CN102468836A - 一种射频单刀多掷开关及用于毫米波全息成像的开关阵列 - Google Patents

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孙浩
刘传全
李凌云
关福宏
王伟
钱蓉
时翔
孙晓玮
齐鸣
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Abstract

本发明公开了一种射频单刀多掷开关及用于毫米波全息成像的开关阵列。该射频单刀多掷开关包括：开关芯片、射频匹配电路和直流偏置匹配电路；其开关芯片由PIN开关二极管串联组成多条开关通路；通过直流偏置控制PIN开关二极管的截止与导通，从而控制各条开关通路的截止与导通。该开关阵列由多个所述射频单刀多掷开关通过两级级联方式组成。本发明利用半导体固态器件实现单刀多掷开关，并采用外匹配方式设计，将其用于毫米波全息成像的开关阵列，与常规的开关阵列相比，具有加工难度小、成本低、性能可靠、体积较小及重量轻的优点。同时，通过灵活选用不同的开关可组成各种规模的开关阵列，满足各种成像系统的应用要求。

Description

一种射频单刀多掷开关及用于毫米波全息成像的开关阵列
技术领域
本发明涉及一种射频高速开关及开关阵列，尤其涉及一种射频单刀多掷开关及用于毫米波全息成像系统的开关阵列，属于微电子中开关阵列技术领域。
背景技术
在毫米波全息成像系统中，为了快速获得具有较高精度的目标图像，一般采用多个收发天线通过开关阵列共用一路发射机或接收机进行扫描成像。通过多个收发天线对发射机或接收机的共用可以显著减少系统对发射机或接收机数量及一致性的要求，从而实现系统成本及性能的有效控制。
基于射频高速及带宽的系统需求，毫米波全息成像系统中的开关阵列(一般为64阵以上)一般采用传统的金属波导开关组成。由于毫米波金属波导开关的加工精度要求高，价格较昂贵，且金属波导体积大、重量较重，不利于整个成像系统对成本、性能、体积及重量的控制。随着微电子技术的发展，半导体固态开关技术逐渐成为了主流。目前，采用多级单刀两掷开关芯片级联的开关阵列实现的成像系统，需要的毫米波单刀两掷开关芯片数量很多，成本昂贵，同时，多芯片之间的引线连接很多，影响整个开关阵列的射频性能、可靠性和稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种射频单刀多掷开关及用于毫米波全息成像的开关阵列。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种射频单刀多掷开关，包括：具有一个输入端及多个输出端的开关芯片、具有一个信号输入端及多个信号输出端的射频匹配电路和具有多个直流偏置控制端的直流偏置匹配电路；
所述开关芯片由共用输入端的多条开关通路组成，所述开关通路由PIN开关二极管串联而成；
所述射频匹配电路的信号输入端及多个信号输出端分别与所述开关芯片的输入端及多个输出端相连，用于匹配射频信号；
所述直流偏置匹配电路的多个直流偏置控制端通过所述射频匹配电路分别与所述开关芯片的输入端及多个输出端相连，用于通过直流偏置控制PIN开关二极管的截止与导通，从而控制各条开关通路的截止与导通，实现射频信号的选通。
作为本发明的优选方案，所述直流偏置匹配电路由时序逻辑控制多个直流偏置控制端。
作为本发明的优选方案，所述射频匹配电路的信号输入端通过宽带隔直流电容与所述开关芯片的输入端连接。
作为本发明的优选方案，所述射频匹配电路的各信号输出端通过阻抗变换匹配线与所述开关芯片的各输出端连接。
作为本发明的优选方案，所述直流偏置匹配电路与所述射频匹配电路之间通过Bias Tee结构连接。
作为本发明的优选方案，所述射频匹配电路和直流偏置匹配电路分别设置在两块电路板上，且该两块电路板以背靠背的方式固定在一起，并通过通孔实现互连。进一步优选的，所述开关芯片设置在射频匹配电路所在的电路板上。
作为本发明的优选方案，所述开关芯片中的PIN开关二极管为砷化镓基或磷化铟基或氮化镓基半导体PIN开关二极管。
一种用于毫米波全息成像的开关阵列，包括多个上述射频单刀多掷开关；多个所述射频单刀多掷开关通过两级级联方式组成阵列。其中，第一级为一个射频单刀N掷开关，第二级为N个射频单刀M掷开关，从而可组成N×M阵开关阵列。
