CN102859888B - Rf开关 - Google Patents

Abstract

提供了将天线交替耦合至传送器放大器或接收器放大器的RF切换设备。示例性RF切换设备包括两个阀，一个用于天线和接收器放大器之间的接收器传输线路，而另一个则用于天线和功率放大器之间的传送器传输线路。每个阀可切换地耦合在接地端及其传输线路之间。当耦合至接地端时，流过该阀的电流使得传输线路的阻抗增加由此使对传输线路上的信号造成衰减。当从接地端脱离耦合时，传输线路的阻抗基本上不受影响。对该对阀进行控制以使得在一个阀开启时另一个阀关闭，且反之亦然，从而天线从功率放大器接收信号或者接收放大器从天线接收信号。

Description

RF开关

相关申请的交叉引用

本申请涉及于2009年4月22日提交的题为“Electronic Circuitsincluding a MOSFET and a Dual-Gate JFET and having a HighBreakdown Voltage”的美国临时专利申请No.61/171,689，于2008年2月13日提交的题为“High Breakdown Voltage Double-GateSemiconductor Device”的美国专利申请No.12/070,019，以及于2010年1月13日提交的题为“Electronic Circuits including a MOSFET and aDual-Gate JFET”的美国专利申请No.12/686,573，上述三者全部通过引用结合于此。

技术领域

本发明一般性地涉及半导体设备，并且更具体地涉及用于在RF应用中使用的射频(RF)开关。

背景技术

图1图示了耦合至天线110的现有技术的示例性收发器100。收发器100包括被配置为在功率放大器130和接收器放大器140之间进行切换的开关120，诸如固态单刀双掷开关。收发器100还包括部署在开关120和天线110之间的滤波器150。

在现有技术中，天线110有时耦合至各自包括开关120、功率放大器130和接收器放大器140的多个电路，其中每个这样的电路专用于特定频带。这里，收发器100例如对一个或多个高频带和/或一个或多个低频带进行处理。在这些实例中，滤波器150有选择地去除该电路专用的特定频带之外的频率。

功率放大器130所产生的大部分功率处于一些所期望的频率处，然而一些功率也会进入该主要频率的谐波中。因此，滤波器150的另一个功能是去除所传送信号的较高谐波以使得天线110仅以所期望的频率进行传送。

在操作中，收发器100通过将功率放大器130耦合至天线110来传送RF信号，并且通过将接收器放大器140耦合至天线110来接收RF信号。然而，将要意识到的是，由于功率放大器130和接收器放大器140都耦合至相同的开关120，所以开关120会无意地将高功率传送的RF信号耦合到接收器传输线路160上，该效应被称作寄生泄露。

此外，开关120需要能够应对功率放大器所产生的处于大约15至30伏范围内的高电压。这样的电压对于金属氧化物半导体(MOS)开关而言是过高而无法承受的。

发明内容

本发明的示例性制品包括半导体设备、收发器和通信设备。在各个实施例中，该制品使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术而完全实施于硅衬底上。示例性制品包括功率放大器、接收器放大器以及第一和第二传输线路。第一传输线路在功率放大器和天线端口之间延伸，而第二传输线路则在接收器放大器和天线端口之间延伸。示例性实施例还包括第一和第二阀。第一阀被配置为改变第一传输线路的阻抗，而第二阀则被配置为改变第二传输线路的阻抗。在示例性实施例中，第一和第二阀是可控的以使得当一个开启时另一个关闭。在各个实施例中，该制品附加地包括被配置为对第一和第二阀进行相反控制的控制逻辑。在该制品包括通信设备的那些实施例中，例如，该制品能够进一步包括耦合至天线端口的天线。

在各个实施例中，第一阀和/或第二阀能够包括双栅极半导体设备，其可被控制以将阀耦合至接地端或者使得阀从接地端脱离耦合以便分别开启和关闭阀。而且在各个实施例中，第一传输线路包括传输线路分段并且第一阀和/或第二阀可以包括都在节点处接合至第一传输线路的第一和第二线路。在这些实施例中，第一线路包括沿传输线路的分段部署的第一线路分段，并且第二线路包括沿传输线路的分段部署的第二线路分段。

