CN1258933C - 一种时分双工收发开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时分双工收发开关装置，包括环形器、3dB电桥1和2、SPST电子开关1-4、50欧姆负载1-4以及控制驱动单元；控制驱动单元用于根据控制信号控制驱动SPST电子开关1-4的导通和关断；环形器的INPUT端接3dB电桥1的ISOLATED端，ISOLATED端接3dB电桥2的INPUT端，OUTPUT端外接天线；3dB电桥1的INPUT端接发射端信号TX，I端串接SPST电子开关1和50欧姆负载1后接地，Q端串接SPST电子开关2和50欧姆负载2后接地；3dB电桥2的ISOLATED端接接收端信号RX，Q端串接SPST电子开关3和50欧姆负载3后接地，I端串接SPST电子开关4和50欧姆负载4后接地；当系统处于发射状态时，控制驱动单元控制SPST电子开关1和2关断，SPST电子开关3和4导通；处于接收状态时，控制SPST电子开关1和2导通，SPST电子开关3和4关断。本发明提出的装置具有很高的隔离度和较高的功率容限，并且其实现简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关装置，具体而言涉及一种时分双工的收发开关装置。
技术背景
在移动通讯领域，无线设备普遍采用双工方式实现天线的收发共用，双工方式有频分双工(FDD)和时分双工(TDD)之分。对于时分双工，一般采用射频开关来实现收发双工。目前普遍使用的射频微波收发开关一般是使用PIN二极管作为主要器件，通过偏置电压控制不同通路的PIN二极管导通与关断来实现开关的收发功能。比较典型的有美国专利20030119455(Transmitting/ReceivingSwitch and Portable Terminal Unit)，该专利所述的收发开关，即是使用发射通路串联二极管，接收通路并联二极管到地，通过一个开关控制信号控制两个二极管的通断，实现收发通路切换功能。这种方法虽然原理较为简单，但是由于PIN二极管的阻抗特性，在发射功率较大的时候，实现起来比较复杂，不容易实现阻抗匹配，而且性能一致性较差。
随着发射功率的提高，对收发开关的功率容限的要求也相应地提高。电子开关尤其是集成IC开关一般应用在功率为10W以下的场合，在大于10W的应用场合，电子开关的实现就有技术难度，单纯从电子开关本身提高其功率容限会导致成本的急剧升高。当功率需求超过电子开关可能实现的功率容限时，其电路实现方式就会成为一个较难克服的问题，目前尚未见到有什么技术能够很好地解决这个问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述在大功率要求下，难以通过PIN二极管电子开关实现时分双工收发的问题，提出一种具有较高隔离度和功率容限的时分双工收发开关装置。
一种时分双工收发开关装置，其特征在于包括环形器103、3dB电桥1、3dB电桥2、SPST电子开关1-4、50欧姆负载1-4以及控制驱动单元113；所述控制驱动单元113用于根据控制信号控制驱动SPST电子开关1-4的导通和关断；所述环形器103的INPUT端接3dB电桥1的ISOLATED端，环形器103的ISOLATED端接3dB电桥2的INPUT端，所述环形器103的OUTPUT端外接天线；所述3dB电桥1的INPUT端接发射端信号TX，I端串接SPST电子开关150欧姆负载1后接地，Q端串接SPST电子开关2和50欧姆负载2后接地；所述3dB电桥2的ISOLATED端接接收端信号RX，Q端串接SPST电子开关3和50欧姆负载3后接地，I端串接SPST电子开关4和50欧姆负载4后接地；当系统处于发射状态时，所述控制驱动单元113根据状态控制信号控制SPST电子开关1和2关断，SPST电子开关3和4导通；当系统处于接收状态时，所述控制驱动单元113根据状态控制信号控制SPST电子开关1和2导通，SPST电子开关3和4关断。
本发明提出的装置通过使用3dB电桥和环形器的隔离度和功率特性来实现收发开关装置，从而使得本发明提出的装置具有很高的隔离度和较高的功率容限，并且其实现简单。
附图说明
