CN115913203B - 一种新型固态开关 - Google Patents

Abstract

一种新型固态开关，本发明涉及射频电路设计领域，在外部壳体的内部对称安装有固定架，固定架的顶端滑动插接有控制板，固定架与控制板之间通过固定螺栓进行连接，外部壳体的一端通过连接螺栓安装有微波腔体，微波腔体主要器件包括3个GaAs FET（砷化镓场效应管）开关，型号1GG7‑8157（内部编号TC752，以下简称TC752）、8个PIN二极管和3个LED（发光二极管，以下简称LED），微波腔体靠近外部壳体的一侧安装有上盖板，上盖板的下方设有下盖板，上盖板与下盖板之间通过安装螺栓连接，本发明提供的新型固态开关具有可以避免微波信号的辐射对隔离度造成干扰，并且特定的开窗保证了腔体大面积接地的优点。

Description

一种新型固态开关

技术领域

本发明涉及射频电路设计领域，尤其涉及一种新型固态开关。

背景技术

从工作原理上分类，微波开关（射频微波开关）有机电开关和固态开关，机电开关是依靠机械接触作为其机械机构，而固态开关则有两大类，即FET和PIN二极管，FET开关是创造一个通道（损耗层），让电流从FET的漏极流向源极而形成开关状态。PIN二极管则是由高掺杂的正极性（P）和负极性（N）电荷材料之间夹成的高阻性介质层（I）组成的开关状态。还有一种由FET和PIN组成的叫做混合开关，也有广泛的应用。

固态开关，也称为无触点开关，一般由电力电子技术实现，其国际标准命名为：半导体交流电力控制器（Semiconductor AC PowerController），无触点开关与机械式有触点开关比较有以下优点：（1）寿命长，机械式分断时起弧、触头磨损，固态开关没有磨损。（2）工作频率高，机械式为4~10工频周波，固态开关<10ms。（3）可靠性高。（4）使用安全。（5）电磁干扰小。

现有的常用微波开关有机电开关、PIN（一种半导体材质）二极管开关和FET（场效应管）开关，机电开关不适用于长时间的高速切换、PIN二极管开关低频下的插入损耗大、FET开关高频下的隔离度小。

因此，有必要提供一种新的新型固态开关解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种新型固态开关。

本发明提供的一种新型固态开关，包括：外部壳体，外部壳体的内部对称安装有固定架，固定架的顶端滑动插接有控制板，固定架与控制板之间通过固定螺栓进行连接，外部壳体的一端通过连接螺栓安装有微波腔体，微波腔体主要器件包括3个GaAs FET（砷化镓场效应管）开关、8个PIN二极管和3个LED（发光二极管，以下简称LED），微波腔体靠近外部壳体的一侧安装有上盖板，上盖板的下方设有下盖板，上盖板与下盖板之间通过安装螺栓连接，微波腔体的远离外部壳体的一侧等距插接有三个SMA接头。

