CN111147059A

CN111147059A - 一种用于无线通信的大功率射频开关

Info

Publication number: CN111147059A
Application number: CN202010068370.4A
Authority: CN
Inventors: 孔庆富; 柳良; 高金磊
Original assignee: SHANGHAI FUDAN COMMUNICATION CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI FUDAN COMMUNICATION CO Ltd
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-05-12

Abstract

本发明属于电子通讯的技术领域，公开了本发明提供了一种用于无线通信的大功率射频开关，基于PIN二极管构建的，其开关输入端口与开关输出端口之间的连接传输线采用耦合传输线，而非传统的连接传输线，主要是开关输入端口通过耦合传输线与开关输出端口、PIN二极管和短路短截线相连，该PIN二极管与开路短截线相连，该耦合传输线中的一条传输线的一端与开关输入端口相连，另一端与PIN二极管相连，另一条传输线的一端与开关输出端口相连，另一端与短路短截线相连，两条传输线的另一端短接。本发明的射频开关实现大功率、高切换速度和宽带宽，满足射频开关的应用需求，扩大应用范围。

Description

一种用于无线通信的大功率射频开关

技术领域

本发明属于电子通讯的技术领域，具体涉及一种用于无线通信的大功率射频开关。

背景技术

射频开关作为现代无线通信中的核心器件，广泛应用于各种时分复用通信终端和基站中实现射频通路的切换。这些切换通常包括同一通信制式下上行和下行链路的切换(通信终端发射和接收的切换)和不同通信制式例如GSM、DCS、 WCDMA、CDMA、TD-SCDMA、LTE之间的切换等。

实现射频开关的方法按照实现方式主要可分为三种：第一种是基于继电器的开关，它的缺点是切换速度通常在微秒甚至毫秒级，无法满足高速无线通信中小上升和下降时间的需求；另外一种基于双极性晶体管和场效应管的电子射频开关，它的突出优点是切换时间通常为纳秒级，能够满足高速无线通信中的小上升和下降时间要求，此外，它的相对带宽通常可以达到50％以上，然而，受限于PN结射频开关的承受功率通常不超过1W，常用于发射功率较小通信距离短的通信应用中；第三种是基于PIN二极管的电子射频开关，由于它是在PN结的基础上掺杂了本征层，最大承受功率显著提高，此外，它的上升和下降时间通常为纳米级，能够满足高速无线通信需求。然而，PIN二极管在射频时存在寄生电感、电容、和电阻，它们使得开关通路采用四分之一阻抗传输线时相对带宽较窄，通常只有10％左右，这使得在很多通信应用中，它的带宽难以满足需求。

发明内容

本发明提供一种射频开关，解决了现有基于PIN二极管的电子射频开关的带宽较窄，不能满足需求的问题。

本发明可以通过以下技术方案实现：

一种用于无线通信的大功率射频开关，基于PIN二极管构建，其开关输入端口与开关输出端口之间的连接传输线采用耦合传输线。

进一步，所述开关输入端口通过耦合传输线与开关输出端口、PIN二极管和短路短截线相连，所述PIN二极管与开路短截线相连。

进一步，所述耦合传输线中的一条传输线的一端与开关输入端口相连，另一端与PIN二极管相连，另一条传输线的一端与开关输出端口相连，另一端与短路短截线相连，两条传输线的另一端短接。

进一步，所述耦合传输线采用四分之一波长的耦合微带线结构。

进一步，所述开关输入端口通过第一耦合传输线与第一开关输出端口、第一 PIN二极管和第一短路短截线相连，所述第一PIN二极管与第一开路短截线相连；所述开关输入端口还通过第二耦合传输线与第二开关输出端口、第二PIN二极管和第二短路短截线相连，所述第二PIN二极管与第二开路短截线相连。

进一步，所述第一短路短截线、第二短路短截线、第一开路短截线、第二开路短截线均采用共面波导结构。

本发明有益的技术效果在于：

1、通过对传统基于PIN二极管的大功率射频开关的改进，应用耦合传输线来替代传统基于PIN管实现的大功率射频开关中的微带传输线，并通过采用所提出的电路拓扑结构，控制耦合传输线的耦合度可以来进一步提高工作带宽，达到传统射频开关带宽的5倍以上，实现大功率、高切换速度和宽带宽，满足射频开关的应用需求，扩大应用范围。

2、通过将传统基于PIN二极管的大功率射频开关中的短路短截线由微带形式变更为共面波导结构形式，可以减小其特征阻抗，从而更加进一步提高其工作带宽，同时，将传统基于PIN二极管的大功率射频开关中的开路短截线由微带形式变更为共面波导结构形式，可以增大其特征阻抗，从而更加进一步提高其工作带宽。

