CN108781079B - 高掷数rf开关 - Google Patents

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Abstract

一种基于高掷数多极FET的RF开关架构，其在插入损耗、返回损耗、隔离、线性度和功率处理方面提供了良好的RF性能。公共端口RFC沿公共路径耦接到多个端口RFn。实施方式引入了由状态相关逻辑控制的另外的公共RF路径分支隔离开关。分支隔离开关帮助将未使用的分支端口RFn和公共路径的未使用部分与公共路径的起作用的部分相隔离，并由此降低了可归因于这样的分支的电抗性负载，该电抗性负载使“较靠近”公共端口RFC的端口RFn的RF性能降级。还可以使用分支隔离开关来针对多路复用功能而重新配置开关架构以及出于可重新配置性目的、调谐或改变开关掷数和封装选项而重新配置单独的开关路径组。

Description

高掷数RF开关
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年2月9日提交的标题为“HIGH THROW-COUNT RF SWITCH”的美国专利申请号15/019,882的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及电子电路，并且更特别地涉及利用场效应晶体管(FET)的无线电频率(RF)开关电路。
背景技术
电子信号开关被用在各种应用中。特别地，已经发现基于多极FET的RF开关架构在需要多个RF信号的发送和/或接收路径的应用中是有用的。例如，这样的开关结构在用于将多个天线耦接到多组发射/接收电路的蜂窝无线电系统中是有用的。其他示例包括自动测试设备和电子实验室台架测量设备。
FET可以以各种技术来(例如，标准体硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、GaN HEMT、GaAspHEMT和MESFET工艺)制造，并且通常在示意图中表示为理想的通断开关装置。然而，在许多应用中，特别是在RF电路中，FET的结构和材料可能对其自身操作(例如，关于带宽、隔离和功率处理)具有显著影响，并且FET的存在可能对电路中的其他部件具有显著影响。产生这样的影响部分地是因为“闭合”或“通”(即低阻抗或导通)的FET具有非零电阻，而“打开”或“断”(即高阻抗或阻塞)的FET表现为由于接近各种半导体结构而产生的寄生电容引起的电容器，特别是在集成电路(IC)的紧密范围内。此外，在基于多极FET的RF开关IC中，添加的阻抗元件(例如，电感器和/或传输线)以及由FET之间的互连和其他电路结构引起的寄生电感使这样的IC的设计复杂化。
迄今为止，这样的复杂性已经将基于多极FET的RF开关中的可用发送和/或接收路径的数目限制为大约8个端口(加上公共端口)，并且RF性能低于恒星。通常，增加RF开关的路径数目会引起带宽和插入损耗(IL)的权衡。此外，增加掷数会沿信号路径产生额外的寄生电感，这会由于在不同信号路径起作用时的不对称性而降低性能。例如，常规的8或12掷固态开关通常被限制于大约3GHz的宽带响应。作为另一示例，已经产生了具有最高达大约8GHz的有用带宽，但是以插入损耗、返回损耗质量、隔离度和线性/功率压缩点为代价的在GaAs中制造的一些8掷开关。
因此，需要提供良好RF性能的基于高掷数多极FET的RF开关架构。本发明满足了这样的需求。
发明内容
本发明包括基于高掷数多极FET的RF开关架构，其在插入损耗、返回损耗、隔离、线性度和功率处理方面提供了良好的RF性能。一般地，本发明的实施方式引入了由状态相关逻辑控制的另外的公共RF路径分支隔离开关。还可以使用公共RF路径分支隔离开关来针对多路复用功能而重新配置开关架构以及针对可重新配置性而重新配置单独的开关路径组。
在各种实施方式中，公共端口RFC沿公共路径耦接到多个信号端口RFn。每个端口RFn通过串联分流开关元件而连接到公共路径，该串联分流开关元件包括FET串联开关和连接到电路地的FET分流开关。为了通过公共路径将任何端口RFn耦接到公共端口RFC，对应的串联开关被设置成通，对应的分流开关被设置成断。为了将任何端口RFn与公共端口RFC去耦接，对应的串联开关被设置成断，对应的分流开关被设置成通。控制电路耦接到每个RFn端口的每个FET的栅极，以便以已知方式来设置这样的通或断状态。
添加的分支隔离开关通常是断(阻塞)，并且仅当相关联的“远侧”端口RFn要耦接到公共端口RFC时才被导通(导电)。每个分支隔离开关的断状态帮助将不起作用的分支端口RFn和公共路径的未使用部分与公共路径的起作用的在使用部分相隔离。因此，使用分支隔离开关来有效地断开(即，隔离开)不起作用的分支，并由此降低了可归因于这样的分支的电抗性负载，该电抗性负载否则会使“较靠近”公共端口RFC的端口RFn的RF性能降级。降低公共RF连接端口上的电抗性负载可以显著扩展工作带宽。
本发明的实施方式利用多于8的开关掷数在高频下提供良好的RF性能，同时超过在相同或较低的频率下利用8或少于8的掷数的常规开关电路的RF性能。
在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或更多个实施方式的细节。根据描述和附图以及根据权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将是明显的。
附图说明
图1是示出了设计高掷数RF开关的一些挑战的基于多极FET的RF开关架构的示意图。
图2A是示出了当RF1为通并且所有其他路径均为断时的等效电路的高掷数RF开关的一种特定配置的示意图。
图2B是示出了当RF12为通并且所有其他路径均为断时的等效电路的高掷数RF开关的一种特定配置的示意图。
图3是根据本发明的高掷数RF开关的第一实施方式的示意图。
图4是根据本发明的高掷数RF开关的第二实施方式的示意图。
图5是根据本发明的高掷数RF开关的第三实施方式的示意图。
图6A是通过作为高掷数RF开关的一个分支的电感器L而连接到公共端口RFC的高隔离串联分流开关元件的框图。
图6B是具有吸收性终止电路并且通过作为高掷数RF开关的一个分支的电感器L而连接到公共端口RFC的高隔离串联分流开关元件的框图。
图7是具有若干可选配置的分支隔离(B1)开关的示意图。
各附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。
