CN114785332B - 一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关 - Google Patents

一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关，属于射频开关技术领域。该开关提出一种全新结构，将单刀多掷开关的工作带宽分为三个频带，每条支路对应一个频带，再结合可重构的滤波网络，通过开关晶体管切换不同频带工作时接入滤波网络的元件，使的开关的不同支路分别工作在低通、带通和高通三个频段时，每条支路在其工作频带内实现较好的隔离度和较低的插入损耗，同时带宽可达DC‑18GHz。

Description

一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关
技术领域
本发明属于射频开关技术领域，具体涉及一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关。
背景技术
单刀多掷(Single-Pole Multi-Throw,SPMT)开关是射频集成电路里非常重要的控制单元。根据单刀多掷开关的工作场景，可以确定其工作的频率范围以及切换的子系统的个数，相应的技术指标为带宽和掷数。同时，作为系统中的无源电路，为了使开关和与之相连的模块达到良好的匹配，更低的插入损耗(insertion loss,IL)和回波损耗(returnloss,RL)也是开关的重要指标。除此之外，随着无线通信技术和半导体技术的发展，如今的射频前端电路系统日趋复杂，这对开关的设计提出了很大的挑战。在诸如可重构系统、多频带通信系统、相控阵系统、MIMO系统等系统中，开关需要有更复杂的结构以及更多的掷数以实现对系统中诸多子系统的切换控制。但由于在实际电路中，开关的导通和断开都不是理想的短路和开路，所以，断开的开关依然会有信号的泄露，而更多的掷数也就意味着更多的泄露。
传统的单刀多掷开关一般在公共端口处并联多个单刀单掷(Single-PoleSingle-Throw,SPST)单元构成，如图1所示。由单刀单掷单元结构的不同，单刀多掷开关一般分为两个类型：串-并联(series-shunt)结构和四分之波长传输线(λ/4transmissionline)结构，如图2所示。其中，四分之波长传输线结构由于其对频率敏感的特性，一般无法实现较宽的带宽；并且，很难在低频尤其是直流附近实现。串-并联的单刀多掷开关是在低频和超宽带开关设计中较为常见的一种结构。但是，由于开关晶体管的尺寸与其寄生电阻和寄生电感的相互制约关系，当掷数较多且频率较高时，信号会从关断支路晶体管的寄生电容泄露，从而导致开关的插入损耗增高。
因此，多掷数的宽带开关在高频处如何降低损耗是射频单刀多掷开关设计的主要难点和挑战。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关。该开关提出一种全新结构，通过创新性地设计适合三频带的滤波网络，使的开关的不同支路分别工作在低通、带通和高通三个频段时，每条支路在其工作频带内实现较好的隔离度和较低的插入损耗，同时，整个单刀多掷射频开关的工作带宽也达到了优异水平。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关，包括若干个单刀单掷(SPST)单元和可重构滤波网络；
所述可重构滤波网络由两个电感、两个电容和两个开关晶体管组成；第一电感的一端与第二电感的一端、第一电容的一端和公共端口相连，第一电感的另一端与第一开关晶体管的漏级、若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接；第二电感的另一端与第二开关晶体管的漏级和第二电容的一端连接；第一电容的另一端与若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接，第二电容的另一端与若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接；第一开关晶体管的源级和第二开关晶体管的源级均接地，第一开关晶体管的栅级和第二开关晶体管的栅级均连接控制电压；
公共端口并联三条支路，第一电感所在支路为低通支路，第一电容所在支路为高通支路，第二电感所在支路为带通支路。
进一步地，当低通支路工作时，第一开关晶体管和第二开关晶体管均关断，第一电感和第一晶体管的寄生电容构成一个低通滤波网络；带通支路工作时，第一开关晶体管导通，第二开关晶体管关断，两个电感和两个电容共同构成带通滤波网络；高通支路工作时，第一开关晶体管和第二开关晶体管均导通，两个电感和第一电容构成高通滤波网络。
进一步地，第一开关晶体管应选择较大的尺寸，使其关断状态下的寄生电容为滤波网络的组成部分；第二开关晶体管应选择尽可能小的尺寸，需要避免晶体管寄生电容对该支路的影响。
进一步地，所述单刀单掷单元具体为串-并结构的单刀单掷单元，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对频率敏感，带宽受限，并且无法在低频尤其是直流附近工作。
进一步地，所述串-并结构的单刀单掷单元包括两个晶体管，第一晶体管漏级为输入端口，源级与第二晶体管的漏级相连，同时为输出端口；第二晶体管的源级接地；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。
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.本发明技术方案设计了可重构的滤波网络，通过开关晶体管切换不同频带工作时接入滤波网络的元件，从而减少单刀多掷开关不工作支路的元件的寄生电容对工作支路性能的影响，使得每条支路在其工作频带内实现较好的隔离度。
2.本发明技术方案将单刀多掷开关的工作带宽分为三个频带，每条支路对应一个频带，再结合可重构的滤波网络，使每条支路在其工作频带内的插入损耗优于传统的单刀多掷开关，同时工作带宽可达DC-18GHz。
附图说明
图1为传统的单刀多掷开关的结构示意图。
图2为传统单刀单掷单元的结构示意图；
其中，(a)为串-并结构，(b)为四分之波长传输线结构。
图3为本发明单刀多掷开关的结构示意图.
