CN105144576A - 可切换的信号路由电路 - Google Patents

Abstract

提供了用于在至少一个输入端口与至少一个输出端口之间路由信号的可切换的信号路由电路。端口通过可变电阻器连接至公共节点，其中可切换的信号路由电路被配置为根据活跃端口的数量来设置可变电阻器的电阻值。

Description

可切换的信号路由电路

本发明的实施例涉及用于路由至少一个输入端口与至少一个输出端口之间的信号的可切换的信号路由电路。进一步的实施例涉及用于操作可切换的信号路由电路的方法。一些实施例涉及组合的RF可变分流器+开关(RF＝射频)。

具有被设计为将一个输入端口的信号同时发送至N个输出端口的分配网络是受期望的，其具有下面的附加要求(或约束)：

1.分配网络应当是宽带，理论上从DC到无穷大频率(DC＝直流)。

2.分配网络的N个输出端口的每一个输出端口应当单独地可选择作为传输的输出端口或不传输的输出端口。

3.作为最低要求，分配网络的被选择用于传输的输入端口和所有的M(1≤M≤N)个输出端口应当是阻抗匹配的。

4.作为附加要求，不仅该M个传输端口，而且余下的端口也应当是阻抗匹配的，即，不依赖于哪个(哪些)端口处于传输状态，分配网络的所有N+1个端口应当是阻抗匹配的。

5.分配网络的插入损耗应当被减少(或甚至被最小化)。

6.分配网络的温度依赖性应当被降低(或甚至被最小化)。

7.分配网络的线性度应当被增加(或甚至被最大化)。

8.分配网络对制造工艺变化的敏感性和后期制作调整的要求应当被减少(或甚至被最小化)。

具有一些(但不是全部)上述列出的要求的一种可能的结构是单极N掷(SPNT)开关，其中在这一环境中，N是整数倍数并且表示“多个”。SPNT开关的详细描述可以在“RobertoSorrentino，GiovanniBianchi：MicrowaveandRFEngineering，Ch.10，pp.363-389”中找到。SPNT开关的主要缺点是在可用的N个输出端口中在一个时刻只有一个输出端口可以被选择。

因此，至少表明要求2，即N个输出端口的每一个输出端口应当单独地可选择作为传输的输出端口或不传输的输出端口的要求不被满足。

满足一些(但再次不是全部)上述列出的要求的一个其他电路是N输出分流器10，如图1中所图式化的。它由在图1中被指示为R₁至R_N+1的N+1个等值的电阻器和在图1中被指示为P₁至P_N+1的N+1个端口组成。N+1个等值的R₁至R_N+1电阻器将N+1个端口P₁至P_N+1连接至公共节点12。因此，N+1个等值的电阻器R₁至R_N+1包括固定的或恒定的电阻值。

用于同时匹配所有的N+1个端口P₁至P_N+1的条件(即，为了满足表明被选择用于传输的输入端口和所有的M个输出端口应当是阻抗匹配的要求3和表明不仅该M个传输端口而且其余端口也应当是阻抗匹配的要求4)是：

$R_k=\frac{N-1}{N+1}{R}_0,(1\≤k\≤N+1)---\left(1\right)$

其中R₀是参考阻抗，通常等于50Ω。

在由等式(1)所描述的条件下，由于所有的端口是完全等价的，图1中的网络的分散参数是

$s_{hk}=\frac{1}{N},(1\≤h,k\≤N+1,h\≠k)---\left(2\right)$

s_kk＝0(1≤k≤N+1)(3)

等式(3)确认结构的阻抗匹配，并且无需进一步的解释。等式(2)表明分流器10将输入功率传输至它的N个输出端口P₂至P_N+1中的每一个输出端口，其中线性单元的衰减等于它自身的输出端口P₂至P_N+1的数量N的倒数。从等式(2)同样可以推断输入功率P_IN(在输入端口P₁处呈现)与全局性地传输至输出端口P₂至P_N+1的输出功率P_OUT的比率是

$\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}=\underset{k=2}{\overset{N+1}{\Σ}}{\left|s_{k,1}\right|}^2=\underset{k=2}{\overset{N+1}{\Σ}}{\left|\frac{1}{N}\right|}^2=\frac{1}{N}---\left(4\right)$

换句话说，只有可用的输入功率P_IN的1/N在输出端口P₂至P_N+1之间共享，这里余下的(N-1)/N的可用的输入功率P_IN被耗散在结构10之内。这可能与表明分配网络的插入损耗应当被减少(或甚至被最小化)的要求5相反。另一方面，实现非耗散的N路分配器结构的唯一方式是通过使用电抗元件，而不是电阻器。一种这样的可能是基于所谓的Wilkinson功率分配器，如“GiovanniBianchi：MicrowaveandRFEngineering，Ch.7，pp.205-209”所描述的。不幸的是，电抗元件本质上是基于频率的。因此，非耗散的分配网络只能用相对较少的倍频程的相对带宽来实现。

图2在表中列出了N路功率分流器的电阻值和传输系数。换句话说，图2在表中列出了固定等值电阻器的电阻值(假定R₀＝50Ω)和具有从1到16的若干输出端口的功率分流器的输入输出传输系数(1输出功率分流器是包括直接输入输出连接的平凡结构)。

