CN111327304A - 一种射频开关结构、射频开关基体构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种射频开关结构，包括集成滤波功能的第一射频开关基体及第二射频开关基体，第一射频开关基体的a端与第二射频开关基体的b端连接于天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接有公共开路微带线，公共开路微带线作为第一射频开关基体与第二射频开关基体的共同部分，第一射频开关基体的另一端与发射端输出匹配线、发射端TX依次相连，第二射频开关基体的另一端与接收端输出匹配线、接收端RX依次相连。本发明还提出一种射频开关基体构建方法，减小了射频开关结构的尺寸，降低了插入损耗。

Description

一种射频开关结构、射频开关基体构建方法

技术领域

本发明涉及射频开关的技术领域，更具体地，涉及一种射频开关结构、射频开关基体构建方法。

背景技术

滤波器和射频开关在毫米波系统中具有选频的作用，是射频前端结构中不可分割的一部分，GaAs材料具有较高的电子迁移率、饱和漂移速度以及较宽的禁带宽度等优点，逐渐在高频、高速、高温等应用领域中占据重要地位，GaAs的pHEMT工艺在射频开关电路设计时发挥着重要作用。

传统射频开关结构，即单刀双掷开关SPDT，Single Pole Double Throw结构的电路图如图1所示，微带线作为整个电路结构的输入匹配，再分别并联pHEMT管102、pHEMT管112，在控制信号端VG1与VG2的控制下，完成信号发射工作，控制信号VG1与VG2在同一时刻保持其中之一为高电平，另外一个为低电平。当控制信号VG1为高电平，VG2为低电平时，第一pHEMT管102导通，第二pHEMT管112截止，此时信号可从天线端ANT发射到接收端RX；当VG1为低电平，VG2为高电平时，第一pHEMT管102截止，第二pHEMT管112导通，此时信号可从发射端TX发射到天线端ANT。目前，射频单刀双掷开关SPDT通常需要使用微带线将两个单刀单掷开关SPST，single-pole single-throw作为射频开关基体组合形成，以使处于断开状态的射频开关基体SPST的阻抗不会影响导通状态SPST的插入损耗，但原有结构虽使用了微带线作为阻抗变换器，整个SPDT开关的频率响应仍无法合成，而且微带线通常尺寸较大，与小型化理念相悖，而注重追求小型化，又无法保证插入损耗及回波损耗。

综上所述，提出一种尺寸架构小且插入损耗小的射频开关结构、射频开关基体构建方法十分有必要。

发明内容

传统射频开关结构采用λ/4微带线作为阻抗变换器来减小插入损耗时，具有面积尺寸较大的缺陷，而若注重小型化却又无法保证开关的插入损耗及回波损耗，为解决以上矛盾，本发明提出了一种集成滤波的的射频开关结构、射频开关基体构建方法，使得尺寸在原有架构上减小，且降低了插入损耗及回波损耗。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种射频开关结构，包括发射端TX、发射端输出匹配线215、接收端RX、接收端输出匹配线205及天线端ANT，还包括第一射频开关基体及第二射频开关基体，第一射频开关基体的a端与第二射频开关基体的b端连接于天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接有公共开路微带线207，公共开路微带线207作为第一射频开关基体与第二射频开关基体的共同部分，第一射频开关基体的另一端与发射端输出匹配线215、发射端TX依次相连，第二射频开关基体的另一端与接收端输出匹配线205、接收端RX依次相连。

优选地，所述第一射频开关基体包括控制信号端VG1、第一pHEMT管212、第一电阻211、第一滤波微带线214、第二滤波微带线216及公共开路微带线207，所述控制信号端VG1、第一电阻211及第一pHEMT管212的栅极依次相连，第一pHEMT管212源极接地，第二pHEMT管202的漏极分别连接第一滤波微带线214的一端、发射端输出匹配线215的一端及第二滤波微带线216的一端，第一滤波微带线214的另一端悬空，第二滤波微带线216的另一端a端连接天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接公共开路微带线207。