作为本发明的优选方案，两级所述射频单刀多掷开关之间采用SMP接头和毫米波连接电缆连接。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用固态半导体的单刀多掷开关两级级联实现用于毫米波全息成像的开关阵列，和常规的金属波导结构的开关阵列相比，具有加工难度小、成本低、体积较小及重量轻的优点。
(2)本发明中采用单刀多掷开关两级级联组成，减少了开关芯片数量和芯片间的连接接头，在减小成本、降低制备难度的同时，增强了整个开关阵列的可靠性和稳定性。同时，根据成像应用系统的要求，可以灵活选用不同的单刀N掷和单刀M掷开关作为两级开关的单元模块，便能组成所需要的N×M阵开关阵列。
(3)本发明中单刀多掷开关采用外匹配的方式，匹配电路与开关芯片分开设计，可以大大减小开关芯片的面积，有效降低成本。
(4)本发明中开关芯片的匹配电路中直流偏置电路和射频通路分离，有利于实现直流和射频布线，消除干扰影响，同时采用两层电路板背靠背相连的方式，也有效减小了电路基板的面积。
附图说明
图1为实施例中8×8阵开关阵列示意图；
图2为实施例中射频单刀8掷开关的开关芯片等效电路示意图；
图3a和图3b分别为射频单刀10掷开关芯片和单刀16掷开关芯片等效电路示意图；
图4为实施例中射频单刀8掷开关的射频匹配电路板示意图；
图5为实施例中射频单刀8掷开关的直流偏置匹配电路板示意图。
具体实施方式
下面结合附图以8×8阵开关阵列为例进一步说明本发明的具体实施方式，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
请参见图1，本实施例的用于毫米波全息成像的8×8阵开关阵列包括：9个射频单刀8掷开关；这9个射频单刀8掷开关通过两级级联方式组成8×8阵列。两级射频单刀8掷开关之间采用SMP接头和毫米波连接电缆连接。毫米波信号由输入端进入第一级射频单刀8掷开关101，通过时序逻辑控制的直流偏置控制端103选通输出8个通路，8个通路分别由8根毫米波连接电缆102与8个第二级射频单刀8掷开关104相连，每个第二级射频单刀8掷开关104由时序逻辑控制的直流偏置控制端选通8路输出，总共为8×8阵的64路输出。
所采用的射频单刀8掷开关包括：具有1个输入端及8个输出端的开关芯片、具有1个信号输入端及8个信号输出端的射频匹配电路和具有9个直流偏置控制端的直流偏置匹配电路。所述开关芯片由共用输入端的8条开关通路组成，每条开关通路由PIN开关二极管串联而成。所述射频匹配电路的信号输入端及8个信号输出端分别与所述开关芯片的输入端及8个输出端相连，用于匹配射频信号；所述直流偏置匹配电路的9个直流偏置控制端通过所述射频匹配电路分别与所述开关芯片的输入端及8个输出端相连，用于通过直流偏置控制PIN开关二极管的截止与导通，从而控制各条开关通路的截止与导通，实现射频信号的选通。
图2是该射频单刀8掷开关的开关芯片等效电路示意图。该开关芯片包括10个低插损、高隔离度的PIN开关二极管201分两级串联组成。其中的PIN开关二极管优选为砷化镓基或磷化铟基或氮化镓基半导体PIN开关二极管。该射频单刀8掷开关工作时，直流偏置匹配电路由时序逻辑控制9个直流偏置控制端，通过直流偏置控制端正向偏置某一路PIN开关二极管导通，其他7路PIN开关二极管均反向偏置截止，实现射频信号在特定一路上输出，而其他7路则截止。
图2为射频单刀8掷开关芯片的一种优选的PIN开关二极管连接方式，但本发明不仅限于此，只要由PIN开关二极管串联实现多条开关通路即可，图3a和图3b所示分别为射频单刀10掷开关芯片和单刀16掷开关芯片等效电路示意图。其他射频单刀多掷开关(如单刀9掷开关、单刀12掷开关等)的芯片电路也与此类似。
图4是本发明实施例中射频单刀8掷开关的射频匹配电路板示意图。射频信号由信号输入端301输入，经过宽带隔直流电容302滤波隔直流后，射频信号输入到装配在该电路板上的开关芯片303，从开关芯片303输出的射频信号通过金线键合与8路阻抗变换匹配线304实现阻抗变换后，由信号输出端307输出。
其中所述射频匹配电路的所有信号输出端和信号输入端均通过Bias Tee结构305实现直流偏置，并由通孔306连接到直流偏置匹配电路。所述直流偏置匹配电路设置在另一块电路板上，如图5所示，通过直流控制通路401与直流偏置控制端103相连。射频匹配电路板(图4所示)和直流偏置匹配电路板(图5所示)背面均为公共地，背靠背相连，通过螺丝孔308定位固定。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (10)