图1中显示的结构未能满足的附加要求是要求2，即N个输出端口的每一个输出端口应当单独地可选择作为传输的输出端口或不传输的输出端口。

因此，本发明的目的是减少或甚至避免上面提到的缺点。

该目的由根据权利要求1的可切换的信号路由电路、根据权利要求15的用于操作可切换的信号路由电路的方法和根据权利要求17的计算机程序来解决。

提供了用于在至少一个输入端口与至少一个输出端口之间路由信号的可切换的信号路由电路。端口通过可变电阻器被连接至公共节点，其中可切换的信号路由电路被配置为根据活跃端口的数量来设置可变电阻器的电阻值。

此外，提供了用于操作用于在至少一个输入端口与至少一个输出端口之间路由信号的可切换的信号路由电路的方法。端口通过可变电阻器被连接至公共节点。该方法包括根据活跃端口的数量来设置可变电阻器的电阻值。

本文将参考附图对本发明的实施例进行描述。

图1显示了无源N路分流器的框图。

图2在表中列出了N路功率分流器的电阻值和传输系数。

图3显示了无源可切换的功率分流器的框图。

图4a显示了具有串联元件的吸收性SPST的框图。

图4b显示了具有并联元件的吸收性SPST的框图。

图5根据本发明的实施例显示了可切换的信号路由电路的框图。

图6a显示了可变电阻器的框图。

图6b显示了基于PIN二极管的图6a中显示的可变电阻器的实现。

图6c显示了基于FET的图6a中显示的可变电阻器的实现。

图7a显示了可变电阻器的框图。

图7b根据本发明的实施例显示了图7a中显示的可变电阻器的实现的框图。

图7c根据本发明的进一步的实施例显示了图7a中显示的可变电阻器的实现的框图。

图7d根据本发明的进一步的实施例显示了图7a中显示的可变电阻器的实现的框图。

图7e根据本发明的进一步的实施例显示了图7a中显示的可变电阻器的实现的框图。

图8在表中列出了图7b中显示的可变电阻器和图7c中显示的可变电阻器能够提供的不同的电阻值。

图9在表中比较了为了提供相同数量的不同电阻值，要求图7b中显示的可变电阻器的电阻器单元的数量和要求图7c中显示的可变电阻器的电阻器单元的数量。

相同或等同的元件或具有相同或等同的功能的元件在下面的描述中通过相同或等同的参考编号来表示。

在对本发明的实施例进行描述之前，提出了通过在输出处引入额外的SPST开关来满足要求2(表明N个输出端口的每一个输出端口应当单独地可选择作为传输的输出端口或不传输的输出端口)的无源可切换功率分流器。

图3显示了无源可切换的功率分流器20的框图。注意到图3中显示的结构是基于图1中显示的结构，通过在被表示为P₂至P_N+1的N个输出端口处添加N个单刀单掷(SPST)开关22₂至22_N+1而得到。因此，SPST开关是N＝1的SPNT开关的特殊与简化的情形。

换句话说，无源可切换的功率分流器20包括无源分流器21，该无源分流器21包括N+1个等值电阻器R₁至R_N+1，和在等值电阻器R₁至R_N+1与输出端口P₂至P_N+1之间进行连接的N个单刀单掷(SPST)开关22₂至22_N+1。

图3中使用的SPST开关22₂至22_N+1是吸收性的，它们呈现了理想地完全阻抗匹配至它们两个端口，独立于各自的端口是否是传输(即，活跃)或不传输(即，不活跃)，或换句话说，独立于设置的状态。这样，图3中显示的无源分流器20在正常情况下(它的所有的端口是阻抗匹配的)工作，同时所有的输出端口P₂至P_N+1可以单独地被选择为传输或不传输。

图4a与4b显示了在非传输状态下具有阻抗匹配的吸收性SPST开关的两种替代结构。更确切地说，图4a显示了具有串联元件(具有R₀的SW_A和具有R₀的SW_C)的吸收性SPST开关的实现，图4b显示了具有并联元件(具有R₀的SW_D和具有R₀的SW_H)的吸收性SPST开关的实现。

图4a中显示的吸收性SPST开关22包括输入端口P_k’、输出端口P_k、参考终端24、第一开关SW_A、第二开关SW_B、第三开关SW_C、第一参考阻抗R₀和第二参考阻抗R₀。

第一开关SW_A和第二开关SW_B在输入端口P_k’与输出端口P_k之间串联连接。第一开关SW_A与第二开关SW_B之间的公共节点23通过第三开关SW_C连接至参考终端24。参考终端24可以被配置为提供参考电位，例如，接地电位。因此，参考终端24可以是接地终端。

换句话说，第一开关SW_A、第二开关SW_B和第三开关SW_C在输入端口P_k’、输出端口P_k和参考终端24之间形成星形连接。

第一参考阻抗R₀被并联连接至第一开关SW_A，其中第二参考阻抗R₀被并联连接至第二开关SW_B。

图4b中显示的吸收性SPST开关22包括输入端口P_k’、输出端口P_k、参考终端(多个参考终端)24、第四开关SW_D、第五开关SW_E、第六开关SW_E、第七开关SW_G、第八开关SW_H、第一参考阻抗R₀和第二参考阻抗R₀。

第五开关SW_E和第七开关SW_G在输入端口P_k’与输出端口P_k之间串联连接。第五开关SW_E与第七开关SW_G之间的公共节点23通过第六开关SW_F连接至参考终端(多个参考终端中的一个)24。换句话说，第五开关SW_E、第六开关SW_F和第七开关SW_G在输入端口P_k’、输出端口P_k和参考终端(多个参考终端中的一个)24之间形成星形连接。

第四开关SW_D和第一参考阻抗R₀在输入端口P_k’与参考终端(多个参考终端中的一个)24之间串联连接。第八开关SW_H和第二参考阻抗R₀在输出端口P_k与参考终端(多个参考终端中的一个)24之间串联连接。

