專利名稱:快速轉(zhuǎn)換rf網(wǎng)路電感器的制作方法
本發(fā)明涉及到RF(無(wú)線電頻率)網(wǎng)絡(luò)，更具體地說(shuō)涉及到具有選擇轉(zhuǎn)換的可調(diào)電感器的RF網(wǎng)絡(luò)。
在許多RF網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中采用發(fā)射源信號(hào)來(lái)電氣激勵(lì)一支天線，以播放無(wú)線電磁波，就如同接收無(wú)線電傳輸信號(hào)的RF接收電路一樣，發(fā)送RF網(wǎng)絡(luò)通?？梢栽谝欢l率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換到指定的發(fā)射頻率。但是，這種RF發(fā)射器在運(yùn)行期間需要有工作于各種不同頻率的RF信號(hào)源。因此，象這樣的網(wǎng)絡(luò)就需要有可調(diào)的部件。例如，與RF網(wǎng)絡(luò)配接的天線就需要用外部電子電路進(jìn)行電器控制的可調(diào)電子感器。在這種情況中，發(fā)射天線通過(guò)具有可選擇諧振阻抗以匹配頻率的轉(zhuǎn)換RF網(wǎng)絡(luò)來(lái)與該RF信號(hào)源耦合。當(dāng)該操作信號(hào)源的頻率變化時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的諧振頻率也應(yīng)作相應(yīng)的改變，以獲得和在信號(hào)源與發(fā)射天線之間的最大傳輸能量和最佳阻抗匹配。一般來(lái)說(shuō)，這種轉(zhuǎn)換RF匹配網(wǎng)絡(luò)需在信號(hào)源和天線之間保持50歐阻抗匹配，才能在所選的頻率范圍內(nèi)將有效能量傳輸?shù)教炀€。
為了能實(shí)現(xiàn)快速電子選擇和改變發(fā)射或接收頻率，諸如用電感器或電容器構(gòu)成的轉(zhuǎn)換部件的數(shù)值必須具有適當(dāng)?shù)目焖僮兓芰?。這些數(shù)值的改變通常是靠外部電子控制線路來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，轉(zhuǎn)換部件應(yīng)當(dāng)具有在高速下轉(zhuǎn)接的可調(diào)數(shù)值以及受外部電子控制信號(hào)進(jìn)行選擇的能力。
一個(gè)典型的可調(diào)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施例包括有多個(gè)電感值固定的分立電感器串聯(lián)相接。每個(gè)電感器具有一個(gè)相應(yīng)的并聯(lián)短路開(kāi)關(guān)，它可以打開(kāi)或關(guān)合以使串聯(lián)相接的各分立的固定值電感器能分別被接通或斷開(kāi)。接入的這些電感器數(shù)值(即相應(yīng)的短路開(kāi)關(guān)處于開(kāi)路)加起來(lái)而構(gòu)成總電感值。當(dāng)全部電感器都接入時(shí)(即每個(gè)電感器自身的開(kāi)關(guān)處在開(kāi)路位置)合成最大電感值。當(dāng)無(wú)任一電感器被接入時(shí)(即各電感器自身開(kāi)關(guān)都處于閉合位置將電感器短接)，就得到足可忽略的最小電感值。
這些開(kāi)關(guān)必須具有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換速度，以便能快速選擇各種工作頻率，特別是對(duì)計(jì)算機(jī)的控制頻率“跳躍”的應(yīng)用，某些類型有機(jī)械開(kāi)關(guān)，例如簧片開(kāi)關(guān)和真空開(kāi)關(guān)，雖然有相當(dāng)高速的轉(zhuǎn)換能力，但是大多數(shù)這類開(kāi)關(guān)隨著它們的“打開(kāi)”狀態(tài)伴有相當(dāng)大的寄生電容。這類寄生電容會(huì)使上述的有串接電感器的網(wǎng)絡(luò)失諧。因此，可采用一個(gè)固態(tài)開(kāi)關(guān)與該機(jī)械開(kāi)關(guān)串聯(lián)相接，以阻止寄生電容與各個(gè)電感器起反應(yīng)。
現(xiàn)有的機(jī)械開(kāi)關(guān)存在的其它問(wèn)題包括它們無(wú)能承受相對(duì)高的RF功率電平，也無(wú)能在此電平下具有相當(dāng)快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在建立開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定時(shí)間(settling time)方面也有問(wèn)題，在一項(xiàng)發(fā)射操作中，當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)為了避免發(fā)弧和產(chǎn)生偽信號(hào)，一般關(guān)斷發(fā)射器。當(dāng)將發(fā)射器關(guān)斷后再接通時(shí)所需的時(shí)間(也即該機(jī)械開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換加上穩(wěn)定時(shí)間)累加起來(lái)，則與固態(tài)開(kāi)關(guān)相比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一種低效轉(zhuǎn)換裝置，但在某些應(yīng)用中，仍希望用機(jī)械開(kāi)關(guān)。
