滤波集成单刀双掷开关及微带线滤波集成单刀双掷开关

摘要

本发明涉及一种滤波集成单刀双掷开关及微带线滤波集成单刀双掷开关，通过四个耦合电容连接一个不加载开关电路的共用级并联LC谐振电路和两组加载开关电路的中间级并联LC谐振电路与末级并联LC谐振电路构成两条信号流通路径；在绝对值相同极性相反的直流偏置电压控制下，一条信号流通路径呈低损耗、高选择性带通滤波特性，另一条信号流通路径在较宽的频率范围内呈高抑制度阻带特性，从而形成滤波集成单刀双掷开关功能。本发明具有以下优点：融合开关与滤波器两种元器件功能，电路简单且尺寸紧凑，导通状态具有陡峭的宽带带通滤波特性，截止状态具有高抑制度全阻特性，端口间具有高隔离度，对谐波在较宽频率范围内有较高抑制功能。

说明书

技术领域

本发明属于开关和滤波器技术，涉及一种滤波集成单刀双掷开关及微带线滤波集成单刀双掷开关。

背景技术

开关是时分复用、开关波束形成阵列以及多输入输出等系统射频前端的关键部件之一，用于实现收发通道共用一副天线，减小射频前端的体积和冗余。开关亦是数控移相器、数控衰减器等的关键组成部分。传统的开关设计主要关注于工作频率与带宽、插入损耗、隔离度、端口阻抗匹配、功率容量、开关速度、开关寿命以及电路尺寸等问题的解决，常用的实现方式主要包括机械式开关、铁氧体开关、固态开关p-i-n二极管、场效应管等以及射频微机电系统开关等。其中，固态开关具有可行性高、使用寿命长、转换时间快、易于集成、中等功率容量等优点而应用最为广泛。虽然传统开关可有效解决上述需求，但工作频带陡峭度较差、不能提供足够的带外抑制。因此，开关通常需要与滤波器进行级联来选择通过所需信号、抑制带外干扰与噪声，进而提高系统的信噪比。现在大多数设计方法都是将开关与滤波器分开独立设计，然后用50Ω特性阻抗线进行级联形成开关和滤波功能。这种设计方法不仅使得电路面积增大、信号传输失配损耗增加，也不利于系统成本的节约。事实上，工业界和学术界已经开始研究将工作频带相同的器件进行协同或者融合设计。因此，借助于这种设计思想，研究将开关与滤波器进行融合设计形成集成滤波功能的开关可有效解决上述问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种滤波集成单刀双掷开关及微带线滤波集成单刀双掷开关。

技术方案

一种滤波集成单刀双掷开关，其特征在于包括三个谐振电感L-L_t、三个谐振电感L_t、二个谐振电感L、二个谐振电容C、二个谐振电容C_m、一个谐振电容C_p、四个耦合电容C_e、四个隔直电容C_b、四个扼流电阻R_SW、四个半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22、两个直流偏置电压V_SW1、V_SW2；所述的谐振电感L-L_t和谐振电感L_t具有串联关系；四个耦合电容C_e形成一个串联电路，中心节点通过由一个谐振电容C_p与一个谐振电感L-L_t、一个谐振电感L_t构成的共用级并联LC谐振电路接地，其中谐振电感L-L_t与谐振电感L_t中间的节点构成共用第一输入输出端口1；串联电路的一端通过由一个谐振电容C和一个谐振电感L-L_t、一个谐振电感L_t构成的末级并联LC谐振器接地和半导体二极管D_SW12负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，另一端通过由一个谐振电容C和一个谐振电感L-L_t、一个谐振电感L_t构成的末级并联LC谐振器接地和半导体二极管D_SW22负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，其中半导体二极管D_SW12正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置V_SW1、半导体二极管D_SW22正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置V_SW2；所述的与半导体二极管D_SW12相邻的谐振电感L-L_t与谐振电感L_t中间的节点构成第二输入输出端口2；所述的与半导体二极管D_SW22相邻的谐振电感L-L_t与谐振电感L_t中间的节点构成第三输入输出端口3；与半导体二极管D_SW12相邻的两个耦合电容C_e之间的节点通过由一个谐振电容C_m、一个谐振电感L构成的中间级并联LC谐振电路接地和半导体二极管D_SW11负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，其中半导体二极管D_SW11正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置电压V_SW1；与半导体二极管D_SW22相邻的两个耦合电容C_e之间的节点通过由一个谐振电容C_m、一个谐振电感L构成的中间级并联LC谐振电路接地和半导体二极管D_SW21负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，其中半导体二极管D_SW21正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置V_SW2；所述的直流偏置电压V_SW1与V_SW2为绝对值相等且极性相反的电压；当V_SW1为负、V_SW2为正时，半导体二极管D_SW11、D_SW12截止，半导体二极管D_SW21、D_SW22导通，第二端口2导通、第三端口3截止，信号在第一端口1和第二端口2之间流入或流出；当V_SW1为正、V_SW2为负时，半导体二极管D_SW11、D_SW12导通，半导体二极管D_SW21、D_SW22截止，第二端口2截止、第三端口3导通，信号在第一端口1和第三端口3之间流入或流出。

