CN111224653A - 单刀双掷开关 - Google Patents

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CN111224653A CN201911172183.4A CN201911172183A CN111224653A CN 111224653 A CN111224653 A CN 111224653A CN 201911172183 A CN201911172183 A CN 201911172183A CN 111224653 A CN111224653 A CN 111224653A
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Abstract

一种单刀双掷开关,其包括分别设置在第一端口和第二端口之间以及所述第一端口和第三端口之间的开关单元,并且被配置为互补地执行。每个开关单元都包括:天线端口;电路端口;传输线,其被配置成耦合所述天线端口与所述电路端口;以及开关元件,其连接在所述传输线和地之间。所述开关元件包括:并联电路,其包括并联连接的晶体管和电感器;以及电容器,其与所述并联电路串联连接。所述传输线具有与从所述天线端口在所述开关单元内部看到的阻抗和从所述电路端口在所述开关单元内部看到的阻抗不同的特征阻抗。

Description

单刀双掷开关
技术领域
本发明的方面涉及一种选择性地输入和输出信号的单刀双掷开关。
背景技术
传统上已经使用了单刀双掷开关(SPDT),其将诸如天线的用于高频信号处理的装置选择性地连接到两个输入/输出端子。例如,在专利文献1(日本未审专利公开No.H8-213802)中所述的高频开关电路包括:半导体开关元件,其被设置在连接两个输入/输出端子的传输线上的一点与地之间;1/4波长线,其被插入到传输线中;以及电感电抗元件,其被设置在传输线的点与地之间,并被配置成与半导体开关元件组合以构成谐振电路。作为其它开关电路,还已知专利文献2(日本未审专利公开No.H9-008501)和专利文献3(日本未审专利公开No.2016-010045)中所述的那些开关电路。
在上述传统的高频开关电路中,在高频或高功率应用中,存在作为开关元件的晶体管的开路特性和短路特性倾向于被偏压的趋势。结果,当晶体管开路时,端子之间的通道损耗可能显著增加。因此,需要一种单刀双掷开关,其能够减小晶体管开路时端子之间的通道损耗。
发明内容
根据本发明的一个方面,提供了一种单刀双掷开关,其包括:第一端口;第二端口;第三端口;第一开关单元,其连接在第一端口和第二端口之间;以及第二开关单元,其连接在第一端口和第三端口之间。第一开关单元包括:第一天线端口,其连接到第一端口;第一电路端口,其连接到第二端口;第一传输线,其被配置成将第一天线端口耦合到第一电路端口;以及第一开关元件,其连接在第一传输线和地之间。第一开关元件包括:第一并联电路,其包括第一晶体管和与第一晶体管并联连接的第一电感器,该第一并联电路被接地;和第一电容器,其连接在第一传输线和第一并联电路之间。第二开关单元包括:第二天线端口,其连接到第一端口;第二电路端口,其连接到第三端口;第二传输线,其被配置成将第二天线端口耦合到第二电路端口;以及第二开关元件,其连接在第二传输线和地之间。第二开关元件包括:第二并联电路,其包括第二晶体管和与第二晶体管并联连接的第二电感器,该第二并联电路被接地;和第二电容器,其连接在第二传输线和第二并联电路之间。第一传输线的特征阻抗与从第一天线端口看到的第一阻抗和从第一电路端口看到的第二阻抗每个都不同,并且第二传输线的特征阻抗与从第二天线端口看到的第一阻抗和从第二电路端口看到的第三阻抗每个都不同。
附图说明
图1是示出根据实施例的SPDT 1的示意性配置的电路图。
图2是图1的晶体管13的等效电路图。
图3是示出从史密斯圆图上的普通FET的漏极看到的阻抗的计算结果的视图。
