CN113285697A - 一种匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关，属于射频集成电路技术领域。该开关采用了全对称的结构，使得从公共端口到每一个开关端口所经过的传输线长度接近相等，以保证不同通路的性能特性没有太大的差异；同时对公共端口进行分频带的阻抗匹配，通过引入k个开关+电容/电感，实现了k个频带的匹配，改善了射频开关在较宽的频带工作时无法达到较好的匹配效果的问题。

Description

一种匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关
技术领域
本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关。
背景技术
开关是射频集成电路里非常重要的控制单元。传统射频开关主要为单刀单掷(single-pol e single-throw,SPST)或者单刀双掷(single-pole double-throw,SPDT)开关。单刀单掷开关主要有两种结构：串-并(series-shunt)结构以及四分之波长传输线(λ/4transmission-line)结构，如图1所示。其中，串-并结构的串联晶体管负责开关的通断，而并联晶体管则主要起到在断开状态下的隔离作用；而四分之一波长传输线结构则将晶体管开关状态下等效的高阻和低阻通过四分之波长传输线分别转换为输入端口的低阻和高阻。单刀多掷(single-pole mu lti-throw,SPMT)开关则为一路公共端口连接多路SPST，并保证同一时刻其中一条输出支路打开，而其余支路关闭，如图2所示。单刀多掷开关要尽可能将全部的功率在公共端口和打开的SPST端口间传输，并保证其余关闭端口和工作端口之间的隔离。
在以往的应用场景下，射频开关往往仅需要在其工作频带内完成较为简单的控制功能，因此具有相应较窄的工作频带以及较少的掷数即可。然而，随着通信技术的不断发展，对于射频前端电路的功能要求越来越复杂，并且在某些特殊应用中，电路需要在很宽的频带内工作，因此，高性能、宽频带的单刀多掷开关的设计就尤为重要。然而，单刀多掷开关的一个显著问题在于，在实际电路中，开关导通和断开并不能等效为理想的短路和开路，晶体管以及连接原件的传输线都有寄生电容、寄生电感还有电阻，因此，每增加一条支路都会对其他支路造成影响；并且，对于射频电路电路的阻抗匹配只能在某一个频点进行，因此，对于超宽带电路如何进行阻抗匹配也是一个需要解决的难点。
发明内容
针对背景技术中单刀多掷开关所存在的难以实现宽带匹配和每条支路特性不一致的问题，本发明的目的在于提供一种匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关。该开关提出一种全新结构，使得每个端口到公共端口的传输线长度均相同，同时对公共端口进行分频带的阻抗匹配，以实现超宽带的应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关，包括若干个单刀单掷开关(SPST)、若干段传输线、k个开关晶体管和k个电路元件，其特征在于，所述超宽带单刀多掷射频开关的公共端口至开关端口呈树状，具有n级传输线，公共端口连接公共传输线的一端，公共传输线的另一端连接多个一级传输线，n-1级与n级传输线相连，和同一级传输线相连接的下一级传输线的数量相等，第n级传输线的一端连接串-并结构的单刀单掷开关，每个单刀单掷开关端口距离公共端口的传输线长度均相等；同时，公共传输线与可重构阻抗匹配网络并联，以实现不同频带的阻抗匹配。
进一步地，所述单刀单掷开关具体为串-并结构的单刀单掷开关，不选用四分之波长传输线单刀单掷开关是因为四分之波长传输线结构不适合在宽带工作，因为对于某一个频率的四分之波长在其他频率下不是四分之波长，无法完成所需的阻抗转换，而且在频率较低时，四分之波长传输线过长，很难集成在电路里。
进一步地，传输线级数n≥2。
进一步地，所述串-并结构的单刀单掷开关包括两个晶体管和两段传输线，第一个晶体管源级为输入端口，漏级与第一传输线一端串联，第一传输线另一端连接第二晶体管的源级和第二传输线的一端，第二传输线的另一端为输出端口，第二晶体管的漏级接地；第一晶体管和第二晶体管的栅极接相反电位的直流电压，控制晶体管的导通与关断。
进一步地，同一级传输线的长度相等，不同级之间的传输线的长度根据实际工艺需求设定。
进一步地，公共传输线的另一端连接3个一级传输线，每级传输线连接2个下一级传输线。
进一步地，可重构阻抗匹配网络包括k条支路，每一条支路包括一个开关晶体管和一个电路元件，其中，公共传输线不同位置处接入一条支路，并与该支路的开关晶体管源级连接，漏级连接相应大小的电路元件的一端，电路元件的另一端接地，开关晶体管的栅极接控制电压，通过开关切换一条支路接入，其余支路关闭，通过接入的串联传输线的长度和并联电路元件的大小，达到对某一个频带的匹配。
进一步地，电路元件的具体确定过程为：将电路的工作频带分为k段，每段的中心频率为fi，然后，测得公共端口与开关端口之间的输入阻抗，借助史密斯原图，确定匹配需要的传输线长度以及电路元件的种类和具体数值。
