一种基于lc带阻滤波器结构的大功率开关的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种微波大功率开关设计领域，特别是一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关。本实用新型针对如何在现有PIN管器件参数前提下实现微波大功率开关的低插损、小型化、高隔离度的问题，提出一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关，基于PIN管与外部谐振电感构成的带阻滤波器结构。当PIN管反偏时，PIN管结电容Cj与外部谐振电感L构成并谐振电路，进而构成带阻滤波器，利用带阻滤波器的阻带特性实现大功率开关对射频信号的关断控制。当PIN管正向偏置时，PIN管与外部谐振电感L不再构成谐振电路，该结构对射频信号呈现低阻特性，实现对射频信号的导通控制。
【专利说明】
-种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种微波大功率开关设计领域，特别是一种基于LC带阻滤波器结 构的大功率开关。
【背景技术】
[0002] 微波大功率开关普遍应用于雷达系统中，其功率容量、插入损耗和隔离度是极其 重要的技术指标。高的功率容量能够提高雷达的作用距离。较低的插入损耗一方面可W减 小电路损耗，提高末级发射功率;另一方面，较低的差损能够降低接收的噪声系数，提升接 收机的灵敏度。高隔离度能够提高系统的稳定性W及抗干扰能力。同时，现代通信系统要求 小型化设计，开关尺寸应尽量减小。因此，高功率、低插损、小型化高隔离度开关具有较大的 应用价值和市场前景。
[0003] 现有的微波开关利用PIN管在正偏置与反向偏置时可W分别等效于一个小电阻与 一个小电容，从而实现微波信号的导通与关断效果[1]。按照PIN管的接入形式，开关一般有 两种结构：串联型开关和并联型开关。在雷达系统常用的收发开关中，并联型开关需要四分 之一波长传输线进行阻抗变换，电路尺寸较大[2]。因此，小型化收发开关一般采用串联型 开关实现。PIN管反向偏置电容Cj越小隔离度越大，正向偏置串联电阻Rs越小开关差损越 小。基于GaAs材料PIN管具有较小的Cj，能够提高较好的隔离度性能[3]。但是GaAs PIN二极 管耐受电压较低，不能满足大功率使用要求。大功率开关普遍采用silicon PIN二极管。由 于silicon PIN二极管器件本身特性，实际反向偏置电容Cj相对较大，单个PIN的隔离度有 限。同时，要实现较小的反偏结电容Cj,则需要较大的反向偏置电压，运给PIN驱动器设计带 来较大难度。若要提高隔离度，则必须多级PIN管级联。然而多级PIN管之间需采用四分之一 波长传输线进行匹配才能有效的提高开关隔离度[3]，运必然会增加开关的尺寸和插入损 耗。现有开关也有采用并联四分之一波长谐振线实现开关特性，但是该方案同样尺寸较大， 并且开关参数调节复杂。现有技术难W在保证大功率的情况下做到高隔离度、低插损和小 型化。
[0004] 现有开关依赖于减小PIN管反向偏置电容Cj来提高开关隔离度，Cj值越小则隔离 度越高。虽然基于GaAs材料的PIN管具有很小的Cj值，能够实现较好的开关隔离度，但是 GaAs PIN管功率容量小，不能满足大功率开关设计需求。现有大功率开关均选用高耐压值 的silicon PIN管实现，但是该类型PIN管的反向偏置电容Cj普遍较大（IpF左右）。若要实现 较高的隔离度，则必须采用多阶级联。PIN管级联阶数越高则隔离度越高，但是相应的插入 损耗上升、开关尺寸明显增大W的问题 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的发明目的在于:针对如何在现有PIN管器件参数前提下实现微波大 功率开关的低插损、小型化、高隔离度的问题，提出一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开 关，基于PIN管与外部谐振电感构成的带阻滤波器结构。当PIN管反偏时，PIN管结电容Cj与 外部谐振电感L构成并联谐振电路，进而构成带阻滤波器。利用带阻滤波器的阻带特性实现 大功率开关对外部射频信号的关断控制。当PIN管正向偏置时，PIN管与外部谐振电感L不再 构成谐振电路，而是形成呈现低阻状态的并联结构，此并联结构对射频电路呈现导通特性。