图1是本发明提出的时分双工收发开关装置的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明提出的时分双工收发开关装置的原理示意图。如图1所示，本发明人提出的装置包括环形器103、3dB电桥1、3dB电桥2、SPST电子开关1-4、50欧姆负载1-4以及控制驱动单元113；所述控制驱动单元113用于根据控制信号控制驱动SPST电子开关1-4的开启和关断；所述环形器103的INPUT端接3dB电桥1(101)的ISOLATED端，环形器103的ISOLATED端接3dB电桥2(102)的INPUT端，所述环形器103的OUTPUT端外接天线；所述3dB电桥1(101)的INPUT端接发射端信号TX，I端串接SPST电子开关1(104)50欧姆负载1(108)后接地，Q端串接SPST电子开关2(105)和50欧姆负载2(109)后接地；所述3dB电桥2(102)的ISOLATED端接接收端信号RX，Q端串接SPST电子开关3(106)和50欧姆负载3(110)后接地，I端串接SPST电子开关4(107)和50欧姆负载4(111)后接地。在本发明中，3dB电桥1(101)，SPST电子开关1(104)，SPST电子开关2(105)起连接和断开发射通道的作用；3dB电桥2(102)，SPST电子开关3(106)，SPST电子开关4(107)起连接和断开接收通道的作用；50欧姆负载1(108)，50欧姆负载2(109)吸收发射通道关断时的功率，50欧姆负载3(110)，50欧姆负载4(111)吸收接收通道关断时的功率，以达到隔离目的；环行器103对发射链路提供反向隔离，当外接匹配天线时能够提高收发状态的隔离度；图1中TX表示发射信号，RX表示接收信号。
结合图1，当系统处于发射状态时，通过控制驱动单元113使SPST电子开关1(104)，SPST电子开关2(105)关断，这样发射端的输入信号，进入3dB电桥1(101)中，3dB电桥1(101)将输入的功率均分成I端，Q端输出，两路功率相等，相位相差90度。从I端输出的功率进入SPST电子开关1(104)，由于SPST电子开关1(104)是断开的，信号全反射回3dB电桥1(101)的I端，输入3dB电桥1(101)，功率再等分输出至3dB电桥1(101)的INPUT端和ISOLTATED端，相位相差90度。从Q端输出的功率进入SPST电子开关2(105)，由于SPST电子开关2(105)是断开的，信号全反射回3dB电桥1(101)的Q端，输入3dB电桥1(101)，功率再等分输出至3dB电桥1(101)的INPUT端和ISOLTATED端，相位相差90度。反射的信号在3dB电桥1(101)的INPUT端，相互叠加后抵消，在ISOLATED端，相互叠加后，最终全部功率输出至环行器，从而接通发射通道。
当系统处于发射状态时，通过控制驱动单元113使SPST电子开关3(106)，SPST电子开关4(107)导通，这样天线端口反射或者输入的信号，经环行器103后进入3dB电桥2(102)，其中一半功率经SPST电子开关3(106)后被50欧姆负载3(110)吸收，另外一半功率经SPST电子开关4(107)被50欧姆负载4(111)吸收，其结果是3dB电桥2(102)输出到接收端的信号几乎为零，从而切断接收通道，同时使环行器103的该端口得到有效的匹配。
当系统处于接收状态时，通过控制驱动单元113使SPST电子开关3(106)，SPST电子开关4(107)关断，这样天线端口的输入信号经环行器103进入3dB电桥2(102)的INPUT端，3dB电桥2(102)将输入的功率均分成I端，Q端输出，两路功率相等，相位相差90度。从I端输出的功率进入SPST电子开关4(107)，由于SPST电子开关4(107)是断开的，信号全反射回3dB电桥2(102)的I端，输入3dB电桥2(102)，功率再等分输出至3dB电桥2(102)的INPUT端和ISOLTATED端，相位相差90度。从Q端输出的功率进入SPST电子开关3(106)，由于SPST电子开关3(106)是断开的，信号全反射回3dB电桥2(102)的Q端，输入3dB电桥2(102)，功率再等分输出至3dB电桥2(102)的INPUT端和ISOLTATED端，相位相差90度。反射的信号在3dB电桥2(102)的INPUT端，相互叠加后抵消，在ISOLATED端，相互叠加后，最终全部功率输出至接收端，从而接通接收通道。
当系统处于接收状态时，通过控制驱动单元113使SPST电子开关1(103)，SPST电子开关2(104)导通，这样发射端输入信号进入3dB电桥1(101)后，其中一半功率经SPST电子开关1(103)后被50欧姆负载1(108)吸收，另外一半功率经SPST电子开关2(104)被50欧姆负载2(109)吸收，其结果是3dB电桥1(101)输出到环行器103的信号几乎为零，从而切断发射通道，同时使环行器103的该端口得到有效的匹配。综上所述，控制驱动单元113要完成的开关逻辑状态表如下：
| 系统状态 | SPST1(104) | SPST2(105) | SPST3(106) | SPST4(107) |
| 发射状态 | 关断 | 关断 | 导通 | 导通 |
| 接收状态 | 导通 | 导通 | 关断 | 关断 |
为了能够驱动和控制SPST开关，控制驱动单元113具体包括依次串连的逻辑运算部分、电平转换接口部分和驱动放大部分。当控制驱动单元113接收到系统的控制信号后，经过逻辑运算，电平转换后，放大到SPST开关要求的驱动力后去分别控制驱动SPST电子开关的导通和关断。
