[发明专利]一种基于二极管的宽频射频开关及边沿优化方法

说明书

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。

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。