在一些实施例中，示例性制品在功率放大器和天线之间并不包括用于去除主频率的谐波的滤波器，原因在于即使在第一传输线路上在工作频率周围的衰减微不足道时，整个电路也在高于功率放大器主频率的频率处在第一传输线路上引起了频率的强烈衰减。在各个实施例中，第一和/或第二阀具有小于0.5dB的插入损耗。而且在各个实施例中，第一阀能够在功率放大器的主频率处提供至少22dB的隔离。

本发明还提供了一种用于利用天线交替进行发送和接收的方法。一种示例性方法包括交替地从功率放大器向天线传送RF信号并且从天线接收RF信号。更具体地，在阻止耦合在接收器放大器和天线之间的接收器传输线路上的RF信号的同时在传送器传输线路上执行从功率放大器向天线传送RF信号的步骤。类似地，在阻止传送器传输线路上来自功率放大器的RF信号的同时在接收器传输线路上执行从天线接收RF信号的步骤。在各个实施例中，CMOS设备从功率放大器通过传送器传输线路向天线传送RF信号切换至接收器放大器通过接收器传输线路从天线接收RF信号。

在一些实施例中，阻止接收器传输线路上的RF信号包括将部署在接收器传输线路和接地端之间的第一阀保持为开启状态。同样，在一些实施例中，阻止传送器传输线路上来自功率放大器的RF信号的，包括将部署在传送器传输线路和接地端之间的第二阀保持为开启状态。在这些实施例中的一些中，第一和/或第二阀包括双栅极半导体设备，并且将阀保持为开启状态的步骤包括控制双栅极半导体设备的栅极以使得该双栅极半导体设备在其源极和漏极之间导通。控制双栅极半导体设备的栅极以使得该双栅极半导体设备在源极和漏极之间不导通使得阀关闭，以去除在相应传输线路上来自阀的阻抗，以允许从功率放大器到天线进行发送或者由接收器放大器从天线进行接收。

附图说明

图1是耦合至天线的现有技术的收发器的示意性表示。

图2是根据本发明示例性实施例的通信设备的示意性表示。

图3是根据本发明示例性实施例的阀的示意性表示。

图4是根据本发明示例性实施例的阀的线路分段布局的示意性表示。

图5是根据本发明另一个示例性实施例的阀的线路分段布局的示意性表示。

图6是根据本发明又一个示例性实施例的阀的线路分段布局的示意性表示。

图7是根据本发明另一个示例性实施例的阀的示意性表示。

图8是示出根据本发明示例性实施例的传输线路上由于处于“开启”状态的示例性阀而产生的作为信号频率的函数的衰减的示图。

图9是示出根据本发明示例性实施例的传输线路上由于处于“关闭”状态的示例性阀而产生的作为信号频率函数的衰减的示图。

图10是示出根据本发明示例性实施例的传送器传输线路上的整体衰减的示图。

图11是根据本发明示例性实施例的用于发送和接收信号的方法的流程图表示。

具体实施方式

本公开针对能够将天线交替耦合至传送器放大器或接收器放大器的RF开关设备。本公开还针对包括这样的RF开关设备的制品，诸如集成电路(IC)以及如个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、智能电话等的移动通信设备。本公开还针对操作RF开关设备的方法，以及集成有这样的RF开关设备的设备。

本发明的示例性RF开关设备包括两个阀，一个阀被配置为控制部署在天线和接收器放大器之间的接收器传输线路，而另一个阀则被配置为控制天线和功率放大器之间的传送器传输线路。如本文其它地方所特别定义的，阀包括可切换地将传输线路耦合至接地端的电路。当电路耦合至接地端时，流过该电路的电流使得传输线路的阻抗增大由此使得传输线路上的信号严重衰减。当从接地端脱离耦合时，传输线路的阻抗实质上不受影响并且由于该值存在信号衰减最小。对该对阀进行控制以使得当一个阀开启时另一个阀关闭，且反之亦然，从而天线从功率放大器接收信号或者接收放大器从天线接收信号。

