CN110336569B - 一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及射频器件领域，公开了一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置。即一方面通过在射频输入支路和射频输出支路中分别布置射频调制模块和射频解调模块，可以对射频信号进行光电调制及解调，将射频信号的传输转换为光信号的传输，另一方面通过在射频输入支路与射频输出支路之间布置光开关，可以对中间已调光信号进行通断控制，进而实现对传输射频信号进行间接地通断控制或路径切换目的。由于可对已调光信号实现完全的光隔断，使开关可具有极高的隔离度，同时由于输入射频信号在开关切换过程中始终属于同一工作状态，负载没有任何变化，可使输入端口的回波信号一直保持稳定，确保输入射频信号的相位不会受开关通断的影响。

Description

一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置
技术领域
本发明属于射频器件领域，具体涉及一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置。
背景技术
射频开关又称微波开关，用于起到控制微波信号通道转换作用，其实质是一个路由高频信号通断的微波传输设备，因此被广泛用于微波测试系统中，以及用于仪器和待测设备之间的信号路由，以及用于载波电话切换、有线电视信号切换或有线电视信号开关等领域。现有的射频开关主要分为机械继电器开关以及固态开关两大类，前者基于电磁感应理论，主要依靠机械接触作为开关机构，后者基于半导体技术的电子开关器件(例如场效应管或二极管)，除了没有移动部件之外，其功能类似于机械继电器开关，因此这两类开关的本质都是对射频传输路径进行路径隔离，以实现对射频信号的通断和换路。
由于射频信号可以空间辐射传播，传统射频开关的隔离度(作为射频开关的重要指标之一，其表示在有用端口检测到的无用信号的衰减程度，隔离在高频率下变得更加重要，因为高隔离度减少了其他通道信号的影响，保持了测量信号的完整性，降低了系统测量的不确定性。例如，开关矩阵可能需要将一路信号分配到频谱分析仪以进行-70dBm的测量，并同时分配另一个+20dBm的信号，在这种情况下，高隔离度的开关将保持低功率信号的测量完整性)无法有效提高。而且更为重要的是，由于开关通断导致负载阻抗的变化会使射频信号的驻波比(即影响回波损失，在微波频率下，网元的材料属性和尺寸在决定分布式效应引起的阻抗匹配或不匹配方面起着重要的作用，具有出色的回波损失性能的射频开关确保了应用网络的最佳功率传输)发生变化，从而对原路径的射频信号造成相位扰动，这一影响在常规应用中影响不大，但是在对高精度相位操控应用中则会有十分明显的不利影响，例如原子钟和量子计算机等，因此为了克服前述问题，有必要提供一种具有高隔离度且在开关通断时无驻波变化干扰的新型开关结构。
发明内容
为了解决现有射频开关隔离度难以提高以及在开关通断时会使射频信号的驻波比发生变化等问题，本发明目的在于提供一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，可以满足原子钟、雷达以及量子计算机等对信号隔离度和相位有精确控制需求的应用场景。
本发明所采用的技术方案为：
一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，包括光源模块、射频输入支路、射频输出支路和光开关，其中，所述射频输入支路包括串联的射频输入端口和射频调制模块，所述射频调制模块还连接所述光源模块，所述射频输出支路包括串联的射频解调模块和射频输出端口，所述光开关串联在所述射频调制模块与所述射频解调模块之间；
所述射频调制模块用于将来自所述射频输入端口的射频信号调制到来自所述光源模块的光载波信号上，并将得到的已调光信号导入所述光开关；
所述光开关用于根据输入的开关控制信号导通/断开处于所述射频输入支路与所述射频输出支路之间的已调光信号传播路径；
所述射频解调模块用于对来自所述光开关的已调光信号进行解调，将加载于光载波信号上的射频信号解调出来，并传送至所述射频输出端口输出。
优化的，还包括连接所述光开关的控制模块，其中，所述控制模块用于生成所述开关控制信号。
优化的，所述射频输入支路还包括串联在所述射频输入端口与所述射频调制模块之间的输入功率控制模块，其中，所述输入功率控制模块用于对来自所述射频输入端口的射频信号进行功率增益控制。
优化的，所述射频输出支路还包括串联在所述射频解调模块与所述射频输出端口之间的输出功率控制模块，其中，所述输出功率控制模块用于对来自所述射频解调模块的射频信号进行功率增益控制。
优化的，所述射频开关装置包括有若干条所述射频输出支路。
优化的，所述光源模块采用具有光纤耦合结构的激光源。
具体的，所述射频调制模块采用强度调制方式或相位调制方式将射频信号调制到光载波信号上。
具体的，当所述射频调制模块采用强度调制方式时，所述射频解调模块采用光强探测器。在所述射频解调模块的输出端串联有交流耦合电路。
具体的，所述光开关采用型号为EPS0104的高速型光开关。
本发明的有益效果为：
