CN116566425A - 一种高功率射频开关及射频通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高功率射频开关及射频通信装置。该射频开关包括：发射支路和接收支路。发射支路和接收支路并联后连接外部天线。接收支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。本发明能够将接收支路各晶体管的栅宽设置为靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。增大靠近发射端口、天线端口的顶部晶体管的栅宽，减小关断阻抗，减小顶部晶体管分压时的源漏电势差。减小远离发射端口、天线端口的底部晶体管的栅宽，增大关断阻抗，增加底部晶体管分压时的源漏电势差。使各晶体管的源漏电势差均匀分布，避免了顶部晶体管首先达到击穿，提升了射频开关的发射功率处理能力。
Description
技术领域
本发明涉及射频开关技术领域，尤其涉及一种高功率射频开关及射频通信装置。
背景技术
射频通信系统通常包括射频开关、发射模块、接收模块和共用的天线。射频开关作为射频通信系统中重要的控制部件，直接控制着射频通信系统中发射模式与接收模式之间的切换。例如，发射模式时，射频开关的发射支路控制开启发射模块，接收支路控制关闭接收模块，实现通过天线发射信号。无论是民用的WLAN、5G通信，还是军用的无线电、远距离探测雷达等应用，对射频开关的功率处理能力要求越来越高。
传统的射频开关通过晶体管堆叠的方式提高开关的功率处理能力，即提高射频开关功率耐受能力。晶体管堆叠的方式是将多个相同的晶体管串联连接、构成接收支路，通过降低单个晶体管上的压降从而提高射频开关功率耐受能力。但是当射频开关工作在发射模式时，处于关闭状态的接收支路受发射端口和天线端口的高功率泄漏信号的影响，晶体管堆叠结构的接收支路中顶部的晶体管容易达到击穿，限制了射频开关的发射功率处理能力。
发明内容
本发明实施例提供了一种高功率射频开关及射频通信装置，以解决晶体管堆叠结构的接收支路中，顶部的晶体管受高功率泄漏信号影响容易达到击穿，限制了射频开关的发射功率处理能力的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种高功率射频开关，包括：发射支路和接收支路。所述发射支路和接收支路并联后连接外部天线。所述接收支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
在一种可能的实现方式中，在各相邻的两晶体管中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
在一种可能的实现方式中，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，各相邻晶体管的栅宽的差异逐渐减小。
在一种可能的实现方式中，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，各晶体管的栅宽依次按指数减小。
在一种可能的实现方式中，各相邻晶体管的栅宽的差异相同。
在一种可能的实现方式中，根据以下公式确定各晶体管的栅宽：
其中，ROFF为晶体管截止状态阻抗，L为晶体管的栅长，W为晶体管的栅宽，VGS为晶体管栅极和源极之间的电压，μnCox为工艺常数，VTH为阈值电压。
在一种可能的实现方式中，所述栅宽的尺寸范围为100至1500微米。
在一种可能的实现方式中，所述发射支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
在一种可能的实现方式中，所述晶体管为金属-氧化物半导体场效应晶体管。
第二方面，本发明实施例提供了一种射频通信装置，包括如上述任一项可能的实现方式中提供的射频开关。所述射频通信装置还包括天线、发射模块和接收模块。所述射频开关的发射支路远离外部天线的一端连接发射模块。所述射频开关的接收支路远离外部天线的一端连接接收模块。
本发明实施例提供一种高功率射频开关及射频通信装置，该射频开关包括：发射支路和接收支路。发射支路和接收支路并联后连接外部天线。接收支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。本发明将接收支路各晶体管的栅宽设置为靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。增大靠近发射端口、天线端口的顶部晶体管的栅宽，减小关断阻抗，减小顶部晶体管分压时的源漏电势差。减小远离发射端口、天线端口的底部晶体管的栅宽，增大关断阻抗，增加底部晶体管分压时的源漏电势差。使各晶体管的源漏电势差均匀分布，避免了顶部晶体管首先达到击穿，提升了射频开关的发射功率处理能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高功率射频开关的结构示意图；