具体实施方式
本发明包括基于高掷数多极FET的RF开关架构，其在插入损耗、返回损耗、隔离、线性度和功率处理方面提供良好的RF性能。一般地，本发明的实施方式引入了由状态相关逻辑控制的另外的公共RF路径分支隔离开关。还可以使用公共RF路径分支隔离开关来针对多路复用功能而重新配置开关架构以及针对可重新配置性而重新配置单独的开关路径组。
设计挑战
图1是示出了设计高掷数RF开关的一些挑战的基于多极FET的RF开关架构100的示意图。在所示的示例中，沿公共路径102(以粗体示出)将公共端口RFC耦接到多个信号端口RFn；作为示例示出了12个信号端口。以端口RF2作为单元电池的示例，每个端口通过串联分流开关元件103而连接到公共路径102，串联分流开关元件103包括FET串联开关104和耦接在电路地与对应的端口之间的FET分流开关106(其他端口RFn的对应附图标记已被省略以避免混乱)。为了通过公共路径102将任何端口RFn耦接到公共端口RFC，对应的串联开关104被设置成通(导通)并且对应的分流开关106被设置成断(阻塞)。为了将任何端口RFn与公共端口RFC去耦接，对应的串联开关104被设置成断并且对应的分流开关106被设置成通。未示出的控制电路耦接到每个RFn端口的每个FET的栅极，以便以已知方式来设置这样的通或断状态。
在实际集成电路(IC)布局中，沿公共路径102的寄生电感和电容不能实现针对所有状态/路径的良好返回损耗。这样的电感在图1中被示出为等效分立电感器108，但是，每个子路径的电感值通常不同。一些路径可能受益于公共路径电感，而其他路径可能会劣化。例如，如果RF12路径为通而所有其他路径都为断，则来自所有断路径的分布式电容负载可以通过传输线的L-C-L-C近似方法可接受地调整性能。然而，当RF1为通而所有其他路径都为断时，由此产生的过大寄生负载会严重抑制RF1的性能。例如，图2A是示出了当RF1为通并且所有其他路径均为断时的等效电路的高掷数RF开关200的一种特定配置的示意图。更具体地，在所示示例中，公共端口RFC耦接到起作用的端口RF1，而不起作用的端口RF2-RF12从公共路径102去耦接。对于端口RF1，对应的串联开关被设置成通并且对应的分流开关被设置成断，因此端口RF1可以表示为耦接到公共路径102的电阻器R。相反地，每个去耦接的端口RF2-RF12的对应的串联开关被设置成断并且对应的分流开关被设置成通，因此每个去耦接的端口RF2-RF12可以表示为电容器。至少边界框202内的部件在RF1上施加寄生负载。封装键合线电感进一步阻碍了实现期望的带宽。IC的“倒装”封装可能有所帮助，但通常是相对昂贵的选项，并且对于大的端口数还存在片上电感和电容负载问题。
设计可以针对到公共端口RFC的“最近”端口(例如，RF1和RF2)进行性能优化，但是其他端口的性能受损。类似地，如果设计针对经历最大介入电感的距公共端口RFC的“最远”端口(例如，RF11和RF12)进行性能优化，则最近的端口的性能受损。
因此，例如，图2B是示出了当RF12为通并且所有其他路径均为断时的等效电路的高掷数RF开关220的一种特定配置的示意图。更具体地，在所示示例中，公共端口RFC耦接到起作用的端口RF12，而不起作用的端口RF1-RF11从公共路径102去耦接。对于端口RF12，对应的串联开关被设置成通而对应的分流开关被设置成断，因此端口RF12可以表示为耦接到公共路径102的电阻器R。相反地，每个去耦接的端口RF1-RF11的对应的串联开关被设置成断而对应的分流开关被设置成通，因此每个去耦接的端口RF1-RF11可以表示为电容器。
在图2B的开关220的一个模型中，电路被优化以获得到端口RF12的路径的“良好”返回损耗。通过增加或减小单元电池的串联FET的尺寸(从而改变单元电池的关断电容，COFF)来调谐每个单独端口的RF性能，以调整在RFC端口看到的整个开关220的人工特性阻抗(即，L-C...L-C)。表1示出了针对下述三种RF信号路径状态的6GHz和8GHz处的建模电路的插入损耗、返回损耗和隔离的图：RFC-RF1、RFC-RF6和RFC-RF12。可以看出，由于针对端口RF12的优化，端口RF12处的插入损耗、返回损耗和隔离良好，但针对其他两个端口RF1和RF6则较差(有时甚至更差)。标有星号的值指示由于在特定条件下由于过大的寄生电抗负载引起的极端谐振而导致的极差性能，其导致高插入损耗和在公共端子附近的端口以及较高频率处的反射。因此，示例12T配置的最大工作频率可能在2到3GHz范围内。
Figure BDA0001794485260000051
表1
另一设计挑战与IC封装有关。诸如塑料外壳封装中的引线键合的低成本封装具有成本益处，但是具有来自引线键合的感应寄生效应的挑战，这可以限制带宽超过一些初始RF调谐益处。较大数目的RF端口(例如，多于6个端口)需要较大的引线键合封装以容纳另外的封装引脚并保持隔离。对于给定的芯片尺寸，较大的封装尺寸要求增大了引线键合的长度。
如以下部分中描述的，为了克服这些设计挑战，本发明的实施方式引入了由状态相关逻辑控制的另外的公共RF路径开关。更具体地，代替通过开关将所有信号路径分支连接到通向公共端口RFC的公共路径102，本发明的实施方式通过创建通过FET串联分支隔离开关所访问的开关组分组来扩展开关电路带宽和其他性能特性，以降低公共路径102上以及因此公共端口RFC上的反应负载。在这样做时，添加的串联分支隔离开关的另外的插入损耗与实现提高的带宽和其他性能特性所需的隔离平衡。具体地，开关的通电阻RON(其导致RF损耗)是与开关的断电容COFF的直接权衡(其产生RF隔离)。
此外，本发明的实施方式通过允许设计者使用串联分支隔离开关将公共路径102分成两个或更多个方向来帮助减小键合引线长度。串联分支隔离开关被设计成在高RF电压条件下是鲁棒的，因为在断状态(用于隔离)下，FET开关将经历大的施加电压。因此，串联分支隔离开关需要适当地设计、确定尺寸和堆叠FET器件。
第一实施方式
图3是根据本发明的高掷数RF开关300的第一实施方式的示意图。在所示实施方式中，图1的一般开关架构已经被修改成包括一个或更多个分支隔离(B1)开关302。每个B1开关302是可独立切换的，其通断状态取决于哪个端口RFn要耦接到公共端口RFC。在所示的示例中，两个B1开关302(SW1和SW2)限定了三个分支区段A、B、C。作为单个起作用的端口RFn的函数的两个B1开关302的控制逻辑将如表2所示。注意，RF1-RF12指定可以按任何顺序分配；它们只是每个端口的标记名称。
