CN104852715A - 射频天线开关 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种射频天线开关，包括：第一通信模块，具有第一发射端口及第一接收端口，天线端口设置在所述第一发射端口与第一接收端口之间，所述第一发射端口通过第一晶体管单元与天线端口连接形成发射通道，所述第一接收端口通过第二晶体管单元与天线端口连接形成接收通道；第二通信模块，具有第二发射端口及第二接收端口，第二发射端口通过第五晶体管单元与天线端口连接形成发射通道，第二接收端口通过第六晶体管单元与天线端口连接形成接收通道；其中，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第五晶体管单元和第六晶体管单元均设置有前馈电容。本发明提供了一种射频天线开关，满足了高功率发射要求，且提高了线性度、***损耗和隔离度。

Description

射频天线开关
技术领域
本发明涉及射频集成电路领域，尤其是一种射频天线开关。
背景技术
随着多模多频移动通信发展，在射频前端集成电路设计中，射频天线开关越来越复杂，其要求较高的功率线性度，低***损耗，高隔离度及高的谐波抑制比。
在现有技术中，如图1所示，可以采用串联-并联结构来提高射频天线开关的隔离度。但是，该射频天线开关为对称结构，面积较大，故不适于复杂开关结构；同时在射频天线开关的掷数增加后，该开关的***损耗也会增加，故***损耗也是个瓶颈。
为了解决上述问题，有必要提供一种适用于多模多频的天线开关架构，以改善射频天线开关的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射频天线开关，以改善***损耗，提高隔离度，并满足高功率的发射要求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种射频天线开关，包括：
第一通信模块，具有至少一个第一发射端口及第一接收端口，天线端口设置在所述第一发射端口与第一接收端口之间，所述第一发射端口通过第一晶体管单元与天线端口连接形成发射通道，所述第一接收端口通过第二晶体管单元与天线端口连接形成接收通道，通过第三晶体管单元将第一发射端口接地，通过第四晶体管单元将第一接收端口接地；
第二通信模块，具有至少一个第二发射端口及第二接收端口，所述第二发射端口通过第五晶体管单元与天线端口连接形成发射通道，所述第二接收端口通过第六晶体管单元与天线端口连接形成接收通道，通过第七晶体管单元将第二发射端口及第二接收端口分别接地；
其中，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元均设置有前馈电容。
进一步地，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元均为一组晶体管，任一组晶体管均包括一个晶体管或串联层叠设置的多个晶体管。
进一步地，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第五晶体管单元和第六晶体管单元均包括两组晶体管，所述第四晶体管和第七晶体管均包括一组晶体管。
进一步地，任一组晶体管均包括串联层叠设置的六个晶体管。
进一步地，所述第一通信模块、第二通信模块的发射通道和接收通道的数量均为多个，多个所述第一通信模块的接收通道为树型拓扑结构，并共有若干个晶体管，所述第二发射端口即为第二接收端口，多个所述第二通信模块的发射通道和接收通道收发同体，且为树型拓扑结构，并共有若干个晶体管。
进一步地，所述射频天线开关为单刀十六掷开关，所述第一通信模块的发射通道和接收通道分别为两个和四个，收发同体的所述第二通信模块的射频通道的数量为十个。
进一步地，所述第一通信模块为2G通信模块，且采用GSM通信制式，所述第二通信模块包括采用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000中的一种或多种通信制式的3G通信模块和采用TD-LTE和/或FDD-LTE通信制式的4G通信模块。
进一步地，通过译码器控制所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元中晶体管的通断。
进一步地，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元中一个或多个晶体管为CMOS晶体管。