一种采用微带线实现准集总电容与电感元件实现权利要求1所述滤波集成单刀双掷开关的结构，其特征在于包括金属腔体1和安装在金属腔体1上的介质基板3、三个SMA连接头2、四个半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22、四个扼流电阻R_SW、四个隔直电容C_b、刻蚀在介质基板上表面的电路层和介质基板下表面的接地金属层；所述的刻蚀在介质基板上表面的电路层包括三个50Ω输入输出馈线4、四个交指线5、五个弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3、五个扇形枝节线7-1-1、7-1-2、7-2-1、7-2-2、7-3和接地过孔8；三个SMA连接头2设于介质基板3的三个边；四个交指线5为四个耦合电容C_e，形成一个串联电路；中间位置连接扇形枝节线7-3为谐振电容C_p，弯折接地高阻线6-3为谐振电感L-L_t和谐振电感L_t，弯折接地高阻线6-3折线中部A1点通过一个50Ω输入输出馈线连接一个SMA连接头为端口1，其中A1点到接地过孔8之间的弯折接地高阻线为谐振电感L_t；形成串联电路的一端连接扇形枝节线7-1-1和弯折接地高阻线6-1-1，扇形枝节线7-1-1为谐振电容C，通过半导体二极管D_SW12负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，其中半导体二极管D_SW12正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置V_SW1；弯折接地高阻线6-1-1为谐振电感L-L_t和谐振电感L_t，中间位置A2点通过一个50Ω输入输出馈线连接一个SMA连接头为端口2，其中A2点到接地过孔之间的弯折接地高阻线为谐振电感L_t；串联电路的另一端连接扇形枝节线7-1-2和弯折接地高阻线6-1-2，扇形枝节线7-1-2为谐振电容C，通过半导体二极管D_SW22负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，其中半导体二极管D_SW22正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置V_SW2；弯折高阻线6-1-2为谐振电感L-L_t和谐振电感L_t，中间位置A3点通过一个50Ω输入输出馈线连接一个SMA连接头为端口3，其中A3点到接地过孔之间的弯折接地高阻线为谐振电感L_t；与半导体二极管D_SW12相邻的两个交指线中间位置连接扇形枝节线7-2-1和弯折接地高阻线6-2-1，并通过半导体半导体二极管D_SW11负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，半导体二极管D_SW11正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置V_SW1；其中：扇形枝节线7-2-1为谐振电容C_m，弯折接地高阻线6-2-1为谐振电感L；与半导体二极管D_SW22相邻的两个交指线5中间位置连接扇形枝节线7-2-2和弯折接地高阻线6-2-2并通过半导体半导体二极管D_SW21负极性端连接一个隔直电容C_b后接地，半导体二极管D_SW21正极性端与隔直电容C_b之间的节点通过一个扼流电阻R_SW连接直流偏置V_SW2；其中：扇形枝节线7-2-2为谐振电容C_m，弯折接地高阻线6-2-2为谐振电感L；所述的直流偏置电压V_SW1与V_SW2为绝对值相等且极性相反的电压；当V_SW1为负、V_SW2为正时，半导体二极管D_SW11、D_SW12截止，半导体二极管D_SW21、D_SW22导通，端口2导通、端口3截止，信号在端口1和端口2之间流入或流出；当V_SW1为正、V_SW2为负时，半导体二极管D_SW11、D_SW12导通，半导体二极管D_SW21、D_SW22截止，端口2截止、端口3导通，信号在端口1和端口3之间流入或流出。

