CN101090265B - 针对多媒体终端的具有选择性隔离度的开关和切换器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有选择性隔离度的开关，还涉及一种针对多媒体终端的具有选择性隔离度的切换器件。由两个晶体管(T1，T2)形成的开关(53-58)受到预定频率上的反馈控制信号Vtune的反馈控制，从而保证该频率上的选择性隔离度。该切换器件用于切换多媒体终端的发射/接收信道，由可以使用MMIC技术集成的选择性隔离开关形成。

Description

针对多媒体终端的具有选择性隔离度的开关和切换器件
技术领域
本发明涉及定向天线系统领域中针对多媒体终端的具有选择性隔离度的切换器件，其中定向天线系统是允许访问宽带高数据率服务的新无线通信媒体中所需要的。这些宽带高数据率服务处于当前分配的频带内，这些频带范围是从针对WLAN类型应用的几个GHz(802.11b：2.4GHz，802.11a：4.9GHz到5.8GHz，Wimax：3.5GHz)到针对LMDS类型(28GHz)或卫星类型(12-14GHz或20-30GHz)链路的几十GHz。
背景技术
采用MIMO(多输入多输出)类型的传输技术，系统在发射机和接收机系统中均使用多根天线，以发射和接收信号。在接收机中，分集式选择允许通过切换来选择具有最高电平接收信号的天线，从而减少衰落现象。但是，这种设计没有利用天线可用的所有功率，网络增益仍受到限制。
另一种广泛使用的传输技术是由开关多波束天线网络构成的，该技术包括天线网络，该天线网络包括指向多个方向的多个固定波束。在这种情况下，该设计相对简单，并且接收机只需在几秒钟内选择正确波束。
与所有这些设计相关联的是根据所选技术而比较复杂或比较简单的切换器件。对于最简单的两天线分集式配置，这些器件可以由SPDT(单刀双掷)型开关构成，对于更加复杂的MIMO设备，这些器件可以由SP4T型或SPnT(单刀(n)x掷)型开关构成，其中n是所用天线分集/数目的量级。
但是，为了实现以下目的，要求这种RF/微波(2.4到5GHz)开关在较宽频率带上受到严格限制：
-在插入损耗方面，为了不过多地降低噪声因子，从而接收机中灵敏度方面的性能不会下降，以及为了限制由输出放大器传递的传输功率，以及
-在隔离度方面，为了不降低每根多波束天线的增益。
确实，在使用接入点之间隔离度较低的开关的情况下，从天线系统得到的、通过开关的隔离度加权的辐射图失去了减少其他用户干扰方面的所希望的优点，换言之，降低了天线系统只覆盖一个空间扇区的性能。
但是在使用接入点之间隔离度较高的开关的情况下，得到的天线图只是扇区之一或天线系统中天线之一的图。这就是要求接入点之间的高隔离度并且开关必须非常高效的原因。
当前市场上主要使用GaAs(砷化镓)并可完全集成到MMIC(单片微波集成电路)技术中的RF/微波开关典型地使用场效应晶体管(FET)，最普遍使用的FET是称作耗尽FET的N沟道FET，其在不施加栅极电压的情况下具有非常低的漏极-源极电阻，而在栅极上施加反向电压的情况下允许较高的漏极电流(Idss)流过；在栅极下产生的电场导致沟道的夹断，从而显著增大源极-漏极电阻。该电压称作夹断电压，在-2到-2.5V左右。这些开关在信道之间提供大约20dB到25dB的隔离度，但是，如果希望保持较高的定向增益，在扇区化天线的情况下，这种隔离度仍是不足的。
此外，随着应用频率的增大(2.4到5GHz)，这种组件在插入损耗和隔离度方面的性能越来越关键。
从现有技术可知，可以通过使用FET晶体管的漏极-源极杂散电容在所考虑的频率上的谐振，来改善诸如使用GaAs FET的开关的隔离度。图1示出了这种开关的示例。以下描述这种常规设计及其效果：
晶体管T1的源极经由电容器C1与开关的输入端子E相连，而晶体管漏极经由另一电容器C2与输出端子S相连。栅极经由电阻器R2与控制输入C相连。电阻器R1连接在源极和地之间。电感器L连接在晶体管的源极和漏极之间。
电容器C1和C2对输入信号的DC分量进行滤波。在所考虑的频率上，电感器L与晶体管的残余电容Cds形成谐振电路。根据晶体管T1的性能特性，残余电容器在0.1到0.5pF的量级上。
