CN113472334A - 一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关，包括包括天线端口ANT、发射支路Tx和接收支路Rx，所述天线端口ANT分别连接至接收支路Rx的四分之一波长微带传输线TL和发射支路Tx的无源环结构，所述无源环结构由四个四分之一波长微带传输线TL首尾相连组成的环形结构。该非对称单刀双掷开关解决了目前采用Bi‑CMOS工艺在毫米波段设计单刀双掷开关时由于晶体管阈值电压降低导致的1dB压缩点处功率处理能力受限的问题。在90GHz频率下，该设计在TX和RX模式下分别实现了3.2dB和3.6dB的插入损耗。此外，在两种模式下都获得了超过20dB的隔离度。
Description
技术领域
本发明属于射频技术领域,具体涉及一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关。
背景技术
单刀双掷开关是时分复用系统中最不可或缺的构建块，它可以为TX和RX共享单个天线。高性能单刀双掷开关的设计是一项复杂的任务，涉及插入损耗(IL)、隔离度(ISO)、1dB压缩点(P1dB)和成本之间的多个权衡。传统上，高性能单刀双掷开关采用三五族化合物技术设计，例如砷化镓(GaAs)。然而，相对较高的制造成本和有限的集成能力令人担忧。
为解决这些问题，近两年来已经做出了巨大的努力。几十年的基于硅的开关设计，从sub-GHz一直到sub-THz。对于工作频率低于60GHz的开关设计，SOI和Bi-CMOS技术是最受欢迎的技术，因为它们的批量生产制造成本相对较低。但当工作频率提高到60GHz以上时，基于硅的单刀双掷开关设计仍然存在一些问题，尤其是基于Bi-CMOS的设计。关键问题之一是在1dB压缩点(P1dB)方面有限的功率处理能力。
由于采用Bi-CMOS技术设计的最先进的E和W波段功率放大器可以通过简单的2路差分功率组合实现超过15dBm的饱和功率，单刀双掷开关的P1dB必须明显高于这个值，目前还没有。大多数工作在毫米波区域的基于Bi-CMOS的单刀双掷开关的P1dB仅在13dBm左右，不足以与上述功放形成高度集成的T/R模块。因此，是否有可能在Bi-CMOS技术中设计具有增强P1dB的毫米波单刀双掷开关显得尤为必要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关。
为了实现上述目的，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关可以在毫米波段有效的增强功率处理能力，尤其是1dB压缩点处的功率，解决目前采用Bi-CMOS工艺在毫米波段设计单刀双掷开关时由于晶体管阈值电压降低导致的1dB压缩点处功率处理能力受限的问题。
一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关，其特征在于，包括天线端口ANT、发射支路Tx和接收支路Rx，所述天线端口ANT分别连接至接收支路Rx的四分之一波长微带传输线TL和发射支路Tx的无源环结构，所述无源环结构由四个四分之一波长微带传输线TL首尾相连组成的环形结构。
进一步地，所述接收支路Rx中四分之一波长微带传输线TL另一端连着至电感L1及一第一晶体管的漏极，电感L1的另一端连接至RX端口以及一第二晶体管的漏极，所述第一晶体管与所述第二晶体管的栅极均连有电阻以及电压VCTRL。
进一步地，所述发射支路Tx的无源环结构中两个四分之一波长微带传输线TL之间形成一个连接用的端口，通过其中一个四分之一波长微带传输线TL的一端口连接至ANT端口，通过另一端口连接至Tx端口，剩余两个端口中一个端口连接有调谐电感器LT1和第三晶体管的漏极、另外一个端口端连接至调谐电感器LT2和第四晶体管的漏极。两个电感接地，第三晶体管和第四晶体管的栅极连有电阻和电压VCTRL。
进一步地，四分之一波长微带传输线TL使用采用55-nm bulk CMOS的最顶层的金属层构建，其厚度为1.325μm，形成的电阻为50Ω，四分之一波长微带传输线的宽度和间隙均为10μm。
本发明的有益效果：
本发明非对称单刀双掷开关解决了目前采用Bi-CMOS工艺在毫米波段设计单刀双掷开关时由于晶体管阈值电压降低导致的1dB压缩点处功率处理能力受限的问题。所提出的方法基于非对称架构，无源环结构用于在TX模式下启用导通状态开关晶体管，从而显着增强1dB压缩点功率。采用55-nm bulk CMOS技术，在90GHz频率下，该设计在TX和RX模式下分别实现了3.2dB和3.6dB的插入损耗。此外，在两种模式下都获得了超过20dB的隔离度。本发明非对称单刀双掷开关可以在不影响其他性能的情况下有效地提高P1dB。除贴片外，可以形成的芯片尺寸仅为0.26mm2。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了本发明基于无源环结构的非对称单刀双掷开关结构示意图；
