CN101420055A - 一种基于e phemt的单刀双掷开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波电路技术领域，公开了一种基于增强型(enhancement－mode)PHEMT的单刀双掷微波开关。该微波开关包括六个增强型场效应晶体管、六个限流电阻、三个隔直电容、五段微带线和两个电压控制端。这种基于E PHEMT的单刀双掷微波开关，采用串并联结构微波开关以及基于E/D HEMT的DCFL反相器，利用反相器的输入/输出信号分别控制两个传输路径的导通和关断，并获得了良好的微波开关性能。利用本发明，实现了正向电压(0～1V)控制开关状态，实现了正电源供电的控制电路实现单片集成。
Description
技术领域
本发明涉及微电子中微波电路技术领域，尤其涉及一种基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(enhancement—mode PHEMT，E PHEMT)的单刀双掷微波开关。
背景技术
微波开关控制电路能够实现微波信号传输路径的通断或转换，广泛应用于移动通信、微波测量、微波中继、雷达、卫星通信等领域，是一种重要的控制电路，有着广阔的市场前景。
常用的开关元件包括PIN二极管和场效应晶体管。PIN需要较大的激励电流，多用于控制大功率；而GaAs FET作微波开关，其偏置电路简单，驱动电路功率小，宽带特性好和功率容量大，开关速度达到亚毫微秒量级，适于制作单片集成电路。
PHEMT开关的栅极是控制电压的输入端，控制PHEMT开启或关断。源漏之间的阻抗受栅极电压的控制，当PHEMT处于开启状态时，沟道导通，源漏之间是一个低阻抗的通路；当PHEMT处于关断状态时，沟道截止，直流功率约为微瓦量级，源漏之间是一个高阻抗的断路。微波开关按功能分为两种：一种实现微波信号传输路径的通断，例如单刀单掷开关(SPST)；另一种是实现微波信号传输路径的转换，例如单刀双掷开关(SPDT)，SPDT可以看成由两个SPST并联而成，两个支路分别处于导通和截止状态，微波信号经导通的支路传输到输出端，SPDT多用于发射机和接收机公用天线的收发转换，以及雷达多波束的转换控制。
常规的微波开关采用耗尽型FET作为开关元件，需要负电压使FET处于关断状态，偏置电路复杂。如图1所示，图1为常规的基于耗尽型FET的单刀双掷开关的示意图。而对于增强型GaAs PHEMT来说，当栅压小于阈值电压时，沟道关断，此时阈值电压Vth>0V；当栅压大于阈值电压时，沟道开启。
如图2和图3所示，图2为耗尽型PHEMT的IV曲线，图3为增强型PHEMT的IV曲线。
由此可以看出，基于增强型GaAs PHEMT的微波开关只需要正电压，易与其它正电压供电的电路实现单片集成，由此可以提高集成度，降低成本。因此，基于增强型PHEMT的微波单片集成开关电路具有良好的应用前景。
而单刀双掷微波开关需要两路信号，分别控制传输路径的开启和关断。常规微波开关的控制电路较复杂，而利用基于E/D HEMT工艺的DCFL反相器的输入输出信号作为微波开关的控制信号，既简化了控制电路形式，又提高了工艺兼容度。实现了单片集成微波开关及其简单的控制电路，从而提高了集成度，降低了成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
常规的基于FET的微波开关，均利用耗尽型FET作为开关器件。耗尽型FET在栅极电压为0V时，沟道导通，处于低阻抗状态；当栅极电压负向增加至夹断电压时，沟道关闭，处于高阻抗状态，因而需要两个控制电压分别为0V和负电压。
当控制电路和其它微波电路采用正向电压供电时，由于基于耗尽型的微波开关和这些电路的电源不同，不利于单片集成，从而给电路的设计和实现带来诸多困难。
基于增强型PHEMT的单刀双掷微波开关，是为了使微波开关和采用正向电压供电的控制电路和其它微波电路更好的实现单片集成，提高集成度和可实现性，降低设计的复杂度和成本。
基于E/D HEMT工艺的DCFL反相器的输入输出信号和基于增强型PHEMT的单刀双掷微波开关的控制电平相容，可以作为微波开关的控制信号。这样既简化了控制电路形式，又提高了工艺兼容度，从而实现了单片集成微波开关及其简单的控制电路。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于E PHEMT的单刀双掷微波开关，该微波开关包括六个EPHEMT、六个限流电阻、三个隔直电容、五段微带线和两个电压控制端；
所述第一电压控制端V1的正极通过第一限流电阻R1与第一增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(E PHEMT1)的栅极连接，通过第五限流电阻R5与第五增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(E PHEMT5)的栅极连接，通过第六限流电阻R6与第六增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(E PHEMT6)的栅极连接；
所述第二电压控制端V2的正极通过第二限流电阻R2与第二增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(E PHEMT2)的栅极连接，通过第三限流电阻R3与第三增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(E PHEMT3)的栅极连接，通过第四限流电阻R4与第四增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(E PHEMT4)的栅极连接；
