CN113556118A - 一种大功率谐振开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率谐振开关，包括发射支路和接收支路；所述发射支路包括匹配网络N2、开关SW1和发射端口TX；所述发射端口TX串联开关SW1后连接ANT端口；发射端口TX与开关SW1之间连接匹配网络N2；所述接收支路包括匹配网络N1、开关SW2和接收端口RX；所述接收端口RX串联匹配网络N1后连接ANT端口；接收端口RX与匹配网络N1之间连接开关SW2后接地。本发明通过在TX处并联一个匹配网络N2，ANT‑TX时，增加了TX‑RX的隔离度，并且可以做到中心频率可调，解决了用单个电容去匹配掉电感，带宽过窄问题，实现频率可重构。ANT‑RX时，降低了ANT‑RX的插入损耗。

Description

一种大功率谐振开关

技术领域

本发明属于射频技术领域，具体涉及一种大功率谐振开关。

背景技术

射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换以及不同频段间的切换。射频开关芯片，通常使用串并结构权衡其插入损耗与隔离度等要求，其电路结构如图1所示：当ANT-TX导通时，ANT-TX路串联开关打开（ON，即闭合），并联开关关闭（OFF，即断开）；ANT-RX路串联开关关闭，并联开关打开。此时TX并联开关与RX串联开关均承受电压。根据ANT-TX与ANT-RX功率是否相同，开关结构可设计为对称或不对称结构。对称结构指的是ANT-TX与ANT-RX的结构完全一致，不对称结构指的是ANT-TX与ANT-RX的结构不同。

当输入到ANT（天线）功率大到一定程度，对应部分开关会承受较大的电压，从而导致强非线性。为了解决开关承受大电压带来的强非线性，可以堆叠多个开关增强耐压，但耐压程度并非直接与场效应晶体管FET的数目成线性关系，且存在一个极限值。将大电压转换成大电流的设计能够巧妙的解决这个问题。

类似ANT-TX传输大功率，ANT-RX传输小功率时，大功率谐振开关，现有技术中采取如图2所示非对称结构。当ANT-TX导通时：TX处串联开关SW1闭合（ON）；RX处的并联开关SW2闭合（ON），经过四分之一波长λ传输线将RX处短路转换成开路，传输线起到了阻抗变化的作用。也即此时并无开关管承受大电压，开关SW2此时承受大电流。当ANT-RX导通时：TX处的串联开关SW1断开（OFF）；RX处的并联开关SW2断开（OFF），ANT经过四分之一波长λ传输线到RX。其中四分之一波长阻抗传输线可以由集总元件来实现。

使用集总元件实现四分之一波长阻抗传输线的方式可以有多种，更多的电容电感元件可以带来更宽的带宽，但会使射频开关芯片面积增大，而且电感的Q值（品质因素）往往不高，会带来更大的插损，这将极大损害包含开关与低噪声放大器LNA的模组芯片的噪声系数。

当用C（并）L（串）C（并）的形式替代四分之一波长阻抗传输线

时的S参数优化仿真结果如图3A、图3B、图4A、图4B的虚线所示，可以看出，如在所需5G通信频段2.3-2.7GHz，RX的插入损耗相当大，达到1.1dB。这是难以接受的，即使权衡可接受的TX回波损耗（变差）与RX插入损耗（变好），RX插入损耗结果也大于0.8dB。

综上所述，现有技术中的大功率谐振开关，增加的四分之一波长阻抗传输线会使得RX插入损耗大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了大功率谐振开关，通过增加匹配网络N2，能够实现降低插入损耗、提高隔离度。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。

第一方面，本发明提供了一种大功率谐振开关，包括：分别与ANT端口连接的发射支路和接收支路；

所述发射支路包括匹配网络N2、开关SW1和发射端口TX；所述发射端口TX串联开关SW1后连接ANT端口；发射端口TX与开关SW1之间的电节点连接匹配网络N2后接地；

