微波功率开关电路、装置及控制方法与流程

电子电路装置的制造及其应用技术1.本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种微波功率开关电路、装置及控制方法。背景技术：2.微波功率开关作为收发前端的关键部分，其插损和隔离度不仅影响着发射通道的效率，还影响着接收通道的噪声系数。反射式开关的隔离端阻抗完全失配，输入信号几乎全反射，这在某些应用中会导致其后端器件的不正常工作，甚至损坏。吸收式开关，通过在隔离端加负载，并使端口阻抗达到匹配，从而使输入信号被负载吸收。对于吸收式开关，导通端和隔离端需同时满足匹配要求，相对于反射式开关，无疑增加了电路的损耗并恶化了隔离度。3.目前，缺少一种既能降低插损，又能提高隔离度的吸收式开关电路。技术实现要素：4.本发明实施例提供了一种微波功率开关电路、装置及控制方法，以解决目前缺少一种既能降低插损，又能提高隔离度的吸收式开关电路的问题。5.第一方面，本发明实施例提供了一种微波功率开关电路，包括射频输入端口、第一匹配元件、第二匹配元件、至少一个射频输出端口和至少一个开关模块；开关模块和射频输出端口一一对应；6.开关模块包括第一开关支路；第一开关支路，第一端通过第一匹配元件与对应的射频输出端口连接，第一端还通过第二匹配元件与射频输入端口连接，第二端接地；7.第一开关支路包括第一开关管、第二开关管和吸收负载；8.在同一第一开关支路中，第一开关管与吸收负载串联连接，第二开关管与吸收负载并联连接，第一开关管和吸收负载串联连接后的第一端与第一开关支路的第一端连接，第一开关管和吸收负载串联连接后的第二端与第一开关支路的第二端连接；9.当微波功率开关电路工作时，同一开关模块中的第一开关管的开关状态和第二开关管的开关状态相反，以使该开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态或隔离状态。10.在一种可能的实现方式中，若射频输出端口的数量大于或等于2，则当微波功率开关电路工作时，其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态。11.在一种可能的实现方式中，开关模块还包括n级第二开关支路和n个第三匹配元件，第二开关支路和第三匹配元件一一对应，n≥1；12.第一级第二开关支路，第一端通过对应的第三匹配元件与第一开关支路的第一端连接，第二端接地；第n级第二开关支路，第一端通过第二匹配元件与射频输入端口连接；13.第m级第二开关支路，第一端通过对应的第三匹配元件与第m-1级第二开关支路的第一端连接，第二端接地；2≤m≤n；14.各个第二开关支路均包括第三开关管；15.第三开关管，第一端与所属的第二开关支路的第一端连接，第二端与所属的第二开关支路的第二端连接；16.当微波功率开关电路工作时，同一开关模块中的第三开关管的开关状态与第一开关管的开关状态相同。17.在一种可能的实现方式中，第三匹配元件为阻抗匹配电路。18.在一种可能的实现方式中，第一匹配元件和第二匹配元件均为阻抗匹配电路。19.在一种可能的实现方式中，微波功率开关电路还包括控制模块；20.第一开关管和第二开关管均受控于控制模块。21.第二方面，本发明实施例提供了一种微波功率开关装置，包括如第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的微波功率开关电路。22.第三方面，本发明实施例提供了一种控制方法，应用于第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述的微波功率开关电路，或应用于如第二方面所述的微波功率开关装置；23.上述控制方法包括：24.当微波功率开关电路工作时，控制其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，控制其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态。25.在一种可能的实现方式中，控制其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，控制其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态，包括：26.控制其中一个开关模块中的第一开关管处于断开状态，且控制其中一个开关模块中的第二开关管处于导通状态，以使其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态；27.