CN116827327A - 基于t型电感的小型化低tx损耗的5g/6g非对称开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，属于基本电子电路的技术领域。该非对称开关包括：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，第一开关臂在其包含的开关管关断时存在并联谐振，多个T型双模谐振电路组成的第二开关臂与接在两个开关臂输入端的耦合电容并联谐振，通过设计第一开关臂的耦合电感不大于第二开关臂的耦合电感，实现发射通道大耦合系数，即实现低TX损耗的同时实现宽带化，利用T型电感耦合谐振电路的拓扑，在相同尺寸下实现更高的RX隔离度和更宽的带宽。

Description

基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关

技术领域

本发明涉及射频电路设计技术及集成电路设计技术，尤其涉及半导体射频单刀双掷开关的电路设计，具体公开基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，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。非对称式单刀双掷开关，因其开关臂不同，可以设计成不同功能，能够很好地应对5G和即将到来的6G通信收发的不同需求。然而，5G/6G通信系统要求5G/6G射频前端发射链路的开关低损耗，5G/6G射频前端接收链路的开关高隔离，同时要求发射链路和接收链路均实现超宽带和小型化。

现有非对称单刀双掷开关为了实现低损耗和高线性度，TX支路为一个NMOS晶体管和两个片上电感组成的单串联结构，RX支路为三个NMOS晶体管和一个片上电感组成的串联-并联结构，在TX路径串联NMOS晶体管与电感串联谐振以减小插损，但是减小插损的效果有限，且两条开关臂彼此独立设计，元器件的复用程度不高。

现有非对称单刀双掷开关为了降低发射支路损耗并提升发射支路线性度，TX支路为两个NMOS晶体管和两个片上电阻组成Cascode并联结构，RX支路为由一个NMOS晶体管和一个片上电阻组成的单晶体管并联结构。该开关的TX支路以Cascode并联晶体管作为基本设计单元，而RX支路以单并联晶体管作为基本设计单元。TX支路的Cascode并联单元设计方案能够提升TX支路的线性度、降低插入损耗，但是RX路径并联晶体管的设计对带宽的延展十分有限，且开关电路的整体尺寸大。

为了解决1dB压缩点处功率受限的问题，现有非对称单刀双掷开关包括：天线端口ANT、发射支路Tx和接收支路Rx，天线端口ANT分别连接至接收支路Rx的四分之一波长微带传输线TL和发射支路Tx的无源环结构，无源环结构由四个四分之一波长微带传输线TL首尾相连组成的环形结构。由于该非对称单刀双掷开关大量使用四分之一波长微带传输线的结构，开关的隔离效果比较好，但同时增大了开关的尺寸，同样断开的开关臂没得到很好地复用。

综上所述，两个不同的单刀单掷开关简单组合而成的非对称单刀双掷开关不能满足5G通信收发的不同需求，在以下方面有待提高：（1）非对称的两个开关臂由于基本工作原理不一样，导致两个开关臂之间相互干扰严重，在优化一个开关臂性能的同时很难保证另一个开关臂的性能，很难同时兼顾TX开关低损耗和RX开关的高隔离；（2）串联晶体管实现低损耗的效果不好，严重影响5G射频前端TX端发射效率；（3）谐振单元模式单一，导致实现宽带化的同时以增大开关尺寸为代价。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，重点针对非对称单刀双掷开关不同开关臂相互干扰导致的性能互斥问题，提供基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，在器件小型化的前提下实现非对称开关发射通道低损损耗和带宽化的同时实现接收通道高隔离度和带宽化的发明目的。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，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。第一射频端口与输入匹配电路的一端连接，输入匹配电路的另一端与加载电容的一极连接，加载电容的另一极接地；第一开关臂，包括：第一耦合电感、第一晶体管、第一谐振电感、第二谐振电感、第一输出匹配电路，第一耦合电感的一端作为第一开关臂的输入端与加载电容和输入匹配电路的连接点相连，第一谐振电感、第二谐振电感串联连接，第二谐振电感的自由端接地，第一耦合电感的另一端与第一谐振电感自由端以及第一晶体管的漏极电连接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的栅极与第一直流端口相连，第一输出匹配电路的一端与第一晶体管的漏极或第一谐振电感和第二谐振电感的连接点相连，第一输出匹配电路的另一端为第一开关臂的输出端；第二开关臂，包括：第二耦合电感、N个T型双模谐振单元、第1至第N-1级间匹配电路、第二输出匹配电路，第二耦合电感的一端作为第二开关臂的输入端与加载电容和输入匹配电路的连接点相连，第1个T型双模谐振单元的输入端与第二耦合电感的另一端连接，第i级间匹配电路的一端与第i个T型双模谐振单元的输出端连接，第i级间匹配电路的另一端与第i+1个T型双模谐振单元的输入端连接，第N个T型双模谐振单元的输出端与第二输出匹配电路的一端连接，第二输出匹配电路的另一端为第二开关臂的输出端，每个T型双模谐振单元接入的控制信号相同，且T型双模谐振单元接入的控制信号与第一直流端口接入的控制信号相反，所述第二耦合电感的电感值大于或等于第一耦合电感的电感值，1≤i≤N，N为大于或等于2的整数；第二射频端口与第一开关臂的输出端连接；第三射频端口与第二开关臂的输出端连接。

