CN106533412A

CN106533412A - 一种用于接收机的低损耗有源开关

Info

Publication number: CN106533412A
Application number: CN201610916311.1A
Authority: CN
Inventors: 毕晓君
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-03-22

Abstract

本发明公开了一种新型的用于接收机的低损耗有源开关结构。本发明提出了低噪声放大器与单刀双掷开关相结合的方法，能够消除开关引入的附加损耗，从而降低接收机的噪声系数。同时，对于辐射计而言，由于本发明的结构严格对称，实现了平衡校准，使得校准结果更加精确，分辨率得到提高。此外，本发明可以用于其他任何需要二选一通道功能的接收机，应用非常广泛，有很大的实用价值。

Description

一种用于接收机的低损耗有源开关

技术领域

本发明属于开关领域，更具体地，涉及一种新型的用于接收机的低损耗有源开关。

背景技术

在辐射计中，由于系统各个器件都会有闪烁噪声，进而会导致增益波动，然后降低辐射计的灵敏度。现有技术对此通常是对辐射计结构进行调整，在天线和低噪声放大器(LNA)之间加入一个单刀双掷开关，通过使用这个开关周期性地选择天线部分和参考电阻来对输入信号进行调制。当调制频率(f)大于闪烁噪声的拐角频率时，这样就能基本消除因噪声引起的辐射计的增益波动，从而提高辐射计的灵敏度。

然而开关带来了附加损耗，增加了辐射计的噪声系数，还导致了更大的噪声等效温度增量(NEDT)。图1描述了一种常用单刀双掷开关的结构，它在开关前面的上下两条支路上分别放了一个低噪声放大器(LNA)，使得灵敏度比传统的迪克辐射计提高了36％。然而，由于这两个低噪声放大器之间引入了非相关噪声以及不可避免的不平衡性，校准效果变差，进而导致温度分辨率降低。

除此之外，为了实现多接收通道的选择，普通的做法是在接收机的天线模块后插入一个单刀双掷开关。然而在多通道接收通信系统中，单刀双掷开关引入了附加损耗，增大了各接收通道的噪声系数。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型的用于接收机的低损耗有源开关结构，其目的在于降低接收机的开关损耗、实现辐射计的平衡校准或者通信系统中的多个接收通道间的切换，由此解决现有技术中引入开关损耗造成接收机噪声系数增加的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于接收机的低损耗有源开关，包括一个单刀双掷开关和一个低噪声放大器；其中：所述单刀双掷开关由上下两个开关模块构成；两个开关模块各接一路输入，两个开关模块输出均通过匹配网络后，接所述低噪声放大器输入端；所述两个开关模块的控制极分别接同一控制信号源，用于接入外加控制信号，实现开关模块导通与关闭，由此实现了通信系统中接收机的通道选择功能并且在辐射计中对输入信号进行调制，降低了增益波动对辐射计的影响。

进一步的，所述开关用于辐射计中时所需的控制信号是方波脉冲，占空比为50％，脉冲频率大于接收机总体闪烁噪声(即1/f噪声)的拐角频率(即截止频率)。当用于通信系统时，控制信号频率由系统对通道间切换的频率需求决定。

进一步的，所述单刀双掷开关中的开关模块所用的开关管包括BJT、MOSFET。

进一步的，所述两个开关模块的输入回路设有匹配网络；所述低噪声放大器输出回路设有匹配网络。

进一步的，所述低噪声放大器可以是多级放大或者单级放大，其电路型式包括共射-共基级或共射极。

基于所述单刀双掷开关，本专利还提出一种用于接收机的多级低损耗有源开关，其由多个所述单刀双掷开关与多个放大器级联而成。其中，单刀双掷开关通过电源提供周期性变化的电压，可以使两路输入信号以一定频率分别导通，实现了通信系统中接收通道的选择。当用于辐射计时又能对输入信号进行调制，降低增益波动的影响，并且，上下两路输入信号关键是共享相同的放大单元，实现了平衡校准。

本发明把单刀双掷开关与低噪声放大器集成在一起，减少了开关损耗。本发明与传统单刀双掷开关的区别主要在于，传统开关并没有与低噪声放大器集成在一起，所以开关损耗相对来说比较大。

如果用F1表示本发明的噪声系数，G1表示其增益，F2表示接收机后端低噪声放大器的噪声系数，则接收机的总体噪声系数可以用下式表示：

当G1较大时，F≈F₁，又因为接收机后端低噪声放大器与本发明中低噪声放大器在相同功率时噪声系数相近，所以有F≈F₁≈F₂，即接收机总体噪声系数近似于后端低噪声放大器的噪声系数，相当于消除了开关引入的损耗。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于提出了低噪声放大器与单刀双掷开关相结合的方法，能够消除开关引入的附加损耗，从而降低接收机的噪声系数。同时，由于本发明的结构严格对称，实现了平衡校准，使得校准结果更加精确，在辐射计的应用中，使得辐射计分辨率得到提高。此外，本发明可以用于其他任何需要二选一通道功能的接收机，应用非常广泛，有很大的实用价值。