图2为堆叠结构分压不均匀的示意图；
图3为传统堆叠方式下射频大信号的电压分布示意图；
图4为尺寸渐变式结构下射频大信号的电压分布示意图；
图5为改进前后堆叠晶体管的源漏电势差VDS分布示意图；
图6为改进前后堆叠晶体管的1dB压缩点对比示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。
本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
射频通信系统通常包括射频开关、发射模块、接收模块和共用的天线。射频开关控制射频通信系统在发射模式与接收模式之间的切换。射频开关通常包括发射支路和接收支路。发射支路一端连接发射模块，另一端连接天线。接收支路的一端连接接收模块，另一端连接天线。例如，发射模式时，射频开关的发射支路控制开启发射模块，接收支路控制关闭接收模块，实现通过天线发射信号。
射频开关的性能可以用相互关联的四个参数来衡量：插入损耗、隔离度、回波损耗和功率处理能力。插入损耗是射频开关在导通状态对射频系统造成的功率损耗，即射频开关对系统总噪声的恶化程度；隔离度为射频开关在截止状态下泄露功率与输入功率的比值；回波损耗即射频开关与射频模块之间的阻抗不匹配导致的能量反射；功率处理能力即射频开关功率耐受能力。
射频开关的发射支路、接收支路可由单个晶体管构成，但功率处理能力较低。射频开关在传输大功率信号时，发射支路泄露到接收支路的截止状态晶体管的信号摆幅过大，从而意外地导致接收支路关断状态的晶体管内部的寄生PN结重新导通形成射频泄露路径，引起功率的提前压缩，限制开关的功率处理能力。
传统的射频开关通过晶体管堆叠的方式提高射频开关的功率处理能力。晶体管堆叠的方式是将多个相同的晶体管串联连接构成接收支路，通过降低单个晶体管上的压降从而提高射频开关功率耐受能力。利用晶体管堆叠的方式进行分压，通过降低单个晶体管上的压降从而避免大功率信号摆幅过大导致晶体管击穿形成射频泄露路径，进而改善射频开关的功率处理能力。
本申请的发明人经过大量研究和试验后发现，传统堆叠方式对射频开关线性度的提升存在限制：由于每个堆叠晶体管存在衬底泄露电流，导致堆叠晶体管的分压并不均匀，堆叠顶部的晶体管分压最大，最易击穿，堆栈底部的晶体管分压最小，不易击穿。在堆叠结构的射频开关中，发生在堆叠晶体管顶部的击穿现象会限制开关的功率处理能力。
当射频开关工作在发射模式时，处于关闭状态的接收支路受发射端口和天线端口的高功率泄漏信号的影响，晶体管堆叠结构的接收支路中顶部的晶体管容易达到击穿，限制了射频开关的发射功率处理能力。
本发明实施例提供一种高功率射频开关，将接收支路各晶体管的栅宽设置为靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。增大靠近发射端口、天线端口的顶部晶体管的栅宽，减小关断阻抗，减小顶部晶体管分压时的源漏电势差；减小远离发射端口、天线端口的底部晶体管的栅宽，增大关断阻抗，增加底部晶体管分压时的源漏电势差。使各晶体管的源漏电势差均匀分布，避免了顶部晶体管首先达到击穿，提升了射频开关的发射功率处理能力。
图1为本发明实施例提供的高功率射频开关的结构示意图。参照图1，该射频开关包括：发射支路和接收支路。发射支路和接收支路并联后连接外部天线。接收支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
发射支路和接收支路并联后连接外部天线。发射支路的输出端、接收支路的输入端用于连接同一外部天线。发射支路的输入端用于连接发射模块。接收支路的输出端用于连接接收模块。
接收支路，包括多个串联的晶体管，即晶体管堆叠方式。各依次串联的晶体管中，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，上一晶体管的漏极连接下一晶体管的源极。其中，第一个晶体管的源极连接接收支路的输入端，最后一个晶体管的漏极连接接收支路的输出端。
示例性的，接收支路各晶体管的栅极连接同一外部控制端。例如，当外部控制端的电压为高电压时，各晶体管处于开启状态，接收支路开启。再例如，当外部控制端的电压为低电压时，各晶体管处于截止状态，接收支路关闭。
图2为堆叠结构分压不均匀的示意图。参照图2：当射频开关工作在发射模式时，接收支路的晶体管栅极电压为低电平Voff，晶体管处于截止区，此时发射端口和天线端口的高功率信号RFIN会通过发射路径泄露到处于关断状态的接收支路。利用晶体管堆叠分压的方式可以使大功率泄露信号的摆幅RFIN分布在每个堆叠晶体管的源漏两端，从而避免单个晶体管承受较高的峰值电压引起源漏极击穿，提高开关的功率处理能力。