优选的，固定架呈C型设置，且固定架的顶端开设有与控制板之间相互配合的配合卡槽。

优选的，控制板靠近微波腔体的一端开设有与上盖板之间相互配合的连接孔。

优选的，微波腔体远离外部壳体的一侧等距开设有与SMA接头之间相互配合的插接槽。

优选的，上盖板和下盖板的一侧均开设有与SMA接头配合连接的连接槽。

优选的，固定架的一端开设有与连接螺栓之间相互配合的通孔。

与相关技术相比较，本发明提供的新型固态开关具有如下有益效果：

本发明提供一种新型固态开关是一种工作在微波频域的混合型电子开关，拥有适中的插损、回波损耗和较高的隔离度与优异的接头切换速度；

在微波腔体中的PIN二极管的排列间距，决定了PIN二极管对隔离度的影响，根据1/4波长理论，PIN二极管的间距对应的频率是PIN二极管隔离度提升最大的频率，以现有陶瓷基板（介电常数9.6）为例，二极管间距等于116密尔。所以根据仿真与实践经验设计间距，可以使整个频段的隔离度受益；3个砷化镓FET开关与微带线的匹配极为重要，决定了整个开关的性能，FET开关的焊盘与陶瓷基板的金丝键合质量会影响匹配，陶瓷基板键合位置的T形结构可以降低高频的插入损耗；外围电路的LED（发光二极管）发出适当波长的光刺激砷化镓FET开关，使得砷化镓FET开关的拖尾效应减小，提升了切换速度，即高速切换时的性能；在穿心电容和陶瓷基板的金丝键合路线上加入小电容，来充当金丝的跳台，可以减小来自控制板的纹波、增强金丝的强度，降低金丝的拱高；腔体的形状保证了微波信号的辐射不会对隔离度造成干扰；控制板的开窗保证了与腔体大面积接地的效果，使腔体内的器件工作正常；多个高耐压钽电容最大程度减小了电源纹波对微波器件的影响。

附图说明

图1为本发明提供的新型固态开关的爆炸结构示意图；

图2为图1所示的新型固态开关的整体外观结构示意图；

图3为图1所示的上盖板和下盖板的结构示意图之一；

图4为图1所示的上盖板和下盖板的结构示意图之二；

图5为图1所示的设备电路的结构示意图之一；

图6为图1所示的设备电路的结构示意图之二；

图7为图1所示的设备电路中一级变压的电路图；

图8为图1所示的设备电路中二级变压的电路图；

图9为图1所示的设备电路中控制信号的电路图；

图10为图1所示的设备电路中另一控制信号的电路图。

图中标号：1、外部壳体；2、固定架；3、控制板；4、固定螺栓；5、微波腔体；6、连接螺栓；7、上盖板；8、下盖板；9、安装螺栓；10、安装孔；11、SMA接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

在具体实施过程中，如图1-图10所示，外部壳体1，外部壳体1的内部对称安装有固定架2，固定架2的顶端滑动插接有控制板3，固定架2与控制板3之间通过固定螺栓4进行连接，外部壳体1的一端通过连接螺栓6安装有微波腔体5，微波腔体5主要器件包括3个GaAsFET（砷化镓场效应管）开关，型号1GG7-8157 （内部编号TC752，以下简称TC752）、8个PIN二极管和3个LED（发光二极管，以下简称LED），其余元器件还有芯片电容和穿心电容；微波腔体中的陶瓷基板提供了射频微带线、器件的匹配电路、LED的粘结空间、金丝键合的焊盘；

GaAs FET开关的导通方向决定了9397C的导通方向，PIN二极管增加了隔离度，LED则加强了接头切换的稳定时间；

请参阅图5和图6，举个例子，要让整体的开关通向RF-1，则需要将

1）RF-1处的TC752向下侧导通；

2）RF-COM处的TC752向上侧导通，使RF-COM通向RF-1；

3）RF-2处的TC752向下侧导通，使进入RF-2的信号通过50欧电阻（实际电阻小于50欧）接地；

4）上侧的PIN二极管的阴极被施加正电，处于反偏状态，等效为一小电容，射频信号通过上侧PIN二极管阳极时，只会有极小的插损产生，让绝大部分信号到达RF-1；

5）下侧的PIN二极管的阴极被施加负电，处于正偏状态，等效为一小电阻，射频信号通过PIN二极管阳极时，会产生一个极大的插损，也就是增加了RF-COM与RF-2之间的隔离度；

微波腔体5靠近外部壳体1的一侧安装有上盖板7，上盖板7的下方设有下盖板8，上盖板7与下盖板8之间通过安装螺栓9连接，微波腔体5的远离外部壳体1的一侧等距插接有三个SMA接头11。

