого типа предусмотрена возможность изменения конфигурации матрицы электрическим сигналом.
Полупроводниковые быстродействующие коммутаторы
Для переключения шинных сигналов с полосой частот до 500 МГц в цифровой технике передачи данных используются твёрдотельные ключи, замыкающие линию на общий провод за несколько наносекунд (табл.2). Сегодня уже выпускаются сотни моделей твёрдотельных ключей для СВЧ-диапазона (рис.7), обеспечивающих также и широкополосное согласование импедансов. Так, только фирма Peregrine Semiconductor поставляет более 50 моделей ключей разной конфигурации для частот от 0 до 20 ГГц. В таких коммутаторах для изменения коэффициента передачи СВЧ-цепи используются переключательные диоды или полевые транзисторы, что обеспечивает высокое быстродействие по цепи управления и исключает чувствительность к внешним механическим воздействиям. На основе простых ключей выпускаются микросхемы переключательных матриц.
Правда, более широкому применению полупроводниковых ключей и повсеместной замене ими электромеханических EMR-переключателей препятствуют такие факторы, как достаточно высокие коэффициенты потерь и отражения, а также продолжительное время переключения и необходимость развязки разомкнутых цепей. К тому же, проходящая мощность полупроводниковых коммутаторов составляет доли ватта. Динамический диапазон мощности коммутируемых сигналов ограничен явлениями пробоя, перегрева или значением РIP3, т.е. входной высокочастотной мощностью, при которой уровень нежелательных комбинационных продуктов высшего порядка на выходе равен уровню полезного сигнала. Значение РIP3 в большинстве моделей на 10–15 дБ превышает уровень Р1дБ. Применение ключей на полевых транзисторах увеличивает эту разницу до 20–25 дБ.
В коммутаторах неотражающего типа каждая входная цепь имеет встроенный дополнительный согласованный резистор, подключаемый к входу одновременно с размыканием рабочей цепи. В результате повышается развязка разомкнутых цепей и улучшается согласование.
В сверхширокополосных коммутаторах СВЧ-сигналов критические параметры (комплексные коэффициенты матрицы рассеяния) в сильной степени зависят от рабочей частоты (рис.8), от схемы включения и от импеданса нагрузки. Ведущие производители в сопроводительной документации приводят таблицы или годографы изменения этих параметров.
Для выполнения встроенных логических схем преобразования уровней управляющих сигналов с требуемой скоростью переключения ведущие мировые производители СВЧ-ключей применяют собственные, обычно патентованные, технические решения (рис.9).
Скорость коммутации СВЧ-ключей определяют два параметра: постоянная времени t1 (tRISE, tFALL), соответствующая времени изменения уровня СВЧ-мощности с 10 до 90% максимального значения или обратно, и t2 (tON, tOFF), равная времени достижения управляющим сигналом среднего значения между логическими уровнями и 90%-ным уровнем СВЧ-мощности, то есть параметр, учитывающий задержку фронта сигнала управления. Значение t2 обычно в два-четыре раза превышает значение t1.
Из числа коммутаторов, характеристики которых приведены в табл.2, следует обратить внимание на модель HMC484MS8G, которая за необычайно короткое время t2 = 2 нс переключает цепи передачи и приёма повышенной мощности (до 10 Вт) при уровне PIP3 до 70–72 дБмВт.
Интерес представляет и выпускаемая фирмой Peregrine Semiconductor на рынок, наряду с другими СВЧ-компонентами, серия радиационно стойких ключей. Так, SPDT переключатель модели PE9354 может функционировать в интервале температур -55…125°С при дозе ионизирующей радиации до 100 крад/с.
