CN109873625B - 一种适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构。所述的有源开关电路由发射模式下输入级联型共栅放大器、接收模式下输出共漏放大器、发射通道和接收通道中的两级共源共栅放大器组成。通过控制级联共栅放大器和共漏放大器的偏置电压，电路可实现发射和接收的状态切换。在发射状态下，级联型共栅放大器结构可提高电路的增益和反向隔离度，减小功耗；在接收状态下，共漏级放大器在源极并联电容，栅极并联电阻，保证了电路在无条件稳定时的阻抗特性与发射状态保持一致。同时，发射和接收通道的两级共源共栅放大器分别提高了相控阵系统发射和接收通道的增益和输出功率。本发明具有高隔离度、低回波损耗、增益优良的优点。

Description

一种适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构

技术领域

本发明涉及电子电路设计的技术领域，具体涉及毫米波相控阵系统中发射接收开关电路，尤其涉及适用于毫米波通信系统中有源开关电路。

背景技术

近年来，无线通信技术发展迅速，尤其是毫米波通信技术。其中毫米波频段中的Ka波段，即26.5-40GHz频带，逐渐成为未来5G移动通信网络、高速卫星通信的重要频段。毫米波相控阵系统因具有传输速率快、延迟小、可靠性高等特点，在5G移动通信中发挥着重要角色。相控阵系统包括很多独立的天线阵列，每个阵列都具有发射/接收单元，各天线单元通过发射的电磁波以干涉原理合成接近笔直的雷达主瓣，从根本上解决了传统机械扫描雷达的先天性问题，为多用户之间的移动通信提供了保障。

开关电路是相控阵系统中不可或缺的一部分，通过控制开关电路，相控阵系统可以实现信号链路的发射与接收。射频无源开关和有源开关是两种常见的开关电路结构，其位置处于发射/接收通道的接口处。前者采用无源的结构，具有较好的线性度和隔离度，较低的回波损耗以及功耗小的特点，但是会对相控阵系统的发射效率和接收噪声带来较大的影响；后者采用有源的结构能够在保证性能优良的同时为信号提供增益和输出功率。

以往的开关电路设计多采用性能优良的GaAs等的化合物半导体，但它们价格相对较为昂贵。为了减少未来5G移动通信网络中的开发和运营费用，相控阵系统中的开关电路设计更着重于强调低成本和高集成度地实现高速率信号传输。因此，面向毫米波相控阵的应用，需要关注在线性度、隔离度和成本等方面表现优异的硅器件的新型射频开关结构。

近年来，随着毫米波相控阵系统的发展，对毫米波相控阵中的发射/接收单元模块的要求也越来越高，其中较为主要的是开关电路模块的设计，因为其会直接影响信号链路的发射效率和接收噪声。对于开关电路的设计，除了采用无源的传统

传输线单刀双掷(SPDT)开关外，近年来也提出一些新型的无源开关设计，但都无法解决无源开关对信道链路造成的消极影响。此外在毫米波频段，无源开关所用的晶体管模型并不能完全精准的预测“开关”的工作状态。与之相比，有源开关电路解决了这个问题，它可以避免信号链路中“开关”的存在，利用晶体管的固有阻抗特性实现发射/接收单元模块的切换。但是传统的有源开关电路较为复杂，其结构也不对称，其性能也很难满足毫米波相控阵应用中的高隔离度，低回波损耗的开关设计要求。因此，面向5G毫米波相控阵系统应用，需要研究设计适用于CMOS工艺的低成本、高隔离度、低回波损耗的有源开关电路结构。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于毫米波相控阵系统的低成本、高隔离度和低回波损耗的有源开关电路结构。

技术方案：

一种适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构，包括位于相控阵系统发射通道的第一部分电路、位于相控阵系统接收通道的第二部分电路和位于发射/接收通道的接口处第三部分电路；所述的第一部分电路包括两级级联发射共源共栅放大器、发射输入匹配电路、发射级间匹配电路和发射输出匹配电路；所述的第二部分电路包括两级级联接收共源共栅放大器、接收输出匹配电路、接收级间匹配电路和接收输入匹配电路；所述的第三部分电路包括发射模式下的信号输入级联型共栅放大器(CCG)、接收模式下的信号输出的共漏放大器(CD)和匹配电路。

其中，所述的第一部分电路中的两级级联发射共源共栅放大器包括第一级发射共源共栅放大器和第二级发射共源共栅放大器；所述的第一部分电路中的发射输入匹配电路包括发射输入匹配电容和发射输入匹配电阻；所述的第一部分电路中的发射级间匹配电路包括第一发射级间匹配电感、发射级间匹配电容和第二发射级间匹配电感；所述的第一部分电路中的发射输出匹配电路包括发射输出匹配电感、发射输出匹配电容。