图4是示出在史密斯圆图上从添加有电感器17的晶体管13的漏极看到的阻抗的计算结果的视图。
图5是示出在史密斯圆图上从添加有电容器15的晶体管13的漏极看到的阻抗的计算结果的视图。
图6是示出当通过实施例补偿反射特性时在史密斯圆图上从晶体管13的漏极看到的阻抗的计算结果的视图。
图7是从图1的开关单元Ua去除了一部分传输线的电路图。
图8是示出在图7所示的配置中以各种频率计算从第一端口P1指向第二端口P2的信号的强度的结果的曲线图。
图9是图1的开关单元Ua的电路图。
图10是示出在实施例中的史密斯圆图上从第一端口P1看到的阻抗的计算结果的视图。
图11是示出在图9所示的配置中以各种频率计算从第一端口P1指向第二端口P2的信号的强度的结果的曲线图。
图12A是示出阻抗转换电路5a和9a的配置示例的视图。
图12B是示出阻抗转换电路5a和9a的配置示例的视图。
图12C是示出阻抗转换电路5a和9a的配置示例的视图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。在附图的描述中,相同的元件由相同的附图标记表示,并且将省略重复的描述。
[单刀双掷开关的配置]
图1是示出根据实施例的单刀双掷开关(下文称为SPDT)的配置的方框图。SPDT是一种能够相对于一个端口在两个端口之间切换电连接的开关,并且例如用于在诸如高频天线之类的装置与发射器和接收器之间切换连接。如图1中所示,SPDT 1包括第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3、设置在第一端口P1和第二端口P2之间的开关单元Ua,以及设置在第一端口P1和第三端口P3之间的开关单元Ub。两个开关单元Ua和Ub彼此互补地操作并且具有相同的配置。
切换单元Ua包括:天线端口P4,其直接电连接到第一端口P1;电路端口P5,其直接电连接到第二端口P2;以及传输线3a、阻抗转换电路5a、传输线7a和阻抗转换电路9a,这些元件以此顺序连接在天线端口P4和电路端口P5之间。此外,开关单元Ua包括电连接在传输线7a上的中间连接点与地(接地)之间的开关元件11a。切换单元Ub在天线端口P4和直接电连接到第三端口P3的电路端口P6之间也具有相似的配置,并且包括传输线3b、阻抗转换电路5b、传输线7b、阻抗转换电路9b以及开关元件11b。
开关元件11a是通过使传输线7a与地之间的连接导通(短路)或断开(开路)而在第一端口P1与第二端口之间交替地阻断或导通的元件。开关元件11a包括作为FET的晶体管13、电容器15以及电感器17。能够通过经由电阻元件从外部提供栅极偏压来接通/关断晶体管13。晶体管13的源极电连接到地,并且晶体管13的漏极经由电容器15电连接到传输线7a的中间点(连接点),并且还经由电感器17电连接到地。换句话说,电感器17和晶体管13在传输线7a的中间点和地之间并联连接,并且晶体管13和电感器17的并联电路与电容器15串联连接。
提供开关元件11a中包括的电容器15和电感器17以补偿晶体管13的寄生电感器和寄生电容。图2示出了晶体管13的等效电路。如在附图中所述,具有相对大的尺寸(例如,栅极宽度)的晶体管13具有电容值为CDS的寄生电容,即使在漏极和源极之间的电阻RDS在晶体管13关断,特别是在具有高频率的信号区域中具有大的值时,由于电容值CDS,漏极和源极之间的阻抗ZDS也具有有限值,并且不能将晶体管13视为被关断。另一方面,即使在晶体管13接通时电阻RDS小时,由于漏极线的电感LD和源极线的电感LS的影响,电感分量也被添加到晶体管13的输出。结果,晶体管13的开路(关断)特性和短路(导通)特性被电感LD和LS以及电容值CDS的大小所偏压。
在实施例中,由于电感器17的存在,所以电感器组件LDS与寄生电容CDS并联地插入,因而形成峰值电路,并且寄生电容CDS明显被消除。另外,由于电容器15的存在,所以通过在电感LD和LS的电感分量上串联增加电容,明显消除了电感分量。