Твердотельные микроэлектромеханические (MEMS) СВЧ-коммутаторы
В последние три-пять лет исключительно активно развивается новая нанотехнология микроэлектромеханических систем (Micro-Electro-Mechanical Systems – MEMS). С учетом перспектив применения MEMS-технологии в электронных системах, медицинском оборудовании, при создании датчиков ускорения, вибраций, гироскопов в мире ведутся интенсивные разработки как самой технологии, так и изделий на её основе. В частности, производятся LC-фильтры для поверхностного монтажа, резонансная частота которых перестраивается в пределах 1,5–2,5 ГГц за счёт перемещения электростатическим полем электрода на 1–3 мкм. MEMS-технология открывает новые возможности и в технике СВЧ-ключей (табл.3).
Радиочастотный MEMS-ключ имеет выполненную на кремниевой подложке планарную микрополосковую структуру с гибкой металлической перемычкой, один конец которой постоянно соединён с входной линией, а другой может перемещаться под действием статического электрического заряда и замыкаться на выходную линию (рис.10). В некоторых MEMS-ключах для перемещения перемычки используется статическое магнитное поле. В замкнутом состоянии переходное сопротивление контактов составляет доли ома, благодаря чему потери IL в линии на рабочей частоте до 6 ГГц не превышают сотых долей децибела. В разомкнутом состоянии в линии передачи, ёмкость которой составляет десятые доли фемтофарады, возникает разрыв, в результате чего развязка (изоляция Iso) на той же рабочей частоте равна 60 дБ. На рис.11 показана топология двойного MEMS-ключа фирмы WiSpry в бескорпусном исполнении.
Важнейшее достоинство MEMS-ключей – возможность их интегрирования с активными КМОП, биполярными, SiGe-, GaAs-элементами и полевыми транзисторами. Кроме того, заслуживают внимание и другие их достоинства:
· малые габариты (размер в бескорпусном исполнении – 1,5ґ1,5ґ0,7 мм, в корпусе фирмы TeraVicta – 3,2ґ4,5ґ1,2 мм);
· более высокое, чем у полупроводниковых p-i-n-, КМОП- и GaAs-структур, соотношение коэффициентов потерь в разомнутом (Iso) и замкнутом (IL) состояниях;
· практически нулевое потребление мощности после замыкания или размыкания за счёт использования электростатических сил (ток удержания – единицы наноампер);
· высокая устойчивость к дестабилизирующим факторам окружающей среды благодаря монтажу в герметичные вакуумированные керамические корпуса;
· более высокий, по сравнению с полупроводниковыми твёрдотельными ключами, уровень допустимой СВЧ-мощности (до 30 Вт для ключей фирмы WiSpry), высокое пробивное напряжение (до 2 кВ) и линейная вольт-амперная характеристика;
· меньшее на три порядка время коммутации в сравнении с электромехническими коммутаторами типа EMR;
· низкая стоимость MEMS-конструкции.
Основной недостаток – значительно более низкое, в сравнении с полупроводниковыми ключами, быстродействие (время переключения менее 100 мкс), которое к тому же зависит от того, размыкается или замыкается контакт. Кроме того, для электростатического управления ключом необходимо формировать импульс переключающего напряжения Vупр с размахом 40–120 В.
Рассмотрим некоторые типы представленных на рынке MEMS-ключей. Фирма WiSpry поставляет SP2T-переключатель модели WSS0112H, который может находиться в трех состояниях: вывод RF соединён с выводами RF1, RF2 или разомкнут. Переключатель WSS0114H может находиться в четырех состояниях, соединяя вывод RF с одним из четырех выводов RF1–RF4. Допустимая СВЧ-мощность этих моделей составляет 10 Вт, ток удержания не превосходит 2 мкА, диапазон рабочих температур – -45…85°С, а ёмкость на входе управления – 1 пФ.
Переключатель типа TT712-68CSP на два состояния компании TeraVicta Technologies – разработчика и производителя MEMS-ключей – характеризуется чрезвычайно низкими значениями потерь в линии и потребляемой мощности цепи питания по постоянному току в режиме удержания – 3 мВт (при напряжении 3 В). Ключ, смонтированный в малогабаритном корпусе CSP-12 (3,25х4,5х1,25 мм), предназначен для применения в автоматическом тестовом оборудовании, контрольно-измерительной аппаратуре и других системах, где важное значение имеют такие характеристики, как малые потери, высокие линейность и изоляция.
