CN111525917A - 一种基于变压器的宽带单刀单掷开关及单刀多掷开关 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子开关技术领域，具体为一种基于变压器的宽带单刀单掷开关及单刀多掷开关。本发明单刀单掷开关包括：第一开关晶体管与第二开关晶体管，两者导通时呈现为一个小的导通电阻，关断时呈现为一个关断电容；变压器，在两个开关晶体管关断时与关断电容共同构成一个宽带阻抗匹配网络；四分之一波长传输线，将第二开关晶体管导通时的小的导通电阻转换为一个高的实阻抗。本发明可以实现一个宽带的单刀单掷开关，在两个开关晶体管导通时单刀单掷开关关断，在两个开关晶体管关断时单刀单掷开关导通；所述单刀单掷开关通过并联构成单刀多掷开关；宽带单刀单掷开关及单刀多掷开关在导通时具有较宽射频带宽，同时具有直流隔离与宽带匹配的功能。

Description

一种基于变压器的宽带单刀单掷开关及单刀多掷开关
技术领域
本发明属于电子开关技术领域，具体涉及一种单刀单掷开关及单刀多掷开关。
背景技术
在移动通信系统中，为了节约成本并控制面积，射频前端的功率放大器与低噪声放大器通常将会共用一个天线，并且通过开关切换的方式来选通控制。近年来，人们对无线通信速度的要求不断提高，根据香浓定理，在信噪比相同的情况下，无线通信系统的传输速度与系统带宽呈正比。因此，宽带毫米波通信系统成为了研究热点。在目前的微波通信系统中常用的基于砷化镓或CMOS工艺的低通型开关一般只能覆盖目前的频率范围，即0-6GHz，难以达到毫米波频段，无法满足宽带毫米波通信系统的需求。因此需要一种适用于毫米波频段宽带通信系统的射频开关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有宽的射频带宽，同时具备直流隔离与阻抗匹配功能的基于变压器的宽带单刀单掷开关及单刀多掷开关。
本发明提供的基于变压器的宽带单刀单掷开关，包括：第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管、变压器、四分之一波长传输线；其中，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管分别与所述变压器的主线圈与次线圈并联；所述变压器的主线圈第一端为所述单刀单掷开关的第一端，所述变压器的主线圈第二端接地，所述变压器的次线圈第一端连接至四分之一波长传输线的第一端，所述变压器的次线圈第二端接地；所述四分之一波长传输线的第二端为所述单刀单掷开关的第二端；
所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管导通时呈现为一个欧姆量级的导通电阻，关断时呈现为一个关断电容；
所述变压器在第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管关断时与关断电容共同构成一个宽带阻抗匹配网络；
四分之一波长传输线将第二并联开关晶体管导通时的欧姆量级的导通电阻转换为一个千欧姆量级的实阻抗。
本发明中，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管导通时呈现为一个较小的导通电阻，所述第一并联开关晶体管的导通电阻使所述单刀单掷开关的第一端呈现为接近短路的低阻抗，所述第二并联开关晶体管的导通电阻经所述四分之一波长传输线转换为一个高的实阻抗，从而所述单刀单掷开关的第二端呈现为接近开路的高阻抗；因此，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管导通时，所述单刀单掷开关关断。所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管关断时呈现为一个关断电容，所述关断电容与所述变压器构成了一个宽带阻抗匹配网络，实现了所述单刀单掷开关的源阻抗与负载阻抗之间的宽带匹配。因此，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管关断时，所述单刀单掷开关导通。
本发明中，所述四分之一波长传输线的中心频率为所述单刀单掷开关的工作频带的中心频率，特征阻抗为所述单刀单掷开关的第二端的负载阻抗，一般为50欧姆。
本发明中，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管根据工艺的不同，其导通与关断时控制电压的数值也将不同，因此其控制电压需要根据所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管的工艺合理选取。
