CN106656251B - 一种低插损高隔离度的uv射频开关网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低插损高隔离度的UV射频开关网络，由n个输入开关通路和m个输出开关通路构成，每个输入开关通路分别与所有输出开关通路采用串联方式连接形成网络结构，由此形成n×m个开关通路。所述UV射频开关网络封装于由基板和盖板构成的封闭空腔内，在空腔内通过隔板设有若干彼此隔离的分隔腔，每个输入开关通路和每个输出开关通路分别设置于分隔腔内，输入开关通路对应的分隔腔与输出开关通路对应的分隔腔之间的射频信号通过射频电缆连接。所述基板的两面均设置有盖板，以形成上下两层封闭空腔。本发明具有体积小，隔离度高的特点，既满足了隔离度的要求，又最大程度减小了射频开关网络的插入损耗。

Description

一种低插损高隔离度的UV射频开关网络

技术领域

本发明涉及射频开关网络，具体涉及一种低插损高隔离度的UV频段射频开关网络，用于射频系统重构实现射频通路切换功能，属于射频开关技术领域。

背景技术

射频系统在需求牵引和技术推动之下，其结构已经从分离式走向综合化、模块化，而射频开关网络则是实现射频系统信道综合化、模块化不可或缺的部分。射频开关网络广泛使用在卫星通信系统、通信导航系统、微波测试系统中。特别在通信系统设计中，由于信号的质量与通信系统的效率成正相关，因此，在射频系统重构中，需要低损耗、高隔离度的射频开关网络来实现射频通路的切换。

目前射频开关主要有砷化镓开关、继电器开关、PIN开关。砷化镓开关隔离度指标不是很高，继电器开关开关时间较长。此外，通常的射频开关网络采用平面式的盖板设计结构，导致腔体与盖板间的密封性不好，腔体之间信号泄漏较高，射频开关网络通道间的隔离度不够。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种低插损高隔离度的UV射频开关网络。本发明能够实现低插入损耗及实现通道间高隔离度，完成射频重构系统中，射频信号通路自由切换的功能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低插损高隔离度的UV射频开关网络，由n个输入开关通路和m个输出开关通路构成，每个输入开关通路分别与所有输出开关通路采用串联方式连接形成网络结构，由此形成n×m个开关通路；

每个输入开关通路包括输入端口、电容C1、PIN二级管1、PIN二级管2、滤波电感L1和偏置电阻R1，每个输出开关通路包括PIN二级管3、PIN二级管4、滤波电感L3、偏置电阻R3、电容C3和输出端口，其中电容C1、C3实现隔直功能，输入端口、电容C1、PIN二级管1、PIN二级管2、PIN二级管3、PIN二级管4、电容C3和输出端口依次连接，其中PIN二级管2的N极和PIN二级管3的N极连接；滤波电感L1一端连接于电容C1和PIN二级管1之间，另一端通过偏置电阻R1接地；滤波电感L3一端连接于电容C3和PIN二级管4之间，另一端通过偏置电阻R3接地；电感L1与L3实现开关电路与大地交流隔离；射频开关的控制信号通过驱动器转换，经过偏置电阻R2和电感L2叠加到PIN二级管2和PIN二级管3的N极；还包括电容C2，电容C2一端接地，另一端连接于偏置电阻R2和电感L2之间；L2与C2实现驱动器与PIN管之间的交流信号隔离。

所述UV射频开关网络包括相互独立的用于发射射频通路切换的射频开关网络Ⅰ和用于接收射频通路切换的射频开关网络Ⅱ；射频开关网络Ⅰ由x个输入开关通路和y个输出开关通路构成，射频开关网络Ⅱ由a个输入开关通路和b个输出开关通路构成。

进一步地，所述UV射频开关网络封装于由基板和盖板构成的封闭空腔内，在空腔内通过隔板设有若干彼此隔离的分隔腔，每个输入开关通路和每个输出开关通路分别设置于分隔腔内，输入开关通路对应的分隔腔与输出开关通路对应的分隔腔之间的射频信号通过射频电缆连接。

