CN103199829B - 一种提升射频开关功率能力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升射频开关功率能力的方法。同时提供了一种提升射频开关功率能力的装置，应用于电子开关领域，其特征在于：包括用于将电路阻抗降低、在信号通过射频开关后再将电路阻抗恢复的阻抗变换电路；所述阻抗变换电路包括第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路；所述第一阻抗变换电路的输出端与射频开关的输入端连接，用于将电路阻抗降低；所述第二阻抗变换电路的输入端与射频开关的输出端连接，用于将电路阻抗恢复。本发明装置可提升射频开关应用于低占空比高速短脉冲信号场合中的功率能力，可增强射频开关的隔离度，通用性强。

Description

一种提升射频开关功率能力的装置

技术领域

本发明涉及一种电子开关，特别涉及一种射频开关。

背景技术

射频系统传输低占空比（占空比1%以下）高速短脉冲（上升下降时间100ns以下，脉宽小于100us）信号，存在需要导通或关断信号的情况，普通情况下最简单方法是在初级放大前采用高速射频开关对未经过信号放大的小信号进行处理。但是有的射频系统在关断时要求输出噪声极低，由于后级放大器未关断会产生噪声，因此在这种情况下小信号处开关射频信号不能满足输出噪声要求。目前最常用的方法是快速开关射频功放的栅压或电源以满足射频开关速度的要求，但是存在启动和关断时瞬态杂散输出较大这一问题，对有的应用类型是无法满足要求的，用高速射频开关则没有这个问题。但是高速射频开关功率能力一般较小，如果射频系统中射频开关所承受的电压超出其可以承受电压的最大范围，则容易造成射频开关的损坏。

为了减小对高速射频开关功率能力的要求，在满足噪声要求的情况下，也可以把高速射频开关设置在末级放大前。通常会在未经过放大的小信号处与经过放大的适当的大信号处同时都设置射频开关。一是增强关断状态下的隔离度，二是保护大信号处射频开关的安全性。由于需要对大信号进行处理，因此在现阶段的应用中对射频开关的功率能力有更高的要求。

综上所述，射频开关的功率能力急需提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可提升其开关功率主要因电压而受限类的射频开关在低占空比高速短脉冲场合的功率能力，同时增强隔离度的方法；本发明的另一目的在于提供一种通用性好、可提升射频开关功率能力、增强隔离度的装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种提升射频开关功率能力的方法，其特征在于：在射频开关的输入端加入用于将电路阻抗降低的第一阻抗变换电路，同时在射频开关的输出端加入用于将电路阻抗恢复的第二阻抗变换电路。该方法在用于其开关功率主要因电压而受限类的射频开关效果尤其明显。

一种提升射频开关功率能力的装置，其特征在于：包括用于将电路阻抗降低、在信号通过射频开关后再将电路阻抗恢复的阻抗变换电路；所述阻抗变换电路包括第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路；所述第一阻抗变换电路的输出端与射频开关的输入端连接，用于将电路阻抗降低；所述第二阻抗变换电路的输入端与射频开关的输出端连接，用于将电路阻抗恢复。本装置可提升射频开关应用于低占空比高速短脉冲信号场合中的功率能力和增强隔离度，当射频开关工作于导通状态时，本装置不会造成信号幅值和波形的变化，通用性强，在射频系统的应用中可直接代替传统的射频开关而不需要更改射频系统中的任何参数。

所述第一阻抗变换电路的变换比与第二阻抗变换电路的变换比为倒数关系。在实际生产时，还可根据射频开关与电路排版的电阻与电抗成分加以适当补偿调整。

所述第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路采用如下方式之一：①均采用变压器；②均采用电感电容组成的LC模块；③其中一个采用变压器，另一个采用电感电容组成的LC模块，即在射频开关两边，可以一边用变压器，一边用电感电容组成的LC模块匹配实现。