但由于晶体管堆叠方式会引起衬底泄露电流ISUB的累加以及栅极感应的漏极泄漏(GIDL)现象，导致随着晶体管堆叠数目(N)的增加，堆叠晶体管的分压会呈现“头大尾小”的趋势，使顶部晶体管最先达到击穿。其中，顶部晶体管为各串联晶体管中最靠近外部天线的晶体管。
参照图2，当晶体管堆叠数目N＝14时，堆叠顶部的晶体管M1漏电流Id1最大，源漏电势差VDS1最大。M2至M14的源漏电势差VDS平稳地减小，堆叠底部的晶体管M14的漏电流Id14最小，源漏电势差VDS14最小。这种不均匀分压现象会导致堆叠顶部晶体管分压过大，使其内部的寄生PN结意外地重新导通或击穿，从而形成到衬底的射频泄露路径，造成开关的非线性，限制了开关的功率处理能力。
将接收支路各晶体管的栅宽设置为：靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。栅宽即晶体管栅极的宽度。
堆叠晶体管方式的接收支路中，以靠近外部天线的晶体管为顶部晶体管，以远离外部天线的晶体管为底部晶体管。
本发明实施例通过改变晶体管的栅宽来对堆叠晶体管的阻抗进行渐变式的排列，解决堆叠结构晶体管之间分压不均匀而限制功率处理能力的问题。增大堆叠顶部晶体管的栅宽，减小晶体管的关断阻抗ROFF，减小堆叠顶部晶体管分压时的源漏电势差VDS。相反地，减小堆叠底部晶体管的栅宽，增大堆叠底部晶体管的关断阻抗ROFF，增加堆叠底部晶体管分压时的源漏电势差VDS，从而使堆叠中每个晶体管的源漏电势差VDS均匀分布，避免了堆叠顶部晶体管首先达到击穿，进而提高开关的功率耐受能力。本发明实施例有效地弥补堆叠结构分压不均匀的缺陷，从而达到更均匀的分压，有效地提升射频开关芯片的功率处理能力。
示例性的，接收支路各晶体管的栅宽设置为：靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽，其中，各晶体管的其他结构相同。
在一种可能的实现方式中，在接收支路各晶体管中，多个靠近外部天线的晶体管的栅宽大于多个远离外部天线的晶体管的栅宽。
在一种可能的实现方式中，在各相邻的两晶体管中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
在相邻的两晶体管中，以靠近外部天线的晶体管为上层，以远离外部天线的晶体管为下层，上层晶体管的栅宽大于下层晶体管的栅宽。从上层至下层，各晶体管的栅宽从第一层至最后一层依次减小。
在一种可能的实现方式中，各相邻晶体管的栅宽的差异相同。
沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，接收支路的各晶体管的栅宽按线性依次减小。
在一种可能的实现方式中，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，各相邻晶体管的栅宽的差异逐渐减小。
各相邻晶体管的栅宽的差异不同。越靠近外部天线，各相邻晶体管的栅宽的差异越大。越远离外部天线，各相邻晶体管的栅宽的差异越小。
在一种可能的实现方式中，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，各晶体管的栅宽依次按指数减小。
示例性的，接收支路的晶体管数量为N，沿远离外部天线方向上的第n个晶体管的栅宽，为第1个晶体管的栅宽的指数倍的倒数，其中，1≤n≤N。
在一种可能的实现方式中，根据以下公式确定各晶体管的栅宽：
其中，ROFF为晶体管截止状态阻抗，L为晶体管的栅长，W为晶体管的栅宽，VGS为晶体管栅极和源极之间的电压，μnCox为工艺常数，VTH为阈值电压。
示例性的，根据阻抗仿真确定各晶体管截止状态阻抗。基于上述公式计算得到各晶体管的栅宽。截止状态阻抗ROFF与晶体管宽长比有关，增大其栅长比可以减小其阻抗ROFF。
在一种可能的实现方式中，栅宽的尺寸范围为100至1500微米。
在一种可能的实现方式中，接收支路的晶体管的数量范围为3至20个。例如，接收支路的晶体管的数量可以为14个。
在一种可能的实现方式中，晶体管为金属-氧化物半导体场效应晶体管。
在一种可能的实现方式中，发射支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
发射支路包括多个晶体管，包括多个串联的晶体管，即晶体管堆叠方式。各依次串联的晶体管中，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，上一晶体管的漏极连接下一晶体管的源极。其中，第一个晶体管的源极连接发射支路的输出端，最后一个晶体管的漏极连接发射支路的输入端。
示例性的，发射支路各晶体管的栅极连接同一外部控制端。例如，当外部控制端的电压为高电压时，各晶体管处于开启状态，发射支路开启。再例如，当外部控制端的电压为低电压时，各晶体管处于截止状态，发射支路关闭。