所述的五个弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3等宽且等长。

有益效果

本发明提出的一种滤波集成单刀双掷开关及微带线滤波集成单刀双掷开关，采用半导体二极管、隔直电容、扼流电阻和直流偏置电压构成开关电路，然后通过四个耦合电容连接一个不加载开关电路的共用级并联LC谐振电路和两组加载开关电路的中间级并联LC谐振电路与末级并联LC谐振电路构成两条信号流通路径；在绝对值相同极性相反的直流偏置电压控制下，一条信号流通路径呈低损耗、高选择性带通滤波特性，另一条信号流通路径在较宽的频率范围内呈高抑制度阻带特性，从而形成滤波集成单刀双掷开关功能。这种滤波集成单刀双掷开关具有灵活的电路实现形式，一种使用微带线实现准集总电容和电感来实现所述的滤波集成单刀双掷开关采用弯折接地高阻线实现谐振电感，采用扇形枝节线实现谐振电容，采用交指线实现耦合电容。本发明具有以下优点：融合开关与滤波器两种元器件功能，电路简单且尺寸紧凑，导通状态具有陡峭的宽带带通滤波特性，截止状态具有高抑制度全阻特性，端口间具有高隔离度，对谐波在较宽频率范围内有较高抑制功能。本发明可减小阻抗失配损耗，加工精度要求低，实现简单，造价便宜，生产方便。

本发明与现有技术相比，其优点与有益效果是：

1、融合开关和滤波器两种元器件的功能，从而减小阻抗失配损耗；

2、滤波集成单刀双掷开关导通时具有陡峭的带通滤波特性，且通带相对带宽可大于30％；

3、滤波集成单刀双掷开关截止时具有高抑制度和高隔离度特性；

4、滤波集成单刀双掷开关在较宽的频率范围内对谐波有高抑制度功能；

5、整个滤波集成单刀双掷开关的电路复杂度低、实现成本小，可根据工作频段采用灵活的工艺来实现。

附图说明

图1是一种滤波集成单刀双掷开关集总元件电路原理图；

图2是使用微带线实现准集总电容和电感元件来实现所述滤波集成单刀双掷开关的结构图；

图3是一种理想三阶带通滤波器电路原理图；

图4是实施例1的典型频率响应。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参照附图3，考虑到本发明涉及的滤波集成单刀双掷开关导通状态时等效为一个三阶带通滤波器，本发明的具体实施首先从一个理想三阶带通滤波器开始。因为导纳倒置器的负电容特性可被相邻谐振器中电容所吸收，附图3中谐振电感L_i-L_it、谐振电感L_it、谐振电容C_i和吸收电容C_ie构成末级并联LC谐振器，谐振电感L_i-L_it、谐振电感L_it、谐振电容C_m和吸收电容C_ie构成中间级并联LC谐振器。末级并联LC谐振器的谐振频率f_es和中间级并联LC谐振器的谐振频率f_ms分别为：

耦合电容C_ie形成的导纳倒置器所对应的耦合系数M可由下式确定：

其中f₀为三阶带通滤波器的中心频率。50Ω馈线连接在谐振电感L_i-L_it与谐振电感L_it之间用于输入输出，谐振电感L_it的大小决定了末级并联LC谐振器外部品质因数Q_e的大小，且Q_e可由下式计算：

其中

对于给定的滤波集成单刀双掷开关导通时带通滤波特性的中心频率、波纹带宽和回波损耗，根据耦合谐振器滤波器设计理论可计算出所需的耦合系数M和外部品质因数Q_e。若给定了谐振电感L_i初始值大小，可由式1、式2计算出相应的C_i、C_im和C_ie；可由式3计算出相应的L_it。然后，令L＝L_i、L_t＝L_it、C＝C_i、C_m＝C_im以及C_p＝C_i作为滤波集成单刀双掷开关的初始值，将两个理想三阶带通滤波器连接构成附图1形式。此时，谐振电感L-L_t、谐振电感L_t与谐振电容C_p构成一个共用级并联LC谐振器，端口1连接在谐振电感L-L_t、谐振电感L_t之间构成共用输入输出端口；谐振电感L与谐振电容C_m构成两个中间级并联LC谐振器；谐振电感L-L_t、谐振电感L_t与谐振电容C构成两个末级并联LC谐振器，端口2、端口3连接在谐振电感L-L_t与谐振电感L_t构成共用输入输出端口。半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22、隔直电容C_b、扼流电阻R_SW和直流偏置电压V_SW1和V_SW2共同构成四个开关电路，并分别加载在两个中间级并联LC谐振器和两个末级并联LC谐振器上，用于控制它们的工作频率。隔直电容C_b起隔直流、通交流作用；大阻值扼流电阻R_SW用于扼制交流，为半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22提供直流偏置电流。当直流偏置电压V_SW1和V_SW2接正电时，半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22导通，其可等效为一小值导通电阻R_on，直流偏置电流越大则导通电阻R_on越小；当直流偏置电压V_SW1和V_SW2接负电时，半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22截止，其可等效为小值反偏电容C_off。耦合电容C_e用作导纳倒置器连接共用级并联LC谐振器和左右两边加载开关电路的中间级并联LC谐振器和末级并联LC谐振器构成两个信号流通路径。考虑到半导体二极管的寄生参数效应以及截止路径残余电纳呈容性，可对附图1中的谐振电容C、谐振电容C_m和谐振电容C_p的计算公式修正如下：