Ключ ML06 компании Magfusion содержит консоль, встроенную планарную катушку, постоянный магнит и необходимые электрические контакты. В нём используется магнитное управление положением замыкающего контакта, благодаря чему напряжение питания снижено до 10 В при токе 10 мА. Размер этой микросхемы на диапазон частот 0–6 ГГц в бескорпусном исполнении 2х1,8 мм.
Ключи фирмы Radant работают при повышенном до 100 В напряжении цепи электростатического управления, время переключения их не превышает 5 мкс, а модель RMSW220D не только обеспечивает коммутацию типа SPDT, но и позволяет коммутировать сигналы с рабочей частотой до 40 ГГц (рис.12). Дополнительно можно отметить следующие характеристики этой серии: сопротивление разомкнутого контакта не менее 1 ГОм; увеличенный ресурс работы до 1010 циклов в режиме холодных испытаний и до 109 циклов при предельной СВЧ-мощности 10 Вт; интервал рабочих температур -40…80°С. Фирма Radant производит по заказу и другие варианты СВЧ-коммутаторов: SP4T, SP4T, шунты (замыкатели) линии передачи, кольцевые переключатели для частот 0–40 ГГц.
Твердотельные коммутаторы СВЧ-сигналов применяются для создания согласованных сверхширокополосных аттенюаторов с цифровым управлением, линий задержки, управляемых кодом, реконфигурируемых антенн, фильтров, генераторов сигналов, антенных переключателей. Основная тенденция развития цифровых систем связи – повышение скорости передачи информации за счёт использования сигналов с новыми видами манипуляции параметрами – требует применения управляемых цифровыми сигналами модуляторов СВЧ-колебаний со сверхмалым временем переключения.
Литература
1. www.dowkey.com . Сайт фирмы Dow-Key Microwave Corp.
2. www.radiocomp.ru . Сайт ООО "Радиокомп".
3. Santos, De Los,H. RF MEMS Circuit Design for Wireless Communications: Artech House, 2002.– 250 p.
Простейший коммутатор электрической цепи – однополюсный включатель/выключатель на одно направление (SPST) с нулевым сопротивлением между контактами в замкнутом состоянии и бесконечно большим – в разомкнутом (рис.1а). Возможны и более сложные схемы коммутации, различающиеся числом одновременно переключаемых контактов, последовательностью переключения, числом входных и выходных цепей (рис.1). Например, кольцевая (transfer) двухпозиционная схема (рис.1д) с поворотом ротора на 90° удобна для включения дополнительного усилителя в разрыв цепи или для переключения антенны между режимами передачи и приёма (T/R). Подобная схема с тремя контактами и поворотом ротора на 120° эквивалентна схеме однополюсного переключателя на два направления (SPDT) (рис.1б) и удобна в волноводной электромеханической реализации. Кольцевая трёхпозиционная схема с поворотом ротора на 45° (рис.1е) позволяет комбинировать различные варианты соединения по двум цепям из четырех, приближаясь по комбинационным свойствам к матричным переключателям.
Время переключения электромеханических коммутаторов составляет десятки миллисекунд. При этом могут проявиться паразитные процессы, например "дребезг" пружинных контактов, зависимость состояния контактов от значения проходящего тока, неодновременное переключение нескольких контактов, деградация переключателя после определенного числа циклов работы, влияние на его работу направления и уровня механических воздействий. В СВЧ-диапазоне коммутатор одной цепи можно представить четырехполюсником, для которого связь между падающими и отраженными волнами описывается матрицей передачи (иногда ее называют матрицей рассеяния) размером 2х2. Элементы матрицы – коэффициент отражения по входу S11; коэффициент передачи с выхода на вход S12; коэффициент передачи с входа на выход S21, коэффициент отражения от выхода S22. Значения этих коэффициентов зависят от частоты и состояния коммутатора. При коммутации изменяются все комплексные коэффициенты матрицы передачи: коэффициенты отражения (RL – Return Loss) и передачи в открытом (IL – Insertion Loss) и закрытом (Iso) состояниях. На СВЧ возникают и дополнительные паразитные явления: влияние емкостных связей некоммутируемых контактов; реакция входных или выходных узлов на изменение коэффициентов отражения в результате коммутации; несовпадение момента коммутации с определённой фазой колебания; появление высших типов волн в линии передачи.