图2是通信设备200的示意性表示，其包括天线110、功率放大器130、接收器放大器140、将功率放大器130耦合至天线110的传送器传输线路210，以及将接收器放大器140耦合至天线110的接收器传输线路220。设备200还包括分别耦合至传输线路210和220的阀230和240。此外，设备200包括被配置为对阀230、240进行控制的控制逻辑250。控制逻辑250被配置为接收控制线路260上的控制信号并且向两个阀230、240中的每一个输出相反信号。例如，根据控制信号，如果阀230接收到高电压，则阀240接收低电压，且反之亦然。控制逻辑250的简单示例是与非门(NAND gate)。

如图2所示，设备200可选地还包括耦合至阀230、240和天线110之间以及阀230、240和相应放大器130、140之间的传输线路210、220的阻抗匹配电路270。在一些实施例中，阻抗匹配电路270可以包括耦合在接地端和传输线路210、220上的节点之间的电容器，以及与该节点和相应阀230、240之间的传输线路210、220同轴(in-line)部署的电感器。

在设备200的一些实施例中，功率放大器130、接收器放大器140、阀230、240以及阻抗匹配电路250被部署在封装内的半导体芯片上。在这些实施例中，通过封装在天线110和传输线路210、220之间进行连接，例如，通过将芯片上的焊盘接合至封装上的焊盘，并且通过将封装上的焊盘接合至包括天线的电路板上的焊盘。在一些实施例中，芯片包括CMOS芯片。传输线路210、220的用于接合天线110的端子在这里被称作天线端口。虽然在图2中没有示出，但是天线端口处于传输线路210、220的交点处。

还将意识到的是，设备200可以附加地包括与图2所示的阀和放大器相并行的另外的阀和放大器以应对多个频带。例如，高频带和低频带可以由两个功率放大器130和两个接收器放大器140来供应，每个放大器具有到天线110的专用传输线路并且每个专用传输线路由专用阀进行控制。

开关将一侧上的天线端口(在许多现代情况下，天线印刷在电路板上或者印刷在电路板上所安装的具体衬底上)在一个位置连接到接收器的低噪声放大器的输入或者在其它位置连接到功率放大器的输出。

如本文所使用的，阀被定义为具有以下组件、配置和属性的电子电路。具体地，阀包括传输线路分段，在节点处结合至传输线路并且包括沿传输线路分段进行部署的分段的第一传导线路，以及能够将第一线路耦合至接地端或者使其从那里脱离耦合的开关。如本文所使用的，一个线路分段沿另一个线路分段进行部署，其中两个分段在一些共用路径上彼此相邻部署，其中该路径例如可以包括直线、曲线、8字形或方波图案。线路分段的示例性配置在图4-图6中示出。

第一和传输线路的分段被布置为使得当电流流过二者时，传输线路中的电流以一个方向流动而第一线路中的电流以相反方向流动。由于在第一和传输线路的分段中流动的电流以相反方向流动，并且由于第一线路的分段是沿传输线路的分段进行部署的，所以当电流流过二者时，传输线路的分段的阻抗与没有电流在第一线路中流动时相比有所增加。所增加的阻抗用来使得沿传输线路传播的信号发生衰减。

贯穿本公开，阀在电流流过第一线路时被认为是处于“开启”状态，否则就处于“关闭”状态。传输线路的阻抗和RF信号在传输线路上的衰减在阀开启时高，并且在阻抗阀关闭时低。传输线路上实际实现的阻抗取决于信号的频率以及线路分段对称性以及每个线路分段中流动的电流量的函数。

如本文所使用的，阀与现有技术的开关120的区别之处在于开关120将一个传输线路交替耦合至两个其它传输线路之一，而如本文所使用的阀则并不断开传输线路。如本文所使用的阀还与场效应晶体管(FET)有所区别。