所述接收支路包括匹配网络N1、开关SW2和接收端口RX；所述接收端口RX串联匹配网络N1后连接ANT端口；接收端口RX与匹配网络N1之间的电节点连接开关SW2后接地。

可选地，所述匹配网络N1为两个电容C和电感L组合成的π型匹配网络。

可选地，所述匹配网络N1为电容C和电感L组合成的T型匹配网络。

可选地，所述匹配网络N1为电容C。

可选地，所述匹配网络N2包括电容Ctx1，所述电容Ctx1的一端连接在发射端口TX和开关SW1之间，所述电容Ctx1的另一端接地；

在发射模式时，开关SW1、开关SW2均闭合，发射支路导通；在接收模式时，开关SW1、开关SW2均断开，接收支路导通。

可选地，所述匹配网络N2包括电容Ctx1、电容Ctx2和开关SW3；

所述电容Ctx1的一端连接在发射端口TX和开关SW1之间，所述电容Ctx1的另一端接地；

所述开关SW3的一端连接在ANT端口的一端，所述开关SW3的另一端串联所述电容Ctx2后接地；

在发射模式时：高频段工作模式时，开关SW1、开关SW3闭合，开关SW2断开，发射支路导通；低频段工作模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均闭合，发射支路导通；

在接收模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均断开，接收支路导通。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1）在TX处并联一个匹配网络N2，如到地电容Ctx1，通过引入新的并联谐振调整TX状态，ANT-TX时，增加了TX-RX的隔离度。

2）通过调整匹配网络N2，如增加开关SW3和到地电容Ctx2，可以做到中心频率可调，解决了用单个电容去匹配掉电感，带宽过窄问题，实现频率可重构。

3）匹配网络N1优先保证ANT-RX状态性能，其所需电容较小，可以使传统大功率谐振开关结构本身的等效电容与开关SW2关闭以后的等效电容参与进来。

4）利用ANT-TX与ANT-RX的开关状态不同，当匹配网络N1确定后，匹配网络N2的调整几乎不影响ANT-RX的状态。

附图说明

图1为现有技术中串并联结构开关电路的结构图；

图2为现有技术中传统大功率谐振开关；

图3A为RX状态的回波损耗；

图3B为RX状态的插入损耗与隔离度；

图4A为TX状态的回波损耗；

图4B为TX状态的插入损耗与隔离度；

图5为实施例1提供的大功率谐振优化开关的结构图；

图6为实施例2提供的可重构大功率谐振开关的结构图；

图7A为实施例2提供的可重构大功率谐振开关的ANT-TX低频模式回波与TX-RX隔离度；

图7B为实施例2提供的可重构大功率谐振开关的ANT-TX高频模式回波与TX-RX隔离度；

图7C为实施例2提供的可重构大功率谐振开关的ANT-RX 回波与插入损耗；

图8为实施例3提供的可重构大功率谐振开关的结构图；

图9为实施例4提供的可重构大功率谐振开关的结构图；

图10为实施例5提供的可重构大功率谐振开关的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，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，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

实施例1

本发明的一种大功率谐振开关，在原有大功率谐振开关基础上，在TX处增加一个匹配网络进行优化，具体的结构参见图5所示，大功率谐振开关包括：分别与ANT端口连接的发射支路和接收支路；

所述发射支路包括匹配网络N2、开关SW1和发射端口TX；所述发射端口TX串联开关SW1后连接ANT端口；发射端口TX与开关SW1之间的电节点连接匹配网络N2后接地；

所述接收支路包括匹配网络N1、开关SW2和接收端口RX；所述接收端口RX串联匹配网络N1后连接ANT端口；接收端口RX与匹配网络N1之间的电节点连接开关SW2后接地。

匹配网络N1的形式为电容C（并）电感L（串）电容C（并）的形式的π型匹配网络。

匹配网络N2其中一种实用的形式为一个电容Ctx1，结构如图5所示。因为ANT-TX与ANT-RX通路对应的开关SW1、SW2状态不同，在TX端加匹配网络N2可以调节ANT-TX通路的匹配，同时又不会影响到ANT-RX的带宽等参数。具体分析如下：