在本发明的实施例中，为了达到最佳的技术效果，3dB电桥，SPST开关，和环行器应当选择在系统的工作频段，SPST电子开关1-4(104-107)最好选择同一型号的开关，SPST开关性能的一致性越高越好。SPST开关选择好后，可以按厂家提供的DEMO图纸处理其外围驱动电路，然后将其作为一个单元按图1的连接示意图进行连接。此外，SPST的开关的隔离度应大于20dB，以保证SPST开关关断时全反射，避免增加损耗。为了减少损耗，SPST电子开关1(104)与SPST电子开关2(105)相对于3dB电桥1(101)应当在电路上互相对称(原理图和PCB制版上)；SPST电子开关3(106)与SPST电子开关4(107)相对于3dB电桥2(102)应当在电路上互相对称。
在本发明提出的装置中，当系统处于发射状态时，SPST电子开关3(106)，SPST开关电子4(107)导通，接收通道导通。收发隔离度为环形器103和由3dB电桥2(102)、SPST电子开关3(106)、SPST电子开关4(107)组成的复合开关单元(后简称复合开关2)的隔离度之和。该复合开关的隔离度能够做到大于30dB隔离，而环行器的隔离度一般能够达到大于20dB隔离，所以发射状态的收发隔离至少能够达到50dB以上隔离。在接收状态时，由于该装置的对称拓扑结构，收发隔离度跟发射状态的收发隔离度一样。
在本发明提出的装置中，容易实现大功率容限的有：3dB电桥1(101)和3dB电桥2(102)，目前市场上通用大功率容限在100W-500W量级；环行器103，目前市场上通用大功率容限在100W-500W量级；50欧负载，目前市场上通用大功率容限在100W-1000W量级；较难实现大功率容限的是SPST电子开关。目前用于收发开关的SPST和SPDT电子开关的功率容限一般小于10W；如果用10W以上的开关会有技术实现的困难，而且功率提高会导致成本急剧提高。由于3dB电桥1(101)和3dB电桥2(102)的功率分配作用，无论SPST开关(104，105，106，107)选择断开或者导通连接50欧姆负载，其承受的功率是3dB电桥(101或102)的输入功率的一半，即输入3dB电桥(101或102)的功率可以是SPDT开关的功率容限的2倍，那么整个收发开关的功率容限是单个SPST开关的功率容限的2倍。功率容量翻倍在大功率开关领域有非常重要的意义，尤其是SPST的功率容限提高比较有难度或者导致成本急剧上升的场合，因此本发明提出的装置在技术上较易实现，并且能够有效地降低实现成本。
Claims (5)
1、一种时分双工收发开关装置，其特征在于包括环形器(103)、3dB电桥1(101)、3dB电桥2(102)、SPST电子开关1-4(104-107)、50欧姆负载1-4(108-111)以及控制驱动单元(113)；所述控制驱动单元(113)用于根据控制信号控制驱动SPST电子开关1-4(104-107)的导通和关断；所述环形器(103)的INPUT端接3dB电桥1(101)的ISOLATED端，环形器(103)的ISOLATED端接3dB电桥2(102)的INPUT端，所述环形器(103)的OUTPUT端外接天线；所述3dB电桥1(101)的INPUT端接发射端信号TX，I端串接SPST电子开关1(104)和50欧姆负载1(108)后接地，Q端串接SPST电子开关2(105)和50欧姆负载2(109)后接地；所述3dB电桥2(102)的ISOLATED端接接收端信号RX，Q端串接SPST电子开关3(106)和50欧姆负载3(110)后接地，I端串接SPST电子开关4(107)和50欧姆负载4(111)后接地；当系统处于发射状态时，所述控制驱动单元(113)根据状态控制信号控制SPST电子开关1(104)和2(105)关断，SPST电子开关3(104)和4(105)导通；当系统处于接收状态时，所述控制驱动单元(113)根据状态控制信号控制SPST电子开关1(101)和2(102)导通，SPST电子开关3(106)和4(107)关断。
2、根据权利要求1所述的一种时分双工收发开关装置，其特征在于所述SPST电子开关1-4(104一107)选择同一型号的开关。
3、根据权利要求1或2所述的一种时分双工收发开关装置，其特征在于所述SPST电子开关1-4(104-107)的隔离度大于20dB。
4、根据权利要求1或2所述的一种时分双工收发开关装置，其特征在于所述SPST电子开关1(104)与SPST电子开关2(105)相对于3dB电桥1(101)在电路上互相对称；所述SPST电子开关3(106)与SPST电子开关4(107)相对于3dB电桥2(102)在电路上互相对称。
5、根据权利要求1或2所述的一种时分双工收发开关装置，其特征在于所述控制驱动单元(113)具体包括依次串连的逻辑运算部分、电平转换接口部分和驱动放大部分。
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