CN106936417B - 一种基于准集总参数的小型化滤波开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于准集总参数的小型化滤波开关，包括输入端口、输出端口、集总电感、第一及第二谐振器、上层微带结构、开关控制电路、中间介质基板和底层金属板，两个谐振器之间的耦合用集总电容来控制；输入端口通过电容和开关控制电路连接到第一谐振器，两个连接点关于谐振器中点对称，实现开关状态的切换和外部品质因数的控制；输出端口通过电容连接到另一个第二谐振器上；本发明与传统的结构相比，本发明的滤波开关在通状态时，信号不通过二极管，损耗小，同时具有宽阻带的效果；另外，只使用一个开关二极管就可以实现很好的关状态隔离。

Description

一种基于准集总参数的小型化滤波开关
技术领域
本发明涉及射频前端电路的滤波开关，特别涉及一种基于准集总参数的小型化滤波开关。
背景技术
滤波器和开关是射频前端的重要组成器件。通信系统的快速发展对射频器件的小型化，低损耗，宽阻带等提出了要求。在传统的通信系统中，通常是在滤波器之后级联一个射频开关来实现开关切换的功能。这种情况下，可能会产生失配，引入较大的损耗，并且由于这两个器件通常占用比较大的尺寸，限制了系统的小型化设计。
近年来，滤波器与开关的融合设计受到了重视，许多学者开展了大量的研究。其中一个方法是利用可开关的延迟线来设计高隔离度的滤波开关，但是由于在开状态时，信号会通过PIN二极管，会产生额外的损耗；此外，压电转换器可用于控制滤波开关的工作状态，与PIN二极管相比，功耗更小，并且可以使用双模谐振器减小电路尺寸，但是缺点在于没有谐波处理功能来实现宽阻带；另外，也有学者在高阶滤波器的结构中嵌入了PIN二极管，通过控制PIN二极管的偏置状态，实现开关状态转换，这种电路结构可获得很宽的阻带，但是电路体积大。
以上提到的滤波开关都是基于微带传输线设计的，当器件工作在低频段时，谐振器的尺寸大。为了解决小型化的问题，可采用集总元件代替传统设计中的部分传输线，这样可以减少电路尺寸，同时实现高次谐波的抑制。但目前为止，在滤波开关中应用集总器件的实例还很少。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于准集总参数的小型化滤波开关。
本发明采用如下技术方案：
一种基于准集总参数的小型化滤波开关，包括输入端口、输出端口、集总电感、第一及第二谐振器、上层微带结构、开关控制电路、中间介质基板和底层金属板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，底层金属板印制在中间介质基板的下表面，所述上层微带结构包括第一微带线、第二微带线和第三微带线；
所述集总电容包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容和第十电容；
具体连接如下：
所述输入端口连接到第一微带线的中间位置，所述第一微带线的两端分别通过两条路径连接第一谐振器，其中一条路径是通过第一电容与开关控制电路串联后连接第一谐振器，另一条路径是通过第二电容连接第一谐振器；
所述第一谐振器分别通过第五电容及第八电容与第二谐振器连接，所述输出端口通过第十电容与第二谐振器连接。
所述第一谐振器由第二微带线、集总电感、第三电容及第六电容构成，其中第三电容及第六电容分别连接在第二微带线的两端并接地，所述集总电感连接到第二微带线的中点并接地。
所述第二谐振器由第三微带线、第四电容、第七电容及第九电容构成，所述第九电容与第三微带线的中点连接并接地，所述第四电容及第七电容分别连接第三微带线的两端，且接地。
所述开关控制电路由开关二极管及电感构成，所述第一电容与开关二极管的正极连接，其中间位置通过电感设置直流电压端口，控制开关二极管的通断。
所述第十电容与第二谐振器的连接点与第二电容与第一谐振器的连接点关于两个谐振器的中点呈中心对称。
所述两条路径与第一谐振器的连接点关于第一谐振器的中点对称。
开关二极管断开时，整个滤波开关工作在开状态，形成一个滤波器；开关二极管在导通状态下，整个滤波开关工作在关状态达到高隔离效果。