优选地，所述第二射频开关基体包括控制信号端VG2、第二pHEMT管202、第二电阻201、第三滤波微带线204及第四滤波微带线206；所述控制信号端VG2、第二电阻201及第二pHEMT管202的栅极依次相连，第二pHEMT管202的源极接地，第二pHEMT管202的漏极分别连接第三滤波微带线204的一端、接收端输出匹配线205的一端及第四滤波微带线206的一端，第三滤波微带线204的另一端悬空，第四滤波微带线206的另一端b端连接天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接公共开路微带线207。

在此，射频开关结构由第一射频开关基体及第二射频开关基体共同组成，利用公共开路微带线207作为共同部分，避免了射频开关结构使用微带线减小插入损耗却无法顾及微带线增加架构尺寸的矛盾，具有插入损耗低及尺寸小型化的优点。

优选地，在同一时刻，所述控制信号端VG1、控制信号端VG2中的任意一个的控制信号为高电平时，另一个的控制信号为低电平。当控制信号端VG1的控制信号为高电平，控制信号端VG2的控制信号为低电平时，第二pHEMT管202导通，第一pHEMT管212截止，外部系统信号从天线端ANT发射到接收端RX；当控制信号端VG1的控制信号为低电平，控制信号端VG2的控制信号为高电平时，第二pHEMT管202截止，第一pHEMT管212导通，外部系统信号从发射端TX发射到天线端ANT。

在此，在控制信号端VG1和控制信号端VG2的控制下，第一射频开关基体与第二开关基体2的频率响应相配合合成，从而外部系统信号可以在发射端TX及接收端RX间传播。

本发明还提出一种射频开关基体构建方法，所述方法用于构建第一射频开关基体及第二射频开关基体，包括如下步骤：

步骤S1、构建L型第一滤波模型M1，第一滤波模型M1包括串联微带线701及并联微带线702；

步骤S2、根据串并联微带线的等效原理，将L型第一滤波模型M1等效为第二滤波模型M2，第二滤波模型M2内设有开路微带线711与短路微带线712；

步骤S3、根据开路微带线与短路微带线的关系原理，并将短路微带线712长度减小λ/4，第二滤波模型M2转换为第三滤波模型M3，λ表示波长；

步骤S4、利用pHEMT管的导通与截止特性，将第三滤波波模型M3转换为射频开关基体。

优选地，步骤A所述的L型第一滤波模型M1的串联微带线701的一端开路悬空，另一端连接并联微带线702的一端，并联微带线702的另一端接地。

在此，L型第一滤波模型M1的结构为常规设计。

优选地，步骤B所述的第二滤波模型M2包括由串联微带线701等效的第一模型部分3及由并联微带线702等效的第二模型部分4，第一模型部分3包括开路微带线711及第一接地电容C1，第二模型部分4包括短路微带线712及第二接地电容C2，所述短路微带线712与第二接地电容C2并联于c与d点之间，开路微带线711的一端连接第一接地电容C1，另一端连接c点。

在此，根据串并联微带线的等效原理，对于任何一条串联的微带线A可等效为另一个微带线B的两端分别并联一个分流电容C和分流电容D；对于任何一条并联的微带线E可等效为另一个微带线F与电容G的并联结构，而电容G可以拆分为两个新的电容G1和电容G2，满足G＝G1+G2，微带线F与电容G1、电容G2中的任意一个可形成新的微带线H，因此，最终微带线E可等效为一个新的微带线H和一个容值减小的电容G1或G2的并联结构，即在第一滤波模型M1转换为第二滤波模型M2的过程中，损耗初次减少。

优选地，步骤C所述的第三滤波模型M3包括第一开路微带线901、串联微带线902及第二开路微带线903及第三接地电容C3，第一开路微带线901一端连接串联微带线902的另一端，串联微带线902的另一端分别连接第二开路微带线903及第三接地电容C3，即第二滤波模型M2中的第一接地电容C1利用开路微带线901代替，且将短路微带线712长度减小λ/4得到第二开路微带线903。

