CN114079480A - 一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关 - Google Patents

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马凯学
傅海鹏
段向阳
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Abstract

本发明公开了一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，开关的电路拓扑结构包含四部分：天线端口级、发射端口级、接收端口级、收发控制级，所述发射端口级拓扑基于串联型开关进行设计。所述接收端口级拓扑基于并联型开关进行设计。所述电路拓扑结构整体采用非对称式结构。本发明的有益效果为：1、本发明提供的单刀双掷开关电路拓扑，采用串联型结构和并联型结构相结合的方法，可以实现较宽工作频带。2、本发明提供的单刀双掷开关电路拓扑，发射端口级基于串联型开关设计，通过选取尺寸较大的晶体管来提高线性度。3、本发明中天线端口级采用阻抗变换网络提高等效阻抗，可以实现发射到天线通路与天线到接收通路之间的良好隔离。

Description

一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关。
背景技术
现代无线通信的数据速率呈指数级增长，这对通信系统的工作带宽提出了更高的要求。在5G应用中，毫米波频段被用于拓展带宽。采用单刀双掷开关，可以将5G毫米波通信系统中的天线数量减少一半，起到降低成本、提高集成度的作用。单刀双掷开关在整个通信系统中衔接收发芯片与天线，其插入损耗、线性度、隔离度等指标直接影响到无线通信的质量。
传统的单刀双掷开关通常采用对称式结构，主要有串联型开关和并联型开关两种。串联型开关采用堆叠晶体管技术，可以取得较高线性度，但存在插入损耗大的问题。相比之下，并联型开关通过省略晶体管实现了更低的插入损耗，但是线性度会受到限制。由此可见，实现兼具较低插入损耗和较高线性度的单刀双掷开关，是一个需要权衡的问题。
在5G毫米波通信系统中，通常采用时分双工相控阵的系统架构。这就要求单刀双掷开关的发射模式具有较高线性度，以处理功率放大器的输出功率；接收模式具有较低插入损耗，以减少对低噪声放大器噪声系数带来的影响。同时发射到天线通路与天线到接收通路之间具有较好隔离度，避免信号恶化。还要保证天线、发射和接收端口都具有较宽工作频带，满足信道宽度的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，设计新型的非对称式低插入损耗高线性度的单刀双掷开关拓扑结构，天线、发射和接收端口均可覆盖较宽工作频带，在发射模式线性度、接收模式插入损耗以及发射到天线通路与天线到接收通路隔离度等指标间做到良好的权衡，满足5G毫米波通信系统的使用需求。
为实现本发明的目的，本发明提供的技术方案如下：
一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，所述开关的电路拓扑结构包含四部分：天线端口级、发射端口级、接收端口级、收发控制级，
其中：
所述天线端口级由天线电容CANT构成，天线电容CANT一端与天线端口ANT相连，另一端接地；
所述发射端口级由发射晶体管MT、发射电感LT、发射电阻RT构成，所述发射晶体管MT的源级与天线端口ANT相连，栅级与发射电阻RT相连，漏极与发射端口TX相连；所述发射电感LT一端与天线端口ANT相连，另一端与发射端口TX相连；发射电阻RT一端与发射晶体管MT的栅极相连，另一端与控制电源VC的正极相连；
所述接收端口级由接收晶体管MR、接收电感LR、接收电阻RR构成，所述接收晶体管MR的源级接地，栅级与接收电阻RR相连，漏极与接收端口RX相连；接收电感LR一端与天线端口ANT相连，另一端与接收端口RX相连；接收电阻RR一端与接收晶体管MR的栅极相连，另一端与控制电源VC的正极相连；
所述收发控制级由控制电源VC构成，控制电源VC的正极与发射电阻RT、接收电阻RR相连，负极接地。
其中，所述发射端口级拓扑基于串联型开关进行设计。
其中，所述接收端口级拓扑基于并联型开关进行设计。
其中，所述电路拓扑结构整体采用非对称式结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的单刀双掷开关电路拓扑，采用串联型结构和并联型结构相结合的方法，可以实现较宽工作频带，同时在插入损耗、线性度、隔离度等指标间做到良好的权衡。
2、本发明提供的单刀双掷开关电路拓扑，发射端口级基于串联型开关设计，通过选取尺寸较大的晶体管来提高线性度；接收端口级基于并联型开关设计，通过选取线宽较大的电感来降低插入损耗。
3、本发明提供的单刀双掷开关电路拓扑，天线端口级采用阻抗变换网络提高等效阻抗，可以实现发射到天线通路与天线到接收通路之间的良好隔离。
附图说明
图1所示为本申请提供的一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关的实施例的电路拓扑结构图；
