CN109904576B

CN109904576B - 一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关

Info

Publication number: CN109904576B
Application number: CN201910095247.9A
Authority: CN
Inventors: 罗将; 沈宏昌
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: CN109904576A

Abstract

本发明公开了一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关，涉及毫米波开关，属于基本电气元件的技术领域。混合耦合器包含在水平方呈微带线形式的上金属层和呈接地耦合式缺陷地平面的下金属层，在紧凑的尺寸下改变了微带线周围的电磁场分布、增强耦合器的有效电感和引入有效电容，从而实现串联谐振条件。单刀单掷开关包括：接地耦合式混合耦合器、第一控制晶体管和第二控制晶体管、第一偏置电阻和第一偏置电阻，混合耦合器能够高效地补偿控制晶体管的寄生电容，在一个超宽带的工作频率范围内实现了低插入损耗、高隔离度以及大功率处理能力，而且结构简单紧凑，电路面积非常小，在毫米波集成电路设计中极具有优秀的科学应用价值。

Description

一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关

技术领域

本发明公开了一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关，涉及毫米波开关，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

毫米波介于微波和太赫兹波之间，其长波段与微波重合，短波段与太赫兹波段重合，兼具微波和太赫兹波的一些优秀特性，是新一代理想而又实用的工作频段。单刀单掷开关作为毫米波前端电路中的关键电路模块被广泛地应用于无线通信系统中。例如，单刀单掷开关经常用于振幅键控通信系统中以实现幅度调制，也可以用于构建时分复用前端中的单刀双掷-发射/接收开关以实现发射机和接收机共享同一根天线，为全集成片上毫米波系统提供了一个更加紧凑的解决方案。因此，单刀单掷开关作为构成毫米波系统极其关键的模块，其性能的好坏直接影响到后端数据信息传输的准确性及整个系统的通信质量。

毫米波开关设计的主要挑战在于如何高效地补偿控制晶体管的寄生电容，因为，这种寄生效应会极大地影响插入损耗，回波损耗和隔离度等开关性能。最常用的补偿方式是采用四分之一波长传输线作为补偿元件，利用传输线内在的宽带特性可以实现优异的宽带性能，然而，传输线会占用较大的芯片面积，导致制造成本较高，同时，毫米波开关的隔离度也受限。为了获得更加紧凑的芯片，有人提出采用串联电感代替传输线用做补偿部件，采用电感作为补偿元件可以减小芯片面积，但是不容易获得一个宽带工作范围，此外，由于趋肤效应，在工作频率超过 100 GHz 时，电感会引入显著的能量损耗。可以看到，传统的设计方法在毫米波频段很难同时获得低插入损耗和高隔离度，难以满足高性能的设计要求。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种接地耦合式混合耦合器及毫米波超宽带单刀单掷开关，降低插入损耗的同时提高了隔离度，还增强了功率处理能力，解决了现有毫米波开关难以同时实现低插入损耗和高隔离度的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种通过交换核实现的接地耦合式混合耦合器，包括呈平行微带线结构的上金属层和和呈接地耦合式缺陷地平面的下金属层，通过不同的金属层并行交换互连实现交换核的功能，上下金属层通过金属通孔进行连接，不同金属层在水平方向上存在强电磁场耦合，接地耦合式缺陷地平面通过在下金属层上分别刻蚀沿水平方向轴对称的多边形和沿垂直方向轴对称的间隙实现。刻蚀多边形会扰乱表面电流分布，延长表面电流的传播路径，改变微带线周围的电磁场分布，增强接地耦合式混合耦合器的有效电感，在一个紧凑的尺寸下更高效地补偿控制晶体管的寄生电容。间隙处会聚集大量的电荷，存在强的电容效应，引入等效的耦合电容。在一定的工作频率范围内，有效电感和等效的耦合电容共同作用会引入一个串联谐振条件（零点），从而获得更低的插入损耗和更高的隔离度。

进一步优选的，改变刻蚀多边形的形状和大小以及间隙的大小，可以改变接地耦合式混合耦合器的有效电感和等效耦合电容，改善输入输出匹配，获得额外的设计自由度，进而调节毫米波单刀单掷开关的整体频率响应。

一种接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关，包括接地耦合式混合耦合器、第一控制晶体管和第二控制晶体管、第一偏置电阻和第二偏置电阻。接地耦合式混合耦合器的输入端和输入端子以及第一控制晶体管的漏极相连，接地耦合式混合耦合器的输出端和输出端子以及第二控制晶体管的漏极相连，第一控制晶体管和第二控制晶体管的栅极分别与第一偏置电阻的一端和第二偏置电阻的一端相连接，第一控制晶体管和第二控制晶体管的源极与接地单元相连接，第一偏置电阻和第二偏置电阻的另一端互相连接后与控制端子相连接，控制端子接控制电压。当控制电压为低电平时，比如0V，第一控制晶体管和第二控制晶体管关断，此时，接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关导通，毫米波信号可以从输入端子传输到输出端子；当控制电压为高电平时，比如1V，第一控制晶体管和第二控制晶体管导通，此时，接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关关断，毫米波信号不能从输入端子传输到输出端子。

优选地，接地耦合式混合耦合器与第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一控制晶体管、第二控制晶体管集成在同一芯片上，且第一控制晶体管、第二控制晶体管的漏极均与上金属层连接，第一控制晶体管、第二控制晶体管的源极均与下金属层连接。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本申请通过在交换核的上金属层形成平行微带线结构并在下金属层刻蚀不规则多边形和间隙实现了平面结构的接地耦合式混合耦合器，结构紧凑，占用面积小，制造简单，可以与半导体工艺相兼容，易于大规模集成，在紧凑的尺寸下改变微带线周围的电磁场分布、增强耦合器的有效电感和引入有效电容并实现串联谐振条件，比传统的耦合器具有更宽的工作频段及更大的功率处理能力，比普通的传输线有更优的Q值和更小的尺寸，在高频时可以获得更低的插入损耗和更高的隔离度。