在此，第二滤波模型M2转换为第三滤波模型M3利用的开路微带线与短路微带线的关系原理，该原理属于现有比较成熟的技术原理，将短路微带线712长度减小λ/4，第二滤波模型M2的第一接地电容C1利用开路微带线901代替，将串联端的一个电容与并联端的电容合并在了一起，使并联的总电容变小，电容越小，对应阻抗越接近于微带线特性阻抗，输入阻抗减小，从而使得插入损耗降低，且电容的合并也减小了结构面积尺寸。

优选地，步骤D所述的射频开关基体是利用pHEMT管代替第三滤波模型M3中的第三接地电容C3得到的。

在此，由于pHEMT管在导通时可等效为电阻性质，在截止时可等效为电容性质，因此第三滤波模型M3中的第三接地电容C3可利用pHEMT管代替。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明提出一种集成滤波功能的射频开关结构，由第一射频开关基体及第二射频开关基体共同组成，第一开关基体及第二开关基体利用公共开路微带线作为共同部分，避免了传统射频开关结构采用过多微带线作为阻抗变换器来减小插入损耗时，具有尺寸较大的缺陷，而若注重小型化却又无法保证开关的插入损耗及隔离性的矛盾，公共开路微带线使得射频开关结构尺寸在原有架构上减小，且降低了插入损耗，提高了隔离性。

(2)本发明提出一种射频开关基体的构建方法，通过串并联微带线的等效原理、开路微带线与短路微带线的关系原理构建射频开关基体，使得射频开关基体输入阻抗减小，从而使得插入损耗降低。

附图说明

图1为传统射频开关结构的示意图。

图2为本发明提出的射频开关结构的示意图。

图3为本发明提出的射频开关基体构建方法的流程图。

图4为步骤S1提出的L型第一滤波模型M1的结构示意图。

图5为步骤S2提出的第二滤波模型M2的结构示意图。

图6为步骤S3提出的第三滤波模型M3的结构示意图。

图7为步骤S4得到的射频开关基体的结构示意图。

图8为本发明提出的射频开关结构与传统射频开关结构的插入损耗对比图。

图9为本发明提出的射频开关结构与传统射频开关结构的回波损耗对比图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示的传统射频开关结构的示意图，微带线作为整个电路结构的输入匹配，再分别并联pHEMT管102、pHEMT管112，在控制信号端VG1与控制信号端VG2的控制下，完成信号发射工作，控制信号端VG1与VG2的电平在同一时刻保持其中之一为高电平，另外一个为低电平。传统射频开关结构使用常规微带线将两个射频开关基体组合在一起，常规微带线如λ/4阻抗变换器通常尺寸较大，这与我们追求小型化的理念相悖，而追求小型化又无法满足插入损耗及回波损耗的要求，图2表示本发明提出的射频开关结构的示意图，包括发射端TX、发射端输出匹配线215、接收端RX、接收端输出匹配线205及天线端ANT，还包括第一射频开关基体1及第二射频开关基体2，第一射频开关基体1的a端与第二射频开关基体2的b端连接于天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接有公共开路微带线207，公共开路微带线207作为第一射频开关基体1与第二射频开关基体2的共同部分，第一射频开关基体1的另一端与发射端输出匹配线215、发射端TX依次相连，第二射频开关基体2的另一端与接收端输出匹配线205、接收端RX依次相连，第一开关基体1及第二开关基体2利用公共开路微带线207作为共同部分，避免了传统射频开关结构采用过多微带线作为阻抗变换器来减小插入损耗时，具有尺寸较大的缺陷，而若注重小型化却又无法保证开关的插入损耗及隔离性的矛盾，公共开路微带线207使得射频开关结构尺寸在原有架构上减小，且降低了插入损耗，提高了隔离性。