其中一种具体方案是：所述的第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路采用变压器，是指第一阻抗变换电路的变压器的初级外接信号输入，次级的第一输出与射频开关的输入端连接，初级第二输入和次级的第二输出与地连接；第二阻抗变换电路的变压器的初级的第一输入与射频开关的输出端连接，初级第二输入和次级的第二输出与地连接，次级的第一输出作为信号输出。

所述第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路也可以采用传输线变压器。

另一种具体方案是：所述的第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路采用电感电容组成的LC模块，是指第一阻抗变换电路由电感L1和电容C1连接组成，电感L1和电容C1的连接端外接信号输入，电感L1的另一端与射频开关的输入端连接，电容C1的另一端与地连接；第二阻抗变换电路由电感L2和电容C2连接组成，电感L2和电容C2的连接端外接信号输出，电感L2的另一端与射频开关的输出端连接，电容C2的另一端与地连接。

其中，所述电容C1和电容C2的电容值为：C1=C2=6400/f（单位：pf）；所述电感L1和电感L2的电感值为：L1=L2=3200/f(单位：nh)；其中，f为信号的工作频率，单位：MHz。实际生产时需根据射频开关与电路排版的电阻和电抗成分做适当补偿调整，以保证输入驻波比满足系统要求。

上述的提升射频开关功率能力的装置，所述第一阻抗变换电路的输出端的阻抗值的范围为5-25ohm。第一阻抗变换电路的输出端的阻抗值设置在该范围中能较好的平衡提升射频开关的功率能力和增大了开关损耗之间的矛盾。阻抗小些功率提升大些，但是损耗也更大。

优选方式是：f≤200MHz，所述第一阻抗变换电路的输出端的阻抗值为10ohm。

在电路初级放大前，还可以在电路中设置最大连续发射时间保护电路和占空比保护电路。此电路可基于使用的系统整体设置，在最大发射时间或占空比超过设定值时均快速切断初级放大前的射频开关，可确保射频开关的安全。

本发明装置提升射频开关功率能力、增强隔离度的原理是：

1）射频开关（对于GaAs类射频高速开关）的功率能力（以1dB压缩功率为标准）主要是受到射频开关最大可承受电压的限制；在第一阻抗变换电路使电路阻抗降低以后，在同样的射频功率下，射频电压降低，射频开关实际承受的电压降低，因此射频开关的功率能力提高。例如第一阻抗变换电路的阻抗由50ohm变换到12.5ohm，则射频输入功率为没有阻抗变换前功率的四倍时，变换后射频开关承受的射频电压与没有阻抗变换前是相同的，所以在射频开关工作在射频开关最大可承受电压下，射频开关的射频功率能力可提升4倍；

2）射频开关在射频系统中等效结构由串联连接的串联电阻和串联电抗与并联连接的并联电阻和并联电抗串联组成；损耗主要产生在等效串联电阻上；在射频开关前加入第一阻抗变换电路后，例如加入阻抗变换为4:1的变压器，阻抗由50ohm变换为12.5ohm，因为阻抗降低，所以此时射频开关等效的并联电阻和并联电抗对射频开关损耗的影响大大降低，而串联电阻与串联电抗对射频开关损耗的影响变大；例如射频开关的等效串联电阻为3ohm，在电路原阻抗值为50ohm的情况下损耗为0.25dB；在电路阻抗值变换为12.5ohm后，射频开关的等效串联电阻的损耗约为1dB；再加上第一第二阻抗变换电路的损耗，总损耗就更大，可以达到1.3-1.5dB。关断时射频开关等效为串联小电容，阻抗变低以后，串联阻抗的作用变大，因此，射频开关在关断时的隔离度提升；

从上面描述可以看到，阻抗变换比越大，阻抗变得越低，功率能力表面提升加大，但是开关和阻抗变换器的总损耗就越大。同时，变换比越大，阻抗变换回去越偏离理想的倒数变换比。因此实际生产时，需要根据射频开关与电路排版的电阻和电抗成分做适当补偿调整。综合考虑功率能力提升和损耗情况，第一阻抗变换电路的输出端的阻抗值的优选值为10ohm左右，可提升功率能力3-5dB。根据具体射频开关的不同，这个数值一般可在5-25ohm之间选取。