图4为本发明单刀多掷开关的等效电路。
图5为本发明实施例1的三频带单刀三掷开关的电路结构图。
图6为对比例1和对比例2的单刀三掷开关的电路结构图；
其中，(a)为传统的单刀三掷开关，(b)为不可重构的三频带单刀三掷开关。
图7为本发明实施例1、对比例1和对比例2单刀三掷开关的性能对比图；
其中，(a)为插入损耗，(b)为回波损耗。
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1为传统单刀多掷开关的结构示意图。传统单刀多掷开关，其信号会从关断支路的寄生电容泄露，支路越多、频率越高，该泄露越明显。在一些可重构的宽带系统中，每一条开关支路后端连接的模块只工作在特定频带，因此，该开关支路只需要在此特定频带内工作并达到更好的效果即可。因此，本发明将提出一种分频带的单刀多掷开关的设计方法。
图2为传统的单刀单掷单元的结构示意图。其中，四分之波长传输线结构(图2(b))由于传输线的频率特性，带宽有限，且在低频处难以实现。串-并联结构(图2(a))在频率不高(例如频率低于30GHz)的开关设计中具有更广泛的应用。本发明以串-并联结构的单刀单掷单元为基础进行设计。
本发明提供的一种基于可重构滤波网络的三频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(SPST)单元和可重构滤波网络；
所述可重构滤波网络由两个电感(L1和L2)、两个电容(C1和C2)和两个开关晶体管(M1和M2)组成；第一电感L1的一端与第二电感L2的一端、第一电容C1的一端和公共端口相连，第一电感L1的另一端与第一开关晶体管M1的漏级、若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接；第二电感L2的另一端与第二开关晶体管M2的漏级和第二电容C2的一端连接；第一电容C1的另一端与若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接，第二电容C2的另一端与若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接；第一晶体管M1的源级和第二晶体管的源级均接地，第一晶体管M1的栅级和第二晶体管M2的栅级均；
公共端口并联三条支路，第一电感L1所在支路为低通支路，第一电容C1所在支路为高通支路，第二电感L2所在支路为带通支路。
本发明三频带单刀多掷射频开关在三个频段工作时的等效电路图如图4所示。低频工作时，M1和M2均关断，等效电路如(a)所示，由L1和M1的寄生电容CM1组成一个二阶低通滤波器，此时其余两个频带分别具有带通和高通特性，从而阻挡低频信号的泄露。中频工作时，M1导通，M2关断，等效电路如(b)所示，由L1、L2、C1、C2和后端单刀单掷单元的寄生电容CEFF2组成一个四阶带通滤波器，此时其余两个频带均成为该带通滤波网络的一部分，降低了其寄生电容的影响。高频工作时，M1和M2均导通，等效电路如(c)所示，由L1和L2和C1的组成一个二阶高通滤波器，此时其余两个频带均成为该高通滤波网络的一部分，降低了其寄生电容的影响。
实施例1
一种DC-18GHz的三频带单刀三掷开关，其电路结构图如图5所示，该单刀三掷开关包括3个单刀单掷(SPST)单元和可重构滤波网络；
公共端口连接三条支路；其中，一条支路为低频支路，电感L1一端连接公共端口，另一端连接M1和M3的漏级；M1的源级接地、栅极接控制电压；M3的源级接M6的漏级和输出端1，栅极接控制电压；M6的源级接地，栅极接控制电压；
中频支路中，电感L2一端连接公共端口，另一端连接电容C2的和M2的漏级；M2的源级接地，栅极接控制电压；C2的另一端连接M5的漏级；M5的源级接M8的漏级和输出端3，栅极接控制电压；M8的源级接地，栅极接控制电压；