其中，所述的第二部分电路中的两级级联接收共源共栅放大器包括第一级接收共源共栅放大器和第二级接收共源共栅放大器；所述的第二部分电路中的接收输出匹配电路包括接收输出匹配电容、第一接收输出匹配电感和第二接收输出匹配电感；所述的第一部分电路中的接收级间匹配电路包括接收级间匹配电阻、第一接收级间匹配电感、接收级间匹配电容和第二接收级间匹配电感；所述的第一部分电路中的接收输入匹配电路包括接收输入匹配电感、接收输入匹配电容。

其中，所述的第三部分电路中的信号输入级联型共栅放大器包括上下级联的第一共栅晶体管、第二共栅晶体管和输出匹配电感；所述的第三部分电路中的信号输出级共漏放大器包括共漏晶体管、并联电阻和串联电容；所述的第三部分电路中的匹配电路包括第一并联50Ω传输线、第二并联50Ω传输线、第一并联匹配电感、串联匹配电容和第二并联匹配电感。

进一步的，所述的第一级发射共源共栅放大器包括共源晶体管和共栅晶体管，共源晶体管的源极接共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压V_DD，漏极接第一发射级间匹配电感和发射级间匹配电容，第一发射级间匹配电感另一端接电源电压V_DD，共栅晶体管源极接地，栅极接发射输入匹配电容和发射输入匹配电阻，发射输入匹配电阻另一端接偏置电压V_T2，共源晶体管的栅极接电源电压V_DD；所述的第二级发射共源共栅放大器包括第二级共源晶体管和第二级共栅晶体管，第二级共源晶体管的源极接第二级共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压V_DD，漏极接第一发射输出匹配电感，电感另一端接电源电压V_DD，第二级共栅晶体管源极接地，栅极接发射级间匹配电容和第二发射级间匹配电感，电感另一端接偏置电压V_T3。

进一步的，所述的第一级接收共源共栅放大器包括接收共源晶体管和接收共栅晶体管，接收共源晶体管的源极接接收共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压V_DD，漏极接接收第一接收级间匹配电感和接收级间匹配电容，电感另一端接电源电压V_DD，接收共栅晶体管源极接地，栅极接接收输入匹配电感和接收输入匹配电容，电感另一端接偏置电压V_R1；所述的第二级接收共源共栅放大器包括第二级接收共源晶体管和第二级接收共栅晶体管，第二级接收共源晶体管的源极接第二级接收共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压V_DD，漏极接第一接收输出匹配电感和第二接收输出匹配电感，第二接收输出匹配电感的另一端接电源电压V_DD，第二级接收共栅晶体管源极接地，栅极接接收级间匹配电阻，电阻另一端接偏置电压V_R2。

进一步的，所述的输入级联型共栅放大器中的的第一共栅晶体管的栅极接电源电压V_DD，源极接第二共栅晶体管的漏极，漏极接输入匹配电容和输出匹配电感，电感另一端接电源电压V_DD，第二共栅晶体管的栅极接接偏置电压 V_T1，源极接第一并联50Ω传输线；所述的信号输出级共漏放大器中的共漏晶体管栅极接接收输出匹配电容和并联电阻，电阻另一端接偏置电压V_R3，源极接串联电容，串联电容另一端接地；第一并联匹配电感、串联匹配电容和第二并联匹配电感形成π型匹配网络分别于第一、第二并联50Ω传输线相接，另一端接公共端口SW_COM。

更进一步的，有源开关电路仅需要通过控制晶体管的偏置电压，改变发射模式的级联型共栅放大器和接收模式的共漏放大器的工作状态就可以控制信号链路的发射和接收，避免了电路中的无源损。耗级联型共栅放大器仅在发射模式下开启，共漏放大器仅在接收模式下开启。发射模式下，第一部分电路的偏置电压(V_T2,V_T3)开启，第二部分电路的偏置电压(V_R1,V_R2)关闭，第三部分电路的偏置电压(V_T1)开启，偏置电压(V_R3)关闭。第一部分共源共栅电路可为发射通道提供增益和输出功率。级联型共栅放大器结构能够比单一的结构提高电路的功率增益和反向隔离度，实现更好的开关性能。同时级联的方式能够降低功耗。接收模式下，第一部分电路的偏置电压(V_T2,V_T3) 关闭，第二部分电路的偏置电压(V_R1,V_R2)开启，第三部分电路的偏置电压 (V_T1)关闭，偏置电压(V_R3)开启。接收模式下共漏放大器中的共漏晶体管的源极是接收模式的输出，通过第一、第二并联50Ω传输线和发射模式下第二共栅晶体管的源极相连。串联电容输出阻抗特性，由感抗变成容抗，更利于匹配到端口SW_COM。并联电阻保证了共漏结构的稳定性。引入两个元件可以保证电路在无条件稳定的条件下降低有源开关的回波损耗。