本发明相对于现有技术具备如下的突出优点和效果：

1、本发明装置可提升射频开关应用于低占空比高速短脉冲信号场合中的功率能力；

2、本发明装置可增强射频开关的隔离度；

3、本发明装置可代替射频开关直接应用于射频系统中，通用性强；

4、本方法可提升射频开关的功率能力和隔离度，使射频开关具有更好的性能，可应用于大功率的场合。

附图说明

图1是传统的射频开关连接方式示意图；

图2是本发明装置的结构示意图；

图3是实施例一中装置的结构示意图；

图4是实施例二中装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明方法是：在射频开关的输入端加入用于将电路阻抗降低的第一阻抗变换电路，同时在射频开关的输出端加入用于将电路阻抗恢复的第二阻抗变换电路，以提升射频开关功率能力和隔离度，使射频开关具有更好的性能，可应用于大功率的场合。下述实施例均采用了此方法。

实施例一

传统的射频开关的设置方式如图1所示，射频开关的输入端和输出端直接外接信号输入和信号输出。本实施例提升射频开关功率能力的装置，如图2所示，包括用于将电路阻抗降低的第一阻抗变换电路和用于将电路阻抗恢复的第二阻抗变换电路。第一阻抗变换电路的输入端外接信号输入，第一阻抗变换电路的输出端与射频开关的输入端连接，射频开关的输出端与第二阻抗变换电路的输入端连接，第二阻抗变换电路的输出端外接信号输出。该装置可提升射频开关应用于低占空比高速短脉冲信号场合中的功率能力，同时可增强射频开关的隔离度。本装置不会造成信号幅值和波形的变化，通用性强，在射频系统的应用中可直接代替传统的射频开关而不需要更改射频系统中的任何参数。所述第一阻抗变换电路与第二阻抗变换电路变换比理想情况为倒数关系，实际可根据射频开关与电路排版的电阻与电抗成分加以适当补偿调整。

本实施例装置中，第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路均采用变压器，如图3所示，变压器的阻抗变换分别为4:1和1:4。阻抗变换为4:1变压器的初级外接信号输入，次级的第一输出与射频开关的输入端连接，次级的第二输出与地连接。阻抗变换为1:4变压器的初级的第一输入与射频开关的输出端连接，初级的第二输入与地连接，次级作为信号输出。装置按上述方式设置，射频开关的功率能力可提高3-5dB。综合功率能力提升和损耗情况考虑，第一阻抗变换电路的输出端的阻抗值的优选范围为5-25ohm，可提升功率能力3-5dB。

使用上述的设置方式后，输入信号经过第一阻抗变换电路后电压降低，射频开关所承受的电压降低，因此射频开关的功率能力提升；同时由于射频开关的损耗增加，因此射频开关在信号关断时隔离度增强。

根据实验得出：当射频开关采用HMC544，开关上升下降时间为70ns，脉宽为50us，占空比为1%时，使用射频开关的输入端接入阻抗变换为4:1变压器实现阻抗变换后，160MHz信号通过射频开关的损耗从0.4dB变为1.8dB，线性功率从35dBm提升至39dBm。

为了确保射频开关的安全，在电路中还设置最大连续发射时间保护电路和占空比保护电路。

实施例二

本实施例提升射频开关功率能力的装置，包括用于将电路阻抗降低的第一阻抗变换电路和用于将电路阻抗恢复的第二阻抗变换电路。

本实施例中，第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路均采用LC模块。如图4所示，第一阻抗变换电路由电感L1和电容C1连接组成，电感L1和电容C1的连接端外接信号输入，电感L1的另一端与射频开关的输入端连接，电容C1的另一端与地连接。第二阻抗变换电路由电感L2和电容C2连接组成，电感L2和电容C2的连接端外接信号输出，电感L2的另一端与射频开关的输出端连接，电容C2的另一端与地连接。电容C1和电容C2的电容值为：C1=C2=6400/f(pf)；电感L1和电感L2的电感值为：L1=L2=3200/f(nh)；其中，f为信号的工作频率，单位：MHz，实际取值需根据射频开关与电路排版的电阻和电抗成分做适当补偿调整，以保证输入驻波比满足系统要求。

