CN101673861B - 一种单刀双掷射频开关装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单刀双掷射频开关装置及其实现方法，所述装置包括第一开关管、第二开关管、第一直流短路器、第二直流短路器、第一射频短路器、第二射频短路器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器；第一开关管的第一端分别连接第一输入/输出端和所述第一直流短路器；第一开关管的第二端分别连接第三输入/输出端和第二阻抗变换器的第一端；第二阻抗变换器的第二端与第二输入/输出端连接，并通过第二开关管分别与第二射频短路器和第二直流短路器连接；第一射频短路器的第一端与控制端连接，第一射频短路器的第二端通过第一阻抗变换器与第二阻抗变换器的第二端连接。本发明的射频开关装置成本比较低，结构比较简单，设计比较灵活，隔离度比较大。

Description

一种单刀双掷射频开关装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种单刀双掷射频开关装置及一种单刀双掷射频开关装置的实现方法。

背景技术

在目前的通信领域，时分双工的应用越来越广阔，如TD-SCDMA、Wimax、Wlan、Zigbee、TD-LTE等都是采用时分双工的方式来实现上下行的通信。TDM(Time Division Multiplexing，时分复用)就是将提供给整个信道传输信息的时间划分为若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信源使用，每路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。

在时分复用的无线通信系统中，都需要一种能够保证上下行信道能够在不同的时间点共用一个公共输入/输出端的射频开关，其连接在上下行信道与公共输入/输出端之间。该射频开关要求能够快速、同步的完成上下行信道与公共输入/输出端之间的相互切换，并且保持射频信号良好的线性。否则，它将造成上下行信号数据的丢失，或者上下行信号的线性便差，造成通信的误码率增加，严重影响通信质量和效率，因此射频开关的性能，直接影响到整个无线通信系统的性能。

现有技术中的单刀双掷射频开关主要有以下两种：

第一种，该射频开关为一MMIC芯片，上下行信道通过该MMIC芯片实现与公共输入/输出端之间的相互切换，该射频开关设计简单，一般适用于小功率和较小功率射频信号的应用，在射频信号功率较大时，能满足该要求的该MMIC芯片就显得非常昂贵，而且该MMIC芯片的隔离度一般不大，在时分功放系统中，容易导致上行低噪声放大器的损坏。

第二种，该射频开关为环形器，环形器可以保证射频信号的同步性，不会因为开关的时延或者控制信号的延迟导致载波信号数据丢失，也不需要去外加控制信号线，但是环形器的隔离度小，多是应用在大功率信号场合，同时环形器的价格相对比较昂贵。

发明内容

本发明提供了一种单刀双掷射频开关装置及其实现方法，其成本低，隔离度比较高。

本发明的技术方案是：一种单刀双掷射频开关装置，包括：第一开关管、第二开关管、第一直流短路器、第二直流短路器、第一射频短路器、第二射频短路器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器；

所述第一开关管的第一端分别连接第一输入/输出端和所述第一直流短路器；所述第一开关管的第二端分别连接第三输入/输出端和所述第二阻抗变换器的第一端；所述第二阻抗变换器的第二端与第二输入/输出端连接，并通过所述第二开关管分别与所述第二射频短路器和所述第二直流短路器连接；所述第一射频短路器的第一端与控制端连接，所述第一射频短路器的第二端通过第一阻抗变换器与所述第二阻抗变换器的第二端连接；

当所述控制端输入高电平信号时，所述第一开关管和第二开关管导通，电流分别通过所述第一直流短路器和第二直流短路器到地；所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路；所述第二阻抗变换器和所述第一阻抗变换器分别呈高阻态，所述第二输入/输出端和所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；

当所述控制端输入低电平信号时，所述第一开关管和第二开关管关闭，所述第一阻抗变换器呈高阻态，所述第二阻抗变换器呈低阻态，所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；所述第二输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路。

一种如上所述的单刀双掷射频开关装置的实现方法，包括：

向所述控制端输入高电平信号，所述第一开关管和第二开关管导通，高电平信号分别通过第一直流短路器和第二直流短路器到地，在所述控制端和所述第一直流短路器及所述控制端和所述第二直流短路器之间分别形成回路，所述第一阻抗变换器和第二阻抗变换器呈高阻态，所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路；所述第二输入/输出端与所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；

向所述控制端输入低电平信号，所述第一开关管和第二开关管关闭，所述第一阻抗变换器呈高阻态，所述第二阻抗变换器呈低阻态，所述第一输入/输出端和所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；所述第二输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路。