作为基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的进一步优化方案，各个T型双模谐振单元的电路结构相同，第i个T型双模谐振单元包括：第1晶体管、第2晶体管、第1子电感、第2子电感、第3子电感，第2子电感和第1子电感串联连接，第3子电感的一端与第1子电感和第2子电感的连接点相连，第3子电感的另一端接地，第1晶体管的漏极与第1子电感的自由端电连接作为第i个T型双模谐振单元的输入端，第1晶体管的源极接地，第1晶体管的栅极连接第1直流端口，第2晶体管的漏极与第2子电感的自由端电连接作为第i个T型双模谐振单元的输出端，第2晶体管的源极接地，第2晶体管的栅极连接第2直流端口，所有T型双模谐振单元连接的直流端口均接入高电平或低电平。

作为基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的再进一步优化方案，直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。

作为基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的再进一步优化方案，输入匹配电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路、第1至第N-1级间匹配电路为纯电感、纯电容或电容和电感组成的匹配电路。

作为基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的更进一步优化方案，第一耦合电感、第二耦合电感、第一谐振电感、第二谐振电感、输入匹配电路中的电感、第一输出匹配电路中的电感、第二输出匹配电路中的电感、第1至第N-1级间匹配电路中的电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感。

作为基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称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。

作为基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的再进一步优化方案，加载电容、输入匹配电路中的电容、第一输出匹配电路中的电容、第二输出匹配电路中的电容、第1至第N-1级间匹配电路中电容的微带线电容或金属-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。

作为基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的进一步优化方案，晶体管的源极接地、加载电容另一端接地、第二谐振电感的自由端接地、第3子电感另一端接地通过端接金属化接地通孔实现。

面向5G/6G射频前端芯片，包括：上述任意一种低TX损耗的5G/6G非对称片上开关。

本发明采用上述技术方案，具有以下显著的有益效果：

（1）本发明所提基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，在第一开关臂只包含一组并联谐振的情况下，利用第二开关臂的级间匹配电感、晶体管与加载电容并联谐振形成额外的传输极点，通过耦合电容耦合两个开关臂的并联谐振，实现拓展带宽；并且通过设置第一开关臂的耦合电感不大于第二开关臂的耦合电感，实现发射通道大耦合系数，即实现低TX损耗的同时实现宽带化。

（2）本发明所提基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，第二开关臂采用多组基于T型电感耦合结构的双模谐振单元，由于电感复用程度高，在相同尺寸下，可以实现更高的RX隔离度和更宽的带宽，能够满足5G通信系统前端射频电路收发通道的不同性能需求。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关在TX路径导通时的散射参数曲线。

图3为本发明实施例1提供的基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关在RX路径导通时的散射参数曲线。