(1)本发明创造提供了一种具有高隔离度且在开关通断时无驻波变化干扰的新型开关结构，即一方面通过在射频输入支路和射频输出支路中分别布置射频调制模块和射频解调模块，可以对射频信号进行光电调制及解调，将射频信号的传输转换为光信号的传输，另一方面通过在射频输入支路与射频输出支路之间布置光开关，可以对中间已调光信号进行通断控制，进而实现对传输射频信号进行间接地通断控制或路径切换目的。由于可对已调光信号实现完全的光隔断，使开关可具有极高的隔离度，同时由于输入射频信号在开关切换过程中始终属于同一工作状态(例如一直在调制光强)，负载没有任何变化，可使输入端口的回波信号一直保持稳定，确保输入射频信号的相位不会受开关通断的影响，进而可以满足原子钟、雷达以及量子计算机等对信号隔离度和相位有精确控制需求的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的射频开关装置的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的所述实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，包括光源模块、射频输入支路、射频输出支路和光开关，其中，所述射频输入支路包括串联的射频输入端口和射频调制模块，所述射频调制模块还连接所述光源模块，所述射频输出支路包括串联的射频解调模块和射频输出端口，所述光开关串联在所述射频调制模块与所述射频解调模块之间。
如图1所示，在所述射频开关装置的具体结构中，所述光源模块用于产生可以被高速调制的光载波信号，优化的，为了保证该光源模块在具有较窄的光学信号线宽的同时，能够便于后续射频信号的调制，所述光源模块优选采用具有光纤耦合结构的激光源。所述射频输入支路用于在将射频信号导入所述光开关之前，对该射频信号进行光电调制，将射频信号的传输转换为光信号的传输，其中，所述射频输入端口用于导入射频信号，其可以但不限于为SMA接口(Sub-Miniature-A的简称，无线电天线接口)；所述射频调制模块用于将来自所述射频输入端口的射频信号调制到来自所述光源模块的光载波信号上，并将得到的已调光信号导入所述光开关，具体的，可以但不限于采用强度调制方式或相位调制方式等将射频信号调制到光载波信号上。此外，所述射频信号为具有一定频率的电磁波信号或微波信号，频率范围可在300KHz～40GHz之间。
所述光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的现有光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作，因此在本实施例中可用于根据输入的开关控制信号导通/断开处于所述射频输入支路与所述射频输出支路之间的已调光信号传播路径，具体的，所述光开关可以但不限于采用型号为EPS0104的高速型光开关，该产品为基于PLZT(即锆钛酸铅镧陶瓷，其是属于锆钛酸铅系压电陶瓷，其光学特性可被电场或者通过拉伸或压缩而改变，因此被用于各种光电存储器和显示设备中)技术的1*4高速光开关，是高速光路切换的理想工具，切换速度可达到纳秒级别。
所述射频输出支路用于对从所述光开关导出的已调光信号进行光电解调，将光信号的传输还原为射频信号的传输，其中，所述射频解调模块用于对来自所述光开关的已调光信号进行解调，将加载于光载波信号上的射频信号解调出来，并传送至所述射频输出端口输出，具体的，当所述射频调制模块采用强度调制方式时，所述射频解调模块可以但不限于采用光强探测器；所述射频输出端口用于导出射频信号，其也可以但不限于为SMA接口。
下面以强度调制方式为例，举例说明前述射频开关装置的工作原理：
(1)将由所述光源模块出射的光载波信号记为：I＝Asin(wt)，其中，A为光载波信号的强度幅值，w为光载波信号的角频率，t为时间；
(2)在所述射频调制模块处，光载波信号经角频率为wrf的射频信号进行强度调制后，得到的已调光信号变为：
I＝A1sin(wt)+A2sin(wt)sin(wrft)
其中，A1和A2分别为已调光信号的强度幅值分量；
(3)在所述光开关处，所述开关控制信号记为：
Figure GDA0002692476640000051
经过所述光开关后，已调光信号变为：
Figure GDA0002692476640000052
(4)在所述射频解调模块(即光强探测器)处，由于光载波信号的角频率远高于光强探测器的响应频率，使得光强探测器只能输出已调光信号的平均功率，因此A1sin(wt)项光强经光强探测器探测后为固定电压，此处记为A11，即经过光电解调，得到输出电压信号为：
Figure GDA0002692476640000053
而由于射频信号引起的光强调制在光强探测器的响应带宽以内，因此光强探测器可以实现对射频信号的解调。最后将光强探测器输出的电压信号经交流耦合电路输出后，即在所述射频解调模块的输出端串联交流耦合电路(例如串联电容器件，图1未示出)，可以得到经过所述光开关及所述射频解调模块后的射频信号：
Figure GDA0002692476640000054
即可以通过控制光开关进行选择光通断(或光路径)，达到控制射频信号通断的目的。
由此通过前述射频开关装置的详细结构和工作原理描述，一方面通过在射频输入支路和射频输出支路中分别布置射频调制模块和射频解调模块，可以对射频信号进行光电调制及解调，将射频信号的传输转换为光信号的传输，另一方面通过在射频输入支路与射频输出支路之间布置光开关，可以对中间已调光信号进行通断控制，进而实现对传输射频信号进行间接地通断控制或路径切换目的。由于可对已调光信号实现完全的光隔断，使开关具有极高的隔离度，同时由于输入射频信号在开关切换过程中始终属于同一工作状态(例如一直在调制光强)，负载没有任何变化，可使输入端口的回波信号一直保持稳定，确保输入射频信号的相位不会受开关通断的影响，进而可以满足原子钟、雷达以及量子计算机等对信号隔离度和相位有精确控制需求的应用场景。
