CN103746680A

CN103746680A - 射频开关

Info

Publication number: CN103746680A
Application number: CN201310752584.3A
Authority: CN
Inventors: 程鹏志; 王文申
Original assignee: BEIJING LANGBO XINWEI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING LANGBO XINWEI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103746680B

Abstract

本发明公开了一种射频开关。该射频开关是一种新型的用CMOS管子实现射频开关功能的电路，该射频开关包括：发射端；接收端；天线端；以及匹配电路。该匹配电路与发射端、接收端和天线端中任意一个和多个相连接，通过优化匹配电路，从而实现开关功能。通过本发明，降低了CMOS管子直接做射频开关的损耗，降低了成本。

Description

射频开关

技术领域

本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种射频开关。

背景技术

目前手持设备（手机，平板电脑等）的全球移动通信系统（Global System for Mobile communication，简称为GSM）功放基本都由三种工艺的半导体芯片裸片组成：GaAs HBT裸片（实现功率的输出），互补型金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，简称为CMOS）工艺裸片（实现逻辑、控制等方面的功能），而另外一个实现开关功能的裸片。

图1是根据相关技术的开关示意图。图2是根据相关技术的开关在TX状态下工作原理示意图。图3是根据相关技术的开关在RX状态下工作原理示意图。

相关技术的GSM开关如图1所示，图中RX是手持设备的接收端，TX是手持设备的发射端，通常是GSM功率放大器的功率输出端，在本文档中均是GaAs HBT裸片经过模块内部的匹配电路后的输出，而ANT是手持设备的天线。图中用虚线圆圈圈起来的部分代表开关，传统做法是某种工艺（pHEMT或者SOI）的三极管。

在发射状态下，开关通过控制逻辑电平掷到圆圈中的2端，从TX端发射的能量（图中P_TX）经过开关到达ANT端（图中的P_ANT），同时会有少量能量从TX端泄漏到RX端（图中的P_RX）；在接收状态下，开关通过控制逻辑电平掷到圆圈中的1端，从ANT端接收的能量（图中的P_ANT）经过开关到达RX端（图中的P_RX），同时会有少量能量泄漏到TX端（图中的P_TX）；另外还有部分能量被开关自身损耗了。

由此可见，要保证整个模块工作正常，不论发射还是接收状态，导通端（在发射状态下为ANT端，接收状态下为RX端）获得的能量需要接近于输入到开关的能量，一般用插入损耗（insertion loss）来衡量；而泄漏到隔离端（发射状态下为RX，接收状态为TX）的能量需要尽可能小，该指标一般用隔离（isolation）来衡量。同时，开关自身损耗的能量需要尽可能小。另外，根据GSM协议，最大发射功率可以达到33±3dBm，此功率全部加载在开关上，就需要开关在发射状态下能够承受这么大的功率。

目前开关功能的裸片流行的工艺是GaAs pHEMT和SOI，这两种工艺都能够实现前面提到的开关的要求。但是GaAs pHEMT工艺做开关不利于集成，同时成本都比较高。SOI工艺做开关的缺陷在于其高昂的成本。而CMOS工艺虽然廉价，同时也容易集成，但是如果直接用CMOS管子的on/off性能做成开关，由于CMOS工艺衬底不是绝缘体，损耗在开关的能量会比较大，导致插损指标达不到要求，同时CMOS管子无法承受GSM最大功率输出。

针对相关技术中射频开关能量损耗比较大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种射频开关，以解决相关技术中射频开关能量损耗比较大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种射频开关。该射频开关包括：发射端；接收端；天线端；以及匹配电路，与发射端、接收端和天线端中任意一个和多个相连接。

进一步地，匹配电路包括：第一匹配电路，与发射端相连接；第二匹配电路，与接收端相连接；以及第三匹配电路，与天线端相连接。

进一步地，第一匹配电路的第一端与发射端相连接，第二匹配电路的第一端与接收端相连接，第三匹配电路的第一端与第一匹配电路的第二端和第二匹配电路的第二端分别相连接，第二匹配电路的第二端与天线端相连接。

