CN101517907B

CN101517907B - 射频开关

Info

Publication number: CN101517907B
Application number: CN2006800559461A
Authority: CN
Inventors: 文营灿; 李康铉
Original assignee: KMW Co Ltd
Current assignee: KMW Co Ltd; KMW Inc
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: US8175013B2; EP2738947A1; KR100780419B1; WO2008038861A1; CN101517907A; ES2721629T3; EP2067264A1; EP2067264A4; JP4949475B2; JP2010505325A; EP2738947B1; US20100008267A1

Abstract

本文公开的是一种射频(RF)开关，包括：循环器，具有分别连接到第一到第三端口的第一到第三节点；以及槽线图案单元，安装在循环器的第三节点与第三端口之间的连接线中以便实现信号发射或截获，其中槽线图案单元包括开关电路，该电路安装在预定位置以便通过根据外部开关控制信号保持或短路对应于安装位置的槽线的间隙而发射或截获信号。

Description

射频开关

技术领域

本发明涉及射频(RF)开关，并且更具体地说，涉及适用于用作在时分双工(TDD)系统的信号发射/接收端子中用于发射/接收信号的转换开关的RF开关。

背景技术

通常，第二和第三代(2G和3G)移动通信系统采用频分双工(FDD)方案。在FDD方案中，发射信号和接收信号由双工器分开。然而，最近的3.5G和4G移动通信系统预期普遍使用TDD方案。

诸如TDD方案的时分发射方案通过时间划分区分使用相同频率的发射与接收信号，其中通过将一个帧的内部划分成发射和接收部分而使用一个频率执行双向通信。

图1是示出常规TDD系统中发射/接收端子单元构造的方框图。发射信号“Tx”由功率放大器40放大以具有预定功率，通过发射/接收转换开关10和全频带滤波器50，并且随后通过天线60发射。与此相反，通过天线60接收的接收信号“Rx”通过全频带滤波器50和发射/接收转换开关10，并随后通过用于接收信号、已确立为具有适当增益的功率放大器20(例如，低噪声放大器(LNA))放大。转换开关10可根据由控制器(未示出)基于发射和接收操作提供的开关控制信号执行开关操作。

由于如上所述，TDD系统使用同一频率，根据预定时间时期分开发射和接收，因此，TDD系统必须包括用于高发射功率和在发射与接收之间高速转换的RF开关。

由于RF开关必须允许高速开关操作，因此，通常将使用半导体装置的开关(如PIN二极管或场效应晶体管(FET))而不是机械开关用作RF开关。然而，由于半导体不能处理高功率，因此，难以将利用半导体装置的此类开关用作高功率开关。

换而言之，在高功率应用到开关时，大量的热生成，如果不保证充分的散热，则可损毁开关。为此，已开发承受高功率的RF开关。然而，用于高功率的RF开关由于必须包括单独的散热器等等，所以十分昂贵，并且其制造并不容易，这使得RF开关受限仅用于军事目的。

为解决此类问题，常规TDD系统采用通过如图8和9所示的循环器10而不是RF开关来固定分开发射和接收信号的方法。然而，在此类循环器10用作开关时，难以保证在接收部分期间截获发射信号的足够隔离。此外，在发射功率发射期间天线中有问题时，天线可能打开，VSWR值可能降级，或者操作功率的供应可能中断。随后，发射信号在接收器中流动，由此在系统设备中导致系统故障或严重的问题，使得无线电波的质量恶化。

发明内容

技术问题

因此，产生本发明以解决在现有技术中发生的上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种适用于在TDD系统中发射/接收转换的RF开关，该开关能够保证相对于高功率发射信号在发射端子与接收端子之间的高度隔离，并能够保护系统。

本发明的另一目的是提供一种适用于在TDD系统中发射/接收转换的RF开关，该开关能够防止高功率发射信号在接收端子中流动，并且即使天线打开，或者即使在用于控制操作的DC电源中发生错误，也能够防止系统中发生错误。

本发明仍有的另一目的是提供一种使用半导体装置的RF开关，该开关能够保证充分散热的条件，由此即使相对于高功率也保持稳定的操作状态，并且能够改进通信质量并通过高速开关增大其容量。