进一步地，支路数量k过多，会带来不理想因素增多，但能实现更加准确的阻抗匹配。
进一步地，所述电路元件为电容或电感。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明技术方案实现了单刀多掷射频开关的分频带匹配，通过引入k条支路，每条支路包括一个开关以及电容或电感，实现了k个频带的匹配，改善了射频开关在较宽的频带工作时无法达到较好的匹配效果的问题。
2.本发明技术方案采用了全对称的结构，使得从公共端口到每一个开关端口所经过的传输线长度接近相等，以保证不同通路的性能特性没有太大的差异。
附图说明
图1为传统单刀单掷开关的结构示意图；
其中，(a)为串-并结构，(b)为四分之波长传输线结构。
图2为传统单刀多掷开关的结构示意图。
图3为本发明单刀多掷开关结构示意图。
图4为本发明可重构匹配网络结构设计过程示意图。
图5为本发明实施例1可重构单刀多掷开关的电路结构图。
图6为对比例不可重构单刀多掷开关的电路结构图。
图7为本发明可重构单刀多掷开关和对比例不可重构单刀多掷开关的性能对比图；
其中，(a)为回波损耗，(b)为插入损耗。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
图2为传统单刀多掷开关的结构示意图。在传统的单刀多掷开关中，多路单刀单掷开关一般采用并行的布局，这样会导致公共端口到每一个开关端口之间的通路的传输线长度不同。在开关掷数较少的时候，这个差异很小，特别地，这种结构的单刀双掷开关两条通路的传输线长度同样长。但是，当需要设计多掷开关的时候，该结构会使得最外侧的通路和最内侧的通路传输线长度差异很大。而且，在射频频带，传输线不能再等效为导线，电路的特性会沿着传输线周期性的改变。这样，上述结构的单刀多掷开关电路每一条通路的特性会有很明显的差异，从而影响电路的性能。
除此之外，由射频电路理论可知，在电路的源和负载实现阻抗匹配的时候，功率可以最大传输；但在射频电路中，阻抗匹配都是针对某一个频率，一般频率偏差越大，匹配效果越差。因此对于频带较宽的电路，很难达到在全部工作频带实现较好的匹配。
针对传统传统单刀多掷开关存在的缺点，提出了本发明的匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关，其结构示意图如图3所示，包括若干个单刀单掷开关(SPST)、若干段传输线、k个开关晶体管和k个电路元件，所述超宽带单刀多掷射频开关的公共端口至开关端口呈树状，具有n级传输线，公共端口连接公共传输线的一端，公共传输线的另一端连接多个一级传输线，n-1级与n级传输线相连，和同一级传输线相连接的下一级传输线的数量相等，第n级传输线的一端连接串-并结构的单刀单掷开关，每个单刀单掷开关端口距离公共端口的传输线长度均相等。
从图3可以看出，从公共端开始，每一次分叉点到下一个分叉点之间的传输线长度相等，这样就保证了从公共端口到每一个开关端口经过的传输线长度相同。在开关主体电路完成之后，需要对公共端口作阻抗匹配，图4为本发明可重构匹配网络结构设计过程示意图。首先，将电路的工作频带分为k段，每一段的中心频率为f1，f2，……，fk；然后，测得从公共端口看进去的阻抗(一般为50欧姆)，得到不同中心频率f1，f2，……，fk的阻抗Z1，Z2，……，Zk；借助史密斯原图，对于每一个中心频率fi，在公共传输线的Li位置处并联一条支路，所述支路包括开关晶体管、电容或电感，所述开关晶体管的源级与公共传输线连接，漏级连接相应大小的电容或电感，然后再将电容或电感接地，开关晶体管的栅极接控制电压。通过打开其中一个支路的开关，关闭其余支路，便可以实现对不同频带的匹配。
实施例1
本实施例以2-18GHz的单刀十掷开关举例说明，其电路结构图如图5所示。
将频带分为2-8GHz、8-14GHz以及14-18GHz三个频带进行阻抗匹配。该单刀十掷开关需要23个开关晶体管，其中20个晶体管加传输线作为十组串-并结构的单刀单掷开关，3个晶体管在匹配网络中控制电容或电感的接入。
一种2-18GHz的单刀十掷开关，公共端口连接公共传输线的一端，公共传输线的另一端相互垂直的其他三个方向连接三段一级传输线，长度均为l1，在每段一级传输线的末端再分别接两段二级传输线，长度均为l2；在每段二级传输线的末端再分别接两段三级传输线，长度均为l3；每段三级传输线的末端与十个图1所示的串-并结构的单刀单掷开关连接；公共传输线与可重构阻抗匹配网络并联，可重构阻抗匹配网络包括3条支路，每一条支路包括一个开关晶体管和一个电容或电感，其中，公共传输线不同位置处接入一条支路，并与该支路的开关晶体管源级连接，漏级连接相应大小的电容或电感的一端，电容或电感的另一端接地，开关晶体管的栅极接控制电压，通过开关切换接入的串联传输线的长度以及并联电容或电感的大小，达到对某一个频带的匹配。
