CN115987256A - 一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路 - Google Patents

一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路 Download PDF

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徐跃杭
朱世泉
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徐锐敏
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Abstract

本发明公开了一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路，属于微波集成电路技术领域。该电路的第一支路和第二支路结构参数相同，且关于微带线MILN1对称，第一支路和第二支路均可作为导通或隔离支路，因此，可以将其中一条支路作为导通支路对输入信号进行低插损传输，另一条支路作为隔离支路阻断输入信号传输，从而使整个电路兼具低插损与高隔离度。此外，通过调节可重构枝节中晶体管Q7的控制电压，即可进一步改善隔离度并使其随所需工作频段的改变而调节。在本发明电路中，隔离度的调节不影响开关的功率容量和另一支路的插损，解决了大功率单刀双掷开关工作带宽对隔离度的限制以及高频隔离度差的问题。

Description

一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路
技术领域
本发明属于微波集成电路技术领域，具体涉及一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路。
背景技术
射频单刀双掷(SPDT)开关作为收发前端系统的重要组成部分，承担着系统对发射支路和接受支路的控制，其隔离度和插入损耗等各项技术指标直接影响着整个收发系统的性能优劣。同时随着通信、雷达和电子战技术的不断发展，对超宽带和大功率容量的需求日益增加。但插损和隔离度存在相互制约，高功率容量增大了晶体管的高频寄生效应，因此超宽带大功率开关很难实现低插损和高隔离度。
2010年美国QORVO公司Charles F.Campbell等人设计的单刀双掷开关在DC-18GHz频带内插损小于1.5dB，隔离度大于25dB，P1dB为40dBm，但P0.1dB仅为34dBm，参见[F.Campbell and D.C.Dumka,"Wideband high power GaN on SiC SPDT switch MMICs,"2010IEEE MTT-S International Microwave Symposium,2010,pp.145-148,doi:10.1109/MWSYM.2010.5517940.]。
2021年中国安徽大学的Hao-Ran Zhu等人采用π型拓扑设计了一种工作在DC-30GHz的单刀双掷开关，带内插损小于1.5dB，隔离度大于36dB，但P1 dB仅为20dBm,P0.1dB仅为16dBm，参见[H.-R.Zhu,X.-Y.Ning,Z.-X.Huang,Y.-X.Guo and X.-L.Wu,"Miniaturized,Ultra-Wideband and High Isolation Single Pole Double ThrowSwitch by Usingπ-Type Topology in GaAs pHEMT Technology,"in IEEE Transactionson Circuits and Systems II:Express Briefs,vol.68,no.1,pp.191-195,Jan.2021,doi:10.1109/TCSII.2020.3001171.]。
2022年台湾地区“中央大学”的Yo-Shen Lin等人采用T型桥作为双频带λ/4变压器设计了一种在2.45和5.8GHz频率下工作的双频单刀双掷开关，2.45GHz频率下，插损小于1.57dB，隔离度大于35dB；5.8GHz频率下，插损小于1.97dB，隔离度大于29dB,但双频带下的P1 dB均仅为14.5dBm，参见[Y.-S.Lin and L.-W.Deng,"Design of a Compact Dual-BandAbsorptive Single-Pole Double-Throw Switch,"in IEEE Solid-State CircuitsLetters,vol.5,pp.90-93,2022,doi:10.1109/LSSC.2022.3165641.]。
MACOM公司的产品MASW-011129-DIE采用PIN二极管开关，工作频率为2～22GHz，带内隔离度大于35dB,插损小于1dB，但P0.1dB仅为30dBm，参见[www.macom.com]。