需要说明的是：整体为单刀双掷开关，外接三个SMA接头和一个控制插头，SMA接头分别为RF-COM、RF-1、RF-2，控制插头包括CTRL、VDC和GND。9397C可以通过控制CTRL中的高低电平，选择将输入RF-COM的微波信号通往RF-1/RF-2；在通往其中一个接头时，另一个接头相对RF-COM呈现隔离状态，且大部分输入隔离接头的信号都会被吸收掉；

整体在结构上分为微波腔体、控制板、外壳及紧固件三部分，微波腔体包括陶瓷基板、开关芯片、SMA接头、穿心电容等射频元器件以及承载元器件的腔体外壳本身；控制板是物理上经穿心电容连接到微波腔体上的FR4电路板，给微波腔体供电和提供控制信号、滤除电源纹波；外壳及紧固件则将微波腔体和控制板提供支撑并保护起来。

需要说明的是：当设备开始进行使用时，工作人员先对设备进行组装，先对外部壳体1和微波腔体5进行安装，而微波腔体5上安装有上盖板7和下盖板8，为了增加上盖板7和下盖板8的安装稳定性，外部壳体1内部设有固定架2和控制板3，可以对上盖板7进行安装，而设备内的零部件均采用物理连接方式，保证了各个部件的牢固性和稳定性，以便增加设备在使用时的稳定性，外部壳体1隔绝了外界的噪声、灰尘等环境干扰，并提供了大面积接地，在微波腔体中的8个PIN二极管的排列间距，决定了PIN二极管对隔离度的影响，根据1/4波长理论，PIN二极管的间距对应的频率是PIN二极管隔离度提升最大的频率，以现有陶瓷基板（介电常数9.6）为例，PIN二极管间距等于116密尔。所以根据仿真与实践经验设计间距，可以使整个频段的隔离度受益；3个砷化镓FET开关与微带线的匹配极为重要，决定了整个开关的性能，FET开关的焊盘与陶瓷基板的金丝键合质量会影响匹配，陶瓷基板键合位置的T形结构可以降低高频的插入损耗；外围电路的LED（发光二极管）发出适当波长的光刺激砷化镓FET，使得砷化镓FET的拖尾效应减小，提升了切换速度，即高速切换时的性能；在穿心电容和陶瓷基板的金丝键合路线上加入小电容，来充当金丝的跳台，可以减小来自控制板的纹波、增强金丝的强度，降低金丝的拱高；腔体的形状保证了微波信号的辐射不会对隔离度造成干扰；控制板的开窗保证了与腔体大面积接地的效果，使腔体内的器件工作正常；多个高耐压钽电容最大程度减小了电源纹波对微波器件的影响。

还需要说明的是：上盖板7和下盖板8 形成腔体，微波腔体集成了微波芯片、陶瓷基板射频电路，并使用金丝进行连接，是主要发挥开关功能和保证性能的部件。

所述固定架2呈C型设置，且固定架2的顶端开设有与控制板3之间相互配合的配合卡槽。

需要说明的是：固定架2呈C型设置，可以对控制板3进行安装的同时，可以配合连接螺栓6实现对微波腔体5进行安装，采用物理的连接方式增加设备的连接稳定性。

所述控制板3靠近微波腔体5的一端开设有与上盖板7之间相互配合的连接孔。

需要说明的是：连接孔的设置，使得控制板3可以对上盖板7进行稳定的连接安装。

所述微波腔体5远离外部壳体1的一侧等距开设有与SMA接头11之间相互配合的插接槽。

需要说明的是：便于对SMA接头11进行安装连接。

所述上盖板7和下盖板8的一侧均开设有与SMA接头11配合连接的连接槽。

需要说明的是：连接槽可以对SMA接头11连接用的金丝进行安装，以供SMA接头11进行连接。

所述固定架2的一端开设有与连接螺栓6之间相互配合的通孔。

需要说明的是：可以对微波腔体5进行安装；

需要说明的是：请参阅图6中E4，PIN二极管是辅助GaAs FET开关，增加隔离度的；通过控制PIN二极管阴极电压，使PIN二极管处于正偏/反偏状态，适配射频线路的导通与隔离状态；

