CN108540114A - 一种高功率射频开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率射频开关，包括串联单元，变压器单元和并联单元，串联单元的输入端连接射频输入信号端口，控制端连接VC控制信号端口，输出端连接射频输出信号端口；变压器单元的初级线圈正极连接射频输出信号端口，负极接地，次级线圈正极连接并联单元，负极接地；并联单元的控制端口连接VCF控制信号端口，另一端口接地；所述VC控制信号和VCF控制信号是一对反相信号。优点：1）设有变压器单元，当初级线圈和次级线圈匝数比为N：1时，施加在并联单元上的电压仅为射频输出端口电压的1/N，有效减小了并联单元的非线性，显著提高开关的输出功率能力。2）可拓展成任意的单刀多掷或多刀多掷开关。3）应用灵活，成本较低，具有广阔应用前景。

Description

一种高功率射频开关
技术领域
本发明是一种高功率射频开关，属于集成电路技术领域。
背景技术
无线通信是现代生活不可缺少的组成部分。目前，在无线通信领域应用比较普遍的蓝牙和无线局域网(WLAN)等都属于时分双工(TDD)通信系统。在这些系统中, 射频收发开关(RF T/R switch)作为无线通信系统的关键部件，其性能优劣决定着很多电子产品的性能。
传统的开关电路结构如附图1所示，其结构由串联单元和并联单元组成。分别由控制信号VC和VCF控制，VC和VCF为一对反相控制信号，当VC为高时，串联单元导通，并联单元截止，射频信号从射频输入端口流至射频输出端口。当VC为低时，串联单元截止，并联单元导通，并联单元将串联单元的泄露信号导通至地，提高输入端口和输出端口之间的隔离度。
传统的开关电路结构具有以下缺点：开关承受功率能力低，由于并联单元与射频输出端口直接相连，当串联单元导通时，射频输出信号直接作用于并联单元，当输出功率增加时，输出电压摆幅很快达到并联单元的击穿电压幅度，限制开关的输出功率能力。
发明内容
本发明提出的是一种高功率射频开关，其目的在于针对传统的开关电路结构存在的承受功率能力、输出功率能力低等缺陷，提供一种在保证开关插损与隔离性能的基础上，显著提升输出能力的高功率射频开关。
本发明的技术解决方案：一种高功率射频开关，包括串联单元，变压器单元和并联单元，其中串联单元的输入端连接RFin射频输入信号端口，串联单元的控制端连接VC控制信号端口，串联单元的输出端连接RFout射频输出信号端口；变压器单元的初级线圈正极i+连接RFout射频输出信号端口，变压器单元的初级线圈负极i-连接至地，变压器单元的次级线圈正极o+连接并联单元a端口，变压器单元的次级线圈负极o-连接至地；并联单元的控制端口连接VCF控制信号端口，并联单元b端口连接至地；所述VC控制信号和VCF控制信号是一对反相信号。
本发明的有益效果：
1）在开关并联单元与射频输出端口之间插入变压器单元，当变压器初级线圈和次级线圈匝数比为N：1时，施加在并联单元上的电压仅为射频输出端口电压的1/N，有效减小了并联单元的非线性，显著提高开关的输出功率能力。
2）可在高功率射频开关的基础上拓展成任意的单刀多掷开关和多刀多掷开关。
3）可采用RF CMOS、GaAs、BiCMOS、SOI等多种工艺进行单片集成实现，亦可采用分立器件搭建，应用灵活，成本较低，具有广阔的应用前景和价值。
附图说明
附图1是传统的开关电路原理图。
附图2是高功率射频开关电路方框图。
附图3是高功率射频开关电路原理图。
附图4是传统结构和本发明结构工作情况对比（a）传统结构工作情况（b）本发明结构工作情况。
附图5 是传统开关和采用本发明的高功率射频开关输出功率能力对比。
附图6是传统开关和采用本发明的高功率射频开关插损性能对比。
附图7是传统开关和采用本发明的高功率射频开关隔离度性能对比。
附图8是将本结构的并联晶体管使用多个晶体管层叠的形式进一步提高输出功率。
附图9是以本开关为基础实现的单刀多掷开关电路图。
图中RFin是射频输入信号端口，RFout是射频输出信号端口，VC、VCF是控制信号端口，i+是初级线圈正极，i-是初级线圈负极，o+是次级线圈正极，o-是次级线圈负极，R1、R2是电阻，M1、M2是晶体管，T1是变压器。