3、基于PIN二极管、开路和短路短截线以及耦合传输线构建可以构建单刀任意掷或者多刀多掷或者可重构射频开关。

附图说明

图1为本发明的传统的基于PIN二极管的单刀双掷用于无线通信的大功率射频开关原理图，其是基于四分之一波长阻抗传输线的实现方式；

图2为本发明的基于PIN二极管的单刀双掷用于无线通信的大功率射频开关原理图，其是基于耦合传输线的实现方式；

图3为本发明的开关输入端口和开关输出端口1之间的射频通路等效电路，其中，(a)表示开关输入端口和开关输出端口1射频通路等效电路，(b)表示开关输入端口和开关输出端口2射频通路等效电路；

图4为本发明的PIN二极管正反向偏置时的等效电路，其中，(a)表示PIN 二极管反向偏置时的偶模等效电路，(b)表示PIN二极管反向偏置时的奇模等效电路，(c)表示PIN二极管正向偏置时的偶模等效电路，(d)表示PIN二极管正向偏置时的奇模等效电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进一步详细说明。

本发明提供了一种用于无线通信的大功率射频开关，是基于PIN二极管构建的，其开关输入端口与开关输出端口之间的连接传输线采用耦合传输线，而非传统的连接传输线，并基于所提出的电路拓扑结构，主要是开关输入端口通过耦合传输线与开关输出端口、PIN二极管和短路短截线相连，该PIN二极管与开路短截线相连，该耦合传输线中的一条传输线的一端与开关输入端口相连，另一端与PIN二极管相连，另一条传输线的一端与开关输出端口相连，另一端与短路短截线相连，两条传输线的另一端短接。该耦合传输线优选采用四分之一波长的耦合微带线结构。

另外，上述结构的射频开关还可以做出单刀双掷的，具体地，该开关输入端口通过第一耦合传输线与第一开关输出端口、第一PIN二极管和第一短路短截线相连，该第一PIN二极管与第一开路短截线相连；该开关输入端口还通过第二耦合传输线与第二开关输出端口、第二PIN二极管和第二短路短截线相连，该第二PIN二极管与第二开路短截线相连。该第一短路短截线、第二短路短截线、第一开路短截线、第二开路短截线均采用共面波导结构。当然也可以制作成其他结构的射频开关，如多刀多掷、单刀任意掷、可重构射频开关等等，而耦合传输线的结构形式不仅仅是均匀特征阻抗耦合传输线，还可以是阶梯特征阻抗耦合传输线。

以下以单刀双掷开关为例来说明本发明的射频开关的工作过程。

为了简化分析，我们以如附图1、2所示的传统和本发明的单刀双掷开关为例来说明实现大功率单刀多掷、可重构射频开关的实现原理。在附图中，端接阻抗Z₀表示开关输入端口以及开关输出端口1和2，特征阻抗Z₁和电长度θ₁的开路短截线主要用于补偿PIN二极管正向偏置时的寄生电感以及作为偏置电压的正极，特征阻抗Z₂和电长度θ₂的短路短截线主要用于补偿PIN二极管反向偏置时的寄生电容以及作为偏置电压的负极，而电长度为90°的传输线为输入和开关输出端口之间的传输通路。附图1和2分别为传统和本发明的基于PIN二极管实现的大功率单刀双掷原理图，从图可以看出，本发明图2通过一段四分之一波长的耦合传输线替代了传统射频开关中图1的四分之一波长传输线。此外，图2中的特征阻抗为Z₂和电长度θ₂的短路短截线为共面波导结构来替代图 1中的微带线结构来实现更大特征阻抗。

为了更清楚地说明本发明中宽带射频开关的工作原理，我们以射频开关开关输入端口到开关输出端口1通路导通而到开关输出端口2端口断开为例分析，此时，PIN二极管1处于反向偏置条件，而PIN二极管2处于正向偏置条件。考虑到PIN二极管在正向和反向偏置条件下包含寄生电感、电阻、和电容的等效电路，两条射频通路的等效电路分别如附图3(a)和(b)所示。

在附图3(a)中，PIN二极管在反向偏置条件下等效为一个电容C₀和电阻Rp 并联后再级联一个电感L₀，考虑到附图3(a)等效电路为一个对称结构，我们可以通过奇偶模方法来简化分析，此时，它的偶模和奇模等效电路如附图4(a)和 (b)所示。

根据奇偶模分析，它的传输系数为：

其中Γ_e和Γ_o分别为偶模和奇模反射系数，它们分别由奇偶模的输入阻抗表示为：

式中，Z_inre和Z_inro分别表示PIN二极管反向偏置时的偶模和奇模输入阻抗，在偶模时，PIN二极管主要通过特征阻抗Z₂和电长度θ₂的短路短截线的补偿后，在一个窄带内输入导纳Y_inpin接近为0，经过一段电长度的传输线后输入阻抗 Zinre接近于0，此时反向偏置偶模反射系数Γ_e根据公式(2)知接近-1；而奇模时，其输入阻抗是通过一段90度的传输线将0阻抗变换而来，故其无穷大，从而反向偏置奇模反射系数Γ_o根据公式(2)知为1，因此，输入和输出端口之间的传输系数根据公式(1)知，其模值为1，即输入端口和输出端口1之间是导通的。

