CN110995224A - 一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及射频前端TR切换和雷达天线极化切换控制电路，具体涉及一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，包括第一RF端口Tx，第二RF端口Rx，第三RF端口V、第四RF端口H和pHEMT晶体管。所述pHEMT晶体管的开关状态控制四个端口的开关状态；所述第一RF端口Tx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接；所述第二RF端口Rx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接。本申请用一个开关同时实现射频收发切换和天线极化切换两种功能，并能与适用于放大器的半导体工艺集成，提高TR芯片的集成度、减少装配步骤、提升产品一致性。

Description

一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构
技术领域
本发明涉及射频前端TR切换和雷达天线极化切换控制电路，具体涉及一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构。
背景技术
射频（RF）开关用于选择性的打开或闭合射频信号的电连接。在很多应用中，高电子迁移率场效应晶体管(pHEMT)用作RF开关，有时使用PIN二极管，还可以使用双极结型晶体管(BJT)作为RF开关。现有的开关结构的不足之处主要在于：1.无法用一个开关同时实现射频收发切换和天线极化切换两种功能；2. 在TR芯片(系统)的集成度、装配简化以及产品的一致性方面都存在不足。
发明内容
为实现上述发明目的，本申请通过如下的技术方案来实现：
一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：
包括：第一RF端口Tx，第二RF端口Rx，第三RF端口V、第四RF端口H和pHEMT晶体管，所述pHEMT晶体管的开关状态控制四个端口的开关状态；所述第一RF端口Tx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接；所述第二RF端口Rx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接。RF信号由端子第一RF端口Tx进入，经过两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的耦合至目的地第三RF端口V或第四RF端口H。或RF信号由第三RF端口V或第四RF端口H进入，由两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的耦合至目的地第二RF端口Rx。
所述pHEMT晶体管包含串联、并联和串并联组合等多种拓扑，栅极电压供给电路，被配置为将栅极电压选择性提供至所述pHEMT晶体管的栅极端子。
所述pHEMT晶体管被配置为当所述栅极电压供给电路提供栅极电压时在正向饱和或反向饱和中的一种状态下工作。
还包括与pHEMT晶体管Cds谐振的电感L1和L2。
还包括与pHEMT晶体管阻抗匹配、隔直和提供直流通路的电容器、电感器、电阻器和微带线。
还包括所述第一RF端口Tx，第二RF端口Rx，第三RF端口V和第四RF端口H与参考电势之间的阻抗。
所述阻抗包括具有50Ω的电阻值的电阻器。
所述参考电势是地。
本发明的有益效果：
本申请用一个开关同时实现射频收发切换和天线极化切换两种功能，并能与适用于放大器的半导体工艺集成，提高TR芯片(系统)的集成度、减少装配步骤、提升产品一致性。
附图说明
图1是一种射频收发兼天线极化切换的开关的拓扑结构。
图2是根据实施例的器件的框图。
图3是可在实施例中使用的pHEMT晶体管的示图。
图4-图6是示出了几种用于图1所示的同一种射频收发兼天线极化切换开关拓扑结构的开关晶体管组态，且根据性能需求，实际电路应用中开关晶体管组态不限于这几种。
图7是示出了根据实施例的器件的电路图，并根据性能需求，选择了图6的开关晶体管组态，但不限于图6中的开关晶体管组态。
具体实施方式
一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：