本发明的单刀双掷射频开关装置及其实现方法，所述装置包括第一开关管、第二开关管、第一直流短路器、第二直流短路器、第一射频短路器、第二射频短路器、第一阻抗变换器和第二阻抗变换器，成本比较低，是MMIC芯片或环形器的十分之一；通过在控制端输入高低电平信号，能控制第一输入/输出端与第三输入/输出端的通断，及第三输入/输出端与所述第二输入/输出端的通断，结构比较简单，设计比较灵活；另外第一阻抗变换器和第二阻抗变换器在呈高阻态时隔离度比较大，保证了本发明单刀双掷射频开关装置的隔离度。

附图说明

图1是本发明单刀双掷射频开关装置在一实施例中的结构原理框图；

图2是本发明单刀双掷射频开关装置在又一实施例中的结构原理框图；

图3是本发明单刀双掷射频开关装置在另一实施例中的结构原理框图；

图4是本发明单刀双掷射频开关装置在又一实施例中的结构原理框图。

具体实施方式

本发明的单刀双掷射频开关装置及其实现方法，所述装置包括第一开关管、第二开关管、第一直流短路器、第二直流短路器、第一射频短路器、第二射频短路器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器；成本比较低，是MMIC芯片或环形器的十分之一；通过在控制端输入高低电平信号，能控制第一输入/输出端与第三输入/输出端的通断，及第三输入/输出端与所述第二输入/输出端的通断，结构比较简单，设计比较灵活；另外第一阻抗变换器和第二阻抗变换器在呈高阻态时隔离度比较大，保证了本发明单刀双掷射频开关装置的隔离度。

下面结合附图对本发明的具体实施例做一详细的阐述。

本发明的单刀双掷射频开关装置用于实现上下行信道到公共端之间的相互切换，如图1，包括：第一开关管、第二开关管、第一直流短路器、第二直流短路器、第一射频短路器、第二射频短路器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器；

所述第一开关管的第一端分别连接第一输入/输出端和所述第一直流短路器；所述第一开关管的第二端分别连接第三输入/输出端和所述第二阻抗变换器的第一端；所述第二阻抗变换器的第二端与第二输入/输出端连接，并通过所述第二开关管分别与所述第二射频短路器和所述第二直流短路器连接；所述第一射频短路器的第一端与控制端连接，所述第一射频短路器的第二端通过第一阻抗变换器与所述第二阻抗变换器的第二端连接；所述第一阻抗变换器和第二阻抗变换器为解决

波长的阻抗变换器，其中n取奇数；所有器件之间的连接可以通过微带线连接或者射频传输线或同轴传输线等射频信号传输线连接。

所述第一输入/输出端和第二输入/输出端、第三输入/输出端分别用于输入/输出射频信号，该输入/输出的射频信号可以是WLAN、ZIGBEE、TD-SCDMA、Wimax、LTE等不同制式不同频段的射频信号，在该图1中，第三输入/输出端为射频信号公共端，第一输入/输出端和第二输入/输出端为上下行信道；在一较优实施例中，所述第一阻抗变换器为第一

波长阻抗变换器，所述第二阻抗变换器为第二

波长阻抗变换器，其中n取奇数；所述第一开关管为第一二极管，第二开关管为第二二极管，所述第一开关管的第一端为阴极，所述第一开关管的第二端为阳极；所述第二二极管的阴极与所述第二射频短路器连接，所述第二二极管的阳极与所述第二阻抗变换器的第二端连接。

当所述控制端输入高电平信号时，第一直流短路器和第二直流短路器将高电平信号短路到地，所述第一开关管和第二开关管都导通，所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路；由于此时第一射频短路器和第二射频短路器将射频信号短路到地的作用，负载阻抗为零，则可以根据公式 $Z_i=\frac{Z_0+j{Z}_c\mathrm{tga}}{Z_c+j{Z}_0\mathrm{tga}}{Z}_c$ 计算出所述第二阻抗变换器和所述第一阻抗变换器分别呈高阻态，其中Z_i为阻抗变换器的线路阻抗，Z₀为负载阻抗，Z_c为阻抗变换器的特性阻抗，a为相位常数(在该单刀双掷射频开关中，a接近

n为奇数)；所述第二输入/输出端和所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；所述控制端与所述第一输入/输出端、第二输入/输出端及第三输入/输出端也分别形成射频开路。