AD公司的产品HMC347B采用GaAs pHEMT工艺，工作频率为0.1-20GHz，带内隔离度典型值大于46dB,插损小于1.7dB，但P1dB为25dBm，P0.1dB仅为20dBm，参见[www.analog.com]。
可见，目前的超宽带单刀双掷开关多为小功率容量，可重构也仅限于较窄的双频工作，因此对于超宽带单刀双掷开关，同时实现大功率容量和隔离度随所需工作频段可调仍然是空白。
发明内容
为解决大功率单刀双掷开关工作带宽对隔离度的限制以及高频隔离度差的问题，本发明提出了一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路，该电路在保证大功率容量的同时实现了更低插损和更高隔离度，且其隔离度随工作频段的变化可调。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路，包括Port1端口、微带线MILN1、第一支路、第二支路、Port2端口以及Port3端口；
所述微带线MILN1的一端连接Port1端口，另一端分别经第一支路连接Port2端口、经第二支路连接Port3端口；
所述第一支路包括：微带线：MILN2、MILN3、MILN4、MILN5、MILN6、MILN7和MILN8；晶体管：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6和Q7；上拉电阻：R1-1、R1-2、R1-3、R1-4、R1-5、R1-6和上拉电阻R2；电阻R3；电容C1；其中，微带线MILN2的一端连接微带线MILN1，另一端经依次串联微带线MILN3、微带线MILN4、微带线MILN5、微带线MILN6、微带线MILN7、微带线MILN8后与Port2端口相连；晶体管Q1的漏极连接微带线MILN2的另一端，源极连接微带线MILN3的一端，栅极连接电阻R1-1的一端；晶体管Q2的漏极连接微带线MILN3的另一端，源极连接微带线MILN4的一端，栅极连接电阻R1-2的一端；晶体管Q3的漏极连接在微带线MILN4与微带线MILN5之间，源极接地，栅极连接电阻R1-3的一端；晶体管Q4的漏极连接在微带线MILN5与微带线MILN6之间，源极接地，栅极连接电阻R1-3的一端；晶体管Q5的漏极连接在微带线MILN6与微带线MILN7之间，源极接地，栅极连接电阻R1-5的一端；晶体管Q6的漏极连接在微带线MILN7与微带线MILN8之间，源极连接晶体管Q7的漏极和电容C1的一端，栅极连接电阻R1-6的一端；晶体管Q7的源极与电容C1的另一端相连后接地；栅极经电阻R2接直流控制电源Vgc；电阻R1-1、R1-2的另一端相连后接直流电源Vg1，电阻R1-3、R1-4、R1-5和R1-6的另一端相连后接直流电源Vg2；电阻R3的一端连接微带线MILN3的另一端和晶体管Q2的漏极，另一端连接微带线MILN4的一端和晶体管Q2的源极。晶体管Q7、电容C1和电阻R2共同构成可重构枝节，通过调整可重构枝节中晶体管Q7的控制电压，以实现隔离度随工作频段的改变而调节。
所述第二支路与第一支路结构参数均相同，且与第一支路关于微带线MILN1对称，第二支路的微带线MILN8与Port3端口相连。
进一步的，所述第一支路和第二支路均能够作为导通支路或隔离支路，当Vg1＝0V、Vg2＝-40V时，第一支路为导通之路，第二支路为隔离支路；Vg1＝-40V、Vg2＝0V时，第一支路为隔离支路，第二支路为导通支路。
本发明提供的一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路，该电路中的第一支路和第二支路结构参数相同，且相互关于微带线MILN1对称，第一支路和第二支路均可作为导通或隔离支路，因此，可以将其中一条支路作为导通支路对输入信号进行低插损传输，另一条支路作为隔离支路阻断输入信号传输，从而使整个电路兼具低插损与高隔离度。此外，通过调节可重构枝节中晶体管Q7的控制电压，即可进一步改善隔离度并使其随所需工作频段的改变而调节。在本发明电路中，隔离度的调节不影响开关的功率容量和另一支路的插损，解决了大功率单刀双掷开关工作带宽对隔离度的限制以及高频隔离度差的问题。
附图说明
图1为实施例1的超宽带大功率单刀双掷开关电路示意图；
图2为实施例1的超宽带大功率单刀双掷开关电路的插损和隔离度仿真结果图；
图3为实施例1的超宽带大功率单刀双掷开关电路功率容量仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案做进一步说明，需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路，包括Port1端口、微带线MILN1、第一支路、第二支路、Port2端口以及Port3端口；
所述微带线MILN1的一端连接Port1端口，另一端分别经第一支路连接Port2端口、经第二支路连接Port3端口；即第一支路为连接Port1端口至Port3端口的支路，第二支路为连接Port1端口至Port3端口的支路。每支路均使用微带线将晶体管串并联接入其中，以此实现两条对称支路。
