CN112653439B - 一种多频带的单刀双掷开关 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供一种多频带的单刀双掷开关，用以克服传统串并式开关结构存在的芯片版图面积大、***损耗高等问题。本发明在传统串并结构的基础上，将片上电感并联在开关管所在支路上，片上电感与关断的晶体管所产生的寄生电容形成谐振在不同频段的并联谐振腔，实现单刀双掷开关功能的同时能够实现工作频段的多频带复用，不仅能够覆盖5G通信的所有频带，还能够实现工作频段的自由切换；同时，相较于传统串并式开关结构，本发明中两个通道间共用1个片上电感，大大减小片上电感的数量，显著的减小芯片版图面积、降低***损耗。

Description

一种多频带的单刀双掷开关
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及宽带和多频带毫米波技术，具体涉及一种多频带的单刀双掷开关。
背景技术
随着无线通信在我们日常生活中的普及，宽带和多频带毫米波技术的应用吸引着越来越多的研究者的注意。在无线通信中，不同的通信标准规定了不同的使用频段，宽带和多频带***可以使多个通信标准使用相同的硬件以降低成本。毫米波***需求的不断增长要求前端收发器模块必须能够以可承受的成本提供良好的RF性能和高集成度；通常，大多数具有单天线的射频收发前端都使用单刀双掷开关来切换发射和接收模式；射频开关是整个射频前端的关键模块，它的***损耗、隔离度以及线性度会影响射频链路的整体性能。
为了实现宽带毫米波的开关芯片，近年来已有了很多研究。最为常用的是带有串联电感作为匹配元件的串并式开关结构，如图1(a)所示；该电路由四个晶体管及三个电感组成，其中晶体管M1与M3是串联开关管，通过添加晶体管M2与M4来提升电路的隔离度；然而，隔离度提升的同时回波损耗与***损耗增大了，导致开关电路的带宽变窄，为了实现宽带匹配效果，电感L1、L2、L3被添加在三个端口。假设控制电压Vc为低电平，此时晶体管M1、M4关断，等效为电容Coff；晶体管M2、M3导通，等效为一个小电阻Ron；此时的电路等效模型如图1(b)所示，忽略电阻Ron_M1与电阻Ron_M2，则电容Coff_M1与Coff_M4并联等效为电容C0；此时电感L1、电容C0、电感L2构成一个L-C-L的T型匹配网络，通过该匹配网络，开关芯片可以实现较高的带宽。但是，在开关芯片的三个端口片上电感的使用也会造成如下问题：
1)为了实现宽带匹配，在开关芯片的三个端口同时添加片上电感，而电感是集成电路中占用面积最大的无源器件，三个电感大大增加了芯片的版图面积，不利于成本控制；而且在射频收发前段中，如果开关占用面积过大，不利于***的整体布局；
2)标准硅基工艺与III-V族化合物工艺相比，无源器件的Q值更低，较多电感的使用会增大开关的***损耗；对于射频发射机而言，过大的***损耗会降低输出功率，影响效率；而对于接收机而言，过大的***损耗会引入额外的噪声，影响***灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有带有串联电感的串并式单刀双掷开关存在的诸多问题，提供一种新的多频带的单刀双掷开关结构，该结构在传统串并结构的基础上，将一组由晶体管控制的双圈八边形片上电感并联在开关管所在支路上，与关断的晶体管所产生的寄生电容形成谐振在不同频段的并联谐振腔，从而实现了单刀双掷开关的效果。本发明提出的结构，不仅可以覆盖5G通信的所有频带，同时相比于传统结构，通过共用电感，芯片占用面积更小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多频带的单刀双掷开关，包括：晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4，晶体管M5、晶体管M6及双圈八边形片上电感；其特征在于，所述晶体管M1的源极与晶体管M2的源极相连、并作为单刀双掷开关的第三端口P3，晶体管M1的漏极与晶体管M3的漏极相连、并作为单刀双掷开关的第一端口P1，晶体管M2的漏极与晶体管M4的漏极相连、并作为单刀双掷开关的第二端口P2，晶体管M1与晶体管M4的栅极连接控制电压Vc，晶体管M2与晶体管M3的栅极连接控制电压
Figure BDA0002838630450000021
晶体管M3与晶体管M4的漏极接地；所述双圈八边形片上电感两端分别连接于晶体管M1和晶体管M2的漏极、由内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感并联构成，所述内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感上分别设置有开口，内圈八边形片上电感的开口端分别连接晶体管M5的源极和漏极，外圈八边形片上电感的开口端分别连接晶体管M6的源极和漏极，晶体管M5和晶体管M6的栅极分别连接控制电压V_SW1和V_SW2。
进一步的，当所述控制电压Vc为高电平、控制电压
Figure BDA0002838630450000022