所述基板的两面均设置有盖板，以形成上下两层封闭空腔；每层的封闭空腔内均通过隔板形成分隔腔并在每个分隔腔内设置一个输入开关通路或者一个输出开关通路。

所述盖板和所有隔板之间涂抹有导电胶，以提高由基板、隔板和盖板形成的分隔腔的封闭性和信号隔离能力。

在盖板与所有隔板对应结合的位置设置有凹槽，所述导电胶设置于凹槽内，隔板嵌入凹槽内且嵌入部位被导电胶包覆。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

本发明采用PIN管及相关附属电路来实现一个用于发射射频通路切换的射频开关网络与用于接收射频通路切换的射频开关网络的设计。本发明通过将多个PIN管进行级联的方式，方式灵活，射频开关网络的输入部分和输出部分分别采用两个PIN管进行级联，同时，对每一个输入输出开关通路采用单腔的结构方式，使各支路间相互隔离开来；与现有的射频开关方案相比，本发明具有体积小，隔离度高的特点，既满足了隔离度的要求，又最大程度减小了射频开关网络的插入损耗。

附图说明

图1为实施例 6×4射频开关网络原理框图。

图2为实施例 2×3射频开关网络原理框图。

图3为 IN1→OUT1射频开关电路原理图。

图4为实施例射频开关网络上层结构图。

图5为实施例射频开关网络下层结构图。

图6为本发明双层单腔隔离示意图。

图7为图6局部放大图。

具体实施方式

本发明低插损高隔离度的UV射频开关网络，由n个输入开关通路和m个输出开关通路构成，每个输入开关通路分别与所有输出开关通路采用串联方式连接形成网络结构，由此形成n×m路开关通路。

射频开关网络每一路输入到输出开关通路电路原理设计均相同，下面以IN1→OUT1举例，详细说明每一射频开关通路的电路构成。参见图3，每个输入开关通路包括输入端口IN1、电容C1、PIN二级管1、PIN二级管2、滤波电感L1和偏置电阻R1，每个输出开关通路包括PIN二级管3、PIN二级管4、滤波电感L3、偏置电阻R3、电容C3和输出端口OUT1，其中电容C1、C3实现隔直功能，输入端口、电容C1、PIN二级管1、PIN二级管2、PIN二级管3、PIN二级管4、电容C3和输出端口依次连接，其中PIN二级管2的N极和PIN二级管3的N极连接；滤波电感L1一端连接于电容C1和PIN二级管1之间，另一端通过偏置电阻R1接地；滤波电感L3一端连接于电容C3和PIN二级管4之间，另一端通过偏置电阻R3接地；电感L1与L3实现开关电路与大地交流隔离，增加开关隔离度；射频开关的控制信号通过驱动器转换，经过偏置电阻R2和电感L2叠加到PIN二级管2和PIN二级管3的N极；还包括电容C2，电容C2一端接地，另一端连接于偏置电阻R2和电感L2之间；L2与C2实现驱动器与PIN管之间的交流信号隔离；R1、R2、R3实现限流功能。

当驱动输出电平为-4.6V时，A点的电平值为0V，因此在ABD点之间形成了正的直流信号通路，同样，C点的电平值也为0V，因此在CBD点之间也形成了直流信号通路。此时，该直流通路为PIN管P1、P2、P3、P4提供了直流偏置电压，P1、P2、P3、P4处于导通状态。相反，当驱动器电压为正时，ABD点之间以及CBD点之间形成了负的直流偏置电压，P1、P2、P3、P4处于反偏状态，因此射频开关则处于关断状态。