进一步地，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元中一个或多个晶体管采用SOI-CMOS晶体管。本发明提供了一种射频天线开关，通过在发射通道层叠设置多个晶体管使得任一发射通道均满足高功率发射要求；通过设置前馈电容改变晶体管源极与漏极之间的电压分配，提高了射频天线开关的线性度；第一通信模块的多个接收通道共用若干个晶体管，第二通信模块的收发通道也共用若干个晶体管，通过设置共用若干个晶体管的方式提高了射频天线开关的***损耗；通过设置具有多个发射通道及多个接收通道的树型拓扑结构提高了射频天线开关的隔离度。
附图说明
图1为现有技术中的射频天线开关的示意图；
图2为本发明实施例提供的射频天线开关的示意图；
图3为未采用前馈电容的晶体管的示意图；
图4为采用前馈电容的晶体管的示意图；
图5为晶体管源漏电压的分布图；
图6为本发明实施例提供的射频天线开关的总体架构图；
图7为本发明实施例提供的射频天线开关的***损耗的示意图；
图8为本发明实施例提供的射频天线开关的隔离度的示意图；
图9为本发明实施例提供的射频天线开关的输出功率的示意图；
图10为本发明实施例提供的射频天线开关的谐波抑制比的示意图。
图中，1：第一晶体管单元，21：第一支路晶体管单元，22：第一共有晶体管单元，3：第三晶体管单元，4：第四晶体管单元，51：第二支路晶体管单元，52：第二共有晶体管单元，7：第七晶体管单元，8：栅极串联电阻，9：源漏间偏置电阻。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图2所示，本发明实施例提供了一种射频天线开关，包括：
第一通信模块，具有至少一个第一发射端口及第一接收端口，天线端口ANT设置在所述第一发射端口与第一接收端口之间，所述第一发射端口通过第一晶体管单元1与天线端口ANT连接形成发射通道，所述第一接收端口通过第二晶体管单元与天线端口ANT连接形成接收通道，通过第三晶体管单元3将第一发射端口接地，通过第四晶体管单元4将第一接收端口接地；
第二通信模块，具有至少一个第二发射端口及第二接收端口，所述第二发射端口通过第五晶体管单元与天线端口ANT连接形成发射通道，所述第二接收端口通过第六晶体管单元与天线端口ANT连接形成接收通道，通过第七晶体管单元7将第二发射端口及第二接收端口分别接地。
优选地，所述第一通信模块为2G通信模块(第二代移动通信网络)，且采用GSM通信制式，所述第二通信模块包括采用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000中的一种或多种通信制式的3G(第三代移动通信网络)通信模块和采用TD-LTE和/或FDD-LTE通信制式的4G(***移动通信网络)通信模块。在本实施例中，所述第二通信模块包括3G通信模块和4G通信模块。
优选地，所述射频天线开关为单刀多掷开关，所述第一通信模块、第二通信模块的发射通道和接收通道的数量均为多个，在本实施例中，多个所述第一通信模块的接收通道为树型拓扑结构，多个所述第一通信模块的接收通道共有若干个晶体管。
在本实施例中，所述第二通信模块的发射通道和接收通道收发同体，所述第二发射端口即为第二接收端口，设置在第二通信模块的发射通道上的所述第五晶体管单元即为设置在接收通道上的所述第六晶体管单元，不妨将收发同体的第二通信模块的发射通道和接收通道统称为射频通道，在该射频通道上设置有所述第五晶体管单元，第五晶体管单元包括第二支路晶体管单元51和第二共有晶体管单元52，收发同体的所述第二通信模块的射频通道为树型拓扑结构，多个所述射频通道共有若干个晶体管。在本实施例中，所述3G通信模块和4G通信模块的射频通道的数量均为多个，多个所述2G通信模块的接收通道共有若干个第一共有晶体管单元21，多个所述3G通信模块的射频通道共有若干个第二共有晶体管单元51，多个所述4G通信模块的射频通道共有若干个第二共有晶体管单元51。
在本实施例中，所述射频天线开关为单刀十六掷开关，所述2G通信模块的发射通道和接收通道分别为两个和四个，第一发射端口为Tx1和Tx2，第一接收端口为Rx1-Rx4，收发同体的所述3G通信模块的射频端口为TRx1-TRx5，即其射频通道的数量为五个，收发同体的所述4G通信模块的射频端口为TRx6-TRx10，即其射频通道的数量为五个。
优选地，所述第一晶体管单元1、第二晶体管单元、第三晶体管单元3、第四晶体管单元4、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元7中晶体管的控制端均为晶体管控制端Ct，且均包括至少一组晶体管，任一组晶体管均包括串联层叠设置的多个晶体管，通过层叠设置多个晶体管使得任一发射通道均满足高功率发射要求。
