CN113114182A - 一种大功率电子收发开关电路及开关模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率电子收发开关电路及开关模块，属于收发开关技术领域。其包括射频电路和控制电路，射频电路采用非对称的开关电路结构，发射通路使用结电容较大的大功率高反压PIN二极管，可以降低发射通路***损耗；接收通路使用结电容较小的大功率高反压PIN二极管，可以降低大功率器件寄生参数对高频性能的影响，从而拓展工作带宽；控制电路基于电路反相驱动器、高压场效应晶体管实现，可通过TTL电平信号进行控制，提供带有逻辑、快速切换的高压信号，从而控制大功率PIN二极管工作。

Description

一种大功率电子收发开关电路及开关模块

技术领域

本发明涉及收发开关技术领域，特别是指一种大功率电子收发开关电路及开关模块，可用作VHF/UHF波段宽带大功率电子收发开关。

技术背景

目前，跳频通信逐渐兴起，并且跳频速度非常快，可达1000跳/秒。要想跟踪和处理跳频通信目标，所选用的收发开关的切换速度必须要快，并且要具有足够的工作带宽和功率容量才能满足需求。

常用的大功率收发开关有两类，分别为电磁继电器开关和电子开关。电磁继电器开关的优点是工作带宽宽、***损耗小、功率容量大。但是，开关切换速度较慢，在几十毫秒量级，存在机械寿命问题，一般在百万次。电子开关的优点是开关切换速度快，在几十微秒量级，工作寿命长，接近于无限次。但是，电子开关的***损耗与电磁继电器开关相比要略大一些，因为受到供电偏置电路和电子开关管本身大功率器件寄生参数的影响，大功率电子开关的带宽和高频功率受限。

可见，开关切换速度直接决定了电磁继电器开关不能满足应对调频目标的要求。电子开关虽然在切换时间上能够满足应对调频目标的需求，但是在工作带宽、功率容量方面还存在一些不足。

目前，大功率电子开关在VHF/UHF频段工作带宽只有两三百兆赫兹，连续波功率容量一般在几百瓦，开关控制电路在大功率工作时的电磁兼容性也是一个难点。为了满足宽带大功率电子对抗***的需求，研制更宽带宽、更大功率的电子收发开关成为目前工程应用中急需解决的关键技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种大功率电子收发开关电路及开关模块，其能够实现收发信号的快速切换，具有工作频带宽、承受功率大、切换速度快、收发隔离度高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大功率电子收发开关电路，包括射频电路和控制电路，所述射频电路包括发射输入端、接收输出端以及兼做发射输出端和接收输入端的公共端，发射输入端和公共端之间为发射通路，接收输出端和公共端之间为接收通路；所述公共端通过一电感接地，所述发射通路上从发射输入端到公共端顺次串联有第一隔直电容、第二隔直电容以及由多个正向设置的二极管串联组成的第一串联二极管组，所述接收通路上从公共端到接收输出端顺次串联有由多个反向设置的二极管串联组成的第二串联二极管组、第三隔直电容、第四隔直电容以及限幅电路；第一隔直电容和第二隔直电容之间以及第三隔直电容和第四隔直电容之间分别连接有一个第一二极管接地支路；发射通路中连接第一二极管接地支路的节点处，以及接收通路中第二串联二极管组的正极端分别连接有一第一供电配置电路，发射通路中第一串联二极管组的正极端，以及接收通路中连接第一二极管接地支路的节点处分别连接有一第二供电配置电路；第一串联二极管组的二极管数目与第二串联二极管组的二极管数目不相等；

所述控制电路包括12V电源输入端、-400V电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端以及TTL电平控制端，每一电源输入端与每一电源输出端之间均设有一开关三极管，所述第一电源输出端与第一供电配置电路连接，所述第二电源输出端与第二供电配置电路连接；所述TTL电平控制端用于控制每一开关三极管的开关状态。

进一步的，所述第一串联二极管组的二极管数目为三个，所述第二串联二极管组的二极管数目为两个。

进一步的，所述第一二极管接地支路由两个并联的二极管组成，且这两个二极管均负极接地。

进一步的，所述限幅电路包括一电感接地支路和一第二二极管接地支路，第二二极管接地支路由两个并联的二极管组成，且这两个二极管在接地支路中的设置方向相反。

进一步的，所述第一供电配置电路和第二供电配置电路的结构相同，其从控制电路一侧至射频电路一侧包括顺次串联的并联电阻组、第一电感和第二电感，并联电阻组由两个并联电阻组成，并联电阻组和第一电感之间连接有两条电容接地支路，第一电感和第二电感之间也连接有两条电容接地支路。