当所述控制端输入低电平信号时，所述第一开关管和第二开关管都关闭，所述第一阻抗变换器呈高阻态，所述第二阻抗变换器呈低阻态，所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；所述第二输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路。

其中在控制端输入的高低电平信号可以是方波形信号。

由此可以通过在控制端输入高低电平信号来控制第一输入/输出端与第三输入/输出端的通断，及第三输入/输出端与所述第二输入/输出端的通断，结构比较简单，设计比较灵活。另外第一阻抗变换器和第二阻抗变换器在呈高阻态时隔离度比较大，保证了本发明单刀双掷射频开关装置的隔离度。

在一较优实施例中，为了防止控制端输入的高电平信号影响到第一输入/输出端、第二输入/输出端和第三输入/输出端，如图2，本发明的单刀双掷射频开关还包括用于滤除直流信号的第一隔直单元、第二隔直单元和第三隔直单元；

所述第一隔直单元连接在所述第一输入/输出端与所述第一开关管的第一端和所述第一直流短路器的连接点之间；所述第二隔直单元连接在所述第二输入/输出端与所述第一阻抗变换器和所述第二开关管的连接点之间，所述第三隔直单元连接在所述第三输入/输出端与所述第一开关管和所述第二阻抗变换器的连接点之间。

为了防止控制端输入的高电平信号过大，烧坏后面的器件设备，如图3，在一较优实施例中，本发明还包括用于限制所述控制端输入的高电平信号的限流单元，连接在所述控制端与所述第一射频短路器的第一端之间。

另外为了防止传输线路受雷击、静电的破环，如图3，在一较优实施例中，本发明还包括防雷保护器，连接在所述第三隔直单元与所述第三输入/输出端之间，或连接在所述第三隔直单元与所述第一开关管和所述第二阻抗变换器的连接点之间。

在一较优实施例中，如图4，本发明还包括第一匹配网络和第二匹配网络，所述第一匹配网络连接在所述第一开关管的第一端与所述第一隔直单元和所述第一直流短路器的连接点之间；所述第二匹配网络包括三个端，第一端与所述第一开关管的第二端连接，第二端与所述第二阻抗变换器的第一端连接，第三端与所述第三隔直单元连接；

该第一匹配网络和第二匹配网络用于匹配所述第一开关管的阻抗和射频信号传输线的阻抗。

为了提高第三输入/输出端和第二输入/输出端的隔离度，在一较优实施例中，如图4，本发明还包括第三开关管、第三阻抗变换器、第三直流短路器和第三射频短路器；所述第三阻抗变换器连接在所述第二输入/输出端与所述第一阻抗变换器和所述第二开关管的连接点之间，所述第三开关管的一端连接在所述第二输入/输出端和所述第三阻抗变换器之间，另一端分别与所述第三直流短路器和所述第三射频短路器连接。所述第三阻抗变换器为接近

波长的阻抗变换器，其中n取奇数。

需要说明的是，所述第三阻抗变换器还可以连接在所述第二隔直单元与所述第一阻抗变换器和所述第二开关管的连接点之间，所述第三开关管的一端连接在所述第二隔直单元和所述第三阻抗变换器之间，另一端分别与所述第三直流短路器和所述第三射频短路器连接。

在一较优实施例中，所述第三开关管为第三二极管，所述第三阻抗变换器为第三

波长阻抗变换器，其中n取奇数；所述第三二极管的阴极与所述第三射频短路器连接，所述第三二极管的阳极与所述第三阻抗变换器连接。

下面结合图4，对本发明单刀双掷射频开关装置在一具体应用实施例的实现方法做一详细的阐述。

状态(1)：选择第一输入/输出端与第三输入/输出端导通，第二输入/输出端与第三输入/输出端断开时：

在控制端输入一个高电平直流信号；在第一开关管和第二开关管及第三开关管上分别产生分压，使得三个开关管导通；高电平直流信号经过限流单元的限流处理后，输出到第一射频短路器；在第一射频短路器的作用下，第一阻抗变换器对射频信号呈高阻态，控制端相对射频通路视为开路；第一直流短路器将流经第一开关管的直流信号短路到地，在控制端与第一直流短路器之间形成回路，第一输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路；第二直流短路器将流经第二开关管的直流信号短路到地，在控制端与第二直流短路器之间形成回路；第三直流短路器将流经第三开关管的直流信号短路到地，在控制端与第二直流短路器之间形成回路；在第二射频短路器及第三射频短路器的作用下，第二阻抗变换器和第三阻抗变换器对射频信号呈高阻态，第二输入/输出端与第一输入/输出端、第三输入/输出端分别断开，形成射频开路。