C≈C_i-C_off4a

C_m≈C_im-C_off4b

C_p≈C_i-C_e4b

当V_SW1接负电压、V_SW2接正电压时，半导体二极管D_SW11和D_SW12截止，半导体二极管D_SW21和D_SW22导通，端口3路径中的加载开关元件中间级并联LC谐振器、加载开关元件末级并联LC谐振器与共用级并联LC谐振器失谐，呈具有高抑制度的全阻特性，端口3截止；端口2路径中的加载开关元件中间级并联LC谐振器、加载开关元件末级并联LC谐振器与共用级并联LC谐振器构成带通滤波特性，信号可在端口1和端口2之间流入或流出。当V_SW1接正电压、V_SW2接负电压时，半导体二极管D_SW11和D_SW12导通，半导体二极管D_SW21和D_SW22截止，端口2路径中的加载开关元件中间级并联LC谐振器、加载开关元件末级并联LC谐振器与共用级并联LC谐振器失谐，呈具有高抑制度的全阻特性，端口2截止；端口3路径中的加载开关元件中间级并联LC谐振器、加载开关元件末级并联LC谐振器与共用级并联LC谐振器构成带通滤波特性，信号可在端口1和端口3之间流入或流出。

附图1中滤波集成单刀双掷开关，它包括一个由一个谐振电感L-L_t、一个谐振电感L_t和一个谐振电容C_p构成的共用级并联LC谐振电路、二个由一个谐振电感L和谐振电容C_m构成的中间级并联LC谐振电路、二个一个谐振电感L-L_t、一个谐振电感L_t和一个谐振电容C构成的末级并联LC谐振电路，四个耦合电容C_e、由四个半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22、四个扼流电阻R_SW、四个隔直电容C_b和二个直流偏置电压V_SW1和V_SW2构成的四个开关电路。三个50Ω馈线连接在谐振电感L-L_t和谐振电感L_t之间构成输入输出端口1、端口2和端口3。四个开关电路加载在两个中间级并联LC谐振电路和两个末级并联LC谐振电路上，用于控制其工作频率。一个不加载开关电路的共用级并联LC谐振电路通过耦合电容C_e连接两组不同直流偏置电压的加载开关电路的中间级并联LC谐振电路和末级并联LC谐振电路构成两条信号流通路径；在绝对值相同极性且相反的直流偏置电压控制下，一条信号流通路径呈低损耗、高选择性带通滤波特性，另一条信号流通路径在较宽的频率范围内呈高抑制度阻带特性，从而形成滤波集成单刀双掷开关功能。导通时的带通滤波特性可用经典的耦合谐振器滤波器设计理论综合设计，且带通滤波特性的阶数可通过减少和增加加载开关电路的中间级并联LC谐振电路的控制。信号流通路径数量可通过减少或增加通过耦合电容C_e连接的仅一组或者多组加载开关电路的中间级并联LC谐振电路和末级并联LC谐振电路来实现，从而将本发明提出的结构扩展成滤波集成单刀单掷开关或滤波集成单刀多掷开关。这种滤波集成单刀双掷开关具有灵活的电路实现形式，如分立集总元件、准集总元件和集总电路等实现方式。