第二晶体管单元包括第一支路晶体管单元21和第一共有晶体管单元22，第五晶体管单元包括第二支路晶体管单元51和第二共有晶体管单元52。在本实施例中，所述第一晶体管单元1和第三晶体管单元3均包括两组晶体管，第一支路晶体管单元21、第一共有晶体管单元22、第二支路晶体管单元51和第二共有晶体管单元52均为一组，第四晶体管单元4和第七晶体管单元7均包括一组晶体管，任一组晶体管均包括串联层叠设置的六个晶体管。
优选地，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元中任一晶体管为CMOS晶体管。在本实施例中，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元均采用基于RF-SOI工艺SOI-CMOS晶体管，通过使用SOI-CMOS晶体管降低了成本，且SOI-CMOS晶体管优选为NMOS晶体管。
在本实施例中，射频天线开关还包括栅极串联电阻8，用于隔离射频与晶体管控制端Ct的控制信号，射频天线开关还包括源漏间偏置电阻9，用于稳定该射频天线开关的直流偏置。
如图3所示，在传统的层叠设置的晶体管结构中，源极与漏极之间电压分布很不均衡，若该射频天线开关接入大信号，则层叠晶体管的源漏之间会处于过压状态，影响其大功率线性度。如图4所示，采用FFCT(前馈电容技术，FeedForward Capacitor Technique)可以很好解决上述问题。如图5所示，在图5中，Typical曲线代表传统的层叠设置的晶体管结构，FFCT曲线代表采用具有前馈电容10的层叠设置的晶体管结构，横坐标Stacked Number代表层叠设置的晶体管的个数，纵坐标代表源漏电压，采用FFCT方式能有效改善源漏电压分布不均衡的问题，有效缓解源漏过压状态，从而提高大输入功率下的线性度。
在本实施例中，所述第一晶体管单元1、第二晶体管单元、第三晶体管单元3、第四晶体管单元4、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元7均设置有前馈电容10。前馈电容10可以设置在栅极与源极之间或栅极与漏极之间。当与射频输入端连接的为晶体管的漏极时，前馈电容10设置在栅极与漏极之间；当与射频输入端连接的为晶体管的源极时，前馈电容10设置在栅极与源极之间。在本实施例中，前馈电容10设置在栅极与漏极之间。
如图6所示，在本实施例中，译码器用于开关数字逻辑控制，该译码器通过晶体管控制端Ct控制所述第一晶体管单元1、第二晶体管单元、第三晶体管单元3、第四晶体管单元4、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元7的通断，该译码器与电位平移器连接，该电位平移器与负电压产生器连接，电位平移器根据输入而来的译码器输出信号及负电压产生器的输出信号将数字逻辑电平平移，即将电平0和1分别转化为负电源电压及电源电压，电位平移器输出的负电源电压及电源电压输入至上述晶体管控制端Ct，用于控制射频天线开关的开启与关断。
在本实施例中，VDD为2.5伏，VSS接地，负电源电压和电源电压分别为-2.5伏和2.5伏，RF1-RF16与所述Tx1-Tx2、Rx1-Rx4和TRx1-10一一对应。
对本实施例提供的射频天线开关进行仿真，得到如图7-10所示的仿真结果图。
如图7所示，该单刀十六掷天线开关在Tx(在本实施例中，包括Tx1-Tx2)、Rx(Rx1-Rx4)及TRx(TRx1-10)三种模式下，且Tx、Rx及TRx接入2GHz频率(Frequency)的信号源时，***损耗(Insertion Loss)分别为0.45dB、0.75dB及0.8dB，均小于1dB，满足移动通信的要求。
如图8所示，在接入2GHz信号源时，Tx、Rx及TRx三种模式下具有七种隔离度，且均小于35dB。所述七种隔离度(Isolation)分别为Tx-Tx、Tx-Rx、Tx-TRx、Rx-Rx、Rx-TRx、TRx-TRx inter及TRx-TRx Ext。其中，Tx-Tx为两条2G通信模块发射通道之间的隔离度，Tx-Rx为一条2G通信模块的发射通道与一条2G通信模块的接收通道之间的隔离度，Tx-TRx为一条2G通信模块的发射通道与一条3G通信模块或4G通信模块的射频通道的隔离度，TRx-TRx inter为3G通信模块多条射频通道中的两条射频通道之间的隔离度以及4G通信模块多条射频通道中的两条射频通道之间的隔离度，TRx-TRx Ext为一条3G通信模块的射频通道与一条4G通信模块的射频通道的隔离度，Rx-Rx及Rx-TRx同理，在此不再赘述。