示例性的，发射支路的各晶体管的结构相同，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。即，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，各晶体管的栅宽从第一个至最后一个依次减小。
本发明实施例将发射支路各晶体管的栅宽设置为靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。增大靠近接收端口、天线端口的顶部晶体管的栅宽，减小关断阻抗，减小顶部晶体管分压时的源漏电势差。减小远离接收端口、天线端口的底部晶体管的栅宽，增大关断阻抗，增加底部晶体管分压时的源漏电势差。使各晶体管的源漏电势差均匀分布，避免了顶部晶体管首先达到击穿，提升了射频开关的接收功率处理能力。
以下结合具体实施例具体说明本方案的技术效果。
示例性的，接收支路的晶体管的数量为14个。下表为改进前后的接收支路各晶体管的栅宽，栅宽的单位为微米：
改进前为传统堆叠方式的结构，各晶体管的栅宽为700微米。改进后为尺寸渐变式结构，沿靠近外部天线向远离外部天线的向，各晶体管的栅宽依次减小。其中，一部分晶体管的栅宽大于改进前栅宽，另一部分晶体管的栅宽小于改进前栅宽。
图3为传统堆叠方式下射频大信号的电压分布示意图。图4为尺寸渐变式结构下射频大信号的电压分布示意图。图5为改进前后堆叠晶体管的源漏电势差VDS分布示意图。参照图5，当通过相同射频信号RFIN＝42dBm时，改进前顶层晶体管的源漏电势差VDS接近3.4V，与底层晶体管相差1.5V。改进后各晶体管的源漏电势差VDS均匀分布在2.0至2.2V之间。渐变式结构下堆叠晶体管电压分布更加均匀，尤其表现在堆栈顶部的晶体管，有效地平衡了堆叠晶体管的电压分布。
图6为改进前后堆叠晶体管的1dB压缩点对比示意图。参照图6，基于130nm SOI工艺仿真的尺寸渐变式开关与传统堆叠式开关线性度对比，1dB压缩点提升了2dB，本发明实施例可有效提升射频开关发射功率处理能力。
本发明实施例提供了一种射频通信装置，包括如上述任一种可能的实现方式中提供的射频开关。射频通信装置还包括天线、发射模块和接收模块。射频开关的发射支路远离外部天线的一端连接发射模块。射频开关的接收支路远离外部天线的一端连接接收模块。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高功率射频开关，其特征在于，包括：发射支路和接收支路；所述发射支路和接收支路并联后连接外部天线；
所述接收支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
2.如权利要求1所述的高功率射频开关，其特征在于，在各相邻的两晶体管中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
3.如权利要求2所述的高功率射频开关，其特征在于，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，各相邻晶体管的栅宽的差异逐渐减小。
4.如权利要求3所述的高功率射频开关，其特征在于，沿靠近外部天线向远离外部天线的方向，各晶体管的栅宽依次按指数减小。
5.如权利要求2所述的高功率射频开关，其特征在于，各相邻晶体管的栅宽的差异相同。
6.如权利要求1所述的高功率射频开关，其特征在于，根据以下公式确定各晶体管的栅宽：
其中，ROFF为晶体管截止状态阻抗，L为晶体管的栅长，W为晶体管的栅宽，VGS为晶体管栅极和源极之间的电压，μnCox为工艺常数，VTH为阈值电压。
7.如权利要求1所述的高功率射频开关，其特征在于，所述栅宽的尺寸范围为100至1500微米。
8.如权利要求1所述的高功率射频开关，其特征在于，所述发射支路，包括多个串联的晶体管，其中，靠近外部天线的晶体管的栅宽大于远离外部天线的晶体管的栅宽。
9.如权利要求1所述的高功率射频开关，其特征在于，所述晶体管为金属-氧化物半导体场效应晶体管。
10.一种射频通信装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的射频开关；
所述射频通信装置还包括天线、发射模块和接收模块；
所述射频开关的发射支路远离外部天线的一端连接发射模块；
所述射频开关的接收支路远离外部天线的一端连接接收模块。
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| CN202310351319.8A CN116566425A (zh) | 2023-04-04 | 2023-04-04 | 一种高功率射频开关及射频通信装置 |
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