Figure BDA0001794485260000061
表2
因此，B1开关302通常是断(阻塞)，并且仅在相关联的“远侧”端口RFn要耦接到公共端口RFC时被导通(导电)。每个B1开关302的断状态帮助将不起作用的分支端口RFn和公共路径102的未使用部分与公共路径102的起作用的在使用部分相隔离。因此，B1开关302用于有效地断开(即，隔离)不起作用的分支，并由此降低了可归因于这样的分支的电抗性负载，所述电抗性负载否则会使“较靠近”公共端口RFC的端口RFn的RF性能降级。
每个B1开关302可以实现为独立可切换FET。替选地，每个B1开关302可以作为替代来包括串联连接的FET堆，其足以处理任何入射电压并且并行操作以表现为单个单刀单掷(SPST)开关。(还参见下面关于图7的描述)
在所示的示例中，示出了12个端口RFn。然而，根据特定应用的需要，可以包括更多或更少的端口。该示例还示出了两个B1开关302(SW1和SW2)，但是可以使用更多或更少(但至少一个)开关。值得注意的一点是，添加更多的B1开关302增加了“远侧”端口RFn的插入损耗，因此平衡B1开关302的数目与它们提供的增加的性能是有用的。
表3示出了图3中所示的然而使用与图2B中相同的电路元件假设的基于B1开关的电路的模型在6GHz和8GHz下的插入损耗、返回损耗和隔离的图。与表1相比，三种RF信号路径状态(RFC-RF1、RFC-RF6和RFC-RF12)的结果示出了针对大多数配置状态的极大改善的插入损耗、返回损耗和隔离数字，其中，仅针对RFC-RF12信号路径的插入损耗数字稍微较差。这种稍微较差的IL测量可归因于插入的B1开关302、SW1和SW2的添加的串联阻抗。
Figure BDA0001794485260000071
Figure BDA0001794485260000081
表3
在一些操作模式中，可以激活多个信号端口RFn，以便可操作地连接到公共端口RFC；如果这样，则对应于这样的信号端口RFn的B1开关302将被设置成通。
在替选操作模式中，图3中所示的RF开关300可以可以被配置为开关矩阵，以便能够通过适当控制对应于这样的端口的串联分流开关元件103将任何RFn端口连接到任何其他RFn端口(不进行到公共端口RFC的连接)。B1开关302减轻特定配置中的寄生负载问题。例如，在SW1处于断(非导通)状态的情况下，可以在与SW1的“远侧”的公共路径102隔离的RF1-RF4中的任意两个之间进行连接(即，在不起作用的端口RF5-RF12被隔离的情况下)。作为另一示例，在SW1处于通(导通)状态并且SW2处于断状态的情况下，可以在与SW2的“远侧”的公共路径102隔离的RF1-RF8中的任意两个之间进行连接。当然，在该模式中，RF5-RF8中至少一个应当是起作用的端口)。作为又一示例，在SW1和SW2都处于通(导通)状态的情况下，可以在RF1-RF12中的任意两个之间进行连接(当然，在该模式中，RF9-RF12中的至少一个应当是起作用的端口)。
此外，通过选择性地激活B1开关302，可以启用多组矩阵开关以用于并行操作。例如，在SW1处于断状态而SW2处于通状态的情况下，可以与在RF5与RF11之间的连接并行地进行RF1与RF2之间的连接(即，组1包括RF1-RF4，而组2包括RF5-RF12)。作为另一示例，在SW1和SW2都处于断状态的情况下，可以在RF1与RF3、RF6与RF8以及RF10与RF11之间进行并行连接，因为每个这样的配对都位于由B1开关302隔离开的不同端口组中(即，组1包括RF1-RF4，组2包括RF5-RF8，组3包括RF9-RF12)。
第二实施方式
图4是根据本发明的高掷数RF开关400的第二实施方式的示意图。RFn端口被划分成两个或更多个子分区(示出了两个，SD1、SD2)，每个均具有通过对应的主分支隔离(B1)开关402耦接到公共端口RFC的公共路径102a、102b；在所示的示例中示出了两个这样的开关SW1、SW2。在每个子分区SDn内，另外的B1开关404可以定义与图3中不同的端口RFn的区段或组；示出了每个子分区SD1、SD2的一个这样的开关(SW3、SW4)。
所示的配置对于某些封装尺寸(例如，4×4焊盘或引脚封装)和/或要求到RFn端口的短IC键合引线的应用要求可以是有用的。主B1开关402可以帮助桥接这样的距离并降低每个信号路径的IL。注意，对于每个端口RFn的串联FET的FET开关宽度的一些优化可能也是必要的，以补偿B1开关404的添加的COFF。优化各种开关与分支之间的电感也可能是有益的。FET尺寸也可以变化或逐渐变细以相对于B1开关404的添加的COFF进行优化。
如上关于图3描述的，在替选配置中，可以添加另外的交叉连接开关406(示出SW5、SW6)以便于在开关矩阵操作模式中使用RF开关400。3。作为又一选项，可以在一对交叉连接开关406之间添加另外的公共连接端口408，以便于将任何RFn端口连接到两个或更多个外部元件(例如，两个不同的天线)。
如图3所示，添加的公共路径开关SW1-SW6可以实现为可独立切换的FET或FET堆。
在一些应用中，完全地隔离公共端口RFC以允许“全断”状态相对于外部电路来提供高隔离可能是有用的。因此，将终止电路410可操作地耦接到公共端口RFC可能是有用的。终止电路410可以例如包括终止开关SWT和电阻器R。替选地，下面关于图6描述的类型的吸收性开关模块可以用于终止电路410，并且可以将分支隔离开关SW1和SW2设置成适当的状态，以帮助隔离公共端口RFC的吸收性终止并改善其带宽。
第三实施方式
图5是根据本发明的高掷数RF开关500的第三实施方式的示意图。为了紧凑，图3的串联分流开关元件103被示出为标记为“S/S”的块，图3的各种电感器108被示出为标记为“L”的块。
在所示的示例中，公共端口RFC位于公共路径102的端之间。信号端口RFn(作为示例示出了16个)耦接到公共路径102，以便形成“蝴蝶”配置(即，排列在位于中心的公共端口RFC周围的多个信号端口组Gn；因此，该概念是可扩展的)的多个信号端口的子组(示出了两个，G1、G2)。公共端口RFC可以通过与图3所示的架构的操作类似地激活中间分支隔离开关SW1-SW4中的适当的一些开关来耦接到任何端口RFn。如图3中，在所示的实施方式中，没有端口RFn具有多于两个的远离公共端口RFC的分支隔离开关，因此相对定位的端口的插入损耗应当大致相同，但是图5中所示的架构支持比图3的架构更多的端口RFn(对于所示示例的16对12)。如图3中，添加的公共路径开关SW1-SW4可以实现为可独立切换的FET或FET堆。