参见图2，第一射频开关基体1包括控制信号端VG1、第一pHEMT管212、第一电阻211、第一滤波微带线214、第二滤波微带线216及公共开路微带线207，所述控制信号端VG1、第一电阻211及第一pHEMT管212的栅极依次相连，第一pHEMT管212源极接地，第二pHEMT管202的漏极分别连接第一滤波微带线214的一端、发射端输出匹配线215的一端及第二滤波微带线216的一端，第一滤波微带线214的另一端悬空，第二滤波微带线216的另一端a端连接天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接公共开路微带线207。第二射频开关基体2包括控制信号端VG2、第二pHEMT管202、第二电阻201、第三滤波微带线204及第四滤波微带线206；所述控制信号端VG2、第二电阻201及第二pHEMT管202的栅极依次相连，第二pHEMT管202的源极接地，第二pHEMT管202的漏极分别连接第三滤波微带线204的一端、接收端输出匹配线205的一端及第四滤波微带线206的一端，第三滤波微带线204的另一端悬空，第四滤波微带线206的另一端b端连接天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接公共开路微带线207。

在同一时刻，控制信号端VG1、控制信号端VG2中的任意一个的控制信号为高电平时，另一个的控制信号为低电平。当控制信号端VG1的控制信号为高电平，控制信号端VG2的控制信号为低电平时，第二pHEMT管202导通，第一pHEMT管212截止，外部系统信号从天线端ANT发射到接收端RX；当控制信号端VG1的控制信号为低电平，控制信号端VG2的控制信号为高电平时，第二pHEMT管202截止，第一pHEMT管212导通，外部系统信号从发射端TX发射到天线端ANT。

如图3所示，本发明还提出射频开关基体的构建方法，用于构建第一射频开关基体1及第二射频开关基体2，步骤如下：

步骤S1、构建L型第一滤波模型M1如图4所示，第一滤波模型M1包括串联微带线701及并联微带线702，串联微带线701的一端开路悬空，另一端连接并联微带线702的一端，并联微带线702的另一端接地。

步骤S2、根据串并联微带线的等效原理，将L型第一滤波模型M1等效为如图5所示的第二滤波模型M2，参见图5，第二滤波模型M2包括由串联微带线701等效的第一模型部分3及由并联微带线702等效的第二模型部分4，第一模型部分3包括开路微带线711及第一接地电容C1，第二模型部分4包括短路微带线712及第二接地电容C2，所述短路微带线712与第二接地电容C2并联于c与d点之间，开路微带线711的一端连接第一接地电容C1，另一端连接c点；

步骤S3、根据开路微带线与短路微带线的关系原理，并将短路微带线712长度减小λ/4，第二滤波模型M2转换为如图6所示的第三滤波模型M3，λ表示波长，参见图6，第三滤波模型M3包括第一开路微带线901、串联微带线902及第二开路微带线903及第三接地电容C3，第一开路微带线901一端连接串联微带线902的另一端，串联微带线902的另一端分别连接第二开路微带线903及第三接地电容C3，即第二滤波模型M2中的第一接地电容C1利用开路微带线901代替，且将短路微带线712长度减小λ/4得到第二开路微带线903；

步骤S4、利用pHEMT管的导通与截止特性，将第三滤波波模型M3转换为射频开关基体如图7所示，参见图7，射频开关基体是利用pHEMT管代替第三滤波模型M3中的第三接地电容C3得到的。

图8为本发明提出的射频开关结构与传统射频开关结构的插入损耗对比图，图9为本发明提出的射频开关结构与传统射频开关结构的回波损耗对比图，其中“○”标记代表传统射频开关结构对应的结果，“△”标记代表本发明提出的射频开关结构对应的结果，图8横坐标表示频率，纵坐标表示插入损耗，图9横坐标表示频率，纵坐标表示回波损耗，不论插入损耗还是回波损耗，采用本发明提出的射频开关结构产生的效果均优于传统开关结构。

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射频开关结构，包括发射端TX、发射端输出匹配线215、接收端RX、接收端输出匹配线205及天线端ANT，其特征在于，还包括集成滤波功能的第一射频开关基体(1)及第二射频开关基体(2)，第一射频开关基体(1)的a端与第二射频开关基体(2)的b端连接于天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接有公共开路微带线207，公共开路微带线207作为第一射频开关基体(1)与第二射频开关基体(2)的共同部分，第一射频开关基体(1)的另一端与发射端输出匹配线215、发射端TX依次相连，第二射频开关基体(2)的另一端与接收端输出匹配线205、接收端RX依次相连。