注意到参考终端(多个参考终端)24可以是提供接地电位的接地终端(多个接地终端)。

如已经提到的，图4a中显示的吸收性SPST开关22或者图4b中显示的吸收性SPST开关22都可以被添加至图1中显示的无源N路分流器10的每一个输出，从而获得图2中显示的无源可切换的功率分流器20。

因此，每一SPST开关22具有串联开关设备和并联开关设备，该串联开关设备和并联开关设备可以假定非常高(理想地无穷大)或非常低(理想地零)的阻抗值。当开关SW_A、SW_B、SW_E和SW_G短接时，SPST开关22将它的两个RF端口P_k’和P_k互相连接。当开关SW_C、SW_D、SW_F和SW_H短接时，SPST开关22将它的两个RF端口P_k’和P_k互相分离。传输或不传输，SPST开关22总是向无源分流器21和外部输出端口P₂至P_N+1呈现匹配的端口P_k’和P_k。

图3中显示的结构的主要不便是它的插入损耗，插入损耗是取决于可用的输出端口P₂至P_N+1的数量N，而不是实际被选择的或活跃的输出端口P₁至P_M+1的数量M(M≤N)。由于传输系数与输出端口P₂至P_N+1的数量N成反比，当少于可用的输出端口(即当M＜N时)被选择时，不能实现最小可能的插入损耗。以下示例可以澄清这一点。

因此，假定网络包括具有R₀＝50Ω的四个(N＝4)输出端口。图2中显示的表的第四行的值可以从等式(1)和(3)获得，即每一等值电阻器R₁至R₅的电阻R_k为30Ω，以及输入输出传输系数(20·log₁₀(|s_k1|))为-12.04dB。

如果四个输出端口中仅两个被选择为传输，而且获得的输入输出传输系数(20·log₁₀(|s_k1|))是-12.04dB，然而图2中显示的表的第二行表明包括两个输出端口的无源分流器的传输系数应当只有-6.02dB。

因此，图3中显示的结构在活跃的输出端口的数量减少的情况下，没有利用由分流器提供的机会以实现更低的插入损耗。所有这些与表明分配网络的插入损耗应当被减少(或甚至被最小化)的要求5形成强烈反差。

随后，描述了减少或甚至避免了上面提到的缺点的本发明的实施例。

在下面的描述中，详细描述了多个细节，从而提供了本发明的实施例的更详尽的解释。然而，本发明的实施例可以在没有这些特定的细节的情况下被实施，这对本领域的技术人员而言是显而易见的。在其他实例中，公知的结构和设备被显示为框图形式，而不是详细形式，以避免混淆本发明的实施例。此外，下面所描述的不同实施例的特征可以互相组合，除非另外特别注明。

图5根据本发明的实施例，显示了可切换的信号路由电路100的框图。可切换的信号路由电路100被配置为在至少一个输入端口与至少一个输出端口之间路由信号，其中端口P₁至P_N+1通过可变电阻器R₁至R_N+1被连接至公共节点102。可切换的信号路由电路100被配置为根据活跃端口P₁至P_L的数量L设置可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值。

根据本发明的概念，可切换的信号路由电路100包括可变电阻器R₁至R_N+1，而不是如图1中的情况下的固定的等值电阻器。换句话说，图1中显示的无源N路分流器的固定的等值电阻器R₁至R_N+1由可变电阻器R₁至R_N+1替换。此外，可切换的信号路由电路100被配置为根据活跃端口P₁至PL的数量L设置可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值。

因此，N可以是大于等于二的自然数(N≥2)，其中L可以是大于等于二，并且小于等于N+1的自然数(2≤L≤N+1)。

例如，可切换的信号路由电路100可以包括3、4、5、10、20、30、40、50、100或更多的端口P₁至P_N+1。

注意到可切换的信号路由电路100可以包括多个输入/输出端口P₁至P_N+1，其中多个输入/输出端口P₁至P_N+1中的至少一个被用作输入端口，并且其中多个输入/输出端口P₁至P_N+1中的至少另一个被用作输出端口。

例如，可切换的信号路由电路100可以包括一个输入端口P₁和多个输出端口P₂toP_N+1。在这种情况下，可切换的信号路由电路100可以被称为信号分流器。

此外，可切换的信号路由电路可以包括多个输入端口P₂toP_N+1和一个输出端口P₁。在这种情况下，可切换的信号路由电路100可以被称为信号组合器。

当然，可切换的信号路由电路100还可以同时包括多个输入端口和多个输出端口。或换句话说，可切换的信号路由电路100还可以同时包括多于一个的输入端口(例如，2、3、5、10、20、30、50或更多的输入端口)和多于一个的输出端口(例如，2、3、5、10、20、30、50或更多的输出端口)。

在一些实施例中，可切换的信号路由电路100可以被配置为接收描述活跃端口P₁至P_L的数量L的控制信息，并且响应于该控制信息自动地设置可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值。

因此，可切换的信号路由电路100可以被配置为设置所有的可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值。此外，可切换的信号路由电路100可以被配置为仅设置与活跃端口P₁至P_L连接的可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值。

此外，可切换的信号路由电路100可以被配置为单独地设置每一可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值或与活跃端口P₁至P_L连接的每一可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值。

此外，可切换的信号路由电路100可以被配置为将可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值，或与活跃端口P₁至P_L连接的电阻器R₁至R_N+1的电阻值设置为相同的值。

