一種低插損高隔離度的UV射頻開關網絡的製作方法

2023-11-05 11:18:08 5

本發明涉及射頻開關網絡，具體涉及一種低插損高隔離度的UV頻段射頻開關網絡，用於射頻系統重構實現射頻通路切換功能，屬於射頻開關技術領域。

背景技術：

射頻系統在需求牽引和技術推動之下，其結構已經從分離式走向綜合化、模塊化，而射頻開關網絡則是實現射頻系統信道綜合化、模塊化不可或缺的部分。射頻開關網絡廣泛使用在衛星通信系統、通信導航系統、微波測試系統中。特別在通信系統設計中，由於信號的質量與通信系統的效率成正相關，因此，在射頻系統重構中，需要低損耗、高隔離度的射頻開關網絡來實現射頻通路的切換。

目前射頻開關主要有砷化鎵開關、繼電器開關、PIN開關。砷化鎵開關隔離度指標不是很高，繼電器開關開關時間較長。此外，通常的射頻開關網絡採用平面式的蓋板設計結構，導致腔體與蓋板間的密封性不好，腔體之間信號洩漏較高，射頻開關網絡通道間的隔離度不夠。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的是提供一種低插損高隔離度的UV射頻開關網絡。本發明能夠實現低插入損耗及實現通道間高隔離度，完成射頻重構系統中，射頻信號通路自由切換的功能。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：

一種低插損高隔離度的UV射頻開關網絡，由n個輸入開關通路和m個輸出開關通路構成，每個輸入開關通路分別與所有輸出開關通路採用串聯方式連接形成網絡結構，由此形成n×m個開關通路；

每個輸入開關通路包括輸入埠、電容C1、PIN二級管1、PIN二級管2、濾波電感L1和偏置電阻R1，每個輸出開關通路包括PIN二級管3、PIN二級管4、濾波電感L3、偏置電阻R3、電容C3和輸出埠，其中電容C1、C3實現隔直功能，輸入埠、電容C1、PIN二級管1、PIN二級管2、PIN二級管3、PIN二級管4、電容C3和輸出埠依次連接，其中PIN二級管2的N極和PIN二級管3的N極連接；濾波電感L1一端連接於電容C1和PIN二級管1之間，另一端通過偏置電阻R1接地；濾波電感L3一端連接於電容C3和PIN二級管4之間，另一端通過偏置電阻R3接地；電感L1與L3實現開關電路與大地交流隔離；射頻開關的控制信號通過驅動器轉換，經過偏置電阻R2和電感L2疊加到PIN二級管2和PIN二級管3的N極；還包括電容C2，電容C2一端接地，另一端連接於偏置電阻R2和電感L2之間；L2與C2實現驅動器與PIN管之間的交流信號隔離。

所述UV射頻開關網絡包括相互獨立的用於發射射頻通路切換的射頻開關網絡Ⅰ和用於接收射頻通路切換的射頻開關網絡Ⅱ；射頻開關網絡Ⅰ由x個輸入開關通路和y個輸出開關通路構成，射頻開關網絡Ⅱ由a個輸入開關通路和b個輸出開關通路構成。

進一步地，所述UV射頻開關網絡封裝於由基板和蓋板構成的封閉空腔內，在空腔內通過隔板設有若干彼此隔離的分隔腔，每個輸入開關通路和每個輸出開關通路分別設置於分隔腔內，輸入開關通路對應的分隔腔與輸出開關通路對應的分隔腔之間的射頻信號通過射頻電纜連接。

所述基板的兩面均設置有蓋板，以形成上下兩層封閉空腔；每層的封閉空腔內均通過隔板形成分隔腔並在每個分隔腔內設置一個輸入開關通路或者一個輸出開關通路。

所述蓋板和所有隔板之間塗抹有導電膠，以提高由基板、隔板和蓋板形成的分隔腔的封閉性和信號隔離能力。

在蓋板與所有隔板對應結合的位置設置有凹槽，所述導電膠設置於凹槽內，隔板嵌入凹槽內且嵌入部位被導電膠包覆。

相比現有技術，本發明具有如下優點：

本發明採用PIN管及相關附屬電路來實現一個用於發射射頻通路切換的射頻開關網絡與用於接收射頻通路切換的射頻開關網絡的設計。本發明通過將多個PIN管進行級聯的方式，方式靈活，射頻開關網絡的輸入部分和輸出部分分別採用兩個PIN管進行級聯，同時，對每一個輸入輸出開關通路採用單腔的結構方式，使各支路間相互隔離開來；與現有的射頻開關方案相比，本發明具有體積小，隔離度高的特點，既滿足了隔離度的要求，又最大程度減小了射頻開關網絡的插入損耗。

附圖說明

圖1為實施例 6×4射頻開關網絡原理框圖。

圖2為實施例 2×3射頻開關網絡原理框圖。

圖3為 IN1→OUT1射頻開關電路原理圖。

圖4為實施例射頻開關網絡上層結構圖。

圖5為實施例射頻開關網絡下層結構圖。

圖6為本發明雙層單腔隔離示意圖。

圖7為圖6局部放大圖。

具體實施方式

本發明低插損高隔離度的UV射頻開關網絡，由n個輸入開關通路和m個輸出開關通路構成，每個輸入開關通路分別與所有輸出開關通路採用串聯方式連接形成網絡結構，由此形成n×m路開關通路。

