CN116260438A - 一种大功率开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大功率开关，包括：传输总线、第一开关管组、第二开关管组、第一滤波网络；第三开关管组、第四开关管组、第二滤波网络；传输总线的输入端为开关的输入端，传输总线的输出端分别与第一开关管组和第三开关管组的输入端连接；第一开关管组的输出端与第二开关管组的输入端连接，第二开关管组的输出端与第一滤波网络的输入端连接，第一滤波网络的输出端为开关的第一输出端，第三开关管组的输出端与第四开关管组的输入端连接，第四开关管组的输出端与第二滤波网络的输入端连接，第二滤波网络的输出端为开关的第二输出端。本发明有效提升了开关的线性度、功率容量和高次谐波抑制度，改善了开关的端口匹配状态。

Description

一种大功率开关

技术领域

本发明涉及射频技术领域，更具体地，涉及一种大功率开关。

背景技术

为了满足当前雷达系统对不同探测目标的探测需求，通常需要在T/R组件和天线之间加入极化开关。极化开关将T/R组件发射的功率送给不同的天线单元作不同的极化处理，以满足探测不同目标时的信号需求。极化开关由于处于T/R组件发射通道之后，需要承受发射通道输出的大功率。开关承受大功率时工作状态会进入非线性区，因此会产生较高的高次谐波，这些谐波信号会严重影响系统工作的可靠性。为了抑制高次谐波信号，通常采用两种方法：一种是提升开关的线性度，使开关在工作的功率水平下处于线性状态；另一种是对开关的结构进行改进，从而抑制高次谐波信号的产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率开关以解决开关的线性度、功率容量和高次谐波抑制度较低，以及开关端口匹配状态较差的问题。

为了达到上述目的中的一个或几个，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种大功率开关，所述开关包括：传输总线、第一开关管组、第二开关管组、第一滤波网络、第三开关管组、第四开关管组、第二滤波网络；

所述传输总线的输入端为所述开关的输入端，所述传输总线的输出端分别与所述第一开关管组和第三开关管组的输入端连接；

所述第一开关管组的输出端与第二开关管组的输入端连接，所述第二开关管组的输出端与第一滤波网络的输入端连接，所述第一滤波网络的输出端为所述开关的第一输出端；

所述第三开关管组的输出端与第四开关管组的输入端连接，所述第四开关管组的输出端与第二滤波网络的输入端连接，所述第二滤波网络的输出端为所述开关的第二输出端。

可选地，所述第一开关管组包括：串联堆叠设置的第一开关管和第二开关管；

所述第一开关管的输入端为所述第一开关管组的输入端，所述第一开关管的输出端与第二开关管的输入端连接，所述第二开关管的输出端为第一开关管组的输出端。

可选地，所述第一开关管组还包括：

连接在第一电压和第一开关管控制端之间的第一电阻；

连接在第一电压和第二开关管控制端之间的第二电阻；以及

第一电压控制端口，所述第一电阻和第二电阻的输入端分别连接在第一电压控制端口上。

可选地，所述第二开关管组包括：第三开关管、第四开关管和第一传输线，所述第三开关管和第四开关管的输入端分别连接在第一传输线的输入端和输出端，所述第一传输线的输入端和第三开关管的输入端共接，并作为所述第二开关管组的输入端；所述第一传输线的输出端和第四开关管的输入端共接，并作为所述第二开关管组的输出端，所述第三开关管和第四开关管的输出端分别接地。

可选地，所述第二开关管组还包括：

连接在第二电压和第三开关管控制端之间的第三电阻；

连接在第二电压和第四开关管控制端之间的第四电阻；以及

第二电压控制端口，所述第三电阻和第四电阻的输入端分别连接在第二电压控制端口上。

可选地，所述第三开关管组包括：串联堆叠设置的第五开关管和第六开关管；

所述第五开关管的输入端为所述第三开关管组的输入端，所述第五开关管的输出端与第六开关管的输入端连接，所述第六开关管的输出端为第三开关管组的输出端。

可选地，所述第三开关管组还包括：

连接在第二电压和第五开关管控制端之间的第五电阻；

连接在第二电压和第六开关管控制端之间的第六电阻；以及

第二电压控制端口，所述第五电阻和第六电阻的输入端分别连接在第二电压控制端口上。

可选地，所述第四开关管组包括：第七开关管、第八开关管和第二传输线，所述第七开关管和第八开关管的输入端分别连接在第二传输线的输入端和输出端，所述第二传输线的输入端和第七开关管的输入端共接，并作为所述第四开关管组的输入端；所述第二传输线的输出端和第八开关管的输入端共接，并作为所述第四开关管组的输出端，所述第七开关管和第八开关管的输出端分别接地。