进一步地，射频开关还包括CMOS管，CMOS管的漏极连接至第一匹配电路和发射端之间的节点，CMOS管的漏极的栅极连接至控制电压，CMOS管的源极接地。

进一步地，射频开关还包括电感，电感的第一端连接至发射端，电感的第二端连接至第一匹配电路。

进一步地，射频开关还包括：第一支路和第二支路，并联在发射端和第一匹配电路之间，其中，电感设置在第一支路上，CMOS管和电容串联设置在第二支路上。

进一步地，CMOS管的漏极连接至发射端，CMOS管的源极连接至电容，CMOS管的栅极连接至控制电压。

通过本发明，采用包括以下结构的射频开关：发射端；接收端；天线端；以及匹配电路，与发射端、接收端和天线端中任意一个和多个相连接，解决了相关技术中射频开关能量损耗比较大的问题，进而达到了降低射频开关能量损耗的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的开关示意图；

图2是根据相关技术的开关在TX状态下工作原理示意图；

图3是根据相关技术的开关在RX状态下工作原理示意图；

图4是根据本发明一实施例的射频开关的开关电路的示意图；以及

图5是根据本发明又一实施例的射频开关的开关电路的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种射频开关。该射频开关包括：发射端RX、接收端TX、天线端和匹配电路，其中，匹配电路与发射端、接收端和天线端中任意一个和多个相连接。

本发明实施例采用一种新型的方法用CMOS实现开关功能，避免了插损大和功率承压不够的问题，同时易于集成，成本低廉。

图4是根据本发明一实施例的射频开关的开关电路的示意图。

如图4所示，在本发明实施例中，在TX，RX和ANT端各自加了一匹配电路（图中的Matching circuit of TX，Matching circuit of RX和Matching circuit of ANT），这里所有的匹配网络均为电感和电容等无源器件通过串联或者并联搭成的电路，为无源网络。TX端在图中已分解为HBT die（即GaAs HBT裸片）和TX端匹配网络（Matching circuit of TX）。而在RX端口接了一个CMOS管子，其S级接地，D级接到RX端，而G级通过控制电平。通过设置控制电平的高低，使CMOS管子工作在可变电阻区和截止区，即CMOS管子处于开关状态，后文直接以CMOS ON和CMOS OFF代表这两种状态。

在发射状态，GaAs HBT裸片工作（PA ON），CMOS管子处于ON状态，等效于与地短路，此时TX端对应的输入阻抗（图中的Ztx）为Z_{TX_PAON}，RX端的输入阻抗（图中的Zrx）为Z_{RX_PAON}。在接收状态，GaAs HBT裸片不工作（PA OFF），CMOS管子处于OFF状态，等效于与地开路，此时TX端对应的输入阻抗（Ztx）为Z_{TX_PAOFF}，RX端对应的阻抗（Zrx）为Z_{RX_PAOFF}。由于发射和接收状态下TX和RX端有源器件（HBT和CMOS管子）的状态是不同的，应此发射和接收状态下的阻抗也是不同的，即Z_{TX_PAON}≠Z_{TX_PAOFF}，Z_{RX_PAON}≠Z_{RX_PAOFF}。ANT端一般只有无源器件，因此在发射和接收状态下阻抗不变，统一用Z_ANT。

本发明的关键在于，通过调整和优化三个匹配电路（Matching Circuit of TX，Matching Circuit of RX和Matching circuit of ANT）使其满足以下阻抗关系：

在发射状态下：

|Z_{RX_PAON}|>>|Z_ANT| （1）

Z_PA=Z_opt （2）

Z_opt是HBT功率输出对应的最佳匹配阻抗。

在接收状态下：

|Z_{TX_PAOFF}|>>|Z_{RX_PAOFF}| （3）

在以上公式中，条件“>>”表示阻抗10倍以上。

满足条件（1），则发射状态下，根据阻抗关系TX发射的功率大部分会流到ANT端，而泄漏到RX端的功率会非常小。即

|P_RX|/|P_TX|很小，能够满足发射状态下插入损耗和隔离的要求。同时CMOS管子承受的功率不会超过RX端的功率，即承受的功率也会非常小。满足条件（2），能够保证发射输出性能最佳（功率，效率最佳）。