上述所述的三个开关管可以是二极管，因为二极管的开关时延比较小，可以降低本发明射频开关装置的开关时延；限流单元是为了防止高电平直流信号过大；在第一开关管两端连接的第一匹配网络和第二匹配网络，用于实现第一开关管与射频信号传输线的阻抗匹配；在第一匹配网络和第一输入/输出端之间连接的第一隔直单元，及防雷保护器与所述第二匹配网络之间连接的第三隔直单元用于滤除直流信号；防雷保护器是为了确保系统的安全；第一输入/输出端、第二输入/输出端及第三输入/输出端输入的射频信号可以是WLAN、ZIGBEE、TD-SCDMA、Wimax、LTE等不同制式不同频段的射频信号。

通过以上步骤实现了本发明所描述的选择第一输入/输出端与第三输入/输出端导通、第二输入/输出端与第三输入/输出端断开时的状态。

状态(2)：选择第二输入/输出端与第三输入/输出端导通，第一输入/输出端与第三输入/输出端断开时：

在控制端输入一个低电平直流信号；由于低电平信号达不到第一开关管和第二开关管及第三开关管的导通电压，使得三个开关管关闭；在第一射频短路器的作用下，第一阻抗变换器对射频信号呈高阻态，控制端相对射频通路视为开路；由于第一开关管关闭，第一输入/输出端与所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；由于第二开关管和第三开关管关闭，第二阻抗变换器和第三阻抗变换器呈低阻态，第二输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路。

这样就通过在控制端输入低电平直流信号，实现第二输入/输出端与第三输入/输出端导通，第一输入/输出端与第三输入/输出端断开的状态。

由此可见，通过切换控制端输入端高低电平的变化，实现以上状态(1)和状态(2)之间的切换，从而实现了本发明所提到的一种单刀双掷开关装置。

状态(1)中，第三开关管、第三直流短路器、第三射频短路器，及第二开关管、第二直流短路器、第二射频短路器这两组器件可以分别视为一个隔离单元，增加和减少这些隔离单元会直接影响到单刀双掷开关的的一些关键指标。增加该单元的数量，可以增大状态(1)中第一输入/输出端到第二输入/输出端的隔离度，但是同时也会增大状态(2)中第二输入/输出端到第三输入/输出端的插入损耗。具体应用中，需要针对不同的系统要求，选择合适的级数。在三个开关管是三个二极管时，可以提高该单刀双掷射频开关的重要指标——开关时延，因此在实际应用中，同样可以根据需要选择合适的二极管。

本发明提供了一种较大功率的单刀双掷射频开关的装置及其实现方法。与现有的射频开关芯片相比，克服了成本高、隔离度小、控制复杂等缺陷；与现有环形器取代射频开关的方式相比，克服了价格昂贵、体积大、隔离度小、安装不方便等缺陷。

实验证明，本发明的单刀双掷射频开关装置能够在低成本的投入的情况下，能通过较大功率的射频信号，且保持信号良好的线性；远好于射频开关芯片MMIC和环形器的隔离度；更加灵活的电路设计和简单的PCB布局，由于阻抗变换器的微带线的长度和宽带可以根据需要设置，则能满足不同频率和不同插入损耗、不同隔离度需要的情况；由于二极管的开关时延比较小，整个单刀双掷射频开关装置的时延也可以达到10nS数量级；射频短路器的使用，能很好的优化了单刀双掷射频开关装置的频带特性；防雷保护器的加入，能有效的保护整机系统。

因此，本发明提出了一种较大功率的单刀双掷射频开关装置及其实现方法，该单刀双掷射频开关装置在所有需要使用到信号切换的通信设备中，特别是要求较大功率、高线性、低成本、高隔离度的各类时分通信系统中，都可以有良好的应用前景。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单刀双掷射频开关装置，其特征在于，包括：第一开关管、第二开关管、第一直流短路器、第二直流短路器、第一射频短路器、第二射频短路器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器；

所述第一开关管的第一端分别连接第一输入/输出端和所述第一直流短路器；所述第一开关管的第二端分别连接第三输入/输出端和所述第二阻抗变换器的第一端；所述第二阻抗变换器的第二端与第二输入/输出端连接，并通过所述第二开关管分别与所述第二射频短路器和所述第二直流短路器连接；所述第一射频短路器的第一端与控制端连接，所述第一射频短路器的第二端通过第一阻抗变换器与所述第二阻抗变换器的第二端连接；

