CN101361269B

CN101361269B - 射频开关

Info

Publication number: CN101361269B
Application number: CN2006800512643A
Authority: CN
Inventors: 李康铉; 李吉镐
Original assignee: KMW Co Ltd
Current assignee: KMW Co Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: BRPI0621235B1; JP4717930B2; US7855616B2; JP2009524333A; BRPI0621235B8; EP1982414A4; WO2007083861A1; CN101361269A; KR100868690B1; US20090206908A1; KR20070077032A; EP1982414B1; EP1982414A1; BRPI0621235A2

Abstract

RF开关包括第一、第二和第三传输线用于形成各自端口，以及分别用于传递信号到该第一。第二和第三传输线的彼此相连的第一、第二和第三槽线图案部分。该第一槽线图案部分具有用于传递从该第一传输线接收的信号到其他槽线图案部分连接点的槽线图案，以及用于使相应槽线间隙短路而因此阻碍传递信号的开关电路。该第二槽线图案部分包括通过第一和第二半环状槽线形成的环状槽线，用于通过该环状槽线传递从该连接处接收到的信号的给第二传输线的第二子槽线，以及用于使相应槽线的间隙短路的开关电路。

Description

射频开关

技术领域

本发明总体涉及RF开关，并且尤其涉及RF开关，该RF开关适合作为用于在时分双工(TDD)系统中在信号Tx/Rx端的发射信号和接收信号之间进行切换的开关。

背景技术

第2代和第3代移动通信系统主要基于频分双工(FDD)。在FDD中双工器使Tx信号与Rx信号隔离。作为比较，预期第3.5代和第4代移动通信系统使用时分双工(TDD)。

在包括TDD的时分传输方案中，在发射和接收之间进行通讯而相同的射频被进行时分。对于通过一个频率进行双向通讯，一个帧被分开用于发射和接收。

图1是在典型TDD系统中的Tx和Rx端的方框图。参考图1。Tx信号经过第一Tx滤波器30，在功率放大器40中被放大到适当的功率电平，在第二Tx滤波器50中滤波，并且然后通过Tx-Rx开关10通过天线(ANT)60发射。对于接收，通过该天线60接收的信号通过该Tx-Rx开关10转换到该Rx滤波器20并且仅在Rx频带通过该RX滤波器20。根据从控制器(没有示出)接收的切换控制信号该Tx-Rx开关10切换。

如上所述，每隔预定时间段，发射和接收在相同频率交替。这就是需要高速Tx-Rx RF开关的原因。

由于对高速开关的要求，该RF开关使用基于比如PIN二极管或场效应晶体管(FET)的半导体器件的开关而不是机械开关。然而，由于半导体的高功率敏感度该半导体开关对于高功率是不可行的。

当施加高功率时，产生大量热量，从而在没有充分的耐热性的情况下，该开关被毁坏。研制用于承受高功率的RF开关配备单独获得的制冷器，因此该RF开关非常昂贵且难于制造。因此，该RF开关限于军事上的应用。

为了解决这个问题，该TDD系统使用环形器代替RF开关来将Tx信号与Rx信号分开。然而，该环形器的使用具有明显的缺点，即在接收期间与Tx信号的充分隔离的实现是困难的，以及在由天线的一些缺点导致的开放状态，Tx信号传入到接收器中，因此导致系统故障或使该Rx信号的质量严重下降。此外，产生Tx无源互调失真(PIMD)，因此，对从其他服务提供者来的对传播质量产生有害影响。

发明内容

本发明的目的是基本上解决至少上述问题和/或缺点并且提供至少以下优点。因此，本发明的目的是提供适合在TDD系统中的Tx-Rx切换以确保Tx端和Rx端充分隔离的RF开关。

本发明的另一个目的是提供RF开关，该RF开关适合于在TDD系统中的Tx-Rx切换以防止当用于控制操作的DC电源出现问题时Tx电力传入到Rx端。

本发明进一步的目的是提供RF开关，该RF开关使用半导体器件，但具有充分的耐热性，用于在高功率下稳定操作。

本发明的又一个目的是提供易于制成微波集成电路(MIC)形式的RF开关。

本发明的再一个目的是提供即使在数十吉赫或数十吉赫以上的RF频带以及在移动通信频带也能够操作的Tx-Rx开关。

上述目的通过提供射频开关实现。在该射频开关中，第一、第二和第三传输线形成第一、第二和第三端口。第一、第二和第三槽线图案部分彼此连接，用于与第一、第二和第三传输线的信号传输。该第一槽线图案部分包括用于将从第一传输线接收的信号提供到至其它槽线图案部分的连接部分的槽线图案，以及安装在该槽线图案的预定位置的开关电路，该开关电路用于通过根据外部控制信号使槽线的间隙短路而阻止信号。第二槽线图案部分包括环状槽线，该环状槽线通过第一半环状槽线和第二半环状槽线形成、用于该环状槽线的部分和第二传输线之间的信号传输；用来经由该环状槽线将从到其它槽线图案部分的该连接部分接收的信号提供到第二传输线的第二子槽线；以及安装在槽线图案的预定位置处的开关电路，该开关电路用来通过根据外部控制信号使槽线的间隙短路来阻止信号。