所述E PHEMT1的源极直接与E PHEMT4的漏极连接，通过第二微带线L2与E PHEMT3的漏极连接，并通过第二微带线L2和第三微带线L3与第二隔直电容C2连接；所述第二隔直电容C2的另一端接第一信号输出端RF OUT1；
所述E PHEMT2的源极直接与E PHEMT5的漏极连接，通过第四微带线L4与E PHEMT6的漏极连接，并通过第四微带线L4和第五微带线L5与第三隔直电容C3连接；所述第三隔直电容C3的另一端接第二信号输出端RF OUT2；
所述E PHEMT1、E PHEMT2的漏极通过第一微带线L1与第一隔直电容C1连接；所述第一隔直电容C1的另一端接信号输入端RF IN；
所述E PHEMT3、E PHEMT4、E PHEMT5、E PHEMT6的源极以及第一电压控制端V1、第二电压控制端V2的负极均接地。
上述方案中，所述E PHEMT3的漏极通过第三微带线L3与第二隔直电容C2连接，所述E PHEMT6的漏极通过第五微带线L5与第三隔直电容C3连接。
上述方案中，该微波开关进一步包括由第一耗尽型赝配高电子迁移率场效应晶体管(D PHEMT1)、第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管(E PHEMT7)构成的基于增强/耗尽PHEMT的直接耦合场效应晶体管逻辑(DCFL)反相器，该DCFL反相器利用第一电压控制端V1的输入信号/第二电压控制端V2的输出信号分别控制两个传输路径的开启和关断。
上述方案中，所述第一耗尽型赝配高电子迁移率场效应晶体管DPHEMT1的栅极与源极连接，该D PHEMT1处于开启状态，漏极连接于直流电压V3。
上述方案中，所述第一耗尽型赝配高电子迁移率场效应晶体管DPHEMT1的栅极、源极与第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管EPHEMT7的漏极、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4连接，提供电压V2。
上述方案中，所述第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管EPHEMT7的源极接地。
上述方案中，所述第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管EPHEMT7的栅极与第一电压控制端V1的正极、第一限流电阻R1、第五限流电阻R5、第六限流电阻R6连接。
上述方案中，当DCFL反相器的E PHEMT7栅极电压V1为1V时，该E PHEMT7处于导通状态，反相器输出V2为低电平；当DCFL反相器的E PHEMT7栅极电压V1为阈值电压时，该E PHEMT7处于关断状态，反相器输出V2为高电平。
上述方案中，对于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT，所述阈值电压为0～0.2V。
上述方案中，微波开关采用串并联形式：当V1为高电平，V2为低电平时，串联E PHEMT1处于导通状态，串联E PHEMT2处于关闭状态，并联E PHEMT3、E PHEMT4处于关闭状态，并联E PHEMT5、E PHEMT6处于导通状态时，微波开关的第一信号输出端RF OUT1支路处于导通状态，插入损耗低，RF信号从信号输入端RF IN传输到第一信号输出端RFOUT1；微波开关的第二信号输出端RF OUT2支路处于关断状态，隔离度高，RF信号不能从信号输入端RF IN传输到第二信号输出端RF OUT2；当V1为低电平，V2为高电平时，串联E PHEMT1处于关断状态，串联EPHEMT2处于导通状态，并联E PHEMT3、E PHEMT4处于导通状态，并联E PHEMT5、E PHEMT6处于关闭状态时，微波开关的第一信号输出端RF OUT1支路处于关断状态，隔离度高，RF信号不能从信号输入端RF IN传输到第一信号输出端RF OUT1；微波开关的第二信号输出端RF OUT2支路处于导通状态，插入损耗低，RF信号从信号输入端RF IN传输到第二信号输出端RF OUT2。
这种基于E PHEMT的单刀双掷微波开关，采用串并联结构微波开关以及基于E/D HEMT的DCFL反相器，利用反相器的输入输出信号分别控制两个传输路径的导通和关断，并获得了良好的微波开关性能，实现了正电源供电的控制电路实现单片集成。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、当控制电路和其它微波电路采用正向电压供电时，由于基于耗尽型的微波开关和这些电路的电源不同，不利于单片集成，从而给电路的设计和实现带来诸多困难。本发明提供的这种基于增强型PHEMT的单刀双掷微波开关，只需要0V和正电压作为导通和关断的控制电平，使微波开关和采用正向电压供电的控制电路和其它微波电路更好的实现单片集成，提高集成度和可实现性，降低设计的复杂度和成本。
2、本发明提供的这种基于增强型PHEMT的单刀双掷微波开关，其基于E/D HEMT工艺的DCFL反相器的输入输出信号和基于增强型PHEMT的单刀双掷微波开关的控制电平相容，可以作为微波开关的控制信号。这样既简化了控制电路形式，又提高了工艺兼容度，从而实现了单片集成微波开关及其简单的控制电路。
附图说明
图1为常规的基于耗尽型FET的单刀双掷开关的示意图；
图2为耗尽型PHEMT的IV曲线；
图3为增强型PHEMT的IV曲线；