本发明中，由于单刀单掷开关包含了变压器，因此单刀单掷开关具有直流隔离的功能。
本发明中，所述变压器可以用等效的电感网络代替，但此时所述单刀单掷开关将不再具有直流隔离的功能。
本发明中，若干个单刀单掷开关通过单刀单掷开关的第二端简单并联，即可得到一个单刀多掷开关。
本发明中，所述宽带单刀单掷开关及其构成的单刀多掷开关可以通过芯片或印制电路板的形式实现。
上述宽带单刀单掷开关及其构成的单刀多掷开关，在导通时具有较宽的射频带宽，可以达到毫米波频段，能够满足宽带毫米波通信系统的需求；同时具备直流隔离与阻抗匹配的功能。因此，可用作毫米波频段宽带通信系统的射频开关。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于变压器的宽带单刀单掷开关的示意图。
图2为本发明实施例中提供的单刀单掷开关导通时的等效电路的示意图。
图3为本发明实施例中提供的单刀单掷开关关断时的等效电路的示意图。
图4为本发明实施例中提供的单刀单掷开关构成的单刀双掷开关的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整的描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并不构成对本发明实施例的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，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为本发明实施例中提供的一种基于变压器的宽带单刀单掷开关的示意图。如图1所示，所述单刀单掷开关包括：第一并联开关晶体管101、第二并联开关晶体管102、变压器110，四分之一波长传输线103。
其中，所述第一并联开关晶体管101与所述变压器110的主线圈111并联，主线圈111的第一端为所述单刀单掷开关100的第一端，第二端接地；所述第二并联开关晶体管102与所述变压器110的次线圈112并联，次线圈112的第一端连接至四分之一波长传输线103的第一端，次线圈112的第二端接地；所述四分之一波长传输线103的第二端为所述单刀单掷开关100的第二端。
其中，所述第一并联开关晶体管101与第二并联晶体管102关断时，单刀单掷开关100导通；所述第一并联开关晶体管101与第二并联晶体管102导通时，单刀单掷开关100关断。
图2示出了本发明实施例中提供的一种基于变压器的宽带单刀单掷开关导通时的等效电路与原理。如图2所示，所述等效电路包括：第一关断电容201、第二关断电容202、变压器203以及四分之一波长传输线204。
其中，第一关断电容201为第一并联开关晶体管101关断时的等效模型，第二关断电容202为第二并联开关晶体管102关断时的等效模型。第一关断电容201与第二关断电容202由第一并联开关晶体管101与第二并联开关晶体管102的各种寄生电容所组成，当晶体管的尺寸越大时，其对应地关断电容的值越大。
其中，所述第一关断电容201、第二关断电容202以及变压器203构成了两个相互耦合的LC谐振腔210，当两个LC谐振腔的有载品质因数与谐振频率相同时，该电路为一个宽带阻抗匹配电路，可以将单刀单掷开关100的源阻抗Z1匹配至负载阻抗Z2。所述四分之一波长传输线204的中心频率为所述单刀单掷开关100的中心频率，特征阻抗为单刀单掷开关100的负载阻抗Z2，因此，所述四分之一波长传输线204将不会显著影响所述宽带阻抗匹配电路在中心频率附近的阻抗匹配功能。
优选地，当所述宽带匹配电路210难以直接将单刀单掷开关100的源阻抗Z1匹配至负载阻抗Z2时，所述四分之一传输线204可以充当四分之一波长阻抗变换器的功能，进一步进行阻抗变换。
图3示出本发明实施例中提供的一种基于变压器的宽带单刀单掷开关关断时的等效电路与原理。如图3所示，所述等效电路包括：第一导通电阻301、第二导通电阻302、变压器303以及四分之一波长传输线304。
其中，第一导通电阻301为第一并联开关晶体管101导通时的等效模型，第二导通电阻302为第二并联开关晶体管102导通时的等效模型。第一导通电阻301与第二导通电阻302由第一并联开关晶体管101与第二并联开关晶体管102导通时的沟道电阻构成，当晶体管的尺寸越大时，其对应地导通电阻的值越小。
其中，所述第一导通电阻301使所述四分之一波长传输线304的第一端呈现为接近短路的低阻抗，该阻抗经所述四分之一波长传输线阻抗变换为一个高的实阻抗，从而使所述单刀单掷开关的第二端呈现为一个接近开路的高阻抗；因此，所述单刀单掷开关关断。
