CN113839659B - 一种高隔离单刀双掷开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高隔离单刀双掷开关电路，包括信号输入端、第一信号输出端、第一信号传输线、第二信号输出端和第二信号传输线，第一信号传输线两端还分别并联有接地的第三开关管和第五开关管，所述第二信号传输线两端还分别并联有接地的第四开关管和第六开关管；第一信号传输线与第一信号输出端之间还串联有第七开关管，第七开关管与第一匹配电阻并联，第二信号传输线与第二信号输出端之间还串联有第八开关管，第八开关管与第二匹配电阻并联；所述电路还包括与第一传输线和第二传输线耦合的移相补偿路径。本发明将现有开关结构在同种工艺下的隔离度提高了10dB，而插入损耗仅恶化0.15dB且三个端口的驻波均满足常规使用要求。

Description

一种高隔离单刀双掷开关电路

技术领域

本发明属于微波射频集成电路技术领域，尤其涉及一种高隔离单刀双掷开关电路。

背景技术

固态微波开关由于快速的开关速度，微小的体积，低廉的制造成本，被广泛应用于相控阵雷达和其他电子系统中。常见的固态微波开关分为FET开关和PIN开关。对于低功耗、高速的应用场合，通常使用FET开关；对于需要大的耐功率场合，通常使用PIN开关。

相对于微波机电开关，微波固态开关的隔离度更差，并且随着频率升高进一步恶化。当采用的制造工艺确定后，隔离度和插入损耗是一对矛盾的指标，需要进行折中。然而由于制造工艺提供的FET管子自身的隔离能力有限，以及存在空间串扰，在需要高隔离的特殊应用中，即使进一步牺牲插入损耗，隔离度也不再提高。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种高隔离单刀双掷开关电路,在最高工作频率处插入损耗仅恶化0.15dB的情况下，隔离度提高了10dB，同时三个端口的驻波均满足常规使用要求。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种高隔离单刀双掷开关电路，包括信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端，所述信号输入端通过第一开关管和第一传输线与第一信号输出端串联，所述信号输入端通过第二开关管和第二传输线与第二信号输出端串联，第一传输线和第二传输线平行；

所述第一信号传输线两端还分别并联有接地的第三开关管和第五开关管，所述第二信号传输线两端还分别并联有接地的第四开关管和第六开关管；第一信号传输线与第一信号输出端之间还串联有第七开关管，第七开关管与第一匹配电阻并联，第二信号传输线与第二信号输出端之间还串联有第八开关管，第八开关管与第二匹配电阻并联；

所述电路还包括与第一传输线和第二传输线耦合的移相补偿路径。

进一步的，所述移相补偿路径具体包括平行设置于第一传输线一侧与第一传输线相耦合的第三传输线和平行设置于第二传输线一侧与第二传输线相耦合的第四传输线；

第三传输线一端通过单刀双掷开关与接地的第一匹配网络和接地的第二匹配网络连接，第四传输线一端通过单刀双掷开关与接地的第一匹配网络和接地的第二匹配网络连接；

第三传输线另一端与移相网络连接，移相网络另一端与第四信号传输线连接。

进一步的，所述移相网络包括串联的第一电容与第二电容，以及并联接地的第一电感。

进一步的，所述第一匹配网络与使导通路径耦合线阻抗匹配，所述第二匹配网络使关断路径耦合线阻抗匹配。

进一步的，所述第三传输线和所述第四传输线之间还连接有信号调节元件。

进一步的，所述信号调节元件包括数控衰减器。

进一步的，所述移相补偿路径还设有选通开关。

进一步的，所述开关管为场效应管。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用平行耦合线对导通支路上的信号进行取样，取样信号沿着补偿路径，通过数控衰减器和移相网络进行幅度和相位的调整，调整后的信号再通过平行耦合线耦合回关断路径，从而抵消关断路径上的泄露信号，达到提升隔离度的效果。

(2)与采用相同工艺的传统结构单刀双掷开关相比，本发明提供的单刀双掷开关在最高工作频率处插入损耗仅恶化0.15dB的情况下，隔离度提高了10dB，同时三个端口的驻波均满足常规使用要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路的电路原理图；

图2是本发明实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路的电路泄露信号与补偿信号的相位曲线图；

图3是本发明实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路的电路打开和关闭补偿路径时插入损耗对比曲线图；

图4是本发明实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路打开和关闭补偿路径时开关隔离度对比曲线图；