可选地，所述第四开关管组还包括：

连接在第一电压和第七开关管控制端之间的第七电阻；

连接在第一电压和第八开关管控制端之间的第八电阻；以及

第一电压控制端口，所述第七电阻和第八电阻的输入端分别连接在第一电压控制端口上。

本发明的有益效果如下：

与现有技术相比较，本发明通过对第一开关管组和第三开关管组内的串联开关管进行两管堆叠设置，在仅小幅度增加开关插损的情况下有效提升了其线性度及功率容量；通过加入第一滤波网络和第二滤波网络，显著改善了开关的高次谐波抑制度，并通过优化滤波网络参数改善了开关的端口匹配状态。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。

图1示出本发明的一个实施例中大功率开关电路结构示意图。

具体实施方式

在下述的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或者多个实施方式的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为解决现有技术中存在的问题，本发明的一个实施例提供一种具有高谐波抑制高线性度的大功率开关，本开关通过优化滤波网络参数可改善开关端口的匹配状态，如图1所示，开关包括：传输总线ML、第一开关管组、第二开关管组、第一滤波网络N1、第三开关管组、第四开关管组、第二滤波网络N2。

如图1所示，传输总线ML的输入端与输入公共端口COM连接，传输总线ML的输出端分别与第一开关管组和第三开关管组的输入端连接。

第一开关管组包括：串联堆叠设置的第一开关管F1和第二开关管F2，第一开关管F1的输入端为第一开关管组的输入端，第二开关管F2的输出端为第一开关管组的输出端，第一开关管F1的输出端与第二开关管F2的输入端连接，第一开关管F1控制端连接有第一栅极电阻R1，第二开关管F2控制端连接有第二栅极电阻R2，第一栅极电阻R1和第二栅极电阻R2的输入端分别连接在第一电压控制端口V1上。

第三开关管组包括：串联堆叠设置的第五开关管F5和第六开关管F6，第五开关管F5的输入端为第三开关管组的输入端，第六开关管F6的输出端为第三开关管组的输出端，第五开关管F5的输出端与第六开关管F6的输入端连接，第五开关管F5的控制端连接有第五栅极电阻R5，第六开关管F6控制端连接有第六栅极电阻R6，第五栅极电阻R5和第六栅极电阻R6的输入端分别连接在第二电压控制端口V2上。

第一开关管组的输出端与第二开关管组的输入端连接，第二开关管组的输出端与第一滤波网络N1的输入端连接，第一滤波网络N1的输出端为开关的第一输出端，第一输出端与第一输出端口RFOUT1连接。

第二开关管组包括：第三开关管F3、第四开关管F4和第一传输线ML1，第三开关管F3和第四开关管F4的输入端分别连接在第一传输线ML1的输入端和输出端，第一传输线ML1的输入端和第三开关管F3的输入端共接，并作为第二开关管组的输入端，第一传输线ML1的输出端和第四开关管F4的输入端共接，并作为第二开关管组的输出端，第三开关管F3和第四开关管F4的输出端分别接地。第三开关管F3控制端连接有第三栅极电阻R3，第四开关管F4控制端连接有第四栅极电阻R4，第三栅极电阻R3和第四栅极电阻R4的输入端分别连接在第二电压控制端口V2上。

第三开关管组的输出端与第四开关管组的输入端连接，第四开关管组的输出端与第二滤波网络N2的输入端连接，第二滤波网络N2的输出端为开关的第二输出端，第二输出端与第二输出端口RFOUT2连接。

第四开关管组包括：第七开关管F7、第八开关管F8和第二传输线ML2，第七开关管F7和第八开关管F8的输入端分别连接在第二传输线ML2的输入端和输出端，第二传输线ML2的输入端和第七开关管F7的输入端共接，并作为第四开关管组的输入端，第二传输线ML2的输出端和第八开关管F8的输入端共接，并作为第四开关管组的输出端，第七开关管F7和第八开关管F8的输出端分别接地。第七开关管F7控制端连接有第七栅极电阻R7，第八开关管F8控制端连接有第八栅极电阻R8，第七栅极电阻R7和第八栅极电阻R8的输入端分别连接在第一电压控制端口V1上。

第三开关管F3、第四开关管F4、第五开关管F5和第六开关管F6的控制电压由第二电压控制端口V2提供，通过第二电压控制端口V2可分别控制各开关管的通断；第一开关管F1、第二开关管F2、第七开关管F7和第八开关管F8的控制电压由第一电压控制端口V1提供，通过第一电压控制端口V1可分别控制各开关管的通断。