图5中所示的架构对于某些IC封装配置可能是特别有用的，因为信号端口RFn可以容易地排列在IC管芯的周边附近。此外，图4的架构可以与图5的架构组合，使得每个子组Gn包括多个子分区SDn。
串联分流开关元件选项
上述的高掷数RF开关实施方式具有简单的串联分流开关元件103。然而，在一些需要更大隔离的应用中，可能需要另外的电路。例如，图6A是通过作为高掷数RF开关的一个分支的电感器L而连接到公共端口RFC的高隔离串联分流开关元件600的框图。高隔离串联分流开关元件600包括如上所述而操作的串联开关602和分流开关604。还包括高隔离开关606、终止电阻器R和终止开关608。
在操作中，当串联开关602为通(导通)时，分流开关604为断，高隔离开关606为通，终止开关608为断，从而通过电感器L将端口RFn耦接到公共端口RFC。相反地，当串联开关602为断(阻塞)时，分流开关604为通，高隔离开关606为断，终止开关608为通，从而通过终止电阻器R将端口RFn耦接到电路地。
图6A所示的实施方式在相对较低的RF频率下相当好地工作。然而，随着操作频率增加，高隔离开关606和终止开关608的组合寄生FET电容开始使电路整体的隔离水平和终止阻抗劣化。解决方案是提供适用于高频RF应用的吸收性开关架构，诸如在2014年10月29日提交并且被转让给本发明的受让人的标题为“High Frequency Absorptive SwitchArchitecture”的美国专利申请号14/527,168中所教导的类型，该美国专利申请的内容通过引用并入本文。
例如，图6B是具有吸收性终止电路并且通过作为高掷数RF开关的一个分支的电感器L而连接到公共端口RFC的高隔离串联分流开关元件610的框图。高隔离串联分流开关元件610包括如上所述而操作的串联开关602和分流开关604。在一些应用中，使用多个并联分流开关604可能是有用的。还包括串联连接在串联开关602与端口RFn之间的吸收性开关模块612。吸收性开关模块612包括高隔离开关606以及与高隔离开关606并联耦接的终止电阻器R。
在操作中，当串联开关602为通(导通)时，分流开关604为断并且高隔离开关606为通，从而通过电感器L将端口RFn耦接到公共端口RFC。在这种操作模式中，高隔离开关606电阻Ron和终止电阻器R的并联组合表现为并联的两个电阻：Ron||R。对于RF应用，由于插入损耗是关键的，因此Ron被设置成远小于系统特性阻抗(RF系统通常为50欧姆)。
相反地，当串联开关602为断(阻塞)时，分流开关604为通，高隔离开关606为断。在这种操作模式中，高隔离开关606具有电容器(具有值Coff)而不是电阻器(具有值Ron)的特性。因此，开关电容Coff和终止电阻器R的并联组合表现为并联RC电路：Coff||R。终止电阻器R将吸收端口RFn上存在的任何信号中大部分信号。另外，分流开关604被部分地重新利用以将端口RFn上存在的任何剩余RF信号分流到电路地。
与传统电路配置相比，使用如上所述的吸收性开关模块架构至少有四个益处：首先，图6A的终止开关608不再需要6A将端口RFn与到公共端口RFC的“断”路径的其余部分相隔离。因此，减少了不同开关元件的数目。第二，当频率增加时，终止电阻器R和高隔离开关606的电阻Ron的并联组合开始看起来更具电容性。这是有益的行为，因为随着频率增加，分流开关604的电路地的阻抗开始看起来更具电感性。这两个电抗性阻抗在被串联添加时基本上彼此抵消，并且结果保持得更接近靠近目标特性阻抗的实际阻抗。第三，终止的RF功率可以在终止电阻器R中而不是在吸收性开关模块612的高隔离开关606中更一致和完全地被终止，并且功率也在连接在吸收性开关模块612与电路地之间的一个或更多个分流开关604上耗散。第四，终止电阻器R和高隔离开关606的并联组合本质上是非常模块化的，特别是当开关被实现为FET时。
分支隔离开关选项
可以以各种方式实现本说明书的各种实施方式中的可独立切换的分支隔离开关。如上所述，每个分支隔离开关可以实现为FET，或者实现为串联连接的FET的堆，其足以处理任何入射电压并且并行操作以表现为单个单刀单掷(SPST)开关。
作为一个示例，图7是具有若干可选配置的分支隔离(B1)开关700的示意图。在最简单的形式中，B1开关700可以包括SPST串联开关702。在一个变型实施方式中，第一分流开关704可以连接在节点A处，以在串联开关702为断时提供在节点A侧耦接到B1开关700的电路的更好隔离。因此，当串联开关702为断时，第一分流开关704将被设置成闭合以将节点A分流到电路地。相反地，当串联开关702闭合时，第一分流开关704将被设置成断。
针对每个B1开关700而包括专用第一分流开关704的替选方案是通过将一个或更多个串联分流开关元件103(参照图3)的串联开关104和分流开关106都编程为在B1开关700为断时闭合而在每个B1开关700之后使用这样的串联分流开关元件103作为到电路地的分流元件，从而产生到电路地的连接。
在另一变型实施方式中，第二分流开关706可以在节点B处连接，以在串联开关702的另一侧提供隔离。这样的配置例如在本发明的开关矩阵实施方式中可能是有用的，以允许在节点B侧耦接到B1开关700的部件的隔离。
方法
本发明的另一方面包括一种用于在多个RF信号端口之间切换的方法，包括：(a)提供公共端口；(b)将至少两个分支耦接到公共端口，每个分支包括至少一个信号端口；(c)将至少一个分支隔离开关耦接在公共端口与至少两个分支中对应的一个之间；(d)将所选信号端口耦接到公共端口；(e)将所选信号端口与公共端口之间的任何分支隔离开关设置为导通状态；以及(f)将所有其他分支隔离开关设置为阻塞状态。
本发明的又一方面包括一种用于在多个RF信号端口之间切换的方法，包括：(a)提供至少一个公共路径；(b)将公共端口耦接到至少一条公共路径；(c)将每个都包括至少一个信号端口的至少两个分支通过串联分流开关元件耦接到公共路径中的一个；(d)将至少一个分支隔离开关耦接到公共端口与至少两个分支中对应的一个之间的公共路径中的一个；(e)将所选信号端口耦接到公共端口；(f)将所选信号端口与公共端口之间的任何分支隔离开关设置为导通状态；以及(g)将所有其他分支隔离开关设置为阻塞状态。