图5是本发明实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路输出输入端口的驻波比曲线图。

图6是本发明实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路匹配网络电路原理图。

图7是本发明实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路移相网络电路原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1

如附图1所示，是本实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路的电路原理图，该电路工作于DC～18GHz，开关路径由串联FET开关管M1-M2、M7-M8，并联到地FET开关管M3-M6，传输线TL1-TL3，匹配电阻R1-R2组成。补偿路径由平行耦合线TL2-TL3，TL4-TL5，用于对耦合线进行匹配的匹配网络1、匹配网络2，数控衰减器，移相网络，补偿路径选通开关组成。

具体地，本实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路包括信号输入端PAD1和第一信号输出端PAD2、第二信号输出端PAD3。信号输入端PAD1通过第一开关管和第一传输线与第一信号输出端PAD2串联，信号输入端PAD1通过第二开关管和第二传输线与第二信号输出端PAD3串联，第一传输线和第二传输线平行。

第一信号传输线两端还分别并联有接地的第三开关管和第五开关管，第二信号传输线两端还分别并联有接地的第四开关管和第六开关管；第一信号传输线与第一信号输出端PAD2之间还串联有第七开关管，第七开关管与第一匹配电阻R1并联，第二信号传输线与第二信号输出端PAD3之间还串联有第八开关管，第八开关管与第二匹配电阻R2并联。其中，匹配电阻R1和R2阻值均为50Ω。

本实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路还包括与第一传输线和第二传输线耦合的移相补偿路径。该移相补偿路径具体包括平行设置于第一传输线一侧与第一传输线相耦合的第三传输线和平行设置于第二传输线一侧与第二传输线相耦合的第四传输线。第三传输线一端通过单刀双掷开关与接地的第一匹配网络和接地的第二匹配网络连接，第四传输线一端通过单刀双掷开关与接地的第一匹配网络和接地的第二匹配网络连接。第三传输线另一端与移相网络连接，移相网络另一端与第四信号传输线连接。

本实施例的移相补偿路径中，第三传输线和移相网络之间还设置有数控衰减器和选通开关。为了控制取样信号的大小，在实际测试时根据测试情况对平行耦合线的耦合量进行微调，在补偿路径中引入数控衰减器，通过控制码进行耦合量的调节，以便取样信号和泄露信号刚好抵消而不至于取样信号超过泄露信号反而降低了隔离度。补偿路径中增加了选通开关，可以通过该开关选择是否使用补偿路径，方便比较引入补偿后的效果。

以左边路径，即第一信号输出端所在线路导通，右边路径，即第二信号输出端所在线路关断为例，此时控制信号T为高电平，开关管M1、M4、M6、M7导通，M2、M3、M5、M8关断。信号从信号输入端PAD1传输到第一信号输出端PAD2，同时泄露一部分信号到第二信号输出端PAD3。传输线TL2-TL3组成平行耦合线，对导通路径上的信号进行取样。TL3一端通过第一匹配网络接地，另一端通过数控衰减器和移相网络对取样信号的幅度和相位进行调整。调整后的信号通过平行耦合线TL4-TL5耦合到关断支路，与泄露信号发生抵消，从而达到提升隔离的效果。关断端的平行耦合线TL4则通过第二匹配网络接地。由于移相补偿路径的左右平行耦合线分别与主支路中导通路径传输线和关断路径传输线相耦合，处于开、关状态的传输路径上的阻抗并不相同，因此耦合线上的阻抗需要跟随开关信号同步进行切换，以进行阻抗匹配。所以在补偿路径上设计了两个阻抗网络，随开关控制信号进行同步切换。本实施例提供的匹配网络电路原理图如附图6所示，导通侧的控制信号T为高电平，第一匹配网络为R3与M9导通电阻的并联等效电阻，平行耦合线TL3通过第一匹配网络接地；关断侧的控制信号T为低电平，第二匹配网络为R3，平行耦合线TL4通过第二匹配网络接地。本实施例提供的仅为匹配网络的一种优选实施例，其他可选方案不再进行赘述。