本发明提出了一种基于准基总参数的小型化滤波开关，通过一个PIN二极管来控制电路工作状态，当滤波开关处在开状态时，相当于一个带通滤波器，电路表现出很好的滤波性能，由于信号不会通过PIN管，因此不会引入额外的插损，此外通带两侧分别产生一个传输零点，增强了选择性，同时电路可达到较宽阻带特性；当滤波开关处于关状态时，由于信号抵消，通带关闭，实现高隔离度。与传统的结构相比，
本发明的有益效果：
(1)本发明利用具有滤波功能的准集总元件替代传统的半波长微带线，实现了小型化；同时可通过控制负载电容的值，来获得宽阻带特性，调节灵活；此外通带两侧分别产生一个传输零点，有效地改善了滤波器的选择性；
(2)本发明在控制电路中加载了一个开关二极管，可有效地切换电路的工作状态，这种方法与其他通过二极管来控制开关的电路结构相比，在开状态时，不会有信号通过二极管，从而减少了通带内的插入损耗；在关闭状态时，可实现宽阻带和高隔离；
(3)本发明使用PIN二极管数量少，具有设计结构简单，可靠性更高等特点。
附图说明
图1是本发明一种基于准集总元件的小型化滤波开关的结构图；
图2是本发明一种基于准集总元件的小型化滤波开关的尺寸标注图；
图3是开状态时S11和S21参数的实验结果图；
图4是关闭状态时S11和S21参数的实验结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于准集总参数的小型化滤波开关，包括输入端口1、输出端口2、集总电感9、第一及第二谐振器19、20、上层微带结构、开关控制电路、中间介质基板和底层金属板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，底层金属板印制在中间介质基板的下表面，所述上层微带结构包括第一微带线4、第二微带线8和第三微带线16；
所述集总电容包括第一电容5、第二电容7、第三电容10、第四电容11、第五电容12、第六电容13、第七电容14、第八电容15、第九电容17和第十电容18；
具体连接如下：
所述输入端口连接到第一微带线4的中间位置，第一微带线4的两端通过两条路径连接到第一谐振器19，其中一条路径是通过第一电容5与开关控制电路串联后连接第一谐振器，另一条路径是通过第二电容7连接第一谐振器，用来实现对器件在开状态下的输入外部品质因数的控制，这两条路径与第一谐振器19的连接点关于第一谐振器19的中点对称，用来实现器件在关状态下两条路径上信号的等幅反向而达到高隔离效果。
所述第一谐振器分别通过第五电容12及第八电容15与第二谐振器连接，用于控制耦合系数；
输出端口2通过第十电容18连接到第二谐振器20上，用于在开状态下实现对输出外部品质因数的控制；
所述开关控制电路由开关二极管及电感构成，所述第一电容和开关二极管的中间通过电感21设置直流电压端口3，用于控制开关二极管6的通断，实现开关二极管6在断开状态下，信号不通过二极管而避免损耗，整个滤波开关器件工作在开状态，形成一个滤波器，并且实现开关二极管6在导通状态下，整个滤波开关器件工作在关状态得到高隔离效果。
所述第一谐振器由第二微带线8、第三电容10、第六电容13及集总电感9 构成，其中第三电容10及第六电容13分别连接在第二微带线8的两端并接地，所述集总电感9连接到第二微带线的中点并接地，用于减小第一谐振器19的体积并实现开状态时滤波电路宽阻带的效果，集总电感9连接到第二微带线8的中点并接地，用于给开关二极管6的偏置电路接地且不影响通带的性能。
所述第二谐振器由第三微带线、第四电容、第七电容及第九电容构成，所述第九电容17与第三微带线的中点连接并接地，用于实现第二谐振器20与第一谐振器19偶模谐振频率的不同，扩宽阻带范围，所述第四电容及第七电容分别连接第三微带线的两端，且接地。
所述第十电容18与第二谐振器20的连接点和第二电容7与第一谐振器19 的连接点关于两个谐振器的中点呈中心对称，用于在通带两端产生传输零点。
本实施例具体采用如下尺寸：