进一步的，所述开关三极管共有四个，分别为第一、第二P沟道开关管以及第一、第二N沟道开关管；所述控制电路还包括第一～第三多路反向驱动器，其中，第一多路反向驱动器的输入端与TTL电平控制端连接，第二多路反向驱动器的输入端与第一多路反向驱动器的正向输出端连接，第三多路反向驱动器的输入端与第一多路反向驱动器的反向输出端连接，第二多路反向驱动器的正向输出端通过一稳压电路与第一N沟道开关管的控制端连接，第二多路反向驱动器的反向输出端通过一稳压电路与第一P沟道开关管的控制端连接，第三多路反向驱动器的正向输出端通过一稳压电路与第二N沟道开关管的控制端连接，第三多路反向驱动器的反向输出端通过一稳压电路与第二P沟道开关管的控制端连接；第一N沟道开关管设于12V电源输入端与第一电源输出端之间，第一P沟道开关管设于-400V电源输入端与第一电源输出端之间，第二N沟道开关管设于12V电源输入端与第二电源输出端之间，第二P沟道开关管设于-400V电源输入端与第二电源输出端之间。

进一步的，所述射频电路中，第一串联二极管组、第二串联二极管组以及第一二极管接地支路中的二极管均为大功率高反压PIN二极管，且第一串联二极管组中二极管的结电容大于第二串联二极管组中二极管的结电容。

进一步的，所述第二二极管接地支路中的二极管均为限幅二极管。

此外，本发明还提供一种大功率电子收发开关模块，包括金属外壳、控制电路板以及射频电路板，所述金属外壳的底部设有散热底座；所述控制电路板用于承载如上任一项所述的控制电路，所述射频电路板用于承载如上任一项所述的射频电路；所述金属外壳内部通过金属横隔板分为上、下两个腔，其中，上腔中设置控制电路板，下腔中设置射频电路板；所述射频电路板的中部嵌有陶瓷板，射频电路中的大功率器件设于陶瓷板上，陶瓷板底部与金属外壳相接触从而实现散热；射频电路中的发射通路部分和接收通路部分分布于射频电路板的两侧，下腔中还设有金属竖隔板，从而将发射通路部分和接收通路部分隔开。

进一步的，所述陶瓷板位于射频电路板的中部，陶瓷板的一侧设置发射通路部分的大功率器件，陶瓷板的另一侧设置接收通路部分的大功率器件。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的射频电路采用了非对称的开关电路结构，降低了大功率器件寄生参数对射频电路的影响，工作带宽更宽。

2、本发明的控制电路具有稳压设计，大功率工作时控制信号更稳定，电磁兼容性更好。

3、本发明开关模块采用带隔腔的多层结构，不同的隔腔之间具有良好的电磁隔离度，且大功率器件设于陶瓷板上，能够实现良好的散热。

附图说明

图1是本发明实施例中大功率电子收发开关电路的原理框图。

图2是图1中射频电路的原理示意图。

图3是图1中控制电路的原理示意图。

图4是图2中供电配置电路的原理示意图。

图5是本发明实施例中开关模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种大功率电子收发开关电路，包括射频电路和控制电路，射频电路包括发射输入端、接收输出端以及兼做发射输出端和接收输入端的公共端，控制电路包括12V电源输入端、-400V电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端以及TTL电平控制端，控制电路通过第一电源输出端、第二电源输出端对射频电路进行供电。

具体来说，射频电路的结构如图2所示。射频电路的公共端Tout/Rin通过电感L1接地，射频电路的发射支路上从发射输入端Tin到公共端Tout/Rin顺次串联有第一隔直电容C1、第二隔直电容C2以及三个正向设置的二极管V3、V4、V5，接收支路上从公共端Tout/Rin到接收输出端Rout顺次串联有两个反向设置的二极管V6、V7、第三隔直电容C3、第四隔直电容C4以及限幅电路；限幅电路包括通过电感L2接地的支路以及一个二极管接地支路，该二极管接地支路由两个并联的二极管V10、V11组成，且这两个二极管在接地支路中的设置方向相反。

