CN115940910A

CN115940910A - 一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关

Info

Publication number: CN115940910A
Application number: CN202211532551.3A
Authority: CN
Inventors: 沈光煦; 马海涛
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，属于基本电子电路的技术领域。该开关包括：第一射频端口、第一开关臂、第二开关臂、第二射频端口、第三射频端口，每个开关臂都包括：至少一个并联谐振单元、一个并联谐振单元、一个输出匹配模块，通过在开关臂输入端和并联晶体管源极之间串接并联谐振单元的方式，任意一个并联谐振回路和并联的晶体管既在关断支路实现一个传输零点，又在导通支路产生一个传输极点，在保持开关小型化的同时有效提升隔离度。

Description

一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关

技术领域

本发明公开一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，涉及射频集成电路设计技术，属于基本电子电路的技术领域。

背景技术

射频单刀双掷开关是一种控制电路，广泛应用于通信、雷达、探测等领域。一般为三端口电路，一端连接天线、一端连接发射链路、另一端连接接收链路。基于场效应管的开关因栅极电流小具有低功耗的优点。描述单刀双掷开关的主要技术指标有：工作带宽、导通支路损耗、断开支路隔离度、芯片尺寸、带内阻抗匹配、功率容量。然而，受设计工艺的限制，射频单刀双掷开关很难同时实现小尺寸和高隔离度的指标。

现有的单刀双掷开关，依照电路设计原理的不同分为以下两种：第一种是采用串并晶体管结构的单刀双掷开关，在串并晶体管之间加载电容辅助匹配，通过这样延展多级晶体管的方式提高隔离度，但确是以芯片尺寸为代价的；第二种是采用多级串并联晶体管结构的单刀双掷开关，通过级联多级晶体管提高隔离度，但串并晶体管结构的复用率低，不能兼顾开关小尺寸和高隔离度的指标。

综上所述，现有的单刀双掷开关在以下方面有待提高：（1）实现关断支路高隔离的手段比较单一，且很难实现高隔离度；（2）为了实现高隔离度，普遍采用很多晶体管和四分之一波长阻抗变换线，导致芯片尺寸较大。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，解决实现高隔离度性能的半导体开关结构复杂的技术问题，实现半导体开关小型化且高隔离度的发明目的。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，包括：

第一射频端口，与输入匹配模块的一端连接；

第一开关臂，包括至少一个并联谐振单元、第一并联晶体管、第一输出匹配模块，至少一个并联谐振单元依次连接形成串接支路，串接支路的输入端作为第一开关臂的输入端连接输入匹配模块的另一端，串接支路的输出端、第一并联晶体管的源极、第一输出匹配模块的一端相连接，第一输出匹配模块的另一端作为第一开关臂的输出端，第一并联晶体管的漏极接地，第一并联晶体管的栅极连接第一直流端口；

第二开关臂，包括至少一个并联谐振单元、第二并联晶体管、第二输出匹配模块，至少一个并联谐振单元依次连接形成串接支路，串接支路的输入端作为第二开关臂的输入端连接输入匹配模块的另一端，串接支路的输出端、第二并联晶体管的源极、第二输出匹配模块的一端相连接，第二输出匹配模块的另一端作为第二开关臂的输出端，第二并联晶体管的漏极接地，第二并联晶体管的栅极连接第二直流端口；

第二射频端口，与所述第一开关臂的输出端连接；及，

第三射频端口，与所述第二开关臂的输出端连接。

作为一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关进一步优化方案，并联谐振单元包括：晶体管和电感，晶体管的源极与电感的一端连接作为并联谐振单元的输入端，晶体管的漏极与电感的另一端连接作为并联谐振单元的输出端；第一开关臂中各并联谐振单元所连接的直流端口接入的逻辑电平相同，且与第一直流端口接入的逻辑电平相反；第二开关臂中各并联谐振单元所连接的直流端口接入的逻辑电平相同，且与第二直流端口接入的逻辑电平相反。

作为一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的更进一步优化方案，输入匹配模块、第一输出匹配模块、第二输出匹配模块为纯电感，或纯电容，或电容与电感的任意组合形式。

作为一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的进一步优化方案，第一直流端口、第二直流端口、各并联谐振单元中晶体管栅极所连接的直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。

作为一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的进一步优化方案，输入匹配模块、第一开关臂各并联谐振单元、第一输出匹配模块、第二开关臂各并联谐振单元、第二输出匹配模块中包含的电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感。

作为一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的进一步优化方案，输入匹配模块、第一输出匹配模块、第二输出匹配模块中包含的电容为微带线电容或金属-绝缘体-金属电容或金属-氧化物-金属电容或平板电容或交指电容。

作为一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的进一步优化方案，晶体管为场效应晶体管或高电子迁移率晶体管或mHEMT或pHEMT晶体管。

作为一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的进一步优化方案，晶体管的漏极接地实际为端接金属化接地通孔，包含微弱的寄生效应。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明所提半导体双掷开关摒弃了采用多个并联晶体管或四分之一波长阻抗变换线提高隔离度的传统方式，通过使用并联谐振回路来产生传输零点，任意一个并联谐振回路和并联的晶体管既可以在关断支路实现一个传输零点，又可以在导通支路产生一个传输极点，并联晶体管进一步提升隔离度，可以将隔离度有效提高到20dB以上。

