CN101159429A - 一种高隔离低插损射频开关电路的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种高隔离低插损射频开关电路的实现方法，在普通开关器件上并联一路相位抵消通道，相位抵消通道由一个处于关闭状态的开关器件、180度相位延迟器组成。180度相位延迟器可以是半波长射频传输线或者180度的移相器。由于半波长射频传输线的相位延迟和阻抗变换作用，在工作频带内能产生相位抵消和并联谐振两个隔离度峰值，因此提高了隔离度，并保证了较大的工作带宽。180度移相器则可以在很宽频段内实现相位抵消，使工作带宽更宽。本方法可以用于射频开关集成电路或普通电路。

Description

一种高隔离低插损射频开关电路的实现方法

技术领域

本发明涉及一种射频开关电路或集成电路

背景技术

在无线或者移动通信系统中常常会用到射频开关(RF switch)进行射频通道选择。例如用射频开关选择接收和发射通道，从而在共用天线的情况下实现无线信号的接收和发送；在军用宽频段电台中为了增加抗干扰性能，使用射频开关选择不同频段的滤波器。在这些系统中一般都要求射频开关有尽可能低的插损和高的隔离度。由于开关器件的非理想性，导致射频开关电路有一定插损，隔离度也有限。很难在低插损下达到高隔离特性，传统的方法是在电路中用并联的电感谐振掉开关器件的寄生电容，隔离度可达到40dB以上，插损一般在0.5～1dB。类似的方法还有并联电阻-电容-电阻法。这两种方法的缺点是工作频带较窄。另外还有并联分布式场效应管法，这种方法技术复杂，需要对半导体开关器件进行特殊设计。

发明内容

本发明提供了一种新颖的提高射频开关电路隔离度的方法，与以往高隔离低插损开关相比具有结构简单、工作频带宽的优点。利用此基本的单刀单掷开关电路还可以组成单刀双掷、单刀多掷开关。

本发明的开关电路在结构上有两个通道：主通道是一个射频开关器件(场效应管、PIN二极管、微机械开关等)；辅助通道由一个关断状态的射频开关器件和半波长传输线(或者180度移相器)组成。

其提高隔离度的原理是：从主辅两个通道泄漏到开关另一侧的射频信号在相位上相差180度，但幅度相同，因此相互抵消。在物理上则表现为射频信号全部被反射回去，没有信号泄漏到开关另一侧，此频点上产生一个隔离度峰值(相位抵消隔离度峰值)。另外在稍低的频点上，由于传输线的阻抗变换作用，辅助通道等效于一个电感，与主通道的寄生电容发生并联谐振，产生第二个隔离度峰值(谐振隔离度峰值)。通过设定传输线的长度和特征阻抗可以调整两个隔离度峰值的位置。因为有这两个不同频率的隔离度峰值，因此工作带宽得到扩展，隔离度也提高。可以在更宽的频段内得到40dB以上的隔离度。

电路中还可以用180度移相器代替半波长传输线得到更宽的工作带宽。宽带移相器的特点是可以在倍频程范围内实现固定相移，所以在使用180度移相器的情况下可以将射频开关的工作频带扩展到倍频程左右，即在倍频程范围内具有高隔离度特性。

在射频开关开通状态下，辅助通路由于具有极高的阻抗，与主通路相比可以认为是开路的，对主通路的影响可忽略，因此开关电路在打开状态下具有低差损性能。

本发明的特征及优点将结合附图和实施例作进一步的说明。

附图说明

图1是普通射频开关电路

图2是传统高隔离低插损射频开关电路

图3是本发明的的详细电路图(使用场效应管和半波长传输线的情况)

图4是图3的电路在关断状态时的近似等效电路

图5是特定电路参数下隔离度的仿真结果

图6是图3的电路在开通状态时的近似等效电路

图7是特定电路参数下插损的仿真结果

具体实施方式

图1是普通射频开关电路基本结构，其中A、B为场效应管，1、2两端接射频通道。当射频开关打开时对应的场效应管的状态是：A管导通，B管关断；当射频开关关闭时对应的场效应管的状态是：A管关断B管导通。由于器件的非理想性，开关管在导通时近似等效于一个小电阻，关断时近似等效于一个小电容。这种结构射频开关导通时一般有0.5～1dB左右插损，关断时隔离度20dB左右。传统的提高隔离度的有效方法是并联谐振电感，如图2所示，在场效应管A旁边并联一个电感L，电感L和开关管极间电容在感兴趣的频率上发生谐振，这种方法可使工作频点附近的隔离度达到40dB量级，插损与普通射频开关相近，其缺点是高隔离度特性只在谐振频点附近，因此高隔离度特性的带宽比较窄。

