CN101657934A - 一种rf开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种RF开关，包括：二极管，加载控制电流之后作为开关使用；Φ度相位的第一CRLH输电线，上述二极管因加载控制电流短路时，给从端子一传送至端子二的一信号提供路径；(Φ－180)度相位的第二CRLH输电线，与上述第一CRLH输电线具有180相位差，给从端子一传送至端子二的另一信号提供路径。本发明提供一种利用CRLH输电线实现宽频带特性的RF开关。具体而言，提供一种环状RF开关，利用在宽频带具有180度相位差的CRLH输电线，不仅具有宽带特性，还可在低频带达到小型化目的。

Description

一种RF开关

技术领域

本发明涉及一种大功率RF开关，尤其是一种利用整合RH(Right-handed)特性和LH(Left-handed)特性的CRLH(Composite Right/Left-Handed)传输线，可在宽频带使用的大功率RF开关。

背景技术

在Wibro或RF等发收频率相同的TDD(Time Division Duplexing，时分复用)通信中，尤其是在使用一个天线的发收系统中，为防止大功率接收信号破坏接收部的现象，必须在发射部和接收部之间设计高绝缘度的电路。一般而言，上述电路利用循环器或RF开关，其中循环器虽然具有大功率的优点，但绝缘度低，体积大，价格高。集成芯片形式的RF开关，虽然具有频带宽，体积小的优点，但功率小，绝缘度低。环形RF开关，利用通过180度相位差的衰减，虽然具有1)制作简单；2)大功率；3)高绝缘度；4)低插入损失等优点，但频带窄，具有与设计频率的波长成比例的大小，因此在低频带中不能达到小型化的目的。

下面，结合附图对现有技术及现有技术的问题进行说明。

图1为普通环形开关示意图。

如图1所示，普通环形开关10，包括3λ/4RH传输线(-270°)11、λ/4传输线(-90°)12及PIN二极管13。上述PIN二极管为高线性、小变形、可高速切换的元件，可等价为图2。在此，L_p及C_p表示随封装的电感量和电容量；C_i表示本征层电容量；R_s及R_i各表示串联电阻及随控制电流的可变电阻。

向上述环形开关10加载控制电流时，上述PIN二极管13将短路，通过端子一加载的信号，通过3λ/4RH传输线11和λ/4传输线(-90°)12，具有180°相位差，从而在端子二衰减。另外，在端子二因失配反射的信号，同样在端子一衰减，从而在加载控制电流时，可作为开关使用。

上述利用RH传输线和PIN二极管的环形开关，虽然制作及设计简单，但其频带窄。

为解决上述问题，最近对具有负的电容率和导电率的Metamaterial(MM)的研究开展的相当活跃，开发出利用该技术的微波元件。MM或LHM(Left-HandedMaterial)是1967由俄罗斯物理学家Velselago开始研究，因电容率和导电率具有负值，具有相位和群速度(Group velocity)方向相反，负的反射系数等奇异的电磁特性。这样的LHM电磁特性，可通过人为的结构来实现，其结构由单元构成。单元需具备1/4以下的电长度，这称之为effective-homogeneity条件。

LHM的微波元件应用，若将普通传输线等价为无损失的传输线模型，则可实现为串联电容器和并联电感器的组合。但是，理想LHM传输线的实现，因随电磁波的电流及电压的感应不可能存在，因此，可等价为组合RH特性的CRLH(Composite Right/Left Handed)传输线。若将上述CRLH传输线应用于微波元件，可达到宽频带、小型化及双频带的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种RF开关，利用CRLH传输线实现宽频带特性。

具体而言，本发明的目的在于，提供一种环形RF开关，利用在宽频带具有180度相位差的CRLH传输线，不仅具有宽带特性，还可在低频带达到小型化目的。

具体而言，本发明的目的在于，提供一种环形RF开关，替代共振器的具有-90度及-270度相位的RH传输线，利用CRLR传输线，其可使设计者取任意Φ度及(Φ-180)度相位，即可将180度的相位差作为宽频带。

本发明的目的是这样实现的：提供一种RF开关，包括：二极管，加载控制电流之后作为开关使用；Φ度相位的第一CRLH传输线，上述二极管因加载控制电流短路时，给从端子一传送至端子二的一信号提供路径；(Φ-180)度相位的第二CRLH传输线，与上述第一CRLH传输线具有180°相位差，给从端子一传送至端子二的另一信号提供路径。