图4为本发明实施例2提供的基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关的结构示意图。

图5为本发明所提非对称开关的一般结构示意图。

图中标号说明：P₁、第一射频端口，P₂、第二射频端口，P₃、第三射频端口，X_in、输入匹配电路，X_1out、第一输出匹配电路，X_2out、第二输出匹配电路，J₁、第一级间匹配电路，J_N-1、第N-1级间匹配电路，C₁、加载电容，L₁、第一耦合电感，L₂、第二耦合电感，M₁、第一晶体管，L_A1、第一谐振电感，L_A2、第二谐振电感，K₁、第一直流端口，K₂₁₁、第1个T型双模谐振单元接入的第1直流端口，K₂₁₂、第1个T型双模谐振单元接入的第2直流端口，M₂₁₁、第1个T型双模谐振单元的第1晶体管，M₂₁₂、第1个T型双模谐振单元的第2晶体管，L₁₁、第1个T型双模谐振单元的第1子电感，L₁₂、第1个T型双模谐振单元的第2子电感，L₁₃、第1个T型双模谐振单元的第3子电感，K₂₂₁、第2个T型双模谐振单元接入的第1直流端口，K₂₂₂、第2个T型双模谐振单元接入的第2直流端口，M₂₂₁、第2个T型双模谐振单元的第1晶体管，M₂₂₂、第2个T型双模谐振单元的第2晶体管，L₂₁、第2个T型双模谐振单元的第1子电感，L₂₂、第2个T型双模谐振单元的第2子电感，L₂₃、第2个T型双模谐振单元的第3子电感，K_2N1、第N个T型双模谐振单元接入的第1直流端口，K_2N2、第N个T型双模谐振单元接入的第2直流端口，M_2N1、第N个T型双模谐振单元的第1晶体管，M_2N2、第N个T型双模谐振单元的第2晶体管，L_N1、第N个T型双模谐振单元的第1子电感，L_N2、第N个T型双模谐振单元的第2子电感，L_N3、第N个T型双模谐振单元的第3子电感，L_in、输入匹配电感，L_out1、第一输出匹配电感，C_out1、第一输出匹配电容，C_out2、第二输出匹配电容。

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。

本发明所提非对称开关的一般结构如图5所示，包括：第一射频端口P₁、作为TX的第一开关臂、作为RX的第二开关臂、第二射频端口P₂、第三射频端口P₃。

输入匹配电路X_in的一端与第一射频端口P₁连接，输入匹配电路X_in的另一端与加载电容C₁的一极连接，加载电容C₁的另一极接地。

作为TX的第一开关臂，包括：第一耦合电感L₁、第一晶体管M₁、第一谐振电感L_A1、第二谐振电感L_A2、第一输出匹配电路X_1out、第二射频端口P₂，第一耦合电感L₁的一端作为第一开关臂的输入端与加载电容C₁和输入匹配电路X_in的连接点相连，第一谐振电感L_A1、第二谐振电感L_A2串联连接，第二谐振电感L_A2的自由端接地，第一耦合电感L₁的另一端与第一谐振电感L_A1自由端以及第一晶体管M₁的漏极电连接，第一晶体管M₁的源极接地，第一晶体管M₁的栅极与第一直流端口K₁相连，第一输出匹配电路X_1out的一端与第一晶体管M₁的漏极或第一谐振电感L_A1和第二谐振电感L_A2的连接点相连，第一输出匹配电路X_1out的另一端作为第一开关臂的输出端与第二射频端口P₂相连。第一开关臂中的第一晶体管关断时与谐振电感形成并联谐振。

作为RX的第二开关臂，包括：第二耦合电感L₂、N个T型双模谐振单元、第1至第N-1级间匹配电路J₁~ J_N-1、第二输出匹配电路X_2out、第三射频端口P₃，第二耦合电感L₂的一端作为第二开关臂的输入端与加载电容C₁和输入匹配电路X_in的连接点相连，N个T型双模谐振单元与N-1个级间匹配电路交错电连接，具体为：第1个T型双模谐振单元的输入端与第二耦合电感L₂的另一端连接，第i级间匹配电路J_i的一端与第i个T型双模谐振单元的输出端连接，第i级间匹配电路J_i的另一端与第i+1个T型双模谐振单元的输入端连接，第N个T型双模谐振单元的输出端与第二输出匹配电路X_2out的一端连接，第二输出匹配电路X_2out的另一端作为第二开关臂的输出端连接第三射频端口P₃，每个T型双模谐振单元接入的控制信号相同，且T型双模谐振单元接入的控制信号与第一直流端口K₁接入的控制信号相反，1≤i≤N，N为大于或等于2的整数。基于耦合矩阵理论，发射通道的耦合系数更大，进而损耗更低、带宽更宽，因此设计第二耦合电感L₂的电感值大于或等于第一耦合电感L₁的电感值。再利用第二开关臂与加载电容并联谐振形成额外的传输极点，通过第一耦合电感实现第二开关臂并联谐振与第一开关臂的并联谐振耦合，进而实现发射链路低损耗。

