Многофункциональный коммутатор для миллиметрового диапазона
Изобретение относится к области радиотехнического приборостроения и может найти применение в устройствах высокочастотных коммутаторов. Технический результат – расширение функциональных возможностей на основе формирования упрощенного коммутатора миллиметрового диапазона, 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, а также уменьшение потерь на высоких частотах и упрощенное исполнение в печатных платах. Для этого многорежимный коммутатор содержит входной порт; первый и второй выходные порты; первое выходное плечо, содержащее первый коммутирующий элемент, выполненный с возможностью изменения импеданса первого выходного плеча; второе выходное плечо, содержащее второй коммутирующий элемент, выполненный с возможностью изменения импеданса второго выходного плеча; и входное плечо, 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, вызванного рассогласованием выходных плеч в режиме делителя. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 13 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к высокочастотным коммутаторам.
Уровень техники
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).
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.
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.
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.
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.
Из уровня техники известны, например, следующие решения, которые являются близкими к настоящему изобретению.
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.
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.
Сущность изобретения
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.
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.
В одном из вариантов осуществления входное плечо содержит отрезок линии передачи, соединенный со входным портом и с согласующим элементом или цепью и имеющий импеданс Zin, 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 Zλ/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 Zin.
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 Zλ/4 равен Zin.
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 Zin 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 2,8Zin 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 Zλ/4 равен 1,2Zin.
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.
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.
Технический результат
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).
Краткое описание чертежей
Эти и другие преимущества станут понятны из нижеследующего описания при рассмотрении с сопроводительными чертежами, на которых:
На Фиг. 1 показан коммутатор на базе SIW–волновода согласно первому варианту осуществления изобретения.
На Фиг. 2А–2B показана конструкция оптических коммутирующих элементов, расположенных в выходных плечах коммутатора на базе SIW–волновода.
На Фиг. 3А–3B показана конструкция согласующего коммутирующего элемента, расположенного во входном плече коммутатора на базе SIW–волновода.
На Фиг. 4A–4B показаны принцип работы и эквивалентная схема коммутатора в режиме передачи всей мощности на порт 1.
На Фиг. 5A–5B показаны принцип работы и эквивалентная схема коммутатора в режиме делителя.
На Фиг. 6 показано распределение электромагнитного поля в области согласующего коммутирующего элемента в режиме делителя.
На Фиг. 7A–7B показана зависимость импеданса и коэффициента отражения входного порта от размеров согласующего отверстия и его удаленности от точки разветвления.
На Фиг. 8A–8B показаны результаты моделирования S–параметров многорежимного коммутатора на частоте 79 ГГц ± 3 ГГц.
На Фиг. 9A показан традиционный двухантенный радар.
На Фиг. 9B показан одноантенный радар с применением коммутатора согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 10A–10C показан пример управления поляризацией излучения с использованием коммутатора согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 11A–11C показан пример управления диаграммой направленности антенны на базовой станции с использованием коммутатора согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 12 показан многопозиционный коммутатор согласно второму варианту осуществления изобретения.
На Фиг. 13A–13B показан коммутатор на базе микрополосковой линии согласно третьему варианту осуществления изобретения.
Следует понимать, что фигуры могут быть представлены схематично и не в масштабе и предназначены, главным образом, для улучшения понимания настоящего изобретения.
Подробное описание
В настоящем документе раскрывается в общем случае многопозиционный многорежимный коммутатор для работы в миллиметровом диапазоне (например, > 40 ГГц).
Двухпозиционный коммутатор на SIW–волноводах
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.
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.
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.
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.
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.
Согласующий коммутирующий элемент 5–3 представляет собой отверстие 15 с радиусом Rh, выполненное в верхнем слое 11 печатной платы (то есть в верхней стенке SIW–волновода 4), расположенное около точки разветвления (на расстоянии Dh 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.
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 Zλ/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 Zλ/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 Zin, согласованный с каждым выходным портом, для чего Zλ/4, Z1 и Z2 в данном варианте осуществления задаются равными Zin. 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.
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.
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.
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 Zin, то есть происходит рассогласование, и из–за этого возникает отраженная волна. Сопротивление нагрузки при этом составит Zload=Zin/2, на некотором смещении от точки разветвления его можно представить как Zload=jL+Zin, где jL характеризует реактивное сопротивление, вызванное рассогласованием.
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 ZPM=–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.
Далее на Фиг. 7A–7B показана зависимость импеданса и коэффициента отражения входного порта от размеров Rh согласующего отверстия, выполненного в рамках согласующего коммутирующего элемента 5–3, и его удаленности Dh от точки разветвления. Приведенные графики получены в результате моделирования параметров выходного порта при разных радиусах Rh согласующего отверстия и его расстояния Dh от точки разветвления. В частности, когда Rh=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 Rh=0,375 мм и расстояния Dh=0,7 мм, при которых импеданс входного порта и коэффициент отражения минимальны.
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).
Для удобства понимания принцип работы предложенного коммутатора сведен в нижеследующую таблицу.
Таблица 1
| Элемент/ режим | Порт 1 | Порт 2 | Комм.5–1 | Комм.5–2 | Соглас. комм. 5–3 |
| Делитель | –3 дБ | –3 дБ | ВЫКЛ | ВЫКЛ | ВЫКЛ |
| 1 | 0 дБ | – | ВЫКЛ | ВКЛ | ВКЛ |
| 2 | – | 0 дБ | ВКЛ | ВЫКЛ | ВКЛ |
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.
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).
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.
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.
Фиг. 11A–11C показано, как за счет многорежимности можно управлять диаграммой направленности на базовой станции.
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.
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.
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).
Многопозиционный коммутатор
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.
Двухпозиционный коммутатор на микрополосковой линии
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.
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 Zλ/4=1.2Zin 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 Zλ/4=1.2Zin 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=Zin. Отрезок линии передачи во втором выходном плече между точкой подключения коммутирующего элемента 5–2 и выходным портом 2 имеет импеданс Z2=Zin.
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 Zin, согласованный с каждым выходным портом, для чего Z1 и Z2 в данном варианте осуществления задаются равными Zin. Согласующая цепь содержит отрезок линии передачи с импедансом Zin 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 Zstub=2,8Zin 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.
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.
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.
Отрезки линии передачи могут быть выполнены в прямой форме, в закругленной форме, в форме меандра и в любой другой форме, подходящей для конкретного применения.
Отрезки линии передачи могут быть выполнены также на основе копланарных волноводов, заземленных копланарных волноводов, сосредоточенных индуктивных и емкостных элементов и т.д.
Как и на Фиг. 12, данный коммутатор 400 при необходимости может быть реализован в виде многопозиционного коммутатора.
Применение
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
1. 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.
2. Коммутатор по п. 1, в котором:
входное плечо содержит отрезок линии передачи, соединенный со входным портом и с согласующим элементом или цепью и имеющий импеданс Zin,
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 Zλ/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 Zin.
3. Коммутатор по п. 2, в котором:
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 Zλ/4 равен Zin.
4. Коммутатор по п. 2, в котором:
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 Zin 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 2,8Zin 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 Zλ/4 равен 1,2Zin.
5. Коммутатор по п. 1, дополнительно содержащий:
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.
6. 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 по п. 1,
причем каждый выходной порт каждого составляющего коммутатора является выходным портом данного многопозиционного коммутатора.