而在接收状态下，如满足条件（3），根据阻抗关系，ANT端接收的功率大部分会流到RX端，泄漏到TX端的功率会非常小。即

|P_TX|/|P_RX|很小，能够满足接收状态下的插损和隔离要求。接收状态下的ANT端的功率不会很大（正常情况下<0dBm）,在CMOS管子承受功率范围之内。

图5给出了另外一种形式的电路也可以满足条件（1），（2），（3）。其中CMOS管子与C1串联后再与L1并联。调整C1和L1的值使其在所需频率上实现谐振。CMOS管子工作在可变电阻区和截止区，即处于开关状态，当CMOS管子处于“ON”状态时，则L1和C1处于并联谐振状态，则Z_{TX_PAON}处于高阻，则满足条件（1），而调整另外两个匹配电路可以实现条件（2）；当CMOS管子处于“OFF”状态时，相当于C1断开，只有L1和RX端口相连，调整匹配网络则可以满足条件（3）。因此该电路也可以实现开关功能。

本发明采用匹配网络来实现开关功能。与传统的开关相比，本发明只采用了一个CMOS管实现开关功能，结构简单，并且该管可以方便的集成到GSM模块内用于控制逻辑的CMOS裸片中，占用的裸片的面积会非常小，因此成本也会很低。另一方面，由于匹配网络均是由电感或者电容等储能元件构成，消耗在开关的功率会非常小，插损可以做的很小。

在本发明实施例中，通过优化匹配网络，而不是直接用单管，使其满足一定的阻抗要求，从而实现开关功能，而且，在本发明实施例中，给出了两种可行的电路（如图4和图5），能够满足所需的阻抗要求。

以下对本发明实施例中涉及到的术语解释如下：

匹配网络：实现阻抗变换，即将给定的阻抗值变换成其他更合适的阻抗值的无源网络；

插入损耗（insertion loss）：传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，它表示为该元件或器件插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值。在本发明实施例中，指开关在打开状态下对输入功率的衰减。

隔离度（isolation）：在本发明实施例中，指开关在关断状态下对输入功率的衰减。

TX：transmitter的简写，在本发明实施例中指发射端，在GSM系统中需要在天线口输出最大33±3dBm的功率。

RX：receiver的简写，在本发明实施例中指接收端。

ANT：antenna的简写，在本发明实施例中指天线端。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例降低了射频开关的能量损耗。本发明实施例提供的射频开关是一种新型的用CMOS管子实现射频开关功能的电路，该射频开关包括：发射端；接收端；天线端；以及匹配电路。该匹配电路与发射端、接收端和天线端中任意一个和多个相连接，通过优化匹配电路，从而实现开关功能。通过本发明，降低了CMOS管子直接做射频开关的损耗，降低了成本。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种射频开关，其特征在于，包括：

发射端；

接收端；

天线端；以及

匹配电路，与所述发射端、所述接收端和所述天线端中任意一个和多个相连接。

2.根据权利要求1所述的射频开关，其特征在于，所述匹配电路包括：

第一匹配电路，与所述发射端相连接；

第二匹配电路，与所述接收端相连接；以及

第三匹配电路，与所述天线端相连接。

3.根据权利要求2所述的射频开关，其特征在于，

所述第一匹配电路的第一端与所述发射端相连接，

所述第二匹配电路的第一端与所述接收端相连接，

所述第三匹配电路的第一端与所述第一匹配电路的第二端和所述第二匹配电路的第二端分别相连接，所述第二匹配电路的第二端与所述天线端相连接。

4.根据权利要求3所述的射频开关，其特征在于，还包括CMOS管，所述CMOS管的漏极连接至所述第一匹配电路和所述发射端之间的节点，所述CMOS管的漏极的栅极连接至控制电压，所述CMOS管的源极接地。

5.根据权利要求3所述的射频开关，其特征在于，还包括电感，所述电感的第一端连接至所述发射端，所述电感的第二端连接至所述第一匹配电路。

6.根据权利要求5所述的射频开关，其特征在于，还包括：

第一支路和第二支路，并联在所述发射端和所述第一匹配电路之间，

其中，所述电感设置在所述第一支路上，所述CMOS管和所述电容串联设置在所述第二支路上。

7.根据权利要求6所述的射频开关，其特征在于，所述CMOS管的漏极连接至所述发射端，所述CMOS管的源极连接至所述电容，所述CMOS管的栅极连接至控制电压。