所述第一支路包括：微带线：MILN2、MILN3、MILN4、MILN5、MILN6、MILN7和MILN8；晶体管：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6和Q7；上拉电阻：R1-1、R1-2、R1-3、R1-4、R1-5、R1-6和上拉电阻R2；电阻R3；电容C1；其中，微带线MILN2的一端连接微带线MILN1，另一端经依次串联微带线MILN3、微带线MILN4、微带线MILN5、微带线MILN6、微带线MILN7、微带线MILN8后与Port2端口相连；晶体管Q1的漏极连接微带线MILN2的另一端，源极连接微带线MILN3的一端，栅极连接电阻R1-1的一端；晶体管Q2的漏极连接微带线MILN3的另一端，源极连接微带线MILN4的一端，栅极连接电阻R1-2的一端；晶体管Q3的漏极连接在微带线MILN4与微带线MILN5之间，源极接地，栅极连接电阻R1-3的一端；晶体管Q4的漏极连接在微带线MILN5与微带线MILN6之间，源极接地，栅极连接电阻R1-3的一端；晶体管Q5的漏极连接在微带线MILN6与微带线MILN7之间，源极接地，栅极连接电阻R1-5的一端；晶体管Q6的漏极连接在微带线MILN7与微带线MILN8之间，源极连接晶体管Q7的漏极和电容C1的一端，栅极连接电阻R1-6的一端；晶体管Q7的源极与电容C1的另一端相连后接地；栅极经电阻R2接直流控制电源Vgc；电阻R1-1、R1-2的另一端相连后接直流电源Vg1，电阻R1-3、R1-4、R1-5和R1-6的另一端相连后接直流电源Vg2；电阻R3的一端连接微带线MILN3的另一端和晶体管Q2的漏极，另一端连接微带线MILN4的一端和晶体管Q2的源极。本实施例中晶体管Q7、电容C1和电阻R2共同构成可重构枝节，通过调整可重构枝节中晶体管Q7的控制电压，即可进一步改善隔离度并使其随所需工作频段的改变而调节。
所述第二支路与第一支路结构参数均相同，且与第一支路关于微带线MILN1对称，第二支路的微带线MILN8与Port3端口相连。通过改变可重构枝节中的晶体管Q7的控制电压，即可改善隔离度并使其随所需工作频段的改变而调节。
使用时，射频信号经Port1输入后分别进入对称的两个支路中，当直流电源Vg1＝0V、Vg2＝-40V时，Port1端口至Port2端口的支路为导通支路，晶体管Q1和晶体管Q2导通，等效为电阻为导通支路插损，晶体管Q3、Q4、Q5、Q6关断，等效为电阻和电容并联，少量信号以此传输至地为导通之路固有插损；Port1端口至Port3端口的支路为隔离支路，晶体管Q1和Q2关断，R3与Q2并联改善低频隔离度，晶体管Q3、Q4、Q5、Q6导通，等效为电阻接地，进一步增大隔离度。
当控制电压Vgc＝-50V时，开关工作在2-18GHz频段隔离度最佳，隔离度大于34dB，Port1至Port3隔离支路中晶体管Q7与C1并联后容值增大，与前级晶体管等效电阻一起并联接地，增大了隔离支路的隔离度；在Port1端口至Port2端口的支路为导通支路，可重构枝节中晶体管Q7与电容C1并联后的电容对晶体管Q6的关态等效电容影响很小，因此，可重构枝节并不影响导通支路的插损。当控制电压Vgc＝-5V时，开关工作在2-13GHz频段隔离度最佳，隔离度大于40dB，晶体管Q7等效电容受控制电压Vgc(绝对值)增大而增大，使可重构枝节的谐振频率向低频移动，从而进一步增大低频处隔离度。当控制电压Vgc为-5V～-50V时，开关最大工作频率在13GHz～18GHz之间可以实现隔离度的最佳调节，Port1端口至Port3端口的支路为隔离支路，其隔离度在34dB(Vgc＝-50V)和40dB(Vgc＝-5V)之间，Port1至Port2导通支路的插损和开关的P0.1dB保持不变，插损小于0.52dB，P0.1 dB大于44dBm。
当直流电源Vg1＝-40V、Vg2＝0V时，Port1端口至Port2端口的支路为隔离支路，Port1端口至Port3端口的支路为导通支路，两条支路的工作原理与上述过程相同。
为更好的展示实施例的超宽带大功率单刀双掷开关电路的效果，本实施例对选取直流电源Vg1＝0V、Vg2＝-40V，控制电压Vgc＝-5V、-20V、-50V，工作频率13GHz、15GHz、18GHz进行了仿真。如图2、图3所示，本实施例的超宽带大功率单刀双掷开关电路，其工作频率可在2-18GHz至2-13GHz内任意切换，当工作频率为2-18GHz时，其插损小于0.52dB，隔离度大于34dB，P0.1 dB大于44dBm；当工作频率为2-13GHz时，隔离度大于40dB，插损和P0.1dB保持不变。
综上可见，本发明提出了一种新型的隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关结构，通过改变每条支路上可重构枝节中晶体管的控制电压即可改善隔离度并使其随所需工作频段的改变而调节，同时不影响另一支路的插损和开关的功率容量，解决了大功率单刀双掷开关工作带宽对隔离度的限制以及高频隔离度差的问题。