固態(tài)開(kāi)關(guān)已用于將各個(gè)電感器接入電路或從電路上斷開(kāi)的轉(zhuǎn)換中，這種用于可選地接入或斷開(kāi)電感器的固態(tài)開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是，具有較低的短路接通電阻和較低的斷開(kāi)電路電容，所以不會(huì)影響轉(zhuǎn)換RF網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率。PIN結(jié)(正極-本征負(fù)極結(jié))二極管能滿足這些要求。PIN結(jié)二極管已在可調(diào)轉(zhuǎn)換電感器匹配網(wǎng)絡(luò)中用來(lái)轉(zhuǎn)接電感器。眾所周知，在串接有電感器的電路中相應(yīng)并聯(lián)著PIN結(jié)二極管對(duì)于UHF(超高頻)和VHF(甚高頻)的傳輸十分適用，因?yàn)镻IN二極管的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)。在高壓RF信號(hào)通過(guò)各電感器傳導(dǎo)期間，PIN結(jié)二極管基于該器件內(nèi)的少數(shù)載流子而顯示長(zhǎng)導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間，而且甚至在RF信號(hào)電壓波動(dòng)很大的期間仍保持導(dǎo)通，從而使電感器短路。
高壓RF信號(hào)造成常規(guī)的PN結(jié)二極管隨RF信號(hào)的改變而導(dǎo)通或截止。因此，這些PN結(jié)二極管不大適于在高壓RF信號(hào)中作轉(zhuǎn)換應(yīng)用。但是，PIN結(jié)二極管由于具有達(dá)6微秒的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間，所以非常適于在高壓UHF和VHF中應(yīng)用。它的長(zhǎng)導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間與PN二極管的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間截然不同，后者在高壓RF信號(hào)負(fù)載期間趨于停止導(dǎo)通，而PIN結(jié)二極管由于它的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所以在全部信號(hào)相中保持導(dǎo)通，以及在高頻應(yīng)用中連續(xù)地使并聯(lián)的電感器短路。為了進(jìn)一步了解在各種可調(diào)轉(zhuǎn)換RF網(wǎng)絡(luò)中采用PIN結(jié)二極管的種種應(yīng)用，可參見(jiàn)Cooper的美國(guó)專利US.4564843，Anderson的美國(guó)專利4477817和Landt的美國(guó)專利4486722。
但是，PIN結(jié)二極管不適于高壓高頻(3～30兆赫)，因?yàn)槠鋵?dǎo)通持續(xù)時(shí)間不足以在高壓高頻信號(hào)的負(fù)相期間保持導(dǎo)通。該高壓高頻信號(hào)負(fù)相周期會(huì)長(zhǎng)于少數(shù)載流子導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間，從而造成PIN結(jié)二極管停止導(dǎo)通，以致不能使該并聯(lián)電感器短路。
此外，在先有技術(shù)中應(yīng)用PIN結(jié)二極管象使用其它二極管那樣，不利之處是在正偏置短路工作期間，對(duì)每個(gè)獨(dú)立的PIN結(jié)二極管需用單獨(dú)的直流電流源，另一個(gè)不利之處是在開(kāi)路工作期間，對(duì)每個(gè)獨(dú)立的PIN結(jié)二極管需用單獨(dú)的負(fù)偏置電壓電源。所以，PIN結(jié)二極管以前的某些應(yīng)用都需要專設(shè)的負(fù)電壓激勵(lì)器和正電流激勵(lì)器，以保證PIN結(jié)二極管在其處于負(fù)偏壓截止?fàn)顟B(tài)時(shí)高壓RF信號(hào)波動(dòng)的情況下不會(huì)正向?qū)ǎ蛘弑ＷC該P(yáng)IN結(jié)二極管處于正偏壓導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)高壓RF信號(hào)波動(dòng)的情況下不會(huì)截止。由于需要這些單獨(dú)的正電流和負(fù)偏壓，其缺點(diǎn)是需要許多專用的、復(fù)雜而昂貴的大量激勵(lì)器電路(每個(gè)二極管都需要一套電路)。需要這樣的編置電源，就限制了PIN結(jié)二極管在小型無(wú)線電設(shè)備中的應(yīng)用。
利用具有PIN結(jié)二極管的電氣控制電路的一個(gè)缺點(diǎn)是在傳輸高壓RF信號(hào)的轉(zhuǎn)換RF網(wǎng)絡(luò)中各部件之間缺少固有的隔離，以及缺少控制電路，例如PIN結(jié)二極管用的正電流和負(fù)偏壓激勵(lì)器電路，而這些PIN結(jié)二極管可以利成諸如5伏數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制，已發(fā)現(xiàn)隔離不良對(duì)RF信號(hào)有干擾。本發(fā)明的快速轉(zhuǎn)換RF網(wǎng)絡(luò)電感器克服了或減少了上述種種缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的之一是對(duì)采用常規(guī)商品部件的RF網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)可控制的可調(diào)電感器，并具有概括低壓高頻的寬頻率工作頻帶。