В случае применения быстродействующих (время переключения – десятки наносекунд) твёрдотельных переключателей с управляемым нелинейным сопротивлением необходимо также учитывать такие факторы, как изменение импеданса цепи в открытом и закрытом состояниях; характер процессов перехода из одного состояния в другое и обратно; соответствие уровней сигналов управляющих узлов и используемых полупроводниковых элементов; зависимость сопротивления коммутатора от уровня проходящей мощности и возможность искажения передаваемого сигнала.
Для технически корректной оценки качества СВЧ-коммутирующего элемента используются следующие основные параметры:
· тип переключателя в соответствии со схемой соединения контактов;
· интервал рабочих частот (обычно от постоянного тока до частоты, на которой коэффициент передачи в открытом состоянии уменьшается на 3 дБ);
· потери в открытом состоянии IL (измеряемые в децибелах);
· коэффициент стоячей волны (КСВ) или коэффициент отражения RL (в децибелах);
· развязка (изоляция, Iso) разомкнутой цепи (в децибелах);
· мощность входного сигнала, при которой коэффициент передачи сигнала в открытом состоянии уменьшается на 1 дБ;
· импеданс, необходимый для согласования коммутатора по входу и выходу (в омах);
· время включения и выключения соединения (в наносекундах);
· групповое запаздывание сигнала в коммутаторе (в наносекундах);
· вид и уровни управляющих сигналов;
· конструктивное оформление.
Электромеханические коммутаторы
Простейшие электромеханические переключатели высокочастотных сигналов (на частоту до 100 МГц) – герконовые магнитоуправляемые реле. Для СВЧ-диапазона с повышенной мощностью сигнала переключаемых цепей разработаны специализированные коммутаторы микрополоскового, коаксиального, волноводного типов с электромеханическими реле (EMR – Electro-Mechanical Relays) (табл.1). Лидер в области производства таких устройств – фирма Dow-Key Microwave [1]. Конкурентоспособные модели выпускают компании Mini-Circuits, Peregrine, Filtronic Sage Labs, Flann Microwave, Narda Microwave и др. Базу данных по разным типам коммутаторов СВЧ-сигналов можно найти на сайте ООО "Радиокомп" (www.radiocomp.ru).
В спецификациях электромеханических переключателей помимо основных параметров приводятся также следующие дополнительные данные:
· тип переключения, т.е. состояние переключателя при снятии управляющего воздействия: запоминание предшествующего состояния (Failsafe); возвращение в исходное состояние (Self Cutoff); переключение на определенное время после поступления фронта управляющего воздействия (Pulse Latching);
· наличие встроенного драйвера для управления переключающим реле при помощи стандартных сигналов ТТЛ-уровня;
· наличие контрольной цепи постоянного тока для индикации или сигнализации о состоянии переключателя;
· допустимые уровень и частота вибраций и ударов (например, для изделий компании Dow-Key Microwave во время работы допустимы вибрации с ускорением до 10–20 g и частотой 20–2000 Гц, а также удары при отсутствии управляющего воздействия с ускорением до 50 g);
· напряжение и ток потребления обмотки переключения (например, постоянное напряжение 6–48 В, ток 360–150 мА).
