专利名称：一种高隔离低插损射频开关电路的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种射频开关电路或集成电路背景技术在无线或者移动通信系统中常常会用到射频开关(RF switch)进行射频通道选择。例如用射频开关选 择接收和发射通道，从而在共用天线的情况下实现无线信号的接收和发送；在军用宽频段电台中为了增加 抗干扰性能，使用射频开关选择不同频段的滤波器。在这些系统中一般都要求射频开关有尽可能低的插损 和高的隔离度。由于开关器件的非理想性，导致射频开关电路有一定插损，隔离度也有限。很难在低插损 下达到高隔离特性，传统的方法是在电路中用并联的电感谐振掉开关器件的寄生电容，隔离度可达到40dB 以上，插损一般在0.5 ldB。类似的方法还有并联电阻-电容-电阻法。这两种方法的缺点是工作频带较窄。 另外还有并联分布式场效应管法，这种方法技术复杂，需要对半导体开关器件进行特殊设计。发明内容本发明提供了一种新颖的提高射频开关电路隔离度的方法，与以往高隔离低插损开关相比具有结构简 单、工作频带宽的优点。利用此基本的单刀单掷开关电路还可以组成单刀双掷、单刀多掷开关。本发明的开关电路在结构上有两个通道主通道是一个射频开关器件(场效应管、PIN二极管、微机 械开关等)；辅助通道由一个关断状态的射频开关器件和半波长传输线(或者180度移相器)组成。其提高隔离度的原理是从主辅两个通道泄漏到开关另一侧的射频信号在相位上相差180度，但幅度 相同，因此相互抵消。在物理上则表现为射频信号全部被反射回去，没有信号泄漏到开关另一侧，此频点 上产生一个隔离度峰值(相位抵消隔离度峰值)。另外在稍低的频点上，由于传输线的阻抗变换作用，辅 助通道等效于一个电感，与主通道的寄生电容发生并联谐振，产生第二个隔离度峰值(谐振隔离度峰值)。 通过设定传输线的长度和特征阻抗可以调整两个隔离度峰值的位置。因为有这两个不同频率的隔离度峰 值，因此工作带宽得到扩展，隔离度也提高。可以在更宽的频段内得到40dB以上的隔离度。电路中还可以用180度移相器代替半波长传输线得到更宽的工作带宽。宽带移相器的特点是可以在倍 频程范围内实现固定相移，所以在使用180度移相器的情况下可以将射频开关的工作频带扩展到倍频程左 右，即在倍频程范围内具有高隔离度特性。在射频开关开通状态下，辅助通路由于具有极高的阻抗，与主通路相比可以认为是开路的，对主通路 的影响可忽略，因此开关电路在打开状态下具有低差损性能。本发明的特征及优点将结合附图和实施例作进一步的说明。
图1是普通射频开关电路图2是传统高隔离低插损射频开关电路图3是本发明的的详细电路图(使用场效应管和半波长传输线的情况)图4是图3的电路在关断状态时的近似等效电路图5是特定电路参数下隔离度的仿真结果图6是图3的电路在开通状态时的近似等效电路 图7是特定电路参数下插损的仿真结果
具体实施例方式
图l是普通射频开关电路基本结构，其中A、 B为场效应管，1、 2两端接射频通道。当射频开关打开 时对应的场效应管的状态是A管导通，B管关断；当射频开关关闭时对应的场效应管的状态是A管关 断B管导通。由于器件的非理想性，开关管在导通时近似等效于一个小电阻，关断时近似等效于一个小电 容。这种结构射频开关导通时一般有0.5 ldB左右插损，关断时隔离度20dB左右。传统的提高隔离度的 有效方法是并联谐振电感，如图2所示，在场效应管A旁边并联一个电感L，电感L和开关管极间电容在 感兴趣的频率上发生谐振，这种方法可使工作频点附近的隔离度达到40dB量级，插损与普通射频开关相 近，其缺点是高隔离度特性只在谐振频点附近，因此高隔离度特性的带宽比较窄。图3是本发明的射频开关电路的一个具体结构，开关电路在结构上有两个通道主通道是一个场效应 管A， A可以由外部控制导通和关断，从而决定整个射频开关(电路)的打开和关闭；辅助通道由一个关 断状态的场效应管B和半波长传输线T组成。(注A和B关断状态下具有相等的阻抗，辅助通道使用场 效应管B就是为了得到这样一个阻抗。在要求不太高的情况场效应管B也可用等效元件代替，例如电容)。 下面对图3的电路做详细分析和仿真。