当所述控制端输入高电平信号时，所述第一开关管和第二开关管导通，高电平信号分别通过所述第一直流短路器和第二直流短路器到地；所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路；所述第二阻抗变换器和所述第一阻抗变换器分别呈高阻态，所述第二输入/输出端和所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；

当所述控制端输入低电平信号时，所述第一开关管和第二开关管关闭，所述第一阻抗变换器呈高阻态，所述第二阻抗变换器呈低阻态，所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；所述第二输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路。

2.根据权利要求1所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于：还包括用于滤除直流信号的第一隔直单元、第二隔直单元和第三隔直单元；

所述第一隔直单元连接在所述第一输入/输出端与所述第一开关管的第一端和所述第一直流短路器的连接点之间；所述第二隔直单元连接在所述第二输入/输出端与所述第一阻抗变换器和所述第二开关管的连接点之间，所述第三隔直单元连接在所述第三输入/输出端与所述第一开关管和所述第二阻抗变换器的连接点之间。

3.根据权利要求1或2所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于，还包括：用于限制所述控制端输入的高电平信号的限流单元，连接在所述控制端与所述第一射频短路器的第一端之间。

4.根据权利要求2所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于：还包括防雷保护器，连接在所述第三隔直单元与所述第三输入/输出端之间，或连接在所述第三隔直单元与所述第一开关管和所述第二阻抗变换器的连接点之间。

5.根据权利要求2所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于：还包括第一匹配网络和第二匹配网络，所述第一匹配网络连接在所述第一开关管的第一端与所述第一隔直单元和所述第一直流短路器的连接点之间；所述第二匹配网络包括三个端，第一端与所述第一开关管的第二端连接，第二端与所述第二阻抗变换器的第一端连接，第三端与所述第三隔直单元连接；

该第一匹配网络和第二匹配网络用于匹配所述第一开关管的阻抗和射频信号传输线的阻抗。

6.根据权利要求1所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于：还包括第三开关管、第三阻抗变换器、第三直流短路器和第三射频短路器；

所述第三阻抗变换器连接在所述第二输入/输出端与所述第一阻抗变换器和所述第二开关管的连接点之间，所述第三开关管的一端连接在所述第二输入/输出端和所述第三阻抗变换器之间，另一端分别与所述第三直流短路器和所述第三射频短路器连接。

7.根据权利要求2所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于：还包括第三开关管、第三阻抗变换器、第三直流短路器和第三射频短路器；

所述第三阻抗变换器连接在所述第二隔直单元与所述第一阻抗变换器和所述第二开关管的连接点之间，所述第三开关管的一端连接在所述第二隔直单元和所述第三阻抗变换器之间，另一端分别与所述第三直流短路器和所述第三射频短路器连接。

8.根据权利要求1或2或4或5所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于：所述第一开关管为第一二极管，所述第二开关管为第二二极管，所述第一阻抗变换器为第一

波长阻抗变换器，所述第二阻抗变换器为第二

波长阻抗变换器，其中n取奇数；

所述第一开关管的第一端为阴极，所述第一开关管的第二端为阳极；所述第二二极管的阴极与所述第二射频短路器连接，所述第二二极管的阳极与所述第二阻抗变换器的第二端连接。

9.根据权利要求6或7所述的单刀双掷射频开关装置，其特征在于：所述第三开关管为第三二极管，所述第三阻抗变换器为第三

波长阻抗变换器，其中n取奇数；

所述第三二极管的阴极与所述第三射频短路器连接，所述第三二极管的阳极与所述第三阻抗变换器连接。

10.一种如权利要求1所述的单刀双掷射频开关装置的实现方法，其特征在于，包括：

向所述控制端输入高电平信号，所述第一开关管和第二开关管导通，高电平信号分别通过第一直流短路器和第二直流短路器到地，在所述控制端和所述第一直流短路器及所述控制端和所述第二直流短路器之间分别形成回路，所述第一阻抗变换器和第二阻抗变换器呈高阻态，所述第一输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路；所述第二输入/输出端与所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；

向所述控制端输入低电平信号，所述第一开关管和第二开关管关闭，所述第一阻抗变换器呈高阻态，所述第二阻抗变换器呈低阻态，所述第一输入/输出端和所述第三输入/输出端断开，形成射频开路；所述第二输入/输出端与所述第三输入/输出端连通，形成射频通路。

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