CN110429929A - 一种四分之一波长结构毫米波开关 - Google Patents

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向渝
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Abstract

本发明公开了一种四分之一波长结构毫米波开关，包括射频信号输入端，射频信号输入端连接输入匹配网络，输入匹配网络分别连接四分之一波长微带传输线1、微带传输线2，微带传输线1、微带传输线2分别经开关管1、开关管2连接输出匹配网络1、输出匹配网络2，输出匹配网络1、输出匹配网络2分别连接输出端1、输出端2；每个开关管由至少两个等尺寸的小尺寸晶体管采用反偏结构组成，同一开关管的晶体管的发射级之间连接长度等长且可调的微带线。本发明通过将大尺寸开关管等分成多个小尺寸晶体管，在晶体管的发射级之间引入长度等长且可调的微带线，通过优化可调微带线的长度，可以大幅度提升四分之一波长结构毫米波开关的隔离度。

Description

一种四分之一波长结构毫米波开关
技术领域
本发明涉及毫米波开关技术领域，尤其涉及基于毫米波开关管关断和导通电阻比值提升的毫米波开关隔离度提升技术。
背景技术
电磁波频谱中频率较低的范围目前已经被分配到许多无线电的应用中，例如广播、电视、卫星通信、移动电话、军事应用和射电天文等等。随着无线电技术的进一步发展，目前低频率段的频谱资源已非常拥挤，对于未来通信应用的需求，低频段的信道容量已经很难满足要求。然而，在毫米波频段，尚有大量的频段未被开发和利用，由于毫米波频带更宽，可用于传输更高的速率，从而获得更大的通信容量。因此毫米波无线通信被认为是解决5G以及未来无线通信数据流量指数性增长的最具潜力和价值的解决方案。
然而，相比于现有的6G以下频段的通信系统，毫米波频段的电波传输承受了更高的路径损耗和有限的散射，同时功率放大器的输出功率较小。因此，为了克服毫米波无线传输的障碍，一些先进的阵列技术被用于5G毫米波系统，如引入多输入多输出（MIMO）技术和波束赋形技术。这些技术通过在毫米波频段使用更多的阵列单元来获得更高的阵列增益，更好的信号覆盖和抗干扰能力。另一方面，结合MIMO和波束赋形技术可以通过同时向多个用户传输多路数据流提升整个毫米波通信系统频谱资源利用率。
此外，由于毫米波频段波长短，阵列尺寸受限，为了满足多输入多输出集成技术的需求，单个射频通道前端通畅采用TDD（时分复用的模式）模式进行快速切换，即单通道发射机和接收机共用一个天线单元以便进行大规模集成。然而，由于传统毫米波开关隔离度有限，对收发通道进行切换时链路的隔离度较差，发射链路和接收链路信号会通过开关相互渗透，极易使电路环路自激。同时在接收时隙由于开关隔离度较差，发射链路会在接收端口引入高的发射底噪从而导致系统接收灵敏度急剧下降。
因此，需要发明一种高隔离度的四分之一波长毫米波开关，满足毫米波多输入多输出集成技术需求的同时，能够有效地对单通道的收发链路进行快速切换，且不恶化系统的性能。
发明内容
发明目的：针对现有四分之一波长结构毫米波开关隔离度差的问题，本发明提出了一种基于毫米波开关管关断和导通电阻比值提升的高隔离度毫米波开关。
技术方案：
一种四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于包括射频信号输入端，射频信号输入端连接输入匹配网络，输入匹配网络分别连接四分之一波长微带传输线1、微带传输线2，微带传输线1、微带传输线2分别经开关管1、开关管2连接输出匹配网络1、输出匹配网络2，输出匹配网络1、输出匹配网络2分别连接输出端1、输出端2；每个开关管由至少两个等尺寸的晶体管采用反偏结构组成，同一开关管的晶体管的发射级之间连接长度等长且可调的微带线。
由于硅基工艺有限的击穿电压，为了满足毫米波频段射频前端输出功率1dB压缩点的需求，现有技术中开关管通常选择大尺寸的晶体管实现，而大尺寸晶体管的关断和导通电阻比值有限，因此会对开关的隔离度产生极大的影响。本发明将传统的大尺寸开关管等分成至少两个小尺寸晶体管，并在晶体管的发射级之间引入长度等长且可调的微带线，通过优化可调微带线的长度，可以大幅度提升开关管的关断和导通电阻比值，进而大幅度提升四分之一波长结构毫米波开关的隔离度。
本发明有益效果：
1）大幅改善毫米波四分之一波长结构开关的隔离度。
2）对开关的插损和输入输出驻波影响较小。
3）适合于大规模集成，收发通道共用同一个天线的TDD应用场合。
附图说明
图1是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的电路原理图；
图2是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的开关隔离度的测试结果；
图3是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的开关插损的测试结果；