具体实施方式
一种高功率射频开关，包括串联单元，变压器单元和并联单元，其中串联单元的输入端连接RFin射频输入信号端口，串联单元的控制端连接VC控制信号端口，串联单元的输出端连接RFout射频输出信号端口；变压器单元的初级线圈正极i+连接RFout射频输出信号端口，变压器单元的初级线圈负极i-连接至地，变压器单元的次级线圈正极o+连接并联单元a端口，变压器单元的次级线圈负极o-连接至地；并联单元的控制端口连接VCF控制信号端口，并联单元b端口连接至地；所述VC控制信号和VCF控制信号是一对反相信号。
所述串联单元包括M1晶体管和R1电阻；其中，M1晶体管的源极连接RFin射频输入端口，M1晶体管的漏极连接RFout射频输出端口，M1晶体管的栅极连接R1电阻的A端；R1电阻的B端连接VC控制信号端口。
所述变压器单元包括T1变压器；T1变压器的初级线圈正极i+连接RFout射频输出端口，T1变压器的初级线圈负极i-连接至地，T1变压器的次级线圈正极o+连接并联单元a端口，T1变压器的次级线圈负极o-连接至地。
所述并联单元包括M2晶体管，R2电阻；其中M2晶体管的漏极连接变压器单元的次级线圈正极o+，M2晶体管的栅极连接R2电阻的A端，M2晶体管的源极连接至地；R2电阻的B端连接VCF控制信号端口。
所述VC控制信号端口和VCF控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号，当VC控制信号端口输出为高电平、VCF控制信号端口输出为低电平时，M1晶体管打开，M2晶体管关闭，此时射频输入信号通过M1晶体管输出至射频输出端口，当变压器初级线圈和次级线圈匝数比为N：1时，施加在并联单元上的电压仅为射频输出端口电压的1/N；当VC控制信号端口输出为低电平、VCF控制信号端口输出为高电平时，M1晶体管关闭，M2晶体管打开，开关工作在关闭状态，T1变压器将M1晶体管的泄露信号耦合至并联单元，并通过晶体管M2连接至地，保证开关在关闭状态时的隔离度。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
如附图2所示，一种高功率射频开关，其结构是包括串联单元，变压器单元和并联单元，其中串联单元的输入端连接射频输入信号端口RFin，串联单元的控制端连接至控制信号端口VC，串联单元的输出端连接至射频输出信号端口RFout；变压器单元的初级线圈正极i+连接至射频输出端口，变压器单元的初级线圈负极i-连接至地，变压器单元的次级线圈正极o+连接至并联单元端口a，变压器单元的次级线圈负极o-连接至地；并联单元的控制端口连接至控制信号端口VCF，并联单元端口b连接至地。控制信号VC和VCF是一对反相信号。
如附图3所示，所述的一种高功率射频开关，其特征是所述的串联单元包括晶体管M1和电阻R1；晶体管M1的源极连接射频输入端口RFin，晶体管M1的漏极连接至射频输出端口RFout，晶体管M1的栅极连接至电阻R1的一端；电阻R1的另一端连接至控制信号端口VC。
所述的变压器单元包变压器T1；变压器T1的初级线圈正极i+连接至射频输出端口RFout，变压器T1的初级线圈负极i-连接至地，变压器T1的次级线圈正极o+连接至并联单元端口a，变压器T1的次级线圈负极o-连接至地。
所述的并联单元包括晶体管M2，电阻R2；其中晶体管M2的漏极连接至并联单元端口a，晶体管M2的栅极连接至电阻R2的一端，晶体管M2的源极连接至地；电阻R2的另一端连接至控制信号端口VCF。
如附图4所示，所述的VC控制信号端口和VCF控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号，当VC控制信号端口输出为高电平、VCF控制信号端口输出为低电平时，晶体管M1打开，晶体管M2关闭，此时射频输入信号通过晶体管M1输出至射频输出端口。图4（a）和图4（b）分别给出了传统结构和本发明结构在此状态下的工作情况。如图4（a）所示，传统结构输出端口电压V直接施加在并联管M2上，当V等于M2的击穿电压（Vb）时，此时的输出功率即为该开关的最大输出功率，如下式所示：