Кроме того, приводятся значения импеданса входной и выходной цепей (например, 50 или 75 Ом), а также пробивного напряжения; соответствие используемых материалов нормам экологической безопасности; методы испытания коммутатора – горячий (при действии максимально допустимой высокочастотной мощности) или холодный (при малой проходящей мощности). В конструкции некоторых коммутаторов предусмотрена схема автоматического сброса в исходное состояние (Set Reset Circuit), а для подавления колебательных процессов в обмотке управления используются шунтирующие диоды.
Наибольшая коммутируемая мощность Рвх в электромеханических EMR-переключателях ограничена явлением искрения (пробоя) и падает с повышением рабочей частоты (рис.2). В переключателях с наибольшей мощностью СВЧ-сигнала используются специализированные SC-соединители, потребляемая мощность которых по постоянному току цепи управления составляет 3–5 Вт.
Большинство электромеханических коммутаторов переключаются при помощи реле или шагового двигателя ротора, хотя некоторые имеют ручной или комбинированный механизм переключения (см. табл.1). Время переключения варьируется от 10 до 100 мс в зависимости от модели, типа СВЧ-линии или размера волновода. Модели с встроенным драйвером сигналов ТТЛ-уровня содержат, как правило, дополнительную цепь для установления соответствия между уровнями логических сигналов на входе и нормальным (при отсутствии сигнала управления) состоянием контактов. В конструкции ряда моделей (например, в SPDT-переключателях серии 521 фирмы Dow-Key Microwave) предусмотрено подключение согласующих резисторов взамен размыкаемого контакта, что улучшает согласование. На частоте 12 ГГц максимальный КСВ таких переключателей составляет 1,5:1; изоляция – 60 дБ; потери в замкнутом состоянии – 0,5 дБ. Внешний вид шестипозиционного коммутатора с коаксиальными соединителями показан на рис.3.
Многопозиционные переключатели фирмы Dow-Key Microwave выпускаются на диапазон частот 0–26 ГГц с числом позиций до 12. При этом согласующие внешние нагрузки к разомкнутым цепям в моделях серии 5С1 подключаются отдельными соединителями, а в серии 5Е1 используются встроенные резисторы с сопротивлением 50 Ом. Кольцевой переключатель серии 417LP в непрерывном режиме коммутирует СВЧ-мощность 4 кВт с частотой 100 МГц или 1 кВт с частотой 2 ГГц. Малогабаритные (15ґ10ґ10 мм) переключатели серии 409 типа SPDT для диапазона частот 0–3 ГГц коммутируют мощность до 70 Вт за время менее 20 мс при КСВ не более 1,2:1 и изоляции не менее 70 дБ.
В конце 2005 года компания Dow-Key выпустила матричный переключатель типа SP12T с внутренними контактами, доступ к которым обеспечивают SMA-соединители. Это позволяет включать резервное устройство в одну из 12 основных линий сети. Такая технология двойного применения перспективна для средств беспроводной связи, особенно наземных станций спутниковых систем связи и оборудования беспроводных сетей. Частота входного сигнала SP12T составляет 0–18 ГГц, максимальные потери IL – от 0,2 дБ (при частоте 0–4 ГГц) до 0,8 дБ (при 16–18 ГГц), минимальная изоляция Iso – от 70 дБ (при 0–4 ГГц) до 55 дБ (при 16–18 ГГц). Управление может осуществляться через полноскоростной (12 бит/с) порт USB 2.0. Такие переключатели имеют оптоэлектронную схему индикации состояния, контролирующую перемещение приводов ВЧ-контактов. Возможна поставка вариантов с встроенными резисторами с сопротивлением 50 Ом каждый. Время переключения прибора, оснащенного приводом возвращения в исходное состояние и переключения на определенное время после поступления фронта управляющего воздействия, – 50 мс.
Интерес представляет многопозиционный матричный переключатель N6120 фирмы Narda Microwave, позволяющий выбрать пару соединяемых коаксиальных входов-выходов из 12 (рис.4), так что возможно до 66 различных комбинационных сочетаний.
