一种基于二极管的宽频射频开关及边沿优化方法
阅读说明：本技术 一种基于二极管的宽频射频开关及边沿优化方法 (Broadband radio frequency switch based on diode and edge optimization method ) 是由 姚守权 徐俊成 蒋瑜 宋一桥 沈明 胡炳文 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于二极管的宽频射频开关,包括基于二极管的开关电路部分和偏置电路,所述偏置电路与所述开关电路部分相连,所述开关电路部分的射频输入端与第一阻交流电感的一端相连,所述第一阻交流电感的另一端接地；所述开关电路部分的射频输出端与第二阻交流电感的一端相连,所述第二阻交流电感的另一端接地。本发明还涉及一种基于二极管的宽频射频开关的边沿优化方法。本发明解决了射频开关状态切换时由于二极管管压降而造成的直流电平跳变过大问题。(The invention relates to a broadband radio frequency switch based on a diode, which comprises a switch circuit part based on the diode and a bias circuit, wherein the bias circuit is connected with the switch circuit part; the radio frequency output end of the switch circuit part is connected with one end of a second alternating current resistance inductor, and the other end of the second alternating current resistance inductor is grounded. The invention also relates to an edge optimization method of the diode-based broadband radio frequency switch. The invention solves the problem of overlarge direct current level jump caused by the voltage drop of the diode when the state of the radio frequency switch is switched.)
技术领域
本发明涉及射频开关技术领域，特别是涉及一种基于二极管的宽频射频开关及边沿优化方法。
背景技术
射频开关的作用是将多路射频信号中的一路或几路通过控制逻辑连通或断开，以实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换，以及不同时间、不同频段间的切换等。射频开关作为一个开关单元，通过不同的组合可以构成单刀单掷、单刀双掷、双刀双掷等多种形式的开关。
目前射频开关按实现方式一般可分为机械式开关与固态开关。机械式射频开关基于触点接触实现，通过电流驱动线圈产生磁场控制触点的通断。此类开关一般适用于传输功率较大、隔离度要求较高、但开关速度较慢的场景。固态射频开关一般使用晶体管或二极管实现，通过电信号改变这些器件的阻抗值实现对射频信号的通断，这使得该类射频开关可以实现非常快速的切换(比如小于100纳秒)，以应用于对开关速度要求较高的使用场景。例如，在雷达系统和磁共振系统中，发射/接收(T/R)开关作为通道切换的关键部件，其主要功能是对射频发射通道和信号接收通道进行切换。
目前在T/R开关以及主动调谐线圈的设计中广泛使用PIN二极管作为开关器件。PIN二极管在P与N半导体材料之间加入了一层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，使得其对于射频信号，相当于直流电源控制的可变电阻：当施加正偏电流时，对射频信号呈现低阻抗，且在一定范围内电流越大阻抗越小；当施加反偏电压时则呈高阻抗状态。同时其相比于用场效应管(MOSFET)或三极管(BJT)构成的射频开关，PIN二极管开关有着更低的插入损耗、更小的结间电容，以及更优秀的噪声系数，同时可以实现更快的开关速度。