图3示意性图示了示例性阀300。阀300包括传输线路310和第一线路330，该传输线路310包括传输线路分段320，该第一线路330包括沿传输线路分段320进行部署的第一线路分段340。可选地，阀300还包括沿传输线路分段320部署的第二线路350和第二线路分段360。将要理解的是，虽然线路分段320、340和360在图3中与其相应线路的其余部分区别表示，但是这些线路分段内的金属迹线的物理尺寸(宽度和厚度)可以与线路上的其它地方没有不同。

线路330、350在节点370处接合至传输线路310。阀300还包括开关380，其能够将线路330、350耦合至接地端或者与之脱离耦合。如所图示的，线路分段320和340以及可选地360被配置为使得当电流流过其中每一个时，流过第一和第二线路分段340、360的电流以一个方向流动而流过传输线路分段320的电流则以相反方向流动。在并不包括第二线路350的那些实施例中，并且当阀处于开启状态时，流过传输线路310和第一线路330的电流的每一个均大约为阀300所接收电流的一半。在包括第二线路350的那些实施例中，流过传输线路310的电流大约是阀300所接收电流的一半，而线路330、350的每一个中的电流大约是阀300所接收电流的四分之一。在阀300的一些实施例中，阀300具有小于0.5dB的插入损耗。优选地，从节点370到分段340、360的距离之间的任何路径长度差都应当是波长的整数倍，从而相位沿分段340、360得以被保持。

图4示出了阀的示例性部分。在该示例中，传输线路分段320包括具有在任一侧上沿传输线路分段320进行部署的第一和第二线路分段340、360的圆弧。在线路分段320、340、360的每一个中电流流动方向利用箭头示出。

线路分段320、340、360的长度类似于图4中的示例但是并不相等。将要意识到的是，可以通过使得每个弧线包含(subtend)不同角度而使得线路分段320、340、360的长度相等。圆弧的示例性直径为300μm至1mm。而且，图4中线路分段320、340、360的宽度相等，但是在一些实施例中，第一和第二线路分段340、360的宽度相同但是不同于传输线路分段320的宽度。在另外的实施例中，每个线路分段320、340、360的宽度不同。可以通过到绘制平面上方或下方的层中的迹线的过孔(vias)来形成到线路分段320、340、360的连接。线路分段320、340、360的示例性宽度从10μm到300μm。

图5示出了阀的另一个示例性部分。在该示例中，线路分段320、340、360包括层叠的圆弧，其中线路分段340和360通过处于传输线路分段320的上方和下方而沿传输线路分段320进行部署。在图5中，线路分段320、340、360以俯视图和截面图所示出。俯视图示出了能够连接至线路分段320、340、360中任一个的一对引线500。至线路分段340和360的连接可以通过过孔交替形成。每个线路分段320、340、360中的电流流动方向在截面图中示出。截面图还示出了线路分段320、340、360之间的电介质层510。在该实施例中，线路分段320、340、360的长度、宽度和厚度相同，然而，其它实施例并不局限于此。圆弧的示例性直径以及线路分段320、340、360的宽度同样分别为从300μm到1mm以及从10μm到300μm。

图6示出了阀的又另一个示例性部分。在该示例中，传输线路分段320包括8字形，其中线路分段340、360沿传输线路分段320进行部署。在该示例中，线路分段320、340、360的长度和厚度相同，而传输线路分段320的宽度则大于线路分段340、360的宽度。8字形的叶瓣的圆弧的示例性直径以及线路分段320、340、360的宽度同样分别为从300μm到1mm以及从10μm到300μm。

图7示意性图示了阀300的示例性实施例，其中开关380包括双栅极半导体设备，其包括源极和漏极并且由MOS栅710和结型栅400所控制。以上所提到的美国专利申请No.12/070,019公开了这样的配置。如美国专利申请No.12/070,019所提供的，MOS栅710和结型栅720通过控制电路耦合在一起，该控制电路在一些实例中可简单地包括电容器。将要意识到的是，单栅极半导体设备也能够被用于开关380。