本发明的又一方面包括一种用于在多个RF信号端口之间切换的方法，包括：(a)提供公共路径；(b)将公共端口连接到公共路径；(c)将每个都包含至少一个信号端口的多个区段通过串联分流开关元件耦接到公共路径；(d)将至少一个隔离开关耦接到两个相邻区段之间的公共路径；(e)将所选信号端口耦接到公共端口；(f)将所选信号端口与公共端口之间的任何分支隔离开关设置为导通状态；以及(g)将所有其他分支隔离开关设置为阻塞状态。
本发明的另一方面包括一种用于在多个RF信号端口之间切换的方法，包括：(a)提供公共端口；(b)将多个子分区通过对应的子分区隔离开关耦接到公共端口，每个子分区包含：(1)在一端耦接到对应的子分区隔离开关的公共路径；(2)通过串联分流开关元件耦接到这样的公共路径的多个区段，每个区段包含至少一个信号端口；(3)连接到两个相邻区段之间的公共路径的至少一个区段隔离开关；(c)将所选信号端口耦接到公共端口；(d)将用于包含这样的所选信号端口的子分区的子分区隔离开关以及所选信号端口与公共端口之间的任何区段隔离开关设置为导通状态；以及将所有其他子分区隔离开关和区段隔离开关设置为阻塞状态。
以上方法的其他方面可以包括一种或更多种配置，其中，(a)公共端口耦接在至少一个公共路径的端之间；(b)每个分支隔离开关是FET；每个分支隔离开关包括FET堆；(c)每个串联分流开关元件包括：(1)耦接在对应的信号端口与相关联的公共路径之间的串联FET；以及(2)耦接在这样的对应的信号端口与电路地之间的分流FET；(d)公共端口是未连接的，并且RF开关作为矩阵开关工作以允许所选信号端口连接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口；(e)交叉连接开关对彼此耦接并且与多个子分区中的两个子分区的公共路径耦接于这样的公共路径的与耦接到对应的子分区隔离开关的端相对的端；以及/或者(g)公共连接端口耦接在至少一个交叉连接开关对之间。
益处和用途
本发明的实施方式利用多于8(“8T”)的开关掷数在高频下提供良好的RF性能，同时超过在相同或较低的频率下利用8或少于8的掷数的常规开关电路的RF性能。例如，常规基于8T或12T FET的开关通常被限制于具有可接受的损耗参数的大约3GHz宽带响应，而本发明的12T和16T配置的实施方式在具有大致相同或更好的损耗参数的情况下具有高得多的操作带宽(超过6GHz)。此外，对于诸如4T或甚至6T的较小掷数，FET技术的通电阻RON的改善常常帮助进一步增加操作带宽(即，具有较低通电阻的较窄宽度FET产生较低的断电容COFF，这扩展了带宽)。
根据本发明的基于高掷数多极FET的RF开关在用于执行一系列功能的各种电路中是有用的，包括(但不限于)阻抗匹配电路、功率放大器(例如，可扩展外围可调谐匹配功率放大器，以及多赫蒂放大器)、调谐电路、RF开关等。这样的功能在诸如测试设备中的滤波器组、雷达系统(包括相控阵和汽车雷达系统)和无线电系统的应用中是特别有用的。无线电系统使用包括(再次不限于)使用诸如正交频分复用(“ODFM”)及其变型、高正交幅度调制(“QAM”)、码分多址(“CDMA”)、宽带码分多址(“W-CDMA”)、全球微波接入互操作性(“WIMAX”)、全球移动通信系统(“GSM”)、GSM演进的增强数据速率(EDGE)、长期演进(“LTE”)的技术的蜂窝无线电系统(包括基站、中继站和手持收发器)以及其他无线电通信标准和协议。
制造技术和选项
术语“MOSFET”在技术上指的是金属氧化物半导体；MOSFET的另一同义词是用于金属绝缘体半导体FET的“MISFET”。然而，“MOSFET”已成为大多数类型的绝缘栅FET(“IGFET”)的通用标签。尽管如此，公知的是，名称MOSFET和MISFET中的术语“金属”现在通常是用词不当，因为先前的金属栅极材料现在通常是多晶硅层(多晶硅)。类似地，名称MOSFET中的“氧化物”可能是用词不当，因为以获得具有较小施加电压的强通道为目的而使用不同的介电材料。因此，在本文中使用的术语“MOSFET”不应当从字面上理解为限制于金属氧化物半导体，而是一般包括IGFET。
虽然上述本发明的实施方式使用了FET开关，但是电路架构可以用包括各种类型的双极结型晶体管(BJT)的其他晶体管开关技术实现。此外，可以使用其他开关技术，包括PIN二极管和微电子机械系统(MEMS)开关。
如对于本领域普通技术人员应当显而易见的，可以实现本发明的各种实施方式以满足各种规范。除非以上另有说明，否则选择合适的部件值是设计选择的问题，并且本发明的各种实施方式可以以任何合适的IC技术(包括但不限于MOSFET和IGFET结构，以及基于BJT且基于MEMS的开关)或以混合或分立电路形式来实现。可以使用包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)、GaAs pHEMT、MESFET和BJT技术的任何合适的衬底和工艺来制造集成电路实施方式。然而，上述发明构思利用基于SOI的制造工艺(包括SOS)以及具有类似特性的制造工艺是特别有用的。SOI或SOS上CMOS的制造实现了低功耗，由于FET堆而在操作期间能够经受高功率信号、良好的线性度以高频操作(超过大约2GHz，特别是高于大约5GHz)。单片IC实现特别有用，因为通过精心设计通常可以将寄生电容保持得较低。
使用公知的“倒装”(也称为“受控塌陷芯片连接”)工艺封装本发明的集成电路实施方式可能是特别有用的，其允许在每个信号端口RFn和公共端口RFC之间实现更好的物理隔离。当将这样的端口连接到外部电路时，这样的隔离产生较少的相互作用(例如，寄生电容、电感耦接)。倒装封装是用于将诸如IC芯片和微电子机械系统(MEMS)的半导体器件互连到具有已经沉积到芯片(IC管芯)焊盘上的焊料凸块的外部电路的方法。在最终晶片处理步骤期间，焊料凸块被沉积在IC晶片顶侧的芯片焊盘上。为了将芯片安装到外部电路(例如，电路板或另一芯片或晶片)，将其翻转以使其顶侧朝下，其焊盘与外部电路上的匹配焊盘对准，并且沉积的焊料被回流完成互连。