在附图3(b)中，PIN二极管在反向偏置条件下等效为一个串联的电阻R₀和电感L₀，类似的，由于该等效电路为一个对称结构，我们也可以得到它的偶模和奇模等效电路如附图4(c)和(d)所示。PIN二极管主要通过特征阻抗Z₁和电长度θ₁的开路短截线的补偿后，在一个窄带内输入阻抗Z_inpin接近为0，经过一段电长度90度的传输线后输入阻抗Z_infe接近于无穷大，此时正向偏置偶模反射系数Γ_e接近1；而奇模时，其输入阻抗是通过一段90度的传输线将0阻抗变换而来，故其无穷大，从而正向偏置奇模反射系数Γ_o近似为1，因此，输入端口和输出端口2之间的传输系数根据公式(1)可知，其模值为0，即输入端口和输出端口2之间是断开的。

对于基于PIN二极管实现的传统大功率射频开关而言，它通过特征阻抗Z₂和电长度θ₂的短路短截线来补偿PIN二极管正向偏置寄生参数,由于其PIN二极管处输入阻抗趋于0，从而使得经过四分之一波长传输线后在开关输入端口处的无穷大输入阻抗带宽很窄，从而它的隔离带宽窄，这就导致整个开关带宽很窄。然而，对于基于耦合传输线实现的大功率开关而言，虽然它也通过特征阻抗Z₂和电长度θ₂的短路短截线来补偿PIN管正向偏置寄生参数，但是它的总传输系数公式(1)由奇偶模反射系数的差值来确定，借助耦合传输线所带来的奇偶模阻抗消除了四分之一波长传输线导致的隔离带宽窄的问题，通过本发明所提出的电路拓扑结构一起补偿了PIN二极管所产生的寄生效应，拓展了开关的带宽，因此，使基于耦合传输线实现的大功率开关的具体有宽的带宽。类似地，我们可以分析得到反向偏置时，输入端口和输出端口1之间“导通”状态下的带宽较宽。

对于开关输入端口到输出端口1通路断开而输入端口到输出端口2端口导通的情形与上分析完全类似，这里不再重复。

综上，我们通过控制开路和短路短截线的电参数Z₁、θ₁、Z₂、和θ₂来分别补偿PIN二极管正向偏置时的寄生电感和短路时的寄生电容并提供偏置电路的正负极。在此基础上，我们通过控制PIN二极管1处于反向偏置而PIN二极管2 处于正向偏置状态，也可以实现输入端口到输出端口1的导通以及输入端口到输出端口2断开，类似地，我们通过控制PIN二极管1处于正向偏置而PIN二极管2处于反向偏置状态，进而可以实现输入端口到输出端口1的断开以及输入端口到输出端口2的导通，这说明通过耦合传输线替代传统开关中的非耦合传输线射频通路亦可以实现开关功能，特别地，耦合传输线作为射频通路时，它通过奇模和偶模反射系数的差值来决定射频通路的“导通”和“断开”状态，这一点与传统的非耦合传输线作为传输射频通路时不同，并可以将带宽增大为传统非耦合传输线结构的5倍左右。此外，我们容易证明，通过将短路/开路微带线的结构形式变更为共面波导结构，可以减小/增大短路传输线特征阻抗，从而进一步增大带宽。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种用于无线通信的大功率射频开关，其特征在于：基于PIN二极管构建，其开关输入端口与开关输出端口之间的连接传输线采用耦合传输线。

2.根据权利要求1所述的用于无线通信的大功率射频开关，其特征在于：所述开关输入端口通过耦合传输线与开关输出端口、PIN二极管和短路短截线相连，所述PIN二极管与开路短截线相连。

3.根据权利要求2所述的用于无线通信的大功率射频开关，其特征在于：所述耦合传输线中的一条传输线的一端与开关输入端口相连，另一端与PIN二极管相连，另一条传输线的一端与开关输出端口相连，另一端与短路短截线相连，两条传输线的另一端短接。

4.根据权利要求3所述的用于无线通信的大功率射频开关，其特征在于：所述耦合传输线采用四分之一波长的耦合微带线结构。

5.根据权利要求2所述的用于无线通信的大功率射频开关，其特征在于：所述开关输入端口通过第一耦合传输线与第一开关输出端口、第一PIN二极管和第一短路短截线相连，所述第一PIN二极管与第一开路短截线相连；所述开关输入端口还通过第二耦合传输线与第二开关输出端口、第二PIN二极管和第二短路短截线相连，所述第二PIN二极管与第二开路短截线相连。

6.根据权利要求5所述的用于无线通信的大功率射频开关，其特征在于：所述第一短路短截线、第二短路短截线、第一开路短截线、第二开路短截线均采用共面波导结构。