随着磁共振波谱和成像系统的发展，其对发射功率、收发切换时间、接收信噪比的要求不断提高，以实现快速准确的测量。磁共振系统在工作时，先发射一个较大功率的射频信号对样品进行激励后，再对样品产生的磁共振信号进行探测。其中大功率的射频激励信号属于发射通道，对磁共振信号的探测属于接收通道。而T/R开关的作用就是根据测量的需要，在尽可能短的时间内对这两个通道进行切换。因此要求：1、T/R开关的插入损耗和噪声越小则可以保证探测到的磁共振信号在进入前置放大器时的信噪比越高。2、T/R开关的隔离度越高，则可以保证在磁共振系统的发射期间，通过磁共振线圈激励样品的大功率射频信号越少的进入接收通道，以避免接收通道中的前置放大器因输入信号幅度过大造成饱和或损坏。3、磁共振系统在对某些信号进行采集时，其切换时间越快则采集到的信号幅度越大，一般用于磁共振系统的T/R开关的切换时间约为几微秒。基于以上对T/R开关的要求，二极管尤其是PIN二极管非常适合用于射频开关的设计。相比PN结二极管，PIN二极管在正向导通时，P层空穴和N层电子两种载流子大量储存在I层中，降低了导通电阻，同时使得PIN二极管能承受大的高频电流；在反向截止时，I层空间电荷区随着电场的增加而展宽，提高了阻抗，同时使得PIN二极管能够承受更高的电压。PIN二极管开关速度跟I层厚度与载流子寿命有关，I层厚度薄、载流子寿命短的PIN二极管开关时间可缩短到1μs以内。
但是在使用二极管设计射频开关时仍存在以下问题：1、二极管在导通时需要为它提供一个正向偏置的直流通路，二极管导通后会产生一个约0.7V的正向偏置压降。同时，二极管在截止时需要为它提供一个反向偏置的电压。二极管的导通和截止特性使其在状态切换时存在电平跳变，输出端电平跳变的幅度随着二极管数量的增加而增加。当多个二极管被串联或并联在射频通路中，那么二极管状态切换时的电平跳变会被耦合到输出端，如果电平跳变过大可能会影响后级电路的正常工作。2、由于开关导通时正向偏置电流和射频信号同时流过二极管，为了能保证射频信号不会流入直流偏置电路产生衰减，偏置回路必须能够实现阻交流、通直流的特性。在窄带系统中，一般会通过谐振电路实现对特定频率射频信号的隔断。而在宽带系统中，为保证能在较宽的频段内分离射频和直流信号，一般会通过在偏置电路中串联一个较大的电感或射频扼流圈实现。当射频开关需要工作在较低的频段时，为保证对交流信号的隔离度，其阻交流电感的感值一般较大。较大的电感或扼流圈虽然能够隔离交流信号，但当射频开关在导通和断开状态切换时，由于电感中的电流无法快速改变，会在电感或射频扼流圈的两端产生一个幅度较大的开关毛刺，毛刺幅度会随着阻交流电感感值的增大而增大。其带来的问题除了会降低开关的切换速度外，还会在射频通路上产生一个持续时间较长、幅度较大的震荡过冲信号，当此震荡信号的幅度过大时，会使得后级电路饱和甚至损坏。3、二极管的开关特性要求当射频开关断开时，其用于开关功能的二极管处于反向偏置状态。然而磁共振系统所使用的射频功率一般较大，当其进入射频开关时，如果二极管的反向偏置电压不足以满足二极管的截止条件时，即射频开关输入的大功率射频信号的电压幅度足够使二极管正向导通时，射频开关会进入导通状态，使得大功率信号部分通过射频开关泄露到后级电路。
发明内容
本发明提供一种基于二极管的宽频射频开关及边沿优化方法，解决射频开关状态切换时由于二极管管压降而造成的直流电平跳变过大问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于二极管的宽频射频开关，包括基于二极管的开关电路部分和偏置电路，所述偏置电路与所述开关电路部分相连，所述开关电路部分的射频输入端与第一阻交流电感的一端相连，所述第一阻交流电感的另一端接地；所述开关电路部分的射频输出端与第二阻交流电感的一端相连，所述第二阻交流电感的另一端接地。
所述第一阻交流电感和第二阻交流电感的两端均并联有续流二极管。
所述第一阻交流电感和第二阻交流电感的两端均并联有泄能二极管。
所述开关电路部分包括偶数个二极管，所述偶数个二极管反向对称串联连接。
所述偏置电路为相互串联的电感和限流电阻。