本发明仍有的另一目的是提供一种即使在微波集成电路(MIC)类型中也能够轻松制造的RF开关。

本发明仍有的另一目的是提供一种即使在几十GHz或更高的高频带中以及用于移动通信的频带中也能够使用的RF开关。

技术解决方案

为实现这些目的，根据本发明的一个方面，提供了一种射频(RF)开关，包括：循环器，具有分别连接到第一到第三端口的第一到第三节点；以及槽线图案单元，安装在循环器的第三节点与第三端口之间的连接线中以便实现信号发射或截获，其中槽线图案单元包括开关电路，该电路安装在预定位置以便通过根据外部开关控制信号保持或短路对应于安装位置的槽线的间隙而发射或截获信号。

有利功效

根据本发明用于TDD系统的发射/接收转换开关设备能够保证在发射与接收路径之间的高度隔离。

此外，即使天线打开，或者在用于控制操作的DC电源中发生错误，也可能通过全反射显著地降低在接收端子中流动的发射功率量，使得接收端子中的有源元件可受到保护。

此外，根据本发明，发射信号通过具有充分接地层的槽线发射，使得使用允许高速开关操作并能够用于高功率的半导体装置制造RF开关成为可能。

另外，由于根据本发明的RF开关甚至能够轻松应用到微波集成电路(MIC)类型，因此，RF开关能够采用用于半导体的通用工艺同时制造。

此外，即使在几十GHz或更高的高频带以及用于移动通信的频带中也能够使用根据本发明的RF开关，使得RF开关能够轻松地应用到卫星通信、军事雷达等。

附图说明

图1是示出常规TDD系统中发射/接收端子单元构造的方框图；

图2是平面图，示出根据本发明的一个实施例的在时分双工(TDD)系统中用于发射/接收转换的RF开关的电路图案的构造；

图3到7是示出从图2的RF开关修改的示例的视图；以及

图8和9是示出常规RF开关的构造的视图。

具体实施方式

下文将参照附图描述根据本发明的一个优选实施例。在下面的说明中，诸如详细的组件装置等许多特定项目已为人所熟知，但这些项目的提供只是为了更好地理解本发明，本领域的技术人员将理解，本发明可在不包括这些特定项目的情况下实施。

图2是典型示图，示出根据本发明、在时分双工(TDD)系统中用于发射/接收转换的RF开关的印刷电路板上电路图案的构造，其中，每个组件的大小和形状被夸大或简化以方便说明。根据本发明的RF开关包括具有分别连接到第一到第三端口的第一到第三节点的循环器11，以及安装在第三端口与循环器11的第三节点之间的连接线中的槽线图案单元300以便实现信号发射或截获。槽线图案单元300包括开关电路，该电路安装在预定位置以便通过根据外部开关控制信号保持或短路对应于安装位置的槽线的间隙而发射或截获信号。

槽线图案单元300包括微带线和槽线，它们在一个印刷电路板的上表面和下表面上以预定图案形成。也就是说，在图2中，槽线图案单元300包括具有预定介电常数的介电衬底，其中，在介电衬底的上表面上形成具有预定图案的微带线111、112、113和114，并且在介电衬底的下表面上形成具有预定图案的槽线212和213。微带线和槽线具有的构造使得通过在预定位置的微带-槽线耦合，信号过渡(transition)在它们之间实现。

现在将参照图2更详细地描述槽线图案单元300的构造。首先，当RF开关的第一到第三端口分别形成为第一到第三微带线111、112和113时，槽线图案单元300具有第一槽线212，该槽线在其一端提供开槽211，使得信号过渡可在第一槽线212和连接到循环器11的第三节点的第四微带线114之间实现。第一槽线212在其另一端提供环形槽线图案单元213，使得信号过渡能够在环形槽线图案单元213的某个位置发生于第一槽线212与第三微带线113之间，该位置相对于环形槽线图案单元213与第一槽线212连接的位置。

第四微带线114在其一端提供有端子开路或端子短路，使得信号过渡能够有效地发生在第四微带线114与第一槽线212之间，第一槽线212安装成与第四微带线114交会，而衬底位于它们之间。图2示出其中第四微带线114的末端形成为端子短路的示例。在第四微带线114的末端形成为端子短路时，通过在该末端形成延伸穿过衬底的圆形孔并将适当的导电金属镀在孔的内表面可将端子短路连接到其上形成槽线图案的下表面的接地层。此外，图2示出形成为端子开路的第三微带线113，其具有从环形槽线图案单元213与微带线113之间的交会点开始延伸λ/8长度的开路端，由此将用于在交会点的信号过渡的磁场最大化。