优化的，还包括连接所述光开关的控制模块，其中，所述控制模块用于生成所述开关控制信号。如图1所示，所述控制模块用于通过生成的所述开关控制信号控制所述光开关的光通断，其可以但不限于采用微控制器实现。
优化的，所述射频输入支路还包括串联在所述射频输入端口与所述射频调制模块之间的输入功率控制模块，其中，所述输入功率控制模块用于对来自所述射频输入端口的射频信号进行功率增益控制。如图1所示，通过配置所述输入功率控制模块，可以适当放大导入的射频信号的功率，以便保证后续在所述射频调制模块能够进行正常调制，其可以但不限于采用受制于所述控制模块的模拟功率放大器。
优化的，所述射频输出支路还包括串联在所述射频解调模块与所述射频输出端口之间的输出功率控制模块，其中，所述输出功率控制模块用于对来自所述射频解调模块的射频信号进行功率增益控制。如图1所示，通过配置所述输出功率控制模块，可以适当放大即将导出的射频信号的功率，以便得到有效的射频信号，其同样可以但不限于采用受制于所述控制模块的模拟功率放大器。
优化的，所述射频开关装置包括有若干条所述射频输出支路。如图1所示，可以实现一路输入对多路输出的射频信号通断应用，满足各种实际应用需求。
综上，采用本实施例所提供的实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，具有如下技术效果：
(1)本实施例提供了一种具有高隔离度且在开关通断时无驻波变化干扰的新型开关结构，即一方面通过在射频输入支路和射频输出支路中分别布置射频调制模块和射频解调模块，可以对射频信号进行光电调制及解调，将射频信号的传输转换为光信号的传输，另一方面通过在射频输入支路与射频输出支路之间布置光开关，可以对中间已调光信号进行通断控制，进而实现对传输射频信号进行间接地通断控制或路径切换目的。由于可对已调光信号实现完全的光隔断，使开关可具有极高的隔离度，同时由于输入射频信号在开关切换过程中始终属于同一工作状态(例如一直在调制光强)，负载没有任何变化，可使输入端口的回波信号一直保持稳定，确保输入射频信号的相位不会受开关通断的影响，进而可以满足原子钟、雷达以及量子计算机等对信号隔离度和相位有精确控制需求的应用场景。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：包括光源模块、射频输入支路、射频输出支路和光开关，其中，所述射频输入支路包括串联的射频输入端口和射频调制模块，所述射频调制模块还连接所述光源模块，所述射频输出支路包括串联的射频解调模块和射频输出端口，所述光开关串联在所述射频调制模块与所述射频解调模块之间；
所述射频调制模块用于将来自所述射频输入端口的射频信号调制到来自所述光源模块的光载波信号上，并将得到的已调光信号导入所述光开关；
所述光开关用于根据输入的开关控制信号导通/断开处于所述射频输入支路与所述射频输出支路之间的已调光信号传播路径；
所述射频解调模块用于对来自所述光开关的已调光信号进行解调，将加载于光载波信号上的射频信号解调出来，并传送至所述射频输出端口输出。
2.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：还包括连接所述光开关的控制模块，其中，所述控制模块用于生成所述开关控制信号。
3.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：所述射频输入支路还包括串联在所述射频输入端口与所述射频调制模块之间的输入功率控制模块，其中，所述输入功率控制模块用于对来自所述射频输入端口的射频信号进行功率增益控制。
4.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：所述射频输出支路还包括串联在所述射频解调模块与所述射频输出端口之间的输出功率控制模块，其中，所述输出功率控制模块用于对来自所述射频解调模块的射频信号进行功率增益控制。
5.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：所述射频开关装置包括有若干条所述射频输出支路。
6.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：所述光源模块采用具有光纤耦合结构的激光源。
7.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：所述射频调制模块采用强度调制方式或相位调制方式将射频信号调制到光载波信号上。
8.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：当所述射频调制模块采用强度调制方式时，所述射频解调模块采用光强探测器。
9.如权利要求8所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：在所述射频解调模块的输出端串联有交流耦合电路。
10.如权利要求1所述的一种实现高隔离及无驻波变化的射频开关装置，其特征在于：所述光开关采用型号为EPS0104的高速型光开关。
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