驱动电路将控制的TTL电平信号转换为PIN管P1、P2、P3、P4导通所需的控制电平信号；当控制电平为高时，驱动器输出-4.6V的电压，该电压为PIN管提供了正的直流偏置电压，并提供驱动电流，PIN开关管导通；当控制电平为低时，驱动器输出+4.6V的驱动电压，此时，为PIN开关管提供负的偏置电压，PIN管关断。

实际设计时，所述UV射频开关网络包括相互独立的用于发射射频通路切换的射频开关网络Ⅰ和用于接收射频通路切换的射频开关网络Ⅱ；射频开关网络Ⅰ由x个输入开关通路和y个输出开关通路构成，射频开关网络Ⅱ由a个输入开关通路和b个输出开关通路构成。

在设计时，为了减小空间辐射及泄露，保证每一个开关通路之间的隔离度，所述UV射频开关网络封装于由基板和盖板构成的封闭空腔内，在空腔内通过隔板设有若干彼此隔离的分隔腔，每个输入开关通路和每个输出开关通路分别设置于分隔腔内，输入开关通路对应的分隔腔与输出开关通路对应的分隔腔之间的射频信号通过射频电缆连接。采用单腔分腔的方式使各支路间相互隔离开来，这样尽可能减小支路与支路间的相互影响，从而提高射频通路间的隔离度。

所述基板的两面均设置有盖板，以形成上下两层封闭空腔；每层的封闭空腔内均通过隔板形成分隔腔并在每个分隔腔内设置一个输入开关通路或者一个输出开关通路，参见图6。

参见图7，所述盖板和所有隔板之间涂抹有导电胶，以提高由基板、隔板和盖板形成的分隔腔的封闭性和信号隔离能力。同时在盖板与所有隔板对应结合的位置设置有凹槽，所述导电胶设置于凹槽内，隔板嵌入凹槽内且嵌入部位被导电胶包覆，这样进一步增大了器件之间的隔离度。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例的射频开关网络分别由一个6×4的射频开关网络与一个2×3的射频开关网络组成，两个射频开关网络相互独立，其中2×3开关网络应用于发射射频通路的切换，6×4开关网络应用于接收射频通路的切换。

图1和图2分别是6×4和2×3射频开关网络的原理框图。射频开关网络分为输入与输出部分，输入输出部分采用串联方式进行连接，输入和输出部分均由两个串联的PIN管级联构成，因此，任意一个开关通路总共有4个PIN管串联组成。一个PIN管隔离度大约为24dB，插入损耗大约为0.25dB；因此理论上的插入损耗约为4×0.25dB=1.0dB,隔离度约为4×24=96dB。

图1的IN1～IN6为6×4射频开关网络的输入开关通路部分，图1的OUT1～OUT4为6×4射频开关网络输出开关通路部分；图2的IN1～IN2为2×3射频开关网络输入开关通路部分，OUT1～OUT3为2×3射频开关网络输出开关通路部分。

每一路开关通路的设计均相同，下面以IN1→OUT1为例，详细说明开关电路的基本工作原理：

当IN1→OUT1为导通状态，此时驱动器的输出电压为-4.6V，因此PIN管P1、P2、P3、P4上叠加了正的直流偏置电压，此时上述PIN二极管均处于导通状态，IN1→OUT1的插入损耗主要取决于P1、P2、P3、P4的固有插入损耗。

当IN1→OUT1为非导通状态，此时驱动器的输出电压为正4.6V，因此P1、P2、P3、P4上叠加了负的直流偏置电压，此时上述PIN二极管均处于非导通状态，则实现了IN1与OUT1之间的隔离。

本发明射频开关网络的壳体材料采用防锈铝，外形尺寸为100mm×68mm×17mm，射频开关网络的对外射频输入输出采用射频连接器SMP进行连接，电源及控制信号采用低频连接器与外部进行连接。在结构上采取每一路输入和输出独立分腔的形式，腔与腔之间的射频信号通过高隔离度射频电缆进行连接。