例如，可切换的信号路由电路100可以被配置为基于公式(5)将每一可变电阻器R₁至R_N+1的电阻值R设置在±10％(或5％、或3％、或1％)的公差之内。

$R=R_0\frac{M-1}{M+1}---\left(5\right)$

其中，M＝L-1，其中L是活跃端口的数量，并且其中R₀是参考阻抗，例如，具有50Ω(或60Ω、或70Ω、或110Ω)的电阻。

此外，可切换的信号路由电路100可以被配置为用终端电阻器终止不活跃的端口P_L+1至P_N+1。

终端电阻可以在不活跃的端口P_L+1至P_N+1处提供参考阻抗。例如，例如终端电阻可以具有50Ω(或60Ω、或70Ω、或110Ω)的参考阻抗。

此外，可切换的信号路由电路100可以被配置为从公共节点102断开不活跃的端口P_L+1至P_N+1。

可切换的信号路由电路100(N+1端口网络)既可以被用来将在一个输入端口处的一个输入信号分配至M个可选的输出端口，也可以被用来将被连接至M个可选的输入端口的M个源组合至公共输出端口。在第一种情况下，网络100的端口P₁可以是输入端口，并且余下的N个端口P₂至P_N+1可以是输出端口。在第二种情况下，网络100的端口P₁可以是输出端口，并且余下的N个端口P₂至P_N+1可以是输入端口。

可重配置的分配网络100可以是纯无源且理想地，或近乎是线性的。由此看来，因而断定，在实践中，网络100也是互易的。因此，作为源分配器(或分流器)或源组合器的使用情况是完全等同的。因此，下面涉及作为源分配器的使用情况的考虑也可以适用于源组合器的使用情况。

换句话说，下面假定可切换的信号路由电路100包括一个输入端口P₁和多个输出端口P₂至P_N+1。因此，所选择的或活跃的输出端口的数量用M来表示，其中M等于活跃端口(即，活跃输入端口和输出端口)的数量L减一(M＝L-1)。

如已经指示的，本发明的基本思想是用可变受控的电阻器替换图1中显示的无源分流器10的固定的电阻器R_k(1≤k≤N+1)。更确切地说，与输入端口P₁和所选择的输出端口P₂至P_L＝M+1连接的L＝M+1个电阻器将假定值为R₀·(M-1)/(M+1)，这里M(1≤M≤N)是所选择的(或活跃)输出端口的数量。余下的N-M个电阻器R_L+1至R_N+1(与未被选择的输出端口P_L+1至P_N+1连接)将理想地是开路电压。

在射频(RF)中，电流(电压)受控的电阻器的传统实现采用PIN(正本征负)二极管或场效应晶体管(FET)，如“GiovanniBianchi：MicrowaveandRFEngineering，Ch.10，pp.389-400”中所描述的。

图6a至6c概括了所得到的结构。因此，图6a显示了可变电阻器R_k(1≤k≤N+1)的框图，其中图6b显示了图6a中显示的可变电阻器R_k的基于PIN二极管(电流受控的)的实现，以及其中图6c显示了图6a中显示的可变电阻器R_k的基于FET(电压受控的)的实现。

下面的问题是图6a至6c中显示的可变电阻实现的主要缺点。

9.所得的RF电阻可能严重依赖于控制量(电流或电压)的值。

10.所得的RF电阻也随温度变化。

11.对给定的控制量和温度，所得的RF电阻每一个均不同。

12.所得的网络本质上是非线性的，特别是当可变电阻被设置为中间状态(既不接近它的最低可能阻抗也不接近它的最高可能阻抗)时。

问题9至11与要求6(表明分配网络的温度依赖性应当被减少(或甚至被最小化))和要求8(表明分配网络对制造工艺变化的敏感性和后期制作调整的要求应当被减少(或甚至被最小化))形成强烈反差。因此，特别是问题10与要求6形成强烈反差。

此外，问题12趋向于阻碍要求7(分配网络的线性度应当被增加(或甚至最大化))的实现。

这些考虑通过使用图7a至7c的方案，建议“数字化”受控的可变电阻器的实现。图7a至7c的开关元件既可以用PIN二极管也可以用FET来实现，分别用图4a或4b中显示的类型的电路解决方案。图7b和7c的情况的特殊性是半导体设备(PIN二极管或FET)不在它的中间电阻使用，而仅在极端状态(即，理想地开路或短接)使用。该解决方案解决了问题9并且极度地减轻了问题10、11和12。事实上，PIN(FET)需要驱动电流(电压)高于或低于最小电阻状态或最大电阻状态的给定界限。此外，非线性、温度依赖性、和从片至片的参数变化通常在极端阻抗区域处要远小于在中间阻抗区域处。

图7a根据本发明的实施例显示了可变电阻器的框图。图7a中显示的可变电阻器可以被用于实现图5中显示的可切换的信号路由电路100的可变电阻器R₁至R_N+1，其中k是大于等于一，并且小于等于N+1的自然数(1≤k≤N+1)。

图7b根据本发明的实施例，显示了图7a中显示的可变电阻器R_k的实现的框图。

图7b中显示的可变电阻器R_k可以在公共节点102与多个端口P₁至P_N+1中的一个之间连接。因此，可切换的信号路由电路100可以包括在多个端口P₁至P_N+1与公共节点102之间连接的多个可变电阻器R_k。