实施例三

本实施例提升射频开关功率能力的装置，包括用于将电路阻抗降低的第一阻抗变换电路和用于将电路阻抗恢复的第二阻抗变换电路。

第一阻抗变换电路采用变压器，结构和连接同实施例一中的第一阻抗变换电路。第二阻抗变换电路采用电感电容组成的LC模块，结构和连接同实施例二中的第二阻抗变换电路。第一阻抗变换电路的变换比与第二阻抗变换电路的变换比为倒数关系。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提升射频开关功率能力的装置，其特征在于：包括用于将电路阻抗降低、在信号通过射频开关后再将电路阻抗恢复的阻抗变换电路；所述阻抗变换电路包括第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路；所述第一阻抗变换电路的输出端与射频开关的输入端连接，用于将电路阻抗降低；所述第二阻抗变换电路的输入端与射频开关的输出端连接，用于将电路阻抗恢复；所述第一阻抗变换电路的输出端的阻抗值的范围为5-25ohm；

所述第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路采用如下方式之一：①均采用变压器；②均采用电感电容组成的LC模块；③其中一个采用变压器，另一个采用电感电容组成的LC模块；

所述的第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路采用变压器，是指第一阻抗变换电路的变压器的初级外接信号输入，次级的第一输出与射频开关的输入端连接，次级的第二输出与地连接；第二阻抗变换电路的变压器的初级的第一输入与射频开关的输出端连接，初级的第二输入与地连接，次级作为信号输出；

所述的第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路采用LC模块，是指第一阻抗变换电路由电感L1和电容C1连接组成，电感L1和电容C1的连接端外接信号输入，电感L1的另一端与射频开关的输入端连接，电容C1的另一端与地连接；第二阻抗变换电路由电感L2和电容C2连接组成，电感L2和电容C2的连接端外接信号输出，电感L2的另一端与射频开关的输出端连接，电容C2的另一端与地连接；

第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路，其中一个采用变压器，另一个采用电感电容组成的LC模块是指，采用如下两种方案之一：一、第一阻抗变换电路采用变压器，第二阻抗变换电路由电感L2和电容C2连接组成；第一阻抗变换电路的变压器的初级外接信号输入，次级的第一输出与射频开关的输入端连接，次级的第二输出与地连接；电感L2和电容C2的连接端外接信号输出，电感L2的另一端与射频开关的输出端连接，电容C2的另一端与地连接；二、第一阻抗变换电路由电感L1和电容C1连接组成，第二阻抗变换电路采用变压器；电感L1和电容C1的连接端外接信号输入，电感L1的另一端与射频开关的输入端连接，电容C1的另一端与地连接；第二阻抗变换电路的变压器的初级的第一输入与射频开关的输出端连接，初级的第二输入与地连接，次级作为信号输出。

2.根据权利要求1所述的提升射频开关功率能力的装置，其特征在于：所述第一阻抗变换电路的变换比与第二阻抗变换电路的变换比为倒数关系。

3.根据权利要求1所述的提升射频开关功率能力的装置，其特征在于：所述的第一阻抗变换电路和第二阻抗变换电路均采用传输线变压器。

4.根据权利要求1所述的提升射频开关功率能力的装置，其特征在于：所述电容C1和电容C2的电容值为：C1＝C2＝6400/f；电感L1和电感L2的电感值为：L1＝L2＝3200/f；其中，f为信号的工作频率,单位：MHz。

5.根据权利要求4所述的提升射频开关功率能力的装置，其特征在于：f≤200MHz，所述第一阻抗变换电路的输出端的阻抗值为10ohm。