为低电平时，单刀双掷开关的第一端口P1到第三端口P3导通、第二端口P2到第三端口P3关断；当控制电压Vc为低电平、控制电压
Figure BDA0002838630450000023
为高电平时，单刀双掷开关的第二端口P2到第三端口P3导通、第一端口P1到第三端口P3关断。
进一步的，当控制电压V_SW1和V_SW2都为低电平时，单刀双掷开关工作在低频状态；当控制电压V_SW1为高电平、V_SW2为低电平时，单刀双掷开关工作在中频状态；当控制电压V_SW1和V_SW2都为高电平时，单刀双掷开关工作在高频状态。
进一步的，所述内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感上设置的开口均开设于电感的中点处。
进一步的，所述晶体管M1～M4均采用交流浮栅浮体技术。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种多频带的单刀双掷开关，其结构在传统串并结构的基础上，将片上电感并联在开关管所在支路上，片上电感与关断的晶体管所产生的寄生电容形成谐振在不同频段的并联谐振腔，实现单刀双掷开关功能的同时能够实现工作频段的多频带复用；相较于传统串并式开关结构，本发明中两个通道间共用1个片上电感，大大减小片上电感的数量，显著的减小芯片版图面积和***损耗；同时，本发明通过对片上电感的创新设计得到双圈八边形片上电感，并通过晶体管控制内/外圈八边形片上电感的通断，进而调节片上电感的感值，实现高/中/低频带的自由切换，即实现多个频段的复用，大大有利于减少射频前端电路的设计复杂度。
综上所述，本发明提供一种多频带的单刀双掷开关，不仅能够覆盖5G通信的所有频带，还能够实现工作频段的自由切换；同时，芯片版图面积更小，***损耗更小。
附图说明
图1为现有带有串联电感的串并式单刀双掷开关结构示意图，其中，(a)为电路原理图，(b)为等效电路图。
图2本发明提出的多频带单刀双掷开关电路原理图。
图3本发明提出的多频带单刀双掷开关的等效电路图。
图4为本发明实施例中单刀双掷开关低频仿真结果图，其中，(a)为***损耗，(b)为回波损耗。
图5为本发明实施例中单刀双掷开关中频仿真结果图，其中，(a)为***损耗，(b)为回波损耗。
图6为本发明实施例中单刀双掷开关高频仿真结果图，其中，(a)为***损耗，(b)为回波损耗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提出了一种新的多频带的单刀双掷开关结构，该结构通过不同的开关信号，可以切换到不同的使用频段；相比于传统的带有串联电感的串并式单刀双掷开关，具有更小的芯片面积和***损耗。
所述多频带的单刀双掷开关的电路原理图如图2所示，具体包括：晶体管M1～M6、以及双圈八边形片上电感；其中，晶体管M1与晶体管M2作为开关管，用于选择信号通路，即选择端口P1到端口P3连通或者端口P2到端口P3连通；晶体管M3与晶体管M4为并联晶体管，用于提高开关电路的不相互导通的端口之间的隔离度；晶体管M5与晶体管M6用于控制顶层金属构成的双圈八边形片上电感，用于选择不同的工作频带；
更为具体的讲：所述晶体管M1的源极与晶体管M2的源极相连、并作为单刀双掷开关的第三端口P3，晶体管M1的漏极与晶体管M3的漏极相连、并作为单刀双掷开关的第一端口P1，晶体管M2的漏极与晶体管M4的漏极相连、并作为单刀双掷开关的第二端口P2，晶体管M1与晶体管M4的栅极连接控制电压Vc，晶体管M2与晶体管M3的栅极连接控制电压
Figure BDA0002838630450000041
晶体管M3与晶体管M4的漏极接地；所述双圈八边形片上电感由一大一小两个八边形片上电感并联构成，即内圈八边形片上电感(小)与外圈八边形片上电感(大)并联构成，并联后两端分别连接于晶体管M1和晶体管M2的漏极；所述内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感上分别设置有开口，内圈八边形片上电感的开口端分别连接晶体管M5的源极和漏极，外圈八边形片上电感的开口端分别连接晶体管M6的源极和漏极，晶体管M5和晶体管M6的栅极分别连接控制电压V_SW1和V_SW2。
本实施例中，所述内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感上设置的开口均开设于电感的中点处，但其开口位置并不必须位于中点。所述晶体管M1～M4均采用交流浮栅浮体技术，即栅极通过电阻接控制电压、衬底通过电阻接地。所述晶体管M1～M6均采用NMOS晶体管。
从工作原理上讲：
1)单刀双掷开关
当控制电压Vc为高电平、
Figure BDA0002838630450000042
为低电平时，晶体管M1与M4导通、等效为小电阻，晶体管M2与M3关断，由于晶体管本身寄生电容的存在，晶体管M2与M3等效为电容；此时端口P1到端口P3导通，端口P2到端口P3关断，等效电路原理图如图3所示；信号从P1流入，通过小电阻Ron_M1流入端口P3；而在端口P1与端口P2之间，电容Coff_M2与电感L形成的谐振腔工作频率形成高阻态，阻碍信号流入端口P2；即使有信号泄露至端口P2，也经导通电阻Ron_M4流入地平面。同理，当控制电压Vc为低电平、