每一可变电阻器R_k可以包括开关SW₀，为了当端口处于不活跃状态时从公共节点102断开各自的端口。注意到尽管在图7b中被显示为可切换的电阻器R_k的一部分，开关SW₀还可以在可变电阻器R_k的外部被实现。在这种情况下，为了当端口处于不活跃状态时从公共节点102断开端口(以及当端口时活跃状态时将端口连接至公共节点)，开关SW₀可以在公共节点102和各自的端口之间与可变电阻器R_k串联连接。

此外，每一可变电阻器R_k可以包括串联连接的多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1，其中可切换的电阻器单元104₁至104_N-1在活跃与不活跃之间是可切换的。

注意到当电阻器单元的电阻起作用时，电阻器单元可以处于它的活跃状态，当电阻器单元的电阻不起作用时，电阻器单元可以处于它的不活跃状态，例如，被绕过。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1可以包括不同电阻值，其中可切换的信号路由电路100可以被配置为通过选择性地激活一个或多个各自的电阻器单元104₁至104_N-1来设置各自的可变电阻器R_k的电阻值。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1中的每一个可以包括电阻器元件与开关的并联连接。

如图7b中指示的，多个可变电阻器R₁至R_N+1中的每一可变电阻器R_k可以包括N个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1，其中N个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1中的第j个可切换的电阻器单元的电阻值R_j通过公式(6)来给出，在±10％(或5％、或3％、或1％)的公差之内，

$R_j=R_0\frac{j-1}{j+1},(1\≤j\≤N)---\left(6\right)$

其中，j是可切换的电阻器单元104₁至104_N-1的编号，其中N是可切换的信号路由电路100的端口P₁至P_N+1的数量减一，并且其中R₀是诸如50Ω(或60Ω、或70Ω、或110Ω)之类的参考阻抗。

因此，可切换的信号路由电路100可以被配置为激活具有编号j＝M＝L-1的可切换的电阻器单元104_j，并且去激活其他可切换的电阻器单元。

换句话说，图7b的解决方案包括绕过N个电阻的N+1个开关元件SW₁至SW_N。当对应于电阻本身的输出端口不传输时，用SW₀来表示的0^th开关元件可以被用来防止可变电阻结构(当端口不活跃时在各自的输出端口处用R₀来终止，或在与各自的不活跃输出端口连接的可变电阻器的终端处)载入电阻器公共节点102。如果M个输出端口被选择(1≤M≤N)用于传输，余下的N个开关元件总是短接，只有SW_j＝M除外。在一个单独选择的输出端口(M＝1)的特殊情况下，涉及该端口和输入的电阻器的所有开关元件均短接，同时所有其他开关元件是开路电压。

开关SW₀的积极副作用是未被选择的输出(至少理想地)现在从分流器分离。因此，相应的输出SPST开关22在分流器侧不再需要是吸收性的，即，图4a或4b中的SW_A或SW_D以及相关联的R₀可以被移除。这将简化结构，然而同时提高了插入损耗和回波损耗。

注意到图7b的电阻分配不是唯一的。具有不同开关促动策略的其他可能的实现是可能的，例如，针对SW₁的R₀·1/3、针对SW₂的R₀·(2/4-1/3)、针对SW₃的R₀·(3/5-2/4-1/3)等等。在这种情况下，从SW₁至SW_M的所有的M个开关元件将是打开的，同时从SW_M+1至SW_N的余下N-M个开关元件将是短接的。

图7c根据本发明的进一步的实施例，显示了图7a中显示的可变电阻器R_k的实现的框图。

每一可变电阻器R_k可以包括串联连接的多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1，其中可切换的电阻器单元104₁至104_N-1在活跃与不活跃之间是可切换的。

注意到当电阻器单元的电阻起作用时，电阻器单元可以处于它的活跃状态，当电阻器单元的电阻不起作用时，电阻器单元可以处于它的不活跃状态，例如，被绕过。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1可以包括不同电阻值，其中可切换的信号路由电路100可以被配置为通过选择性地激活一个或多个各自的电阻器单元104₁至104_N-1来设置各自的可变电阻器R_k的电阻值。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1中的每一个可以包括电阻器元件与开关的并联连接。

如图7c中指示的，可变电阻器R₁至R_N+1中的每一电阻器R_k可以包括Q个可切换的电阻器单元104₁至104_Q，其中Q个可切换的电阻器单元104₁至104_Q中的第i个可切换的电阻器单元的电阻值R_i通过公式(7)来给出，在±10％(或5％、或3％、或1％)的公差之内，

R_I＝2^I-1R_X(1≤I≤Q)(7)

其中，i是可切换的电阻器单元的编号，其中Q＝log₂N，其中N是可切换的信号路由电路100的端口P₁至P_N+1的数量减一，并且其中R_x是给定阻抗。

换句话说，针对不同数量的所选择的输出端口所要求的各种电阻值可以用图7c中显示的二进制结构来近似。至少在理想的情况下，这简化了结构，尽管以实现的电阻值精度较低为代价。

在实践中，开关元件始终较低的数量给出了更低的RF寄生效应，这可能过分补偿了精度的缺失。

图7d根据本发明的进一步的实施例，显示了图7a中显示的可变电阻器R_k的实现的框图。

此外，每一可变电阻器R_k可以包括并联连接的多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1，其中可切换的电阻器单元104₁至104_N-1在活跃与不活跃之间是可切换的。

注意到当电阻器单元的电阻起作用时，电阻器单元可以处于它的活跃状态，当电阻器单元的电阻不起作用时，电阻器单元可以处于它的不活跃状态，例如，被绕过。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1可以包括不同电阻值，其中可切换的信号路由电路100可以被配置为通过选择性地激活一个或多个各自的电阻器单元104₁至104_N-1来设置各自的可变电阻器Rk的电阻值。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1中的每一个可以包括电阻器元件与开关的串联连接。

