CN115333504A - 一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，属于移动通信系统领域。该单片微波集成电路包括两个一级单刀双掷开关、四个二级单刀双掷开关、四个功分网络。本发明通过特定的连接方式融合了功分网络和开关电路，构成了多个射频信号通道，作为信号分配器可以对两个输入信号以一定比例在四个输出端口选择性输出，或者与之相反地，作为合成器可以将四个输出端口所接收到的信号以一定比例合成至两个输入端，实现复杂的射频信号流向，同时具备集成度高、插入损耗低以及工作频段高等优点。

Description

一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路
技术领域
本发明属于移动通信系统领域，特别涉及一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路。
背景技术
射频功率的合成/分配技术和射频通道选择切换技术被广泛应用于各类通信和电子设备中，是现代通信和电子系统的必要组成部分。功率分配网络，简称功分网络，是进行射频功率合成和分配的基本电路单元；开关电路，尤其是单刀多掷开关，是进行通道选择和切换的基本电路单元。
现代通信和电子设备往往需要复杂的射频信号流向功能，以实现更为复杂的系统功能。同时，通信和电子设备的工作频率也越来越高，这就要求集成度更高的电路单元，以减少寄生效应，实现良好的射频性能和产品一致性。
在常见的通信系统中，功分网络和开关电路是各自独立的前后级联关系，此类方法存在以下三个缺点：一是无法完成更为复杂的射频信号流向功能；二是占据了较大的设备空间，三是产品的射频性能和一致性都受到较大的影响。
李良等在“基于微印多层和混合集成的开关功分网络的设计”一文中，基于6层微波电路板技术，集成了双刀双掷开关、威尔金森功分器，实现了微波信号的流向控制，获得了良好的微波性能。但是该技术存在实现复杂度高，成本高，体积较大，集成度较低，射频性能较差，难以应用在高频领域等缺点。
目前，对于同时满足复杂信号流向功能、集成度高、射频性能优越以及产品一致性良好的集成通道切换的功分网络单片微波集成电路研究较少。
发明内容
针对现有技术存在的缺点，本发明将通道切换功能集成在功分网络之中，提出了一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路。该单片微波集成电路以特定的连接方式融合了功分网络和开关电路，构成了多个射频信号通道，作为信号分配器可以对两个输入信号以一定比例在四个输出端口选择性输出，或者与之相反地，作为合成器可以将四个输出端口所接收到的信号以一定比例合成至两个输入端，实现复杂的射频信号流向，同时具备集成度高、插入损耗低以及工作频段高等优点。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，包括一级单刀双掷开关X1、一级单刀双掷开关X2、二级单刀双掷开关Z1、二级单刀双掷开关Z2、二级单刀双掷开关Z3、二级单刀双掷开关Z4、第一功分网络W1、第二功分网络W2、第三功分网络W3、第四功分网络W4。
当该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为功率分配器时，所述一级单刀双掷开关X1的输入端A1作为单片微波集成电路的第一个信号输入端，所述一级单刀双掷开关X2的输入端A2作为单片微波集成电路的第二个信号输入端。
所述一级单刀双掷开关X1的输出端口B1与第一功分网络W1的输入端C1连接，所述一级单刀双掷开关X1的输出端口B2与第二功分网络W2的输入端C2连接；所述一级单刀双掷开关X2的输出端口B3与第三功分网络W3的输入端C3连接，所述一级单刀双掷开关X2的输出端口B4与第四功分网络W4的输入端C4连接。
所述第一功分网络W1的输出端口D1与二级单刀双掷开关Z1的输入端E1连接，所述第一功分网络W1的输出端口D2与二级单刀双掷开关Z2的输入端E3连接；所述第二功分网络W2的输出端口D3与二级单刀双掷开关Z1的输入端E2连接，所述第二功分网络W2的输出端口D4与二级单刀双掷开关Z3的输入端E5连接；所述第三功分网络W3的输出端口D5与二级单刀双掷开关Z2的输入端E4连接，所述第三功分网络W3的输出端口D6与二级单刀双掷开关Z4的输入端E7连接；所述第四功分网络W4的输出端口D7与二级单刀双掷开关Z3的输入端E6连接，所述第四功分网络W4的输出端口D8与二级单刀双掷开关Z4的输入端E8连接。
所述二级单刀双掷开关Z1的输出端口F1作为单片微波集成电路的第一个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z2的输出端口F2作为单片微波集成电路的第二个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z3的输出端口F3作为单片微波集成电路的第三个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z4的输出端口F4作为单片微波集成电路的第四个信号输出端。
进一步地，当该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为功率合成器时，信号流向与作为分配器时相反。
进一步地，一级单刀双掷开关X1、一级单刀双掷开关X2的支路结构相同，均采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
