CN107994918B - 一种用于射频收发切换的单刀双掷开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于射频收发切换的单刀双掷开关，属于雷达天线控制领域。该开关电路包括两根微带线和一个开关管芯，其中第一微带线一端与天线连接，另一端与PA输出匹配端连接；第二微带线一端与天线连接，另一端同时与LNA输入匹配端和开关管芯Q4的漏极连接；开关管芯Q4的源极接地，漏极与源极之间并接有电感L，栅极为控制端。本发明开关与传统的双路并接开关管芯到地、两路开关管芯导通状态互异的单刀双掷开关相比，简化了开关收发控制电压路数，去除了发射电路部分原有的控制开关以及与其连接的1/4波长微带线，简化了开关路径，使得发射信号传输路径缩短，减小了尺寸，也有效避免了发射功率回退的问题，同时也进一步减少了发射输出端的插损。

Description

一种用于射频收发切换的单刀双掷开关

技术领域

本发明涉及雷达天线控制电路，具体涉及一种用于射频收发切换的单刀双掷开关。

背景技术

雷达天线控制电路中，需要对发送、接收电路进行切换控制。图1示出了雷达天线电路基本结构，发射路径上利用功率放大器(PA)将信号功率增强后从天线发射出去，接收路径上利用低噪声放大器(LNA)从天线获取信号并放大后传入后续处理装置，其收发链路的切换通过开关电路实现，该开关电路大多采用传统的单刀双掷开关。

传统的单刀双掷开关虽然原理简单，但是结构较大、开关收发控制电压较多、传输损耗较大。如图2所示，现有技术中采用传统型单刀双掷开关对收发链路进行收发控制，为了减小传输插损，需要四分之一波长长度的微带线分别作用于两个开关管芯。用于开关管芯Q20的微带传输线Line10、用于开关管芯Q40的微带传输线Line20的长度均为四分之一波长，目的是在实现信号发射或接收时，信号的传输损耗最小。当需要发射电路工作时，让开关管芯Q40导通，开关管芯Q20截止，Line20和开关管芯Q40相当于四分之一波长微带线到地，呈现高阻抗特性，进而对发射信号没有影响。而当需要接收电路工作时，让开关管芯Q20接通，开关管芯Q40截止，此时，Line10和开关管芯Q20相当于四分之一波长微带线到地，呈现高阻抗特性，进而对接收信号没有影响。从而实现接收电路工作，发射电路不工作。但是利用传统单刀双掷开关会导致开关收发控制电压较多，发射电路必须接有四分之一波长微带线Line10和开关管芯Q20，造成额外增加插损，尤其对于大功率(如，过瓦级)信号的传输过程中，还可能造成功率回退现象。因而亟需一种结构简单、损耗较小以及能够防止发射输出功率回退，同时具备传统开关功能的新型开关。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中的问题，本发明提出一种用于收发链路收发控制的新型单刀双掷开关，能够有效解决收发控制电压较多、插损较大以及大功率信号输出过程中出现的功率回退问题。

技术方案：本发明所述的一种用于射频收发切换的单刀双掷开关，包括：第一微带线、第二微带线、开关管芯，第一微带线一端与天线端连接，另一端与发射电路PA输出匹配端连接；第二微带线一端与天线端连接，另一端同时与接收电路的LNA输入匹配端、开关管芯的漏极连接；开关管芯源极接地，其漏极与源极之间并接有电感或第三微带线，其栅极为控制端。

其中，第一微带线特征阻抗为50欧姆，其长度根据以下原则调整得到：调整第一微带线的长短使得在接收信号时，第一微带线、PA末级输出匹配段以及PA末级管芯三者在开关电路输出端口处形成高阻结构。第二微带线长度为四分之一波长。PA的末级管芯可以为1个FET管，也可为N个(N≥2)并接的FET管，且末级管芯的漏极为该PA的输出端。