如附图2所示，是本实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路的电路泄露信号与补偿信号的相位曲线图，由于移相网络的窄带特性，以及平行耦合线的非线性相位特性，两个信号并非在所有频率点的相位差都满足180°，但是只要相位差控制在90°-270°之间，两个信号就会发生部分抵消。由于隔离度最差的频点往往是工作的最高频段，因此本实施例将180°相位差设计在17GHz附近，而在低频段则无需关注补偿信号与泄露信号是否发生相消。在测试时，可通过数控衰减器调整补偿信号的大小，从而实现精确相消。由于补偿路径会对主路径造成一定的牵引，导通损耗在高频处略微变差。取样信号通过左右平行耦合线、补偿路径后总移相量为180°时，取样信号与泄露信号的抵消效果最好，移相量在90°-270°之间均有抵消效果，与180°相差越大，抵消作用越小。由于平行耦合线耦合的信号相位随频率变化，移相器在全频段移相值也不是固定值，因此不可能保证全频段移相量为180°。但由于开关隔离度随工作频率升高而变差，在低频段隔离度往往很好，不需要抵消，因此只需要将最高工作频段附近的移相量控制在180°附近。本实施例提供的移相网络电路原理图如附图7所示，包括串联的电容C1和C2，以及并联接地的电感L1，本实施例提供的移相网络仅为优选实施例，其他可选的替代方案不再进行赘述。

如附图3和附图4所示，是本实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路的电路打开和关闭补偿路径时插入损耗对比曲线图和打开和关闭补偿路径时开关隔离度对比曲线图。图中可看出在引入补偿路径后，插入损耗仅在18GHz处变差0.15dB，并将18GHz处的隔离度提高了10dB以上，在18GHz处达到55dB的隔离。

如附图5所示，是本实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路输出输入端口的驻波比曲线图。图中可看出引入补偿路径后的三个端口驻波比几乎不受影响，满足常规使用要求。

本实施例提供的一种高隔离单刀双掷开关电路，利用平行耦合线对导通支路上的信号进行取样，取样信号沿着补偿路径，通过数控衰减器和移相网络进行幅度和相位的调整，调整后的信号再通过平行耦合线耦合回关断路径，从而抵消关断路径上的泄露信号，达到提升隔离度的效果。与采用相同工艺的传统结构单刀双掷开关相比，本发明提供的单刀双掷开关在最高工作频率处插入损耗仅恶化0.15dB的情况下，隔离度提高了10dB，同时三个端口的驻波均满足常规使用要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高隔离单刀双掷开关电路，包括信号输入端、第一信号输出端和第二信号输出端，其特征在于，所述信号输入端通过第一开关管和第一传输线与第一信号输出端串联，所述信号输入端通过第二开关管和第二传输线与第二信号输出端串联，第一传输线和第二传输线平行；

所述第一传输线两端还分别并联有接地的第三开关管和第五开关管，所述第二传输线两端还分别并联有接地的第四开关管和第六开关管；第一传输线与第一信号输出端之间还串联有第七开关管，第七开关管与第一匹配电阻并联，第二传输线与第二信号输出端之间还串联有第八开关管，第八开关管与第二匹配电阻并联；

所述电路还包括与第一传输线和第二传输线耦合的移相补偿路径；

所述移相补偿路径具体包括平行设置于第一传输线一侧与第一传输线相耦合的第三传输线和平行设置于第二传输线一侧与第二传输线相耦合的第四传输线；

第三传输线一端通过单刀双掷开关与接地的第一匹配网络和接地的第二匹配网络连接，第四传输线一端通过单刀双掷开关与接地的第一匹配网络和接地的第二匹配网络连接；

第三传输线另一端与移相网络连接，移相网络另一端与第四传输线连接。

2.如权利要求1所述的一种高隔离单刀双掷开关电路，其特征在于，所述移相网络包括串联的第一电容与第二电容，以及并联接地的第一电感。

3.如权利要求1所述的一种高隔离单刀双掷开关电路，其特征在于，所述第一匹配网络与使导通路径耦合线阻抗匹配，所述第二匹配网络使关断路径耦合线阻抗匹配。

4.如权利要求1所述的一种高隔离单刀双掷开关电路，其特征在于，所述第三传输线和所述第四传输线之间还连接有信号调节元件。

5.如权利要求4所述的一种高隔离单刀双掷开关电路，其特征在于，所述信号调节元件包括数控衰减器。

6.如权利要求1-5任一所述的一种高隔离单刀双掷开关电路，其特征在于，所述移相补偿路径还设有选通开关。

7.如权利要求1所述的一种高隔离单刀双掷开关电路，其特征在于，所述开关管为场效应管。