本發(fā)明的另一目的是為一種RF網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)二極管轉(zhuǎn)換電路，該RF網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)電源通路以傳輸正偏置電流，傳輸方式是轉(zhuǎn)換二極管轉(zhuǎn)換并導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)每個(gè)轉(zhuǎn)換二極管，或者每個(gè)分立電感器各自并聯(lián)的轉(zhuǎn)換二極管關(guān)斷并截止時(shí)，電流就流過(guò)每個(gè)分立電感器。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是為控制和調(diào)節(jié)一種RF網(wǎng)絡(luò)的電感值提供一個(gè)二極管轉(zhuǎn)換電路，該RF網(wǎng)絡(luò)中有一單獨(dú)電流源供給正向偏置直流電流，該偏置電流是在轉(zhuǎn)換二極管轉(zhuǎn)換并導(dǎo)通時(shí)通過(guò)該二極管傳輸?shù)?，或是在各并?lián)的轉(zhuǎn)換二極管被關(guān)斷并截止時(shí)通過(guò)各并聯(lián)電感器傳輸?shù)?，而且所提供的電路不需?duì)每個(gè)二極管專設(shè)正電流和負(fù)電壓激勵(lì)器電路。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是為一種RF網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)二極管轉(zhuǎn)換電路，該RF網(wǎng)絡(luò)中有一負(fù)偏壓，并在該轉(zhuǎn)換二極管被轉(zhuǎn)換截止時(shí)加到轉(zhuǎn)換二極管上，從而高壓RF信號(hào)通過(guò)各并聯(lián)電感器傳輸時(shí)，該負(fù)偏壓保證該轉(zhuǎn)換二極管甚至當(dāng)高壓RF信號(hào)波動(dòng)大時(shí)仍能保持截止。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是為一種RF網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)二極管轉(zhuǎn)換電路，該RF網(wǎng)絡(luò)采用電氣隔離的邏輯電路，并且這些邏輯電路不受流經(jīng)RF網(wǎng)絡(luò)的高壓RF信號(hào)的干擾。此外，所提供的電路還可以用來(lái)控制和調(diào)節(jié)經(jīng)RF網(wǎng)絡(luò)的電感值。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例包括多個(gè)串聯(lián)相接的相同電感器轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)電路包括一個(gè)PIN結(jié)二極管，該二極管受常規(guī)的數(shù)字型信號(hào)可選擇地控制。每個(gè)電路具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，在這兩端之間并聯(lián)有串接到第一開(kāi)關(guān)的固定值電感器和與第二開(kāi)關(guān)串聯(lián)相接的PIN結(jié)的極管，這樣的兩路串接在上述輸入和輸出之間形成兩個(gè)交替變換的并列電流通路。流經(jīng)每個(gè)通路的電流可以用開(kāi)路或閉路狀態(tài)下交替地工作的相應(yīng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制。
設(shè)置一只電容器與第二開(kāi)關(guān)并接，并且接在該P(yáng)IN結(jié)二極管和輸出端之間。當(dāng)該第二開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)而使二極管轉(zhuǎn)換到截止時(shí)，該電容器充電到所需的負(fù)偏壓以保持PIN結(jié)二極管遇到RF信號(hào)大波動(dòng)時(shí)仍能截止。當(dāng)二極管因第二開(kāi)關(guān)關(guān)合而轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，該電容器即被第二開(kāi)關(guān)短路并放電，從而不致造成RF網(wǎng)路失調(diào)。
一個(gè)單獨(dú)直流源接在第一電感器轉(zhuǎn)換電路的輸入端，并提供正偏置電流流過(guò)各電感器轉(zhuǎn)換電路，以通過(guò)最末一個(gè)電感器轉(zhuǎn)換電路而返回線路。
在每個(gè)電感器轉(zhuǎn)換電路中，該正偏置電流根據(jù)交替操作兩個(gè)開(kāi)關(guān)的選擇或是通過(guò)電感器或是通過(guò)PIN結(jié)二極管。在較佳實(shí)施方案中這些開(kāi)關(guān)采用固態(tài)金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)開(kāi)關(guān)。
采用發(fā)光二極管(LED)來(lái)激勵(lì)光電二極管，光電二極管激勵(lì)該MOSFET開(kāi)關(guān)。在發(fā)光二極管和光電二極管之間的不導(dǎo)電的光導(dǎo)介質(zhì)對(duì)外部電路、MOSFET開(kāi)關(guān)和存在于RF網(wǎng)絡(luò)中的高信號(hào)之間提供隔離。
MOSFET開(kāi)關(guān)與PIN結(jié)二極管串聯(lián)相接中產(chǎn)生寄電容并提供整流過(guò)的負(fù)偏置電壓，該電壓在PIN結(jié)二極管處于截止負(fù)偏壓狀況期間加到該P(yáng)IN結(jié)二極管上，于是使該P(yáng)IN結(jié)二極管在任一高壓RF信號(hào)(包括HF信號(hào))的所有相位中都保持負(fù)偏置電壓。因此本發(fā)明的電路對(duì)每個(gè)二極管不必再裝置獨(dú)立的負(fù)偏置電壓源和相應(yīng)的分立激勵(lì)電路。