在连接在天线端口P4和电路端口P5之间的传输线3a、阻抗转换电路5a、传输线7a和阻抗转换电路9a中,当SPDT 1所针对的信号的波长为λ时,从天线端口P4到开关元件11a的连接点的长度以及从电路端口P5到开关元件11a的连接点的长度被设为λ/4。因此,当晶体管13被关断时,从天线端口P4和电路端口P5的一侧看时,开关元件11a的连接点看起来是交替地短路的,并且天线端口P4和电路端口P5被电连接。另一方面,当晶体管13导通时,从天线端口P4和电路端口P5的一侧看时,开关元件11a的连接点看起来是交替地开路的,并且天线端口P4和电路端口P5之间的连接被阻断。
设置阻抗转换电路5a和9a以校正当开关元件11a的晶体管13导通/关断时从晶体管13的漏极看到的反射特性的不平衡。具体地,阻抗转换电路5a在天线端口P4中的第一特征阻抗和与第一特征阻抗不同的第二特征阻抗之间执行阻抗转换。类似地,阻抗转换电路9a在电路端口P5中的第一特征阻抗和与第一特征阻抗不同的第二特征阻抗之间执行阻抗转换。在第一端口P1至第三端口P3中的特征阻抗Z0=50Ω的情况下,传输线3a的特征阻抗被设置为Z0,并且阻抗转换电路5a和9a在第一特征阻抗Z1=Z0和第二特征阻抗Z2(例如Z2=21Ω)之间执行阻抗转换。此外,传输线7a的特征阻抗被设置为第二特征阻抗Z2(例如,Z2=21Ω)。
将特征阻抗设置为第一特征阻抗Z1和第二特征阻抗Z2的乘积的平方根(Z1×Z2)1/2的值的微带线用作这种阻抗转换电路5a和9a的配置。即,将阻抗转换电路5a和9a设置为与其中从第一端口P1和第二端口P2观察开关单元Ua的第一特征阻抗Z1不同的特征阻抗。当构成每个阻抗转换电路5a和9a的传输线的长度被设置为λ/4时,传输线3a和7a不是必需的。
开关单元Ub具有与开关单元Ua相同的配置,并且相对于开关元件11a的晶体管,开关元件11b的晶体管13唯一地导通/关断。因而,唯一地切换第一端口P1、第二端口P2和第三端口P3之间的电连接。
[SPDT的特征]
然后将描述上述SPDT1的电路特征。
首先,在图3中,在仅由普通FET配置的晶体管13的导通/关断时从漏极看到的阻抗Zon和Zoff在0.4至43.5GHz的频率范围内加以计算并且在史密斯圆图上示出。这里示出了以特征阻抗Z0=50Ω为中心的阻抗(以下,只要没有特别说明,则相同)。如图3中所示,晶体管13关断时的阻抗特性Zoff在右端处的0.4GHz处于无限状态,能够将其视为直流,随着频率的增加顺时针过渡,并且在左端处的43.5GHz附近接近短路。这是因为电容CDS的贡献大于电感LD和LS的贡献。另一方面,由于电感LD和LS的贡献,导通时的阻抗特性Zon在0.4GHz时并未完全短路(左端),而是从错误的短路状态开始,并且由于电感LD和LS的贡献而随频率增加沿顺时针方向到达更靠近右端的点。假设SPDT 1的目标频率为28GHz,则此时的阻抗被计算为Zon昂=Z0×(0.106+0.129j)和Zoff=Z0×(0.059-0.583j)(史密斯圆图上的点m2和m1),并且不具有Zon到0,Zoff到∞的值。
在图4中,相对于其中添加了电感器17的晶体管13的阻抗Zon和Zoff在1至40GHz的频率范围内加以计算并且在史密斯圆图上示出。在这种情况下,峰值工作的频率为f0=1/{2π×(CDS×LDS)1/2}。这里示出了当设置电感LDS以使得峰值工作的频率f0与SPDT 1所针对的28GHz匹配时的阻抗Zon和Zoff。这样,关断时的阻抗Zoff在1GHz的左端短路,在28GHz下计算为Z0×2.432(点m1),并在40GHz(顺时针方向的端点)计算为Z0×(0.25-0.45j)。通过该结果能够理解,由于电感器17的作用,晶体管13在关断时的28GHz下的特征接近无限阻抗状态。