（2）本发明所提半导体双掷开关通过复用并联谐振回路的结构可以实现开关尺寸小型化，一款高隔离单刀双掷开关的尺寸小于1平方毫米。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的结构示意图。

图2为本发明实施例1的散射参数与频率关系的仿真曲线图。

图3为本发明实施例2提供的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的结构示意图。

图4为本发明一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的一般性结构示意图。

图中标号说明：01、输入匹配模块，11、第一输出匹配模块，21、第二输出匹配模块，12、第一并联谐振单元，21、第二并联谐振单元，P1、第一射频端口，P2、第二射频端口，P3、第三射频端口，001、输入匹配电感，K1、第一直流端口，K2、第二直流端口，K11第三直流端口，K12、第四直流端口，K21第五直流端口，K22、第六直流端口，S1、第一并联晶体管，S2、第二并联晶体管、S11、第一晶体管，S21第二晶体管，S12、第三晶体管，S22、第四晶体管，L11、第一电感，L21、第二电感、L12、第三电感，L22、第四电感，Linput、输入匹配电感，Loutput1、第一输出匹配电感，Loutput2、第二输出匹配电感。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关的一般性电路结构如图4所示，包括：第一射频端口P1、第二射频端口P2、第三射频端口P3、第一开关臂和第二开关臂。第一开关臂包括：第一并联谐振单元12、第一并联晶体管S1、第一输出匹配模块11，第二开关臂包括：第二并联谐振单元22、第二并联晶体管S2、第二输出匹配模块21。第一射频端口P1与输入匹配模块01的一端相连；第一并联谐振单元12的输入端、第二并联谐振单元22的输入端均与输入匹配模块01的另一端相连，第一并联晶体管S1的源极、第一并联谐振单元12的输出端均与第一输出匹配模块11的一端相连，第一输出匹配模块11的另一端连接第二射频端口P2，第二并联晶体管S2的源极、第二并联谐振单元22的另一端均与第二输出匹配模块21的一端相连，第二输出匹配模块21的另一端连接第三射频端口P3，第一并联晶体管S1的漏极、第二并联晶体管S2的漏极均接地，第一并联晶体管S1的栅极连接第一直流端口K1、第二并联晶体管S2的栅极连接第二直流端口K2。

第一并联谐振单元12包括：第一电感L11、第一晶体管S11，第一电感L11的一端与第一晶体管S11的源极连接作为第一并联谐振单元12的输入端，第一电感L11的另一端与第一晶体管S11的漏极连接作为第一并联谐振单元12的输出端，第一晶体管S11的栅极连接第三直流端口K11。

第二并联谐振单元22包括：第二电感L21、第二晶体管S21，第二电感L21的一端与第二晶体管S21的源极连接作为第二并联谐振单元22的输入端，第二电感L21的另一端与第二晶体管S21的漏极连接作为第二并联谐振单元22的输出端，第二晶体管S21的栅极连接第五直流端口K21。

具体实施例1：

本实施例的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关如图1所示，在图4所示一般性电路结构基础上，选择输入匹配电感Linput实现输入匹配模块01，选择第一输出匹配电感Loutput1实现第一输出匹配模块11，选择第二输出匹配电感Loutput2实现第二输出匹配模块21。

输入匹配电感Linput的一端与第一射频端口P1相连。

第一开关臂中，输入匹配电感Linput的另一端与第一晶体管S11的源极、第一电感L11的一端电连接，第一并联晶体管S1的源极与第一晶体管S1的漏极、第一电感L11的另一端电连接，第一并联晶体管S1的漏极接地，第一输出匹配电感Loutput1的一端与第一晶体管S11的漏极、第一电感L11的另一端、第一并联晶体管S1的源极相连，第一输出匹配电感Loutput1的另一端连接第二射频端口P2，第一并联晶体管S1的栅极与第一直流端口K1相连，第一晶体管S11的栅极与第三直流端口K11相连。

第二开关臂中，输入匹配电感Linput的另一端与第二晶体管S21的源极、第二电感L21的一端电连接，第二并联晶体管S2的源极与第二晶体管S21的漏极、第二电感L21的另一端电连接，第二并联晶体管S2的漏极接地，第二输出匹配电感Loutput2的一端与第二晶体管S21的漏极、第二电感L21的另一端、第二并联晶体管S2的源极相连，第二输出匹配电感Loutput2的另一端连接第三射频端口P3，第二并联晶体管S2的栅极与第二直流端口K2相连，第二晶体管S21的栅极与第五直流端口K21相连。