（2）本发明提出了一种包含接地耦合式混合耦合器的毫米波超宽带单刀单掷开关，相比于传统的毫米波单刀单掷开关，整体结构十分紧凑，极大地减小了电路面积，而且在一个很宽的频率范围内获得低插入损耗的同时实现了高隔离度，在毫米波集成电路设计中具有很好的优势和科学应用价值，可以广泛地应用于毫米波无线通信系统中。

附图说明

图1（a）是本发明接地耦合式混合耦合器的三维视图，图1（b）是本发明接地耦合式混合耦合器的正面视图，图1（c）是本发明接地耦合式混合耦合器的背面视图。

图2是本发明接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关电路的电路图。

图3是本发明实施例中接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关的S参数仿真结果。

图4是本发明实施例中接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关的隔离度仿真结果。

图5是本发明实施例中接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关的输入1dB压缩点仿真结果。

图中标号说明：T ₁和T ₂为第一控制晶体管和第二控制晶体管，R ₁和R ₂为第一偏置电阻和第二偏置电阻。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，应理解所述的实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明，在阅读了本发明申请文件之后，本领域技术人员对本发明所做出的各种等价形式的修改均落于本申请权利要求限定的范围。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”，“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其它材料的使用。

本发明涉及的接地耦合式混合耦合器如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，通过交换核实现，金属层1（即为上金属层）上实现了水平方向平行耦合的两条耦合线，金属层2（即为下金属层）刻蚀沿水平方向轴对称的缺陷多边形和沿垂直方向轴对称的间隙后呈接地耦合式缺陷地平面，上金属层通过两条耦合线各自开有的金属通孔与下金属层互连，两条耦合线的两端端口1和端口2作为二端口网络耦合器的输入端和输出端，两端口可互易使用。根据接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关的实际设计需求，可以选择在金属层2上刻蚀多条间隙，如3条，4条甚至更多，另外，也可以选择在金属层2上刻蚀不同尺寸和形状的多边形图案。

本发明涉及的接地耦合式毫米波超宽带单刀单掷开关如图2所示，包括：一个接地耦合式混合耦合器、第一控制晶体管T ₁和第二控制晶体管T ₂、第一偏置电阻R ₁和第二偏置电阻R ₂、接地单元。接地耦合式混合耦合器的端口1与第一控制晶体管T ₁的漏极和输入端子相连接，接地耦合式混合耦合器的端口2与第二控制晶体管T ₂的漏极和输出端子相连接，第一偏置电阻R ₁和第二偏置电阻R ₂的一端分别与第一控制晶体管T ₁的栅极和第二控制晶体管T ₂的栅极相连接，第一偏置电阻R ₁和第二偏置电阻R ₂的另一端互连后与控制端子相连接，控制端子接控制电压，第一控制晶体管T ₁和第二控制晶体管T ₂的源极均与接地单元相连接。

由于采用了接地耦合式混合耦合器结构，实现了低插入损耗，高隔离度、大功率处理能力和超宽带的毫米波开关。如图3和图4所示，本发明涉及的毫米波开关在工作频率为80～160GHz超宽带范围内的插入损耗为1.5～3dB，隔离度为22～25.5 dB，输入回波损耗为9～38dB，输出回波损耗为8.7～34dB；如图5所示，本发明涉及的毫米波开关在中心频率120GHz处的输入1dB压缩点为12.9dBm。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种接地耦合式混合耦合器，其特征在于，包含在水平方向呈微带线形式的上金属层和呈接地耦合式缺陷地平面的下金属层，所述上金属层包括在水平方向平行耦合的两条耦合线，两条耦合线通过各自开有的金属通孔与下金属层连接，通过金属通孔连接的上层金属与下层金属构成交换核，所述上金属层正下方的下金属层刻蚀有沿垂直方向轴对称的间隙，所述下金属层还刻蚀有关于交换核中心对称的多边形。

2.一种毫米波超宽带单刀单掷开关，其特征在于，包括：权利要求1所述的接地耦合式混合耦合器、第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一控制晶体管、第二控制晶体管，接地耦合式混合耦合器的输入端口、第一控制晶体管的漏极均接输入端子，接地耦合式混合耦合器的输出端口、第二控制晶体管的漏极均接输出端子，第一控制晶体管的栅极接第一偏置电阻的一端，第二控制晶体管的栅极接第二偏置电阻的一端，第一偏置电阻的另一端和第二偏置电阻的另一端并接后作为毫米波超宽带单刀单掷开关的控制端，第一控制晶体管的源极和第二控制晶体管的源极与呈接地耦合式缺陷地平面的下金属层共同接地。

3.根据权利要求2所述一种毫米波超宽带单刀单掷开关，其特征在于，根据毫米波超宽带单刀单掷开关低插损和高隔离度的设计要求，调整接地耦合式混合耦合器下金属层间隙的个数以及多边形的尺寸和图案。

4.根据权利要求2所述一种毫米波超宽带单刀单掷开关，其特征在于，所述接地耦合式混合耦合器与第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一控制晶体管、第二控制晶体管集成在同一芯片上，且第一控制晶体管、第二控制晶体管的漏极均与上金属层连接，第一控制晶体管、第二控制晶体管的源极均与下金属层连接。