在图5中,相对于其中另外添加了电容器15的晶体管13的阻抗Zon和Zoff在1至40GHz的频率范围内加以计算并且在史密斯圆图上示出。当将两个寄生电感器的电感分量LD和LS视为一个电感分量LS’=LD+LS时,由于串联连接的电容器15的影响而在频率fS=(1/2π)×(CS÷LS’)1/2下发生陷波。这里示出了当将电容器15的电容CS设置为与其中SPDT 1所针对的28GHz下发生陷波的频率fS匹配的值时的阻抗Zon和Zoff。以这种方式,导通时的阻抗Zon在从顺时针方向上的1GHz的起点的28GHz频率下(点m2)变为Z0×0.071,并且在40GHz频率下(沿顺时针方向的端点)为无限大。此时,关断时的阻抗Zoff也受到电容器15的影响,并且在28GHz频率下的特征被计算为Zoff=Z0×(2.432-0.122j)(点m1)。通过该结果能够理解,由于电容器15的作用,所以在晶体管13在接通时的28GHz下的阻抗接近其中阻抗为零的状态。
如上所述,虽然改善了当晶体管13导通/关断时从漏极看到的反射特性,但是其值不平衡。即,反射特性(反射系数S11)能够通过图5中所示的史密斯圆图上距原点(Z0=50Ω)的距离加以评价,但是在关断时为Z0×2.432(点m1),并且在导通时为Z0×0.071(点m2),并且各点距原点的距离不平衡。
在该实施例中,通过设置补偿与晶体管13的漏极连接的传输线上的不同反射特性的特征阻抗,能够将晶体管13的导通/关断时的反射特性设置为相似的值。在图6中,在本实施例的SPDT 1中,从晶体管13的漏极看到的阻抗Zon和Zoff在1至40GHz的频率范围内加以计算并且在史密斯圆图上示出。在本实施例中,由于将晶体管13的漏极中的特征阻抗设置为第二阻抗Z2,因此在以阻抗Z2为中心的史密斯圆图上评估反射特性。例如,在设置Z2=21Ω时,如图6中所示,能够将晶体管13的导通/关断时的点m1和m2处的特性设置为以原点为中心的对称位置(Z2=21Ω),因而能够校正晶体管13的导通/关断时的反射特性的不平衡。
图7示出了其中从开关单元Ua移除了传输线3a以及阻抗转换电路5a和9a的配置。图8示出了在图7中所示的配置中以各种频率计算的从第一端口P1指向第二端口P2的信号强度的结果。这里的晶体管13的栅极宽度为400μm,电容器15的电容被设置为CS=1pF,电感器17的宽度为10μm,长度为400μm,用曲线SToff指示晶体管13在关断时的强度,并且用曲线STon指示晶体管13在导通时的强度。根据该结果,晶体管13关断时在频率27.7GHz下的损耗计算为0.714dB(点m3),晶体管13导通时在相同频率下的损耗计算为11.275dB(点m4),并且获得导通/关断时为10dB或更大的强度比的值。
然而,不能将图7中所示的配置用作SPDT 1一侧的开关。这是因为传输路径的阻抗不是50Ω,并且在晶体管13导通时(当信号被阻断时)第一端口P1的阻抗没有开路,因而要被传播到传输路径的另一侧上的信号也可能被阻止。因此,SPDT 1采用图9中所示的配置。在本实施例中,在阻抗转换电路5a、9a与晶体管13短路时,通过调节传输线的长度来设置传输线3a,以使第一端口P1开路。即,当晶体管13导通时,由于从传输线7a的中间连接点到第一端口P1的长度被设置为λ/4,所以从第一端口P1看到的阻抗可能被开路,使得另一侧上的开关单元不受影响。
在图10中,在本实施例中,在史密斯圆图上示出了在0.4至45.5GHz的频率范围内计算在晶体管13导通时从第一端口P1看到的阻抗的结果。这里在以特征阻抗Z0=50Ω为中心的史密斯圆图上示出结果。如上所述,该阻抗近似位于频率为0.4GHz的原点处,并且直接观察到第二端口P2上的特征阻抗50Ω,随着频率的增加而顺时针过渡,在频率28GHz(点m5)处变为阻抗Z0×(7.188-0.454j),并且在频率45.5GHz(端点)处变为阻抗Z0×(0.15+0.15j)。
图11示出了其中在实施例中以各个频率计算从第一端口P1指向第二端口P2的信号强度的结果。这里用曲线SToff指示晶体管13在关断时的强度,并且用曲线STon指示晶体管13在导通时的强度。根据该结果,晶体管13关断时在频率28GHz下的损耗计算为0.655dB(点m3),晶体管13导通时在相同频率下的损耗计算为11.275dB(点m4),并且获得导通/关断时为10dB或更大的强度比的值。