高频支路中，电容C1一端连接公共端口，另一端连接M4的漏级；M4的源级接M7的漏级和输出端，栅极接控制电压；M7的源级接地，栅极接控制电压。
其中，L1的大小为0.92nH，L2的大小为0.58nH，C1的大小为0.82pF，C2的大小为0.47pF。
本实施例的单刀三掷开关工作的三个频带分别为DC-7GHz、6-13.5GHz以及12.5-18GHz。
对比例1
传统的单刀三掷开关，其结构示意图如图6(a)所示，包括三个串-并联结构的单刀单掷单元，公共端与三个SPST并联端口连接，每条支路为一个输出端口。
对比例2
不可重构的三频带单刀三掷开关，其结构示意图如图6(b)所示，主体结构与实施例1相似，但是滤波网络不设置M1和M2两个开关晶体管进行滤波网络的切换。
对比例1、对比例2和实施例1中的三种单刀三掷开关进行性能测试，其结果如图7所示，其中，(a)为插入损耗，(b)为回波损耗。从图7中可以看出，对比例1在频率高于8GHz时插入损耗高于1dB，频率高于10GHz时回波损耗低于10dB。对比例2由于没有可重构的设计，在频带交叠处插入损耗明显上升，最高达到2.5dB。而本发明实施例1的插入损耗全频带低于0.8dB，回波损耗高于13dB，性能明显优于对比例1和对比例2。即本发明单刀多掷开关通过设计可重构的滤波网络，使用开关晶体管切换不同频带工作时接入滤波网络的元件，从而减少不工作支路的元件的寄生电容对工作支路性能的影响，实现了宽带单刀多掷开关的优异综合性能。
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 (4)

1.一种基于可重构滤波网络的三频带单刀多掷射频开关，其特征在于，包括若干个单刀单掷单元和可重构滤波网络；
所述可重构滤波网络由两个电感、两个电容和两个开关晶体管组成；第一电感的一端与第二电感的一端、第一电容的一端和公共端口相连，第一电感的另一端与第一开关晶体管的漏级、若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接；第二电感的另一端与第二开关晶体管的漏级和第二电容的一端连接；第一电容的另一端与若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接，第二电容的另一端与若干个并联的单刀单掷单元的公共端连接；第一开关晶体管的源级和第二开关晶体管的源级均接地，第一开关晶体管的栅级和第二开关晶体管的栅级均连接控制电压；
公共端口并联三条支路，第一电感所在支路为低通支路，第一电容所在支路为高通支路，第二电感所在支路为带通支路；低通支路工作时，第一开关晶体管和第二开关晶体管均关断，第一电感和第一晶体管的寄生电容构成一个低通滤波网络；带通支路工作时，第一开关晶体管导通，第二开关晶体管关断，两个电感和两个电容共同构成带通滤波网络；高通支路工作时，第一开关晶体管和第二开关晶体管均导通，两个电感和第一电容构成高通滤波网络。
2.如权利要求1所述的三频带单刀多掷射频开关，其特征在于，第一开关晶体管的尺寸应使其关断状态下的寄生电容为滤波网络的组成部分；第二开关晶体管的尺寸选择应避免第二开关晶体管寄生电容对所在支路的影响。
3.如权利要求1所述的三频带单刀多掷射频开关，其特征在于，所述单刀单掷单元具体为串-并结构的单刀单掷单元。
4.如权利要求3所述的三频带单刀多掷射频开关，其特征在于，所述串-并结构的单刀单掷单元包括两个晶体管，第一晶体管漏级为输入端口，源级与第二晶体管的漏级相连，同时为输出端口；第二晶体管的源级接地；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。
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