如图9所示，在2G通信模块(采用GSM通信制式)的高功率发射模式下，0.1dB压缩点功率(P0.1dB)为37.6dBm，满足移动通信对GSM发射功率33dBm的要求。
如图10所示，在2G通信模块的高功率发射模式下，当输入功率为35dBm时，二次谐波及三次谐波抑制比(Harmonic Suppression)分别为85dBc及78dBc，均大于75dBc的设计指标要求。
综上，本发明提供了一种射频天线开关，通过在发射通道层叠设置多个晶体管使得任一发射通道均满足高功率发射要求；通过设置前馈电容改变晶体管源极与漏极之间的电压分配，提高了射频天线开关的线性度；第一通信模块的多个接收通道共用若干个晶体管(第一共有晶体管单元22)，第二通信模块的射频通道也共用若干个晶体管(第二共有晶体管单元52)，通过设置共用若干个晶体管的方式提高了射频天线开关的***损耗；通过设置具有多个发射通道及多个接收通道的树型拓扑结构提高了射频天线开关的隔离度。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射频天线开关，其特征在于，包括：
第一通信模块，具有至少一个第一发射端口及第一接收端口，天线端口设置在所述第一发射端口与第一接收端口之间，所述第一发射端口通过第一晶体管单元与天线端口连接形成发射通道，所述第一接收端口通过第二晶体管单元与天线端口连接形成接收通道，通过第三晶体管单元将第一发射端口接地，通过第四晶体管单元将第一接收端口接地；
第二通信模块，具有至少一个第二发射端口及第二接收端口，所述第二发射端口通过第五晶体管单元与天线端口连接形成发射通道，所述第二接收端口通过第六晶体管单元与天线端口连接形成接收通道，通过第七晶体管单元将第二发射端口及第二接收端口分别接地；
其中，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元均设置有前馈电容。
2.如权利要求1所述的射频天线开关，其特征在于，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元均为一组晶体管，任一组晶体管均包括一个晶体管或串联层叠设置的多个晶体管。
3.如权利要求2所述的射频天线开关，其特征在于，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第五晶体管单元和第六晶体管单元均包括两组晶体管，所述第四晶体管和第七晶体管均包括一组晶体管。
4.如权利要求3所述的射频天线开关，其特征在于，任一组晶体管均包括串联层叠设置的六个晶体管。
5.如权利要求1-4任一项所述的射频天线开关，其特征在于，所述第一通信模块、第二通信模块的发射通道和接收通道的数量均为多个，多个所述第一通信模块的接收通道为树型拓扑结构，并共有若干个晶体管，所述第二发射端口即为第二接收端口，多个所述第二通信模块的发射通道和接收通道收发同体，且为树型拓扑结构，并共有若干个晶体管。
6.如权利要求5所述的射频天线开关，其特征在于，所述射频天线开关为单刀十六掷开关，所述第一通信模块的发射通道和接收通道分别为两个和四个，收发同体的所述第二通信模块的射频通道的数量为十个。
7.如权利要求1所述的射频天线开关，其特征在于，所述第一通信模块为2G通信模块，且采用GSM通信制式，所述第二通信模块包括采用WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000中的一种或多种通信制式的3G通信模块和采用TD-LTE和/或FDD-LTE通信制式的4G通信模块。
8.如权利要求1所述的射频天线开关，其特征在于，通过译码器控制所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元中晶体管的通断。
9.如权利要求1所述的射频天线开关，其特征在于，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元中一个或多个晶体管为CMOS晶体管。
10.如权利要求9所述的射频天线开关，其特征在于，所述第一晶体管单元、第二晶体管单元、第三晶体管单元、第四晶体管单元、第五晶体管单元、第六晶体管单元和第七晶体管单元中一个或多个晶体管采用SOI-CMOS晶体管。
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