包括：第一RF端口Tx，第二RF端口Rx，第三RF端口V、第四RF端口H和pHEMT晶体管，所述pHEMT晶体管的开关状态控制四个端口的开关状态；所述第一RF端口Tx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接；所述第二RF端口Rx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接。RF信号由端子第一RF端口Tx进入，经过两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的耦合至目的地第三RF端口V或第四RF端口H。或RF信号由第三RF端口V或第四RF端口H进入，由两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的耦合至目的地第二RF端口Rx。
pHEMT晶体管包含串联、并联和串并联组合等多种拓扑，栅极电压供给电路，被配置为将栅极电压选择性提供至所述pHEMT晶体管的栅极端子。
pHEMT晶体管被配置为当所述栅极电压供给电路提供栅极电压时在正向饱和或反向饱和中的一种状态下工作。
进一步的，还包括与pHEMT晶体管Cds谐振的电感L1和L2。
进一步的，还包括与pHEMT晶体管阻抗匹配、隔直和提供直流通路的电容器、电感器、电阻器和微带线。
进一步的，还包括所述第一RF端口Tx，第二RF端口Rx，第三RF端口V和第四RF端口H与参考电势之间的阻抗。
所述阻抗包括具有50Ω的电阻值的电阻器。
所述参考电势是地。
图1是示出了一种射频收发兼天线极化切换的四端口开关的结构10，包括Tx11、Rx12、V13、H14四个端口，以及四个单刀单置开关。RF信号由端子Tx11进入，经过两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的耦合至目的地V14或H13端子。或RF信号由V14或H13端子进入，由两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的耦合至目的地Rx12端子。
图2示出了根据实施例的器件。图2的器件包括极化收发开关电路21，极化收发开关电路包括高电子迁移率场效应晶体管(pHEMT)以及选择性地附加元件，例如耦合至晶体管的微带线、电感器、电容器或电阻器。
发射链路22和接收链路23均耦合至极化收发开关21的两个输入端Tx11和Rx12端子。发射链路中，RF信号经过端子Tx11和两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的耦合至目的地V14或H13端子，并连接至系统天线V25或天线H24端口并发射出去。接收链路中，RF信号经过两个开关的选择性打开或闭合，RF信号可以选择性的从系统天线V25或天线H24端口接收进来，耦合至极化收发开关21的Rx12端子。RF信号源可以是任何类型的生成RF信号的电路。
极化收发开关21由四组直流电压控制。在实施例中，直流控制电压可以用作电压源，以选择性地将电压提供至场效应晶体管开关器件的栅极G31端子。在一些实施例中，如下文中将要使用示例进行解释的，为了使能Vc在栅极端子G31建立电压，场效应晶体管器件的源极S33端子可以经由电感器件耦合至诸如地的参考电势。
图3示出了用于下文中各个实施例的各种部件的示出的高电子迁移率场效应晶体管(pHEMT)35。然而，本文中公开的概念和技术还可以应用于其它所有类型的半导体晶体管，例如mHEMT、HBT、BJT等等。半导体晶体管可以基于GaAs实现，但是还可以基于其他材料实现，例如InP、GaN、Si、SiGe、SiC等。
图3的实施例中pHEMT35包括栅极端子31、漏极端子32和源极端子34。箭头33表示漏极源极电流Ids，Vc36表示栅极电压Vgs。作为DC电压的栅极电压Vgs决定了漏极源极耦合的极性。晶体管工作越趋近于饱和状态，漏极源极耦合的欧姆损耗就越低。
图4-图6示出了几种用于图1所示的同一种射频收发兼天线极化切换开关拓扑结构的开关晶体管组态。
图4的开关器件包括第一端子41和第二端子42。图4的开关器件适用于选择性地提供耦合在端子41、42之间的射频(即，选择性地提供用于射频信号的低欧姆路径或者用于射频信号的高欧姆基本隔离)。为了提供该切换，并同时获得较高开关器件隔离度和较低插入损耗，图4-a的开关器件包括开关晶体管器件，例如，高电子迁移率场效应晶体管47、电感L1、电阻R1和电源Vc1。晶体管47的漏极D经电感耦合至源极S，提高晶体管关断时的隔离度。晶体管源极S通过衬底地孔耦合/连接至参考地，使Vc1在栅极端子G建立电压。
