CN115987264A - 一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频集成电路技术领域，具体提供一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关，用以解决现有单刀双掷射频开关在超宽频带下很难实现低插入损耗和高隔离度的问题。本发明包括：开关晶体管S11～S17与电感L，引入可重构晶体管S17，通过对可重构晶体管的通断控制，实现了射频开关在低通和高通两个频段模式上的工作，拓展了单刀双掷射频开关的工作带宽，且在两种工作模式下开关都具有低插入损耗和高隔离度特性；同时，电感L的引入不仅可作为低通模式下导通支路的滤波网络，还可以作为高通模式下导通支路的阻抗匹配网络；并且，可重构晶体管S17实现工作模式切换的同时，还增加了高通模式工作时关断端口的隔离度。

Description

一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体提供一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关。

背景技术

开关是射频集成电路中至关重要的组成部分，由场效应管构成的单刀双掷射频开关广泛应用于无线通信系统之中。场效应管作为开关结构十分简单，其栅极接控制电压V_G，当V_G大于场效应晶体管的阈值电压时，场效应管导通，这时通路等效于一个小电阻，开关导通；当V_G小于场效应晶体管的阈值电压时，场效应管截止，这时截止路径等效于一个电容，开关断开。目前，在宽带单刀双掷射频开关电路中应用最广泛的是串-并联结构，即开关由一个串联的场效应晶体管Vg1和一个并联到地的场效应晶体管Vg2构成，两者栅极所接控制电平相反；当晶体管Vg1导通、Vg2截止时，开关导通；当晶体管Vg1截止、Vg2导通时，开关断开，晶体管Vg2可以减少信号泄露，增加隔离度。

随着通信技术的不断发展，射频前端电路功能越来越复杂，对单刀双掷射频开关的性能和带宽要求越来越高；然而，晶体管并非理想器件，存在“通态”导通电阻和“关态”寄生电容。虽然，通过改变晶体管的参数可以改变寄生电容和导通电阻的大小；但是，晶体管尺寸减小时，导通电阻变大、则插入损耗增加，寄生电容变小、则隔离度增加；晶体管尺寸增大时，导通电阻变小、则插入损耗减小，寄生电容变大、则隔离度减小；由此可见，晶体管的隔离度和插入损耗相互制约。因此，如何在超宽带下同时保持较高的隔离度和较低的插入损耗成为单刀双掷射频开关的一个技术难点和热点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有单刀双掷射频开关在超宽频带下很难实现低插入损耗和高隔离度的问题，提供一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关；本发明提出一种全新结构，使开关的每条支路都可以工作在低通和高通两个频段，且在两个频段内都可以保持很低的插入损耗和很高的隔离度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关，包括：开关晶体管S11～S17与电感L；开关的公共端口与晶体管S11的源极、晶体管S12的源极以及电感L连接，电感L的另一端与晶体管S13的漏极、晶体管S14的漏极以及晶体管S7的源极连接，晶体管S11的漏极与晶体管S13的源极、晶体管S15的源极以及第一输出端口连接，晶体管12的漏极与晶体管S14的源极、晶体管S16的源极以及第二输出端口连接，晶体管S15、晶体管S16与晶体管S17的漏极均连接到地；所有晶体管的栅极分别接高低电平控制信号或低电平控制信号。

进一步的，所述开关晶体管S11与S12对称设置，开关晶体管S13与S14对称设置，开关晶体管S15与S16对称设置。

进一步的，所述单刀双掷射频开关具有高通与低通两种工作模式；

在高通工作模式下：当开关晶体管S17以及S11、S14、S16的栅极接高电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第一输出端口的高通频段导通；当开关晶体管S17以及S12、S13、S15的栅极接高电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第二输出端口的高通频段导通。

在低通工作模式下：当开关晶体管S17以及S11、S12、S14、S15的栅极接低电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第一输出端口的低通频段导通；当开关晶体管S17以及S11、S12、S13、S16的栅极接低电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第二输出端口的低通频段导通。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关，具有如下优点：

1、本发明通过引入可重构晶体管S17，通过对可重构晶体管的通断控制，实现了射频开关在低通和高通两个频段模式上的工作，拓展了单刀双掷射频开关的工作带宽；并且，在两种工作模式下，开关都具有低插入损耗和高隔离度特性。