Pout-MAX传统结构=10 * log [ (2Vb2/Z0)*1000]dBm (1)
图4（b）给出了使用本发明的高功率射频开关的工作情况，当变压器初级线圈和次级线圈匝数比为N：1时，施加在并联管M2上的电压仅为射频输出端口电压的1/N，即为V/N，所以使用本发明结构时，射频输出端口电压可以达到M2击穿电压的N倍，此时的输出功率为：
POUT-MAX本发明结构=10 * log [ (2N2Vb2/Z0)*1000]dBm
=10*log(N2)+ 10 * log [ (2Vb2/Z0)*1000] dBm
= Pout-MAX传统结构+20log(N) dBm
从式（2）中可以看出，采用本发明结构输出功率可以比传统结构提高20log(N) dB，显著提高开关的输出功率能力。当VC控制信号端口输出为低电平、VCF控制信号端口输出为高电平时，晶体管M1关闭，晶体管M2打开，开关工作在关闭状态，变压器T1将晶体管M1的泄露信号耦合至并联单元，并通过晶体管M2连接至地，保证开关在关闭状态时的隔离度。
如附图5所示，给出了采用传统开关结构和本发明结构（变压器匝数比4:1）实现的开关输出功率性能曲线，从曲线中可以看出采用传统结构的开关最大输出功率仅为22dBm，而采用本发明结构的开关最大输出功率可以达到33dBm，可见采用本发明可以有效提升开关的功率性能。如图6-7所示，两款开关插损性能、隔离度基本一致。说明本发明可以在不影响开关插损和隔离性能的情况下，有效提高开关的输出功率能力。
如附图8所示，可以将本发明中并联单元的晶体管M2换成多个晶体管层叠的结构来进一步提高开关的功率能力。
如附图9所示，以本发明结构为基础，可以构建单刀多掷和多刀多掷开关，图中为单刀N掷开关，N可以为大于等于1的自然数。

Claims (5)

1.一种高功率射频开关，其特征是包括串联单元，变压器单元和并联单元，其中串联单元的输入端连接RFin射频输入信号端口，串联单元的控制端连接VC控制信号端口，串联单元的输出端连接RFout射频输出信号端口；变压器单元的初级线圈正极（i+）连接RFout射频输出信号端口，变压器单元的初级线圈负极（i-）连接至地，变压器单元的次级线圈正极（o+）连接并联单元a端口，变压器单元的次级线圈负极（o-）连接至地；并联单元的控制端口连接VCF控制信号端口，并联单元b端口连接至地；所述VC控制信号和VCF控制信号是一对反相信号。
2.根据权利要求1所述的一种高功率射频开关，其特征是所述串联单元包括M1晶体管和R1电阻；其中，M1晶体管的源极连接RFin射频输入端口，M1晶体管的漏极连接RFout射频输出端口，M1晶体管的栅极连接R1电阻的A端；R1电阻的B端连接VC控制信号端口。
3.根据权利要求1所述的一种高功率射频开关，其特征是所述变压器单元包括T1变压器；T1变压器的初级线圈正极（i+）连接RFout射频输出端口，T1变压器的初级线圈负极（i-）连接至地，T1变压器的次级线圈正极（o+）连接并联单元a端口，T1变压器的次级线圈负极（o-）连接至地。
4.根据权利要求1所述的一种高功率射频开关，其特征是所述并联单元包括M2晶体管，R2电阻；其中M2晶体管的漏极连接变压器单元的次级线圈正极（o+），M2晶体管的栅极连接R2电阻的A端，M2晶体管的源极连接至地；R2电阻的B端连接VCF控制信号端口。
5.根据权利要求1所述的一种高功率射频开关，其特征在于，所述VC控制信号端口和VCF控制信号端口输出的信号是一对反相控制信号，当VC控制信号端口输出为高电平、VCF控制信号端口输出为低电平时，M1晶体管打开，M2晶体管关闭，此时射频输入信号通过M1晶体管输出至射频输出端口，当变压器初级线圈和次级线圈匝数比为N：1时，施加在并联单元上的电压仅为射频输出端口电压的1/N；当VC控制信号端口输出为低电平、VCF控制信号端口输出为高电平时，M1晶体管关闭，M2晶体管打开，开关工作在关闭状态，T1变压器将M1晶体管的泄露信号耦合至并联单元，并通过晶体管M2连接至地，保证开关在关闭状态时的隔离度。
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