图4为本发明提供的基于增强型PHEMT的单刀双掷微波开关及其控制电路的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图4所示，图4为本发明提供的基于增强型PHEMT的单刀双掷微波开关及其控制电路的示意图。该微波开关包括六个E PHEMT、六个限流电阻、三个隔直电容、五段微带线和两个电压控制端。
所述第一电压控制端V1的正极通过第一限流电阻R1与E PHEMT1的栅极连接，通过第五限流电阻R5与E PHEMT5的栅极连接，通过第六限流电阻R6与E PHEMT6的栅极连接。
所述第二电压控制端V2的正极通过第二限流电阻R2与E PHEMT2的栅极连接，通过第三限流电阻R3与E PHEMT3的栅极连接，通过第四限流电阻R4与E PHEMT4的栅极连接。
所述E PHEMT1的源极直接与E PHEMT4的漏极连接，通过第二微带线L2与E PHEMT3的漏极连接，并通过第二微带线L2和第三微带线L3与第二隔直电容C2连接；所述第二隔直电容C2的另一端接第一信号输出端RF OUT1。
所述E PHEMT2的源极直接与E PHEMT5的漏极连接，通过第四微带线L4与E PHEMT6的漏极连接，并通过第四微带线L4和第五微带线L5与第三隔直电容C3连接；所述第三隔直电容C3的另一端接第二信号输出端RF OUT2。
所述E PHEMT1、E PHEMT2的漏极通过第一微带线L1与第一隔直电容C1连接；所述第一隔直电容C1的另一端接信号输入端RF IN。
所述E PHEMT3、E PHEMT4、E PHEMT5、E PHEMT6的源极以及第一电压控制端V1、第二电压控制端V2的负极均接地。
所述E PHEMT3的漏极通过第三微带线L3与第二隔直电容C2连接，所述E PHEMT6的漏极通过第五微带线L5与第三隔直电容C3连接。
该微波开关进一步包括由D PHEMT1、E PHEMT7构成的DCFL反相器，该DCFL反相器利用第一电压控制端V1的输入信号/第二电压控制端V2的输出信号分别控制两个传输路径的开启和关断。
所述D PHEMT1的栅极与源极连接，该D PHEMT1处于开启状态，漏极连接于直流电压V3。
所述D PHEMT1的栅极、源极与E PHEMT7的漏极、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4连接，提供电压V2。
所述E PHEMT7的源极接地，栅极与第一电压控制端V1的正极、第一限流电阻R1、第五限流电阻R5、第六限流电阻R6连接。
当DCFL反相器的E PHEMT7栅极电压V1为1V时，该E PHEMT7处于导通状态，反相器输出V2为低电平；当DCFL反相器的E PHEMT7栅极电压V1为阈值电压时，该E PHEMT7处于关断状态，反相器输出V2为高电平。对于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT，所述阈值电压为0～0.2V。
本发明提供的这种基于增强型PHEMT的单刀双掷开关电路，其工作原理如下：微波开关采用串并联形式，当V1为高电平，V2为低电平时，串联E PHEMT1处于导通状态，串联E PHEMT2处于关闭状态，并联EPHEMT3、E PHEMT4处于关闭状态，并联E PHEMT5、E PHEMT6处于导通状态时，微波开关的RF OUT1支路处于导通状态，插入损耗低，RF信号从信号输入端RF IN传输到第一信号输出端RF OUT1；微波开关的第二信号输出端RF OUT2支路处于关断状态，隔离度高，RF信号不能从信号输入端RF IN传输到第二信号输出端RF OUT2；当V1为低电平，V2为高电平时，串联E PHEMT1处于关断状态，串联E PHEMT2处于导通状态，并联E PHEMT3、E PHEMT4处于导通状态，并联E PHEMT5、EPHEMT6处于关闭状态时，微波开关的第一信号输出端RF OUT1支路处于关断状态，隔离度高，RF信号不能从信号输入端RF IN传输到第一信号输出端RF OUT1；微波开关的第二信号输出端RF OUT2支路处于导通状态，插入损耗低，RF信号可以从信号输入端RF IN传输到第二信号输出端RF OUT2。
这种基于E PHEMT的单刀双掷微波开关，采用串并联结构微波开关以及基于E/D HEMT的DCFL反相器，利用反相器的输入输出信号分别控制两个传输路径的导通和关断，并获得了良好的微波开关性能，实现了正电源供电的控制电路实现单片集成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，该微波开关包括六个E PHEMT、六个限流电阻、三个隔直电容、五段微带线和两个电压控制端；
所述第一电压控制端V1的正极通过第一限流电阻R1与第一增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT1的栅极连接，通过第五限流电阻R5与第五增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT5的栅极连接，通过第六限流电阻R6与第六增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT6的栅极连接；
所述第二电压控制端V2的正极通过第二限流电阻R2与第二增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT2的栅极连接，通过第三限流电阻R3与第三增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT3的栅极连接，通过第四限流电阻R4与第四增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT4的栅极连接；