如图7d中指示的，多个可变电阻器R₁至R_N+1中的每一可变电阻器R_k可以包括N个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1，其中N个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1中的第j个可切换的电阻器单元的电阻值R_j通过公式(6)来给出，在±10％(或5％、或3％、或1％)的公差之内，

$R_j=R_0\frac{j-1}{j+1},(1\≤j\≤N)---\left(6\right)$

其中，j是可切换的电阻器单元104₁至104_N-1的编号，其中N是可切换的信号路由电路100的端口P₁至P_N+1的数量减一，并且其中R₀是诸如50Ω(或60Ω、或70Ω、或110Ω)之类的参考阻抗。

因此，可切换的信号路由电路100可以被配置为激活具有编号j＝M＝L-1的可切换的电阻器单元104_j，并且去激活其他可切换的电阻器单元。

图7e根据本发明的进一步的实施例，显示了图7a中显示的可变电阻器R_k的实现的框图。

每一可变电阻器R_k可以包括并联连接的多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1，其中可切换的电阻器单元104₁至104_N-1在活跃与不活跃之间是可切换的。

注意到当电阻器单元的电阻起作用时，电阻器单元可以处于它的活跃状态，当电阻器单元的电阻不起作用时，电阻器单元可以处于它的不活跃状态，例如，被绕过。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1可以包括不同电阻值，其中可切换的信号路由电路100可以被配置为通过选择性地激活一个或多个各自的电阻器单元104₁至104_N-1来设置各自的可变电阻器Rk的电阻值。

多个可切换的电阻器单元104₁至104_N-1中的每一个可以包括电阻器元件与开关的串联连接。

如图7e中指示的，可变电阻器R₁至R_N+1中的每一电阻器Rk可以包括Q个可切换的电阻器单元104₁至104_Q，其中Q个可切换的电阻器单元104₁至104_Q中的第i个可切换的电阻器单元的电阻值R_i通过公式(7)来给出，在±10％(或5％、或3％、或1％)的公差之内，

R_I＝2^I-1R_X(1≤I≤Q)(7)

其中，i是可切换的电阻器单元的编号，其中Q＝log₂N，其中N是可切换的信号路由电路100的端口P₁至P_N+1的数量减一，并且其中R_x是给定阻抗。

总而言之，图7b的电路实现使用N+1个串联单元，每一单元包括具有一个并联电阻器的一个FET(明显的例外是SW₀，它没有并联电阻器，但是该单元可以被认为是具有并联的无穷大的电阻的一个FET)。图7d中显示了完全(至少理论上是)等同的实现。图7d中的网络可以实现与图7b中完全相同的电阻值[0，R0/3，...R₀·(N-1)/(N+1)，∞，只是使用开关FET的不同的促动策略。

类似地，图7c的电路还可以被实现为图7e的电路，即，后者还实现了2^Q个不同的电阻值(加上开路和短接)。计算策略与图7c中的网络的情况相同，只是使用各种状态中不同的电阻值(记住，图7c与图7b的网络没有完全实现各种状态中所要求的电阻。两个都是给出近似的值，两个网络的值不一样，但针对两个网络所得到的反射系数(9)可以使之相同)。

图8在表中列出了图7b中显示的可变电阻器R_k和图7c中显示的可变电阻器R_k能够提供的电阻值。因此，图7b中显示的结构实现了在图8中显示的表的第一行中列出的电阻值，其中，图5c中显示的结构实现了在图8中显示的表的第二行中列出的电阻值。

图9在表中比较了为了提供相同数量的不同电阻值，要求图7b中显示的可变电阻器R_k的电阻器单元104₁至104_N的数量N和要求图7c中显示的可变电阻器R_k的电阻器单元104₁至104_Q的数量Q。

换句话说，图9在表中的第一列和第二列上分别列出了精确(图7b)实现和二进制(图7c)实现所要求的开关元件的数量。

下面，讨论了用图7c中显示的二进制数字可变电阻器R_k实现的部件值(或电阻值)。任一电阻器的电阻R_k＝R^(M)，假定该值是2^Q个可能值(即，0、R_X、2R_X、3R_X、(2^Q-1)R_X)之中的一个。在输出端口所呈现的电阻是：

$R_{IN}=R^{\left(M\right)}+\frac{R^{\left(M\right)}+R_0}{M}---\left(8\right)$

所得到的反射系数是：

${\mathrm{\ρ}}_{IN}=\frac{R_{IN}-R_0}{R_{IN}+R_0}=\frac{R^{\left(M\right)}+\frac{R^{\left(M\right)}+R_0}{M}-R_0}{R^{\left(M\right)}+\frac{R^{\left(M\right)}+R_0}{M}+R_0}=\frac{(1+M)\frac{R^{\left(M\right)}}{R_0}+1-M}{(1+M)\frac{R^{\left(M\right)}}{R_0}+1+M}---\left(9\right)$

为了最小化反射系数(8)的振幅，可能的设计方法可以包括选择二进制递进的可变电阻器R_k的位电阻R_X和2^Q个可用的状态之中的N个状态。出于这一考虑，一个可能的自由度是考虑以下的值，即，在不同数量的所选择的端口、或值之间的平均、或不同组合之中的最坏的情况。