[SPDT的操作和效果]
根据上述实施例的SPDT 1,当晶体管13导通时,寄生电感分量被开关元件11a的电容器15抵消,并且当晶体管13关断时,寄生电容分量被开关元件11a的电感器17抵消。另外,由于存在具有与在其中看到开关单元Ua的内部的第一阻抗Z0不同的特征阻抗的阻抗转换电路5a和9a,所以可以使当晶体管13导通/关断时从端口P1和P2看到开关单元Ua的反射特性均匀化。结果,当晶体管13关断(开路)时,在各端口之间的(第一端口P和第二端口P2以及第三端口P3之间的)通过损耗减小。
特别地,阻抗转换电路5a和9a的特征阻抗被设置为第一特征阻抗Z1和第二特征阻抗Z2的乘积的平方根的值。根据这样的阻抗转换电路5a和9a,能够通过简单的配置在第一特征阻抗和第二特征阻抗之间转换特征阻抗。
此外,根据本实施例,在晶体管13导通时开关元件11a的阻抗和在晶体管13关断时开关元件11a的阻抗,是指示在以第二特征阻抗Z2为参考的史密斯圆图上相对于由SPDT 1所针对的信号的频率的对称点的值。通过这种配置,当晶体管13被导通/关断时,可以使其中从端口P1和P2每个看到开关单元Ua的反射特性均匀化。
此外,当SPDT 1所针对的信号的波长为λ时,开关单元Ua中的传输线从天线端口P4或电路端口P5到传输线7a上的连接点的长度为λ/4。利用这样的配置,当晶体管13被导通时,当从天线端口P4侧观察时,能够以高频方式阻断与电路端口P5侧的连接,并且当晶体管13被关断时,当从天线端口P4侧观察时,能够以高频方式导通与电路端口P5侧的连接。
虽然已经在优选实施例中示出并描述了本发明的原理,但是本领域技术人员应明白,可以在不脱离这种原理的情况下对本发明进行布置和细节上的修改。本发明不限于实施例中公开的特定配置。因此,要求保护根据权利要求及其精神的所有修改和改变。
在实施例中,阻抗转换电路5a和9a的配置被例证为如图12A中所示的微带线,但是可以使用其它配置。例如,可以使用下列阻抗转换器:如图12B中所示的使用具有短截线的特征阻抗Z0的传输线的阻抗转换器;和如图12C中所示的具有其中两个电容器23a、23b在电感器21的两端和地之间连接的配置的π型阻抗转换器。然而,在这种配置的情况下,必须设置传输线3a的长度,使得当晶体管13导通时第一端口P1的阻抗高。

Claims (9)

1.一种单刀双掷开关,包括:
第一端口;
第二端口;
第三端口;
第一开关单元,所述第一开关单元连接在所述第一端口和所述第二端口之间;所述第一开关单元包括:
第一天线端口,所述第一天线端口连接到所述第一端口,
第一电路端口,所述第一电路端口连接到所述第二端口,
第一传输线,所述第一传输线被配置成将所述第一天线端口耦合到所述第一电路端口,以及
第一开关元件,所述第一开关元件连接在所述第一传输线和地之间,所述第一开关元件包括:
第一并联电路,所述第一并联电路包括第一晶体管和与所述第一晶体管并联连接的第一电感器,所述第一并联电路连接到所述地,以及
第一电容器,所述第一电容器连接在所述第一传输线和所述第一并联电路之间,以及
第二开关单元,所述第二开关单元连接在所述第一端口和所述第三端口之间;所述第二开关单元包括:
第二天线端口,所述第二天线端口连接到所述第一端口,
第二电路端口,所述第二电路端口连接到所述第三端口,
第二传输线,所述第二传输线被配置成将所述第二天线端口耦合到所述第二电路端口,以及
第二开关元件,所述第二开关元件连接在所述第二传输线和所述地之间,所述第二开关元件包括:
第二并联电路,所述第二并联电路包括第二晶体管和与所述第二晶体管并联连接的第二电感器,所述第二并联电路连接到所述地,以及
第二电容器,所述第二电容器连接在所述第二传输线和所述第二并联电路之间,