为了实现开关矩阵网络的小型化，减小开关矩阵网络的面积，采用上下两层叠加的方式，上下两层通过螺钉进行连接，两层结构墙体间涂抹导电胶。在盖板的安装螺钉设计布局时，在腔体的筋条上尽量多的排布安装螺钉，使产品的盖板能更紧密地和腔体接触，实现各个腔内射频信号的隔离。上下两层的分腔及结构设计局部如图4和图5所示：其中IN1～IN6分别表示6×4射频开关网络的6个输入端口，OUT1～OUT4分别表示6×4射频开关网络的四个输出端口。IN7、IN8分别表示2×3射频开关网络的两个输入端口，OUT5～OUT7分别表示2×3射频开关网络的三个输出端口，电源及控制信号通过低频连接器与外部进行连接。

为了实现射频开关电路故障检测，本发明在PIN二级管2的N极和PIN二级管3的N极之间设有故障检测点以检测PIN二极管上的偏置电压，偏置电压作为检测电压，将检测点的检测电压引入到比较器进行电压比较，当PIN开关电路状态异常时，输出的故障检测电压也将出现异常，此时比较器的比较输出结果也将出现异常；将比较器的输出结果引入MCU，与理论上的比较器输出电压进行比较，则可判断当前PIN开关电路是否正常。

所述比较器为四路，分别为比较器A、比较器B、比较器C、比较器D且位于同一比较器芯片里；比较器A、比较器B、比较器C、比较器D的基准电平分别设置为V₀、V₁、V₂、V₃；其中V₂、V₃对应射频开关打开时的正常检测电压区域范围的上限值和下限值，V₀、V₁对应射频开关关闭时的正常检测电压区域范围的上限值和下限值；假设检测电压输入到比较器的比较电压值为V_I0。

当射频开关电路打开时，将V_I0分别输入比较器C、比较器D与V₂和V₃分别比较，正常状态下，V₃＜V_I0＜V₂，此时比较器C的比较输出电平应为数字低电平、比较器D的比较输出电平应为数字高电平；当射频开关出现异常时，将导致检测电压输出异常，最终导致比较器C与比较器D的比较输出数字电平异常，即比较器C的比较输出电平为数字高电平或者比较器D的比较输出电平为数字低电平就认为射频开关异常。

当射频开关电路关断时，将V_I0分别输入比较器A、比较器B与V₀和V₁分别比较，正常状态下，V₁＜V_I0＜V₀，此时比较器B的比较输出电平应为数字高电平，比较器A的比较输出电平应为数字低电平；当射频开关出现异常时，将导致检测电压输出异常，最终导致比较器A与比较器B的比较输出数字电平异常，即比较器A的比较输出电平为数字高电平或者比较器B的比较输出电平为数字低电平就认为射频开关异常。

本发明摒弃传统的射频信号输出而引入额外的故障检测信号，直接检测射频开关的偏置电压是否正常，进而来判断射频开关电路是否处于正常的工作状态。传统的检测方法是通过射频输出端口的信号输出来判断相应射频通路是否正常，检测方法比较复杂，成本较高，不能对射频开关电路直接进行检测。本发明与传统的方法相比，检测更直接，更精确，且是专门针对PIN开关电路直接进行检测，在射频通路发生故障时，更有利于故障定位；且方便将故障状态上报，更有利于射频系统的重构实现。本发明能直接检测射频开关的好坏，检测方法更直接，更精确，更利于故障定位。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种低插损高隔离度的UV射频开关网络，其特征在于：由n个输入开关通路和m个输出开关通路构成，每个输入开关通路分别与所有输出开关通路采用串联方式连接形成网络结构，由此形成n×m个开关通路；