第一隔直电容C1和第二隔直电容C2之间连接有一个二极管接地支路，该二极管接地支路由两个并联的二极管V1、V2组成，且这两个二极管均负极接地；第三隔直电容C3和第四隔直电容C4之间也连接有一个二极管接地支路，该二极管接地支路由两个并联的二极管V8、V9组成，且这两个二极管均负极接地。

第二隔直电容C2远离公共端Tout/Rin的一侧以及第三隔直电容C3靠近公共端Tout/Rin的一侧分别连接有一第一供电配置电路，其控制端（即输入端）为Ctr1，第二隔直电容C2靠近公共端Tout/Rin的一侧以及第三隔直电容C3远离公共端Tout/Rin的一侧分别连接有一第二供电配置电路，其控制端（即输入端）为Ctr2。

第一供电配置电路和第二供电配置电路的结构相同，其结构如图4所示。从输入端in（即控制电路一侧，对应于图2中的Ctr1、Ctr2）至输出端out（即射频电路一侧），供电配置电路包括顺次串联的并联电阻组、第一电感L3和第二电感L4，并联电阻组由两个并联电阻R1、R2组成，并联电阻组和第一电感之间连接有两条电容接地支路，两支路分别通过电容C5、C6接地，第一电感和第二电感之间也连接有两条电容接地支路，两支路分别通过电容C7、C8接地。

控制电路如图3所示，其包括第一P沟道开关管28、第二P沟道开关管30、第一N沟道开关管27、第二N沟道开关管29以及第一～第三多路反向驱动器20、21、22，控制电路还具有12V电源输入端、-400V电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端以及TTL电平控制端。

第一电源输出端与第一供电配置电路的控制端Ctr1连接，第二电源输出端与第二供电配置电路的控制端Ctr2连接，第一多路反向驱动器20的输入端与TTL电平控制端连接，第二多路反向驱动器21的输入端与第一多路反向驱动器20的正向输出端连接，第三多路反向驱动器22的输入端与第一多路反向驱动器20的反向输出端连接，第二多路反向驱动器21的正向输出端通过一稳压电路23与第一N沟道开关管27的控制端连接，第二多路反向驱动器21的反向输出端通过一稳压电路24与第一P沟道开关管28的控制端连接，第三多路反向驱动器22的正向输出端通过一稳压电路25与第二N沟道开关管29的控制端连接，第三多路反向驱动器22的反向输出端通过一稳压电路26与第二P沟道开关管30的控制端连接；第一N沟道开关管27设于12V电源输入端与第一电源输出端之间，第一P沟道开关管28设于-400V电源输入端与第一电源输出端之间，第二N沟道开关管29设于12V电源输入端与第二电源输出端之间，第二P沟道开关管30设于-400V电源输入端与第二电源输出端之间。

该开关的射频电路中，隔直电容使用高Q值、高功率型的片式瓷介电容器，两组串联二极管构成非对称的电路结构，可减小大功率器件的寄生参数，从而拓展带宽，提高收发隔离度；并联接地二极管的设计也是为了提高收发隔离度。装配时，隔直电容和串联二极管需要对地绝缘，通过高导热的氧化铍陶瓷板过渡焊接到镀银纯铜板上，实现对地绝缘和良好散热双重目的。

该射频电路采用了一种非对称的开关电路结构，发射通路使用结电容较大的大功率高反压PIN二极管，可以降低发射通路***损耗；接收通路使用结电容较小的大功率高反压PIN二极管，可以降低大功率器件寄生参数对高频性能的影响，从而拓展工作带宽。隔直电容和通路PIN二极管使用锡丝依次焊接在导热性能极好的氧化铍陶瓷、镀银纯铜板上，接地的PIN二极管直接使用锡丝焊接在镀银纯铜板上，供电偏置电路中大功率扼流线圈使用直径2mm的镀金纯铜线绕制，解决了核心大功率器件的散热问题。

控制电路中，三个多路反相驱动器分为两级，从而将一路控制信号分成四路带逻辑的控制信号；稳压电路可采用由电源电容滤波电路、电阻和稳压二极管组成的电压稳压电路，此种电路为本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述；开关三极管采用N沟道和P沟道的高压场效应晶体管，为了保留电压余量，可选择耐压为500V的场效应晶体管，从而适应正电压和负高压需求。