Волноводные коммутаторы (рис.5) отличаются от микрополосковых или коаксиальных меньшими потерями в открытом состоянии, лучшей изоляцией закрытого канала и высоким уровнем коммутируемой мощности. Однако полоса рабочих частот, в которой гарантируется отсутствие высших типов волн или запредельная отсечка в используемом волноводе, у них более узкая. Обычный тип переключения – Failsafe или Latching, схема – SPDT или кольцевая. Потери в открытом состоянии не превышают 0,05–0,1 дБ, развязка закрытого канала 60–80 дБ, время переключения порядка 15–20 мс, гарантируемое число циклов переключения – не менее 0,2 млн. Производятся волноводные коммутаторы сдвоенного типа, содержащие одновременно волноводные и коаксиальные входы-выходы. Фирма Dow-Key Microwave выпускает стандартные волноводные переключатели с 20 номиналами волноводов для частот 2,6–18 ГГц, а по заказам – ещё восемь номиналов волновода до частоты 64 ГГц. А фирма Flann Microwave поставляет серию волноводных переключателей для частот до 140 ГГц (см. табл.1). Для решения вопросов получения разрешений и таможенной очистки при закупке волноводных коммутаторов целесообразно воспользоваться услугами ООО "Радиокомп" [2].
На основе простейших многопозиционных электромеханических коммутаторов создаются переключательные матрицы (рис.6) для сигналов с частотой 0–18 ГГц и мощностью до 40 Вт на максимальной частоте. Кросс-развязка такой матрицы фирмы Dow-Key Microwaves равна 50–70 дБ (серии 4101, 4402). Представляют интерес коаксиальные матрицы типа 2х8, 6х6, 1х6 и даже 10х10, которые обладают двунаправленными свойствами или могут содержать встроенные усилители. Во многих изделиях этого типа предусмотрена возможность изменения конфигурации матрицы электрическим сигналом.
Полупроводниковые быстродействующие коммутаторы
Для переключения шинных сигналов с полосой частот до 500 МГц в цифровой технике передачи данных используются твёрдотельные ключи, замыкающие линию на общий провод за несколько наносекунд (табл.2). Сегодня уже выпускаются сотни моделей твёрдотельных ключей для СВЧ-диапазона (рис.7), обеспечивающих также и широкополосное согласование импедансов. Так, только фирма Peregrine Semiconductor поставляет более 50 моделей ключей разной конфигурации для частот от 0 до 20 ГГц. В таких коммутаторах для изменения коэффициента передачи СВЧ-цепи используются переключательные диоды или полевые транзисторы, что обеспечивает высокое быстродействие по цепи управления и исключает чувствительность к внешним механическим воздействиям. На основе простых ключей выпускаются микросхемы переключательных матриц.
Правда, более широкому применению полупроводниковых ключей и повсеместной замене ими электромеханических EMR-переключателей препятствуют такие факторы, как достаточно высокие коэффициенты потерь и отражения, а также продолжительное время переключения и необходимость развязки разомкнутых цепей. К тому же, проходящая мощность полупроводниковых коммутаторов составляет доли ватта. Динамический диапазон мощности коммутируемых сигналов ограничен явлениями пробоя, перегрева или значением РIP3, т.е. входной высокочастотной мощностью, при которой уровень нежелательных комбинационных продуктов высшего порядка на выходе равен уровню полезного сигнала. Значение РIP3 в большинстве моделей на 10–15 дБ превышает уровень Р1дБ. Применение ключей на полевых транзисторах увеличивает эту разницу до 20–25 дБ.
В коммутаторах неотражающего типа каждая входная цепь имеет встроенный дополнительный согласованный резистор, подключаемый к входу одновременно с размыканием рабочей цепи. В результате повышается развязка разомкнутых цепей и улучшается согласование.
В сверхширокополосных коммутаторах СВЧ-сигналов критические параметры (комплексные коэффициенты матрицы рассеяния) в сильной степени зависят от рабочей частоты (рис.8), от схемы включения и от импеданса нагрузки. Ведущие производители в сопроводительной документации приводят таблицы или годографы изменения этих параметров.