[0006] 本实用新型采用的技术方案是运样的：
[0007] -种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关包括:n阶射频控制单元W及n+1个微带 线;n阶射频控制单元级联，并且通过n+1个微带线将n阶射频控制单元级联;射频控制单元 包括PIN管、谐振电感W及隔直电容;其中隔直电容与谐振电感形成的串联结构，与PIN管并 联;当PIN管反偏时，PIN管结与谐振电感构成带阻滤波器，利用带阻滤波器的阻带特性实现 大功率开关对外部射频电路的关断控制；当PIN管正向偏置时，PIN管与谐振电感形成的并 联结构呈现低阻状态，从而实现对外部射频信号的导通控制;其中n〉=l。
[000引进一步的，所述n=l，则QUOTE
，F为大功率开关的中屯、频 率，Cj为PIN管管结电容，L为谐振电感的电感值。
[0009] 进一步的，所述n=2,则第一谐振电感的电感值Ll与第二谐振电感的电感值L2相差 越大，则大功率开关带宽越宽、隔离度越小、插损越大；当L1=L2时，则QUOTE
且大功率开关隔离度越大，带宽越窄。
[0010] 进一步的，所述n=3，则第一谐振电感的电感值L1、第二谐振电感的电感值L2及第 S谐振电感的电感值L3相差越大，则大功率开关带宽越宽、隔离度越小；当L1=L2=L3时，贝U QUOTI
且大功率开关带宽越窄、隔离度越大。
[0011] 进一步的，所述PIN管是GaAs材料或者Si材料。
[0012] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
[0013] 通过控制PIN管的偏置状态，则可W本装置在带阻滤波器和全通滤波器之间的切 换，从而实现开关对外部射频信号的关断和导通功能。当外部偏置电路一定的情况下，调节 谐振电感的电感值L可W简便地调节开关的中屯、频率。相比于传统结构开关，该开关结构在 中屯、频率附近的隔离度明显提高。同时，图1结构中PIN管反向结电容Cj的绝对大小不再是 影响开关隔离度的关键因素，因此可W减小PIN管反向偏置电压，降低PIN管驱动电路的难 度。
[0014] 参阅图1，采用本发明提出的基于带阻滤波器结构的开关结构，与同阶PIN管的传 统开关相比，中屯、频率附近隔离度明显提升。图1所述的开关结构，其PIN管反偏结电容Cj值 不再是影响开关隔离度的关键因素，开关无须大电压偏置，降低了开关驱动器设计难度。
[0015] 参阅图2,采用图1所示的开关结构所构成的多阶PIN开关，无需额外传输线进行 阻抗变换，开关尺寸相比于现有同阶PIN开关有效减小，实现了高隔离开关小型化设计。同 时，本发明提出的多阶PIN开关可W通过调节外围匹配电感值方便调节开关中屯、频率、带宽 和隔离度等关键参数，结构简单，性能可靠。
[0016] 采用本发明的多级开关结构，通过调节外围匹配电感可W方便调节开关工作频 率、带宽、隔离度等关键参数。PIN管级间不需要四分之一波长线匹配，开关尺寸明显减小， 插入损耗相应减小，实现开关的高隔离、小型化、低插损设计。
【附图说明】
[0017] 图1是一阶带阻滤波器结构的大功率开关结构示意图。
[0018] 图2是二阶带阻滤波器结构的大功率开关结构示意图。
[0019] 图中标记:1为微带线，2为PIN二极管，3为匹配电感，4为隔直电容。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
[0021] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[002^ 组成；
[0023] -种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关，其特征在于包括:n阶的射频控制单元 W及n+1个微带线;n阶射频控制单元级联，并且通过n+1个微带线将n阶射频控制单元级联； 射频控制单元包括PIN管、谐振电感W及隔直电容;其中隔直电容与谐振电感形成的串联结 构，与PIN管并联;当PIN管反偏时，PIN管结与谐振电感构成带阻滤波器，利用带阻滤波器的 阻带特性实现大功率开关对外部射频信号的关断控制；当PIN管正向偏置时，PIN管与谐振 电感形成的并联结构呈现低阻状态，即全通滤波器;利用并联结构实现大功率开关对外部 射频信号的导通控制;其中n〉=l。