Claims (2)

1.一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路，包括Port1端口、微带线MILN1、第一支路、第二支路、Port2端口以及Port3端口，其特征在于：
所述微带线MILN1的一端连接Port1端口，另一端分别经第一支路连接Port2端口、经第二支路连接Port3端口；
所述第一支路包括：微带线：MILN2、MILN3、MILN4、MILN5、MILN6、MILN7和MILN8；晶体管：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6和Q7；上拉电阻：R1-1、R1-2、R1-3、R1-4、R1-5、R1-6和上拉电阻R2；电阻R3；电容C1；其中，微带线MILN2的一端连接微带线MILN1，另一端经依次串联微带线MILN3、微带线MILN4、微带线MILN5、微带线MILN6、微带线MILN7、微带线MILN8后与Port2端口相连；晶体管Q1的漏极连接微带线MILN2的另一端，源极连接微带线MILN3的一端，栅极连接电阻R1-1的一端；晶体管Q2的漏极连接微带线MILN3的另一端，源极连接微带线MILN4的一端，栅极连接电阻R1-2的一端；晶体管Q3的漏极连接在微带线MILN4与微带线MILN5之间，源极接地，栅极连接电阻R1-3的一端；晶体管Q4的漏极连接在微带线MILN5与微带线MILN6之间，源极接地，栅极连接电阻R1-3的一端；晶体管Q5的漏极连接在微带线MILN6与微带线MILN7之间，源极接地，栅极连接电阻R1-5的一端；晶体管Q6的漏极连接在微带线MILN7与微带线MILN8之间，源极连接晶体管Q7的漏极和电容C1的一端，栅极连接电阻R1-6的一端；晶体管Q7的源极与电容C1的另一端相连后接地；栅极经电阻R2接直流控制电源Vgc；电阻R1-1、R1-2的另一端相连后接直流电源Vg1，电阻R1-3、R1-4、R1-5和R1-6的另一端相连后接直流电源Vg2；电阻R3的一端连接微带线MILN3的另一端和晶体管Q2的漏极，另一端连接微带线MILN4的一端和晶体管Q2的源极；晶体管Q7、电容C1和电阻R2共同构成可重构枝节，通过调整可重构枝节中晶体管Q7的控制电压，调节工作频段内隔离度；
所述第二支路与第一支路结构参数均相同，且与第一支路关于微带线MILN1对称，第二支路的微带线MILN8与Port3端口相连。
2.根据权利要求1所述的一种隔离度可调的超宽带大功率单刀双掷开关电路，其特征在于：所述第一支路和第二支路均能够作为导通支路或隔离支路，当Vg1＝0V、Vg2＝-40V时，第一支路为导通之路，第二支路为隔离支路；Vg1＝-40V、Vg2＝0V时，第一支路为隔离支路，第二支路为导通支路。
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