如图2所示，具体电路尺寸选择如下：W1＝1mm，L1＝6mm，L2＝3mm，L3＝3mm， L4＝4mm，L5＝11mm，C1＝10PF,C2＝10PF,C3＝8PF,C4＝0.8PF,C5＝1.5PF,C6＝10PF, L＝270nH。本设计中选用的开关二极管的是Skyworks的SMP1345-079LF,所用的介质基板为Rogers 4003，电路整体尺寸为0.07λg×0.06λg。
如图3所示为开状态时，S11和S21参数的实验结果图，可知当PIN二极管不加载偏置电压时，电路导通，此时中心频率约为730MHz,带内插入损耗为 1.64dB,在上下边带各产生一个传输零点，其对应的频率分别为0.58GHz和 1.14GHz,有效地提高滤波器的选择性，此外电路具有宽阻带特性，带外抑制大于10倍中心频率，且均大于20dB。
如图4所示为关闭状态时，S11和S21参数的实验结果图，由图可知，隔离度在整个频带基本上高于28dB，具有很好的带外抑制性，带外抑制可达到7次谐波。
综上，本发明提供了一种基于准基总元件的小型化滤波开关，具有体积小，阻带宽，插入损耗小，带外抑制性好，设计结构简单等多种优异性能，适合应用于许多微波射频系统中。
本发明输入端口连接到第一微带线中点，然后通过两条路径连接到第一谐振器，两个连接点关于谐振器中点对称，实现开关状态的切换和外部品质因数的控制；输出端口通过电容连接到第二谐振器上；当PIN管关闭时，滤波开关工作于开状态，整个器件相当于一个滤波器，信号不通过PIN管，降低了损耗，并且通带两侧有两个传输零点，阻带可以达到10倍中心频率；当PIN管打开时，该滤波开关工作于关闭状态，谐振器与输入端口的两个连接点之间具有180度的相位差，信号相互抵消，实现高隔离。
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所述实施例的限制，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)

1.一种基于准集总参数的小型化滤波开关，其特征在于，包括输入端口、输出端口、集总电感、第一及第二谐振器、上层微带结构、开关控制电路、中间介质基板和底层金属板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，底层金属板印制在中间介质基板的下表面，所述上层微带结构包括第一微带线、第二微带线和第三微带线；
集总电容包括第一电容、第二电容、第三电容 、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容和第十电容；
具体连接如下：
所述输入端口连接到第一微带线的中间位置，所述第一微带线的两端分别通过两条路径连接第一谐振器，其中一条路径是通过第一电容与开关控制电路串联后连接第一谐振器，另一条路径是通过第二电容连接第一谐振器；
所述第一谐振器分别通过第五电容及第八电容与第二谐振器连接，所述输出端口通过第十电容与第二谐振器连接；
所述两条路径与第一谐振器的连接点关于第一谐振器的中点对称；
所述第十电容与第二谐振器的连接点与第二电容与第一谐振器的连接点关于两个谐振器的中点呈中心对称。
2.根据权利要求1所述的小型化滤波开关，其特征在于，所述第一谐振器由第二微带线、集总电感、第三电容及第六电容构成，其中第三电容及第六电容分别连接在第二微带线的两端并接地，所述集总电感连接到第二微带线的中点并接地。
3.根据权利要求1所述的小型化滤波开关，其特征在于，所述第二谐振器由第三微带线、第四电容、第七电容及第九电容构成，所述第九电容与第三微带线的中点连接并接地，所述第四电容及第七电容分别连接第三微带线的两端，且接地。
4.根据权利要求1所述的小型化滤波开关，其特征在于， 所述开关控制电路由开关二极管及电感构成，所述第一电容与开关二极管的正极连接，其中间位置通过电感设置直流电压端口，控制开关二极管的通断。
5.根据权利要求4所述的小型化滤波开关，其特征在于，开关二极管断开时，整个滤波开关工作在开状态，形成一个滤波器；开关二极管在导通状态下，整个滤波开关工作在关状态达到高隔离效果。
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