较佳地，上述第一CRLH传输线，可通过调节包含于传输线的电容量及电感量，调节上述Φ度。

另外，上述第一CRLH传输线及第二CRLH传输线，可由N个具备CRLH传输线特性的相同电磁特性的单元构成。

较佳地，上述各单元，可具有小于设计中心频率波长的1/4的电长度p。

另外，上述由N个单元构成的第一CRLH传输线及第二CRLH传输线，可满足如下数学式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}=N\·(\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}1}{C}_{\mathrm{RH}1}}\·d+\frac{-1}{\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{LH}1}{C}_{\mathrm{LH}1}}})=N\·({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}1}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LH}1}\left(\mathrm{\ω}\right))$

及

$Z_0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{RH}1}}{C_{\mathrm{RH}1}}}=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{LH}1}}{C_{\mathrm{LH}1}}}$

另外，上述二极管，可为高线性、小变形、可高速切换的PIN二极管。

另外，上述第一CRLH传输线及第二CRLH传输线，为满足一定相位差，可满足如下数学式：

          Φ_CRLH1＝Φ_CRLH2+π

$\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}}{\mathrm{\Δ\ω}}=\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_{\mathrm{CRLH}2}}{\mathrm{\Δ\ω}}$

$Z_0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{RH}}}{C_{\mathrm{RH}}}}=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{LH}}}{C_{\mathrm{LH}}}}$

另外，本发明提供包括上述RF开关的无线终端装置。

本发明提供一种利用CRLH传输线实现宽频带特性的RF开关。具体而言，提供一种环形RF开关，利用在宽频带具有180度相位差的CRLH传输线，不仅具有宽带特性，还可在低频带达到小型化目的。

具体而言，提供一种环形RF开关，替代共振器的具有-90度及-270度相位的RH传输线，利用CRLR传输线，其可使设计者取任意Φ度及(Φ-180)度相位，即可将180度的相位差作为宽频带。

附图说明

图1为普通环形开关示意图；

图2为等价PIN二极管的示意图；

图3为本发明LH传输线示意图；

图4为本发明CRLH传输线单元示意图；

图5为本发明一实施例环形开关示意图；

图6为随本发明RH传输线和LH传输线的设计变化的相位变化示意图；

图7为由N个单元构成的本发明CRLH传输线示意图。

具体实施方式

为充分理解本发明和本发明运行特点及通过实施本发明所达成的目的，在理解本发明较佳实施例时，需参考附图及附图中所记载的内容。

下面，结合附图对本发明较佳实施例进行说明，以详细说明本发明。各图中相同的记号表示相同的部件。

图3为本发明LH传输线示意图。

如图3所示，在effective-homogeneity条件下，若无损失，MM传输线单元可等价为串联C和并联L模型。LH传输线具有自然界中不常见的电磁特性(相位和群速度方向相反，具有负的反射系数)，需通过特定电磁结构才能实现。上述LH传输线的传播常数、特性阻抗、相位常数及群速度，满足如下数学式1至数学式4：

【数学式1】

$\mathrm{\β}=-\frac{1}{2\mathrm{\πf}\sqrt{L_L{C}_L}}$

【数学式2】

$Z_C=\sqrt{\frac{L_L}{C_L}}$

【数学式3】

$v_P=-w^2\sqrt{L_L{C}_L}$

【数学式4】

$v_g={\left(\frac{\∂\mathrm{\β}}{\∂w}\right)}^{-1}=w^2\sqrt{L_L{C}_L}$

若实现上述LH传输线，则通过电磁波的传播所感应的电压和电流，产生RH特性。因此，不能存在纯粹的LH传输线，可等价为作为RH和LH组合的CRLH传输线。CRLH传输线由N个单元构成，而各单元需具备小于设计频率的电长度。这称之为Effective homogeneity条件，而在此条件下，CRLH传输线的单元的等价电路，如4所示。没有损失的理想CRLH传输线的传播常数，由Bloch表示为如下数学式5：

【数学式5】

$\cos \left({\mathrm{\β}}_{\mathrm{CRLH}}d\right)=\cos \left({\mathrm{\β}}_{\mathrm{RH}}d\right)(1-\frac{1}{{4\mathrm{\ω}}^2{L}_{\mathrm{LH}}{C}_{\mathrm{LH}}})+\sin \left({\mathrm{\β}}_{\mathrm{RH}}d\right)(\frac{1}{2\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{LH}}{Z}_0}+\frac{Z_0}{2\mathrm{\ω}{L}_0})-\frac{1}{{4\mathrm{\ω}}^2{L}_{\mathrm{LH}}{C}_{\mathrm{LH}}}$

在上式中，β_CRLH、β_RH、β_LH各表示CRLH传输线、RH传输线及LH传输线的传播常数。CRLH传输线的单元，因电长度很小(d＜λ_g/4)，上述数学式5可近似为如下数学式6：