附图说明

图1是典型TDD系统的示例性发射(Tx)端和接收(Rx)端的方框图；

图2是根据本发明实施例的用于在TDD系统中的Tx-Rx转换的射频(RF)开关的印刷电路板(PCB)的电路图案的平面图；

图3是图2所示的PCB的电路图案的仰视图；和

图4是根据本发明另一实施例的用于在TDD系统中的Tx-Rx转换的RF开关的PCB电路图案的平面图。

具体实施方式

这里参考附图对本发明优选的实施例进行描述。在以下描述中，熟知的功能或结构不详细描述，由于他们会使本发明的在不必要的细节中不明显。

图2是根据本发明实施例的用于在TDD系统中的Tx-Rx转换的RF开关的PCB的电路图案的一个表面(上表面)的平面图以及图3是图2示出的PCB的电路图案的其它表面(下表面)的视图。为了更好地理解，每个组件的大小和形状或多或少地放大或简化。参考附图2和3，根据本发明的实施例的RF开关可以具有在单个PCD上形成适当图案的微带状线和槽线。

在本发明的该RF开关中，第一、第二和第三微带状线111、112和113在电介质衬底的下表面上形成适当图案。这些微带状线用作用于该RF开关的第一、第二和第三端口。该RF开关可选择地将第一或第二端口切换到第三端口。第一、第二和第三槽线图案部分210、220和230形成在该电介质衬底的上表面，以致信号可以通过微带状线-槽线耦合在第一、第二和第三槽线图案部分210、220和230与第一、第二和第三微带状线111、112和113之间在合适位置传递。这些槽线图案部分210、220和230如T接头状槽线结构那样在一个位置彼此连接。

在该第一槽线图案部分210和第一微带状线111之间进行信号传递。该第一槽线图案部分210被形成图案以将从第一微带状线111传输来的信号提供到至另外的槽线图案部分220和230的连接部分。该第一槽线图案部分210在合适的位置设有开关电路D1和D2，该开关电路D1和D2构造为通过响应外部开关控制信号使相应的槽线的间隙短路来阻止信号。

下面将更详细描述该第一槽线图案部分210的配置。第一槽线图案部分210在其端部设有开路端电路(open-end circuit)211-4。它还包括设置成能与该第一微带状线111进行信号传输的1-1子槽线211-1和连接于到第二和第三槽线图案部分220和230的连接部分的1-2子槽线211-2。该1-1和1-2子槽线211-1和211-2的另外的端部连接在公共的开路端电路211-3的两个端部。子微带状线212对应于在1-1和1-子槽线211-1和211-2之间的连接部分形成于该电介质衬底的下表面上，以致可以通过微带状线-槽线耦合在子微带状线212的两端与1-1和1-2子槽线211-1和211-2之间传递信号。该开关电路可以包括多个半导体开关器件，例如，第一和第二二极管D1和D2。该第一二极管D1安装在该1-1子槽线211-1的适当位置以用来使该1-1子槽线211-1的间隙短路。该第二二极管D2安装在该1-2子槽线211-2的适当位置以用来使该1-2子槽线211-2的间隙短路。

该第二槽线图案部分220具有环状槽线221-3和221-4，该环状槽线221-3和221-4由第一半环状槽线221-3和第二半环状槽线221-4形成，用来从环状槽线的一部分向第二微带状线112传递信号。该第二槽线图案部分220进一步包括第二子槽线22-1，该子槽线用来经由环状槽线221-3和221-4将从到另外的槽线图案部分210和230的连接部分接收的信号传递到第二微带状线112，以及安装在相应槽线的适当位置处的开关电路D3、D4和D5，开关电路D3、D4和D5用来响应外部开关控制信号使该槽线的间隙短路并且因此阻止信号。