施加到控制输入C的电压Vctrl允许根据该电压值来打开或闭合开关。
这种开关在信道之间提供大约20dB的隔离度。如果希望保持较高的定向增益，在扇区化天线的情况下，这种隔离度仍是不足的。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明提供了一种由第一和第二晶体管形成的隔离开关。提供切换功能的第一晶体管是电压控制的，并通过所述第一晶体管的漏极与源极之间形成的阻抗桥的中点P，与第二晶体管的栅极相连，第二晶体管本身受到预定频率上的反馈控制信号的控制。
所述开关具有的优点在于，通过保证直接在信道规模上而不再是在整个传输(接收)频带层次上的隔离度，例如，通过在输入或输出信道之间提供最小值大约为30dB的良好隔离度，以选择性方式实质上改善了开关的隔离度。
优选地，因为多媒体终端包括本地信道频率振荡器，所以所述反馈控制信号是来自传输终端的所述地信道频率振荡器的信号。
优选地，能够使用MMIC技术将所述开关集成。
本发明还涉及一种具有多根天线的传输系统，其包括与所述天线相关联的高频切换器件，所述高频切换器件只允许切换到接收或发射天线之一。
根据本发明的变体，所述传输系统是具有天线的系统，所述天线具有多个扇区，所述传输系统包括与所述多个扇区相关联的高频切换器件，所述高频切换器件只允许切换到接收或发射天线之一，并保证与所述扇区相关联的多个信道之间的高隔离度。
附图说明
通过阅读以下结合附图所示的描述，本发明的前述和其他特征和优点将更加明显，附图中：
图1已在上文说明，示出了根据现有技术的使用FET晶体管的开关的示例电路图；
图2示出了根据本发明的开关的示例拓扑结构；
图3是示出了优化和未优化的开关的测量性能的曲线图；
图4是示出了针对0.1到0.3pF的栅极-源极电容Cgs、5GHz频道内的隔离度；
图5示出了根据本发明的开关在具有分集天线的传输系统中的应用实施例；以及
图6是开关在MMIC设计中的示例实施方式。
具体实施方式
因为前文已概要性地描述了根据现有技术的电路，所以以下不再对其进行描述。
为了简化本说明，在这些附图中将使用相同的附图标记表示提供等同功能的元件。
图2中示出了根据本发明的设计，例如，GaAs FET型或MESFET型晶体管T1提供在前参考图1所述的切换功能。将连接在第一晶体管T1的源极与漏极之间的阻抗L分为在点P相连的两个阻抗L1-1和L1-2。该阻抗中点与第二晶体管T2的栅极相连，第二晶体管T2类型与T1相同，是使用共源(common-source)拓扑结构实现的。控制电压Vds经由电阻器R4施加到第二晶体管T2的源极上，并允许修改第二晶体管的电压VGS，从而允许修改第二晶体管的偏置点。晶体管T2的漏极经由电阻器R5与控制端子Q相连。与电感器C3并联的电阻器R3将晶体管T2的漏极接地。
由于栅极上的零控制电压Vctrl，所以晶体管T1具有非常低的漏极-源极电阻，从而晶体管是导通的(ON)。相反，当将(-2v)左右的控制电压Vctrl施加到栅极上时，晶体管T1是断开的(Vgate＝Vpinchoff)，两个电感器L1-1和L1-2在施加到输入E的RF信号的频率上，与FET型晶体管T1的漏极-源极杂散电容Cds形成谐振。同时，施加到晶体管T2的控制端子Q上的源极控制电压Vtune将修改电感器公共点与电源参考(地)之间存在的晶体管T2的电感Cgs，附加电容非常低，大约是0.1到0.7pF，并具有修改由电感器L1-1和L1-2与T1的电容Cds形成的谐振电路的效果。通过在发射极/接收机系统的信道频率对控制电压进行反馈控制，换言之，通过在第二晶体管上施加选择信道频率所用的本地振荡器所产生的电压来作为控制电压，从而可以根据信道频率应用选择性隔离度，保证该频率上的隔离度。
图3是示出了优化(即，采用根据本发明设计的开关)和未优化(即，采用图1所示现有技术的开关)的两个开关Ti和Tj的测量性能的曲线图。因此，该曲线图示出了对于1GHz的选定调谐器频率、开关Ti和Tj之间的隔离度Sij(以dB为单位)。第一参考曲线f1示出了当天线通过闭合开关相连(导通)时天线之间的零衰减。第二曲线f2示出了当天线由根据现有技术的至少一个开关分离(截止)时天线之间的衰减Sij。对于选定的调谐器频率，该衰减达到不足的最小值-15dB。第二曲线可以突出本发明的优点。确实，参照第三曲线，其示出了当天线由根据本发明的至少一个开关分离时天线之间的衰减Sij，对于接近1GHz的选定的调谐器频率，该衰减达到-30dB的值。因此，根据本发明的开关的隔离度是根据所选频带的频率而具有选择性的。