附图1中的谐振电感L、谐振电容C、谐振电容C_m以及谐振电容C_p可采用分立集总元件、准集总元件或者集成电路工艺等多种方式实现。半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22应选用低导通电阻R_on、小反偏电容C_off的商业产品或有源集成电路工艺中的高性能p-i-n管、场效应管或双极型晶体管来实现。扼流电阻R_SW、隔直电容C_b在满足所需电学性能条件下可采用商业分立元件产品或集成电路有关工艺实现。附图2给出一种使用微带线实现准集总电容与电感元件来实现附图1所示的滤波集成单刀双掷开关的结构图。SMA连接头2上的探针与50Ω馈线4直接接触。信号在介质基板上表面的电路层中进行准TEM模传输。三个50Ω输入输出馈线4与三个弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-3的三个连接点为A1、A2和A3，连接点A1、A2和A3到接地过孔8之间的高阻线用于实现附图1中的三个谐振电感L_t；弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-3线宽越窄、距离越长则谐振电感L_t越大。四个交指线5用于实现附图1中的四个耦合电容C_e，交指线5的长度越长、间距越窄、指数越多则耦合电容C_e越大；实际设计时长度应尽量窄来减小寄生电感。两个弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2用于实现附图1中的谐振电感L-L_t和谐振电感L_t，两个弯折接地高阻线6-2-1、6-2-2用于实现附图1中的谐振电感L，一个弯折接地高阻线6-3用于实现附图1中的谐振电感L-L_t和谐振电感L_t；五个弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3弯折形状可不同但设置为等线宽、等长度，弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3的线宽越窄、长度越长则其等效电感量越大；实际使用时其线宽应尽量窄来减小寄生电容。两个扇形枝节线7-1-1、7-1-2用于实现附图1中的谐振电容C，两个扇形枝节线7-2-1、7-2-2用于实现附图1中的谐振电容C_m，一个扇形枝节线7-3用于实现附图1中的谐振电容C_p；扇形枝节线7-1-1、7-1-2、7-2-1、7-2-2、7-3的半径越长、弧度越大则等效电容量越大，实际使用时其半径应尽量小来减小寄生谐振。交指线5、弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3和扇形枝节线7-1-1、7-1-2、7-2-1、7-2-2、7-3可由所需大小根据经验公式首先计算出初始值，然后在全波电磁仿真软件中优化得到其最终尺寸。

以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法制作出一种滤波集成单刀双掷开关。本发明融合开关和滤波器两种元器件功能，可减小阻抗失配损耗，加工精度要求低，实现简单，造价便宜，生产方便，可方便用于时分复用、开关波束形成阵列以及多输入输出等系统射频前端。

实施例1

对附图2所示的使用微带线实现准集总电容和电感元件来实现所述滤波集成单刀收发开关进行具体实施。采用厚度0.508mm、相对介电常数2.2的Arlon Diclad 880介质基板，带通滤波响应的中心频率、波纹带宽和回波损耗分别选择为1000MHz、195MHz和20dB。根据耦合谐振器滤波器设计理论可计算出外部品质因数为4.3767、耦合系数为0.2009，若附图1中的谐振电感L初始值设为11nH，则计算出相应的L_t＝4.79nH、C＝1.93pF、C_m＝1.3pF、C_p＝1.6pF以及C_e＝0.471pF。50Ω馈线4的宽度固定为1.55mm，接地过孔8的直径固定为0.5mm。弯折接地高阻线6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3的线宽选取为0.2mm，长度最终优化为19.1mm。A1、A2、A3距离接地过孔8的距离最终优化为9.08mm处。扇形枝节线7-1-1、7-1-2、7-2-1、7-2-2、7-3的弧度选取为90°，扇形枝节线7-1-1、7-1-2的半径最终优化为5.8mm，扇形枝节线7-2-1、7-2-2的半径最终优化为2.8mm，扇形枝节线7-3的半径最终优化为3.7mm。交指线5的线宽选取为0.2mm、指数选取为12根，优化得其最终间距和长度分别为0.2mm和3.0mm。半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22采用Skyworks公司商业产品SMP1345-079LF，采用来自Murata公司的100pF集总电容来实现隔直电容C_b，扼流电阻R_SW选择为5kΩ。包括馈电电路但不包括50Ω馈线4的整个电路层的尺寸仅为0.12λ_g×0.15λ_g，这里λ_g表示在1000MHz频率处50Ω馈线4在所用介质基板上的导波波长。以端口2导通、端口3截止为例，图4给出了本发明结构所设计的微波滤波集成单刀双掷开关的典型频率响应，反之亦然。当V_SW1接-10V、V_SW2接+10V时，D_SW11和D_SW12截止，D_SW21和D_SW22导通，端口2导通，端口3截止。此时，微波滤波集成单刀双掷开关总功耗为0.2W。导通状态的端口2呈带通滤波特性|S₂₁|，相应的3dB相对带宽为30.22％，回波损耗|S₂₂|优于20dB，在1370MHz到7010MHz的阻带范围内抑制度优于20dB。公共端口回波损|S₁₁|耗优于20dB。截止状态的端口3呈全阻特性|S₃₁|，在1000MHz附近抑制度优于52.8dB，在直流到8000MHz的频率范围内抑制度优于14dB。在2500MHz处有一个显著恶化抑制度的寄生频率响应，这主要归咎于所用半导体二极管9的非理想特性所致，采用更高性能的半导体二极管D_SW11、D_SW12、D_SW21和D_SW22可改善这种结果。