图4是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的开关输入输出驻波的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的电路原理图，本发明的基本结构是一个四分之一波长结构的毫米波单刀双掷开关，包括射频信号输入端、输入匹配网络，特征阻抗50欧姆的四分之一波长微带传输线1、微带传输线2，基于本发明改进的开关管1、开关管2，输出匹配网络1、输出匹配网络2和输出端1、输出端2。其中，两个微带传输线结构相同，等长等宽，两个输出匹配网络结构也相同，满足四分之一波长结构单刀双掷开关高对称性要求。射频信号输入端连接输入匹配网络，输入匹配网络分别连接四分之一波长微带传输线1、微带传输线2，微带传输线1、微带传输线2分别经开关管1、开关管2连接输出匹配网络1、输出匹配网络2，输出匹配网络1、输出匹配网络2分别连接输出端1、输出端2。不同于传统毫米波四分之一波长结构开关为了提升开关输出功率1dB压缩点而采用大尺寸晶体管的设计，为了提升开关输出端口1和2之间的隔离度，本发明将大尺寸开关管1和2分别等分成尺寸相同的小尺寸晶体管Q1、Q2、Q3和Q4、Q5、Q6。这里的小尺寸是针对单一的大尺寸管子而言，比如本实施例设计的开关管尺寸是发射级长度为36um的晶体管，这里就拆分成三个发射级长度为12um的晶体管。晶体管Q1-Q6均采用反向加载模式（反偏结构），即晶体管的发射级连接射频信号传输线路，集电极接地，基极通过串联四分之一波长线（L5-L10）和并联容值1pf滤波电容（C1-C6）后加偏置电压Vb1-Vb6，晶体管Q1-Q3的偏置电压Vb1-Vb3值相同，Q4-Q6的偏置电压Vb4-Vb6值相同。当Vb1-Vb3加高电平时，Vb4-Vb6加低电平，此时输出端1为隔离端，输出端2为直通端；当Vb1-Vb3加低电平时，Vb4-Vb6加高电平，此时输出端1为直通端，输出端2为隔离端。此外，基于本发明分别在晶体管Q1、Q2；Q2、Q3；Q4、Q5以及Q5、Q6的发射极之间引入长度可调的微带线L1、L2、L3和L4。本发明中为了得到较好的开关管关断和导通电阻的比值以得到最优的开关输出端口1和2之间的隔离度，微带线L1-L4的长度优化为320微米。
测试过程中，由于输出端1和2完全对称，故只测试以下一种偏执状态（另一种状态反之设置即可）：Vb1-Vb3加低电平0V，Vb4-Vb6加高电平1V，此时开关管1处于关断状态，开关管2处于导通状态，输出端1为直通端，输出端2为隔离端。
图2是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的开关隔离度的测试结果。从图中可以看出，引入该隔离度提升技术以后，在该四分之一波长结构开关工作频段35-50 GHz内，输出端口之间的隔离度提升了超过30 dB，从-25 dB附近提升到-55dB附近。
图3是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的开关插损的测试结果。从图中可以看出，引入该隔离度提升技术以后，在该四分之一波长结构开关工作频段35-50 GHz内，开关的插损恶化指标较小（小于0.5 dB），相对于30 dB的隔离度提升，0.5 dB的插损恶化是完全可以接受的。
图4是将本发明应用在一个35-50 GHz毫米波四分之一波长结构开关的开关输入输出驻波的测试结果。从图中可以看出，引入该隔离度提升技术以后，在该四分之一波长结构开关工作频段35-50 GHz内，开关的输入端和直通端的驻波指标变化较小，全频段仍优于-15 dB，完全满足系统集成的需求。
本发明及其所应用在的四分之一波长结构毫米波开关均采用硅基双极型金属氧化物半导体集成电路工艺实现。根据实际设计的需要也可以将大尺寸开关管等分成两个或四个小尺寸晶体管，晶体管的发射级之间仍需引入等长且长度可调的微带线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于包括射频信号输入端，射频信号输入端连接输入匹配网络，输入匹配网络分别连接四分之一波长微带传输线1、微带传输线2，微带传输线1、微带传输线2分别经开关管1、开关管2连接输出匹配网络1、输出匹配网络2，输出匹配网络1、输出匹配网络2分别连接输出端1、输出端2；每个开关管由至少两个等尺寸的晶体管采用反偏结构组成，同一开关管的晶体管的发射级之间连接长度等长且可调的微带线。
2.根据权利要求1所述的四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于，所述晶体管的发射级连接射频信号传输线路，集电极接地，基极通过串联四分之一波长线和并联滤波电容后加偏置电压，同一开关管的晶体管的偏置电压值相同。
3.根据权利要求1所述的四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于开关管1和开关管2的晶体管基极加相反的电平，加高电平的一路输出端为隔离端，加低电平的一路输出端为直通端。
4.根据权利要求1所述的四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于，开关为单刀双掷开关。
5.根据权利要求1所述的四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于，每个开关管由2个或3个或4个晶体管组成。
6.根据权利要求1所述的四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于，开关采用硅基双极型金属氧化物半导体集成电路工艺。
7.根据权利要求1所述的四分之一波长结构毫米波开关，其特征在于，同一开关管的晶体管的发射级之间的微带线长度为320微米。
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