另外，槽线图案单元300包括开关装置(例如，第一二极管D1和第一电容器C1)，该装置安装在环形槽线图案单元213的预定位置以便通过根据外部开关控制信号短路对应于安装位置的槽线间隙来截获信号发射。这种情况下，每个开关元件安装在环形槽线图案单元213两端之间、在环形槽线图案单元213与第一槽线212之间的连接位置以便短路在对应位置的槽线的间隙。

当第一二极管D1是处于“导通”状态时，从第一槽线212施加到环形槽线图案单元213的信号过渡到微带线113。与此相反，当第一二极管D1是在“截止”状态时，从第一槽线212施加到环形槽线图案单元213的信号在环形槽线图案单元213与第一槽线212连接的连接位置分成其间具有180°相位差的两个信号，并且划分的信号分别沿半圆形槽线发射。随后，划分的信号在相加划分的信号的位置，即，在环形槽线图案单元213与第三微带线113之间的过渡位置偏移180°相位差。

同时，施加到开关元件的开关控制信号可包括或许通过电绝缘接地衬底(ground substrate)单独施加到开关元件上的偏置电压(例如，+5V/-5V)，以便控制开关元件的开/关操作。

通过将第一到第三微带线111、112和113的第一到第三端口分别与发射端子“Tx”、天线端子“Ant”和接收端子“Rx”连接，根据本发明的上述RF开关能够用作用于TDD系统的发射/接收转换开关设备。下面将描述具有如图2所示构造的RF开关用作用于TDD系统的发射/接收转换开关设备时该RF开关的操作。

首先，在发射模式中，当RF发射信号通过发射端子“Tx”施加到第一端口而第一二极管D1保持在“截止”状态时，发射信号经第一微带线111输入到循环器11的第一节点，通过循环器11的第二节点输出，并且通过第二微带线112输出到天线端子“Ant”，其是第二端口。

在这种情况下，可通过循环器11的第三节点输出并流入第四微带线114的信号流入第一槽线212和环形槽线图案单元213。随后，信号在对应于环形槽线图案单元213中的第一二极管D1和第一电容器C1的安装位置的槽线的位置划分，并且划分的信号被发射。此后，划分的信号在相加划分的信号的位置，即，在环形槽线图案单元213与第三微带线113之间的过渡位置在它们之间偏移180°相位差，由此实现信号截获，使得提供高度隔离特征。

在接收模式中，当第一二极管D1导通并且RF接收信号通过天线端子“Ant”施加到第二端口时，接收信号经第二微带线112输入循环器11的第二节点，通过循环器11的第三节点输出，传递通过根据本发明的槽线图案单元300，并且经第三微带线113输出到接收端子“Rx”，其是第三端口。这种情况下，由于环形槽线图案单元213中的第一二极管D1是在“导通”状态，因此，在第一二极管D1下方的槽线保持在传导状态以便中断沿槽线的信号流，并且信号流继续通过对应于第一电容器C1的安装位置的下表面的槽线。之后，接收信号通过具有λ/8长度的第三微带线113过渡，并且被发射。

虽然本发明已参照根据其的一个实施例的RF开关的构造和操作示出和描述，但在不脱离本发明范围的情况下，可在形式和细节上进行各种修改。现在将参照图3到图7描述RF开关的这类修改。

首先，除安装在槽线图案单元300的环形槽线图案单元213中的开关装置之外，图3所示的RF开关具有与如图2所示RF开关相同的构造。能够理解，图3的开关装置包括第二二极管D2而不是图2所示的第一电容器C1。这种情况下，第一和第二二极管D1和D2设置成使得两个二极管在发射模式中均处于“截止”状态，并且在接收模式中其中一个二极管在“导通”状态而另一个二极管在“截止”状态。

除槽线图案单元300中第四微带线114的末端部分之外，图4所示的RF开关具有与图3所示的RF开关相同的构造。也就是说，图4中的第四微带线114在末端部分提供端子开路，其具有从第四微带线114与第一槽线212之间的交会点延伸λ/4长度的开路端。