进一步的，第一开关管组和第三开关管组通过将各自串联的开关管进行两管堆叠设置，可降低各自单个开关管上加载的电压摆幅，进而提升整体开关的线性度及功率容量。当射频信号从输入公共端口COM输入至开关并从第一输出端口RFOUT1输出时，大部分射频信号依次经过第一开关管组和第一传输线ML1后，输入至第一滤波网络N1，第一滤波网络N1对信号的高次谐波进行滤除后，将信号从第一输出端口RFOUT1输出，另一小部分信号经过第三开关管组后，由第四开关管组泄出；此时，第二开关管组的第三开关管F3和第四开关管F4处于关闭状态，第四开关管组的第七开关管F7和第八开关管F8处于开启状态。第三开关管F3和第四开关管F4可与第一传输线ML1形成第一π形匹配网络；形成第一π形匹配网络可保证第一π形匹配网络两端的阻抗为50欧姆，使其与第二开关管F2输出端口的阻抗和第一滤波网络N1输入端的阻抗相匹配，进而使开关整体对外的COM和RFOUT1端口阻抗也保持在50欧姆。

当射频信号从输入公共端口COM输入至开关并从第二输出端口RFOUT2输出时，大部分射频信号依次经过第三开关管组和第二传输线ML2后，输入至第二滤波网络N2，第二滤波网络N2对信号的高次谐波进行滤除后，将信号从第二输出端口RFOUT2输出，另一小部分信号经过第一开关管组后，由第二开关管组泄出；此时，第四开关管组的第七开关管F7和第八开关管F8处于关闭状态，第二开关管组的第三开关管F3和第四开关管F4处于开启状态。第七开关管F7和第八开关管F8可与第二传输线ML2形成第二π形匹配网络；形成第二π形匹配网络可保证第二π形匹配网络两端的阻抗为50欧姆，使其与第六开关管F6输出端口的阻抗和第二滤波网络N2输入端的阻抗相匹配，进而使开关整体对外的COM和RFOUT2端口阻抗也保持在50欧姆。

通过第二开关管组和第四开关管组内的双开关管设置将多余的射频信号泄出，使COM-RFOUT1通道和COM-RFOUT2通道分别处于关断状态时有更高的隔离度。

本发明更具体的连接方式为：传输总线ML的输入端与输入公共端口COM连接，传输总线ML的输出端连接在第一开关管F1的源极与第五开关管F5的源极的共接点上。

从公共端口COM到第一输出端口RFOUT1的连接方式：第一开关管F1漏极连接第二开关管F2源极，第一开关管F1栅极连接第一栅极电阻R1的一端，第一栅极电阻R1的另一端连接第一电压控制端口V1，第二开关管F2漏极和第三开关管F3源极的共接点与第一传输线ML1的一端连接；第二开关管F2栅极连接第二栅极电阻R2的一端，第二栅极电阻R2的另一端连接第一电压控制端口V1；第三开关管F3漏极接地，第三开关管F3栅极连接第三栅极电阻R3的一端，第三栅极电阻R3的另一端连接第二电压控制端口V2；第四开关管F4源极和第一滤波网络N1输入端的共接点与第一传输线ML1的另一端连接；第四开关管F4漏极接地，第四开关管F4栅极连接第四栅极电阻R4的一端，第四栅极电阻R4的另一端连接第二电压控制端口V2；第一滤波网络N1的输出端与第一输出端口RFOUT1连接。

从公共端口COM到第二输出端口RFOUT2的连接方式：第五开关管F5漏极连接第六开关管F6源极；第五开关管F5栅极连接第五栅极电阻R5的一端，第五栅极电阻R5的另一端连接第二电压控制端口V2，第六开关管F6漏极和第七开关管F7源极的共接点与第二传输线ML2的一端连接，第六开关管F6栅极连接第六栅极电阻R6的一端，第六栅极电阻R6的另一端连接第二电压控制端口V2；第七开关管F7漏极接地；第七开关管F7栅极连接第七栅极电阻R7的一端，第七栅极电阻R7的另一端连接第一电压控制端口V1；第八开关管F8源极和第二滤波网络N2输入端的共接点与第二传输线ML2的另一端连接；第八开关管F8漏极接地，第八开关管F8栅极连接第八栅极电阻R8的一端，第八栅极电阻R8的另一端连接第一电压控制端口V1；第二滤波网络N2输出端与第二输出端口RFOUT2连接。

在一个具体实施例中，所述第一开关管F1、第二开关管F2、第三开关管F3、第四开关管F4、第五开关管F5、第六开关管F6、第七开关管F7、第八开关管F8中的一个或多个的源极和漏极可互换。

在一个具体实施例中，所述第一栅极电阻R1、第二栅极电阻R2、第三栅极电阻R3、第四栅极电阻R4、第五栅极电阻R5、第六栅极电阻R6、第七栅极电阻R7、第八栅极电阻R8的阻值至少为几千欧姆，各栅极电阻设定的阻值可防止射频信号从各开关管的栅极流出。