可以根据特定规范和/或实现技术(例如，NMOS、PMOS或CMOS，以及增强模式或耗尽模式晶体管器件)来调整电压电平或者反转电压和/或逻辑信号极性。可以例如通过调整器件尺寸、将部件(特别是FET)串联“堆叠”以经受较大的电压和/或并联使用多个部件来处理较大的电流来根据需要调整部件电压、电流和功率处理能力。可以添加另外的电路部件以增强所公开的电路的性能和/或提供另外的功能而不显著改变所公开的电路的功能。
已经描述了本发明的许多实施方式。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，上述一些步骤可以是与顺序无关的，因此可以以与所描述的顺序不同的顺序执行。此外，上述一些步骤可以是可选的。关于上述方法描述的各种活动可以以重复性、串行或并行方式执行。应当理解，前面的描述旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定，并且其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (70)

1.一种RF开关，包括：
(a)公共端口；
(b)至少两个区段，每个区段包括至少一个分支，每个分支包括至少一个信号端口，至少一个分支包括高隔离串联分流开关元件，所述高隔离串联分流开关元件包括：
(i)串联开关；
(ii)耦接在所述串联开关与电路地之间的分流开关；以及
(iii)串联连接在所述串联开关与所述信号端口之间、并且包括高隔离开关以及与所述高隔离开关并联耦接的终止电阻器的吸收性开关模块；以及
(c)至少一个分支隔离开关，其中，相邻区段通过所述至少一个分支隔离开关中的一个来连接，并且可选地，所述公共端口通过所述至少一个分支隔离开关中的一个耦接到至少一个相邻区段；
其中，当所选信号端口耦接到所述公共端口时，所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何分支隔离开关被配置于导通状态，并且所有其他分支隔离开关被配置于阻塞状态。
2.根据权利要求1所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关是FET。
3.根据权利要求1所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关包括FET堆。
4.根据权利要求1所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
5.根据权利要求1所述的RF开关，其中，每个信号端口包括用于将这样的信号端口选择性地耦接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口的开关。
6.根据权利要求1所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关包括：(1)串联FET；以及(2)耦接在所述串联FET的节点与电路地之间的分流FET。
7.根据权利要求1所述的RF开关，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
8.一种RF开关，包括：
(a)至少一个公共路径；
(b)耦接到所述至少一个公共路径的公共端口；
(c)至少两个区段，每个区段包括至少一个分支，每个分支包括通过串联分流开关元件耦接到所述公共路径中的一个的至少一个信号端口，至少一个串联分流开关元件是高隔离串联分流开关元件，所述高隔离串联分流开关元件包括：
(i)串联开关；
(ii)耦接在所述串联开关与电路地之间的分流开关；以及
(iii)串联连接在所述串联开关与所述信号端口之间、并且包括高隔离开关以及与所述高隔离开关并联耦接的终止电阻器的吸收性开关模块；以及
(d)至少一个分支隔离开关，其中，相邻区段通过所述至少一个分支隔离开关中的一个来连接，并且可选地，所述公共端口通过所述至少一个分支隔离开关中的一个耦接到至少一个相邻区段；
其中，当所选信号端口耦接到所述公共端口时，所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何分支隔离开关被配置于导通状态，并且所有其他分支隔离开关被配置于阻塞状态。
9.根据权利要求8所述的RF开关，其中，所述公共端口耦接在所述至少一个公共路径的端之间。
10.根据权利要求8所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关是FET。
11.根据权利要求8所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关包括FET堆。
12.根据权利要求8所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
13.根据权利要求8所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关包括：(1)串联FET；以及(2)耦接在所述串联FET的节点与电路地之间的分流FET。
14.根据权利要求8所述的RF开关，其中，每个信号端口包括用于将这样的信号端口选择性地耦接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口的开关。
15.根据权利要求8所述的RF开关，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
16.一种RF开关，包括：
(a)公共路径；
(b)耦接到所述公共路径的公共端口；
(c)多个区段，每个区段包含通过串联分流开关元件耦接到所述公共路径的至少一个信号端口，至少一个串联分流开关元件是高隔离串联分流开关元件，所述高隔离串联分流开关元件包括：
(i)串联开关；
(ii)耦接在所述串联开关与电路地之间的分流开关；以及
(iii)串联连接在所述串联开关与所述信号端口之间、并且包括高隔离开关以及与所述高隔离开关并联耦接的终止电阻器的吸收性开关模块；以及
(d)至少一个分支隔离开关，其中，相邻区段通过所述至少一个分支隔离开关中的一个来连接，并且可选地，所述公共端口通过所述至少一个分支隔离开关中的一个耦接到至少一个相邻区段；
其中，当所选信号端口耦接到所述公共端口时，所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何分支隔离开关被配置于导通状态，并且所有其他分支隔离开关被配置于阻塞状态。