更具体而言，该第二槽线图案部分220的开关电路包括安装在该第二子槽线221-1的适当位置的第三二极管D3，第三二极管D3用来根据外部开关控制信号使该第二子槽线221-1的间隙短路；以及安装在第一半环状槽线221-3和第二子槽线221-1之间的连接部分附近的第四二极管D4和安装在第二半环状槽线221-4和第二子槽线221-1之间连接部分附近的第五二极管D5，第四二极管D4和第五二极管D5用来根据外部开关控制信号使该第一和第二半环状槽线221-3和221-4的间隙短路。该第二微带状线112设置成具有开路端(open end)，该开路端从该第二微带状线112与环状槽线221-3和221-4的交叉点延伸λ/8的长度以致在该交叉点用于信号传递的磁场最大化。

信号在第三槽线图案部分230和第三微带状线113之间传递。第三槽线图案部分230设置成具有适当的槽线图案，该槽线图案用来将从第一微带状线113接收的信号提供到至另外的槽线图案部分210和220的连接部分。换句话说，第三槽线图案部分230在其端部设有开路端电路231-1。它进一步包括第三槽线231，通过该第三槽线231信号传递到该第三微带状线113/从该第三微带状线113传递。

在上述RF开关配置中，第一和第三微带状线111和113以及该子微带状线212可以在其端部设有开路端或短路端(short-end)电路。短路端(short-end)电路能够通过在微带状线的端部形成圆孔并且镀该孔的内部形成，导电的镀层材料被连接到该表面上的接地衬底，在该表面上形成有所述槽线图案。

该开关控制信号可以通过将例如+5V/-5V施加在单独的开关器件上或经适当电隔离接地衬底产生，以致该开关器件被接通或断开。

具有上述配置的该RF开关可以通过分别连接第一、第二和第三微带状线111、112和113的第一、第二和第三端口到Tx端、Rx端和天线(Ant)端而用在TDD系统中的Tx-Rx转换中。

下面将描述作为在TDD系统中的Tx-Rx开关的具有如图2和3中所示的配置的该RF开关的操作。为了发射，该第三二极管D3断开(所有其他二极管都接通)并且该RF Tx信号施加在该Tx端的第一端口。然后该Tx信号沿第一微带状线111、该1-1子槽线211-1、该子微带状线212和该1-2子槽线211-2传送。由于第三二极管D3接通，因此在该第三二极管D3两个端部的该第二子槽线221-1的间隙被短路，因此阻止该Tx信号。同时该Tx信号沿着第三槽线231传递并且通过该第三端口传输到该天线。

关于该Rx端的第二端口的隔离功能，通过该第三二极管D3执行一级信号阻止。假如在这种状态下任何信号被传入到该第二子槽线221-1，因为第四和第五二极管D4和D5是断开的，因此该信号被分配到第一和第二半环状槽线221-3和221-4，被分配的信号具有180度的相位差。该被分配的信号由于180度的相位差而在它们合并的位置，即发生信号传递到该1-2子槽线112的位置，相抵消。因此，实现了二级信号阻止。

为了接收，该第一和第二二极管D1、D2和第四二极管D4(或者第五二极管D5)接通。当信号自该天线端的第三端口通过该第三微带状线113和第三槽线231被接收时，由于该第一和第二二极管D1和D2是接通的并且该Rx信号被阻止进入该1-1和1-2槽线211-1和211-2，因此该Rx信号被阻止进入第一槽线图案部分210。同时，该Rx信号传递到第二槽线图案部分220的该第二子槽线221-1。由于第四二极管D4接通，因此该Rx信号通过该第二半环状槽线221-4传递到该第二微带状线112。

即使由于用于控制该开关器件的操作DC电源的问题而导致所有二极管都断开，根据本发明的该RF开关的配置也确保该Rx端的隔离。换句话说，当该DC电源出现异常时，输入到该Tx端的第一端口的Tx信号通过该第二子槽线221-1传入到该Rx端，该Tx信号以180度的相位差被分配到该第一和第二半环状槽线221-3和221-4，并且然后由于180度的相位差而在它们合并的位置抵消。

图4是根据本发明其它实施例的用于在TDD系统中的Tx-Rx转换的RF开关的PCB的电路图案的一个表面(上表面)的平面图以及图5是图4示出的PCB的电路图案的其它表面(下表面)的视图。根据本发明第二实施例的RF开关与图2和3中示出的RF开关在配置上类似。在根据本发明第二实施例的该RF开关中，第一、第二和第三微带状线111、112和113在电介质衬底的下表面形成为适当图案。第一、第二和第三槽线图案部分410、420和430形成在该电介质衬底的上表面上，以致信号可以通过微带状线-槽线耦合在第一、第二和第三槽线图案部分410、420和230与第一、第二和第三微带状线111、112和113之间在合适位置传递并且Tx通路和Rx通路根据开关控制信号适当形成。这些槽线图案部分410、420和230如T接头状槽线结构那样在一个位置彼此连接。