[0024] 1、当n=l时，形成一阶带阻滤波器结构的大功率开关，
[0025] 工作原理为：当PIN管2反偏时，PIN管可等效于电容Cj,该电容与外围匹配电感3构 成并联谐振电路，整个电路相当于由2和3构成的带阻滤波器，对信号呈现阻带特性，达到开 关的关断效果；当PIN管2正偏时，PIN管相当于小电阻Rs,此时图中2和3组成的并联结构呈 现低阻态，对射频信号呈现全通特性，达到开关的导通效果。PIN管正偏情况下，PIN管呈现 低阻态，射频信号主要从PIN管流过，该结构与传统开关相比不会增加额外损耗。
[0026] 图1结构中PIN管反向结电容Cj的绝对大小不再是影响开关隔离度的关键因素，因 此可W减小PIN管反向偏置电压，降低PIN管驱动电路的难度。通过外围驱动电路控制PIN管 2的偏置状态，可W实现图1结构在带阻滤波器与全通网络之间切换，从而达到开关的关断 和导通特性。通过改变匹配电感③的值可W实现开关中屯、频率调节。
[0027] 2，n=2时，在开关对隔离度有更高要求的情况下，可W采用图1结构进行多阶级联 的方式实现，即图2。当PIN管2反偏时，整个电路等效为二阶带阻滤波器。调节外围谐振电感 3可W调节带阻滤波器中屯、频率、带宽W及阻带抑制度，从而实现开关中屯、频率、带宽和隔 离度调节。当PIN管2正偏时，图2结构为全通滤波器结构，大功率开关处于导通状态。图2所 示结构中，两阶PIN之间不需要额外的微带线长度进行阻抗变换(仅需要必要的器件焊盘空 间），因此该结构比现有开关结构尺寸明显减小，差损相应降低。
[0028] W上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用W限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关，其特征在于包括:η阶射频控制单元w及 n+1个微带线;η阶射频控制单元级联，并且通过n+1个微带线将η阶射频控制单元级联;射频 控制单元包括PIN管、谐振电感W及隔直电容;其中隔直电容与谐振电感形成的串联结构， 与PIN管并联；当PIN管反偏时，PIN管结与谐振电感构成带阻滤波器，利用带阻滤波器的阻 带特性实现大功率开关对外部射频信号的关断控制；当PIN管正向偏置时，PIN管与谐振电 感形成的并联结构呈现低阻状态，即全通滤波器;利用该并联结构实现大功率开关对外部 射频信号的导通控制;其中n〉=l。2. 根据权利要求1所述的一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关，其特征在于所述η =1，则，F为大功率开关的中屯、频率，Cj为PIN管管结电容，L为谐振电感的电感 值。3. 根据权利要求1所述的一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关，其特征在于所述η =2,则第一谐振电感的电感值L1与第二谐振电感的电感值L2相差越大，则大功率开关带宽 越宽、隔离度越小；当L1=L2时，贝I且大功率开关隔离度越大，带宽越窄。4. 根据权利要求1所述的一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关，其特征在于所述η =3,则第一谐振电感的电感值L1、第二谐振电感的电感值L2及第Ξ谐振电感的电感值L3分 别相差越大，则大功率开关带宽越宽、隔离度越小；当L1=L2=L3时，则且大功率 开关带宽越窄、隔离度越大。5. 根据权利要求1所述的一种基于LC带阻滤波器结构的大功率开关，其特征在于所述 PIN管是GaAs材料或者Si材料。
【文档编号】H03K17/74GK205584162SQ201620343176
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】杨阳, 田殷, 冯涛
【申请人】四川九洲空管科技有限责任公司