控制其他开关模块中的第一开关管均处于导通状态，且控制其他开关模块中的第二开关管均处于断开状态，以使其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态。28.在一种可能的实现方式中，控制其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，控制其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态，还包括：29.控制其中一个开关模块中的第三开关管均处于断开状态，且控制其他开关模块中的第三开关管均处于导通状态。30.本发明实施例提供一种微波功率开关电路、装置及控制方法，该电路包括射频输入端口、第一匹配元件、第二匹配元件、至少一个射频输出端口和至少一个开关模块；开关模块和射频输出端口一一对应；开关模块包括第一开关支路；第一开关支路包括第一开关管、第二开关管和吸收负载；在同一第一开关支路中，第一开关管与吸收负载串联连接，第二开关管与吸收负载并联连接。本发明实施例通过吸收负载与第二开关管并联的形式，通过第二开关管切换为开启态与关闭态，使得吸收负载分别与第二开关管的导通电阻和关态电容并联，来优化第一开关支路的插损和隔离度，进而可以使微波功率开关电路的插损降低，并提高其隔离度。附图说明31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。32.图1是本发明实施例提供的一种微波功率开关电路的结构示意图；33.图2是本发明实施例提供的一种微波功率开关电路的简化等效电路示意图；34.图3是一种传统微波功率开关电路的结构示意图；35.图4是一种传统微波功率开关电路的简化等效电路示意图；36.图5是本发明实施例提供的又一种微波功率开关电路的结构示意图；37.图6是传统两级的单刀双掷吸收式开关的示意图；38.图7是本发明实施例提供的两级的单刀双掷吸收式开关的示意图；39.图8是传统两级的单刀双掷吸收式开关的仿真结果示意图；40.图9是本发明实施例提供的两级的单刀双掷吸收式开关的仿真结果示意图。具体实施方式41.为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。42.本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。43.目前，对于吸收式开关，降低其插损，提高其隔离度的实现方案如下所示：44.(1)对于fet开关电路，通过将开关管与电感或电容并联来调整开关管的谐振频率，以达到降低吸收式开关的插损、提高其隔离度的目的，电路拓扑不变。但该方案应用带宽较窄，尤其是在低频段，并联枝节体积过大无法实现。45.(2)对于pin开关电路，通常采用优化偏置部分的隔离度或者改变pin开关管的寄生参数，以达到降低吸收式开关的插损、提高其隔离度的目的。但该方案未对电路拓扑进行改进，未从电路结构层面优化性能。46.(3)使用差分放大器来提供传输通道和隔离通道，从而达到电路高隔离的方案。然而因为差分放大器管子的耐功率很低，该方案无法应用于大功率电路中。47.(4)通过增加开关级数来增加隔离度的方案。增加开关级数是优化隔离度最直接的方案，但每增加一级开关，不仅会使电路面积增加，而且会引入一定的插损。48.针对上述问题，本发明实施例提出了一种微波功率开关电路，以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：49.图1为本发明实施例提供的一种微波功率开关电路的结构示意图。参照图1，该微波功率开关电路包括射频输入端口com、第一匹配元件、第二匹配元件、至少一个射频输出端口和至少一个开关模块；开关模块和射频输出端口一一对应；50.开关模块包括第一开关支路；第一开关支路，第一端通过第一匹配元件与对应的射频输出端口连接，第一端还通过第二匹配元件与射频输入端口连接，第二端接地；51.第一开关支路包括第一开关管、第二开关管和吸收负载；52.在同一第一开关支路中，第一开关管与吸收负载串联连接，第二开关管与吸收负载并联连接，第一开关管和吸收负载串联连接后的第一端与第一开关支路的第一端连接，第一开关管和吸收负载串联连接后的第二端与第一开关支路的第二端连接；53.