射頻開關網絡每一路輸入到輸出開關通路電路原理設計均相同，下面以IN1→OUT1舉例，詳細說明每一射頻開關通路的電路構成。參見圖3，每個輸入開關通路包括輸入埠IN1、電容C1、PIN二級管1、PIN二級管2、濾波電感L1和偏置電阻R1，每個輸出開關通路包括PIN二級管3、PIN二級管4、濾波電感L3、偏置電阻R3、電容C3和輸出埠OUT1，其中電容C1、C3實現隔直功能，輸入埠、電容C1、PIN二級管1、PIN二級管2、PIN二級管3、PIN二級管4、電容C3和輸出埠依次連接，其中PIN二級管2的N極和PIN二級管3的N極連接；濾波電感L1一端連接於電容C1和PIN二級管1之間，另一端通過偏置電阻R1接地；濾波電感L3一端連接於電容C3和PIN二級管4之間，另一端通過偏置電阻R3接地；電感L1與L3實現開關電路與大地交流隔離，增加開關隔離度；射頻開關的控制信號通過驅動器轉換，經過偏置電阻R2和電感L2疊加到PIN二級管2和PIN二級管3的N極；還包括電容C2，電容C2一端接地，另一端連接於偏置電阻R2和電感L2之間；L2與C2實現驅動器與PIN管之間的交流信號隔離；R1、R2、R3實現限流功能。

當驅動輸出電平為-4.6V時，A點的電平值為0V，因此在ABD點之間形成了正的直流信號通路，同樣，C點的電平值也為0V，因此在CBD點之間也形成了直流信號通路。此時，該直流通路為PIN管P1、P2、P3、P4提供了直流偏置電壓，P1、P2、P3、P4處於導通狀態。相反，當驅動器電壓為正時，ABD點之間以及CBD點之間形成了負的直流偏置電壓，P1、P2、P3、P4處於反偏狀態，因此射頻開關則處於關斷狀態。

驅動電路將控制的TTL電平信號轉換為PIN管P1、P2、P3、P4導通所需的控制電平信號；當控制電平為高時，驅動器輸出-4.6V的電壓，該電壓為PIN管提供了正的直流偏置電壓，並提供驅動電流，PIN開關管導通；當控制電平為低時，驅動器輸出+4.6V的驅動電壓，此時，為PIN開關管提供負的偏置電壓，PIN管關斷。

實際設計時，所述UV射頻開關網絡包括相互獨立的用於發射射頻通路切換的射頻開關網絡Ⅰ和用於接收射頻通路切換的射頻開關網絡Ⅱ；射頻開關網絡Ⅰ由x個輸入開關通路和y個輸出開關通路構成，射頻開關網絡Ⅱ由a個輸入開關通路和b個輸出開關通路構成。

在設計時，為了減小空間輻射及洩露，保證每一個開關通路之間的隔離度，所述UV射頻開關網絡封裝於由基板和蓋板構成的封閉空腔內，在空腔內通過隔板設有若干彼此隔離的分隔腔，每個輸入開關通路和每個輸出開關通路分別設置於分隔腔內，輸入開關通路對應的分隔腔與輸出開關通路對應的分隔腔之間的射頻信號通過射頻電纜連接。採用單腔分腔的方式使各支路間相互隔離開來，這樣儘可能減小支路與支路間的相互影響，從而提高射頻通路間的隔離度。

所述基板的兩面均設置有蓋板，以形成上下兩層封閉空腔；每層的封閉空腔內均通過隔板形成分隔腔並在每個分隔腔內設置一個輸入開關通路或者一個輸出開關通路，參見圖6。

參見圖7，所述蓋板和所有隔板之間塗抹有導電膠，以提高由基板、隔板和蓋板形成的分隔腔的封閉性和信號隔離能力。同時在蓋板與所有隔板對應結合的位置設置有凹槽，所述導電膠設置於凹槽內，隔板嵌入凹槽內且嵌入部位被導電膠包覆，這樣進一步增大了器件之間的隔離度。

以下結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細描述。

實施例的射頻開關網絡分別由一個6×4的射頻開關網絡與一個2×3的射頻開關網絡組成，兩個射頻開關網絡相互獨立，其中2×3開關網絡應用於發射射頻通路的切換，6×4開關網絡應用於接收射頻通路的切換。

圖1和圖2分別是6×4和2×3射頻開關網絡的原理框圖。射頻開關網絡分為輸入與輸出部分，輸入輸出部分採用串聯方式進行連接，輸入和輸出部分均由兩個串聯的PIN管級聯構成，因此，任意一個開關通路總共有4個PIN管串聯組成。一個PIN管隔離度大約為24dB，插入損耗大約為0.25dB；因此理論上的插入損耗約為4×0.25dB=1.0dB,隔離度約為4×24=96dB。