17.根据权利要求16所述的RF开关，其中，所述公共端口耦接在所述公共路径的端之间以限定至少两组区段。
18.根据权利要求16所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关是FET。
19.根据权利要求16所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关包括FET堆。
20.根据权利要求16所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
21.根据权利要求16所述的RF开关，其中，至少一个分支隔离开关包括：(1)串联FET；以及(2)耦接在所述串联FET的节点与电路地之间的分流FET。
22.根据权利要求16所述的RF开关，其中，每个信号端口包括用于将这样的信号端口选择性地耦接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口的开关。
23.根据权利要求16所述的RF开关，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
24.一种RF开关，包括：
(a)公共端口；以及
(b)通过对应的子分区隔离开关耦接到所述公共端口的多个子分区，每个子分区包含：
(1)在一端耦接到对应的子分区隔离开关的公共路径；
(2)多个区段，每个区段包含通过串联分流开关元件耦接到这样的公共路径的至少一个信号端口；以及
(3)至少一个区段隔离开关，每个区段隔离开关连接在相邻区段之间；
其中，当一个区段内的所选信号端口耦接到所述公共端口时，用于包含这样的所选信号端口的子分区的子分区隔离开关以及所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何区段隔离开关被配置成设置为导通状态，并且所有其他子分区隔离开关和区段隔离开关被配置成设置为阻塞状态。
25.根据权利要求24所述的RF开关，还包括多个交叉连接开关对，其中，至少一个这样的交叉连接开关对彼此连接并且与所述多个子分区中的两个子分区的公共路径连接于这样的公共路径的与耦接到对应的子分区隔离开关的端相对的端。
26.根据权利要求25所述的RF开关，还包括耦接在至少一个交叉连接开关对之间的公共连接端口。
27.根据权利要求24所述的RF开关，其中，所述公共端口耦接在所述公共路径的端之间以限定至少两组区段。
28.根据权利要求24所述的RF开关，其中，至少一个子分区和区段隔离开关是FET。
29.根据权利要求24所述的RF开关，其中，至少一个子分区和区段隔离开关包括FET堆。
30.根据权利要求24所述的RF开关，其中，至少一个子分区和区段隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
31.根据权利要求24所述的RF开关，其中，至少一个串联分流开关元件包括：(1)耦接在对应的信号端口与相关联的公共路径之间的串联FET；以及(2)耦接在这样的对应的信号端口与电路地之间的分流FET。
32.根据权利要求24所述的RF开关，其中，每个信号端口包括用于将这样的信号端口选择性地耦接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口的开关。
33.根据权利要求24所述的RF开关，其中，至少一个串联分流开关元件是高隔离串联分流开关元件。
34.根据权利要求33所述的RF开关，其中，至少一个高隔离串联分流开关元件包括终止电阻器或吸收性终止电路中的一个。
35.根据权利要求24所述的RF开关，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
36.一种用于在RF开关中的多个RF信号端口之间切换的方法，包括：
(a)提供公共端口；
(b)将至少两个区段耦接到所述公共端口，每个区段包括至少一个分支，每个分支包括至少一个信号端口，至少一个分支包括高隔离串联分流开关元件，所述高隔离串联分流开关元件包括：
(i)串联开关；
(ii)耦接在所述串联开关与电路地之间的分流开关；以及
(iii)串联连接在所述串联开关与所述信号端口之间、并且包括高隔离开关以及与所述高隔离开关并联耦接的终止电阻器的吸收性开关模块；
(c)将至少一个分支隔离开关耦接在相邻区段之间、并且任选地耦接在所述公共端口与相邻区段之间；
(d)将所选信号端口耦接到所述公共端口；
(e)将所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何分支隔离开关设置为导通状态；以及
(f)将所有其他分支隔离开关设置为阻塞状态。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关是FET。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关包括FET堆。
39.根据权利要求36所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
40.根据权利要求36所述的方法，还包括：断开所述公共端口并且使所述RF开关作为矩阵开关工作以允许所选信号端口连接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口。
41.根据权利要求36所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关包括：(1)串联FET；以及(2)耦接在所述串联FET的节点与电路地之间的分流FET。
42.根据权利要求36所述的方法，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
43.一种用于在RF开关中的多个RF信号端口之间切换的方法，包括：
(a)提供至少一个公共路径；
(b)将公共端口耦接到所述至少一个公共路径；
(c)提供至少两个区段，每个区段包括至少一个分支，每个分支包括通过串联分流开关元件耦接到所述公共路径中的一个的至少一个信号端口，至少一个串联分流开关元件是高隔离串联分流开关元件，所述高隔离串联分流开关元件包括：
(i)串联开关；
