CN108880579B - 具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路，包括上层微带线结构、加载电容、开关控制电路、中间介质基板和底层金属地板；所述上层微带线结构为左右对称结构，包括十八个端口，其中端口一和端口十八作为接收端或发射端，从端口一或端口十八到其他十六个端口所组成的信号路径结构相同；所述加载电容设置在端口前端，用于隔离直流信号；所述开关控制电路由加载开关二极管、方形微带片和加载扼流电感组成。本发明所提出的开关矩阵电路具有多种工作状态，能够实现开关通断的基本功能以及多路功率等分的功能，并且能够简化天线系统架构，省去全向天线的使用，减少多路开关的一个通道数。

Description

具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路
技术领域
本发明涉及无线通信系统中的开关和功率分配器领域，尤其涉及具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路。
背景技术
开关和功率分配器都是射频前端的重要组成部分，其性能表现影响整个系统性能。在时分双工射频前端中，开关位于低噪声放大器的输入端及功率放大器的输出端，其插入损耗影响整体噪声系数，同时也影响功放的功率输出和效率。功率分配器具有分离和组合信号的功能，常作为天线阵列的馈电网络。
在具体的应用场景中，天线需要向单一方向和全方向接收或发射信号。通过多路开关的切换，能够使不同定向天线处于工作状态，使其能够接收或发射相应方向的信号，实现波束扫描的功能。当切换到全向天线时，系统能够向全方向发射或接收信号。在这个系统架构中，同时需要定向天线和全向天线以及相应通道数的多路开关，整个系统架构比较复杂，电路体积较大。
为了简化天线系统架构，可以采用具有多种工作状态的开关，即具有多路开关和功率分配两种功能可切换的电路，能够切换到单一信号通道输出，满足定向天线工作需要，也能够切换到所有信号通道输出，此时所有定向天线工作，起到全向天线的作用，从而省去全向天线，同时，还能够减少多路开关的一个通道数。但到目前为止，还没有公开提出具有多路开关和功率分配两种功能可切换的开关设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路。本发明具备双刀十六掷开关和一等分十六路多路功率分配两种功能，能够简化天线系统的架构。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路，包括上层微带线结构、加载电容、开关控制电路、中间介质基板和底层金属地板；
所述上层微带线结构为左右对称结构，包括十八个端口，其中端口一和端口十八作为接收端或发射端，从端口一或端口十八到其他十六个端口所组成的信号路径结构相同；
所述加载电容设置在端口前端，用于隔离直流信号；
所述开关控制电路由加载开关二极管、方形微带片和加载扼流电感组成，通过控制偏置电压，电路能够在双刀多掷和功率分配两种工作状态中快速切换。
具体地，所述上层微带线结构由第一微带线、加载电容、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线、第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线、加载电容、第十九微带线依次连接而成。
其中，第二微带线、第四微带线、第六微带线、第八微带线为并接短路枝节，同时分别并接一个由加载开关二极管、第一方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路；第十二微带线中间并接一个由加载开关二极管、第二方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路；第十六微带线中间并接一个由加载开关二极管、第三方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路；第十七微带线、第十八微带线末端分别并接一个由加载开关二极管、第四方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路。
更进一步地，在所述上层微带线结构中，第九微带线的长度为中心频率对应波导波长的四分之一，第十微带线与第十一微带线的总长为中心频率对应波导波长的四分之一，第十二微带线长度的一半与第十三微带线的总长为中心频率对应波导波长的二分之一，第十四微带线长度的一半与第十五微带线的总长为中心频率对应波导波长的四分之一，第十六微带线的长度为中心频率对应波导波长的二分之一。
具体地，在所述开关控制电路中，方形微带片相当于小电容的作用，通过控制方形微带片的尺寸，能够方便地控制开关关闭的频率点，同时，偏置电压也能方便地通过方形微带片控制开关二极管的导通和关闭。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、相对于传统开关仅具有导通和关闭的工作状态，本发明利用开关二极管导通和截止两种状态来设计电路阻抗的重构，实现多种工作状态下电路阻抗的匹配，通过控制偏置电压，能够方便地切换开关矩阵电路的工作状态，使其能够在双刀十六掷开关和一等分十六路多路功率分配两种功能之间快速地切换。
2、相对于传统的采用定向天线和全向天线的方案，本发明提出的电路能够省去全向天线的使用，同时还能够减少多路开关的一个通道数，降低天线系统的复杂度，简化天线系统架构。
3、相对于传统的开关导通时信号经过二极管，本发明的开关矩阵电路导通时，信号不经过二极管，使得电路损耗低且线性度高。
附图说明
图1为本发明中具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路的具体结构示意图；
图2为本发明中具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路尺寸的标注图；
图3a为本发明中具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路处于开关工作状态时的示意图；
图3b为本发明中具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路处于功率分配工作状态时的示意图；
图4a为本发明中具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路处于开关工作状态时的仿真和测试结果图；
图4b为本发明中具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路处于功率分配工作状态时的仿真和测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路的具体结构示意图，所述开关矩阵电路包括上层微带线结构、加载电容、开关控制电路、中间介质基板和底层金属地板；
所述上层微带线结构为左右对称结构，包括十八个端口(P1-P18)，其中端口一(P1)和端口十八(P18)都作为接收端或发射端，从端口一或端口十八到其他十六个端口(P2-P17)所组成的信号路径结构相同；
所述加载电容(2)设置在端口前端，用于隔离直流信号；
所述开关控制电路由加载开关二极管(4)、方形微带片和加载扼流电感(6)组成，通过控制偏置电压，电路能够在双刀多掷和功率分配两种工作状态中快速切换。
具体地，所述上层微带线结构由第一微带线(1)、加载电容(2)、第二微带线(3)、第三微带线(7)、第四微带线(8)、第五微带线(9)、第六微带线(10)、第七微带线(11)、第八微带线(12)、第九微带线(13)、第十微带线(14)、第十一微带线(15)、第十二微带线(16)、第十三微带线(18)、第十四微带线(19)、第十五微带线(20)、第十六微带线(21)、第十七微带线(23)、第十八微带线(24)、加载电容(2)、第十九微带线(26)依次连接而成。
其中，第二微带线(3)、第四微带线(8)、第六微带线(10)、第八微带线(12)为并接短路枝节，同时分别并接一个由加载开关二极管(4)、第一方形微带片(5)和加载扼流电感(6)组成的开关控制电路；第十二微带线(16)、中间并接一个由加载开关二极管(4)、第二方形微带片(17)和加载扼流电感(6)组成的开关控制电路；第十六微带线(21)中间并接一个由加载开关二极管(4)、第三方形微带片(22)和加载扼流电感(6)组成的开关控制电路；第十七微带线(23)、第十八微带线(24)末端分别并接一个由加载开关二极管(4)、第四方形微带片(25)和加载扼流电感(6)组成的开关控制电路。
如图2所示为具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路尺寸的标注。在本实施例的所述开关控制电路中，方形微带片(S1-S4)相当于小电容的作用，通过控制方形微带片的尺寸，能够方便地控制开关关闭的频率点，同时，偏置电压(V1-V28)也能方便地通过方形微带片控制开关二极管的导通和关闭。
在本发明中，利用开关二极管导通和截止两种状态来设计电路阻抗的重构，实现多种工作状态下电路阻抗的匹配，通过控制偏置电压，能够方便地切换开关矩阵电路的工作状态，使其能够在双刀十六掷开关和一等分十六路多路功率分配两种功能之间快速地切换。
在本实施例中，加工采用的介质材料的板材厚度为0.813mm，相对介电常数为3.38，正切损耗为0.0027，选用的开关二极管为Skyworks公司的SMP1302-079LF。
如图3a和图3b所示为本发明的电路处于开关工作状态和功率分配工作状态时的示意图。根据本发明中电路的对称性，结合图1可知：
当电路处于开关状态时，以端口一(P1)到端口四(P4)组成通路为例，此时偏置电压的设置为V1＝V4＝V20＝V27＝0V，其他偏置电压为1V，信号从端口一(P1)经过第一微带线(1)、加载电容(2)、第二微带线(3)、第三微带线(7)、第四微带线(8)、第五微带线(9)、第六微带线(10)、第七微带线(11)、第八微带线(12)、第九微带线(13)、第十微带线(14)、第十一微带线(15)、第十二微带线(16)、第十三微带线(18)、第十四微带线(19)、第十五微带线(20)、第十六微带线(21)、第十七微带线(23)、第十八微带线(24)、加载电容(2)、第十九微带线(26)到达端口四(P4)，从而切换到端口四所连接的单向天线。类似地，通过控制偏置电压可以实现不同通路之间快速切换，从而切换到不同的定向天线，发射或接收不同方向的信号，实现波束扫描的功能。
当电路处于功率分配状态时，以端口一(P1)到端口二至十七(P2-P17)组成通路为例，此时偏置电压的设置为V18＝1V，其他偏置电压为0V，由于电路结构的对称性，从端口一(P1)到端口二至十七(P2-P17)所有通路功率等分，各个定向天线同时工作，此时所有的定向天线相当于全向天线，电路能够向全方向接收或发射信号。因此在需要定向和全向传播或发射信号的应用场景中，采用本发明的电路能够省去全天线的使用。
由图4a和图4b所示的具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路在开关工作状态和功率分配工作状态时的仿真及测试结果图可知，仿真结果与测试结果基本一致。
在4.4GHz-5.0GHz时的频率范围内，当电路工作于开关状态时，插入损耗小于3.23dB，最小值为2.0dB，插损波动小于0.15dB(任意20MHz带宽内)，回波损耗大于12.3dB(驻波比小于1.64)，接收端与发射端之间的隔离大于55dB，接收端或发射端与其他端口之间的隔离大于55dB。
而当电路工作于功率分配状态时，插入损耗小于1.2dB(除去12dB功率分配)，回波损耗大于19dB(驻波比小于1.25)，接收端与发射端之间的隔离大于52dB。
综上所述，本发明所提出的具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路，具有多种工作状态可切换，能够简化天线系统架构，具有损耗低和线性度高等多种性能优点，适用于许多射频系统中。
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上述实施例的限制，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 (2)

1.具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路，包括上层微带线结构、加载电容、开关控制电路、中间介质基板和底层金属地板，其特征在于，所述上层微带线结构为左右对称结构，包括十八个端口，其中端口一和端口十八作为接收端或发射端，从端口一或端口十八到其他十六个端口所组成的信号路径结构相同；
所述上层微带线结构中，从端口一或端口十八到其他十六个端口所组成的信号路径由第一微带线、加载电容、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线、第十五微带线、第十六微带线、第十七微带线、第十八微带线、加载电容、第十九微带线依次连接而成；
所述第二微带线、第四微带线、第六微带线、第八微带线为并接短路枝节，同时分别并接一个由加载开关二极管、第一方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路；第十二微带线中间并接一个由加载开关二极管、第二方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路；第十六微带线中间并接一个由加载开关二极管、第三方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路；第十七微带线、第十八微带线末端分别并接一个由加载开关二极管、第四方形微带片和加载扼流电感组成的开关控制电路；
所述开关控制电路由加载开关二极管、方形微带片和加载扼流电感组成，通过控制偏置电压，电路能够在双刀多掷和功率分配两种工作状态中快速切换。
2.根据权利要求1所述的具有双刀多掷和功率分配双功能可切换的开关矩阵电路，其特征在于，在所述上层微带线结构中，第九微带线的长度为中心频率对应波导波长的四分之一，第十微带线与第十一微带线的总长为中心频率对应波导波长的四分之一，第十二微带线长度的一半与第十三微带线的总长为中心频率对应波导波长的二分之一，第十四微带线长度的一半与第十五微带线的总长为中心频率对应波导波长的四分之一，第十六微带线的长度为中心频率对应波导波长的二分之一。
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