CN111431518A - 一种新型数控双频射频开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种新型数控双频射频开关，包括高频段通路和低频段通路；高频段通路包括连接在第一信号端口和第三信号端口之间的并联电路一，并联电路一为电容C2和电感L2的并联电路；低频段通路包括连接在第二信号端口和第三信号端口之间的并联电路二，并联电路二包括电容C11、电容C12、电感L1和开关S1，电容C11与开关S1构成串联支路，电容C12、电感L1和串联支路并联；电感L1和电感L2相互耦合。本发明基于互感耦合和切换电容形式的开关，在面积上有比较大的优势，节省了多余电路的功耗，且不需要受到传输线的布局干扰。

Description

一种新型数控双频射频开关

技术领域

本发明属于射频技术领域，涉及一种新型数控双频射频开关。

背景技术

现有的无线通信存在着非常多的频段，提供现有生活日益丰富的无线应用，也为射频前端技术提出了非常大的设计挑战，用尽量少的收发通道实现对多频段的支持是现实需要。以WiFi为例，存在2.4GHz的传统频段，和5GHz的高频频段，这两个频段不需要同时工作，则需要在频段之间进行切换。针对这种需要双频工作的场景，需要射频开关执行频段切换操作。

现有的射频开关主要是采用SOI工艺实现，电路图如图1所示，这在sub-6G中较为常见，采用MOS管串并联实现。其最大的问题在于频率升高之后，MOS管的差损随之增大，变得不再实用。而且其为保证线性度，通常需要采用负压产生电路，需要额外的振荡器电路和电平转换电路，一般引入低频杂散和消耗额外的功耗；现有技术中还有采用λ/4的传输线作为阻抗变换器实现开关特性，如图2所示，这种开关的特性适用于高频，普遍在毫米波使用，此时传输线的占用的面积相对于射频频率大大减少，但即使是这样，传输线的使用仍然使这种开关非常占面积，而且布局也受到限制，而且差损特性受管子和传输线两者共同的因素的影响。

因此，提供一种节省功耗和面积的新型数控双频射频开关是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种新型数控双频射频开关，基于互感耦合和切换电容形式的开关，在面积上有比较大的优势，节省了多余电路的功耗，且不需要受到传输线的布局干扰。

为实现上述目的其具体方案如下：

一种新型数控双频射频开关，包括高频段通路和低频段通路；

所述高频段通路包括连接在第一信号端口和第三信号端口之间的并联电路一，所述并联电路一为电容C2和电感L2的并联电路；

所述低频段通路包括连接在第二信号端口和第三信号端口之间的并联电路二，所述并联电路二包括电容C11、电容C12、电感L1和开关S1，所述电容C11与开关S1构成串联支路，所述电容C12、电感L1和所述串联支路并联；

所述电感L1和所述电感L2相互耦合。

优选的，所述低频段通路工作频率为低频f1，所述高频段通路工作频率为高频f2，f2>f1；当开关S1闭合，电容C11、电容C12与电感L1构成并联谐振腔，从第二信号端口和第三信号端口形成低阻通路，第二信号端口输出信号至第三信号端口；在电感L1和电感L2的互感耦合作用下，所述高频段通路处于隔离状态。

优选的，所述低频段通路工作频率为低频f1，所述高频段通路工作频率为高频f2，f2>f1；当开关S1断开，所述低频段通路为失谐状态，即处于隔离状态；在电感L1和电感L2的互感耦合作用下，所述高频段通路处于谐振区域，第一信号端口输出信号至第三信号端口P1。

优选的，所述电容C11、电容C12和电容C2均包括片上的开关电容、MIM电容、MOM电容或MOS电容。

本发明相较现有技术具有以下有益效果：

1、采用互感耦合的电感形成数控双频的开关，不论低频还是高频甚至毫米波，均可以采用，图1的MOS管开关在高频则受到限制，而图2的传输线在低频实现占用面积太大；

2、本发明基于互感耦合和切换电容形式的开关，在面积上有比较大的优势，可以根据实际的芯片floor-plan进行布局，比图1所示方案节省了多余的电路和相应的功耗与面积，比图2所示方案更适合集成电路实现，不需要受到传输线的布局干扰；

3、本发明的开关S1信号，除了可以进行数字控制外，当控制的电容是压控的，还可以是模拟控制，以控制实际的容值大小，从而实现频率的tuning，以克服工艺偏差，特别是电容容值偏差带来的谐振频率偏差影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的现有技术中基于MOS串并联的射频开关原理图；

图2为本发明提供的现有技术中基于传输线的射频开关原理图；

图3为本发明提供的双频发射机的使用场景示意图；

图4为本发明提供的一种新型数控双频射频开关原理图；

图5为本发明提供的开关S1闭合时射频开关的导通特性图；

图6为本发明提供的开关S1断开时射频开关的导通特性图；

图7为本发明提供的开关S1闭合和打开时第一信号端口和第二信号端口之间的传递特性。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，在双频发射的场景下，低频段(Low-Band)和高频段(High-Band)需要在一个天线口出去，这样需要一个开关进行高低频段的切换，本发明就是一个实现双频段切换的新型数控开关。