其中所述第一传输线的特征阻抗与从所述第一天线端口看到的第一阻抗和从所述第一电路端口看到的第二阻抗的每个都不同,并且
其中所述第二传输线的特征阻抗与从所述第二天线端口看到的所述第一阻抗和从所述第二电路端口看到的第三阻抗的每个都不同。
2.根据权利要求1所述的单刀双掷开关,
其中所述第一传输线被配置成在所述第一天线端口和所述第一电路端口的第一特征阻抗与在所述第一开关元件的连接点处的不同于所述第一特征阻抗的第二特征阻抗之间执行阻抗匹配,并且当所述单刀双掷开关所针对的信号的波长为λ时,所述第一天线端口和所述第一电路端口与所述连接点之间的长度为λ/4的长度,并且
所述第二传输线被配置成在所述第二天线端口和所述第二电路端口的第一特征阻抗与在所述第二开关元件的连接点处的不同于所述第一特征阻抗的第二特征阻抗之间执行阻抗匹配,并且当所述单刀双掷开关所针对的信号的波长为λ时,所述第二天线端口和所述第二电路端口与所述连接点之间的长度为λ/4的长度。
3.根据权利要求2所述的单刀双掷开关,其中所述第一传输线和所述第二传输线的每个的特征阻抗都是所述第一特征阻抗和所述第二特征阻抗的乘积的平方根的值。
4.根据权利要求2或3所述的单刀双掷开关,
其中当所述第一晶体管导通时所述第一开关元件的阻抗和当所述第一晶体管非导通时所述第一开关元件的阻抗,在以所述第二特征阻抗为参考的史密斯圆图上,在所述单刀双掷开关所针对的信号的频率中,被设置在点对称位置处,并且
当所述第二晶体管导通时所述第二开关元件的阻抗和当所述第二晶体管非导通时所述第二开关元件的阻抗,在以所述第二特征阻抗为参考的史密斯圆图上,在所述单刀双掷开关所针对的信号的频率中,被设置在点对称位置处。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的单刀双掷开关,
其中所述第一传输线包括:
第一传输线部,所述第一传输线部连接到所述第一天线端口并且具有所述第一特征阻抗;
第一阻抗转换电路,所述第一阻抗转换电路连接到所述第一传输线部并且被配置成在所述第二特征阻抗和所述第一传输线部的所述第一特征阻抗之间执行阻抗匹配;
第二传输线部,所述第二传输线部具有所述第二特征阻抗并且连接到所述第一阻抗转换电路;以及
第二阻抗转换电路,所述第二阻抗转换电路连接在所述第二传输线部和所述第一电路端口之间并且被配置成在所述第一特征阻抗和所述第二特征阻抗之间执行阻抗匹配,并且
所述第二传输线包括:
第三传输线部,所述第三传输线部连接到所述第二天线端口并且具有所述第一特征阻抗;
第三阻抗转换电路,所述第三阻抗转换电路连接到所述第三传输线部并且被配置成在所述第二特征阻抗与所述第三传输线部的所述第一特征阻抗之间执行阻抗匹配;
第四传输线部,所述第四传输线部具有所述第二特征阻抗并且连接到所述第三阻抗转换电路;以及
第四阻抗转换电路,所述第四阻抗转换电路连接在所述第四传输线部和所述第二电路端口之间并且被配置成在所述第一特征阻抗和所述第二特征阻抗之间执行阻抗匹配,并且
其中所述第一开关元件连接到所述第二传输线部,以及
所述第二开关元件连接到所述第四传输线部。
6.根据权利要求5所述的单刀双掷开关,
其中所述第一阻抗转换电路、所述第二阻抗转换电路、所述第三阻抗转换电路和所述第四阻抗转换电路被设置成作为所述第一特征阻抗和所述第二特征阻抗的乘积的平方根的值的特征阻抗。
7.根据权利要求5或6所述的单刀双掷开关,
其中所述第一阻抗转换电路、所述第二阻抗转换电路、所述第三阻抗转换电路和所述第四阻抗转换电路为微带线。
8.根据权利要求5或6所述的单刀双掷开关,
其中所述第一阻抗转换电路、所述第二阻抗转换电路、所述第三阻抗转换电路和所述第四阻抗转换电路为短截线电路。
9.根据权利要求5或6所述的单刀双掷开关,
其中所述第一阻抗转换电路、所述第二阻抗转换电路、所述第三阻抗转换电路和所述第四阻抗转换电路为π型阻抗转换器。
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