当微波功率开关电路工作时，同一开关模块中的第一开关管的开关状态和第二开关管的开关状态相反，以使该开关模块对应的射频输出端口与射频输出输入之间处于导通状态或隔离状态。54.需要说明的是，图1示出了包括两个射频输出端口和两个开关模块的微波功率开关电路。其中，rf1和rf2均为射频输出端口，c和d均为第一开关支路，sw1和sw2均为第一开关管，sw3和sw4均为第二开关管，r1和r2均为吸收负载，p1和p2均为第一匹配元件，p3和p4均为第二匹配元件。当图1所示的微波功率开关电路工作时，sw1和sw3的开关状态相反；sw2和sw4的开关状态相反；sw1和sw4的开关状态相同，两者均由控制信号vg1控制，同开同关；sw2和sw3的开关状态相同，两者均由控制信号vg2控制，同开同关。第一匹配元件和第二匹配元件可以根据实际情况设计对应的阻抗匹配电路，在此不做具体限制。55.其中，第一开关管与吸收负载串联连接，第二开关管与吸收负载并联连接，可以为第一开关管通过其源极或漏极与吸收负载串联连接，第二开关管通过其源极和漏极与吸收负载并联连接。吸收负载可以为吸收负载电阻。56.本发明实施例提供的微波功率开关电路是吸收式开关电路。57.对于任意一个第一开关支路，若该第一开关支路的第一开关管处于断开状态(即关闭态)，且该第一开关支路的第二开关管处于导通状态(即开启态)，则该第一开关支路所在的开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态；若该第一开关支路的第一开关管处于导通状态，且该第一开关支路的第二开关管处于断开状态，则该第一开关支路所在的开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于隔离状态。58.在本实施例中，开关模块和射频输出端口的数量可以根据实际需求设置。当两者的数量均为1时，微波功率开关电路为单刀单掷开关电路；当两者的数量均为2时，微波功率开关电路为单刀双掷开关电路；当两者的数量均大于2时，微波功率开关电路为单刀多掷开关电路。59.需要说明的是，本发明通过将第二开关管与吸收负载并联连接，来降低插损，提高隔离度的思想不仅仅可以用于单刀单掷开关、单刀双掷开关和单刀多掷开关，还可以用于任何其它可适用的开关，例如，双刀多掷开关等等。60.图2为本发明实施例提供的微波功率开关电路的简化等效电路示意图，图1和图2均为单刀双掷开关电路的示意图。参见图1和图2，rf1和rf2均为射频输出端口，com为射频输入端口，以rf1-com路导通、rf2-com路隔离为例，此时，第一开关支路c为高阻态，第一开关管sw1断开，第二开关管sw3导通，吸收负载r1被短路；同时，第一开关支路d为低阻态，第一开关管sw2导通，第二开关管sw4断开，吸收负载r2导通。对该电路的具体分析如下：61.并联结构插入损耗(il)公式为：[0062][0063]其中，y0＝1/z0，z0为特性阻抗，gh和bh分别为并联开关支路(即第一开关支路)高阻态下导纳yh的实部和虚部，可知il与gh和bh呈正相关。[0064]同理，并联结构隔离度(iso)公式为：[0065][0066]其中，y0＝1/z0，z0为特性阻抗，gl和bl分别为并联开关支路低阻态下导纳yl的实部和虚部，可知iso与gl和bl呈正相关。[0067]图3为传统微波功率开关电路的结构示意图，也可以认为是传统吸收式开关电路的结构示意图。图4是图3所示的传统微波功率开关电路的简化等效电路示意图。传统微波功率开关电路并未在吸收负载处并联开关。[0068]参见图3和图4，当rf1-com路导通、rf2-com路隔离时，计算a支路高阻态的导纳[0069][0070]对应和分别表示为：[0071][0072][0073]参见图1和图2，第一开关支路c为高阻态时，r1与ron3并联，可得c支路高阻态的导纳[0074][0075]对应和分别表示为：[0076][0077][0078]与图3和图4中的a支路相比，图1和图2中的第一开关支路c中的r1与ron3并联(r1为50ω左右、ron3为2ω左右)，相当于和中的r1减小。以和为函数，r1在区间，均单调递增。因coff1一般为100ff级别，所以在频率小于30ghz范围内，结合公式(1-1)可知，高阻态下，第一开关支路c的插损总是小于a支路，即本技术提供的微波功率开关电路的插损减小。[0079]根据图3和图4，计算b支路低阻态下的导纳[0080][0081][0082][0083]根据图1和图2，计算第一开关支路d低阻态下的导纳[0084][0085]对应和分别表示为：[0086][0087][0088]对比低阻态支路b和d，b支路相当于coff4＝0。