Figure BDA0002838630450000043
为高电平时，晶体管M2与M3导通、等效为小电阻，晶体管M1与M4关断、等效为电容，此时端口P2到端口P3导通，端口P1到端口P3关断。
同时，该结构通过在晶体管M1与晶体管M2之间并联电感，使得开关在切换两个通道时，能够共用同一个电感L，有效的减小了芯片的版图面积，节省了成本。
2)多频带选择
由如图2所示的上述单刀双掷开关的电路原理图可知，该电路可通过控制电压V_SW1和电压V_SW2来选择不同的工作频带；具体如下：
当控制电压V_SW1和V_SW2都为低电平时，晶体管M5与晶体管M6关断，此时电感断开，电路工作在低频状态，晶体管关断产生的电容值可忽略；单刀双掷开关电路的***损耗，P1端口、P2端口回波损耗如图4所示，由图可见，在0～10GHz的频率范围内，单刀双掷开关的***损耗小于0.8dB，端口回波损耗大于12dB；
当控制电压V_SW1为高电平、V_SW2为低电平时，晶体管M5导通、晶体管M6关断，此时双圈八边形电感感值较大，表现为内圈电感，单刀双掷开关电路工作在28GHz附近、即中频状态；此时，单刀双掷开关电路的***损耗，P1端口、P2端口回波损耗如图5所示，由图可见，在22～32GHz的频率范围内，单刀双掷开关的***损耗小于1.9dB，最小***损耗1.6dB，端口回波损耗大于12dB；
当控制电压V_SW1和V_SW2都为高电平时，晶体管M5和M6同时导通，此时双圈八边形电感由内圈与外圈电感并联、感值较小，由开关关断电容与八边形电感构成的谐振腔，谐振在高频38GHz附近，即电路工作在高频状态；此时，单刀双掷开关电路的***损耗，P1端口、P2端口回波损耗如图6所示，由图可见，在36～42GHz的频率范围内，单刀双掷开关的***损耗小于2dB，端口回波损耗大于12dB；
由上可见，本发明通过晶体管控制内/外圈八边形片上电感的通断，能够调节片上电感的感值，进而实现高/中/低频带的自由切换，即实现多个频段的复用，大大有利于减少射频前端电路的设计复杂度。
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 (5)

1.一种多频带的单刀双掷开关，包括：晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4，晶体管M5、晶体管M6及双圈八边形片上电感；其特征在于，所述晶体管M1的源极与晶体管M2的源极相连、并作为单刀双掷开关的第三端口P3，晶体管M1的漏极与晶体管M3的漏极相连、并作为单刀双掷开关的第一端口P1，晶体管M2的漏极与晶体管M4的漏极相连、并作为单刀双掷开关的第二端口P2，晶体管M1与晶体管M4的栅极连接控制电压Vc，晶体管M2与晶体管M3的栅极连接控制电压
Figure FDA0003792630760000011
晶体管M3与晶体管M4的漏极接地；所述双圈八边形片上电感两端分别连接于晶体管M1和晶体管M2的漏极、由内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感并联构成，所述内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感上分别设置有开口，内圈八边形片上电感的开口端分别连接晶体管M5的源极和漏极，外圈八边形片上电感的开口端分别连接晶体管M6的源极和漏极，晶体管M5和晶体管M6的栅极分别连接控制电压V_SW1和V_SW2；晶体管M5的漏极通过内圈八边形片上电感连接于晶体管M1的漏极，晶体管M5的源极通过内圈八边形片上电感连接于晶体管M2的漏极；晶体管M6的漏极通过外圈八边形片上电感连接于晶体管M1的漏极，晶体管M6的源极通过外圈八边形片上电感连接于晶体管M2的漏极。
2.按权利要求1所述多频带的单刀双掷开关，其特征在于，当所述控制电压Vc为高电平、控制电压
Figure FDA0003792630760000012
为低电平时，单刀双掷开关的第一端口P1到第三端口P3导通、第二端口P2到第三端口P3关断；当控制电压Vc为低电平、控制电压
Figure FDA0003792630760000013
为高电平时，单刀双掷开关的第二端口P2到第三端口P3导通、第一端口P1到第三端口P3关断。
3.按权利要求1所述多频带的单刀双掷开关，其特征在于，当控制电压V_SW1和V_SW2都为低电平时，单刀双掷开关工作在低频状态；当控制电压V_SW1为高电平、V_SW2为低电平时，单刀双掷开关工作在中频状态；当控制电压V_SW1和V_SW2都为高电平时，单刀双掷开关工作在高频状态。
4.按权利要求1所述多频带的单刀双掷开关，其特征在于，所述内圈八边形片上电感与外圈八边形片上电感上设置的开口均开设于电感的中点处。
5.按权利要求1所述多频带的单刀双掷开关，其特征在于，所述晶体管M1～M4均采用交流浮栅浮体技术。
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