各个T型双模谐振单元的电路结构相同。第i个T型双模谐振单元包括：第1晶体管M_2i1、第2晶体管M_2i2、第1子电感L_i1、第2子电感L_i2、第3子电感L_i3，第2子电感L_i2和第1子电感L_i1串联连接，第3子电感L_i3的一端与第1子电感L_i1和第2子电感L_i2的连接点相连，第3子电感L_i3的另一端接地，第1晶体管M_2i1的漏极与第1子电感L_i1的自由端电连接作为第i个T型双模谐振单元的输入端，第1晶体管L_i1的源极接地，第1晶体管L_i1的栅极连接第1直流端口K_2i1，第2晶体管M_2i2的漏极与第2子电感L_i2的自由端电连接作为第i个T型双模谐振单元的输出端，第2晶体管M_2i2的源极接地，第2晶体管M_2i2的栅极连接第2直流端口K_2i2。第i个T型双模谐振单元连接的第1直流端口K_2i1、第2直流端口K_2i2均接入高电平或低电平，N个T型双模谐振单元连接的直流端口接入的逻辑电平相同，第一直流端口K₁接入的逻辑电平与各T型双模谐振单元连接的直流端口接入的逻辑电平相反。第1子电感L_i1、第2子电感L_i2、第3子电感L_i3组成的T型电感使得双模谐振单元的电感复用程度高于单模谐振单元，多个双模谐振单元组成的第二开关臂的隔离度得以提高，进而在相同尺寸下实现更高隔离度和更宽的带宽。

实施例1

本发明公开的基于T型电感的小型化低TX损耗的5G非对称开关的一种具体实现方式如图1所示，输入匹配电路X_in、第一输出匹配电路X_1out、第二输出匹配电路X_2out分别为输入匹配电感L_in、第一输出匹配电容C_out1、第二输出匹配C_out2，第一直流端口K₁以及第二开关臂连接的第1直流端口K₂₁₁和第2直流端口K₂₁₂分别加载场效应管栅极保护电阻与三个晶体管相连。

输入匹配电感L_in的等效电感值为60pH，通过宽度为25um，长度为91.5um的微带线实现；第一耦合电感L₁的等效电感值为220pH，通过宽度为25um，长度为315um的微带线实现；第二开关臂的第一子电感L₁₁的等效电感值为100pH，通过宽度为25um，长度为151um的微带线实现；第二开关臂的第二子电感L₁₂的等效电感值为120pH，通过宽度为25um，长度为181um的微带线实现；加载电容C₁的等效容值为80fF；第一输出匹配电容C_out1的等效容值为400fF。

图2为本发明实施例1的TX路径导通时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28GHz，两传输极点分别在25GHz和32.5GHz，插入损耗小于1dB，回波损耗大于25dB；图3为本发明实施例1的RX路径导通时的散射参数与频率关系的仿真曲线图。如图3所示，本发明实施例1公开的单刀双掷开关的中心频率为28GHz，存在三个传输极点，三传输极点分别在20.5GHz、28GHz和36GHz，插入损耗小于1.5dB，回波损耗大于20dB；本发明实施例1提供的单刀双掷开关均在自身谐振外额外产生一个新的传输极点。

实施例2

本发明公开的基于T型电感的小型化低TX损耗的5G非对称开关的另一种具体实现方式如图4所示，输入匹配电路X_in、第一输出匹配电路X_1out、第二输出匹配电路X_2out分别为输入匹配电感L_in、第一输出匹配电感L_out1、第二输出匹配电容C_out2，第一直流端口K₁以及第二开关臂的第1直流端口K₂₁₁和第2直流端口K₂₁₂分别加载场效应管栅极保护电阻与三个晶体管相连。该实施例的TX开关臂与实施例1的TX开关臂的电路拓扑相同，RX路径较实施例1通过加载级间匹配电感L_j1增加了一个T型双模谐振单元。