若coff4≠0，且结合公式(1-2)可知，低阻态下，d支路的隔离度总是大于b支路，即本技术提供的微波功率开关电路的隔离度增大。[0089]结合以上电路理论分析可知，本发明实施例提供的微波功率开关电路，在频率小于30ghz范围内，通过优化开关并联支路的插损和隔离度，进而使得整体电路的插损和隔离度得到优化，相对于传统吸收式开关电路，具有巨大优势。[0090]本发明实施例提供的微波功率开关电路包括射频输入端口、第一匹配元件、第二匹配元件、至少一个射频输出端口和至少一个开关模块；开关模块和射频输出端口一一对应；开关模块包括第一开关支路；第一开关支路包括第一开关管、第二开关管和吸收负载；在同一第一开关支路中，第一开关管与吸收负载串联连接，第二开关管与吸收负载并联连接。本发明实施例通过吸收负载与第二开关管并联的形式，通过第二开关管切换为开启态与关闭态，使得吸收负载分别与第二开关管的导通电阻和关态电容并联，来优化第一开关支路的插损和隔离度，进而可以使微波功率开关电路的插损降低，并提高其隔离度。[0091]在一些实施例中，若射频输出端口的数量大于或等于2，则当微波功率开关电路工作时，其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态。[0092]在本实施例中，当射频输出端口的数量大于或等于2时，即开关模块的数量大于或等于2时，若微波功率开关电路工作，则该电路中的其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态；。其中，其他开关模块为除了对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态的开关模块外的开关模块。[0093]在一种可能的实现方式中，若射频输出端口的数量为1，则当微波功率开关电路工作时，该电路的射频输入端口与射频输出端口之间处于导通状态或隔离状态。[0094]在一种可能的实现方式中，若射频输出端口的数量大于或等于2，则当微波功率开关电路工作时，其中至少一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态。[0095]在一些实施例中，参见图5，开关模块还包括n级第二开关支路和n个第三匹配元件，第二开关支路和第三匹配元件一一对应，n≥1；[0096]第一级第二开关支路，第一端通过对应的第三匹配元件与第一开关支路的第一端连接，第二端接地；第n级第二开关支路，第一端通过第二匹配元件与射频输入端口连接；[0097]第m级第二开关支路，第一端通过对应的第三匹配元件与第m-1级第二开关支路的第一端连接，第二端接地；2≤m≤n；[0098]各个第二开关支路均包括第三开关管；[0099]第三开关管，第一端与所属的第二开关支路的第一端连接，第二端与所属的第二开关支路的第二端连接；[0100]当微波功率开关电路工作时，同一开关模块中的第三开关管的开关状态与第一开关管的开关状态相同。[0101]其中，第三开关管的第一端和第二端可以分别为第三开关管的源极和漏极。[0102]参见图5，sw11、sw12、sw21和sw22均为第三开关管，各个第三开关管所在的支路为均为第二开关支路。p5、p6、p7和p8均为第三匹配元件。p5为sw11所在第二开关支路对应的第三匹配元件，p6为sw21所在第二开关支路对应的第三匹配元件，p7为sw12所在第二开关支路对应的第三匹配元件，p8为sw22所在第二开关支路对应的第三匹配元件。[0103]在本实施例中，n的数值可以根据实际需求设置，在此不做具体限制。第三匹配元件可以根据实际需求设计阻抗匹配电路，在此不做具体限制。[0104]在同一开关模块中，各个第三开关管的开关状态与第一开关管的开关状态保持一致。[0105]在一些实施例中，第三匹配元件为阻抗匹配电路。[0106]在一些实施例中，第一匹配元件和第二匹配元件均为阻抗匹配电路。[0107]在本实施例中，可以根据实际需求设计第一匹配元件、第二匹配元件和各个第三匹配元件分别对应的阻抗匹配电路。第一匹配元件、第二匹配元件和第三匹配元件对应的阻抗匹配电路可以是不同的，不同的第三匹配元件对应的阻抗匹配电路也可以是不同的。阻抗匹配电路可以包括电感、电容和微带线等元件中的至少一种。[0108]在一些实施例中，微波功率开关电路还包括控制模块；[0109]第一开关管和第二开关管均受控于控制模块。