具体来说，控制电路可采用5V TTL信号控制，通过三个多路反向驱动器20、21、22将一路控制信号分成四路带逻辑的控制信号，经过稳压电路23、24、25、26，分别去控制四个高压场效应晶体管27、28、29、30，从而控制输出的正电压和负高压的切换，进而通过控制大功率PIN二极管偏置供电来实现收发开关的切换工作。

本开关的工作原理如下：

当控制电路中TTL控制信号为低电平时，Ctr1输出为负高压，Ctr2输出为正电压，第一供电配置电路控制其所连接的PIN二极管截止，第二供电配置电路控制其所连接的PIN二极管导通，此时收发开关处于发射通路导通状态。反之，当控制电路中TTL控制信号为高电平时，Ctr1输出为正电压，Ctr2输出为负高压，第一供电配置电路控制其所连接的PIN二极管导通，第二供电配置电路控制其所连接的PIN二极管截止，此时收发开关处于接收通路导通状态。

本发明具有400MHz工作带宽，能够满足***宽带工作的需求；可以承受2000W大功率连续波，满足***大功率发射机的工作要求；具有几十微秒级的快速收发切换速度，使***能够跟踪和处理跳频通信目标；具有50dB收发隔离度，接收端具有限幅功能，能够有效保护接收前端设备正常工作和异常情况时不损坏。

总之，本发明的射频电路基于大功率高反压PIN二极管制作，可实现收发开关的宽带、大功率、快速切换特性。该射频电路根据收发信号功率不同的特点，采用了一种非对称的开关电路结构，通过使用性能参数不同的两型大功率高反压PIN二极管，可降低大功率器件寄生参数对高频性能的影响，进一步拓展了电子开关的工作带宽。

本发明的控制电路基于电路反相驱动器、高压场效应晶体管实现，可通过TTL电平信号进行控制，提供带有逻辑、快速切换的高压信号，从而控制大功率PIN二极管工作。此外，该控制电路还设计了稳压电路，能够为收发开关射频电路提供稳定的正压和负高压偏置供电，保证大功率工作条件下控制信号不受电磁干扰的影响。

如图5所示，一种大功率电子收发开关模块，其包括由盖板38、侧板35、镀银纯铜板32所组成的金属外壳，金属外壳中通过上隔板36分为上下两个隔腔，下隔腔又通过竖隔板37分为左右两个隔腔。射频电路板33承载射频电路，设于下隔腔中；控制电路板39承载控制电路，设于上隔腔中。射频电路板33的中部还嵌有陶瓷板34，镀银纯铜板32的底部还设有具有散热翅片的散热底座31。

陶瓷板和射频电路板先焊接在镀银纯铜板上，然后电装器件，电装完成后螺装到散热底座上，再依次装配侧板、竖隔板、上隔板、控制电路板以及盖板。

该模块中，陶瓷板位于射频电路板的中部，陶瓷板的一侧设置发射通路部分的大功率器件，陶瓷板的另一侧设置接收通路部分的大功率器件，竖隔板压在射频电路板上，实现发射通路部分和接收通路部分的良好隔离。

该模块采用了一种带隔腔的多层模块结构，可以实现良好的收发隔离，其核心大功率器件具有良好的散热，可以提高其功率容量，使收发开关能够承受2000W的连续波功率。该模块布局合理，结构紧凑，有利于实现模块的小型化。

总之，该模块的陶瓷板能够解决核心大功率器件的散热问题，从而提高了电子开关的功率容量。该模块通过隔腔实现良好的电磁屏蔽效果，能够提高收发隔离度和控制电路的电磁兼容性，提高收发隔离度，减小发信号时对接收设备的影响。此外，通过在射频电路中增加限幅电路，还可以保护接收端设备在异常情况下不损坏。

Claims (10)

1.一种大功率电子收发开关电路，包括射频电路和控制电路，其特征在于，所述射频电路包括发射输入端、接收输出端以及兼做发射输出端和接收输入端的公共端，发射输入端和公共端之间为发射通路，接收输出端和公共端之间为接收通路；所述公共端通过一电感接地，所述发射通路上从发射输入端到公共端顺次串联有第一隔直电容、第二隔直电容以及由多个正向设置的二极管串联组成的第一串联二极管组，所述接收通路上从公共端到接收输出端顺次串联有由多个反向设置的二极管串联组成的第二串联二极管组、第三隔直电容、第四隔直电容以及限幅电路；第一隔直电容和第二隔直电容之间以及第三隔直电容和第四隔直电容之间分别连接有一个第一二极管接地支路；发射通路中连接第一二极管接地支路的节点处，以及接收通路中第二串联二极管组的正极端分别连接有一第一供电配置电路，发射通路中第一串联二极管组的正极端，以及接收通路中连接第一二极管接地支路的节点处分别连接有一第二供电配置电路；第一串联二极管组的二极管数目与第二串联二极管组的二极管数目不相等；

