一种大功率线性收发开关电路 【技术领域】
本发明涉及一种射频微波收发开关电路，尤其涉及无线通讯领域的TDD(时分双工)工作模式下的射频前端收发模块的射频微波大功率高线性收发开关电路。
背景技术
在现在的数字通讯领域中的无线通讯系统中，TDD(时分双工)技术使用十分普遍，在TDD无线通讯系统的射频前端中，收发开关是一个必不可少的部件。
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。这种收发开关典型的为Transmitting/Receiving Switch and Portable TerminalUnit，美国专利号20030119455。该专利所述的收发开关，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，实现比较复杂，不容易实现阻抗匹配，而且性能一致性较差。
在小功率无线通讯系统中，也常常使用射频微波单片集成SPDT(单刀双掷)开关作为收发开关。这种开关使用半导体集成电路技术(射频频段较常使用的是砷化镓芯片)，体积较小，使用这种开关实现收发功能比较简单，且一致性较好，但是这种开关由于是使用的半导体集成电路，所能承受的功率较小，抑制了它在较大发射功率的无线通讯中地应用。
这两种收发开关由于都使用了半导体非线性器件作为收发开关切换的关键器件，因而对发信机的线性都有一定的影响。
【发明内容】
本发明解决的技术问题是提出一种大功率线性收发开关电路，以克服现有的收发开关技术中的影响发信机线性、实现较困难、一致性较差或者功率容量较小的缺点。
本发明所述大功率线性收发开关电路包括：天线端口、发信端口、收信端口、开关控制端口、微波环形器、微波单刀双掷开关、限幅器、开关信号控制电路、发信侧电容器、收信侧电容器和负载电阻；
所述发信端口通过发信侧电容器与所述微波环形器的输入端相连，所述微波环形器的公共端连接到天线端口，所述微波环形器的反射输出端连接微波单刀双掷开关的公共端，在所述微波环形器的反射输出端和微波单刀双掷开关的公共端之间连接限幅器的一端，限幅器的另一端接地，微波单刀双掷开关的收信端通过收信侧电容器连接收信端口，微波单刀双掷开关的负载端连接一个负载电阻，负载电阻的另一端接地，所述开关控制电路的控制端连接到微波单刀双掷开关的控制端，开关控制电路的另一端连接到开关控制端口。
本发明所述大功率线性收发开关由于是通过大功率的微波环形器实现收发通路之间的隔离的，所以使得发信机可以发射更大的功率，具体的最大输出功率可视所使用的微波环形器而定，现在一般使用的微波铁氧体环形器最小能够承受60W以上的功率，而PIN二极管收发开关一般最大能承受十多瓦的功率，微波集成开关很够承受的功率更小，目前最大是4W左右。而且由于本发明所述开关的发信通路中没有非线性器件，且承受功率较大，所以对于发信机的线性影响很小，本发明的开关电路组成较简洁，制作较简单，成品一致性也较好，能够应用在所有的TDD工作方式的无线通讯系统和其他系统中。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的各部分功能和具体实施方式作进一步的描述。
图1是本发明大功率线性收发开关原理框图。
图2是本发明一种大功率线性收发开关实施例原理图。
【具体实施方式】
本发明是在前面所述的现有技术方案的基础上，通过在收发端口和天线端口之间增加大功率微波环形器，利用环形器各端口之间的单通和隔离特性以及环形器本身的高线性，实现增大发射功率和发信机线性的目的。本发明中，收发之间的切换不再是单纯靠微波SPDT开关来控制实现了，而是通过环形器来实现收发隔离，但是其中仍然包含有现有的微波开关技术，主要是用在收信通路中，增加收信端口与发信端口的隔离度，并不会影响发信机的发射功率和线性。
如图1所示本发明所述大功率高线性收发开关由以下几部分组成：101天线端口、102发信端口、103收信端口、109开关控制端口、104大功率微波环形器、105微波SPDT(单刀双掷)开关、107限幅器和108开关信号控制电路等。如附图1所示，102发信端口通过110发信侧电容器连接104环形器的输入端连，104环形器的公共端连接101天线端口，104环形器的反射输出端连接105微波SPDT开关的公共端，在104环形器的反射输出端和105微波SPDT开关的公共端之间连接107限幅器的一端，107限幅器的另一端接地，105微波SPDT开关的收信端通过111收信侧电容器连接103收信端口，105微波SPDT开关的负载端对地并联50欧姆106负载电阻。108开关控制电路的控制端连接105微波SPDT开关的控制端。108开关控制电路的另一端连接109开关控制端口。
下面再具体介绍电路主要器件的功能：
a)104大功率微波环形器主要提供收发双工功能。
发射信号时，发信机输出的信号通过102发信端口，由104环形器的输入端输入，再由104环形器的公共端输出，通过101天线端口发射出去。104环形器反射输出端对于104环形器输入端是隔离的，因此发射的信号不会直接通过104环形器反射输出端进入105微波SPDT开关。
接受信号时，信号由收发开关的101天线端口进入，经过104环形器的公共端，从104环形器的反射输出端输出，再经过105微波SPDT开关的公共端和收信端以及103收信端口进入收信机。而此时，104环形器的输入端对于104环形器的公共端是隔离的，因此接收到的信号也不会进入102发信端口。
b)105微波SPDT开关主要完成收信通路的开关功能，并且提高103收信端口与102发信端口、101天线端口的隔离度。