(ii)耦接在所述串联开关与电路地之间的分流开关；以及
(iii)串联连接在所述串联开关与所述信号端口之间、并且包括高隔离开关以及与所述高隔离开关并联耦接的终止电阻器的吸收性开关模块；
(d)将至少一个分支隔离开关耦接在相邻区段之间、并且任选地耦接在所述公共端口与相邻区段之间；
(e)将所选信号端口耦接到所述公共端口；
(f)将所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何分支隔离开关设置为导通状态；以及
(g)将所有其他分支隔离开关设置为阻塞状态。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述公共端口耦接在所述至少一个公共路径的端之间。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关是FET。
46.根据权利要求43所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关包括FET堆。
47.根据权利要求43所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
48.根据权利要求43所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关包括：(1)串联FET；以及(2)耦接在所述串联FET的节点与电路地之间的分流FET。
49.根据权利要求43所述的方法，还包括：断开所述公共端口并且使所述RF开关作为矩阵开关工作以允许所选信号端口连接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口。
50.根据权利要求43所述的方法，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
51.一种用于在RF开关中的多个RF信号端口之间切换的方法，包括：
(a)提供公共路径；
(b)将公共端口耦接到所述公共路径；
(c)提供多个区段，每个区段包含通过串联分流开关元件耦接到所述公共路径的至少一个信号端口，至少一个串联分流开关元件是高隔离串联分流开关元件，所述高隔离串联分流开关元件包括：
(i)串联开关；
(ii)耦接在所述串联开关与电路地之间的分流开关；以及
(iii)串联连接在所述串联开关与所述信号端口之间、并且包括高隔离开关以及与所述高隔离开关并联耦接的终止电阻器的吸收性开关模块；
(d)将至少一个隔离开关耦接在相邻区段之间、并且任选地耦接在所述公共端口与相邻区段之间；
(e)将所选信号端口耦接到所述公共端口；
(f)将所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何隔离开关设置为导通状态；以及
(g)将所有其他隔离开关设置为阻塞状态。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述公共端口耦接在所述公共路径的端之间以限定至少两组区段。
53.根据权利要求51所述的方法，其中，至少一个隔离开关是FET。
54.根据权利要求51所述的方法，其中，至少一个隔离开关包括FET堆。
55.根据权利要求51所述的方法，其中，至少一个隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
56.根据权利要求51所述的方法，其中，至少一个分支隔离开关包括：(1)串联FET；以及(2)耦接在所述串联FET的节点与电路地之间的分流FET。
57.根据权利要求51所述的方法，还包括：断开所述公共端口并且使所述RF开关作为矩阵开关工作以允许所选信号端口连接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口。
58.根据权利要求51所述的方法，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
59.一种用于在RF开关中的多个RF信号端口之间切换的方法，包括：
(a)提供公共端口；
(b)将多个子分区通过对应的子分区隔离开关耦接到所述公共端口，每个子分区包含：
(1)在一端耦接到对应的子分区隔离开关的公共路径；
(2)多个区段，每个区段包含通过串联分流开关元件耦接到这样的公共路径的至少一个信号端口；以及
(3)连接在相邻区段之间的至少一个区段隔离开关；
(c)将所选信号端口耦接到所述公共端口；
(d)将用于包含这样的所选信号端口的子分区的子分区隔离开关以及所述所选信号端口与所述公共端口之间的任何区段隔离开关设置为导通状态；以及
(e)将所有其他子分区隔离开关和区段隔离开关设置为阻塞状态。
60.根据权利要求59所述的方法，还包括：将交叉连接开关对彼此耦接并且与所述多个子分区中的两个子分区的公共路径耦接于这样的公共路径的与耦接到对应的子分区隔离开关的端相对的端。
61.根据权利要求60所述的方法，还包括：将公共连接端口耦接在至少一个交叉连接开关对之间。
62.根据权利要求59所述的方法，其中，所述公共端口耦接在所述公共路径的端之间以限定至少两组区段。
63.根据权利要求59所述的方法，其中，至少一个子分区和区段隔离开关是FET。
64.根据权利要求59所述的方法，其中，至少一个子分区和区段隔离开关包括FET堆。
65.根据权利要求59所述的方法，其中，至少一个子分区和区段隔离开关选自于双极结型晶体管、PIN二极管或微电子机械系统开关中的一个。
66.根据权利要求59所述的方法，其中，至少一个串联分流开关元件包括：(1)耦接在对应的信号端口与相关联的公共路径之间的串联FET；以及(2)耦接在这样的对应的信号端口与电路地之间的分流FET。
67.根据权利要求59所述的方法，还包括：断开所述公共端口并且使所述RF开关作为矩阵开关工作以允许所选信号端口连接到所选组的其他信号端口中的任何信号端口。
68.根据权利要求59所述的方法，其中，至少一个串联分流开关元件是高隔离串联分流开关元件。
69.根据权利要求68所述的方法，其中，至少一个高隔离串联分流开关元件包括终止电阻器或吸收性终止电路中的一个。
70.根据权利要求59所述的方法，还包括可操作地耦接到所述公共端口的终止电路。
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