图5所示的RF开关具有与图2所示RF开关相同的构造，但图5中的槽线图案单元300中的第四微带线114的末端部分提供有端子开路，其具有从第四微带线114与第一槽线212之间的交会点延伸λ/4长度的开路端，类似于图4的RF开关。

图6所示的RF开关具有与图4所示RF开关相同的构造，但第三微带线113的末端部分提供有端子短路。类似地，图7所示的RF开关具有与图5所示RF开关相同的构造，但第三微带线113的末端部分提供有端子短路。

如参照图3到图7所述，在本发明中可在形式和细节上进行各种更改。另外，上述微带线可替代为带线、同轴线、共面波导(CPW)等。此外，本发明能够通过使用共面带(CPS)代替槽线实现。另外，虽然已关于其中将二极管用作开关装置的情况描述了本发明的实施例，但本发明能够通过使用具有开关功能的不同半导体装置(例如，FET)实现。

虽然本发明已参照其某些优选实施例示出和描述，但本领域的技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可在其中的形式和细节上进行各种更改。因此，本发明的范围不受上述实施例限制，而是由权利要求及其等效物限制。

Claims

1.一种射频(RF)开关，包括：

循环器，具有分别连接到第一到第三端口的第一到第三节点；以及

槽线图案单元，安装在所述循环器的第三节点与所述第三端口之间的连接线中，以便实现信号发射或截获，其中所述槽线图案单元包括开关电路，所述开关电路安装在预定位置，以便通过根据外部开关控制信号保持或短路对应于安装的位置的槽线的间隙而发射或截获信号，

其中所述槽线图案单元包括：

第一槽线，在其第一端设置了开槽，使得信号过渡发生在所述第一槽线和连接到所述循环器的第三节点的发射线之间；以及

环形槽线图案单元，连接到所述第一槽线的第二端，使得信号过渡在所述环形槽线图案单元的某个位置发生于所述环形槽线图案单元与形成所述第三端口的发射线之间，所述位置与所述环形槽线图案单元连接到所述第一槽线的位置相对，以及

所述开关电路，包括第一和第二开关元件，每个元件在所述环形槽线图案单元与所述第一槽线之间的连接位置处安装于所述环形槽线图案单元的两端之间，以便短路在对应位置的槽线的间隙。

2.如权利要求1所述的RF开关，其中所述第一和第二开关元件之一包括二极管，并且另一个开关元件包括另一个二极管或电容器。

3.如权利要求1或2所述的RF开关，其中所述发射线的每端部分提供有端子开路或端子短路。

4.如权利要求1或2所述的RF开关，其中所述发射线的每个包括从微带线、带线、同轴线及共面波导CPW的组中选择的任一项。

5.一种在时分双工/复用系统中用于发射/接收转换的射频RF开关，所述RF开关包括：

循环器，具有分别连接到第一、第二和第三端口的第一、第二和第三节点，而三个端口分别与发射端子、天线端子和接收端子连接，所述循环器将已通过所述第一节点从所述发射端子输入的发射信号通过所述第二节点输出到所述天线端子，所述循环器将已通过所述第二节点从所述天线端子输入的接收信号通过所述第三节点输出到所述接收端子；以及

槽线图案单元，安装在所述循环器的第三节点与所述第三端口之间的连接线中以便实现信号发射或截获，

其中所述槽线图案单元包括开关电路，所述开关电路安装在预定位置，以便通过根据外部开关控制信号保持或短路对应于所安装的位置的槽线的间隙而发射或截获信号，

其中所述槽线图案单元包括：

第一槽线，在其第一端设置了开槽使得信号过渡发生在所述第一槽线和连接到所述循环器的第三节点的发射线之间；以及

6.如权利要求5所述的RF开关，其中所述第一和第二开关元件之一包括二极管，并且另一个开关元件包括另一个二极管或电容器。

7.如权利要求5或6所述的RF开关，其中所述发射线的每端部分形成为端子开路或端子短路。

8.如权利要求5或6所述的RF开关，其中所述发射线的每个包括从微带线、带线、同轴线及共面波导CPW的组中选择的任一项。