2、本发明中电感L的引入不仅可作为低通模式下导通支路的滤波网络，还可以作为高通模式下导通支路的阻抗匹配网络；并且，可重构晶体管S17实现工作模式切换的同时，还增加了高通模式工作时关断端口的隔离度。

3、本发明中电感L与重构晶体管S17在两种工作模式以及两个端口通断过程中都发挥了有益作用，实现共享设计，一定程度上避免了对芯片面积的过分消耗。

附图说明

图1为传统串-并结构的单刀单掷单元的结构示意图；其中，(a)表示导通状态，(b)表示关断状态。

图2为本发明中超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关的结构示意图。

图3为本发明中超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关的高频通路路径及其等效电路。

图4为本发明中超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关的低频通路路径及其等效电路。

图5为对比例1：传统串-并联单刀双掷射频开关的结构示意图。

图6为对比例2：使用开关电感的带通单刀双掷射频开关示意图。

图7为本发明中实施例、对比例1和对比例2的插入损耗对比图。

图8为本发明中实施例、对比例1和对比例2的回波损耗对比图。

图9为本发明中实施例、对比例1和对比例2的隔离度对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

如图1所示为传统串-并联结构的单刀单掷单元的结构示意图及工作原理图；其中，当Vg1接高电平、Vg2接低电平时，单刀单掷单元导通，等效为串联的电阻r1和并联到地的电容c1，如图1中(a)所示；当Vg3接低电平、Vg4接高电平时，单刀单掷单元断开，等效为串联的电容c2和并联到地的电阻r2，如图1中(b)所示。

如图2所示为本实施例提出的超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关的结构示意图，包括：7个开关晶体管S11～S17与1个电感L；开关的公共端口Input11与晶体管S11的源极、晶体管S12的源极以及电感L连接，电感L的另一端与晶体管S13的漏极、晶体管S14的漏极以及晶体管S7的源极连接，晶体管S11的漏极与晶体管S13的源极、晶体管S15的源极以及输出端口Output11连接，晶体管12的漏极与晶体管S14的源极、晶体管S16的源极以及输出端口Output12连接，晶体管S15、晶体管S16与晶体管S17的漏极均连接到地；所有晶体管的栅极分别接高低电平控制信号或低电平控制信号。

本实施例提出的超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关中，通过上述电路结构的设计，具有高通与低通两种工作模式；其中，晶体管S11与晶体管S12为高通时的信号路径，电感L分别并联晶体管S13到Output11、晶体管S14到Output12、以及晶体管S17到地；电感L和晶体管S13、晶体管S14为低通信号路径。晶体管S17为共享重构晶体管，在低通工作模式下、其断开以使电感L成为低通滤波网络的一部分，在高通工作模式下，其导通以使电感L作为电路阻抗匹配网络的一部分。开关电路中，晶体管S11与晶体管S12对称设置，晶体管S13与晶体管S14对称设置，晶体管S15与晶体管S16对称设置。

如图3所示为本发明中超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关的高频通路路径及其等效电路图；当晶体管S12、S13与S15的栅极接低电平，晶体管S11、S14、S16与S17的栅极接高电平时，公共端口Input11到输出端口Output11的高通频段导通。导通的晶体管都等效为小阻值的电阻，其中，晶体管S11的等效电阻RH1位于信号主路，影响信号通过时的插入损耗，不可忽略；而晶体管S14、S16、S17位于信号旁路，等效电阻可以忽略；晶体管S12、S13、S15分别等效为电容CH1、CH2、CH3，三个电容并联可以等效为一个电容CH。高通工作回路由串联的电阻RH1和并联到地的并联谐振回路构成，其中，并联谐振回路由电感L和电容CH组成；并联谐振回路在谐振频率上，阻抗极大，相当于开路，则以谐振频率为中心频率的高通信号可以通过高通回路。进一步地，在高通工作模式下，电感L既可以组成并联谐振回路，又可以进行输入阻抗匹配，无需额外的阻抗匹配网络；晶体管S17能够将旁路泄露信号导通到地，显著提高隔离度。需要说明的是：公共端口Input11到输出端口Output12的高通工作模式同理。