该第三槽线图案部分230与在图2和3中示出的其对应物在配置和操作上相同。

如图2和3示出的该第二槽线图案部分220，该第二槽线图案部分420具有由第一半环状槽线421-3和第二半环状槽线421-4形成的环状槽线421-3和421-4，以及第二子槽线421-1。该第二槽线图案部分420在开关电路结构上与该第二槽线图案部分220不同。该第二槽线图案部分420的开关电路包括：安装在第一半环状槽线421-3和第二子槽线421-1之间的连接部分附近的第三二极管D3以及安装在第二半环状槽线421-4和第二子槽线421-1之间的连接部分附近的第四二极管D4，第三二极管D3和第四二极管D4用于根据外部开关控制信号使第一半环状槽线421-3和第二半环状槽线421-4的间隙短路；以及第六二极管D6，该第六二极管D6设置用于根据外部控制信号，与该第三二极管D3独立地使该第一半环状线421-3的间隙短路。

与图2和3中所示的该第一槽线图案部分210相比，图4中示出的该第一槽线图案部分410设置成与该第二槽线图案部分420对称。换句话说，该第一槽线图案部分410具有由第一半环状槽线411-3和第二半环状槽线411-4形成的环状槽线411-3和411-4，以及第一子槽线411-1。信号在该环状槽线411-3和411-4的一部分与该第一微带状线111之间传递。该第一子槽线411-1通过该环状槽线411-3和411-4将从该第一微带状线111接收的信号传递到至另外的槽线图案部分410和430的连接部分。该第一微带状线111设置成具有开路端(open end)，该开路端从该第一微带状线111与环状槽线411-3和411-4的交叉点延伸λ/8的长度以致在该交叉点用于信号传递的磁场最大化。用于该第一槽线图案部分410的开关电路包括：安装在第一半环状槽线411-3和第一子槽线411-1之间的连接部分的附近的第一二极管D1以及安装在第二半环状槽线411-4和第一子槽线411-1之间的连接部分的附近的第二二极管D2，第一二极管D1以及第二二极管D2用于根据外部开关控制信号使第一半环状槽线411-3和第二半环状槽线411-4的间隙短路；以及第五二极管D5，该第五二极管D5设置用于与该第一二极管D1独立地根据外部控制信号使该第一半环状线411-3的间隙短路。

下面将描述作为在TDD系统中的Tx-Rx开关的具有该配置的该RF开关的操作。为了发射，该第三、第四和第五二极管D3、D4和D5接通(所有其他二极管都断开)并且RF Tx信号施加到该Tx端的第一端口并且RF Tx信号沿该第一微带状线111传送。由于该第五二极管D5接通，因此该Tx信号沿着该第二半环状槽线411-4和第一子槽线411-1传输。由于第三和第四二极管D3和D4接通该Tx信号被阻止，同时它沿着该第三槽线231传送，并且然后通过该第三端口传输到该天线端。

为了接收，该第一和第二二极管D1、D2和第六二极管D6接通。当信号自该天线端的第三端口通过该第三微带状线113和第三槽线231被接收时，由于该第一和第二二极管D1和D2是接通的，因此该Rx信号被阻止进入第一槽线图案部分410。同时，该Rx信号传递到第二槽线图案部分420的该第二子槽线421-1。由于该第六二极管D6是接通的，该Rx信号通过该第二半环状槽线421-4传递到该第二微带状线112。

当用于控制该开关器件的操作DC电源出现问题时，输入到该Tx端的第一端口的Tx信号被以180度的相位差分配到该第一槽线图案部分410的该第一和第二半环状槽线411-3和411-4，，并且然后由于180度的相位差而在它们合并的位置基本抵消。假如在这种状态下任何信号被传入到该第二槽线图案部分420，该信号被分配到该第二槽线图案部分420的该第一和第二半环状槽线421-3和421-4，这些被分配的信号具有180度的相位差。这些被分配的信号由于180度的相位差而在它们合并的位置处抵消。因而，实现了二级信号阻止。

以上描述了根据本发明实施例的该RF开关的配置和操作。尽管参考本发明的一些优选的实施例示出和描述了本发明，但是该实施例仅仅是示例性的应用。例如，根据本发明第一实施例的附图2和3中示出的该第二槽线图案部分220可以与根据第二实施例的附图4中示出的该第一槽线图案部分420交换。

图2和3中示出的该第一槽线图案部分210可以进行如下改变：该1-1和1-2子槽线211-1和211-2可以彼此连接，而没有公共的开路端电路211-3和子微带状线212。