更进一步的，所述的适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构中的有源器件优选N型晶体管(N-Metal-Oxide-Semiconductor)。

有益效果：通过本发明设计的新型有源开关电路结构，有效地解决了无源开关插入损耗的问题，保证开关的高隔离度，低回波损耗，同时也为系统提供了一定的功率增益。对于Ka波段的信号来说，该有源开关在发射模式下可实现16dB的功率增益，接收模式可实现12dB的功率增益。

附图说明

本发明的图例和相关描述介绍仅用于说明此专利设计的具体电路结构，设计者不应拘泥于此。

图1A是本发明的射频有源开关和cascode放大器电路结构示意图。

图1B是本发明具体实施cascode放大器的电路结构示意图。

图2A是本发明有源开关工作在发射条件下的工作状态示意图。

图2B是本发明有源开关发射通道的输入阻抗在史密斯圆图上的示意图。

图3A是本发明有源开关工作在接收条件下的工作状态示意图。

图3B是本发明有源开关接收通道的输出阻抗在史密斯圆图上的示意图。

具体实施方式

采用本发明涉及的有源开关电路主要适用于毫米波相控阵雷达系统中。相控阵每个天线单元都含有发射/接收单元，有源开关起到了控制发射/接收信号切换的作用。为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图例，进一步阐述本发明。

参考图1A所示，本发明提供了一种适用于毫米波相控阵系统中的有源开关结构，包括了发射模式的两级共源共栅(cascode)放大器102、接收模式的两级cascode放大器202和有源开关电路302，其中有源开关302由发射模式下的级联型共栅级放大器304和接收模式下的共漏放大器306组成。发射和接收通道中的两级cascode放大器结构相同，但因为发射通道要求更高的输出功率，因此晶体管的尺寸略有差异，匹配网络也有些不同。发射模式下，并联电感(124、126、128)保证了晶体管(104、106)的直流工作状态和发射通道的偏置电压(V_T2、V_T3)，串联电容(114、116、118)保证了每级的偏置相互独立。接收状态同理，并联电感(220、224、226)连接偏置电压或电源，串联电容(214、216、218)保证了级间耦合，此外，接收通道还需要串联电感(228、222)用于级间匹配。接收通道中的偏置电压为 (V_R1、V_R2)。两级cascode放大器和一个有源开关电路分别在发射和接收模式下形成了两个级间匹配网络，通过两个级间匹配网络的频率响应补偿实现了宽带匹配。

下面将具体介绍关于共源共栅(cascode)放大器的电路工作结构。参考图1B所示是包含所有元件的具体实施单级cascode放大器的结构示意图，图示1B以发射模式下的第三级104为例。cascode放大器由共源级晶体管 107和共栅晶体管105的上下级联构成，相较于共源极放大器，cascode放大器减小了晶体管的固有寄生电容造成的密勒效应的影响，可以提高电路的稳定性。信号从共源级晶体管107的栅极输入V_IN，共源级晶体管107的输入阻抗呈高容抗，通过设计无源阻抗匹配网络(116、126)可将源阻抗匹配到共源级晶体管107的输入阻抗，并且这种匹配网络可以在利用元件最少的条件下实现较为宽带的频率响应。共栅极晶体管105的栅极串联电阻132连接电源可以保证cascode的晶体管均工作在饱和区，实现最高增益。信号从共栅晶体管105的漏极流出，输出信号V_OUT，输出匹配网络由无源元件(114、 124)构成，与输入匹配网络同理，可以保证在使用元件最少的条件下实现功率匹配(或阻抗匹配)。

为保证单端cascode放大器正常工作，其晶体管在工作条件下信号回路中的交流地阻抗为零，即在放大器工作时，连接电感126的直流偏置的一端，连接电感124的直流电源的一端和共栅放大器105的栅极三个位置的阻抗均应为零。在仿真条件下，理想的电压源和晶体管模型满足阻抗为零的条件，但在实际电路中他们的阻抗大小是不能够确定的，因此需要通过在他们的位置并联电容(402、404、406)实现该效果。基于仿真和计算结果，并联电容的实际大小应满足