图3是本发明的射频开关电路的一个具体结构，开关电路在结构上有两个通道：主通道是一个场效应管A，A可以由外部控制导通和关断，从而决定整个射频开关(电路)的打开和关闭；辅助通道由一个关断状态的场效应管B和半波长传输线T组成。(注：A和B关断状态下具有相等的阻抗，辅助通道使用场效应管B就是为了得到这样一个阻抗。在要求不太高的情况场效应管B也可用等效元件代替，例如电容)。下面对图3的电路做详细分析和仿真。

1)隔离度的分析和仿真

由于场效应管导通状态下可近似等效为小电阻R_ON(一般几个欧姆，与器件特性有关)，关断状态下近似等效于一个小电容C_DS(一般零点几pF以下，与器件特性有关)，所以在射频开关关断时(A管进入关闭状态)，其等效电路如图4所示，主路和辅路在电路上的差别仅在于辅路上多了一个半波长传输线，因此两路射频信号的相位差180度，但幅度相同，信号相互抵消：设主通道上泄漏射频信号为P，则辅助通道泄漏信号为P∠180°，因此泄漏到开关另一侧的总能量为：

P+P∠180°＝P-P＝0

在物理上表现为没有信号泄漏到开关另外一侧，信号全被反射。相位完全抵消的频率对应的就是“相位抵消隔离度峰值”；另外传输线具有阻抗变换功能， $Z_A\left(d\right)=Z_0\frac{Z_L+{\mathrm{jZ}}_0\mathrm{tg}\left(\mathrm{\βd}\right)}{Z_0+{\mathrm{jZ}}_L\mathrm{tg}\left(\mathrm{\βd}\right)}$ ，(d为传输线长度，Z₀为传输线特征阻抗)，可以将辅通道中的C_DS(在公式中 $Z_L=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{\mathrm{DS}}}$ )在某个频率上变换成与主通道C_DS并联谐振的电感。此谐振频点的隔离度也是一个峰值，即谐振隔离度峰值。

为得到一个直观结果，用ADS(Advanced Design syetem，安捷伦公司的商业电路仿真软件)软件仿真。将图5等效电路中C_DS采用场效应管的典型C_DS＝0.1pF，传输线在4GHz上的电感长度为半波长，特征阻抗50欧姆，得到图5的仿真结果。可以看到除了在4GHz有一个隔离度峰值(即相位抵消隔离度峰值)外，在3.7GHz附近存在第二个隔离度峰值(即谐振隔离度峰值)，通过前面公式计算也可以得到在3.7GHz上两路具有符号相反的容抗，因此产生的是并联谐振。仿真结果中在3.5GHz~4.2GHz频段内隔离度在40dB以上。

为了得到更好的隔离度特性和更宽的工作带宽，可以用宽带180度移相器代替半波长传输线。宽带移相器的特点是可以在倍频程范围内实现固定相移，所以在使用180度移相器的情况下可以将射频开关的工作频带扩展到倍频程左右(例如在2GHz～4GHz上具有高隔离度特性)。

2)插损的分析和仿真

当射频开关打开时(A管进入导通状态)，辅助通道由于具有很高的阻抗，因此对主通道的影响可以忽略，不影响开关电路的地插损性能。

将图6等效电路中C_DS采用开关器件的典型C_DS＝0.1pF，R_ON＝5欧姆，传输线在4GHz上的电感长度为半波长，特征阻抗50欧姆，得到图7的仿真结果。可以看到在高隔离度频段内(3.5GHz~4.2GHz)射频开关具有较好的回波损耗(驻波比)，插损不到1dB。

Claims (6)

1.一种高隔离低插损射频开关电路(RF switch)的实现方法，在普通开关器件上并联一路相位抵消通道，相位抵消通道由一个处于关闭状态的开关器件、180度相位延迟器组成。其特征在于，在一般射频开关器件上并联了一个180度相位抵消通道。

2.根据权利要求1所述的电路结构，其中所述180度相位延迟器为半波长传输线。

3.根据权利要求1所述的电路结构，其中所述180度相位延迟器为180度移相器。

4.根据权利要求1所述的电路结构，其中所述主通路和辅助通路使用的射频开关器件为PIN二极管，或者场效应管，或者微机械开关。

5.根据权利要求1所述的电路结构，其中所述辅助通路的“关断状态的射频开关器件”为与射频开关器件关断状态等效的其它器件，例如电容。

6.由权利要求1所述的电路结构组成的单刀双掷射频开关电路、单刀多掷射频开关电路。

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