所述控制电路包括12V电源输入端、-400V电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端以及TTL电平控制端，每一电源输入端与每一电源输出端之间均设有一开关三极管，所述第一电源输出端与第一供电配置电路连接，所述第二电源输出端与第二供电配置电路连接；所述TTL电平控制端用于控制每一开关三极管的开关状态。

2.根据权利要求1所述的一种大功率电子收发开关电路，其特征在于，所述第一串联二极管组的二极管数目为三个，所述第二串联二极管组的二极管数目为两个。

3.根据权利要求1所述的一种大功率电子收发开关电路，其特征在于，所述第一二极管接地支路由两个并联的二极管组成，且这两个二极管均负极接地。

4.根据权利要求1所述的一种大功率电子收发开关电路，其特征在于，所述限幅电路包括一电感接地支路和一第二二极管接地支路，第二二极管接地支路由两个并联的二极管组成，且这两个二极管在接地支路中的设置方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种大功率电子收发开关电路，其特征在于，所述第一供电配置电路和第二供电配置电路的结构相同，其从控制电路一侧至射频电路一侧包括顺次串联的并联电阻组、第一电感和第二电感，并联电阻组由两个并联电阻组成，并联电阻组和第一电感之间连接有两条电容接地支路，第一电感和第二电感之间也连接有两条电容接地支路。

6.根据权利要求1所述的一种大功率电子收发开关电路，其特征在于，所述开关三极管共有四个，分别为第一、第二P沟道开关管以及第一、第二N沟道开关管；所述控制电路还包括第一～第三多路反向驱动器，其中，第一多路反向驱动器的输入端与TTL电平控制端连接，第二多路反向驱动器的输入端与第一多路反向驱动器的正向输出端连接，第三多路反向驱动器的输入端与第一多路反向驱动器的反向输出端连接，第二多路反向驱动器的正向输出端通过一稳压电路与第一N沟道开关管的控制端连接，第二多路反向驱动器的反向输出端通过一稳压电路与第一P沟道开关管的控制端连接，第三多路反向驱动器的正向输出端通过一稳压电路与第二N沟道开关管的控制端连接，第三多路反向驱动器的反向输出端通过一稳压电路与第二P沟道开关管的控制端连接；第一N沟道开关管设于12V电源输入端与第一电源输出端之间，第一P沟道开关管设于-400V电源输入端与第一电源输出端之间，第二N沟道开关管设于12V电源输入端与第二电源输出端之间，第二P沟道开关管设于-400V电源输入端与第二电源输出端之间。

7.根据权利要求1所述的一种大功率电子收发开关电路，其特征在于，所述射频电路中，第一串联二极管组、第二串联二极管组以及第一二极管接地支路中的二极管均为大功率高反压PIN二极管，且第一串联二极管组中二极管的结电容大于第二串联二极管组中二极管的结电容。

8.根据权利要求4所述的一种大功率电子收发开关电路，其特征在于，所述第二二极管接地支路中的二极管均为限幅二极管。

9.一种大功率电子收发开关模块，包括金属外壳、控制电路板以及射频电路板，所述金属外壳的底部设有散热底座；其特征在于，所述控制电路板用于承载如权利要求1~8中任一项所述的控制电路，所述射频电路板用于承载如权利要求1~8中任一项所述的射频电路；所述金属外壳内部通过金属横隔板分为上、下两个腔，其中，上腔中设置控制电路板，下腔中设置射频电路板；所述射频电路板的中部嵌有陶瓷板，射频电路中的大功率器件设于陶瓷板上，陶瓷板底部与金属外壳相接触从而实现散热；射频电路中的发射通路部分和接收通路部分分布于射频电路板的两侧，下腔中还设有金属竖隔板，从而将发射通路部分和接收通路部分隔开。

10.根据权利要求9所述的一种大功率电子收发开关模块，其特征在于，所述陶瓷板位于射频电路板的中部，陶瓷板的一侧设置发射通路部分的大功率器件，陶瓷板的另一侧设置接收通路部分的大功率器件。

Images