为了对射频信号加以隔离，开关管芯的栅极通过电阻与控制电压连接，所述电阻的阻值在1KΩ～10KΩ之间。

有益效果：本发明提供一种用于射频收发切换的单刀双掷开关，与传统的双路并接开关管芯到地、两路开关管芯导通状态互异的单刀双掷开关相比，简化了开关收发控制电压路数，去除了发射电路部分原有的控制开关以及与其连接的四分之一波长微带线，简化了开关路径，使得发射信号传输路径缩短，减小了尺寸，也有效避免了发射功率回退的问题，同时也进一步减少了发射输出端的插损。

附图说明

图1为雷达天线中收发链路结构框图；

图2为现有技术中典型的单刀双掷电路连接示意图；

图3为本发明提供的单刀双掷开关电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图3，一种用于射频收发切换的单刀双掷开关包括第一微带线Line1、第二微带线Line2、开关管芯Q4。第一微带线Line1一端与天线端连接，另一端与发射电路PA输出匹配端连接；第二微带线Line2一端与天线端连接，另一端同时与接收电路的LNA输入匹配端、开关管芯Q4的漏极连接；开关管芯Q4源极接地，其漏极与源极之间并接有电感L，且开关管芯Q4的栅极通过电阻R与控制电压Vs连接。此外，在本实施例中，该开关电路的功率放大器PA包括次末级管芯Q1和末级管芯Q2，Q1的栅极为发射输入端，源极接地，漏极连接Q2的栅极，Q2的源极接地，漏极连接PA末级输出匹配段。低噪声放大器LNA包括初级管芯Q3，Q3的漏极为接收输出端，源极接地，栅极接LNA初级输入匹配段。

其中，第一微带线Line1特征阻抗为50欧姆，其长度根据以下原则调整得到：调整其长短使得在接收信号时，Line1、PA末级输出匹配段以及PA末级管芯三者在开关电路输出端口A点处形成高阻结构。第二微带线Line2长度为四分之一波长，即该开关所应用的频段波长的1/4。电感L的存在是用于抵消开关管芯Cds寄生电容效应，电感L值的大小和开关管芯Q4的Cds(即DS端口之间的寄生电容)值有关，只要保证Cds和电感L的并联在中心工作频点并联谐振即可，进而电感L和Cds并联呈高阻态，故可以进一步减少发射电路输出端的插损。此处的电感也可用能达到同等效果的微带传输线代替。

同时应注意的是，电阻R的阻值数量级为K级以上。电阻R起到射频隔离的作用，电阻R阻值大一些，射频隔离作用更好，但太大，开关的切换速度又会变慢，所以其取值要适当，在本实施例中为1KΩ～10KΩ之间。为了便于理解，在下文中，将PA末级管芯漏极输出端至开关电路输出端口A之间的电路部分称为开关电路的发射支路，同时，将开关电路输出端口A至接收电路低噪声放大器LNA栅极之间的电路部分称为开关电路的接收支路。

本发明提供的开关电路与传统电路相比，取消了设置在发射电路部分的开关管芯以及相应的四分之一波长微带线，通过设置发射电路端管芯的栅漏极电压的开启/关断以及接收电路端开关管芯的导通/截止的转换实现收发链路收发的切换。其中，在接收状态，PA发射链路的管芯的漏极电压Vd按照传统切换到0V，而末级管芯Q2的栅极电压Vg1切换到高电平，使得PA末级管芯完全导通，起到传统开关管芯的效用，关断次末级管芯Q1的栅极电压Vg2使得PA次末级管芯截止形成高阻态。在发射状态，发射链路的管芯的栅漏极电压Vg和Vd均正常供电。由于不用在发射电路设置开关管芯以及相应的四分之一波长微带线，从而减小了射频摆压的影响，避免了出现发射功率回退现象，并减小了发射输出端插损。应当注意的是，PA的末级管芯可为一个管芯也可为多个管芯并接，且末级管芯的栅极为发射信号的输入端，其漏极为PA输出端。在本实施例中，PA的管芯、LNA的管芯以及开关管芯均为N沟道耗尽型FET管，若管芯为其他类型的晶体管，原理与其一致，即Q1-Q3为放大器管芯，Q4为开关管管芯。放大器管芯选取跟发射、接收指标要求有关。根据不同的指标要求设计选取相应的结构，其中管芯的个数、大小、排列方式等都可能不一样。开关管管芯选取满足隔离度、插损、开关的功率容量等要求即可。