发射信号时，外部基带电路输出的控制信号，由109开关控制端口输入，通过108开关控制电路控制105微波SPDT开关，使105微波SPDT开关的公共端与负载端导通，公共端与收信端处于隔离状态，提高了收信通路与发信通路的隔离度，并且抑制了由于101天线端口阻抗不匹配而产生的反射信号进入103收信端口。同时也提高了104环形器输入端与输出端的反向隔离度，抑制了101天线端口的反射信号通过105微波SPDT开关公共端的反射再从104环形器输入端进入102发信端口。
接收信号时，105微波SPDT开关在109开关控制端口输入的基带控制信号通过108开关控制电路控制下，公共端与负载端处于隔离状态，公共端与收信端导通，从收发开关的101天线端口进入的信号经过104环形器的公共端和反射输出端口，再经由105微波SPDT开关的公共端和收信端进入103收信端口，完成收信功能。
c)107限幅器是对收信通路的一个保护器件，防止从101天线端口输入的信号过大，或者101天线端口反射的信号过大，通过104环形器进入105微波SPDT开关的公共端，使105微波SPDT开关损坏，或者进入103收信端口，从而损坏收信机。
d)108开关控制电路主要完成105微波SPDT开关的控制工作，使105微波SPDT开关能够在109开关控制端口输入的信号控制下正常工作。109开关控制端口输入的，是由外部基带电路输出的数字信号，由信号的“高”和“低”，通过108开关控制电路控制105微波SPDT开关的开关，从而控制了收信通路的开关。
结合图2，下面对本发明的一个实施例作详细说明：
此实施例基本与附图1中的原理框图相对应。附图2中的201天线端口、202发信端口、203收信端口、209开关控制端口、204大功率铁氧体微波环形器、205 AW002R2-12、207限幅器和208虚线框中的电路分别与附图1中101天线端口、102发信端口、103收信端口、109开关控制端口、104大功率微波环形器、105微波SPDT(单刀双掷)开关、107限幅器和108开关信号控制电路一一对应。
a)发射模式。在这个模式下，发信机发射的信号通过202发信端口，由204大功率铁氧体微波环形器的输入端输入，由204环形器的公共端输出。由于环形器的反射输出端与输入端是隔离的，所以从环形器的输入端进入的射频信号不会直接由反射输出端进入203收信端口。此时，与环形器反射输出端连接的205微波集成SPDT开关AW002R2-12的公共端J1和与收信端J3处于断开状态，公共端J1与负载端J2接通，而J2再连接上206 50欧姆负载电阻的一端，206负载电阻的另一端接地。这样不但增加了203接收端口和202发射端口的隔离度，而且吸收了由于201天线端口的阻抗不匹配而反射过来的功率，同时也提高了204环形器输入端与输出端的反向隔离度，抑制了201天线端口的反射信号通过205 AW002R2-12公共端J1的反射再从204环形器输入端进入202发信端口。
b)接收模式。在这个模式下，信号由204大功率铁氧体环形器的公共端输入，由反射输出端输出。此时，205 AW002R2-12的公共端J1与接收端J3导通，与负载端J2断开。接收到的信号由204环形器的反射输出端的输出，通过205微波集成开关AW002R2-12的J1和J3端口输入到203收信端口。此时，204环形器的输入端与公共端处于反向隔离状态，接收到信号不会直接进入202发信端口。
c)208开关控制电路，是对205微波单片集成SPDT开关AW002R2-12进行控制的电路，主要由三通道模拟开关及其外围电路和±5V电源线组成。这里的三通道模拟开关可以使用74HC4053。将由外部基带电路输出的开关控制信号T/RC通过209开关控制端口连接到74HC4053的A、B两引脚上，当T/RC信号为“高”的时候，X＝X1，也为“高”，而Y＝Y1，为“低”。当T/RC信号为“低”的时候，X、Y的逻辑与T/RC为“高”的时候相反。205微波单片集成SPDT开关AW002R2-12，管脚V1、V2为控制管脚，其中V1逻辑连接74HC4053的管脚Y，V2逻辑连接74HC4053的管脚X。将205 AW002R2-12的公共端J1连接204微波铁氧体环形器的反射输出端，收信端J3连接203收信端口，负载端J2连接206 50欧姆功率负载电阻，206负载电阻的另一端接地。这样便连接成前面描述的收发开关。因此当T/RC信号为“高”的时候，V1为“低”，V2为“高”，此时205 AW002R2-12的J1与J2导通，与J3断开，从204微波环形器的公共端反射串入的信号被205负载电阻吸收，便不会再被反射通过204微波环形器的输入端进入203收信端口；当T/RC信号为“低”的时候，V1为“高”，V2为“低”，此时205 AW002R2-12的J1与J3导通，与J2断开，此时从204环形器公共端接收到的信号便通过204环形器的反射输出端，再通过205 AW002R2-12的公共端J1和收信端J3进入203收信端口。
d)207限幅器连接在205 AW002R2-12的公共端J1和地之间，实现对于收信通路的限幅保护功能。如果从204微波环形器的反射输出端进入的信号功率过大，超过了205 AW002R2-12的承受范围，将会被207限幅器限幅，保护了205 AW002R2-12，使其免于损坏。
这样，由主要由204大功率微波铁氧体环形器、205微波单片集成SPDT开关AW002R2-12和主要由74HC4053及其外围电路组成的208开关控制电路以及207限幅器构成的电路便完成了微波大功率线性收发开关的功能。