CN1053539C - 具有增益功能的高频讯号单刀多掷开关 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种具有增益功能的高频讯号单刀多掷开关，包括多个讯号输入端，还包括：与讯号输入端相同数目的晶体三极管；与晶体三极管数目相同的输入匹配网络；一个输出匹配网络；一个讯号输出端；一个直流偏压网络，本发明采用晶体三极管作为具有增益功能的开关元件，通过改变直流偏压网络的偏压值，使其中的一个晶体三极管处于线性放大区，其它的晶体三极管处于截止区以实现切换高频讯号的功能。

Description

具有增益功能的高频讯号单刀多掷开关
本发明涉及一种由晶体管组成的具有增益功能的高频讯号单刀多掷开关，特别是一种用晶体管构成的单刀多掷开关。
本发明适用于切换经降频后的垂直、水平偏极化卫星讯号的开关。
目前在切换式选择高频讯号的开关元件中，一种为继电器，另一种为PIN二极管，均能对多个信号源形成通路或开路的特性，但是，使用继电器作为选择开关时(即单刀多掷开关)，由于继电器为一种机械元件，与电子元件相比，在温度太高或太低时，其故障率较高，寿命又较短，而且属于被动元件，对讯号没有增益功能。利用PIN二极管作为此类开关时，虽能解决继电器故障率较高和寿命短的问题，但要能达到与继电器开关相同的讯号隔离度，所需元件数目较多(一般需要4至8个PIN二极管才能达到在BHF频段时20dB的隔离度)，而且对讯号有损耗。
本发明的目的是提供一种可靠性高、寿命长、元件数目少、结构简单的具有增益功能的高频讯号单刀多掷开关。
本发明采用晶体三极管作为开关元件，并利用切换其工作电压的方式决定晶体三极管进入线性放大区或截止区，以控制讯号的选通。
本发明包括多个讯号输入端，其特征在于还包括：与讯号输入端相同数目的晶体三极管，该晶体三极管构成具有增益功能的开关元件；与晶体三极管相同数目的输入匹配网络，每一个输出匹配网络接在相应的讯号输入端和晶体三极管输入端之间；一个讯号输出端；一个输出匹配网络，该输出匹配网络接在上述所有晶体三极管输出端与上述讯号输出端之间；一个直流偏压网络，该直流偏压网络为上述各晶体三极管提供偏压，使得在切换某输入讯号时，与其对应的晶体三极管处于线性放大区，而其它晶体三极管处于截止区。
由于本发明只采用了一个输出匹配网络，使整流开关的结构更为简单，又由于采用的开关元件为一成本低有增益的晶体三极管，因而不需另设放大器以补偿讯号的损失，进一步降低了成本。
图1是晶体三极管作为高频讯号增益元件的电路原理图。
图2是本发明的单刀双掷开关的电路原理图。
图3是图2所示电路的等效电路图。
图4是本发明的一个实施例电路图。
图5是本发明的另一个实施例电路图。
图6是图5中A、B、C、D点接入的直流偏压网络中的主动下拉电路的电路图。
图7是图6中输入电压与各输出点的状态表。
图8是一种输入匹配网络的电路图。
图9是一种输出匹配网络的电路图。
在图1中，晶体三极管BG1接成一个放大器，由图可知为使讯号源10与晶体三极管BG1输入端以及使晶体三极管BG1输出端与负载14之间彼此匹配，需在晶体三极管BG1的输入端和输出端上分别连接一输入匹配网络11和一输出匹配网络12，这样才能使放大器具有较佳的性能。其中电容CB、CC分别为BG1的输入，输出电容以防止基极、集电极电压被输入、输出网络所影响。扼流圈LB、LC用来防止交流讯号被直流电路影响，Zin、Zout分别表示BG1的输入、输出阻抗，电阻RB、RC分别为偏置电阻和集电极电阻。
当晶体三极管BG1的偏压使其工作在线性放大区时，对高频讯号具有放大作用，具有特定的输入和输出阻抗。但BG1进入截止区时，则失去放大作用，输入、输出阻抗接近无穷大。
适当选择电容CB、CC和扼流圈LB、LC的数值或采用其他偏压电路使之成为输入、输出匹配电路的一部分或全部，可以减少匹配电路所用元件。
本发明正是利用晶体三极管在线性放大区时具有放大作用，在截止区时输入、输出具有高阻抗的特性来实现发明任务的。
本发明用多个晶体三极管作为开关元件，在各晶体三极管输出端只采用一个输出匹配网络(图2的元件36)，为本发明的另一个主要特点，若各晶体三极管各自有其独立的输出匹配网络，则各匹配网络之间会产生相互影响，会使得各匹配网络内各元件的数值计算相当困难，本发明利用晶体三极管截止时，输出阻抗高的特性，控制在同一时间内只有一个晶体三极管处于线性放大区，并使各晶体三极管的输出端接在同一接点(如图2、图4、图5的符号A1点)上，而使开关电路在同一接点的输出阻抗非常接近于单一晶体管的输出阻抗，故只需使用一个晶体三极管的参数便可设计输出匹配网络，因而减少了设计多个输出匹配网络所需的元件，进一步降低了成本。