Для выполнения встроенных логических схем преобразования уровней управляющих сигналов с требуемой скоростью переключения ведущие мировые производители СВЧ-ключей применяют собственные, обычно патентованные, технические решения (рис.9).
Скорость коммутации СВЧ-ключей определяют два параметра: постоянная времени t1 (tRISE, tFALL), соответствующая времени изменения уровня СВЧ-мощности с 10 до 90% максимального значения или обратно, и t2 (tON, tOFF), равная времени достижения управляющим сигналом среднего значения между логическими уровнями и 90%-ным уровнем СВЧ-мощности, то есть параметр, учитывающий задержку фронта сигнала управления. Значение t2 обычно в два-четыре раза превышает значение t1.
Из числа коммутаторов, характеристики которых приведены в табл.2, следует обратить внимание на модель HMC484MS8G, которая за необычайно короткое время t2 = 2 нс переключает цепи передачи и приёма повышенной мощности (до 10 Вт) при уровне PIP3 до 70–72 дБмВт.
Интерес представляет и выпускаемая фирмой Peregrine Semiconductor на рынок, наряду с другими СВЧ-компонентами, серия радиационно стойких ключей. Так, SPDT переключатель модели PE9354 может функционировать в интервале температур -55…125°С при дозе ионизирующей радиации до 100 крад/с.
Твердотельные микроэлектромеханические (MEMS) СВЧ-коммутаторы
В последние три-пять лет исключительно активно развивается новая нанотехнология микроэлектромеханических систем (Micro-Electro-Mechanical Systems – MEMS). С учетом перспектив применения MEMS-технологии в электронных системах, медицинском оборудовании, при создании датчиков ускорения, вибраций, гироскопов в мире ведутся интенсивные разработки как самой технологии, так и изделий на её основе. В частности, производятся LC-фильтры для поверхностного монтажа, резонансная частота которых перестраивается в пределах 1,5–2,5 ГГц за счёт перемещения электростатическим полем электрода на 1–3 мкм. MEMS-технология открывает новые возможности и в технике СВЧ-ключей (табл.3).
Радиочастотный MEMS-ключ имеет выполненную на кремниевой подложке планарную микрополосковую структуру с гибкой металлической перемычкой, один конец которой постоянно соединён с входной линией, а другой может перемещаться под действием статического электрического заряда и замыкаться на выходную линию (рис.10). В некоторых MEMS-ключах для перемещения перемычки используется статическое магнитное поле. В замкнутом состоянии переходное сопротивление контактов составляет доли ома, благодаря чему потери IL в линии на рабочей частоте до 6 ГГц не превышают сотых долей децибела. В разомкнутом состоянии в линии передачи, ёмкость которой составляет десятые доли фемтофарады, возникает разрыв, в результате чего развязка (изоляция Iso) на той же рабочей частоте равна 60 дБ. На рис.11 показана топология двойного MEMS-ключа фирмы WiSpry в бескорпусном исполнении.
Важнейшее достоинство MEMS-ключей – возможность их интегрирования с активными КМОП, биполярными, SiGe-, GaAs-элементами и полевыми транзисторами. Кроме того, заслуживают внимание и другие их достоинства:
· малые габариты (размер в бескорпусном исполнении – 1,5ґ1,5ґ0,7 мм, в корпусе фирмы TeraVicta – 3,2ґ4,5ґ1,2 мм);
· более высокое, чем у полупроводниковых p-i-n-, КМОП- и GaAs-структур, соотношение коэффициентов потерь в разомнутом (Iso) и замкнутом (IL) состояниях;
· практически нулевое потребление мощности после замыкания или размыкания за счёт использования электростатических сил (ток удержания – единицы наноампер);
· высокая устойчивость к дестабилизирующим факторам окружающей среды благодаря монтажу в герметичные вакуумированные керамические корпуса;
· более высокий, по сравнению с полупроводниковыми твёрдотельными ключами, уровень допустимой СВЧ-мощности (до 30 Вт для ключей фирмы WiSpry), высокое пробивное напряжение (до 2 кВ) и линейная вольт-амперная характеристика;
· меньшее на три порядка время коммутации в сравнении с электромехническими коммутаторами типа EMR;
· низкая стоимость MEMS-конструкции.