图2示出了现有技术与基于无源环结构的非对称单刀双掷开关在(a)RX支路对比(b)是TX支路对比；
图3示出了基于无源环结构的非对称单刀双掷开关在不同操作模式下该开关非对称单刀双掷开关的TX分支的简化模型，(a)传输和(b)隔离；
图4示出了本发明使用的微带传输线TL的横截面图；
图5示出了施加控制电压VCTRL＝0，开关在TX模式下工作的频率响应，(a)IL，(b)ISO和(c)输入和输出阻抗匹配；
图6示出施加了控制电压VCTRL＝1.2V，RX模式下设计的非对称SPDT开关的测量频率响应，(a)IL，(b)ISO和(c)输入和输出阻抗匹配；
图7示出了本发明基于无源环结构的非对称单刀双掷开关仿真测量的P1dB。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
图1示出了本发明基于无源环结构的非对称单刀双掷开关结构示意图。一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关，包括天线端口ANT、发射支路Tx和接收支路Rx，所述天线端口ANT分别连接至接收支路Rx的四分之一波长微带传输线TL和发射支路Tx的无源环结构，所述无源环结构由四个四分之一波长微带传输线TL首尾相连组成的环形结构。
接收支路Rx中四分之一波长微带传输线TL另一端连着至电感L1及一第一晶体管N1的漏极，电感L1的另一端连接至RX端口以及一第二晶体管N2的漏极，所述第一晶体管与所述第二晶体管的栅极均连有电阻以及电压VCTRL。
发射支路Tx的无源环结构中两个四分之一波长微带传输线TL之间形成一个连接用的端口，通过其中一个四分之一波长微带传输线TL的一端口连接至ANT端口，通过另一端口连接至TX端口，剩余两个端口中一个端口连接有调谐电感器LT1和第三晶体管N3的漏极、另外一个端口端连接至调谐电感器LT2和第四晶体管N4的漏极。两个电感接地，第三晶体管和第四晶体管的栅极连有电阻和电压VCTRL。四分之一波长微带传输线TL使用采用55-nmbulk CMOS的最顶层的金属层构建，其厚度为1.325μm，形成的电阻为50Ω，四分之一波长微带传输线的宽度和间隙均为10μm。
图2示出了基于无源环结构的非对称单刀双掷开关原理图。图2比较了经典方法和所提出方法的简化电路模型。如图2(a)所示，经典的双分流结构与RX分支中的λ/4波长TL一起使用。理论上，由于SPDT开关工作在RX模式，因此进入TX端口的阻抗应该比较高，这样在ANT端口接收到的RF信号不会流入TX分支。然而，由于开关晶体管的寄生效应和λ/4波长TL的有限Q因子，阻抗在实践中可能会显着降低。因此，RX模式下SPDT的IL会恶化。此外，在该设计中，由于目标P1dB相对较高，因此需要足够的隔离度来确保发射的RF信号对RX分支的影响最小。
为了将射频信号从ANT端口传输到RX端口，必须关闭分流连接的晶体管以在RX端口和地之间创建高阻抗路径。此外，为了提高ANT和RX端口之间的隔离度，必须打开晶体管以创建到地的低阻抗路径。前面已经解释了这种方法的缺点。
由于出现在ANT端口的预期RF信号不够强(大多数情况下约为0dBm)，分流连接的晶体管应该能够毫无问题地处理它。但是，在TX模式下情况会有所不同。为了完全避免功率处理问题，对TX分支使用了相反的机制，如图2(b)所示。在TX模式下，并联连接的晶体管处于开启状态；在RX模式下，它们被关闭。由于晶体管在TX模式下开启，开关的功率处理能力可以显着增强。另一方面，本发明利用信号消除机制改善了ANT和TX端口之间的隔离度。
此外，本发明调谐电感器LT与开关晶体管一起使用。开关晶体管的寄生电容与调谐电感器LT一起形成了一个LC网络，通过接地来提供所需的高阻抗节点。在确定了尺寸，就可以相应地优化调谐电感器LT的值，以在设计频率下实现相对较高的阻抗。此外，与需要在TX模式下关断开关晶体管的所有传统设计相比，本发明开关晶体管在TX模式下导通。因此，由于VTH降低0，与以P1dB表示的功率处理能力相关的基本设计问题很简单克服。
本发明RX支路：采用双分流晶体管与电感L1一起用于形成C-L-C网络，可以大大增强ISO。这里就是把晶体管的寄生电容当成了这个CLC网络的C。在TX支路：调谐电感器LT与开关晶体管一起使用。晶体管的寄生电容(称为COFF)与LT一起形成了一个分流LC槽路，通过查看接地来提供所需的高阻抗节点。
非对称SPDT开关的设计通常需要使用串联连接的开关晶体管，但在很高的频率下存在问题。为了在不使用任何串联晶体管的情况下实现非对称设计，本发明提出上述的无源结构。