在上述電路中采用MOSFET開(kāi)關(guān)的特征在于，當(dāng)PIN結(jié)二極管和所接MOSFET開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)具有低電阻;當(dāng)PIN結(jié)二極管和所接MOSFET開(kāi)關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)偏離電容值低。其特征還在于，在電路中任意RF信號(hào)和邏輯控制信號(hào)之間存在電氣隔離;在高電壓波動(dòng)狀況下PIN結(jié)二極管和開(kāi)關(guān)都具有穩(wěn)定的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài);高速轉(zhuǎn)換并且容易利用常規(guī)部件實(shí)施。上述種種優(yōu)點(diǎn)將會(huì)通過(guò)下面結(jié)合附圖和較佳實(shí)施例進(jìn)行的說(shuō)明中更加明瞭。
附圖中圖1為先有技術(shù)中具有一個(gè)可調(diào)電感器的“L”型阻抗匹配電路的接線圖;
圖2為先有技術(shù)中包括多個(gè)串聯(lián)分立電感器組成圖1的可調(diào)電感器的線路圖;
圖3為本發(fā)明中包括由許多串聯(lián)相接的轉(zhuǎn)換電路組成的一個(gè)可調(diào)電感器電路圖，各轉(zhuǎn)換電路包括有并聯(lián)的PIN結(jié)二極管和分立的電感器;以及圖4為本發(fā)明中一個(gè)并聯(lián)PIN結(jié)二極管和分立電感器轉(zhuǎn)換電路的線路詳圖。
圖1和圖2是先有技術(shù)中代表性的高級(jí)線路。參照?qǐng)D1，獨(dú)立電源10連接“L”阻抗匹配電路，該電路包括一個(gè)可調(diào)電感器12和一個(gè)電容器14。如圖所示和下文所討論，可調(diào)電感器12同時(shí)用來(lái)發(fā)射和接收。信號(hào)源10具有常規(guī)的50歐輸出阻抗。該“L”網(wǎng)絡(luò)具有諧振頻率網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)，從而加在信號(hào)源10上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)50歐的電阻性阻抗負(fù)荷，能獲得效率最佳能量最大的傳輸?！癓”網(wǎng)絡(luò)接有一只天線16，在發(fā)射的情況下用來(lái)播放無(wú)線電磁波。雖然圖1中用一個(gè)開(kāi)關(guān)17表示，但電容器14實(shí)際上是典型地焊接到電感器12的兩端之一。電容器14接到電感器12的電源側(cè)或是接到天線側(cè)，決定于阻抗提升或降低匹配。
圖1的電路對(duì)發(fā)射和接收都適用。接收網(wǎng)絡(luò)的電路同樣能利用可調(diào)電感器阻抗匹配“L”型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)接收可能的最大信號(hào)。在某些應(yīng)用中，天線16可以是一個(gè)RF鞭狀天線，它能承受高功率源10，例如150瓦信號(hào)源的激勵(lì)，或用作接收諸如微伏量級(jí)的小信號(hào)。因此，在發(fā)射和接收這兩種應(yīng)用中，一個(gè)可調(diào)轉(zhuǎn)換“L”網(wǎng)絡(luò)即能提供高效率。
圖2是示于圖1的可調(diào)電感器12的代表性高級(jí)線路。參照?qǐng)D1和圖2，該可調(diào)電感器12包括多個(gè)相互分立的電感器18a到18n串聯(lián)相接。電感器18a到18n中的每一個(gè)都各有一個(gè)開(kāi)關(guān)20a到20n與其本身并聯(lián)相接，用于選通或選斷每個(gè)電感器18。多路控制線22a到22n分別接到開(kāi)關(guān)20a到20n的每個(gè)上，并控制該開(kāi)關(guān)的開(kāi)合位置。作為一個(gè)實(shí)例來(lái)講，每個(gè)電感器的電感值可為8微亨，可用12個(gè)分立電感器構(gòu)成總電感96微亨。在本例中，開(kāi)路的開(kāi)關(guān)數(shù)乘以8微亨即為總電感值。
但是，在不同情況中，每個(gè)電感器可以具有各不相同的電感值。按照具體選擇電感器，可使總電感值作非線性變化。對(duì)各分立電感器可實(shí)現(xiàn)電氣選擇，即可以用不同的電氣編碼來(lái)指定各被選定電感值的電感器組，以此來(lái)建立一個(gè)編碼方案，指定的編碼產(chǎn)生期望范圍內(nèi)的一定電感值。各不同的具體編碼方案都能實(shí)施。例如，用一個(gè)二進(jìn)制編碼方案，這種方案中每一個(gè)電感器18是其前一個(gè)電感器18的電感值的2倍，這時(shí)就能利用合適的數(shù)字計(jì)算機(jī)控制，來(lái)選出期望的范圍和結(jié)果值。顯然各種不同編碼方案都可應(yīng)用。
本發(fā)明的實(shí)施例詳示于圖3和圖4中。現(xiàn)參照?qǐng)D3，一個(gè)可調(diào)電感器包括有多個(gè)串聯(lián)相接的分立電感器18a到18n，每個(gè)電感器分別有一個(gè)開(kāi)關(guān)20a到20n，且分別受控制線22a到22n控制。如接線圖所示，作為一例，電感器18a是接通的，同時(shí)電感器18b到18n是斷開(kāi)的，并且相關(guān)的PIN結(jié)二極管24a截止并斷開(kāi)，同時(shí)相關(guān)的PIN結(jié)二極管24b到24n導(dǎo)通并接入。