Основной недостаток – значительно более низкое, в сравнении с полупроводниковыми ключами, быстродействие (время переключения менее 100 мкс), которое к тому же зависит от того, размыкается или замыкается контакт. Кроме того, для электростатического управления ключом необходимо формировать импульс переключающего напряжения Vупр с размахом 40–120 В.
Рассмотрим некоторые типы представленных на рынке MEMS-ключей. Фирма WiSpry поставляет SP2T-переключатель модели WSS0112H, который может находиться в трех состояниях: вывод RF соединён с выводами RF1, RF2 или разомкнут. Переключатель WSS0114H может находиться в четырех состояниях, соединяя вывод RF с одним из четырех выводов RF1–RF4. Допустимая СВЧ-мощность этих моделей составляет 10 Вт, ток удержания не превосходит 2 мкА, диапазон рабочих температур – -45…85°С, а ёмкость на входе управления – 1 пФ.
Переключатель типа TT712-68CSP на два состояния компании TeraVicta Technologies – разработчика и производителя MEMS-ключей – характеризуется чрезвычайно низкими значениями потерь в линии и потребляемой мощности цепи питания по постоянному току в режиме удержания – 3 мВт (при напряжении 3 В). Ключ, смонтированный в малогабаритном корпусе CSP-12 (3,25х4,5х1,25 мм), предназначен для применения в автоматическом тестовом оборудовании, контрольно-измерительной аппаратуре и других системах, где важное значение имеют такие характеристики, как малые потери, высокие линейность и изоляция.
Ключ ML06 компании Magfusion содержит консоль, встроенную планарную катушку, постоянный магнит и необходимые электрические контакты. В нём используется магнитное управление положением замыкающего контакта, благодаря чему напряжение питания снижено до 10 В при токе 10 мА. Размер этой микросхемы на диапазон частот 0–6 ГГц в бескорпусном исполнении 2х1,8 мм.
Ключи фирмы Radant работают при повышенном до 100 В напряжении цепи электростатического управления, время переключения их не превышает 5 мкс, а модель RMSW220D не только обеспечивает коммутацию типа SPDT, но и позволяет коммутировать сигналы с рабочей частотой до 40 ГГц (рис.12). Дополнительно можно отметить следующие характеристики этой серии: сопротивление разомкнутого контакта не менее 1 ГОм; увеличенный ресурс работы до 1010 циклов в режиме холодных испытаний и до 109 циклов при предельной СВЧ-мощности 10 Вт; интервал рабочих температур -40…80°С. Фирма Radant производит по заказу и другие варианты СВЧ-коммутаторов: SP4T, SP4T, шунты (замыкатели) линии передачи, кольцевые переключатели для частот 0–40 ГГц.
Твердотельные коммутаторы СВЧ-сигналов применяются для создания согласованных сверхширокополосных аттенюаторов с цифровым управлением, линий задержки, управляемых кодом, реконфигурируемых антенн, фильтров, генераторов сигналов, антенных переключателей. Основная тенденция развития цифровых систем связи – повышение скорости передачи информации за счёт использования сигналов с новыми видами манипуляции параметрами – требует применения управляемых цифровыми сигналами модуляторов СВЧ-колебаний со сверхмалым временем переключения.
Литература
1. www.dowkey.com . Сайт фирмы Dow-Key Microwave Corp.
2. www.radiocomp.ru . Сайт ООО "Радиокомп".
3. Santos, De Los,H. RF MEMS Circuit Design for Wireless Communications: Artech House, 2002.– 250 p.
Отзывы читателей
