一种限幅电路以及一种无线接收装置的制作方法

本实用新型涉及无线电通信和雷达技术领域中的射频前端集成电路技术，尤其涉及一种限幅电路。

技术背景

在无线通信、雷达、电子对抗等系统中，发射机发射无线电信号，接收机接收无线电信号。一般地，发射机发射功率越大越有利于远距离的通信和探测，而由于对高灵敏度的需求，接收机前端的低噪声接收电路能够承受的抗烧毁功率却很小，一般在10-20dbm左右。因此，主要有两种情况会造成接收机损坏，一种情况是外部功率较大的干扰信号被天线直接接收进入接收机中，若接收机前级没有任何保护措施，较大的干扰信号就会将接收机中的低噪放烧毁，从而造成接收机的损坏。另一种情况是在收发组件中采用环形器作为双工器件的方案时，由于环行器隔离度有限，天线发射过大时，发射机大功率信号漏到接收机通道的功率太大，导致接收机损坏。为了保护低噪放等功率灵敏器件，通常在这些器件前加一个限幅器进行保护。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种限幅电路，本实用新型所提供的限幅电路有利于优化传统的限幅器电路，进而为得出低成本、高性能的限幅电路及其集成元件提供基础。

为解决上述技术问题，本实用新型的公开了一种限幅电路，包括：信号输入端、信号输出端、至少一个开关管和至少一个控制单元；

所述至少一个控制单元用于控制所述至少一个开关管的导通和断开；

所述至少一个开关管用于在导通状态下将信号输入端接收的射频信号的功率减弱后通过信号输出端输出。

本实用新型公开的限幅电路采用功率检测器控制fet的导通和断开，实现对信号接收端信号功率的减小，与传统的基于pin二极管的结构相比，本实用新型公开的限幅电路可以通过传统的硅工艺实现，因而成本低廉，适合大规模量产；因为本实用新型公开的限幅电路中信号的输入输出无需隔直电容，因此该限幅电路具有优异的esd性能；由于本实用新型公开的限幅电路中开关管可以串联、并联，因此该限幅电路占用芯片面积小，能够用于制造小尺寸的限幅器件；同时，因为开关管在断开状态能保持较小的电容，使得基于本实用新型的限幅电路插入损耗小、带宽大但功率容量很大。

附图说明

图1根据本实用新型的一些实施例，公开了一种限幅电路的电路图；

图2根据本实用新型的一些实施例，公开了一种nmos晶体管作为开关管的限幅电路的电路图；

图3根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用高阻器件和电压源提供控制电压的限幅电路的电路图；

图4根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用开关和电压源提供控制电压的限幅电路的电路图；

图5根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用功率检测器提供控制电压的限幅电路的电路图；

图6根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用二极管和电阻作为功率检测器的限幅电路的电路图；

图7根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用耦合器和二极管作为功率检测器的限幅电路的电路图；

图8根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用放大器放大控制信号的限幅电路的电路图；

图9根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用开关管串联的限幅电路的电路图；

图10根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用开关串联的限幅电路的电路图；

图11根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用多个开关管并联的限幅电路的电路图；

图12根据本实用新型的一些实施例，公开了一种采用两个开关管集相互并联的限幅电路的电路图；

图13根据本实用新型的一些实施例，公开了一种基于本公开的限幅电路的芯片结构示例图；

图14根据本实用新型的一些实施例，公开了一种基于本公开的限幅电路的芯片装配示意图；

图15根据本实用新型的一些实施例，公开了一种基于本公开的限幅电路的限幅特性测试图。

具体实施方式

本实用新型的说明性实施例包括但不限于一种限幅电路。

本实用新型将使用本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实施例的各个方面，以将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以使用所描述方面的部分来实践一些可替代实施例。出于解释的目的，为提供对说明性实施例的透彻理解，对具体的数字、材料和配置进行阐述。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实现替代的实施例。在其他情况下，为了不对说明性实施例造成混淆，省略或简化了一些公知的特征。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施例作进一步地详细描述。

根据本实用新型的实施例，公开了一种限幅电路。图1是该限幅电路的电路图。具体地，如图1所示，射频信号从输入端进入限幅电路，从输出端输出。电路中开关管的实际作用可以等效于图中连接在输入端101和输出端102之间的开关103，该开关的导通和断开受到控制单元104提供的控制电压的控制。当控制单元104提供的控制电压较小时，开关103断开，呈现高阻状态，基本不影响信号的传输。当控制单元104提供的控制电压超过预设阈值后，开关103导通，呈现低阻状态，等效为一个并联到地小电阻，并且该电阻阻值随控制单元104提供的控制电压的增大而减小，射频信号通过该电阻到地，大大减小了输出的信号功率。因此，当控制单元104提供的控制电压足够大时，输出的信号功率就能被限制在一个安全范围内。