图3示出了本发明基于无源环结构的非对称单刀双掷开关在不同操作模式下该开关非对称单刀双掷开关的TX分支的简化模型，(a)传输和(b)隔离；如图3(a)所示，晶体管在TX模式下导通。因此，A点的阻抗相对较低，而B点的阻抗相对较高。结果，发射的射频信号通过路径1从TX端口流到ANT端口。另一方面，如图3(b)所示，实现了隔离模式，而晶体管被关闭。在这种情况下，电容器COFF与电感器LT形成一个LC网络，该网络在A点呈现相对较高的阻抗。结果，在ANT和TX端口之间创建了两条路径，即路径1和路径2。它们的电长度分别为λ/4和3λ/4。根据经验，通过这两条路径的RF信号将具有180°的相移，而这些信号在C点合并，从而导致RF信号抵消。这意味着RF信号不能从ANT传输到TX端口。因此它表明良好的隔离。为了证明这个概念在理论上是合理的，在隔离模式下将(1)中给出的信号注入ANT端口，
ANTSIG＝Acos(ωt+θ0) (1)
其中A、ω和θ0分别是注入信号的幅度、角频率和相位。那么，通过路径1和路径2的信号可以表示为，
通过将(2a)和(2b)相加，在TX端口检测到的信号在(3)中给出，
TXSIG＝(A1-A2)sin(ωt+θ0) (3)
从(3)可以看出，如果通过两条路径的信号幅度完全相同，它们将完全相互抵消。因此，不会有信号泄漏到TX端口。然而，由开关晶体管和调谐电感LT引起的寄生效应会引起一些额外的相移，这会降低开关的ISO。因此，来自路径2的信号可以重写为，
其中θLC是由此产生的寄生LC谐振回路引起的相位延迟。将(4)代入(3)，在TX端口看到的信号可以重新排列为，
TX′SIG＝A1 sin(ωt+θ0)-A2 sin(ωt+θ0-θLC) (5)
TX′sIG的大小可以写成，
其中α＝(A1-A2)/A1。用(2a)对(6)进行归一化后，可以计算出TX′SIG的归一化幅度。如前所述，TX′SIG表示设计开关的隔离能力。设计开关的“Mag”值受两个因素α和θLC的限制。变量α表示通过两个不同路径的不同插入损耗，变量θLC表示由LC谐振回路引起的附加相位。通过仔细选择晶体管和LT的值，可以实现隔离度的优化。
图4示出了本发明使用的微带传输线TL的横截面图。可以看出，金属壁是通过堆叠所有金属层构建的，并用于所有微带传输线TL，以避免任何不必要的耦合。微带传输线TL使用最顶层的金属层构建，其厚度为1.325μm，而接地层(两侧)使用M2和M3的组合实现，M1仅用于DC。对于50Ω TL，信号路径的宽度和间隙均为10μm。另外，硅基板的高度为737μm。SiO2的相对介电常数为4.1。
参见图5、图6、图7。要将开关切换到TX模式，TX分支需要允许从TX端口向ANT端口传送射频信号。同时，RX分支需要在ANT端口和RX端口之间提供隔离。为此，施加控制电压VCTRL＝0。开关在TX模式下工作的频率响应如图5所示，(a)IL，(b)ISO和(c)输入和输出阻抗匹配。可以看出，在90GHz时，该设计的IL和ISO分别为3.2dB和28dB。输入输出阻抗匹配均优于10dB。为了评估RX模式下开关的性能，施加了控制电压VCTRL＝1.2V。这样，TX支路就提供了ANT端口和TX端口之间的隔离。同时，RX支路允许射频信号从ANT端口通过到RX端口。仿真得的频率响应如图6所示，为RX模式下设计的非对称SPDT开关的测量频率响应，(a)IL，(b)ISO和(c)输入和输出阻抗匹配。如图所示，IL和ISO在90GHz时分别为3.6dB和20dB。输入输出匹配均优于15dB。图7中给出了仿真的P1dB和作为此设计输入功率函数的IL。可以看出，当输入功率为19.5dBm时，开关的功率处理能力确实非常出色，没有观察到明显的增益压缩注入TX端口。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于无源环结构的非对称单刀双掷开关，其特征在于，包括天线端口ANT、发射支路Tx和接收支路Rx，所述天线端口ANT分别连接至接收支路Rx的四分之一波长微带传输线TL和发射支路Tx的无源环结构，所述无源环结构由四个四分之一波长微带传输线TL首尾相连组成的环形结构。
2.按照权利要求1所述的非对称单刀双掷开关，其特征在于，所述接收支路Rx中四分之一波长微带传输线TL另一端连着至电感L1及一第一晶体管的漏极，电感L1的另一端连接至Rx端口以及一第二晶体管的漏极，所述第一晶体管与所述第二晶体管的栅极均连有电阻以及电压VCTRL。
3.按照权利要求1所述的非对称单刀双掷开关，其特征在于，所述发射支路Tx的无源环结构中两个四分之一波长微带传输线TL之间形成一个连接用的端口，通过其中一个四分之一波长微带传输线TL的一端口连接至ANT端口，通过另一端口连接至Tx端口，剩余两个端口中一个端口连接有调谐电感器LT1和第三晶体管的漏极、另外一个端口端连接至调谐电感器LT2和第四晶体管的漏极。两个电感接地，第三晶体管和第四晶体管的栅极连有电阻和电压VCTRL。
4.按照权利要求1所述的非对称单刀双掷开关，其特征在于，四分之一波长微带传输线TL使用采用55-nm bulk CMOS的最顶层的金属层构建，其厚度为1.325μm，形成的电阻为50Ω，四分之一波长微带传输线的宽度和间隙均为10μm。
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