1.一种射频单刀多掷开关，其特征在于，包括：具有一个输入端及多个输出端的开关芯片、具有一个信号输入端及多个信号输出端的射频匹配电路和具有多个直流偏置控制端的直流偏置匹配电路；
所述开关芯片由共用输入端的多条开关通路组成，所述开关通路由PIN开关二极管串联而成；
所述射频匹配电路的信号输入端及多个信号输出端分别与所述开关芯片的输入端及多个输出端相连，用于匹配射频信号；
所述直流偏置匹配电路的多个直流偏置控制端通过所述射频匹配电路分别与所述开关芯片的输入端及多个输出端相连，用于通过直流偏置控制PIN开关二极管的截止与导通，从而控制各条开关通路的截止与导通，实现射频信号的选通。
2.根据权利要求1所述一种射频单刀多掷开关，其特征在于：所述直流偏置匹配电路由时序逻辑控制多个直流偏置控制端。
3.根据权利要求1所述一种射频单刀多掷开关，其特征在于：所述射频匹配电路的信号输入端通过宽带隔直流电容与所述开关芯片的输入端连接。
4.根据权利要求1所述一种射频单刀多掷开关，其特征在于：所述射频匹配电路的各信号输出端通过阻抗变换匹配线与所述开关芯片的各输出端连接。
5.根据权利要求1所述一种射频单刀多掷开关，其特征在于：所述直流偏置匹配电路与所述射频匹配电路之间通过Bias Tee结构连接。
6.根据权利要求1所述一种射频单刀多掷开关，其特征在于：所述射频匹配电路和直流偏置匹配电路分别设置在两块电路板上，且该两块电路板以背靠背的方式固定在一起，并通过通孔实现互连。
7.根据权利要求6所述一种射频单刀多掷开关，其特征在于：所述开关芯片设置在射频匹配电路所在的电路板上。
8.根据权利要求1所述一种射频单刀多掷开关，其特征在于：所述开关芯片中的PIN开关二极管为砷化镓基或磷化铟基或氮化镓基半导体PIN开关二极管。
9.一种用于毫米波全息成像的开关阵列，其特征在于：包括多个如权利要求1-8任一项所述的射频单刀多掷开关；多个所述射频单刀多掷开关通过两级级联方式组成阵列。
10.根据权利要求9所述一种用于毫米波全息成像的开关阵列，其特征在于：两级所述射频单刀多掷开关之间采用SMP接头和毫米波连接电缆连接。
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