图2示出了单刀双掷开关电路(单刀多掷开关电路的一种电路)，该电路利用偏压切换单元35使晶体管BG1处于线性放大区，晶体管BG2处于截止区，等效电路如图3所示，由图可知，讯号从讯号源33经过输入匹配网络31至BG1后被放大，再由输出匹配网络36耦合到负载37。由于BG2此时处于截止区，其输入端接近开路、反射来自讯号源34的讯号，不会将该讯号耦合到输出匹配网络。这样，一方讯号被放大，另一方讯号被反射，就得到了一个讯号隔离度高的高频单刀双掷开关。
图4为本发明的一个实施例，在本例中，采用N沟道结型场效应管作为放大元件，以开关41作为控制电路，偏置电压VSS为负电压且小于两个N沟道结型场效应管JFET1、JFET2的夹断电压VP1、VP2，当开关41处于上端时，偏置电压VSS接JFET1的栅极，使JFET1进入截止区，失去了对来自输入端I/P1的讯号放大作用，而且由于结型场效应管在截止时其输入、输出阻抗很高，将输入讯号反射回讯号源，而又不影响输出电路的特性。而JFET2此时处于自偏压状态，对来自输入端I/P2的讯号有放大作用，在图中，IMN1、IMN2为输入匹配网络，OMN为输出匹配网络。
图5示出了用晶体三极管作单刀四掷(单刀多掷的一种)开关的电路，在图中，A、B、C、D四点分别为开关元件即晶体三极管BG1-BG4的基极直流偏压插入点，扼流圈LB1、LB2、LB3、LB4分别接在各晶体三极管偏置电阻R11、R21、RB1、R12、R22、RB2、R13、R23、RB3、R14、R24、RB4引出端(即A、B、C、D点)与各晶体三极管的基极之间，以阻隔高频讯号，CB1、CB2、CB3、CB4为输入电容，LC为输出扼流图，以阻隔高频信号，RC为降压电阻，I/P1、I/P2、I/P3、I/P4为讯号输入端，IMN1、IMN2、IMN3、IMN4为输入匹配网络，CC为输出电容，OMN为输出匹配网络，O/P为输出端。在A、B、C、D四点上分别接如图6所示的主动下拉电路的四个输出端。晶体三极管BG1、BG2、BG3、BG4与外围元件接成共发射极放大电路。
主动下拉电路由电压比较器Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6构成(型号为LM339)，具有四个输出端，每一个输出端分别与4个晶体三极管的直流输入端相接(即通过一扼流圈与晶体三极管的基极相接)。每一个比较器的一个输入端接一个基准电压，每一个比较器的另一输入端并接后接控制信号。比较器Q1的输出端接A点，Q2、Q3的输出端接B点，Q4、Q5的输出端接C点，Q6的输出端接D点，各输出端的电压与控制信号的电压关系如图7所示，在图7中“1”表示电压为0.7V，“0”表示电压0.2V，当控制电压为0-4.5V时，D点的电压为0.7V，BG4进入放大区，BG1、BG2、BG3于截止区，同理控制电压为4.5V-7.5V时，BG3进入放大区，BG1、BG2、BG4处于截止区，当控制电压为7.5V-10.5V时BG2进入放大区，BG1、BG3、BG4处于截止区，当控制电压为10.5V-Vcc时，BG1进入放大区，BG2、BG3、BG4处于截止区。对于晶体三极管BG1、BTG2、BG3、BG4来说，偏置电阻和主动下拉电路构成了直流偏压网络，主动下拉电路保证了开关元件即晶体三极管BG1、BG2、BTG3、BG4只有一个晶体三极管处于放大区，而其它晶体三极和处于截止区。这样就实现了通过改变控制信号的电压选择不同的高频输入讯号并对该信号进行放大的目的。
图8示出了一种输入匹配电路的结构。
图9示出了一种输出匹配电路的结构。
输入、输出匹配电路还可以采用其它的电路结构，但其电路结构不属于本发明的范围。
图6中所示的控制信号可来自遥控接收器输出的信号，也可以通过转换开关输入电阻分压器上的不同电压。
图5所示的单刀四掷开关特别适用于切换卫星电视信号，与现有的技术手段相比，具有以下特点：
(1)具有增益、且隔离度高。
(2)可靠度高、寿命长。
(3)电路结构简单。
(4)成本低。
(5)可以同各种控制信号相配合。

Claims (4)

1、一种具有增益功能的高频讯号单刀多掷开关，包括多个讯号输入端，其特征在于还包括：与讯号输入端相同数目的晶体三极管，该晶体三极管构成具有增益功能的开关元件；与晶体三极管相同数目的输入匹配网络，每一个输入匹配网络接在相应的讯号输入端和晶体三极管输入端之间；一个讯号输出端；一个输出匹配网络，该输出匹配网络接在上述所有晶体三极管输出端与上述讯号输出端之间；一个直流偏压网络，该直流偏压网络由主动下拉电路的输出端通过一扼流圈与晶体三极管基极相接为各晶体三极管提供偏压。
2、根据权利要求1所述的高频讯号单刀多掷开关，其特征在于：上述晶体三极管与外围元件接成共发射极电路。
3、根据权利要求1所述的高频讯号单刀多掷开关，其特征在于：所说的直流偏压网络，它是由偏置电阻和主动下拉电路构成，该主动下拉电路的每一输出端通过一扼流圈与晶体三极管的基极相接。
4、根据权利要求1所述的高频讯号单刀多掷开关，其特征在于：主动下拉电路由电压比较器构成。
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