当射频线路需要导通时，使PIN二极管处于反偏，PIN二极管等效为小容值电容；PIN二极管与直接接地的大容值电容串联；此时对射频信号线路来说，等效为外接了一个小容值电容，造成了一个较小的插损。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型固态开关，其特征在于，包括：外部壳体（1），所述外部壳体（1）的内部对称安装有固定架（2），所述固定架（2）的顶端滑动插接有控制板（3），所述固定架（2）与控制板（3）之间通过固定螺栓（4）进行连接，所述外部壳体（1）的一端通过连接螺栓（6）安装有微波腔体（5），所述微波腔体（5）包括3个砷化镓场效应管开关、8个PIN二极管和3个LED，所述微波腔体（5）靠近外部壳体（1）的一侧安装有上盖板（7），所述上盖板（7）的下方设有下盖板（8），所述上盖板（7）与下盖板（8）之间通过安装螺栓（9）连接，所述微波腔体（5）的远离外部壳体（1）的一侧等距插接有三个SMA接头（11）；

所述微波腔体（5）包括依次连接的电阻R28、LED1、电阻R30、电阻R31、电阻R32、LED2、电阻R33、电阻R34、电阻R35、LED3以及电阻R36，电阻R28另一端连接网络位号E6，电阻R36另一端连接网络位号E1；

砷化镓场效应管开关S1TC752的第一引脚连接SMA接头RF-COM，砷化镓场效应管开关S1TC752的第四引脚、第五引脚连接网络位号E5，砷化镓场效应管开关S1TC752的第六引脚、第七引脚连接网络位号E2，砷化镓场效应管开关S1TC752的第二引脚分别与四个PIN二极管连接，四个PIN二极管的另一端分别通过电容C23、电容C22接地；砷化镓场效应管开关S1TC752的第二引脚与砷化镓场效应管开关S2TC752的第三引脚连接；

砷化镓场效应管开关S2TC752的第二引脚通过50

电阻接地，砷化镓场效应管开关S2TC752的第四引脚、第五引脚连接网络位号E2，砷化镓场效应管开关S2TC752的第六引脚、第七引脚连接网络位号E5，砷化镓场效应管开关S2TC752的第一引脚连接SMA接头RF-1；

砷化镓场效应管开关S1TC752的第三引脚分别与剩余四个PIN二极管连接，剩余四个PIN二极管的另一端分别通过电容C25、电容C26接地，砷化镓场效应管开关S1TC752的第三引脚与砷化镓场效应管开关S3TC752的第二引脚连接，砷化镓场效应管开关S3TC752的第三引脚通过50

电阻接地，砷化镓场效应管开关S3TC752的第四引脚、第五引脚连接网络位号E2，砷化镓场效应管开关S3TC752的第六引脚、第七引脚连接网络位号E5，砷化镓场效应管开关S3TC752的第一引脚连接SMA接头RF-2。

2.根据权利要求1所述的新型固态开关，其特征在于，所述固定架（2）呈C型设置，且固定架（2）的顶端开设有与控制板（3）之间相互配合的配合卡槽。

3.根据权利要求1所述的新型固态开关，其特征在于，所述控制板（3）靠近微波腔体（5）的一端开设有与上盖板（7）之间相互配合的连接孔。

4.根据权利要求1所述的新型固态开关，其特征在于，所述微波腔体（5）远离外部壳体（1）的一侧等距开设有与SMA接头（11）之间相互配合的插接槽。

5.根据权利要求1所述的新型固态开关，其特征在于，所述上盖板（7）和下盖板（8）的一侧均开设有与SMA接头（11）配合连接的连接槽。

6.根据权利要求1所述的新型固态开关，其特征在于，所述固定架（2）的一端开设有与连接螺栓（6）之间相互配合的通孔。

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