每个输入开关通路包括输入端口、电容C1、PIN二级管1、PIN二级管2、滤波电感L1和偏置电阻R1，每个输出开关通路包括PIN二级管3、PIN二级管4、滤波电感L3、偏置电阻R3、电容C3和输出端口，其中电容C1、C3实现隔直功能，输入端口、电容C1、PIN二级管1、PIN二级管2、PIN二级管3、PIN二级管4、电容C3和输出端口依次连接，其中PIN二级管2的N极和PIN二级管3的N极连接；滤波电感L1一端连接于电容C1和PIN二级管1之间，另一端通过偏置电阻R1接地；滤波电感L3一端连接于电容C3和PIN二级管4之间，另一端通过偏置电阻R3接地；电感L1与L3实现开关电路与大地交流隔离；射频开关的控制信号通过驱动器转换，经过偏置电阻R2和电感L2叠加到PIN二级管2和PIN二级管3的N极；还包括电容C2，电容C2一端接地，另一端连接于偏置电阻R2和电感L2之间；L2与C2实现驱动器与PIN管之间的交流信号隔离；

在PIN二级管2的N极和PIN二级管3的N极之间设有故障检测点以检测PIN二极管上的偏置电压，偏置电压作为检测电压，将检测点的检测电压引入到比较器进行电压比较；所述比较器为四路，分别为比较器A、比较器B、比较器C、比较器D且位于同一比较器芯片里；比较器A、比较器B、比较器C、比较器D的基准电平分别设置为V₀、V₁、V₂、V₃；其中V₂、V₃对应射频开关打开时的正常检测电压区域范围的上限值和下限值，V₀、V₁对应射频开关关闭时的正常检测电压区域范围的上限值和下限值；假设检测电压输入到比较器的比较电压值为V_I0；

当射频开关电路打开时，将V_I0分别输入比较器C、比较器D与V₂和V₃分别比较，正常状态下，V₃＜V_I0＜V₂，此时比较器C的比较输出电平应为数字低电平、比较器D的比较输出电平应为数字高电平；当射频开关出现异常时，将导致检测电压输出异常，最终导致比较器C与比较器D的比较输出数字电平异常，即比较器C的比较输出电平为数字高电平或者比较器D的比较输出电平为数字低电平就认为射频开关异常；

当射频开关电路关断时，将V_I0分别输入比较器A、比较器B与V₀和V₁分别比较，正常状态下，V₁＜V_I0＜V₀，此时比较器B的比较输出电平应为数字高电平，比较器A的比较输出电平应为数字低电平；当射频开关出现异常时，将导致检测电压输出异常，最终导致比较器A与比较器B的比较输出数字电平异常，即比较器A的比较输出电平为数字高电平或者比较器B的比较输出电平为数字低电平就认为射频开关异常；

所述UV射频开关网络封装于由基板和盖板构成的封闭空腔内，在空腔内通过隔板设有若干彼此隔离的分隔腔，每个输入开关通路和每个输出开关通路分别设置于分隔腔内，输入开关通路对应的分隔腔与输出开关通路对应的分隔腔之间的射频信号通过射频电缆连接；

所述基板的两面均设置有盖板，以形成上下两层封闭空腔；每层的封闭空腔内均通过隔板形成分隔腔并在每个分隔腔内设置一个输入开关通路或者一个输出开关通路；

所述盖板和所有隔板之间涂抹有导电胶，以提高由基板、隔板和盖板形成的分隔腔的封闭性和信号隔离能力；

在盖板与所有隔板对应结合的位置设置有凹槽，所述导电胶设置于凹槽内，隔板嵌入凹槽内且嵌入部位被导电胶包覆。

2.根据权利要求1所述的低插损高隔离度的UV射频开关网络，其特征在于：所述UV射频开关网络包括相互独立的用于发射射频通路切换的射频开关网络Ⅰ和用于接收射频通路切换的射频开关网络Ⅱ；射频开关网络Ⅰ由x个输入开关通路和y个输出开关通路构成，射频开关网络Ⅱ由a个输入开关通路和b个输出开关通路构成。