圖中所示的轉(zhuǎn)換裝置20a到20n為一單極雙極開(kāi)關(guān)，它控制電感器18電路和二極管24電路之間的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換裝置可以是上述的機(jī)械開(kāi)關(guān)。在本實(shí)施例中，作為一例，設(shè)置串聯(lián)二極管24a，在二極管線路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)已操作到打開(kāi)該二極管電路時(shí)，該串聯(lián)二極管便與該開(kāi)關(guān)20a結(jié)合來(lái)阻止該開(kāi)關(guān)的寄生電容造成的電感器18失諧。
當(dāng)每個(gè)相關(guān)的PIN結(jié)二極管24a到24n導(dǎo)通并接通時(shí)，每個(gè)相關(guān)的電感器18a到18n即斷開(kāi)，這是利用相關(guān)的開(kāi)關(guān)20a到20n實(shí)現(xiàn)的，反之亦然。正偏置直流電流附加到任一個(gè)供給的信號(hào)上，或者通過(guò)電感器18或者通過(guò)相關(guān)PIN結(jié)二極管24來(lái)傳輸，決定于哪一路接通。雖然可以采用其它二極管，但采用上述的PIN結(jié)二極管較好，因?yàn)樗哂邢鄬?duì)低的導(dǎo)通電阻、相對(duì)低的截止電容和相對(duì)高的導(dǎo)通電流容量。
有重要意義的是，分別接到PIN結(jié)二極管24a到24n的電容器26a到26n，當(dāng)一個(gè)相關(guān)的電感器18a到18n被接通后，在一個(gè)RF高壓信號(hào)的第一半周期內(nèi)即被充電為正的整流電壓電平，在一個(gè)電容器26上所存儲(chǔ)的這一正整流電壓電平即阻止了通過(guò)一個(gè)相關(guān)PIN結(jié)二極管24傳導(dǎo)電流，從而保證在其相關(guān)的電感器18被接通時(shí)該P(yáng)IN結(jié)二極管有效地截止，在高壓RF信號(hào)波動(dòng)時(shí)該電容器26仍使該二極管保持截止?fàn)顟B(tài)。如果沒(méi)有電容器26，則該P(yáng)IN結(jié)二極管24的寄生電容就會(huì)使該電容器有某種程度導(dǎo)通，并且在該P(yáng)IN結(jié)二極管應(yīng)當(dāng)截止并斷開(kāi)時(shí)給高壓RF信號(hào)存在的RF網(wǎng)絡(luò)造成失諧。
在運(yùn)行中，舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)電感器18a如圖所示被接通時(shí)，并且當(dāng)電壓在該P(yáng)IN結(jié)二極管24a的正極端增加時(shí)，正偏置電流就通過(guò)該P(yáng)IN結(jié)二極管24a傳導(dǎo)，從而對(duì)接在PIN結(jié)二極管24a負(fù)端上的電容器26a正向充電。然后，在高壓RF信號(hào)的第一負(fù)半周期間和在PIN結(jié)二極管24a陽(yáng)極上RF信號(hào)的所有其它周期中，該電容器26a即保持一正整流充電電壓。這一存儲(chǔ)電壓由PIN結(jié)二極管24a的負(fù)端阻塞而不會(huì)衰減，并且用作PIN結(jié)二極管24a的負(fù)偏置電壓，一直維持到電感器18a下一次被斷開(kāi)為止。所以，電容器26用作對(duì)PIN結(jié)二極管24建立一整流負(fù)偏置電壓相當(dāng)方便，從而不需要設(shè)置獨(dú)立的專用負(fù)偏置激勵(lì)電路。
正偏置電流是由一個(gè)電流源28提供的。該正偏置電流是在相關(guān)電感器(如18b到18n)被短接時(shí)通過(guò)PIN結(jié)二極管(如24b到24n)，以及通過(guò)被接通的電感器18a而傳導(dǎo)。電流源28，例如可以使用國(guó)際半導(dǎo)體公司商品化產(chǎn)品LM109 100毫安電流調(diào)整器電路來(lái)構(gòu)成。有了這一單獨(dú)電流源28即不再需要對(duì)每個(gè)相關(guān)PIN結(jié)二極管24設(shè)置分別獨(dú)立的正偏置電流激勵(lì)電路。寬帶RF扼流電感器30a到30b用來(lái)將RF信號(hào)與直流電流源28隔離，這和先有技術(shù)相同。
圖3所示的可調(diào)電感電路的結(jié)構(gòu)具有的寬頻帶應(yīng)用范圍(包括HF網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換應(yīng)用)，因?yàn)樵诔霈F(xiàn)高壓HF信號(hào)時(shí)在各電容器26上存在負(fù)偏置電壓，故各PIN結(jié)二極管24不會(huì)傳導(dǎo)和導(dǎo)通。此外，PIN結(jié)二極管24高壓HF信號(hào)長(zhǎng)于PIN結(jié)二極管24中少數(shù)截流子的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間的負(fù)半周時(shí)，該P(yáng)IN結(jié)二極管24仍保持正偏置電流，這是因?yàn)橹绷髡秒娏鞯穆肪€經(jīng)過(guò)它們并維持導(dǎo)通狀態(tài)。還有，開(kāi)關(guān)20最好使用快速開(kāi)關(guān)器件，以便能調(diào)整選擇不同的電感值和由此而快速選擇RF網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換頻率。如圖3所示，可調(diào)電感器包括多個(gè)相同的電感器轉(zhuǎn)換電路32，以便通過(guò)變換電感器轉(zhuǎn)變成快速頻率跳躍。按照本發(fā)明所構(gòu)成的一個(gè)電感器轉(zhuǎn)換電路32，現(xiàn)借助于圖4代表的方案進(jìn)一步詳述。