所述E PHEMT1的源极直接与E PHEMT4的漏极连接，通过第二微带线L2与E PHEMT3的漏极连接，并通过第二微带线L2和第三微带线L3与第二隔直电容C2连接；所述第二隔直电容C2的另一端接第一信号输出端RF OUT1；
所述E PHEMT2的源极直接与E PHEMT5的漏极连接，通过第四微带线L4与E PHEMT6的漏极连接，并通过第四微带线L4和第五微带线L5与第三隔直电容C3连接；所述第三隔直电容C3的另一端接第二信号输出端RF OUT2；
所述E PHEMT1、E PHEMT2的漏极通过第一微带线L1与第一隔直电容C1连接；所述第一隔直电容C1的另一端接信号输入端RFIN；
所述E PHEMT3、E PHEMT4、E PHEMT5、E PHEMT6的源极以及第一电压控制端V1、第二电压控制端V2的负极均接地。
2、根据权利要求1所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，
所述E PHEMT3的漏极通过第三微带线L3与第二隔直电容C2连接，所述E PHEMT6的漏极通过第五微带线L5与第三隔直电容C3连接。
3、根据权利要求1所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，该微波开关进一步包括由第一耗尽型赝配高电子迁移率场效应晶体管D PHEMT1、第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT7构成的基于增强/耗尽PHEMT的直接耦合场效应晶体管逻辑DCFL反相器，该DCFL反相器利用第一电压控制端V1的输入信号/第二电压控制端V2的输出信号分别控制两个传输路径的开启和关断。
4、根据权利要求3所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，所述第一耗尽型赝配高电子迁移率场效应晶体管D PHEMT1的栅极与源极连接，该D PHEMT1处于开启状态，漏极连接于直流电压V3。
5、根据权利要求3所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，所述第一耗尽型赝配高电子迁移率场效应晶体管D PHEMT1的栅极、源极与第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT7的漏极、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4连接，提供电压V2。
6、根据权利要求3所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，所述第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT7的源极接地。
7、根据权利要求3所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，所述第七增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT7的栅极与第一电压控制端V1的正极、第一限流电阻R1、第五限流电阻R5、第六限流电阻R6连接。
8、根据权利要求3所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，当DCFL反相器的EPHEMT7栅极电压V1为1V时，该E PHEMT7处于导通状态，反相器输出V2为低电平；当DCFL反相器的E PHEMT7栅极电压V1为阈值电压时，该E PHEMT7处于关断状态，反相器输出V2为高电平。
9、根据权利要求8所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，对于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT，所述阈值电压为0～0.2V。
10、根据权利要求1所述的基于增强型赝配高电子迁移率场效应晶体管E PHEMT的单刀双掷微波开关，其特征在于，微波开关采用串并联形式：
当V1为高电平，V2为低电平时，串联E PHEMT1处于导通状态，串联E PHEMT2处于关闭状态，并联E PHEMT3、E PHEMT4处于关闭状态，并联E PHEMT5、E PHEMT6处于导通状态时，微波开关的第一信号输出端RF OUT1支路处于导通状态，插入损耗低，RF信号从信号输入端RF IN传输到第一信号输出端RF OUT1；微波开关的第二信号输出端RFOUT2支路处于关断状态，隔离度高，RF信号不能从信号输入端RF IN传输到第二信号输出端RF OUT2；
当V1为低电平，V2为高电平时，串联E PHEMT1处于关断状态，串联E PHEMT2处于导通状态，并联E PHEMT3、E PHEMT4处于导通状态，并联E PHEMT5、E PHEMT6处于关闭状态时，微波开关的第一信号输出端RF OUT1支路处于关断状态，隔离度高，RF信号不能从信号输入端RFIN传输到第一信号输出端RF OUT1；微波开关的第二信号输出端RF OUT2支路处于导通状态，插入损耗低，RF信号从信号输入端RF IN传输到第二信号输出端RF OUT2。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20090429 |