具体地，在发射模式下，由1个或N个相同的FET管并接构成的发射电路末级管芯，末级管芯的源极接地，漏极电源Vd1、Vd2开启，其栅极接收发射电路前端电路传输来的发射信号，并通过漏极将该放大后的发射信号输出；同时，参照图3，设置控制电压Vs为开关管完全导通电压，开关管芯Q4导通为射频地状态，由于微带线Line2长度为1/4波长，PA次末级管芯Q1导通后，发射电路相当于并接了一段1/4波长短路线，该短路线基本不会对发射的射频信号造成损失，即发射信号不会进入接收支路，而是通过本开关电路输出端口A全部传输至天线端，进而实现发射信号的发射。这样减小了发射输出端插损，避免了功率回退现象。

在接收模式下，PA的Vd按传统模式切断。关断Vg2使得PA次末级管芯Q1形成高阻，调整Vg1的大小，使得PA末级管芯Q2处于完全导通状态，关断开关管芯栅极电压Vs，开关管芯Q4截止。此时，接收信号自天线端进入后，由于在接收时的Line1、PA末级输出匹配端以及PA末级管芯三者在A点处形成高阻结构，该支路并不直接参与接收支路的匹配，接收信号将不会进入发射支路，而是基本都从接收支路进入LNA处进行信号放大，实现接收信号的接收。

以上描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员应当了解，通过参考本发明的设计原理做出的各种等同形式的修改和替换，例如发射多通道的切换设计或者应用其他种类的管芯(如N沟道增强型场效应晶体管等)来做开关设计，均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种用于射频收发切换的单刀双掷开关，其特征在于，包括第一微带线、第二微带线、开关管芯，其中，所述第一微带线一端与天线端连接，另一端与PA输出匹配端连接；所述第二微带线一端与天线端连接，另一端同时与LNA输入匹配端和所述开关管芯的漏极连接；所述开关管芯的源极接地，漏极与源极之间并接有电感或第三微带线，栅极为控制端；所述第二微带线长度为四分之一波长；所述开关管芯的DS端口之间的寄生电容Cds与所述电感的并联结构在中心工作频点并联谐振；

所述PA包括次末级管芯Q1和末级管芯Q2，Q1的栅极为发射输入端，源极接地，漏极连接Q2的栅极，Q2的源极接地，漏极连接PA输出匹配端；

在发射模式下，由1个或N个相同的FET管并接构成发射电路末级管芯，末级管芯的源极接地，漏极电源Vd1、Vd2开启，其栅极接收发射电路前端电路传输来的发射信号，并通过漏极将放大后的发射信号输出；

在接收模式下，PA的Vd按传统模式切断，关断次末级管芯Q1的栅极电压Vg2使得次末级管芯Q1形成高阻，调整末级管芯Q2的栅极电压Vg1的大小，使得末级管芯Q2处于完全导通状态，关断开关管芯栅极电压Vs，开关管芯截止，此时，接收信号自天线端进入后，Line1、PA输出匹配端以及PA末级管芯三者形成高阻结构。

2.根据权利要求1所述的用于射频收发切换的单刀双掷开关，其特征在于，所述开关管芯的栅极通过电阻与控制电压连接。

3.根据权利要求2所述的用于射频收发切换的单刀双掷开关，其特征在于，所述电阻的阻值在1KΩ～10KΩ之间。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于射频收发切换的单刀双掷开关，其特征在于，所述开关管芯、所述PA的管芯、所述LNA的管芯均为N沟道耗尽型FET管。