現(xiàn)參照?qǐng)D4，它示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中的轉(zhuǎn)換裝置包括一些固態(tài)設(shè)備。所示的為一單獨(dú)電感器轉(zhuǎn)換電路32，并包括分立電感18，其第一端接到該P(yáng)IN結(jié)二極管24的正極，該電感器18的第二端和該P(yáng)IN結(jié)二極管24的負(fù)極端分別接到固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)34a和34b上。該開(kāi)關(guān)34a和34b可采用常規(guī)的分立元件組裝，也可采用Teledyne Corporation(泰利達(dá)尼公司)制造的M86F2型軍用功率FETAC/DC轉(zhuǎn)換混合式固態(tài)開(kāi)關(guān)。
開(kāi)關(guān)34的各輸入門(mén)采取光隔離，以保護(hù)靈敏的輸入邏輯電路不受輸出電壓瞬態(tài)過(guò)程和高壓RF信號(hào)的影響。接有控制線22的開(kāi)關(guān)34的輸入最好是緩沖連接，以使該混合開(kāi)關(guān)34能直接被CMOS(互補(bǔ)金屬氧化硅)邏輯門(mén)或標(biāo)準(zhǔn)TTL(晶體管-晶體管邏輯)接口電路激勵(lì)。更好的是，當(dāng)采用具有CMOS型輸入信號(hào)的開(kāi)關(guān)34時(shí)，對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)34的輸入端用史密特(Schmitt)觸發(fā)器能夠增大噪聲邊界值，以防止在噪聲環(huán)境條件下誤觸發(fā)開(kāi)關(guān)34，固態(tài)混合開(kāi)關(guān)34的一個(gè)中央部件是功率轉(zhuǎn)換MOSFET36a、36b、38a和38b，它們基本上都具有最小導(dǎo)通電阻和偏移電壓。
在這個(gè)較佳實(shí)施例中，作用在線路22上的邏輯信號(hào)激勵(lì)開(kāi)關(guān)34b的邏輯輸入，并激勵(lì)邏輯反相器40，該反相器40依次激勵(lì)第二開(kāi)關(guān)34a的邏輯輸入。這種接線是一個(gè)實(shí)施例中的一個(gè)例子。另一些電路接線和邏輯部件也可采用，且能達(dá)到同樣效果。邏輯控制信號(hào)線22和反相器40交替地導(dǎo)通一個(gè)開(kāi)關(guān)或其它開(kāi)關(guān)，例如34a和34b。正偏置直流電流由圖3的電流源28供給，它將在開(kāi)關(guān)34a導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)34b截止時(shí)通過(guò)電感器18傳導(dǎo)，或是在開(kāi)關(guān)34b導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)34a截止時(shí)通過(guò)PIN結(jié)二極管24傳導(dǎo)，但不同時(shí)通過(guò)二者傳導(dǎo)。
按照本發(fā)明構(gòu)成的一個(gè)RF轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)點(diǎn)之一在于電感器轉(zhuǎn)換電路32沒(méi)有活動(dòng)部份，并且可直接使用與計(jì)算機(jī)控制兼容的邏輯開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制，并實(shí)現(xiàn)高速操作?？烧{(diào)電感器的較佳實(shí)施例是采用二進(jìn)制遞增電感的偏碼方案，由它提供一個(gè)合適的電感值范圍和結(jié)果，這可以直接由電子計(jì)算機(jī)控制選定。此外，應(yīng)用混合開(kāi)關(guān)34短接電感器18，如前所述，因?yàn)樗鼈儽旧砭哂休^低的導(dǎo)通電阻、低的截止寄生電容、而且具有傳導(dǎo)高壓偏置直流電流的能力、優(yōu)良的電氣隔離、高速邏輯控制的兼容性，以及傳導(dǎo)高壓RF信號(hào)的功能。
在本較佳實(shí)施例中，功率開(kāi)關(guān)MOSFET36和38分別具有附加的PN結(jié)二極管42和44和附加的電容器46和48，如圖4所示。這些附加電容器46和48的大電容量，通常被認(rèn)為有利于準(zhǔn)確地進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。但是，當(dāng)開(kāi)關(guān)34a導(dǎo)通時(shí)，MOSFET36被導(dǎo)通，從而使附加電容器46相對(duì)地失去作用。對(duì)PIN結(jié)二極管24和開(kāi)關(guān)34b來(lái)說(shuō)，該P(yáng)IN結(jié)二極管24的截止電容本來(lái)很小，并且在開(kāi)關(guān)34b截止時(shí)超過(guò)和阻擋住附加電容器48的電容，從而提供了低的截止電容。另外，當(dāng)開(kāi)關(guān)34b導(dǎo)通時(shí)，該附加電容器48被短路，同樣地相對(duì)失效，當(dāng)其導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)34b和該P(yáng)IN結(jié)二極管24對(duì)電感器18的兩端以及附加電容器46提供相對(duì)的短路。所以，按照本發(fā)明，該附加電容器46和48不會(huì)解調(diào)或影響可調(diào)RF網(wǎng)絡(luò)的頻響效應(yīng)。
為了在雙向高RF電流和電壓信號(hào)期間保持開(kāi)關(guān)34傳導(dǎo)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)MOSFET36a和36b及38a和38b需要背對(duì)背連接，以及附加PN結(jié)二極管42a和42b及44a和44b也需要背對(duì)背連接。一個(gè)單一的MOSFET連接，就不再有別種方式傳導(dǎo)該RF信號(hào)的正和負(fù)電壓相，因?yàn)橐粋€(gè)MOSFET具有固定的單方向工作性能。上述的背對(duì)背連接既能通過(guò)開(kāi)關(guān)34傳導(dǎo)RF信號(hào)的正電壓也能傳導(dǎo)其負(fù)電壓。