O隔离度的分析和仿真由于场效应管导通状态下可近似等效为小电阻i^v (—般几个欧姆，与器件特性有关)，关断状态下近似等效于一个小电容Cw (—般零点几pF以下，与器件特性有关)，所以在射频开关关断时(A管进入关闭状态)，其等效电路如图4所示，主路和辅路在电路上的差别仅在于辅路上多了一个半波长传输线， 因此两路射频信号的相位差180度，但幅度相同，信号相互抵消设主通道上泄漏射频信号为P，则辅助通道泄漏信号为PZ18(T ，因此泄漏到开关另一侧的总能量为在物理上表现为没有信号泄漏到开关另外一侧，信号全被反射。相位完全抵消的频率对应的就是"相位抵消隔离度峰值"；另外传输线具有阻抗变换功能，ZA(d) = Z。 ZL+JZ。tgWd)， (d为传输线长度，2。为Z0 + jZLtg(y8d)传输线特征阻抗)，可以将辅通道中的C^ (在公式中Z^-^~ )在某个频率上变换成与主通道C仍并联谐振的电感。此谐振频点的隔离度也是一个峰值，即谐振隔离度峰值。为得到一个直观结果，用ADS (Advanced Design syetem，安捷伦公司的商业电路仿真软件)软件仿 真。将图5等效电路中CM采用场效应管的典型C^ =0. lpF，传输线在4GHz上的电感长度为半波长，特征阻抗50欧姆，得到图5的仿真结果。可以看到除了在4GHz有一个隔离度峰值(即相位抵消隔离度峰值) 外，在3.7GHz附近存在第二个隔离度峰值(即谐振隔离度峰值)，通过前面公式计算也可以得到在3.7GHz 上两路具有符号相反的容抗，因此产生的是并联谐振。仿真结果中在3. 5 GHz 、. 2GHz频段内隔离度在40dB 以上。为了得到更好的隔离度特性和更宽的工作带宽，可以用宽带180度移相器代替半波长传输线。宽带移 相器的特点是可以在倍频程范围内实现同定相移，所以在使用180度移相器的情况下可以将射频开关的工 作频带扩展到倍频程左右(例如在2GH2 4GHz上具有高隔离度特性)。2)插损的分析和仿真当射频开关打开时(A管进入导通状态)，辅助通道由于具有很高的阻抗，因此对主通道的影响可以 忽略，不影响开关电路的地插损性能。
将图6等效电路中CDS采用开关器件的典型C加=0. lpF， i eJV=5欧姆，传输线在4GHz上的电感长度为半波长，特征阻抗50欧姆，得到图7的仿真结果。可以看到在高隔离度频段内(3.5 GHz ~4.2GHz)射 频开关具有较好的回波损耗(驻波比)，插损不到ldB。
权利要求
1.一种高隔离低插损射频开关电路(RF switch)的实现方法，在普通开关器件上并联一路相位抵消通道，相位抵消通道由一个处于关闭状态的开关器件、180度相位延迟器组成。其特征在于，在一般射频开关器件上并联了一个180度相位抵消通道。
2. 根据权利要求l所述的电路结构，其中所述180度相位延迟器为半波长传输线。
3. 根据权利要求l所述的电路结构，其中所述180度相位延迟器为180度移相器。
4. 根据权利要求l所述的电路结构，其中所述主通路和辅助通路使用的射频开关器件为PIN二极管，或 者场效应管，或者微机械开关。
5. 根据权利要求1所述的电路结构，其中所述辅助通路的"关断状态的射频开关器件"为与射频开关器 件关断状态等效的其它器件，例如电容。
6. 由权利要求l所述的电路结构组成的单刀双掷射频开关电路、单刀多掷射频开关电路。
全文摘要
一种高隔离低插损射频开关电路的实现方法，在普通开关器件上并联一路相位抵消通道，相位抵消通道由一个处于关闭状态的开关器件、180度相位延迟器组成。180度相位延迟器可以是半波长射频传输线或者180度的移相器。由于半波长射频传输线的相位延迟和阻抗变换作用，在工作频带内能产生相位抵消和并联谐振两个隔离度峰值，因此提高了隔离度，并保证了较大的工作带宽。180度移相器则可以在很宽频段内实现相位抵消，使工作带宽更宽。本方法可以用于射频开关集成电路或普通电路。
文档编号H03K17/16GK101159429SQ20071018838
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者王东方 申请人:王东方