进一步地，二级单刀双掷开关Z1~二级单刀双掷开关Z4的支路结构相同，均采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
进一步地，第一功分网络W1~第四功分网络W4功率分配比例相同或者不同，功率分配比例为1:1，或者是任意比例。
进一步地，第一功分网络W1~第四功分网络W4采用无源的威尔金森功分器结构，或者采用具备信号放大能力的有源功分器结构。
进一步地，将该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为一个基本单元，能够进行串联扩展或并联拓展。
进一步地，所述集成通道切换的功分网络单片微波集成电路的晶圆采用氮化镓、砷化镓、硅或碳化硅材料作为基片。
采用上述技术方案带来的有益效果：
（1）本发明在一个单片微波集成电路上以特定的连接方式融合了功分网络和开关电路，开关电路选择不同信号路径能够完成复杂的射频信号流向功能。
（2）本发明实现的集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，由于采用半导体集成工艺实现，电路结构紧凑，具有寄生效应小，工作频率范围可从低频到高频。
（3）本发明实现的集成通道切换的功分网络单片微波集成电路具有面积紧凑、生产成本低以及产品一致性良好的优点。
本发明实现的集成通道切换的功分网络单片微波集成电路可以作为基本单元，只需要通过简单的并联或者串联扩展，即可实现射频通道数更多、功能更为复杂的具有通道切换的功分网络单片微波集成电路。
附图说明
图1 为本发明的整体结构示意图；
图2 为本发明中单刀双掷开关的一种实施例示意图；
图3 为本发明中功分网络的一种实施例示意图；
图4 为本发明的一种并联扩展示意图；
图5 为本发明的一种串联扩展示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，如图1所示，包括一级单刀双掷开关X1、一级单刀双掷开关X2、二级单刀双掷开关Z1、二级单刀双掷开关Z2、二级单刀双掷开关Z3、二级单刀双掷开关Z4、第一功分网络W1、第二功分网络W2、第三功分网络W3、第四功分网络W4。
当该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为功率分配器时，所述一级单刀双掷开关X1的输入端A1作为单片微波集成电路的第一个信号输入端，所述一级单刀双掷开关X2的输入端A2作为单片微波集成电路的第二个信号输入端。
所述一级单刀双掷开关X1的输出端B1与第一功分网络W1的输入端C1连接，所述一级单刀双掷开关X1的输出端B2与第二功分网络W2的输入端C2连接；所述一级单刀双掷开关X2的输出端B3与第三功分网络W3的输入端C3连接，所述一级单刀双掷开关X2的输出端B4与第四功分网络W4的输入端C4连接。
所述第一功分网络W1的输出端D1与二级单刀双掷开关Z1的输入端口E1连接，所述第一功分网络W1的输出端D2与二级单刀双掷开关Z2的输入端口E3连接；所述第二功分网络W2的输出端D3与二级单刀双掷开关Z1的输入端E2连接，所述第二功分网络W2的输出端D4与二级单刀双掷开关Z3的输入端E5连接；所述第三功分网络W3的输出端D5与二级单刀双掷开关Z2的输入端E4连接，所述第三功分网络W3的输出端D6与二级单刀双掷开关Z4的输入端E7连接；所述第四功分网络W4的输出端D7与二级单刀双掷开关Z3的输入端E6连接，所述第四功分网络W4的输出端D8与二级单刀双掷开关Z4的输入端E8连接。
所述二级单刀双掷开关Z1的输出端F1作为单片微波集成电路的第一个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z2的输出端F2作为单片微波集成电路的第二个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z3的输出端F3作为单片微波集成电路的第三个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z4的输出端F4作为单片微波集成电路的第四个信号输出端。
在该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路中，信号路径A1-B1-C1-D1-E1-F1作为第一个射频通道，信号路径A1-B1-C1-D2-E3-F2作为第二个射频通道，信号路径A1-B2-C2-D3-E2-F1作为第三个射频通道，信号路径A1-B2-C2-D4-E5-F3作为第四个射频通道，信号路径A2-B3-C3-D5-E4-F2作为第五个射频通道，信号路径A2-B3-C3-D6-E7-F4作为第六个射频通道，信号路径A2-B4-C4-D7-E6-F3作为第七个射频通道，信号路径A2-B4-C4-D8-E8-F4作为第八个射频通道。
当该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为功率合成器时，信号流向与作为分配器时相反。
本实施例中，所有单刀双掷开关采用如图2所示的开关电路结构。该开关电路由两条相同的射频支路构成。一条射频支路包括微带线L1、微带线L2、微带线L3、开关管FET1和开关管FET2，微带线L1的输入端与另外一条支路的微带线输入端相连，微带线L1的输出端与开关管FET1的漏极相连，开关管FET1的源极接地，开关管FET1的漏极与微带线L2的输入端相连，微带线L2的输出端与开关管FET2的漏极相连，开关管FET2的源极接地，开关管FET2的漏极与微带线L3的输入端相连；其各个元件取值如下：