附加電容器48的運(yùn)行重要性，是用于整流出加在PIN結(jié)二極管24負(fù)極端的正電壓，從而形成負(fù)偏壓，并在高壓交變RF信號(hào)情況下保證PIN結(jié)二極管24不導(dǎo)通。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，功率開(kāi)關(guān)MOSFET36和38是增強(qiáng)型設(shè)備，并且受它們柵極上有無(wú)正電壓的控制。該柵電壓是由光照射到一系列陣列光電元件(如小面積硅太陽(yáng)電池)52和54而產(chǎn)生的。光線由發(fā)光二極管(LED)56和58提供。發(fā)光二極管56和58能被5優(yōu)邏輯控制信號(hào)高速激勵(lì)，以對(duì)頻率跳躍通訊設(shè)備提供所需的快速RF網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換。光線耦合控制信號(hào)提供給RF電感網(wǎng)絡(luò)的雜散電容最小，并且使計(jì)算機(jī)控制電路與高壓RF信號(hào)隔離開(kāi)，該高壓RF信號(hào)是在快速轉(zhuǎn)換RF電感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的。多個(gè)光電元件52和54可以各包括例如22個(gè)相同元件，以提供足夠快速變化的電流和電壓，從而加速功率MOSFET36和38的柵極端的快速充電或放電。
電感器轉(zhuǎn)換電路32設(shè)有快速轉(zhuǎn)接電感器18的固態(tài)開(kāi)關(guān)，以及在控制電路(未示出)激勵(lì)線22和高壓RF信號(hào)之間的電氣隔離。電路32包括的部件較少，而且價(jià)廉效高。
熟知本領(lǐng)域的人員可對(duì)本發(fā)明做出修改，但是這樣的修改盡管再現(xiàn)應(yīng)用和原理但仍然不出乎下面各權(quán)利要求
所界限的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一個(gè)電感器轉(zhuǎn)換電路，它具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，并和一個(gè)電感器(18b)相互串聯(lián)相接，所述電感器(18b)具有第一和第二端，所述第一端與所述輸入端耦接，所述電感器轉(zhuǎn)換電路具有一個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備(24b)，它與電感器(18b)布置成并聯(lián)關(guān)系，并且也與所述輸入端耦接，所述開(kāi)關(guān)設(shè)備(24b)在所述輸入端提供一個(gè)交替的電氣通路，所述電感器轉(zhuǎn)換電路的特征在于所述開(kāi)關(guān)設(shè)備(24b)包括一個(gè)二極管(24b)，它具有第一端和第二端，它的第一端耦接到所述輸入端；轉(zhuǎn)換裝置(20b)，用于把所述輸出端交替地耦接到該電感器(18b)的第二端和該二極管(24b)的第二端；控制裝置(22b)，用于可選擇地控制該轉(zhuǎn)換裝置(20b)在電感器(18b)的第二端和該二極管(24b)的第二端之間轉(zhuǎn)換；一個(gè)電容器耦接在該二極管(24b)的第二端和所述輸出端之間；以及偏置裝置(28)，用于通過(guò)所述輸入端和輸出端提供給二極管(24b)偏置能量。
2.如權(quán)利要求
1所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為，該二極管(24b)包括有一個(gè)PIN結(jié)二極管。
3.如權(quán)利要求
1所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為，該偏置裝置(28)包括一個(gè)恒定電流源(28)，提供恒定電流流過(guò)該輸入端和輸出端。
4.如權(quán)利要求
1所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為，該控制裝置(22b)包括光耦合裝置(56、52)(58、54)，用于提供控制該開(kāi)關(guān)裝置(34a、34b)的光信號(hào)。
5.如權(quán)利要求
1所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為，該轉(zhuǎn)換裝置(20b)包括第一開(kāi)關(guān)裝置(34a)，用于將該電感器(18)的第二端耦接到所述輸出端;第二開(kāi)關(guān)裝置(34b)，用于將該二極管(24)的第二端耦接到所述輸出端;以及該控制裝置(22)，用于控制第一和第二開(kāi)關(guān)裝置(34a、34b)將所述的輸出端交替地分別耦接到電感器(18)的第二端和二極管(24)的第二端。
6.如權(quán)利要求
5所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為，該第一和第二開(kāi)關(guān)裝置(34a、34b)分別包括第一(36a、36b)和第二(38a、38b)固態(tài)開(kāi)關(guān)，它們?cè)诳刂蒲b置(22)的控制下分別將該輸出端耦接到電感器(18)的第二端和二極管的第二端。
7.如權(quán)利要求
6所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為該第二固態(tài)開(kāi)關(guān)(38a、38b)包括附加電容器(48)，它被設(shè)置在二極管(24)的第二端和所述輸出端之間;以及由此該電容器包括所述第二固態(tài)開(kāi)關(guān)(38a、38b)的該附加電容器(48)。