所述二极管为PIN二极管或开关二极管。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于二极管的宽频射频开关的边沿优化方法，采用上述的基于二极管的宽频射频开关，在射频开关导通期间，在保证射频开关插入损耗满足要求的情况下减小所述偏置电路的电流，使得第一阻交流电感和第二阻交流电感上的电压趋近于零；在射频开关断开和导通期间，第一阻交流电感和第二阻交流电感通过自身电阻接地。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在输入和输出端并联单端接地电感解决射频开关状态切换时由于二极管管压降而造成的直流电平跳变过大问题。本发明在输出端对地电感后增加续流和泄能二极管解决电感中电流无法突变的问题。本发明将二极管同名端相连的对称设计，解决由于输入信号过大而造成射频开关被动导通的问题。本发明通过合理的电路设计，减小了二极管在切换时的直流电平变化，抑制了开关切换时的边沿毛刺，加强了大功率信号隔离度。同时该射频开关结构具有较宽的带宽、较低的插入损耗、以及较小的噪声系数。
附图说明
图1是本发明实施方式的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于二极管的宽频射频开关，如图1所示，包括基于二极管的开关电路部分和偏置电路，所述偏置电路与所述开关电路部分相连。
如图1所示，IN为射频输入端，OUT为射频输出端，DRV端口为偏置电路的输入端口，此端口为负电压时，开关电路部分的二极管处于正向偏置状态，开关处于导通状态。当此端口为正电压时，开关电路部分的二极管处于反向偏置状态，开关处于断开状态。D1～D6为二极管，注意本发明中二极管的数量不少于一个即可实现射频开关功能，本实施方式以6个二极管为例说明结构与原理。D7与D10为用于电感续流的二极管，D8与D9为用于电感泄能的二极管。C1与C2为串联在输入与输出端的隔直流电容。L1和L2为阻交流电感，L3为偏置电路中的电感，阻交流电感L1、阻交流电感L2和偏置电路构成偏置回路。R1为限流电阻。二极管D1～二极管D6分为两组，第一组为二极管D1～二极管D3，其方向同向；第二组为二极管D4～二极管D6，其方向同向，两组二极管反向串联且负端相连，第一组的二极管正端连接电容C1，第二组的二极管正端连接电容C2。电容C1与电容C2串联在射频通路的开关电路部分中，电容C1连接输入端，电容C2连接输出端。二极管的偏置回路中串联了阻交流电感L1、阻交流电感L2和电感L3，其中，阻交流电感L1一端连接在二极管D1的正端后，另一端接地；阻交流电感L2一端连接在二极管D6的正端后，另一端接地；电感L3一端连接在两组二极管中间，另一端连接限流电阻R1。二极管D7负端连接在二极管D1正端，正端接地；二极管D8正端连接在二极管D1正端，负端接地；二极管D9正端连接在二极管D1正端，负端接地；二极管D10负端连接在二极管D1正端，正端接地。限流电阻R1一端连接电感L3，另一端连接DRV端口。
本实施方式中二极管D1～二极管D6均可使用PIN二极管或者开关二极管，都可实现宽频射频开关的功能。开关二极管在射频频段为非线性器件，频响不够好，而且开关二极管的插入损耗与隔离度没有PIN二极管好。为保证宽频性能，使用PIN二极管最佳。
本实施方式中开关电路部分以串联6个二极管为例，二极管数量不一定为6个，使用不少于1个二极管即可实现射频开关功能。如要加大射频开关隔离度的话，只需增加二极管数量即可；反之减少二极管数量则可减小射频开关插入损耗。要注意的是，虽然使用1个二极管也可实现射频开关功能，但是无法形成二极管反向对称串联的设计，即无法有效解决大功率信号引起的二极管被动导通问题，要实现大功率信号抑制功能则最少需要2个二极管。
为解决二极管切换瞬间电平跳变问题，通过合理的设计二极管偏置回路，将阻交流电感L1与阻交流电感L2构成一端接地，一端并联到射频输入端IN与射频输出端OUT的结构。在射频开关导通期间，阻交流电感L1与阻交流电感L2为二极管偏置电流提供回路，此时流过电感电流为I0。阻交流电感L1和阻交流电感L2的自身直流电阻均为RL，那么阻交流电感L1与阻交流电感L2上的电压相同为UL1＝UL2＝I0RL。在使用恒压源驱动二极管开关时，可通过改变限流电阻R1的值调节电流。在保证射频开关插入损耗满足设计要求的情况下减小电流I0，并使用直流阻抗RL较小的电感作为第一阻交流电感和第二阻交流电感后，阻交流电感L1与阻交流电感L2上的电压UL1和UL2均趋近于0V。在射频开关断开期间，阻交流电感L1与阻交流电感L2通过自身电阻接地，电压UL1和UL2也趋近于0V。由此可见，此设计可有效减小射频开关的输入与输出端在状态切换时的电平跳变。