图5的开关器件包括第一端子43和第二端子44。图5的开关器件适用于选择性地提供耦合在端子43、44之间的射频(即，选择性地提供用于射频信号的低欧姆路径或者用于射频信号的高欧姆隔离)。为了提供该切换，并同时获得较高开关器件隔离度和较低插入损耗，图5的开关器件包括开关晶体管器件，例如，高电子迁移率场效应晶体管48、电感L2、电感L3、电阻R1和电源Vc1。晶体管48的漏极D经电感L2耦合至源极S，提高晶体管关断时的隔离度。晶体管源极S通过电感L3耦合/连接至参考地，使Vc1在栅极端子G建立电压。
图6的开关器件包括第一端子45和第二端子46。图6的开关器件适用于选择性地提供耦合在端子45、46之间的射频(即，选择性地提供用于射频信号的低欧姆路径或者用于射频信号的高欧姆隔离)。为了提供该切换，并同时获得较高开关器件隔离度和较低插入损耗，图6的开关器件包括开关晶体管器件，例如，并联的高电子迁移率场效应晶体管49、串联的高电子迁移率场效应晶体管50、电感L1和L2、电阻R1、电源Vc1和Vc2。晶体管49的漏极D经电感L1耦合至源极S，提高晶体管关断时的隔离度。晶体管源极S通过衬底地孔耦合/连接至参考地，使Vc1在晶体管49的栅极端子G建立电压。晶体管50的漏极D经电感L2耦合至源极S，提高晶体管关断时的隔离度。晶体管源极S通过电感L1耦合/连接至参考地，使Vc2在晶体管50的栅极端子G建立电压。
图7是示出了根据某项目性能需求，将如图6组态的的开关晶体管带入图1射频收发兼天线极化切换的四端口开关结构的实施例的器件电路图。
射频发射链路：射频发射链路的输出端，由微带线或功分器将信号分成两路幅度相同且相位相同的信号，分别进入两组不同的开关电路，经过两个开关的选择性打开或闭合，射频信号选择性的耦合至天线V或天线H。以此完成接收端对天线极化方式的选择。RF信号源可以是任何类型的生成RF信号的电路。
射频接收链路：射频信号经过两个开关的选择性打开或闭合，选择性的由天线V或天线H接收，并耦合至目的地射频接收链路的输入端。以此完成接收端对天线极化方式的选择。RF信号源可以是任何类型的生成RF信号的电路。
鉴于上述开关器件的多种改变和改进，很明显地，本文公开的技术不限于任何特定实施例，并且所述实施例仅用于示例。尽管已经参照所示实施例描述了本发明，本说明书不旨在理解为用于限制。各种改进和示例性实施例的结合以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言，在参照本说明书之后是显而易见的。因此，所附权利要求书旨在包含这些改进或实施例。

Claims (8)

1.一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：
包括：第一RF端口Tx，第二RF端口Rx，第三RF端口V、第四RF端口H和pHEMT晶体管，所述pHEMT晶体管的开关状态控制四个端口的开关状态；所述第一RF端口Tx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接；所述第二RF端口Rx分别通过两个开关与第三RF端口V和第四RF端口H连接。
2.根据权利要求1所述的一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：所述pHEMT晶体管包含串联、并联和串并联组合，栅极电压供给电路，被配置为将栅极电压选择性提供至所述pHEMT晶体管的栅极端子。
3.根据权利要求1所述的一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：所述pHEMT晶体管被配置为当所述栅极电压供给电路提供栅极电压时在正向饱和或反向饱和中的一种状态下工作。
4.根据权利要求1所述的一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：还包括与pHEMT晶体管Cds谐振的电感L1和L2。
5.根据权利要求4所述的一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：还包括与pHEMT晶体管阻抗匹配、隔直和提供直流通路的电容器、电感器、电阻器和微带线。
6.根据权利要求5所述的一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：还包括所述第一RF端口Tx，第二RF端口Rx，第三RF端口V和第四RF端口H与参考电势之间的阻抗。
7.根据权利要求6所述的一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：所述阻抗包括具有50Ω的电阻值的电阻器。
8.根据权利要求6所述的一种具备收发切换和极化切换功能的开关结构，其特征在于：所述参考电势是地。
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