本实施例开关采用GaN HEMT工艺单片集成，将开关管、栅极电阻、传输线、滤波网络集成在一颗开关芯片上，简化了高谐波抑制高线性度大功率开关的结构，大大减小了其尺寸，且插损性能优良，能处理几十瓦的射频大功率，线性度高，谐波抑制度高。

本发明高谐波抑制高线性度大功率开关的原理为：

当设定第一电压控制端口V1和第二电压控制端口V2使COM-RFOUT1导通、COM-RFOUT2关断时，COM-RFOUT1支路上串联的开关管将承受输入的大功率。通过第一开关管F1和第二开关管F2的堆叠，可将单个串联开关管上的电压摆幅大幅降低，从而提升开关COM-RFOUT1导通时的线性度和功率容量。另外，当开关在大功率状态下工作时，由于各个开关管均处于非线性状态，经过第二开关管组输出的功率会带有较大的高次谐波分量。通过引入第一滤波网络N1，将高次谐波分量以较大的衰减值进行滤除，可保证从RFOUT1端口输出的功率有较高的谐波抑制度。当COM-RFOUT2通导、COM-RFOUT1关断时与上述原理类似。

本发明通过对串联开关管进行两管堆叠，在仅小幅度增加开关插损的情况下有效提升了其线性度及功率容量；通过加入滤波网络，显著改善了开关的高次谐波抑制度，并通过优化滤波网络参数改善了开关的端口匹配状态。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种大功率开关，其特征在于，所述开关包括：传输总线、第一开关管组、第二开关管组、第一滤波网络、第三开关管组、第四开关管组、第二滤波网络；

所述传输总线的输入端为所述开关的输入端，所述传输总线的输出端分别与所述第一开关管组和第三开关管组的输入端连接；

所述第一开关管组的输出端与第二开关管组的输入端连接，所述第二开关管组的输出端与第一滤波网络的输入端连接，所述第一滤波网络的输出端为所述开关的第一输出端；

所述第三开关管组的输出端与第四开关管组的输入端连接，所述第四开关管组的输出端与第二滤波网络的输入端连接，所述第二滤波网络的输出端为所述开关的第二输出端。

2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第一开关管组包括：串联堆叠设置的第一开关管和第二开关管；

所述第一开关管的输入端为所述第一开关管组的输入端，所述第一开关管的输出端与第二开关管的输入端连接，所述第二开关管的输出端为第一开关管组的输出端。

3.根据权利要求2所述的开关，其特征在于，所述第一开关管组还包括：

连接在第一电压和第一开关管控制端之间的第一电阻；

连接在第一电压和第二开关管控制端之间的第二电阻；以及

第一电压控制端口，所述第一电阻和第二电阻的输入端分别连接在第一电压控制端口上。

4.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第二开关管组包括：第三开关管、第四开关管和第一传输线，所述第三开关管和第四开关管的输入端分别连接在第一传输线的输入端和输出端，所述第一传输线的输入端和第三开关管的输入端共接，并作为所述第二开关管组的输入端；所述第一传输线的输出端和第四开关管的输入端共接，并作为所述第二开关管组的输出端，所述第三开关管和第四开关管的输出端分别接地。

5.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，所述第二开关管组还包括：

连接在第二电压和第三开关管控制端之间的第三电阻；

连接在第二电压和第四开关管控制端之间的第四电阻；以及

第二电压控制端口，所述第三电阻和第四电阻的输入端分别连接在第二电压控制端口上。

6.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第三开关管组包括：串联堆叠设置的第五开关管和第六开关管；

所述第五开关管的输入端为所述第三开关管组的输入端，所述第五开关管的输出端与第六开关管的输入端连接，所述第六开关管的输出端为第三开关管组的输出端。

7.根据权利要求6所述的开关，其特征在于，所述第三开关管组还包括：

连接在第二电压和第五开关管控制端之间的第五电阻；

连接在第二电压和第六开关管控制端之间的第六电阻；以及

第二电压控制端口，所述第五电阻和第六电阻的输入端分别连接在第二电压控制端口上。

8.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第四开关管组包括：第七开关管、第八开关管和第二传输线，所述第七开关管和第八开关管的输入端分别连接在第二传输线的输入端和输出端，所述第二传输线的输入端和第七开关管的输入端共接，并作为所述第四开关管组的输入端；所述第二传输线的输出端和第八开关管的输入端共接，并作为所述第四开关管组的输出端，所述第七开关管和第八开关管的输出端分别接地。

9.根据权利要求8所述的开关，其特征在于，所述第四开关管组还包括：

连接在第一电压和第七开关管控制端之间的第七电阻；

连接在第一电压和第八开关管控制端之间的第八电阻；以及

第一电压控制端口，所述第七电阻和第八电阻的输入端分别连接在第一电压控制端口上。

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