图2所示为本申请实施例中发射模式下发射端口和天线端口的回波损耗，发射端口到天线端口的插入损耗，发射端口与接收端口的隔离度仿真结果；
图3所示为本申请实施例中接收模式下天线端口和接收端口的回波损耗，天线端口到接收端口的插入损耗，天线端口与发射端口的隔离度仿真结果；
图4所示为本申请实施例中发射模式下发射端口的线性度和接收模式下天线端口的线性度仿真结果。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
应该理解，当本申请文件中称部件被“连接”到另一部件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间部件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明实施例提供的一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关的电路拓扑结构，其包含四部分：天线端口级、发射端口级、接收端口级、收发控制级，其中：
天线端口级由天线电容CANT构成，天线电容CANT一端与天线端口ANT相连，另一端接地。
发射端口级由发射晶体管MT、发射电感LT、发射电阻RT构成。发射晶体管MT的源级与天线端口ANT相连，栅级与发射电阻RT相连，漏极与发射端口TX相连；发射电感LT一端与天线端口ANT相连，另一端与发射端口TX相连；发射电阻RT一端与发射晶体管MT的栅极相连，另一端与控制电源VC的正极相连。
接收端口级由接收晶体管MR、接收电感LR、接收电阻RR构成。接收晶体管MR的源级接地，栅级与接收电阻RR相连，漏极与接收端口RX相连；接收电感LR一端与天线端口ANT相连，另一端与接收端口RX相连；接收电阻RR一端与接收晶体管MR的栅极相连，另一端与控制电源VC的正极相连。
收发控制级由控制电源VC构成，控制电源VC的正极与发射电阻RT、接收电阻RR相连，负极接地。
其中，发射端口级拓扑基于串联型开关进行设计，接收端口级拓扑基于并联型开关进行设计，整体拓扑采用非对称式结构。
如图2所示是本发明实施例种电路仿真所得到的发射模式下发射端口和天线端口的回波损耗，发射端口到天线端口的插入损耗，发射端口与接收端口的隔离度。发射模式下发射端口在24～32GHz内回波损耗小于-14.7dB，天线端口在24～32GHz内回波损耗小于-12.5dB；发射模式在24～32GHz内插入损耗小于2.5dB；发射模式在24～32GHz内隔离度大于19.4dB。
如图3所示是本发明实施例中电路仿真所得到的接收模式下天线端口和接收端口的回波损耗，天线端口到接收端口的插入损耗，天线端口与发射端口的隔离度。接收模式下天线端口在24～32GHz内回波损耗小于-10.5dB，接收端口在24～32GHz内回波损耗小于-12.6dB；接收模式在24～32GHz内插入损耗小于2.0dB，天线端口在24～32GHz内隔离度大于14.0dB。
如图4所示是本发明实施例中电路仿真所得到的发射模式下发射端口的线性度和接收模式下天线端口的线性度，发射端口在24～32GHz内线性度大于30.6dBm，天线端口在24～32GHz内线性度大于8.9dBm。
需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，其特征在于，所述开关的电路拓扑结构包含四部分：天线端口级、发射端口级、接收端口级、收发控制级，
其中：
所述天线端口级由天线电容CANT构成，天线电容CANT一端与天线端口ANT相连，另一端接地；
所述发射端口级由发射晶体管MT、发射电感LT、发射电阻RT构成，所述发射晶体管MT的源级与天线端口ANT相连，栅级与发射电阻RT相连，漏极与发射端口TX相连；所述发射电感LT一端与天线端口ANT相连，另一端与发射端口TX相连；发射电阻RT一端与发射晶体管MT的栅极相连，另一端与控制电源VC的正极相连；
所述接收端口级由接收晶体管MR、接收电感LR、接收电阻RR构成，所述接收晶体管MR的源级接地，栅级与接收电阻RR相连，漏极与接收端口RX相连；接收电感LR一端与天线端口ANT相连，另一端与接收端口RX相连；接收电阻RR一端与接收晶体管MR的栅极相连，另一端与控制电源VC的正极相连；
所述收发控制级由控制电源VC构成，控制电源VC的正极与发射电阻RT、接收电阻RR相连，负极接地。
2.根据权利要求1所述的一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，其特征在于，所述发射端口级拓扑基于串联型开关进行设计。
3.根据权利要求1所述的一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，其特征在于，所述接收端口级拓扑基于并联型开关进行设计。
4.根据权利要求1所述的一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，其特征在于，所述电路拓扑结构整体采用非对称式结构。
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