2.根据权利要求1所述的射频开关结构，其特征在于，所述第一射频开关基体(1)包括控制信号端VG1、第一pHEMT管212、第一电阻211、第一滤波微带线214、第二滤波微带线216及公共开路微带线207，所述控制信号端VG1、第一电阻211及第一pHEMT管212的栅极依次相连，第一pHEMT管212源极接地，第二pHEMT管202的漏极分别连接第一滤波微带线214的一端、发射端输出匹配线215的一端及第二滤波微带线216的一端，第一滤波微带线214的另一端悬空，第二滤波微带线216的另一端a端连接天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接公共开路微带线207。

3.根据权利要求2所述的射频开关结构，其特征在于，所述第二射频开关基体(2)包括控制信号端VG2、第二pHEMT管202、第二电阻201、第三滤波微带线204及第四滤波微带线206；所述控制信号端VG2、第二电阻201及第二pHEMT管202的栅极依次相连，第二pHEMT管202的源极接地，第二pHEMT管202的漏极分别连接第三滤波微带线204的一端、接收端输出匹配线205的一端及第四滤波微带线206的一端，第三滤波微带线204的另一端悬空，第四滤波微带线206的另一端b端连接天线端ANT，天线端ANT的一端延伸连接公共开路微带线207。

4.根据权利要求3所述的射频开关结构，其特征在于，在同一时刻，所述控制信号端VG1、控制信号端VG2中的任意一个的控制信号为高电平时，另一个的控制信号为低电平。

5.根据权利要求4所述的射频开关结构，其特征在于，当控制信号端VG1的控制信号为高电平，控制信号端VG2的控制信号为低电平时，第二pHEMT管202导通，第一pHEMT管212截止，外部系统信号从天线端ANT发射到接收端RX；当控制信号端VG1的控制信号为低电平，控制信号端VG2的控制信号为高电平时，第二pHEMT管202截止，第一pHEMT管212导通，外部系统信号从发射端TX发射到天线端ANT。

6.一种射频开关基体构建方法，所述方法用于构建权利要求1所述的第一射频开关基体(1)及第二射频开关基体(2)，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、构建L型第一滤波模型M1，第一滤波模型M1包括串联微带线701及并联微带线702；

步骤S2、根据串并联微带线的等效原理，将L型第一滤波模型M1等效为第二滤波模型M2，第二滤波模型M2内设有开路微带线711与短路微带线712；

步骤S3、根据开路微带线与短路微带线的关系原理，并将短路微带线712长度减小λ/4，第二滤波模型M2转换为第三滤波模型M3，λ表示波长；

步骤S4、利用pHEMT管的导通与截止特性，将第三滤波波模型M3转换为射频开关基体。

7.根据权利要求6所述的射频开关基体构建方法，其特征在于，步骤A所述的L型第一滤波模型M1的串联微带线701的一端开路悬空，另一端连接并联微带线702的一端，并联微带线702的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的射频开关基体构建方法，其特征在于，步骤B所述的第二滤波模型M2包括由串联微带线701等效的第一模型部分(3)及由并联微带线702等效的第二模型部分(4)，第一模型部分(3)包括开路微带线711及第一接地电容C1，第二模型部分(4)包括短路微带线712及第二接地电容C2，所述短路微带线712与第二接地电容C2并联于c与d点之间，开路微带线711的一端连接第一接地电容C1，另一端连接c点。

9.根据权利要求8所述的射频开关基体构建方法，其特征在于，步骤C所述的第三滤波模型M3包括第一开路微带线901、串联微带线902及第二开路微带线903及第三接地电容C3，第一开路微带线901一端连接串联微带线902的另一端，串联微带线902的另一端分别连接第二开路微带线903及第三接地电容C3，即第二滤波模型M2中的第一接地电容C1利用开路微带线901代替，且将短路微带线712长度减小λ/4得到第二开路微带线903。

10.根据权利要求9所述的射频开关基体构建方法，其特征在于，步骤D所述的射频开关基体是利用pHEMT管代替第三滤波模型M3中的第三接地电容C3得到的。

Images