如图4所示是本发明的数控双频射频开关原理图，第二信号端口P2到第三信号端口P3通路是低频段通路，工作频率为f1；而第一信号端口P1到第三信号端口P3通道是高频段通路，工作频率为f2，f2>f1。高频段通路包括连接在第一信号端口和第三信号端口之间的并联电路一，并联电路一为电容C2和电感L2的并联电路；低频段通路包括连接在第二信号端口和第三信号端口之间的并联电路二，并联电路二包括电容C11、电容C12、电感L1和开关S1，电容C11与开关S1构成串联支路，电容C12、电感L1和串联支路并联；P2到P3低频段通路和P1到P3高频段通路之间，电感L1和电感L2相互耦合，L1和L2之间存在一个互感，这个互感的存在首先决定了只需要一个S1开关即可实现频段的切换。

本实施例用于实现2.4GHz和5.8GHz双频WiFi的切换，可以采取但不限于以下设计参数：

L1和L2的电感值可以选取4nH，两者的互感选择为0.5，L1和L2的同名端为如图4所示为正值，C2选择1.25pF，在2.4GHz频段工作时，C12和C11的值相加选取为4.7pF即可；若要在5.8GHz工作，关闭开关S1，此时C12的值选取为0.3pF即可，那么C11的取值就是4.4pF。

射频开关的工作原理为：

当开关S1闭合，C11和C12共同与L1组成并联谐振腔，工作频率为f1，此时对于信号来说，从P2到P3是低阻通路，从而信号可以以较低的损耗通往输出P3，如图5中的S23曲线。此时由于P1支路并不谐振在f2，而是由于LI和L2之间互感耦合的存在，刚好在f1频点处形成一个陷波区域，也就形成了一个很好的隔离性能，这正是开关非常需要的隔离特性。此时开关的状态处于P2向P3以低损耗传输，P1与P3处于隔离状态。

当开关S1断开，此时对于P2支路而言，处于失谐状态，而P1支路则会因为L1和L2互感耦合的原因，处于谐振区域，此时P1会向P3以低差损传输，而P2支路则处于隔离状态，此时状态刚刚和开关S1闭合的状态相反，即通过一个开关和互感耦合电路，便实现了频率切换。开关断开的工作特性如图6所示。

因此，在输入口P2到输出口P3低频段工作频点f1工作的时候，输入口P1到输出口P3高频段通路在f1频段上处于隔离态，从而实现很好的开关特性；反之，在输入口P1到输出口P3的高频段频点f2工作的时候，输入口P2和输出口P3的传输因为互感耦合的存在，是一个隔离状态。

P2和P1之间也是存在通路的，只是通过互感耦合的方式，其谐振点在为低频f0，f0<f1，而在频段f2和频段f3处，均处于很好的隔离状态，如图7所示。

通过上述实施例，可以实现一个控制端口实现高低两个频段的切换，只需要两个相互耦合的电感，而且该电感的形状可以按照需求定制，耦合的方式不限，仅需要设计好耦合的值以及耦合的同名端即可，电容可以采用片上的开关电容、普通的MIM电容、MOM电容，或者MOS电容/Varactor也可以。

以上对本发明所提供的一种新型数控双频射频开关进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (4)

1.一种新型数控双频射频开关，其特征在于，包括高频段通路和低频段通路；

所述高频段通路包括连接在第一信号端口和第三信号端口之间的并联电路一，所述并联电路一为电容C2和电感L2的并联电路；

所述低频段通路包括连接在第二信号端口和第三信号端口之间的并联电路二，所述并联电路二包括电容C11、电容C12、电感L1和开关S1，所述电容C11与开关S1构成串联支路，所述电容C12、电感L1和所述串联支路并联；

所述电感L1和所述电感L2相互耦合。

2.根据权利要求1所述的一种新型数控双频射频开关，其特征在于，所述低频段通路工作频率为低频f1，所述高频段通路工作频率为高频f2，f2>f1；当开关S1闭合，电容C11、电容C12与电感L1构成并联谐振腔，从第二信号端口和第三信号端口形成低阻通路，第二信号端口输出信号至第三信号端口；在电感L1和电感L2的互感耦合作用下，所述高频段通路处于隔离状态。

3.根据权利要求1所述的一种新型数控双频射频开关，其特征在于，所述低频段通路工作频率为低频f1，所述高频段通路工作频率为高频f2，f2>f1；当开关S1断开，所述低频段通路为失谐状态，即处于隔离状态；在电感L1和电感L2的互感耦合作用下，所述高频段通路处于谐振区域，第一信号端口输出信号至第三信号端口P1。

4.根据权利要求1所述的一种新型数控双频射频开关，其特征在于，所述电容C11、电容C12和电容C2均包括片上的开关电容、MIM电容、MOM电容或MOS电容。

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