此外，该微带状线可以由带状线、同轴电缆或共面波导(CPW)替换。此外，共面带(Coplanar Strips)可以替换该槽线。尽管在实施例中作为开关器件采用了二极管，但是任何其他的具有开关功能的半导体器件(例如FET)都可以使用。

因此，本领域技术人员将理解在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以对实施例进行形式和细节上的各种改变。

工业实用性

如上所述，根据本发明的用于TDD系统的该Tx-Rx开关装置确保Tx和Rx通路之间的充分隔离。

甚至当天线打开并且用于控制操作的DC电源出现问题时，完全反射并且传入到Rx端中的Tx功率可以显著减小并且PIMD被改进。

由于Tx信号沿着具有充分接地板的槽线传递，因此使用半导体器件并且在高功率电平下，能够高速切换。

由于以MIC形式的简单应用，因此在普通半导体加工工艺期间，该Tx-Rx开关电路可以被制作。

此外，该Tx-Rx开关可以用在数十吉赫或数十吉赫以上的RF频带以及移动通信频带。因此，它能够容易地应用于卫星通讯和军用雷达。

Claims

1.一种射频开关，包括：

用于形成第一、第二和第三端口的第一、第二和第三传输线；和

用于与该第一、第二和第三传输线的信号传输的、在一个位置彼此相连的第一、第二和第三槽线图案部分，

其中该第一槽线图案部分包括用于将从第一传输线接收的信号提供到至其它槽线图案部分的连接部分的槽线图案，以及安装在该槽线图案的预定位置的开关电路，该开关电路用于通过根据外部开关控制信号使槽线的间隙短路而阻止信号，和

其中该第二槽线图案部分包括环状槽线，该环状槽线通过第一半环状槽线和第二半环状槽线形成、用于在该环状槽线的部分和第二传输线之间的信号传输；用来经该环状槽线将从到其它槽线图案部分的该连接部分接收的信号提供到第二传输线的第二子槽线；以及安装在第二子槽线和所述环状槽线中的至少一个的预定位置处的开关电路，该开关电路用于通过根据外部开关控制信号使槽线的间隙短路来阻止信号。

2.根据权利要求1所述的射频开关，其中该第一槽线图案部分的该槽线图案包括：

由第一半环状槽线和第二半环状槽线形成的环状槽线，该环状槽线用于在该环状槽线的部分和该第一传输线之间的信号传输；

用于将从该环状槽线接收的信号提供到至另外的槽线图案部分的连接部分的第一子槽线。

3.根据权利要求2所述的射频开关，其中该第一槽线图案部分的该开关电路包括：

安装在该第一半环状槽线和该第一子槽线之间的连接部分附近和该第二半环状槽线和该第一子槽线之间的连接部分附近的第一开关器件和第二开关器件，该第一开关器件和第二开关器件根据外部开关控制信号接通/断开；和

用于根据外部开关控制信号，与该第一或第二开关器件独立地在第一或第二半环状槽线中接通/断开的第三开关器件。

4.根据权利要求1所述的射频开关，其中该第一槽线图案部分的该槽线图案包括：

1-1子槽线，该1-1子槽线在其端部具有开路端电路，并用于与该第一传输线的信号传输；

1-2子槽线，该1-2子槽线具有一个端部，该一个端部连接到至其它槽线图案部分的所述连接部分；

具有连接于该1-1和1-2子槽线的其它端部的两个端部的公共的开路端电路；和

具有两个端部的子微带状线，其中信号通过微带状线-槽线耦合传输到该公共的开路端电路与该1-1和1-2子槽线之间的连接部分和从该连接部分传输。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的射频开关，其中该第二槽线图案部分的开关电路包括：

安装在该第二子槽线上的、用于根据外部开关控制信号接通/断开的开关器件；和

安装在第一半环状槽线和第二子槽线之间的连接部分附近和安装在第二半环状槽线和第二子槽线之间的连接部分附近的开关装置，所述开关装置用于根据该外部开关控制信号接通/断开。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的射频开关，其中该第二槽线图案部分的开关电路包括：

安装在第一半环状槽线和第二子槽线之间的连接部分附近以及安装在第二半环状槽线和第二子槽线之间的连接部分附近的第三开关器件和第四开关器件，第三开关器件和第四开关器件用于根据该外部开关控制信号接通/断开；和

用于根据外部开关控制信号在该第一或第二半环状槽线上与第三或第四开关器件独立地接通/断开的第六开关器件。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的射频开关，其中第一、第二和第三传输线是微带状线、带状线、同轴线和共面波导CPW中的一种。