L1=(60Ω,90°)；L2=(150Ω,90°)；L3=(50Ω,10°)；FET1=6*50um；FET2=4*50um。
本实施例中，四个功分网络采用如图3所示的电路结构。由5节微带线和一个隔离电阻构成，具体的连接方式如下：微带线L4的输入端作为功分网络的输入端，L4的输出端连接两条相同的射频支路，一条支路包括依次串联的微带线L5、隔离电阻R、微带线 L6，L6的输出端作为功分网络的输出端之一。其各个元件取值如下：
L4=(50Ω,10°)；L5=(22.5Ω,90°)；L3=(50Ω,10°)；R=100Ω。
将上述实施例的集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为基本单元，以并联的方式进行拓展，如图4所示，可以拓展为具有4个输入出端，8个输出端、16个射频通道的集成通道切换的功分网络单片微波集成电路。
以串联的方式进行拓展，如图5所示，可以拓展为具有2个输入出端，8个输出端、64个射频通道的集成通道切换的功分网络单片微波集成电路。

Claims (8)

1.一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，包括一级单刀双掷开关X1、一级单刀双掷开关X2、二级单刀双掷开关Z1、二级单刀双掷开关Z2、二级单刀双掷开关Z3、二级单刀双掷开关Z4、第一功分网络W1、第二功分网络W2、第三功分网络W3、第四功分网络W4；
当该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为功率分配器时，所述一级单刀双掷开关X1的输入端A1作为单片微波集成电路的第一个信号输入端，所述一级单刀双掷开关X2的输入端A2作为单片微波集成电路的第二个信号输入端；
所述一级单刀双掷开关X1的输出端口B1与第一功分网络W1的输入端C1连接，所述一级单刀双掷开关X1的输出端口B2与第二功分网络W2的输入端C2连接；所述一级单刀双掷开关X2的输出端口B3与第三功分网络W3的输入端C3连接，所述一级单刀双掷开关X2的输出端口B4与第四功分网络W4的输入端C4连接；
所述第一功分网络W1的输出端口D1与二级单刀双掷开关Z1的输入端E1连接，所述第一功分网络W1的输出端口D2与二级单刀双掷开关Z2的输入端E3连接；所述第二功分网络W2的输出端口D3与二级单刀双掷开关Z1的输入端E2连接，所述第二功分网络W2的输出端口D4与二级单刀双掷开关Z3的输入端E5连接；所述第三功分网络W3的输出端口D5与二级单刀双掷开关Z2的输入端E4连接，所述第三功分网络W3的输出端口D6与二级单刀双掷开关Z4的输入端E7连接；所述第四功分网络W4的输出端口D7与二级单刀双掷开关Z3的输入端E6连接，所述第四功分网络W4的输出端口D8与二级单刀双掷开关Z4的输入端E8连接；
所述二级单刀双掷开关Z1的输出端口F1作为单片微波集成电路的第一个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z2的输出端口F2作为单片微波集成电路的第二个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z3的输出端口F3作为单片微波集成电路的第三个信号输出端，所述二级单刀双掷开关Z4的输出端口F4作为单片微波集成电路的第四个信号输出端。
2.如权利要求1所述的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，当该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为功率合成器时，信号流向与作为分配器时相反。
3.如权利要求1或2所述的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，一级单刀双掷开关X1、一级单刀双掷开关X2的支路结构相同，均采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
4.如权利要求1或2所述的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，二级单刀双掷开关Z1~二级单刀双掷开关Z4的支路结构相同，均采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
5.如权利要求1或2所述的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，第一功分网络W1~第四功分网络W4功率分配比例相同或者不同，功率分配比例为1:1，或者是任意比例。
6.如权利要求5所述的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，第一功分网络W1~第四功分网络W4采用无源的威尔金森功分器结构，或者采用具备信号放大能力的有源功分器结构。
7.如权利要求1或2所述的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，将该集成通道切换的功分网络单片微波集成电路作为一个基本单元，进行串联扩展或并联拓展。
8.如权利要求1或2所述的一种集成通道切换的功分网络单片微波集成电路，其特征在于，所述集成通道切换的功分网络单片微波集成电路的晶圆采用氮化镓、砷化镓、硅或碳化硅材料作为基片。
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