例如，如果N＝4，则最好的最坏情况下的回波损耗的最优位电阻是它给出了对于M＝2，最坏情况下回波损耗为大约22.67dB。

在两个输出的整数次幂的特定(但是频繁)情况下(2^N_INTEGER，这里N_INTEGER是整数，例如N＝2，4，8...)，可用状态的数量不大于所要求的数量。在这种情况下，设计过程仅限于R_X的选择，除非为了获得灵活性和更好的阻抗匹配，更多的阶被引入二进制递进的可变电阻器。

总而言之，上面所描述的可切换的信号路由电路100(线性的N+1端口网络)可以但不限于将呈现在公共输入端口处的信号拆分至M个可选的输出端口，或将呈现在M个可选的输入端口处的信号组合至公共输出端口。因此，可切换的信号路由电路100满足下面的要求(或约束)(其中至少一些)：

1.可切换的信号路由电路是宽带的(理论上从DC到无穷大频率)。该电路的频率下限可以是DC(0Hz)。频率上限可以理论上是无穷大(理想的FET情况下)。最大可使用频率的实际值从若干因素的组合得到，即，端口的数量(本文中表示为N+1，N越大最大频率越低)、相对于理想的情况下的可接受的性能降幅、FET技术(即，实际的FET不能作为理想的受控开关，相反它们呈现有限的电阻，在ON和OFF状态中的寄生电阻)、组装技术的类型(也增加寄生电阻)。典型的数量是N＝4，砷化镓单片微波集成电路(Ga-AsMMIC)技术，在最高频率下插入损耗为降低1-2dB[与等式(2)的理想的情况相比，等式(2)的理想的情况给出s₂₁＝0.25，即-12dB]，最大频率＝10GHz。

2.N个输出端口P₂至P_N+1的每一个输出端口可以单独地被选择为传输的输出端口或不传输的输出端口。

3.被选择用于传输的输入端口P₁和所有的M个输出端口P₂至P_M+1可以是阻抗匹配的。

4.不仅该M个传输端口P₂至P_M+1，而且余下的输出端口P_M+2至P_N+1可以是阻抗匹配的，即，不依赖于哪个(哪些)端口处于传输状态，设备100的所有N+1个端口可以是阻抗匹配的。

5.可切换的信号路由电路100的插入损耗被减少了(或甚至被最小化)。

6.可切换的信号路由电路100的温度依赖性被降低了(或甚至被最小化)。

7.可切换的信号路由电路100的线性度被增加了(或甚至最大化)。

8.可切换的信号路由电路对制造工艺变化的敏感性和后期制作调整的要求被减少了(或甚至被最小化)。

进一步的实施例提供了用于操作用于在至少一个输入端口与至少一个输出端口之间路由信号的可切换的信号路由电路的方法，其中端口通过可变电阻器的方式被连接至公共节点。该方法包括根据活跃端口的数量来设置可变电阻器的电阻值。

因此，该方法可以包括改变活跃端口的数量，以及响应于活跃端口的数量的改变，自动地设置可变电阻器的电阻值。

进一步的实施例提供了可变的最小化插入损耗功率组合器结构(可切换的信号路由电路)，即，具有固定电阻器R₁至R_N+1的图1或图2被可变的受控电阻器替换。可变电阻器可以被实现为图7b或7c中所显示的。

虽然一些方面已经在装置的环境中进行了描述，但是显然，这些方面也表示相应的方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，方法步骤的环境中所描述的方面也表示相应的装置的相应的块、项或特征的描述。一些或所有的方法步骤可以由(或使用)硬件装置来执行，例如，微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的某个或某些可以由这样的装置来执行。

根据某些实现要求，本发明的实施例可以在硬件中或在软件中被实现。实现可以使用数字存储介质来执行，例如，软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或FLASH存储器，具有之上存储的电子可读控制信号，该电子可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够协作)，以便执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，以便执行本文所描述的方法中的一个。

通常，本发明的实施例可被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品运行在计算机上时，程序代码被操作用于执行方法中的一个。例如，程序代码可以被存储在机器可读载体上。

其他实施例包括用于执行本文中所描述的方法中的一个的计算机程序，该计算机程序存储在机器可读载体上。

换句话说，因此，本发明的方法的实施例是计算机程序，该计算机程序具有当该计算机程序在计算机上运行时，用于执行本文中所描述的方法中的一个的程序代码。

因此，本发明的方法的进一步的实施例是数据载体(或数字存储介质、或计算机刻度介质)，该数据载体包括存储于之上的用于执行本文中所描述的方法中的一个的计算机程序。数据载体、数字存储介质或有记录的介质通常是有形的和/或非暂态。

因此，本发明的方法的进一步的实施例是表示用于执行本文中所描述的方法中的一个的计算机程序的数据流或信号序列。例如，数据流或信号序列可以被配置为通过数据通信连接来传递，例如，通过因特网。

进一步的实施例包括处理装置，例如，被配置为或适用于执行本文中所描述的方法中的一个的计算机或可编程逻辑设备。

进一步的实施例包括计算机，该计算机具有安装于之上的用于执行本文中所描述的方法中的一个的计算机程序。

根据本发明的进一步的实施例包括装置或系统，该装置或系统被配置为将用于执行本文中所描述的方法中的一个的计算机程序传递(例如，电子地或光学地)至接收器。例如，该接收器可以是计算机、移动设备、存储器设备等等。例如，该装置或系统可以包括用于将计算机程序传递至接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可编程逻辑设备(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本文中所描述的方法的一些或所有功能。在一些实施例中，为了执行本文中所描述的方法中的一个，现场可编程门阵列可以与微处理器协作。通常，方法优选地由任意硬件装置来执行。