其中是毫米波频段电路的工作频率，L为并联电容和交流地实际产生的寄生电感，一般为10p～20p。

有源开关的发射模式：

参考图2A所示是发射模式下有源开关的具体电路结构示意图。此时接收模式的共漏放大器306的栅极偏置电压V_R3关闭，V_R3＝0，没有接收信号流出。发射模式的共栅放大器304栅极的偏置电压V_T1打开，发射信号从端口 SW_COM流向TX_OUT。上面的NFET 305的栅极连接电源保证了晶体管均处于饱和工作状态。接收信号从下面的NFET 307的源极输入，从上面的NFET 305的漏极输出。匹配电感(322、324)保证了直流工作状态。该发明采用级联共栅放大器的方式代替单个共栅放大器，其作用是减少第一个NFET 305和第二个NFET之间的寄生电容产生的密勒效应的影响，提高了发射通道的功率增益和开关的反向隔离度。

在这种结构条件下，图2B所示在史密斯圆图中了画出了发射模式下开关的输入阻抗。可以看出当它工作时，其实部约等于25Ω，虚部为负值，为容抗。通过匹配元件(324、314、326)能将该输入阻抗很好的匹配到端口 SW_COM，得到发射模式下较低的回波损耗。图2B也画出了匹配得到的输入阻抗。由于共栅放大器输入阻抗较为恒定，因此匹配得到的阻抗带宽也是非常宽带的。当它关闭时，表现出较高的阻抗特性，可以减少发射通道对接收模式下的接收信号造成的影响。

有源开关的接收模式：

图3A给出了接收状态下有源开关的具体电路结构示意图。此时发射通道的晶体管偏置电压关闭，没有发射信号流入。接收通道的偏置电压V_R3打开，共漏放大器306位于饱和区，接收信号从它的栅极流入，源极流出。因为晶体管的寄生电容C_GS在信号流出的过程中形成了反馈回路，共漏放大器 (CD)可能会存在不稳定的情况。所以该发明在栅极并联了电阻330，电阻 330抵消了栅极输入阻抗的实部为负数的不稳定因素，提高了电路的稳定性，可以保证在毫米波工作频段该电路的稳定系数μ＞1。

有源开关电路必须考虑发射/接收模式下的不同结构电路彼此造成的影响。对该发明而言，有源开关若想在SW_COM端口同时实现发射和接收的良好性能，必须保证发射模式的共栅放大器304的输入阻抗和接收模式的共漏放大器306的输出阻抗大小相同。上文提过发射信号的输入阻抗实部约为25Ω，虚部为较小的负值，呈容抗。通过仿真可以发现，接收信号的输出阻抗的实部和发射信号的输入阻抗大小近乎相等，但是其虚部呈感性，通过匹配元件 (324、314、326)不能达到理想的性能要求，因此无法实现接收模式下良好的开关性能。针对该问题，本发明在共漏放大器306的源极并联了开关电容316，引入并联电容316可以将原本表现感性的虚部阻抗变成容性，实现了更好的匹配。

参考图3B所示给出了接收模式下共漏放大器306未匹配时的输出阻抗 (Z_Lon)。和参考图2B对比可以发现，接收模式下未匹配的共漏放大器的输出阻抗和发射模式下共栅放大器的输入阻抗十分类似，它们都通过匹配元件 (324、314、326)实现良好的匹配，可以很好地匹配到端口SW_COM。参考图 3B也给出了匹配后的输出阻抗和接收模式关闭时的输出阻抗(Z_Loff)，与参考图2B相比较，它们的阻抗特性均保持一致。

Claims (5)

1.一种适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构，其特征在于：包括位于相控阵系统发射通道的第一部分电路(102)、位于相控阵系统接收通道的第二部分电路(202)和位于发射/接收通道的接口处第三部分电路(302)；所述的第一部分电路(102)包括两级级联发射共源共栅放大器、发射输入匹配电路、发射级间匹配电路和发射输出匹配电路；所述的第二部分电路(202)包括两级级联接收共源共栅放大器、接收输出匹配电路、接收级间匹配电路和接收输入匹配电路；所述的第三部分电路(302)包括发射模式下的信号输入级联型共栅放大器(CCG)、接收模式下的信号输出的共漏放大器(CD)和匹配电路；