【数学式6】

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{CRLH}}\≈\±\mathrm{\ω}\sqrt{(L_{\mathrm{RH}}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_{\mathrm{LH}}d})(C_{\mathrm{RH}}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_{\mathrm{LH}}d})}$

通过上述数学式6可知，CRLH传输线，在传输线具有低频带或很小的长度(d《1)时，主要表现LH传输线特性；在传输线具有高频带或大的长度时，主要表现RH传输线特性。上式中，若相整合RH传输线和LH传输线 $(Z_0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{RH}}}{C_{\mathrm{RH}}}}=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{LH}}}{C_{\mathrm{LH}}}}),$ 上式可简化为如下数学式7：

【数学式7】

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{CRLH}}=\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}}{C}_{\mathrm{RH}}}+\frac{-1}{\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{LH}}{C}_{\mathrm{LH}}}d}$

通过上述数学式7，CRLH传输线的单元中的相位变化，可表示为RH传输线和LH传输线之和，如下述数学式8：

【数学式8】

ΔΦ_CRLH＝-β_RHd+β_LH＝ΔΦ_RH+ΔΦ_LH

图5为本发明一实施例环形开关示意图。

如图5所示，本发明环形开关100，包括Φ度相位的CRLH传输线110、(Φ-180)度相位的CRLH传输线120及PIN二极管130。上述PIN二极管130为高线性、小变形、可高速切换的元件，加载控制电流之后，可作为开关使用。

向上述环形开关100加载控制电流时，上述PIN二极管130将短路，通过端子一加载的信号，通过，具有180相位差，从而在端子二衰减。另外，在端子二因失配反射的信号，同样在端子一衰减，从而在加载控制电流时，可作为开关使用。

普通环形开关，在特定频率利用180度的相位差。但是，采用利用MM的CRLH传输线时，可调节随任意相位及频率的相位变化倾斜度，可实现小型及宽频带传输线。

具体而言，可提供一种环状RF开关，替代共振器的具有-90度及-270度相位的RH输电线，利用CRLR输电线，其可使设计者取任意Φ度及(Φ-180)度相位，即利用将180度的相位差作为宽频带的CRLH传输线110、120。

宽频带中具有特定相位及小型化特性的传输线，不能通过普通RH传输线实现，只能通过作为LH传输线和RH传输线组合的CRLH传输线实现，如图6所示，根据RH传输线和LH传输线的设计，通过调节随频率的相位变化倾斜度来实现。具备特定相位差的利用CRLH的两条传输线110、120的设计式，如下述数学式9所示：

【数学式9】

              Φ_CRLH1＝Φ_CRLH2+π

$\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}}{\mathrm{\Δ\ω}}=\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_{\mathrm{CRLH}2}}{\mathrm{\Δ\ω}}$

$Z_0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{RH}}}{C_{\mathrm{RH}}}}=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{LH}}}{C_{\mathrm{LH}}}}$

从上述数学式9可知，两条传输线，在设计成具有180度相位差的中心频率上，其倾斜度整合为相同的值。在所设计的单元的单位长度d为λ/4以下的条件下，若CRLH传输线由N个单元构成，则可从上述数学式8推导出如下述数学式10的第一传输线110设计式：

【数学式10】

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}=N\·(\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}1}{C}_{\mathrm{RH}1}}\·d+\frac{-1}{\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{LH}1}{C}_{\mathrm{LH}1}}})=N\·({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}1}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LH}1}\left(\mathrm{\ω}\right))$

$Z_0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{RH}1}}{C_{\mathrm{RH}1}}}=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{LH}1}}{C_{\mathrm{LH}1}}}$

如图7所示，CRLH传输线的结构，由N个具有CRLH传输线特性的单元构成，各单元具有相同的电磁特性，各单元具有小于设计中心频率波长1/4的电长度p。CRLH传输线的各单元，具有如图4所示的结构，而利用上述单元的CRLH传输线，具有N*p的相位。

若设计者在上述数学式10中代入微带的一个单元大小、所需相位、单元数量及阻抗，则如下述数学式11：可利用上式求得构成第一CRLH传输线110的各单元的LH传输线等价电路。

【数学式11】

$C_{\mathrm{LH}1}=\frac{1}{\mathrm{\ω}\·Z_0({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}1}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}}{N})}$

$L_{\mathrm{LH}1}=\frac{Z_0}{\mathrm{\ω}\·({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}1}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}}{N})}$