8.如權(quán)利要求
4所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征在于該轉(zhuǎn)換裝置(20b)包括第一(34a)和第二(34b)開(kāi)關(guān)裝置，它們分別包括第一(36a、36b)和第二(38a、38b)固態(tài)開(kāi)關(guān)，用于在控制裝置(22)的控制下將所述輸出端分別耦接電感器(18)的第二端和二極管(24)的第二端;該控制裝置(22)用于控制該第一和第二開(kāi)關(guān)裝置(34a、34b)，以將所述輸出端分別交替地耦接到電感器(18)的第二端和二極管(24)的第二端;所述第二固態(tài)開(kāi)關(guān)(38a、38b)包括附加電容器(48)，它布置在二極管(24)的第二端和所述輸出端之間;由此該電容器包括所述第二固態(tài)開(kāi)關(guān)(38a、38b)的附加電容器(48);以及所述光耦合裝置(56、52)(58、54)包括第一(56)和第二(58)光發(fā)生裝置，用于對(duì)第一和第二開(kāi)關(guān)裝置(34a、34b)分別提供光控信號(hào);以及包括第一(52)和第二(54)光接收裝置，用于提供電控信號(hào)，以茲控制該固態(tài)開(kāi)關(guān)(36a、36b)(38a、38b)分別響應(yīng)第一和第二光發(fā)生裝置(56、58)的光信號(hào)而開(kāi)合。
9.如權(quán)利要求
8所述的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為第一(36a、36b)和第二(38a、38b)固態(tài)開(kāi)關(guān)的每一個(gè)包括一個(gè)具有一一柵極的MOSFET裝置;該二極管(24)包括一個(gè)PIN結(jié)二極管;該編置裝置(28)包括一個(gè)恒電流源，用于提供恒定電流流通所述輸入端和輸出端;該控制裝置還包括一個(gè)處理裝置，用于提供第一和第二電控信號(hào);該第一(56)和第二(58)光發(fā)生裝置的每一個(gè)包括一個(gè)發(fā)光二極管，它響應(yīng)各相關(guān)的電控信號(hào)而提供光控信號(hào);以及該第一(52)和第二(54)光接收裝置的每一個(gè)包括一個(gè)光敏設(shè)備，該設(shè)備耦接于各自的MOSFET裝置柵極，并響應(yīng)于各自的光控信號(hào)而控制MOSFET裝置轉(zhuǎn)換。
10.如權(quán)利要求
1所輿的電感器轉(zhuǎn)換電路，其進(jìn)一步特征為，所述的轉(zhuǎn)換電路還包括多個(gè)所述的電感器(18a、18b……18n)相互串聯(lián)相接，并與所述的各輸入端和輸出端相互串接;還包括與所述多個(gè)電感器的每一個(gè)相關(guān)的次輸入端和次輸出端，每個(gè)電感器的第一端耦接到所述相關(guān)的次輸入端;所述電感器轉(zhuǎn)換電路還包括多個(gè)所述的開(kāi)關(guān)設(shè)備(24a、24b……24n)，每個(gè)所述開(kāi)關(guān)設(shè)備與所述電感器(18a、18b……18n)的每一個(gè)為并聯(lián)關(guān)系，每一個(gè)所述開(kāi)關(guān)設(shè)備也耦接到相關(guān)的所述次輸入端，所述開(kāi)關(guān)設(shè)備用于在所述各相關(guān)的次輸入端提供交替的電氣通路，所述電感器轉(zhuǎn)換電路的特征在于每個(gè)所述開(kāi)關(guān)設(shè)備(24a、24b……24n)包括一個(gè)二極管，該二極管各自具有第一端和第二端，它的第一端耦接到相關(guān)的所述次輸入端;多個(gè)轉(zhuǎn)換裝置(20a、20b……20n)，它們的每一個(gè)附屬于所述的每個(gè)相關(guān)電感器，用于將一個(gè)相關(guān)的次輸入端交替地耦接到所述相關(guān)電感器的第二端和相關(guān)二極管的第二端;多個(gè)控制裝置(22a、22b……22n)，每個(gè)附屬于每個(gè)相關(guān)的所述開(kāi)關(guān)裝置，用于有選擇地控制相關(guān)的所述開(kāi)關(guān)裝置在相關(guān)電感器的第二端和相關(guān)二極管的第二端之間開(kāi)合;多個(gè)電容器(26a、26b……26n)，每個(gè)附屬于每個(gè)相關(guān)的所述二極管，并且耦接在相關(guān)的所述二極管的第二端和相關(guān)的次輸出端之間;以及偏置裝置(28)，用于對(duì)多個(gè)二極管通過(guò)輸入端和輸出端提供偏置能量。
專利摘要
本發(fā)明為快速轉(zhuǎn)換RF網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)電感器，包括多個(gè)串聯(lián)電感器轉(zhuǎn)換電路，該電路有一個(gè)接至分立電感器和PIN結(jié)二極管的輸入端及一個(gè)交替地接到并聯(lián)的分立電感器和該二極管的輸出端。該二極管工作于正偏壓時(shí)斷開(kāi)分立電感器，或工作于負(fù)偏壓時(shí)接通它。該二極管由MOSFET開(kāi)關(guān)提供正或負(fù)偏壓，每個(gè)開(kāi)關(guān)有一附加電容器對(duì)PIN結(jié)二極管提供負(fù)偏壓。MOSFET開(kāi)關(guān)受邏輯信號(hào)控制，故能用計(jì)算機(jī)控制快速轉(zhuǎn)換。控制信號(hào)與MOSFET開(kāi)關(guān)用光耦合。
文檔編號(hào)H03J5/24GK87107472SQ87107472
公開(kāi)日1988年8月31日 申請(qǐng)日期1987年12月16日
發(fā)明者C·達(dá)爾·尼斯特勒羅德 申請(qǐng)人:休斯航空公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan