CN109560796B - 一种高隔离度吸收式一分六开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高隔离度吸收式一分六开关，包括一个单刀双掷开关和两个单刀三掷开关。单刀双掷开关由公共输入端和对称分布的两个支路组成，公共输入端包括π型衰减器和并联电感L1，支路由一个串联二极管D1、两个并联二极管D2、D3组成，电感L2和电容C1组成直流偏置电路与直流控制端口连接，电感L2的另一端与三个二极管的公共端连接；单刀三掷开关由公共输入端和三个支路组成，公共输入端包括串联电容C2和并联电感L3，支路由串联二极管D4、四个并联二极管D5、D6、D7、D8、串联二极管D9、并联二极管D10、并联电感L6和π型衰减器R5、R6、R7组成，电感L4、L5和电容C3组成直流偏置电路与直流控制端口连接，电容C4和接地电阻R4组成射频吸收电路。

Description

一种高隔离度吸收式一分六开关
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种高隔离度吸收式一分六开关，特别适用于作为卫星通信微波信道设备开关矩阵的开关模块。
背景技术
微波开关按制作形式可分为单片微波集成电路开关和混合微波集成电路开关两种。单片微波集成电路开关具有导通状态插入损耗小、带宽宽的优点，但隔离度小、功率容量小；混合微波集成电路开关具有隔离度高、功率容量大的优点，但导通状态插入损耗较大、带宽有限。
微波开关所采用的器件主要有PIN管和场效应晶体管(FET)，其中，PIN二极管开关具有控制速度快、插入损耗小、可控功率容量大的优点。
PIN开关电路从原理上可分为反射式和吸收式两种结构。反射式开关在支路处于导通状态时，插入损耗较小，而隔离状态下，输出端口驻波较差；而吸收式开关在支路处于导通状态时，插入损耗较大，而隔离状态下，输出端口驻波较好。微波系统中插入损耗指标往往不是最关键的，其可以通过放大器来补偿，而端口驻波的好坏是微波系统能否正常工作的关键。反射式结构开关因在器件的关断状态下具有较大的反射，往往不利于系统的稳定工作，因此吸收式开关结构在实际应用中更为普遍。
单刀多掷开关公共端的作用在于根据控制信号，将微波信号引入不同支路从而实现开关的切换。而隔离支路中的反偏结电容全部被并入公共端，从而引起公共端口严重的不连续性，支路的路数越多现象越明显。为了补偿这种不连续性，以获得良好的匹配，常常需要在公共端口引入复杂的阻抗匹配网络。
发明内容
本发明公开了一种高隔离度吸收式一分六开关，以解决现有开关模块隔离度差、输入端口和输出端口反射系数大的问题。
本发明的技术方案为：
一种高隔离度吸收式一分六开关，包括一个单刀双掷开关和两个相同的单刀三掷开关；其特征在于，单刀双掷开关由公共输入端和对称分布的两个支路组成；公共输入端中输入端口J0与由电阻R1、R2和R3组成的π型衰减器一端相连，π型衰减器另一端与并联电感L1的一端相连，并联电感L1的另一端接地；其中一个支路中串联二极管D1的正极与公共输入端中π型衰减器和并联电感L1的公共端相连；串联二极管D1的负极与并联二极管D2的正极、并联二极管D3的正极以及第一直流偏置电路的一端相连，并联二极管D2和并联二极管D3的负极接地，第一直流偏置电路的另一端与直流控制端口E1相连，其中，第一直流偏置电路由并联电容C1和串联电感L2相连构成；
单刀三掷开关由公共输入端和对称分布的三个支路组成；公共输入端中串联电容C2的一端与单刀双掷开关中串联二极管D1的负极、并联二极管D2的正极、并联二极管D3的正极以及第一直流偏置电路的公共端相连；串联电容C2的另一端与并联电感L3的一端相连，并联电感L3的另一端接地；其中一个支路中串联二极管D4的正极与公共输入端中串联电容C2和并联电感L3的公共端相连，串联二极管D4的负极与并联二极管D5的正极、并联二极管D6的正极、并联二极管D7的正极、第二直流偏置电路的一端、并联二极管D8的正极以及串联二极管D9的负极相连，并联二极管D5、并联二极管D6、并联二极管D7和并联二极管D8的负极接地，第二直流偏置电路的另一端接直流控制端口E2，其中第二直流偏置电路由并联电容C3、串联电感L5和串联电感L4相连构成；串联二极管D9的正极与并联二极管D10的负极、并联电感L6以及电阻R5、R6、R7构成的π型衰减器的公共端相连，并联二极管D10的正极与射频吸收电路和第二直流偏置电路的公共端相连，射频吸收电路的另一端接地，其中，射频吸收电路由串联电容C4和串联电阻R4相连，电阻R5、R6、R7构成的π型衰减器的另一端接输出端口J1，并联电感L6的另一端接地。
其中，所述二极管D1～D10为管芯形式，性能参数为Cj＝0.05pf，Rf＝2.0Ω。
其中，串联电容C4和串联电阻R4组成的射频吸收电路中的电阻阻值为49.9Ω。
其中，所述一分六开关分布在介质板上，介质板的介电常数为2.2，厚度为0.254mm。
其中，二极管键合采用的金丝直径为18μm，方式采用三点式键合。
本发明采用上述技术方案相对于现有技术而言所产生的有益效果在于：
本发明提供的高隔离度吸收式一分六开关的六个输出端口(J1-J6)对应的支路上，PIN二极管采用串并联结构的电路形式，包含5个并联二极管和2个串联二极管，大大改善了端口的隔离度。
射频吸收电路中的电阻为49.9Ω，吸收电阻的加入使得该开关在端口导通和隔离状态下，均具有端口驻波小的优点。
在吸收式结构的基础上，两个端口增加了π型衰减器，进一步改善了输入、输出端口的驻波。
PIN二极管尺寸小，正极台面的直径介于40～50μm之间，采用18μm线径的金丝能有效避免金丝球型末端膨胀而导致短路的风险。采用三点式键合方式能有效防止频繁在正极台面键合而导致台面被压碎。
附图说明
图1为本发明电路原理图；
图2为本发明一分六开关导通支路等效电路；
图3为本发明一分六开关隔离支路等效电路；
图4为本发明导通状态端口S参数仿真结果图；
图5为本发明关断状态端口S参数仿真结果图；
图6为本发明端口隔离度仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明一种高隔离度吸收式一分六开关，包括一个单刀双掷开关和两个相同的单刀三掷开关；单刀双掷开关由公共输入端和对称分布的两个支路组成；公共输入端中输入端口J0与由电阻R1、R2和R3组成的π型衰减器一端相连，π型衰减器另一端与并联电感L1的一端相连，并联电感L1的另一端接地；其中一个支路中串联二极管D1的正极与公共输入端中π型衰减器和并联电感L1的公共端相连；串联二极管D1的负极与并联二极管D2的正极、并联二极管D3的正极以及第一直流偏置电路的一端相连，并联二极管D2和并联二极管D3的负极接地，第一直流偏置电路的另一端与直流控制端口E1相连，其中，第一直流偏置电路由并联电容C1和串联电感L2相连构成；
单刀三掷开关由公共输入端和对称分布的三个支路组成；公共输入端中串联电容C2的一端与单刀双掷开关中串联二极管D1的负极、并联二极管D2的正极、并联二极管D3的正极以及第一直流偏置电路的公共端相连；串联电容C2的另一端与并联电感L3的一端相连，并联电感L3的另一端接地；其中一个支路中串联二极管D4的正极与公共输入端中串联电容C2和并联电感L3的公共端相连，串联二极管D4的负极与并联二极管D5的正极、并联二极管D6的正极、并联二极管D7的正极、第二直流偏置电路的一端、并联二极管D8的正极以及串联二极管D9的负极相连，并联二极管D5、并联二极管D6、并联二极管D7和并联二极管D8的负极接地，第二直流偏置电路的另一端接直流控制端口E2，其中第二直流偏置电路由并联电容C3、串联电感L5和串联电感L4相连构成；串联二极管D9的正极与并联二极管D10的负极、并联电感L6以及电阻R5、R6、R7构成的π型衰减器的公共端相连，并联二极管D10的正极与射频吸收电路和第二直流偏置电路的公共端相连，射频吸收电路的另一端接地，其中，射频吸收电路由串联电容C4和串联电阻R4相连，电阻R5、R6、R7构成的π型衰减器的另一端接输出端口J1，并联电感L6的另一端接地。
本发明工作原理为：
1.本发明采用串并联结构的PIN二极管实现了一分六开关，根据直流控制端电压不同，射频信号分别在J0-J1、J0-J2、J0-J3、J0-J4、J0-J5、J0-J6通路间选择传输。E1和E5端口控制单刀双掷开关的切换，E2、E3、E4、E6、E7、E8端口控制两个单刀三掷开关的切换。由于单刀双掷和单刀三掷开关采用级联的方式来实现一分六的功能，所以E1端电压和E2、E3、E4端电压需要联动；同理，E5端电压和E6、E7、E8端电压也需要联动控制。
2.E1端和E2端加-5V电压，其余端口(E3-E8)加+3.3V电压时，D1、D4、D9导通，D2、D3、D5、D6、D7、D8、D10关断，此时J0-J1通路导通；E1端和E3端加-5V电压，其余端口加+3.3V电压时，J0-J2通路导通；E1端和E4端加-5V电压，其余端口加+3.3V电压时，J0-J3通路导通；E5端和E6端加-5V电压，其余端口加+3.3V电压时，J0-J4通路导通；E5端和E7端加-5V电压，其余端口加+3.3V电压时，J0-J5通路导通；E5端和E8端加-5V电压，其余端口加+3.3V电压时，J0-J6通路导通。图2和图3分别为本发明一分六开关导通支路等效电路和隔离支路等效电路。
对本发明进行仿真，仿真曲线如图4-图6所示。从曲线可以看出，在1GHz～15GHz范围内，端口驻波(导通状态和关断状态)优于-20dB，幅频响应优于3dB，端口隔离度优于80dB。
总之，本发明相对于现有技术来说，具有高隔离度、带频带、驻波好的优点，是对现有技术的一种重要改进。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高隔离度吸收式一分六开关，包括一个单刀双掷开关和两个相同的单刀三掷开关；其特征在于，单刀双掷开关由公共输入端和对称分布的两个支路组成；公共输入端中输入端口与由电阻R1、R2和R3组成的π型衰减器一端相连，π型衰减器另一端与并联电感L1的一端相连，并联电感L1的另一端接地；其中一个支路中串联二极管D1的正极与公共输入端中π型衰减器和并联电感L1的公共端相连；串联二极管D1的负极与并联二极管D2的正极、并联二极管D3的正极以及第一直流偏置电路的一端相连，并联二极管D2和并联二极管D3的负极接地，第一直流偏置电路的另一端与直流控制端口相连，其中，第一直流偏置电路由并联电容C1和串联电感L2相连构成；
单刀三掷开关由公共输入端和对称分布的三个支路组成；公共输入端中串联电容C2的一端与单刀双掷开关中串联二极管D1的负极、并联二极管D2的正极、并联二极管D3的正极以及第一直流偏置电路的公共端相连；串联电容C2的另一端与并联电感L3的一端相连，并联电感L3的另一端接地；其中一个支路中串联二极管D4的正极与公共输入端中串联电容C2和并联电感L3的公共端相连，串联二极管D4的负极与并联二极管D5的正极、并联二极管D6的正极、并联二极管D7的正极、第二直流偏置电路的一端、并联二极管D8的正极以及串联二极管D9的负极相连，并联二极管D5、并联二极管D6、并联二极管D7和并联二极管D8的负极接地，第二直流偏置电路的另一端接直流控制端口，其中第二直流偏置电路由并联电容C3、串联电感L5和串联电感L4相连构成；串联二极管D9的正极与并联二极管D10的负极、并联电感L6以及电阻R5、R6、R7构成的π型衰减器的公共端相连，并联二极管D10的正极与射频吸收电路和第二直流偏置电路的公共端相连，射频吸收电路的另一端接地，其中，射频吸收电路由串联电容C4和串联电阻R4相连，电阻R5、R6、R7构成的π型衰减器的另一端接输出端口，并联电感L6的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种高隔离度吸收式一分六开关，其特征在于，所述二极管D1～D10为管芯形式，性能参数为Cj＝0.05pf，Rf＝2.0Ω。
3.根据权利要求1所述的一种高隔离度吸收式一分六开关，其特征在于，串联电容C4和串联电阻R4组成的射频吸收电路中的电阻阻值为49.9Ω。
4.根据权利要求1所述的一种高隔离度吸收式一分六开关，其特征在于，一分六开关分布在介质板上，介质板的介电常数为2.2，厚度为0.254mm。
5.根据权利要求1所述的一种高隔离度吸收式一分六开关，其特征在于，二极管键合采用的金丝直径为18μm，方式采用三点式键合。
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