图8是示出传输线路上由于处于“开启”状态的示例性阀而产生的作为信号频率函数的衰减的示图，而图9示出了针对“关闭”状态的类似示图。两幅示图覆盖了达6GHz的相同频率范围但是利用不同的垂直比例。在图8中，能够看出在阀开启时，1GHz处的衰减大约为10dB并且随频率减小而增大。当阀关闭时，在图9中，衰减在较低频率处基本上很小，在6GHz处达到约1.3dB。因此，在达到约2GHz的操作范围中，能够看到RF信号在传输线路上的衰减在阀关闭时是不明显的。另一方面，当阀开启时，来自功率放大器130的RF信号明显衰减。为了额外的衰减，例如能够串联布置多个阀。在一些实施例中，由开启的阀在功率放大器130的主频率处提供的隔离至少为22dB。

将要意识到的是，图8和图9所示出的示图示出了示例性阀在从整体电路的环境中去除时的表现。图10图示了传送器传输线路210在阀230关闭时的整体衰减，其中由于存在设备200的电路的其余部分而导致了图9和图10之间的差异。从图10能够看出，当功率放大器130以大约2GHz的频率进行传送时，信号不会被大幅衰减，然而，处于大约4GHz的第二谐波将严重衰减，甚至更高的谐波亦是如此。因此，由于传送器传输线路210即使在阀230开启时也会使得功率放大器130的主频率的频率之上的频率强烈衰减，所以包括图2的电路的制品可以不在功率放大器130和天线110之间包括滤波器来去除主频率的谐波。在这些实施例的一些中，在没有这样的滤波器的情况下，第二谐波的衰减至少为20dB。谐波量级越高，衰减就更为严重。例如，第三谐波的衰减在一些实例中可以为至少30dB。

图11提供了本发明的示例性方法1100的流程图表示。方法1100例如可以是对通信设备进行操作的方法，该通信设备包括耦合至包括RF开关设备的收发器的天线。方法1100在传送RF信号的步骤1110和接收RF信号的步骤1120这两个步骤之间提供了交替切换。

在传送RF信号的步骤1110中，RF信号通过传送器传输线路而从功率放大器传送至天线。步骤1110同时包括阻止耦合在接收器放大器和天线之间的接收器传输线路上的RF信号。当在这里参考信号使用“阻止”时，“阻止”被定义为表示利用承载信号的传输线路中电致阻抗进行衰减。因此，将要理解的是，如在图1所示的现有技术中，当通过断开接收器放大器130和天线110之间的电路径的开关120来防止传输线路上的信号到达接收器放大器130时，该开关并不阻止当前使用中的信号，即使开关120实际上防止了信号到达接收器放大器130。“阻止”的其它动词时态被类似地定义。

在步骤1120中，通过接收器传输线路从天线接收RF信号。步骤1120同时包括阻止传送器传输线路上来自功率放大器的RF信号。来自功率放大器的RF信号在功率放大器不进行传送时例如可以仅是噪声。

在任一步骤1110或1120中，在各个实施例中，阻止任一传输线路上的RF信号包括将阀保持为开启状态，其中该阀部署在传输线路和接地端之间。在这些实施例的一些中，阀包括双栅极半导体设备。在这些相同实施例中，将阀保持为开启状态包括对双栅极半导体设备的栅极进行控制以使得双栅极半导体设备在其源极和漏极之间导通。在另外的实施例中，CMOS设备将功率放大器在步骤1110中通过传送器传输线路向天线传送RF信号切换至接收器放大器在步骤1120通过接收器传输线路从天线接收RF信号。

在以上说明书中，参考其具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将会认识到本发明并不局限于此。以上所描述发明中的各个特征和方面可以单独或联合使用。另外，本发明可以在超出这里所描述的那些但是并不背离本说明书较为宽泛的精神和范围的任意多种环境和应用中得以利用。说明书和附图因此要被示为是说明性而非限制性的。将要认识到的是，如本文所使用的，术语“包括”、“包含”和“具有”特别地意在被作为本领域的开放式术语。