不难发现，本发明通过合理的偏置回路设计，将阻交流电感置于二极管偏置回路末端，使得阻交流电感单点接地，通过阻交流电感自身电阻将电压拉到接近0V，优化了二极管射频开关状态切换时电平跳变的问题。
二极管射频开关导通时需施加正向偏置，二极管正向导通，这时二极管的导通阻抗大小与偏置电流大小呈反比；截止时需施加反向偏置，二极管反向截止，这时二极管中没有电流。但是电感中的电流无法快速突变，在射频开关导通的瞬间，图1中阻交流电感L1与阻交流电感L2无法为偏置电流提供回路，这会导致射频开关开启速度变慢；在射频开关断开瞬间，阻交流电感L1与阻交流电感L2中的电流无法立马释放，但是此时二极管D1～二极管D6均处于截止状态，那么阻交流电感L1与阻交流电感L2中的电流会在射频通路上产生一个时间较长、幅度较大的震荡过冲。此过冲可能引起后续电路的饱和甚至烧毁。如果射频开关中射频信号频率较低，为保证射频信号不会通过偏置回路耦合到地，则需要感值很大的阻交流电感，这会进一步减慢射频开关的开关时间，加剧开关过冲。
本实施方式通过在阻交流电感L1旁并联续流二极管D7，在阻交流电感L2旁并联续流二极管D10，在射频开关导通瞬间代替阻交流电感为二极管的偏置电流提供回路；在阻交流电感L1旁并联泄能二极管D8，在阻交流电感L2旁并联泄能二极管D9，在射频开关断开瞬间为阻交流电感中的电流提供泄能回路。以阻交流电感L1为例，在射频开关导通的瞬间，DRV端口的电压由正转为负，二极管D1～二极管D3的正端电压大于负端电压，偏置电流本来应通过阻交流电感L1续流，但切换瞬间电流突然增加，阻交流电感L1对突变的电流表现为高阻，其阻抗大小与电流突变时间成反比。二极管D7此时可代替阻交流电感L1为二极管D1～二极管D3提供续流回路。待电流切换结束，偏置电流为直流电时，阻交流电感L1表现为低阻，二极管D1～二极管D3的偏置回路则重新通过阻交流电感L1续流。在射频开关断开的瞬间，DRV端口的电压由负转为正，二极管D1～二极管D3的正端电压小于负端电压，处于截止状态。但此时阻交流电感L1中残留有电流，二极管D8此时可为阻交流电感L1提供释放电流的回路，在加快阻交流电感L1中电流的释放的同时，减少震荡过冲耦合到射频回路中。阻交流电感L2的续流二极管D10与泄能二极管D9的工作原理与阻交流电感L1的相同，在此不做赘述。
由此可见，本发明通过在阻交流电感旁并联续流二极管与泄能二极管的方法，在二极管射频开关导通瞬间提供直流回路；断开瞬间为阻交流电感提供泄能回路，加快了二极管射频开关的切换时间，减小了开关震荡。
本实施方式中，二极管D1～二极管D6分为两组，二极管D1～二极管D3方向同向；二极管D4～二极管D6方向同向，两组二极管反向串联连接负端。当射频开关处于断开状态时，DRV端口应为正电压，如果此时射频输入端IN输入一个大功率信号，其正向电压高过DRV端口电压与三个二极管导通电压之和的话，二极管D1～二极管D3的正端电压比负端高，二极管D1～二极管D3则会导通。但是二极管D4～二极管D6依然是负端电压比正端电压高，二极管D4～二极管D6保持截止；其负向电压较高时，二极管D1～二极管D3依然保持截止。只通过在输入端并联钳位二极管无法完全保证将大功率输入信号钳住，因为二极管导通需要时间。当大功率信号频率较高时，在钳位二极管完全导通前，会有一部分大功率信号泄露到射频开关中。本实施方式将二极管分为两组，将两组二极管反向对称串联，使得大功率信号无法同时导通两组二极管，有效解决大功率信号引起的二极管被动导通问题。
需要说明的是，二极管D1～二极管D6的方向可以与本实施方式叙述的方向相反，同时DRV端口改为正电压使射频开关导通，负电压断开，也能实现同样的功能。但是正电压驱动会使得射频开关在导通的瞬间输出一个正电压过冲，本实施方式使用负电压驱动则是在射频开关导通瞬间输出负电压过冲。射频开关后级电路一般为放大器，正电压过冲会使得后级放大器饱和，负电压过冲会使得后级放大器截止。一般放大器从截止状态恢复到工作状态的时间要比从饱和状态恢复的时间要短。负电压驱动射频开关导通的方式可使得开关导通后后级放大器更快进入工作状态。
不难发现，本发明通过合理的电路设计，减小了二极管在切换时的直流电平变化，抑制了开关切换时的边沿毛刺，加强了大功率信号隔离度。同时该射频开关结构具有较宽的带宽、较低的插入损耗、以及较小的噪声系数。
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