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，可以在开关臂中增加数个T型双模谐振单元，以实现非对称单刀双掷开关带宽和隔离度的优化，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 (9)

1.基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，其特征在于，包括：

第一射频端口，与输入匹配电路的一端连接，输入匹配电路的另一端与加载电容的一极连接，加载电容的另一极接地；

第一开关臂，包括第一耦合电感、第一晶体管、第一谐振电感、第二谐振电感、第一输出匹配电路，第一耦合电感的一端作为第一开关臂的输入端与加载电容和输入匹配电路的连接点相连，第一谐振电感、第二谐振电感串联连接，第二谐振电感的自由端接地，第一耦合电感的另一端与第一谐振电感自由端以及第一晶体管的漏极电连接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的栅极与第一直流端口相连，第一输出匹配电路的一端与第一晶体管的漏极或第一谐振电感和第二谐振电感的连接点相连，第一输出匹配电路的另一端为第一开关臂的输出端；

第二开关臂，包括第二耦合电感、N个T型双模谐振单元、第1至第N-1级间匹配电路、第二输出匹配电路，第二耦合电感的一端作为第二开关臂的输入端与加载电容和输入匹配电路的连接点相连，第1个T型双模谐振单元的输入端与第二耦合电感的另一端连接，第i级间匹配电路的一端与第i个T型双模谐振单元的输出端连接，第i级间匹配电路的另一端与第i+1个T型双模谐振单元的输入端连接，第N个T型双模谐振单元的输出端与第二输出匹配电路的一端连接，第二输出匹配电路的另一端为第二开关臂的输出端，每个T型双模谐振单元接入的控制信号相同，且T型双模谐振单元接入的控制信号与第一直流端口接入的控制信号相反，所述第二耦合电感的电感值大于或等于第一耦合电感的电感值，1≤i≤N，N为大于或等于2的整数；

第二射频端口，与第一开关臂的输出端连接；及，

第三射频端口，与第二开关臂的输出端连接。

2.根据权利要求1所述基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，其特征在于，各个T型双模谐振单元的电路结构相同，第i个T型双模谐振单元包括：第1晶体管、第2晶体管、第1子电感、第2子电感、第3子电感，第2子电感和第1子电感串联连接，第3子电感的一端与第1子电感和第2子电感的连接点相连，第3子电感的另一端接地，第1晶体管的漏极与第1子电感的自由端电连接作为第i个T型双模谐振单元的输入端，第1晶体管的源极接地，第1晶体管的栅极连接第1直流端口，第2晶体管的漏极与第2子电感的自由端电连接作为第i个T型双模谐振单元的输出端，第2晶体管的源极接地，第2晶体管的栅极连接第2直流端口，所有T型双模谐振单元连接的直流端口均接入高电平或低电平。

3.根据权利要求1或2所述基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，其特征在于，所述直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。

4.根据权利要求1或2所述基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，其特征在于，所述输入匹配电路、第一输出匹配电路、第二输出匹配电路、第1至第N-1级间匹配电路为纯电感、纯电容或电容和电感组成的匹配电路。

5.根据权利要求4所述基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，其特征在于，所述第一耦合电感、第二耦合电感、第一谐振电感、第二谐振电感、输入匹配电路中的电感、第一输出匹配电路中的电感、第二输出匹配电路中的电感、第1至第N-1级间匹配电路中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1所述基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，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。

7.根据权利要求4所述基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，其特征在于，所述加载电容、输入匹配电路中的电容、第一输出匹配电路中的电容、第二输出匹配电路中的电容、第1至第N-1级间匹配电路中电容的微带线电容或金属-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。

8.根据权利要求2所述基于T型电感的小型化低TX损耗的5G/6G非对称开关，其特征在于，所述晶体管的源极接地、加载电容另一端接地、第二谐振电感的自由端接地、第3子电感另一端接地通过端接金属化接地通孔实现。

9.面向5G/6G射频前端芯片，其特征在于，包括：权利要求1所述低TX损耗的5G/6G非对称片上开关。