当ANT-RX导通状态时：TX处开关SW1、RX处开关SW2均断开，由于开关SW1此时等效成电容（电容值很小），所以匹配网络N1、N2是相互独立的，匹配网络N1的确定需要保证ANT-RX时的性能，开关SW2此时也等效成电容，成为匹配的一部分，所需的匹配电容较小，由于SW2是由场效应晶体管实现的，通过增加或减小场效应晶体管、场效应晶体管上堆积以及与其他原件相连的金属的面积实现增减或减小所需要的电容值。

当ANT-TX导通状态时：TX处开关SW1、RX处开关SW2均闭合，SW1、SW2等效成小电阻，此时ANT-TX的性能是匹配网络N1、N2的相互作用，在匹配网络N1确定的基础上调整匹配网络N2，使其满足指标。

当匹配网络N2实用形式为电容时，可以抵消从TX端看出去的感性，相当于引入一个额外的并联谐振，优化ANT-TX的性能，同时增加了各个端口间的隔离度，这点在ANT-TX状态时尤为重要，如果TX-RX隔离度不好，会导致功率泄露，甚至烧毁低噪声放大器LNA。经电磁仿真验证，其仿真结果如图3A、图3B、图4A、图4B中实线所示。

匹配网络N1、N2在相互作用时，很难做到宽带设计，并且宽带往往意味着更多的电容电感，电感会带来开关芯片尺寸问题。现有射频开关芯片的工作频段是单一的，无法跳频覆盖如5G通信所用的主流频段2.3-2.7G、3.3-3.8G。

实施例2

为了解决跳频问题，本发明基于匹配网络N2为电容的形式，在ANT-TX通路串联开关SW3处再增加一个到地电容Ctx2，形成一个可重构大功率谐振开关，其结构如图6所示。

根据上述的分析，TX处并联到地电容Ctx2带来新的并联谐振。根据并联谐振公式

，电容Ctx2的电容值C越大，谐振频率越低，所以通过调整TX处电容Ctx2的电容值即可实现工作频段的可重构。具体分析如下：

（a）当ANT-RX状态时：所有开关均断开（OFF），此时SW3等效成电容（电容值小），新引入的SW3与Ctx2串联之后的电容更小，所以不会对ANT-RX状态产生过多影响。

（b）当ANT-TX状态时：

1）高频段工作模式，开关SW1、开关SW3为闭合，开关SW2断开，同理，由于SW2关断，ANT-TX不受影响；

2）低频段工作模式，所有开关闭合，开关SW2闭合等效成小电阻，导致电容Ctx2与电容Ctx1并联，增大电容值，使ANT-TX状态时谐振频率往低频移动，实现工作频段搬移。

通过以上对可重构大功率谐振开关的工作机理的分析，在电磁仿真软件中得到如下图7A-图7C仿真结果，其中图7A为ANT-TX低频模式回波与TX-RX隔离度；图7B为ANT-TX高频模式回波与TX-RX隔离度；图7 C为ANT-RX 回波与插入损耗。从ANT-TX状态可以看出高频与低频段工作模式均能够正常工作，ANT-RX也保证了较低的插入损耗与回波损耗。结果充分验证了此可重构大功率谐振开关的可行性。

在其他情况下，匹配网络N1可以由不同的形式组成，由LC串并联实现的不同匹配结构，如电容抽头、电感抽头(实施例3如图8所示)、由电容和电感构成的任意结构的T型匹配网络、π型匹配网络等。