圖1的IN1～IN6為6×4射頻開關網絡的輸入開關通路部分，圖1的OUT1～OUT4為6×4射頻開關網絡輸出開關通路部分；圖2的IN1～IN2為2×3射頻開關網絡輸入開關通路部分，OUT1～OUT3為2×3射頻開關網絡輸出開關通路部分。

每一路開關通路的設計均相同，下面以IN1→OUT1為例，詳細說明開關電路的基本工作原理：

當IN1→OUT1為導通狀態，此時驅動器的輸出電壓為-4.6V，因此PIN管P1、P2、P3、P4上疊加了正的直流偏置電壓，此時上述PIN二極體均處於導通狀態，IN1→OUT1的插入損耗主要取決於P1、P2、P3、P4的固有插入損耗。

當IN1→OUT1為非導通狀態，此時驅動器的輸出電壓為正4.6V，因此P1、P2、P3、P4上疊加了負的直流偏置電壓，此時上述PIN二極體均處於非導通狀態，則實現了IN1與OUT1之間的隔離。

本發明射頻開關網絡的殼體材料採用防鏽鋁，外形尺寸為100mm×68mm×17mm，射頻開關網絡的對外射頻輸入輸出採用射頻連接器SMP進行連接，電源及控制信號採用低頻連接器與外部進行連接。在結構上採取每一路輸入和輸出獨立分腔的形式，腔與腔之間的射頻信號通過高隔離度射頻電纜進行連接。

為了實現開關矩陣網絡的小型化，減小開關矩陣網絡的面積，採用上下兩層疊加的方式，上下兩層通過螺釘進行連接，兩層結構牆體間塗抹導電膠。在蓋板的安裝螺釘設計布局時，在腔體的筋條上儘量多的排布安裝螺釘，使產品的蓋板能更緊密地和腔體接觸，實現各個腔內射頻信號的隔離。上下兩層的分腔及結構設計局部如圖4和圖5所示：其中IN1～IN6分別表示6×4射頻開關網絡的6個輸入埠，OUT1～OUT4分別表示6×4射頻開關網絡的四個輸出埠。IN7、IN8分別表示2×3射頻開關網絡的兩個輸入埠，OUT5～OUT7分別表示2×3射頻開關網絡的三個輸出埠，電源及控制信號通過低頻連接器與外部進行連接。

為了實現射頻開關電路故障檢測，本發明在PIN二級管2的N極和PIN二級管3的N極之間設有故障檢測點以檢測PIN二極體上的偏置電壓，偏置電壓作為檢測電壓，將檢測點的檢測電壓引入到比較器進行電壓比較，當PIN開關電路狀態異常時，輸出的故障檢測電壓也將出現異常，此時比較器的比較輸出結果也將出現異常；將比較器的輸出結果引入MCU，與理論上的比較器輸出電壓進行比較，則可判斷當前PIN開關電路是否正常。

所述比較器為四路，分別為比較器A、比較器B、比較器C、比較器D且位於同一比較器晶片裡；比較器A、比較器B、比較器C、比較器D的基準電平分別設置為V0、V1、V2、V3；其中V2、V3對應射頻開關打開時的正常檢測電壓區域範圍的上限值和下限值，V0、V1對應射頻開關關閉時的正常檢測電壓區域範圍的上限值和下限值；假設檢測電壓輸入到比較器的比較電壓值為VI0。

當射頻開關電路打開時，將VI0分別輸入比較器C、比較器D與V2和V3分別比較，正常狀態下，V3＜VI0＜V2，此時比較器C的比較輸出電平應為數字低電平、比較器D的比較輸出電平應為數字高電平；當射頻開關出現異常時，將導致檢測電壓輸出異常，最終導致比較器C與比較器D的比較輸出數字電平異常，即比較器C的比較輸出電平為數字高電平或者比較器D的比較輸出電平為數字低電平就認為射頻開關異常。

當射頻開關電路關斷時，將VI0分別輸入比較器A、比較器B與V0和V1分別比較，正常狀態下，V1＜VI0＜V0，此時比較器B的比較輸出電平應為數字高電平，比較器A的比較輸出電平應為數字低電平；當射頻開關出現異常時，將導致檢測電壓輸出異常，最終導致比較器A與比較器B的比較輸出數字電平異常，即比較器A的比較輸出電平為數字高電平或者比較器B的比較輸出電平為數字低電平就認為射頻開關異常。

本發明摒棄傳統的射頻信號輸出而引入額外的故障檢測信號，直接檢測射頻開關的偏置電壓是否正常，進而來判斷射頻開關電路是否處於正常的工作狀態。傳統的檢測方法是通過射頻輸出埠的信號輸出來判斷相應射頻通路是否正常，檢測方法比較複雜，成本較高，不能對射頻開關電路直接進行檢測。本發明與傳統的方法相比，檢測更直接，更精確，且是專門針對PIN開關電路直接進行檢測，在射頻通路發生故障時，更有利於故障定位；且方便將故障狀態上報，更有利於射頻系統的重構實現。本發明能直接檢測射頻開關的好壞，檢測方法更直接，更精確，更利於故障定位。

本發明的上述實施例僅僅是為說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這裡無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬於本發明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。