所述的第三部分电路(302)中的信号输入级联型共栅放大器包括上下级联的第一共栅晶体管(305)、第二共栅晶体管(307)和输出匹配电感(322)；所述的第三部分电路(302)中的信号输出级共漏放大器包括共漏晶体管(306)、并联电阻(330)和串联电容(316)；所述的第三部分电路(302)中的匹配电路包括第一并联50Ω传输线(352)、第二并联50Ω传输线(354)、第一并联匹配电感(324)、串联匹配电容(314)和第二并联匹配电感(326)；

所述的信号输入级联型共栅放大器中的的第一共栅晶体管(305)的栅极接电源电压VDD，源极接第二共栅晶体管(307)的漏极，漏极接输入匹配电容(118)和输出匹配电感(322)，电感另一端接电源电压VDD，第二共栅晶体管(307)的栅极接接偏置电压VT1，源极接第一并联50Ω传输线(352)；所述的信号输出级共漏放大器中的共漏晶体管(306)栅极接接收输出匹配电容(218)和并联电阻(330)，电阻另一端接偏置电压VR3，源极接串联电容(316)，串联电容(316)另一端接地；第一并联匹配电感(324)、串联匹配电容(314)和第二并联匹配电感(326)形成π型匹配网络分别于第一(352)、第二并联50Ω(354)传输线相接，另一端接公共端口SWCOM。

2.根据权利要求1所述的适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构，其特征在于：所述的第一部分电路(102)中的两级级联发射共源共栅放大器包括第一级发射共源共栅放大器(106)和第二级发射共源共栅放大器(104)；所述的第一部分电路(102)中的发射输入匹配电路包括发射输入匹配电容(108)和发射输入匹配电阻(130)；所述的第一部分电路(102)中的发射级间匹配电路包括第一发射级间匹配电感(128)、发射级间匹配电容(116)和第二发射级间匹配电感(126)；所述的第一部分电路(102)中的发射输出匹配电路包括发射输出匹配电感(124)、发射输出匹配电容(114)。

3.根据权利要求2所述的适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构，其特征在于：所述的第一级发射共源共栅放大器(106)包括共源晶体管和共栅晶体管，共源晶体管的源极接共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压VDD，漏极接第一发射级间匹配电感(128)和发射级间匹配电容(116)，第一发射级间匹配电感(128)另一端接电源电压VDD，共栅晶体管源极接地，栅极接发射输入匹配电容(118)和发射输入匹配电阻(130)，发射输入匹配电阻(130)另一端接偏置电压VT2，共源晶体管的栅极接电源电压VDD；所述的第二级发射共源共栅放大器(146)包括第二级共源晶体管和第二级共栅晶体管，第二级共源晶体管的源极接第二级共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压VDD，漏极接发射输出匹配电感(124)，电感另一端接电源电压VDD，第二级共栅晶体管源极接地，栅极接发射级间匹配电容(116)和第二发射级间匹配电感(126)，电感另一端接偏置电压VT3。

4.根据权利要求1所述的适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构，其特征在于：所述的第二部分电路(202)中的两级级联接收共源共栅放大器包括第一级接收共源共栅放大器(204)和第二级接收共源共栅放大器(206)；所述的第二部分电路中的接收输出匹配电路包括接收输出匹配电容(218)、第一接收输出匹配电感(222)和第二接收输出匹配电感(220)；所述的第一部分电路中的接收级间匹配电路包括接收级间匹配电阻(230)、第一接收级间匹配电感(228)、接收级间匹配电容(216)和第二接收级间匹配电感(226)；所述的第一部分电路(202)中的接收输入匹配电路包括接收输入匹配电感(224)、接收输入匹配电容(214)。

5.根据权利要求4所述的适用于毫米波相控阵系统的有源开关结构，其特征在于：所述的第一级接收共源共栅放大器(204)包括接收共源晶体管和接收共栅晶体管，接收共源晶体管的源极接接收共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压VDD，漏极接接收第一接收级间匹配电感(226)和接收级间匹配电容(216)，电感另一端接电源电压VDD，接收共栅晶体管源极接地，栅极接接收输入匹配电感(224)和接收输入匹配电容(214)，电感另一端接偏置电压VR1；所述的第二级接收共源共栅放大器(206)包括第二级接收共源晶体管和第二级接收共栅晶体管，第二级接收共源晶体管的源极接第二级接收共栅晶体管的漏极，栅极接电源电压VDD，漏极接第一接收输出匹配电感(222)和第二接收输出匹配电感(220)，第二接收输出匹配电感(220)的另一端接电源电压VDD，第二级接收共栅晶体管源极接地，栅极接接收级间匹配电阻(230)，电阻另一端接偏置电压VR2。

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