公共传输线并联的可重构匹配网络的设计过程为：测得从公共端口看进去的阻抗Zin(f)，并读取三个频带中心频率处的阻抗：Z1＝Zin(@5GHz)、Z2＝Zin(@11GHz)、Z3＝Zin(@16GHz)；在频率5GHz处，将Z1匹配到公共端的阻抗Zs，借助史密斯圆图，可以得到在长度为L1＝700um的公共传输线位置处并联支路，且支路中采用电容，大小为C1＝0.4pF；在频率11GHz处，将Z2匹配到公共端的阻抗Zs，借助史密斯圆图，可以得到在长度为L2＝530um的公共传输线位置处并联支路，且支路中选用电感，大小为I2＝0.56nH；在频率16GHz处，将Z3匹配到公共端的阻抗Zs，借助史密斯圆图，可以得到在长度为L3＝323um的公共传输线位置处并联支路，且支路中选用电感，大小为C3＝0.35pF，其中L1>L2>L3；
上述结构确保每个开关端口到公共端口的传输线长度均相等，且为l1+l2+l3。
对比例
和实施例1的主体开关结构连接相同，仅将可重构匹配网络替换成传统的LC匹配网络。其实际电路结构如图6所示。
对对比例和实施例1中的两种单刀十掷开关进行性能测试，其结果如图7所示，(a)为回波损耗，(b)为插入损耗。从图7中可以看出，对比例的匹配网络为传统LC匹配网络，未采用可重构匹配结构，单一匹配无法保证全部频带的匹配效果；而实施例1中，由于采用分频带匹配，所以性能曲线不是连续曲线，在分频处有间断点。在2-18GHz中，对比例的回波损耗为7.8dB-14.4dB，实施例1的回波损耗为9.9dB-18.7dB，对比例的全部频率的回波损耗(匹配效果)都比本发明的实施例1要低，即实施例1的匹配效果全频带均比对比例好。并且，由于匹配效果不好，导致功率无法最大传输，对比例的插入损耗为1.5dB-3.2dB，实施例1的插入损耗为1.3dB-2.7dB，对比例的插入损耗仅在8GHz和8.5GHz处要比实施例低，其余频率均比本发明的实施例1要高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种匹配可重构的超宽带单刀多掷射频开关，包括若干个单刀单掷开关、若干段传输线、k个开关晶体管和k个电路元件，其特征在于，所述超宽带单刀多掷射频开关的公共端口至开关端口呈树状，具有n级传输线，公共端口连接公共传输线的一端，公共传输线的另一端连接多个一级传输线，n-1级与n级传输线相连，和同一级传输线相连接的下一级传输线的数量相等，第n级传输线的一端连接单刀单掷开关，每个单刀单掷开关端口距离公共端口的传输线长度均相等；同时，公共传输线与可重构阻抗匹配网络并联，以实现不同频带的阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，所述单刀单掷开关具体为串-并结构的单刀单掷开关。
3.如权利要求1所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，传输线级数n≥2。
4.如权利要求2所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，所述串-并结构的单刀单掷开关包括两个晶体管和两段传输线，第一个晶体管源级为输入端口，漏级与第一传输线一端串联，第一传输线另一端连接第二晶体管的源级和第二传输线的一端，第二传输线的另一端为输出端口，第二晶体管的漏级接地；第一晶体管和第二晶体管的栅极接相反电位的直流电压，控制晶体管的导通与关断。
5.如权利要求1所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，同一级传输线的长度相等，不同级之间的传输线的长度根据实际工艺需求设定。
6.如权利要求1所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，公共传输线的另一端连接3个一级传输线，每级传输线连接2个下一级传输线。
7.如权利要求1所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，可重构阻抗匹配网络包括k条支路，每一条支路包括一个开关晶体管和一个电路元件，其中，公共传输线不同位置处接入一条支路，并与该支路的开关晶体管源级连接，漏级连接相应大小的电路元件的一端，电路元件的另一端接地，开关晶体管的栅极接控制电压，通过开关切换一条支路接入，其余支路关闭，通过接入的串联传输线的长度和并联电路元件的大小，达到对某一个频带的匹配。
8.如权利要求7所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，电路元件的具体确定过程为：将电路的工作频带分为k段，每段的中心频率为fi，然后，测得公共端口与开关端口之间的输入阻抗，借助史密斯原图，确定匹配需要的传输线长度以及电路元件的种类和具体数值。
9.如权利要求8所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，支路数量k过多，会带来不理想因素增多，但能实现更加准确的阻抗匹配。
10.如权利要求1-9任一权利要求所述的超宽带单刀多掷射频开关，其特征在于，所述电路元件为电容或电感。
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