如图4所示为本发明中超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关低频通路路径及其等效电路；当晶体管S11、S12、S14、S15与S17的栅极接低电平，晶体管S13与S16的栅极接高电平时，公共端口Input11到输出端口Output11的低通频段导通。导通的晶体管都等效小阻值的电阻，其中，晶体管S13的等效电阻RL1位于信号主路，直接影响信号通过时的插入损耗，不可忽略；晶体管S16的等效电阻位于信号旁路，等效电阻可以忽略；晶体管S11、S12、S14、S15、S17分别等效为电容CL1、CL2、CL3、CL4、CL5。进一步地，低通工作回路由串联的电感L与电阻RL1以及并联到地的CL2、CL3、CL4、CL5共同构成；CL1跨接在电感L和电阻RL1之间，对低通频段的影响可忽略不计。进一步地，在低通工作模式下，电感L组成低通滤波网络的一部分；晶体管S17能够进行低通工作模式的切换。

需要说明的是：公共端口Input11到输出端口Output12的低通工作模式同理。

具体而言，本实施例以DC-18GHz为例，低通频段为DC-9GHz、高通频段为9-18GHz，电感L以及各个晶体管的参数与工艺的选取有关。同时，为了说明本发明的有益效果，采用两个对比例与本发明进行对比说明；其中，对比例1为如图5所示的传统的串-并联单刀双掷射频开关；对比例2为文献“W.Lee and S.Hong,"Low-loss and Small-size 28GHz CMOSSPDT Switches using Switched Inductor,"2018IEEE Radio FrequencyIntegratedCircuitsSymposium(RFIC),Philadelphia,PA,USA,2018,pp.148-151.”中提出的一种使用开关电感的带通单刀双掷射频开关，其电路结构如图6所示。对比例2中，当晶体管S32、S33、S35断开，晶体管S31、S34、S36导通时，Output31端口导通，Output32端口断开；当晶体管S31、S34、S36断开，晶体管S32、S33、S35导通时，Output32端口导通，Output31端口断开。进一步地，对比例2中，电路结构只有一种工作模式，只能工作在某一特定的带通频段，通过切换晶体管开关，实现电感在导通支路上的阻抗匹配，实现共享开关电感的功能；为了形成对比，优化对比例2的器件参数，使其工作在中心频带为13GHz的带通频段，电路结构和导通模式保持不变。

对本实施例与对比例1、对比例2中的三种单刀双掷射频开关进行性能测试，其结果对比如图7、图8、图9所示所示，依次为插入损耗、回波损耗、隔离度；由图可见，本实施例的插入损耗在全频段低于1.2dB，回波损耗大于13dB，隔离度大于35dB；对比例1在低频处性能较好，特别是插入损耗在DC-9GHz内低于0.5dB，但在高频处性能整体恶化严重，在18GHz处，插入损耗高于1.5dB，回波损耗大于-10dB，隔离度小于25dB；对比例2在9～18GHz范围内，插入损耗和隔离度都差于本实施例，且低频处性能恶化严重。综上所述，本实施例的整体性能显著优于对比例1、对比例2，即本发明能够在超宽带下同时保持高隔离度和低插入损耗。

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 (3)

1.一种超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关，包括：开关晶体管S11～S17与电感L；其特征在于，开关的公共端口与晶体管S11的源极、晶体管S12的源极以及电感L连接，电感L的另一端与晶体管S13的漏极、晶体管S14的漏极以及晶体管S7的源极连接，晶体管S11的漏极与晶体管S13的源极、晶体管S15的源极以及第一输出端口连接，晶体管12的漏极与晶体管S14的源极、晶体管S16的源极以及第二输出端口连接，晶体管S15、晶体管S16与晶体管S17的漏极均连接到地；所有晶体管的栅极分别接高低电平控制信号或低电平控制信号。

2.按权利要求1所述超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关，其特征在于，所述开关晶体管S11与S12对称设置，开关晶体管S13与S14对称设置，开关晶体管S15与S16对称设置。

3.按权利要求1所述超宽带双频段工作模式单刀双掷射频开关，其特征在于，所述单刀双掷射频开关具有高通与低通两种工作模式；

在高通工作模式下：当开关晶体管S17以及S11、S14、S16的栅极接高电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第一输出端口的高通频段导通；当开关晶体管S17以及S12、S13、S15的栅极接高电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第二输出端口的高通频段导通；

在低通工作模式下：当开关晶体管S17以及S11、S12、S14、S15的栅极接低电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第一输出端口的低通频段导通；当开关晶体管S17以及S11、S12、S13、S16的栅极接低电平控制信号，其余开关晶体管的栅极接低电平控制信号时，公共端口到第二输出端口的低通频段导通。

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