如从TX端看过去的阻抗呈现容性，可在TX处并联到地电感(实施例4如图9所示)。

实施例4中，所述匹配网络N2包括电感Ltx1、电感Ltx2和开关SW3；

所述电感Ltx1的一端连接在发射端口TX和开关SW1之间，所述电感Ltx1的另一端接地；

所述开关SW3的一端连接发射端口TX和开关SW1之间，所述开关SW3的另一端串联所述电感Ltx2后接地；

在发射模式时：高频段工作模式时，开关SW1、开关SW3闭合，开关SW2断开，发射支路导通；低频段工作模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均闭合，发射支路导通；

在接收模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均断开，接收支路导通。

SW3也可以放在SW1与TX端口之间(实施例5如图10所示)。

本发明的有益效果为：本发明通过在TX处并联一个匹配网络N2，如到地电容Ctx1，引入新的并联谐振调整TX状态。ANT-TX时，增加了TX-RX的隔离度。通过调整匹配网络N2，如增加开关SW3和到地电容Ctx2，可以做到中心频率可调，解决了用单个电容去匹配掉电感，带宽过窄问题，实现频率可重构。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大功率谐振开关，其特征在于，包括发射支路和接收支路；

所述发射支路包括匹配网络N2、开关SW1和发射端口TX；所述发射端口TX串联开关SW1后连接ANT端口；发射端口TX与开关SW1之间的电节点连接匹配网络N2后接地；

所述接收支路包括匹配网络N1、开关SW2和接收端口RX；所述接收端口RX串联匹配网络N1后连接ANT端口；接收端口RX与匹配网络N1之间的电节点连接开关SW2后接地。

2.根据权利要求1所述的一种大功率谐振开关，其特征在于，所述匹配网络N1为两个电容C和电感L组合成的π型匹配网络。

3.根据权利要求1所述的一种大功率谐振开关，其特征在于，所述匹配网络N1为电容C和电感L组合成的T型匹配网络。

4.根据权利要求1所述的一种大功率谐振开关，其特征在于，所述匹配网络N1为电容抽头或者电感抽头。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种大功率谐振开关，其特征在于，所述匹配网络N2包括电容Ctx1，所述电容Ctx1的一端连接在发射端口TX和开关SW1之间，所述电容Ctx1的另一端接地；

在发射模式时，开关SW1、开关SW2均闭合，发射支路导通；在接收模式时，开关SW1、开关SW2均断开，接收支路导通。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种大功率谐振开关，其特征在于，所述匹配网络N2包括电感Ltx1、电感Ltx2和开关SW3；

所述电感Ltx1的一端连接在发射端口TX和开关SW1之间，所述电感Ltx1的另一端接地；

所述开关SW3的一端连接发射端口TX和开关SW1之间，所述开关SW3的另一端串联所述电感Ltx2后接地；

在发射模式时：高频段工作模式时，开关SW1、开关SW3闭合，开关SW2断开，发射支路导通；低频段工作模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均闭合，发射支路导通；

在接收模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均断开，接收支路导通。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种大功率谐振开关，其特征在于，所述匹配网络N2包括电容Ctx1、电容Ctx2和开关SW3；

所述电容Ctx1的一端连接在发射端口TX和开关SW1之间，所述电容Ctx1的另一端接地；

所述开关SW3的一端连接ANT端口，所述开关SW3的另一端串联所述电容Ctx2后接地；

在发射模式时：高频段工作模式时，开关SW1、开关SW3闭合，开关SW2断开，发射支路导通；低频段工作模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均闭合，发射支路导通；

在接收模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均断开，接收支路导通。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种大功率谐振开关，其特征在于，所述匹配网络N2包括电容Ctx1、电容Ctx2和开关SW3；

所述电容Ctx1的一端连接在发射端口TX和开关SW1之间，所述电容Ctx1的另一端接地；

所述开关SW3的一端连接发射端口TX和开关SW1之间，所述开关SW3的另一端串联所述电容Ctx2后接地；

在发射模式时：高频段工作模式时，开关SW1、开关SW3闭合，开关SW2断开，发射支路导通；低频段工作模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均闭合，发射支路导通；

在接收模式时，开关SW1、开关SW2、开关SW3均断开，接收支路导通。

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