输入匹配电感Linput通过宽度为20um，长度为100um的微带线实现；第一开关臂中的第一电感L11的电感值为690pH；第一输出匹配电感Loutput1通过宽度为20um，长度为100um的微带线实现；第一并联晶体管S1为HEMT，栅宽为60um；第一晶体管S11为HEMT，栅宽为50um，晶体管栅指数为4；第二开关臂中的第二电感L21的电感值为690pH；第二输出匹配电感Loutput2通过宽度为20um，长度为100um的微带线实现；第二并联晶体管S2为HEMT，栅宽为60um；第二晶体管S21为HEMT，栅宽为50um，晶体管栅指数为4。

当第一直流端口K1为低电平，第三直流端口K11为高电平，第二直流端口K2为高电平，第四直流端口K21为低电平时，第一并联晶体管S1、第二晶体管S21关断，第二并联晶体管S2、第一晶体管S11导通，即第一开关臂导通，第二开关臂关断，处于关断状态的第二开关臂上串联的第二并联谐振单元产生一个额外的传输零点，第二开关臂上的第二并联谐振单元和第二并联晶体管在导通的第一开关臂上形成一个与上述传输零点频率一致的传输极点。

该单刀双掷开关的核心电路尺寸小于1平方毫米，同时隔离度普遍达到20dB，与现有的小尺寸单刀双掷开关相比，该开关在隔离度的表现上有明显优势。

图2为本发明实施例1的散射参数与频率关系的仿真曲线图。如图2所示，本发明实施例1公开的单刀双掷开关的中心频率为27GHz，在中心频率处，插入损耗为0.6dB，回波损耗大于50dB，隔离度大于50dB。本发明实施例1提供的单刀双掷开关与现有技术相比回波损耗、隔离度显著提高，插入损耗明显降低，性能显著提升。

具体实施例2：

本实施例的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关如图3所示，在实施例1的基础上，在第一开关臂中增加了第三晶体管S12与第三电感L12组成的并联谐振单元，在第二开关臂中增加了第四晶体管S22与第四电感L22组成的并联谐振单元，第三晶体管S12栅极连接的第四直流端口K12接入的逻辑电平与接入第三直流端口K11的逻辑电平相同，第四晶体管S22栅极连接的第六直流端口K22接入的逻辑电平与接入第五直流端口K21的逻辑电平相同，关断开关臂中2个并联谐振单元引入两个传输零点，关断开关臂中2个并联谐振单元和并联晶体管在导通支路引入两个传输极点。

以上实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，例如，可以在两个开关臂中增加若干并联谐振单元以引入多个传输零点，以实现提升隔离度的目的，符合发明宗旨的任意形式的等同替换都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，其特征在于，包括：

第一射频端口，与输入匹配模块的一端连接；

第一开关臂，包括至少一个并联谐振单元、第一并联晶体管、第一输出匹配模块，所述至少一个并联谐振单元依次连接形成串接支路，所述串接支路的输入端作为第一开关臂的输入端连接输入匹配模块的另一端，串接支路的输出端、第一并联晶体管的源极、第一输出匹配模块的一端相连接，第一输出匹配模块的另一端作为第一开关臂的输出端，第一并联晶体管的漏极接地，第一并联晶体管的栅极连接第一直流端口；

第二开关臂，包括至少一个并联谐振单元、第二并联晶体管、第二输出匹配模块，所述至少一个并联谐振单元依次连接形成串接支路，所述串接支路的输入端作为第二开关臂的输入端连接输入匹配模块的另一端，串接支路的输出端、第二并联晶体管的源极、第二输出匹配模块的一端相连接，第二输出匹配模块的另一端作为第二开关臂的输出端，第二并联晶体管的漏极接地，第二并联晶体管的栅极连接第二直流端口；

第二射频端口，与所述第一开关臂的输出端连接；及，

第三射频端口，与所述第二开关臂的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，其特征在于，所述并联谐振单元包括：晶体管和电感，所述晶体管的源极与电感的一端连接作为并联谐振单元的输入端，晶体管的漏极与电感的另一端连接作为并联谐振单元的输出端；第一开关臂中各并联谐振单元所连接的直流端口接入的逻辑电平相同，且与第一直流端口接入的逻辑电平相反；第二开关臂中各并联谐振单元所连接的直流端口接入的逻辑电平相同，且与第二直流端口接入的逻辑电平相反。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，其特征在于，所述输入匹配模块、第一输出匹配模块、第二输出匹配模块为纯电感，或纯电容，或电容与电感的任意组合形式。

4.根据权利要求1所述的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，其特征在于，所述第一直流端口、第二直流端口、各并联谐振单元中晶体管栅极所连接的直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。

5.根据权利要求3所述的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，其特征在于，所述输入匹配模块、第一开关臂各并联谐振单元、第一输出匹配模块、第二开关臂各并联谐振单元、第二输出匹配模块中包含的电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感。

6.根据权利要求3所述的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，其特征在于，所述输入匹配模块、第一输出匹配模块、第二输出匹配模块中包含的电容为微带线电容或金属-绝缘体-金属电容或金属-氧化物-金属电容或平板电容或交指电容。

7.根据权利要求1所述的一种基于传输零点的高隔离半导体单刀双掷开关，其特征在于，所述晶体管为场效应晶体管或高电子迁移率晶体管或mHEMT或pHEMT晶体管。