图4的曲线图是两条曲线集，其示出了针对与0.20到0.26pF的值等效的晶体管T2的栅极-源极电容Cgs的值、在5GHz频带内以dB为单位的隔离度Sij。因此，这些曲线示出了在5GHz应用仿真中获得的性能示例。例如，应该注意到，对于晶体管T1的杂散电容0.3pF，晶体管T2的电容Cgs的非常微小的变化足以确保整个802.11a频带(4.9-5.872GHz)上的选择性隔离度。
图5示出了具有多根天线的传输系统的多媒体终端，其包括：切换器件50，由针对来自天线A1到A4的信号的4个开关53到56构成；以及选择器52，由开关57和58构成，用于选择发射机或接收机模式。该器件的每个开关53-56一方面均与连接到天线A1-A4的信道之一相连，另一方面均与发射机/接收机模式选择器52相连。
控制元件51发射TX/RX模式信号，以选择终端的发射机/接收机模式，所述终端包括接收机电路链60和发射极电路链70。类似地，控制元件51根据由所述终端产生的数字信号Snum，发射针对多个开关的控制信号Vctrl1-Vctrl4。由信号处理电路(未示出)发送的信号允许根据不同标准选择发射机或接收机模式以及天线之一。对于所属领域技术人员来说，这些标准是公知的，例如，发射或接收信号的功率测量、噪声或输出功率信噪比的测量。
如图2所述施加到每个开关的控制电压Vtune由与接收机60和发射机70的已知数据传输电路相关联的本地振荡器80产生。该信道频率上的反馈控制保证了多条信道之间需要的隔离度Sij。
类似地，多媒体终端也可以与具有天线的系统相关联，其中所述天线具有多个扇区，所述系统包括与多个扇区相关联的高频切换器件50，该高频切换器件50允许只切换到接收或发射扇区之一，并保证与扇区相关联的多条信道之间的高隔离度。
如图6中示例所示，可以使用MMIC技术将至少四对晶体管T1和T2连同对应的电阻器集成在一起，以形成根据本发明的至少四个开关。可以不集成电感器和电容器，而将其保持为从外部与电路连接，以形成上述附图中所述的切换器件50的开关53-56。
本发明可以有其他变体。前述示例示出了通过多根天线接收调制信号，但是也可以设想通过具有多个或分集波束的天线或具有分集扇区的天线进行接收。
本发明不限于所述实施例，本领域技术人员将认识到本发明还存在多种变体实施例。

Claims (8)

1.一种隔离开关(53-58)，由第一晶体管和第二晶体管形成，其特征在于，提供切换功能的第一晶体管(T1)是受电压控制的，并通过所述第一晶体管的漏极与源极之间形成的阻抗桥的中点P，与第二晶体管(T2)的栅极相连，第二晶体管(T2)本身受到预定频率上的反馈控制信号的控制。
2.根据权利要求1所述的隔离开关，其特征在于，所述第一和第二晶体管是GaAs FET型的。
3.根据权利要求1所述的隔离开关，其特征在于，所述第一和第二晶体管是MESFET型的。
4.一种多媒体终端的高频切换器件(50)，其具有至少两条发射/接收信道，其特征在于，与每条信道相关联，所述高频切换器件(50)包括如权利要求1到3之一所述的隔离开关(53-58)。
5.根据权利要求4所述的高频切换器件，其特征在于，由于多媒体终端包括本地信道频率振荡器，所述反馈控制信号是来自发射/接收终端的所述本地信道频率振荡器的信号(Vtune)。
6.根据权利要求4到5之一所述的高频切换器件，其特征在于能够使用MMIC技术将所述开关(53-58)集成。
7.一种具有多根天线的传输系统，其包括与所述天线相关联的、如权利要求4到6之一所述的高频切换器件，所述高频切换器件只允许切换到接收或发射天线之一。
8.一种具有天线的传输系统，所述传输系统具有多个扇区，所述传输系统包括与各个扇区相关联的、如权利要求4到6之一所述的高频切换器件，所述高频切换器件只允许切换到接收或发射扇区之一。
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