[0110]控制模块与第一开关管的栅极和第二开关管的栅极均连接，用于对第一开关管和第二开关管的开关状态进行控制。[0111]在一种可能的实现方式中，第三开关管均受控于控制模块。控制模块与第三开关管的栅极连接，用于对第三开关管的开关状态进行控制。[0112]本实施例中的开关管的类型不做具体限制，任何可适用的开关管均可。[0113]在一个具体的应用场景中，以8～10ghz两级的gan单刀双掷吸收式100w功率开关为例，传统两级的单刀双掷吸收式开关的原理图如图6所示，本发明提供的两级的单刀双掷吸收式开关的原理图如图7所示。两种电路的开关管sw1、sw2、sw11、sw21采用相同尺寸，sw3、sw4采用合适尺寸，sw3与吸收负载r1并联，sw4与吸收负载r2并联，sw1、sw11、sw4的控制逻辑一致，sw2、sw21、sw3的控制逻辑一致。[0114]当rf1-com路导通、rf2-com路隔离时，传统两级的单刀双掷吸收式开关(如图6)，sw1、sw11关闭，同时，sw2、sw22开启，最佳匹配下得到仿真结果如图8所示(插入损耗为0.70db-0.75db，隔离度为27db-29db)；本发明提供的两级的单刀双掷吸收式开关(如图7)，sw1、sw11、sw4关闭，同时，sw2、sw21、sw3开启，最佳匹配下得到仿真结果如图9所示(插入损耗在0.55db-0.60db，隔离度为28db-30db)。对比图8和图9可知，本发明提供的吸收式开关相对于传统吸收式开关，导通路驻波差距不大，隔离路驻波得到一定优化，插损降低0.15db，隔离度增大1db。[0115]由以上对比可知，本发明实施例提供的吸收式开关通过将吸收负载与开关相并联的结构，使得整体电路的插损和隔离度得到优化。吸收式开关的插损更低、隔离度更高，在实际工程应用中具有重要意义。[0116]需要说明的是，本技术附图中的电路均是以单刀双掷开关为例所画的示意图，在实际应用中，射频输出端口和开关模块的数量可以根据实际需求设置，在此不做具体限制。[0117]对应于上述微波功率开关电路，本发明实施例还提供了一种微波功率开关装置，包括如上任一实施例所述的微波功率开关电路，具有与微波功率开关电路同样的有益效果。[0118]对应于上述微波功率开关电路或微波功率开关装置，本发明实施例提供了一种控制方法，应用于如上任一实施例所述的微波功率开关电路，或应用于如如上任一实施例所述的微波功率开关装置；[0119]上述控制方法包括：[0120]当微波功率开关电路工作时，控制其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，控制其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态。[0121]在一些实施例中，控制其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，控制其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态，包括：[0122]控制其中一个开关模块中的第一开关管处于断开状态，且控制该其中一个开关模块中的第二开关管处于导通状态，以使该其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态；[0123]控制其他开关模块中的第一开关管均处于导通状态，且控制该其他开关模块中的第二开关管均处于断开状态，以使该其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态。[0124]在一些实施例中，控制其中一个开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间处于导通状态，控制其他开关模块对应的射频输出端口与射频输入端口之间均处于隔离状态，还包括：[0125]控制该其中一个开关模块中的第三开关管均处于断开状态，且控制该其他开关模块中的第三开关管均处于导通状态。[0126]其中，对控制方法的详细描述可以参照前述微波功率开关电路的具体说明，在此不再赘述。[0127]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。









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