附图说明

图1是背景技术的辐射计模块图；

图2是本发明的通用结构示意图；

图3(a)、(b)分别是放大器网络结构示例图；

图4(a)、(b)分别是开关匹配网络结构示例图；

图5(a)、(b)分别是输出匹配网络结构示例图；

图6是本发明用于辐射计这一实施例中的结构示意图；

图7是本发明与普通低噪声放大器的噪声系数对比图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2是本发明的通用结构示意图。如图2所示：本发明由两个输入端口P1、P2，一个输出端口P3，开关匹配网络，输出匹配网络和放大单元组成。其中，P1与n个开关匹配网络(N1、N2……Nn，n＝1、2、3、……)以及匹配阻抗R2组成开关电路的上支路；P2与n个开关匹配网络(S1、S2……Sn，n＝1、2、3、……)以及匹配阻抗R3组成开关电路的下支路。上、下开关支路的导通是由电源提供周期性变化的电压信号(当用于辐射计时，频率f大于闪烁噪声的拐角频率)来控制的，上开关支路的控制电压信号由Vtr1控制极输入，下开关支路的控制电压信号由Vtr2控制极输入。特别注意的是，为了实现平衡校准，上下开关支路是完全一致的，即该发明结构是上下严格对称的。从图中还可以看出放大器A1的栅极与开关匹配网络N1和S1相连，A2的栅极与开关匹配网络N2和S2相连，以此类推，An的栅极与开关匹配网络Nn和Sn相连。此外，每个放大器后都有一个输出匹配网络，放大器A1、A2……An(n＝1、2、3、……)分别对应匹配网络K1、K2……Kn(n＝1、2、3、……)，A1输出端还连接了一个匹配阻抗R1。各个放大器的输出端相连，最终输出到端口P3，因此，本发明结构中的放大单元也可以看作是n级分布式放大器。

对应于不同的实施例，放大器P1、P2……Pn可以有多种结构，如:共射极、共射—共基放大器等等，具体分别如图3(a)、(b)所示。针对具体实例进行设计时，可以根据具体需求选择放大器结构，比如：共射-共基放大器具有较宽的频带，高频特性好，所以常用于高频接收机电路中。而共射极放大器适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。同样的，开关匹配网络N1、N2……Nn也可以有不同的电路结构，可以用电感匹配(适用于低频电路)或微带线匹配(适用于高频电路)等，开关管可以用MOSFET晶体管(易集成，功耗低)或BJT晶体管(集成难度大)等，只要能实现开关切换和匹配两个功能即可，具体实施例分别在图4(a)、(b)中展示。输出匹配网络K1、K2……Kn也是如此，只要能实现匹配功能即可，可以由微带线组成，也可以是电感组成，具体分别如图5(a)、(b)所示。因此，在保证整体框架不变的情况下，本发明具有无穷多种实施例，可灵活使用在任何需要二选一开关切换功能的接收机中。

为了更好地解释本发明的原理及设计思路，我们选择借助辐射计这个具体实施例来说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图6是本发明应用在辐射计中的实施例结构示意图。

如图6所示，该实施例有三个端口，分别为输入端口P1、输入端口P2和输出端口P3。MOS管St1、St2、St3与电感L1、L2构成了开关电路的上支路，而MOS管Sb1、Sb2、Sb3与电感L1、L2构成了下支路。电压Vtr1和Vtr2大小相等，相位差为180度，分别与上、下支路中MOS管的栅极相连，来控制上、下支路的导通状态。当Vtr1为高电平，Vtr2为低电平时，由于上支路MOS管导通，下支路MOS管断开，输入端口1的信号经MOS管直接接地，而输入端口2的信号经过L1和L2组成的匹配网络S1传输到放大器Q1组成的放大单元A1，放大后就由输出端口3输出到后面的电路。所以，输出的是经过放大单元放大了的输入端口2的信号，可视为开关的“掷”投向了端口2。同理，当Vtr1为低电平，Vtr2为高电平时，输出的是由放大单元放大了的端口1的信号，开关的“掷”投向了端口1。

可以看出，图6所示的开关结构是上下严格对称的，上、下支路完全相同，并且无论是流经上支路的输入信号还是流经下支路的输入信号，都要由同一个放大单元放大后再从输出端输出。这保证了两路信号的平衡校准，消除了由不平衡带来的非相关噪声，使得分辨率得到了提高。

图7是对本实施例和标准低噪声放大器仿真得到的噪声系数对比图。如图7所示：在86GHz时，本实施例的噪声系数为6.9dB而标准低噪声放大器为6.5dB；在94GHz时，本实施例的噪声系数为7.7dB而标准低噪声放大器为7.2dB。对比可知，本实施例的噪声系数相比传统低噪声放大器的噪声系数仅略微提高。但传统接收机前端由单刀双掷开关(损耗在W波段至少为2.3dB)和传统低噪声放大器级联而成，其总体接收机的噪声系数为开关损耗与传统低噪声放大器的噪声系数之和，因此总体上传统接收机的噪声系数比本实例要高出很多。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于接收机的低损耗有源开关，其特征在于，包括一个单刀双掷开关和一个低噪声放大器；其中：

所述单刀双掷开关由上下两个开关模块构成；两个开关模块各接一路输入，两个开关模块输出均通过匹配网络后，接所述低噪声放大器输入端；

所述两个开关模块的控制极接同一控制信号源，用于接入外加控制信号，实现开关模块导通与关闭。

2.根据权利要求1所述的用于接收机的低损耗有源开关，其特征在于，当用于通信系统中的接收机时，所述控制信号频率由所需的接收通道切换的频率决定；而用于辐射计中时，所述控制信号是方波脉冲，占空比为50％，脉冲频率大于接收机总体闪烁噪声的拐角频率。

3.根据权利要求1所述的用于接收机的低损耗有源开关，其特征在于，所述单刀双掷开关中的开关模块所用的开关管包括BJT、MOSFET。

4.根据权利要求1所述的用于接收机的低损耗有源开关，其特征在于，所述两个开关模块的输入回路设有匹配网络；所述低噪声放大器输出回路设有匹配网络。

5.根据权利要求1所述的用于接收机的低损耗有源开关，其特征在于，所述低噪声放大器是多级放大或者单级放大，其电路型式包括共射-共基级或共射极。

6.一种基于权利要求1的用于接收机的多级低损耗有源开关，其特征在于，其由多个所述单刀双掷开关与多个放大器级联而成。