环形开关是利用180度的相位差所产生的衰减，若利用CRLH传输线，上述数学式9可简化为如下数学式12：

【数学式12】

从上述数学式8及数学式12，通过如下推导过程，可求得上述第二CRLH传输线120的设计式：

【数学式13】

$\sqrt{L_{\mathrm{RH}1}{C}_{\mathrm{RH}1}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2\sqrt{L_{\mathrm{LH}1}{C}_{\mathrm{LH}1}}}=\sqrt{L_{\mathrm{RH}2}{C}_{\mathrm{RH}2}}+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2\sqrt{L_{\mathrm{LH}2}{C}_{\mathrm{LH}2}}}$

在此，若将LH的电感量简化为电容量，则：

【数学式14】

$\frac{1}{C_{\mathrm{LH}2}}-\frac{1}{C_{\mathrm{LH}1}}=Z_0\·\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}1}{C}_{\mathrm{RH}1}}{d}_1-\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}2}{C}_{\mathrm{RH}2}}{d}_2)=Z_0\·\mathrm{\ω}({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}1}\left(\mathrm{\ω}\right)-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}2}\left(\mathrm{\ω}\right))$

在上述数学式14代入数学式11，则：

【数学式15】

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}2}\left(w\right)=\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}2}{C}_{\mathrm{RH}2}}{d}_2=\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}1}{C}_{\mathrm{RH}1}}{d}_1-\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}}{N_1}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}2}}{N_2})={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}1}\left(w\right)-\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}}{N}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}2}}{N})$

通过上述过程，可在设计一条传输线之后，求得另一条传输线的RH传输线电长度。利用上述原理，通过如下过程求得第二CRLH传输线120的LH传输线：

【数学式16】

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LH}2}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}\left(\mathrm{\ω}\right)}{N}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}2}\left(\mathrm{\ω}\right)$

若利用上式，则LH传输线的电容量和电感量可表示如下：

【数学式17】

$C_{\mathrm{LH}2}=\frac{1}{\mathrm{\ω}\·Z_0({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}2}\left(\mathrm{\ω}\right)-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}2}\left(\mathrm{\ω}\right)}{N})}$

$L_{\mathrm{LH}2}=\frac{Z_0}{\mathrm{\ω}({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}2}\left(\mathrm{\ω}\right)-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}2}\left(\mathrm{\ω}\right)}{N})}$

可提供一种环状RF开关，利用在上述宽频带具有180度相位差的CRLH输电线，不仅具有宽带特性，还可在低频带达到小型化目的。

上述实施例仅用以说明本发明而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1、一种RF开关，包括：二极管，加载控制电流之后作为开关使用；Φ度相位的第一CRLH输电线，上述二极管因加载控制电流短路时，给从端子一传送至端子二的一信号提供路径；(Φ-180)度相位的第二CRLH输电线，与上述第一CRLH输电线具有180相位差，给从端子一传送至端子二的另一信号提供路径。

2、根据权利要求1所述的RF开关，其特征在于：上述第一CRLH输电线，可通过调节包含于输电线的电容量及电感量，调节上述Φ度。

3、根据权利要求1所述的RF开关，其特征在于：上述第一CRLH输电线及第二CRLH输电线，可由N个具备CRLH输电线特性的相同电磁特性的单元构成。

4、根据权利要求1所述的RF开关，其特征在于：上述各单元，可具有小于设计中心频率波长的1/4的电长度p。

5、根据权利要求3所述的RF开关，其特征在于：上述由N个单元构成的第一CRLH输电线及第二CRLH输电线，满足如下数学式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}=N\·(\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{RH}1}{C}_{\mathrm{RH}1}}\·d+\frac{-1}{\mathrm{\ω}\sqrt{L_{\mathrm{LH}1}{C}_{\mathrm{LH}1}}})=N\·({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{RH}1}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LH}1}\left(\mathrm{\ω}\right))$

及

$Z_0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{RH}1}}{C_{\mathrm{RH}1}}}=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{LH}1}}{C_{\mathrm{LH}1}}}.$

6、根据权利要求1所述的RF开关，其特征在于：上述二极管为高线性、小变形、可高速切换的PIN二极管。

7、根据权利要求1所述的RF开关，其特征在于：上述第一CRLH传输线及第二CRLH传输线，为取得一定相位差，满足如下数学式：

Φ_VRLH1＝Φ_CRLH2+π，

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}1}}{\mathrm{\Δ\ω}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CRLH}2}}{\mathrm{\Δ\ω}}$

及

$Z_0=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{RH}}}{C_{\mathrm{RH}}}}=\sqrt{\frac{L_{\mathrm{LH}}}{C_{\mathrm{LH}}}}.$

8、一种无线终端装置，包括根据权利要求1至7所述的任一RF开关。

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