Claims (13)

1.一种开关设备，包括：

功率放大器；

接收器放大器；

在所述功率放大器和天线端口之间延伸的第一传输线路；

在所述接收器放大器和所述天线端口之间延伸的第二传输线路；

被配置为改变所述第一传输线路的阻抗的第一阀，所述第一传输线路包括传输线路分段，其中所述第一阀包括在节点处接合至所述第一传输线路并且包括沿所述传输线路分段部署的第一线路分段的第一线路，以及被配置为将所述第一线路耦合至接地端或者使其从所述接地端脱离耦合的开关；和

被配置为改变所述第二传输线路的阻抗的第二阀，所述第二传输线路包括传输线路分段，其中所述第二阀包括在节点处接合至所述第二传输线路并且包括沿所述传输线路的分段部署的第一线路分段的第一线路，以及被配置为将所述第一线路耦合至接地端或者使其从所述接地端脱离耦合的开关；

其中所述第一阀和所述第二阀是可控的以使得当一个开启时另一个关闭。

2.根据权利要求1所述的开关设备，还包括耦合至所述天线端口的天线。

3.根据权利要求1或2所述的开关设备，还包括被配置为对所述第一阀和所述第二阀进行相反控制的控制逻辑。

4.根据权利要求1或2所述的开关设备，其中所述第一阀包括双栅极半导体设备。

5.根据权利要求1或2所述的开关设备，并且所述第一阀还包括：

在所述节点处接合至所述第一传输线路并且包括沿所述第一传输线路的传输线路分段部署的第二线路分段的第二线路。

6.根据权利要求5所述的开关设备，其中所述开关包括双栅极半导体设备。

7.根据权利要求1或2所述的开关设备，其中所述开关设备在所述功率放大器和所述天线之间不包括用于去除主频率的谐波的滤波器。

8.根据权利要求1或2所述的开关设备，其中所述第一阀具有小于0.5dB的插入损耗。

9.根据权利要求1或2所述的开关设备，其中所述第一阀在所述功率放大器的所述主频率处提供的隔离至少为22dB。

10.一种方法，包括：

通过传送器传输线路从功率放大器向天线传送RF信号，同时阻止耦合在接收器放大器和所述天线之间的接收器传输线路上的所述RF信号，其中阻止所述接收器传输线路上的RF信号包括将部署在所述接收器传输线路和接地端之间的第一阀保持为开启状态；并且随后切换至

通过所述接收器传输线路从所述天线接收RF信号，同时阻止所述传送器传输线路上来自所述功率放大器的RF信号，其中阻止所述传送器传输线路上来自所述功率放大器的RF信号包括将部署在所述传送器传输线路和接地端之间的第二阀保持为开启状态，

其中所述传送器传输线路包括传输线路分段，并且其中所述第二阀包括在节点处接合至所述传送器传输线路并且包括沿所述传输线路分段部署的第一线路分段的第一线路，以及被配置为将所述第一线路耦合至接地端或者使其从所述接地端脱离耦合的开关，并且

其中所述接收器传输线路包括传输线路分段，并且其中所述第一阀包括在节点处接合至所述接收器传输线路并且包括沿所述传输线路分段部署的第一线路分段的第一线路，以及被配置为将所述第一线路耦合至接地端或者使其从所述接地端脱离耦合的开关。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述阀包括双栅极半导体设备，并且将所述阀保持为开启状态包括控制所述双栅极半导体设备的栅极以使得所述双栅极半导体设备在其源极和漏极之间导通。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中CMOS设备从所述功率放大器通过所述传送器传输线路向所述天线传送RF信号切换至所述接收器放大器通过所述接收器传输线路从所述天线接收RF信号。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其中阻止所述接收器传输线路上的RF信号在所述功率放大器的主频率处提供至少22dB的隔离。