上面描述的实施例仅仅是用于说明本发明的原理。应当理解，本文中所描述的布置和细节的修改和变形对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，其旨在只通过下面的专利权利要求的范围来限制，而不是通过由本文中的实施例的描述和解释的方式来呈现的特定细节来限制。

Claims (19)

1.一种可切换的信号路由电路(100)，用于在至少一个输入端口与至少一个输出端口之间路由信号，其中端口(P₁至P_N+1)通过可变电阻器(R₁至R_N+1)连接至公共节点(102)，其中所述可切换的信号路由电路(102)被配置为根据活跃端口(P₁至P_L)的数量(L)来设置所述可变电阻器(R₁至R_N+1)的电阻值。

2.如权利要求1所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可切换的信号路由电路(100)被配置为接收描述所述活跃端口(P₁至P_L)的数量(L)的控制信息，并且响应于所述控制信息，自动地设置所述可变电阻器(R₁至R_N+1)的电阻值。

3.如权利要求1或2所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可切换的信号路由电路(100)被配置为通过终端电阻器终止不活跃的端口(P_L+1至P_N+1)。

4.如权利要求1至权利要求3之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可切换的信号路由电路(100)被配置为从所述公共节点(102)断开不活跃的端口(P_L+1至P_N+1)。

5.如权利要求4所述的可切换的信号路由电路(100)，其中为了从所述公共节点(102)断开所述不活跃的端口(P_L+1至P_N+1)，所述可切换的信号路由电路(100)包括开关(SW₀)，所述开关(SW₀)在所述公共节点(102)和所述端口(P₁至P_N+1)之间与所述可变电阻器(R₁至R_N+1)串联连接。

6.如权利要求1至权利要求5之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可变电阻器(R₁至R_N+1)中的每一个可变电阻器包括串联连接的多个可切换的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)，其中所述可切换的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)在活跃与不活跃之间是可切换的。

7.如权利要求6所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述多个可切换的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)中的每一个可切换的电阻器单元包括电阻器元件与开关的并联连接。

8.如权利要求1至权利要求5之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可变电阻器(R₁至R_N+1)中的每一个可变电阻器包括并联连接的多个可切换的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)，其中所述可切换的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)在活跃与不活跃之间是可切换的。

9.如权利要求8所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述多个可切换的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)中的每一个可切换的电阻器单元包括电阻器元件与开关的串联连接。

10.如权利要求6至权利要求10之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述多个可切换的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)包括不同的电阻值，其中所述可切换的信号路由电路(100)被配置为通过选择性地激活一个或多个各自的电阻器单元(104₁至104_N；104₁至104_Q)来设置所述多个可变电阻器(R₁至R_N+1)的各个可变电阻器的电阻值。

11.如权利要求1至权利要求10之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可切换的信号路由电路(100)被配置为在±10％的公差之内基于公式：

$R=R_0\frac{M-1}{M+1}$

设置所述可变电阻器(R₁至R_N+1)中的每一个可变电阻器的电阻值，

其中M＝L-1，其中L是所述活跃端口(P₁至P_L)的数量，以及其中R₀是参考阻抗。

12.如权利要求6至权利要求10之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可变电阻器(R₁至R_N+1)中的每一个可变电阻器包括N个可切换的电阻器单元(104₁至104_N)，其中所述N个可切换的电阻器单元(104₁至104_N)中的第j个可切换的电阻器单元的电阻值R_j在±10％的公差之内通过公式：

$R_j=R_0\frac{j-1}{j+1},(1\≤j\≤N)$

给出，

其中，j是所述可切换的电阻器单元的编号，其中N是所述可切换的信号路由电路(100)的端口(P₁至P_N+1)的数量减一，以及其中R₀是参考阻抗。

13.如权利要求12所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可切换的信号路由电路(100)被配置为激活具有编号j＝L-1的可切换的电阻器单元，并且去激活其他可切换的电阻器单元，其中L是活跃端口的数量。

14.如权利要求6至权利要求10之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可变电阻器(R₁至R_N+1)中的每一个可变电阻器包括Q个可切换的电阻器单元(100₁至100_Q)，其中所述Q个可切换的电阻器单元(100₁至100_Q)中的第i个可切换的电阻器单元(100_i)的电阻值R_i在±10％的公差之内通过公式：

R_i＝2^l-1R_X(1≤l≤Q)

给出，

其中，i是所述可切换的电阻器单元(100_i)的编号，其中Q＝log₂N，其中N是所述可切换的信号路由电路(100)的端口(P₁至P_N+1)的数量减一，以及其中R_x是给定阻抗。

15.如权利要求1至权利要求14之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可切换的信号路由电路(100)包括一个输入端口(P₁)和多个输出端口(P₂至P_N+1)。

16.如权利要求1至权利要求15之一所述的可切换的信号路由电路(100)，其中所述可切换的信号路由电路(100)包括多个输入端口(P₂至P_N+1)和一个输出端口(P₁)。

17.一种用于操作可切换的信号路由电路的方法，所述可切换的信号路由电路用于在至少一个输入端口与至少一个输出端口之间路由信号，其中端口通过可变电阻器连接至公共节点，其中所述方法包括：

根据活跃端口的数量来设置所述可变电阻器的电阻值。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述方法包括：

改变活跃端口的数量；以及

响应于所述改变活跃端口的数量，自动地设置所述可变电阻器的电阻值。

19.一种计算机程序，所述计算机程序具有当在计算机或微处理器上运行时执行如权利要求17或18所述的方法的程序代码。