优选地，当第一并联开关晶体管101与第二并联开关晶体管102的尺寸增大时，单刀单掷开关100在关断状态下，对应的第一导通电阻301与第二导通电阻302减小，更接近于理想开路的状态，从而使单刀单掷开关100关断时的隔离度提高；单刀单掷开关100在导通状态下，对应的第一关断电容201与第二关断电容202增大，宽带匹配电路210的无载品质因数提高，从而使单刀单掷开关100导通时的带宽减小。
优选地，在难以实现变压器的场合下，单刀单掷开关100中的变压器110可以采用等效的电感网络代替，但此时单刀单掷开关100将不再具备直流隔离的功能。
图4示出了本发明实施例中提供的一种基于变压器的宽带单刀单掷开关构成的单刀双掷开关的示意图。如图4所示，只需将两个单刀单掷开关的第二端并联，即可构成一个单刀双掷开关400。该方法可以拓展到单刀多掷开关的场合。由于单刀单掷开关在关断时第二端并非理想开路，因此单刀双掷开关400的隔离度、插入损耗等性能相比单刀单掷开关100将会有所降低。
本发明提供了一种基于变压器的宽带单刀单掷开关及其构成的单刀多掷开关，所述单刀单掷开关可以通过简单并联构成单刀多掷开关，所述宽带单刀单掷开关及其构成的单刀多掷开关同时具有直流隔离与宽带匹配的功能。
以上对本发明实施例所提供的一种基于耦合传输线的阻抗匹配电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于变压器的宽带单刀单掷开关，其特征在于，包括：第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管、变压器、四分之一波长传输线；其中：所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管分别与所述变压器的主线圈与次线圈并联；所述变压器的主线圈第一端为所述单刀单掷开关的第一端，所述变压器的主线圈第二端接地，所述变压器的次线圈第一端连接至四分之一波长传输线的第一端，所述变压器的次线圈第二端接地；所述四分之一波长传输线的第二端为所述单刀单掷开关的第二端。
2.根据权利要求1所述的基于变压器的宽带单刀单掷开关，其特征在于：
所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管导通时呈现为一个小的导通电阻，关断时呈现为一个关断电容；
所述变压器在第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管关断时与关断电容共同构成一个宽带阻抗匹配网络；
四分之一波长传输线将第二并联开关晶体管导通时的小的导通电阻转换为一个高的实阻抗。
3.根据权利要求1所述的基于变压器的宽带单刀单掷开关，其特征在于，所述四分之一波长传输线的中心频率为所述单刀单掷开关的工作频带的中心频率，特征阻抗为所述单刀单掷开关的第二端的负载阻抗，其为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的基于变压器的宽带单刀单掷开关，其特征在于，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管导通时呈现为一个较小的导通电阻，所述第一并联开关晶体管的导通电阻使所述单刀单掷开关的第一端呈现为接近短路的低阻抗，所述第二并联开关晶体管的导通电阻经所述四分之一波长传输线转换为一个高的实阻抗，从而所述单刀单掷开关的第二端呈现为接近开路的高阻抗；于是，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管导通时，所述单刀单掷开关关断。
5.根据权利要求1所述的基于变压器的宽带单刀单掷开关，其特征在于，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管关断时呈现为一个关断电容，所述关断电容与所述变压器构成一个宽带阻抗匹配网络，实现所述单刀单掷开关的源阻抗与负载阻抗之间的宽带匹配；于是，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管关断时，所述单刀单掷开关导通。
6.根据权利要求1所述的基于变压器的宽带单刀单掷开关，其特征在于，所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管根据工艺的不同，其导通与关断时控制电压的数值也不同，因此其控制电压根据所述第一并联开关晶体管与第二并联开关晶体管的工艺合理选取。
7.一种基于变压器的宽带单刀多掷开关，其特征在于，由权利要求1-6之一所述的若干个单刀单掷开关通过其第二端并联得到。
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