在一些实施例中，开关管可以由场效应晶体管(fet)实现，具体包括结型场效应晶体管结型场效应晶体管(junctionfield-effecttransistor，jfet),高电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor，hemt),金属半导体场效应晶体管(metalsemiconductorfet，mesfet)金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,mosfet)等。

在一些实施例中，采用n型场效应晶体管(nmetal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，nmosfet)或p型场效应晶体管(pmetal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，pmosfet)实现上述开关管。如附图2所示是采用nmos实现的一个具体实施例，当控制单元204提供的控制电压小于开关管203的阈值电压时，开关管203处于断开状态，等效为高阻状态，此时没有电流流过，因此射频信号可以低插损通过。当控制单元204提供的控制电压大于开关管203的阈值电压时，开关管203处于导通状态，等效为低阻状态，且开关管203的阻抗随着控制单元204提供的控制电压的增大而减小，等效为一个电压控制电流源。当控制单元204提供的控制电压足够大时，开关管203完全导通，位于三极管区，导通电阻也足够小，使得大部分射频信号通过电阻到地，从而实现限幅作用。

此外，可以理解，在其他实施例中，开关管也可以由其他晶体管实现，在此不做限制。

在一些实施例中，电路中开关管的控制单元有多种提供方式。如附图3所示，高阻器件304(可以是电阻，电感或两者组合)连接在开关管303的第一电极和电压源305之间。实际应用中，高阻器件304的阻抗一般远大于节点①和节点②之间的寄生电容，以及节点①和节点③之间寄生电容的阻抗，以使节点①的电压幅度正比于节点②的电压幅度。同时，高阻器件304的阻抗足够大可以防止射频信号通过高阻器件304泄露。如附图4所示，开关404连接在开关管403的第一电极和电压源405之间。当开关404处于导通状态时，电压源405的电压传导到开关管403的第一电极，然后将开关404断开，则开关管403第一电极的电压就能够保持住。此外，可以理解，在其他实施例中，控制单元也可以采用其他方式控制开关管的导通和关闭，在此不做限制。

在一些实施例中，电压源可以用图5所示的功率检测器505代替。功率检测器505一端接在射频信号的输入端101，另一端经高阻器件504与开关管503相连接。功率检测器505可以检测由输入端101输入的射频信号的功率，并产生相应地直流电压来控制开关管503的通断。当输入的射频信号功率较小时，功率检测器505输出的直流电压为0或输出直流电压很小，该输出电压不足以使开关管503导通，等效为高阻状态，因此射频信号可以低插损通过。当输入的射频信号功率足够大时，功率检测器505输出的直流电压超过开关管503的阈值，使开关管503处于导通状态且导通电阻足够小，此时大部分输入的射频信号通过电阻到地，因而到达输出端102的信号功率被减小。使用功率检测器505优点是控制单元提供的控制电压随输入的射频信号功率的变化而变化的，整个限幅器电路可以实时监测输入射频信号的功率，根据输入射频信号的功率大小使开关管503处于高阻或低阻状态，从而达到限幅目的，整个过程无须手动设置控制单元提供的控制电压值。

在一些实施例中，功率检测器有多种实现方式。如附图6所示，功率检测器605由一个二极管606和一个电阻607构成。二极管606正极接在输入端101，二极管606负极接到高阻器件604的一端。电阻607一端接到二极管606负极，另一端接地。当输入端101输入的射频信号功率较小时，不足以使二极管606导通，二极管606处于高阻状态，对应的控制开关管603的控制电压很小，不足以使开关管603导通，因此射频信号可以低插损通过。当输入射频信号的功率较大时，二极管606开始导通并对输入射频信号进行整流，产生一个直流信号，该直流信号随着输入射频功率增大而增大。当输入射频信号功率足够大时，二极管606产生的直流信号足以使开关管603导通，且导通电阻足够小，此时大部分射频信号通过电阻607到地。但该结构的缺点一是二极管606的寄生电容会影响限幅电路的插损，二是二极管606直接接在输入端101，当输入射频信号的功率很大时，二极管606容易烧毁。如附图7所示是一种改进结构的功率检测器705，该结构包括二极管706、电阻707和功率耦合器708。功率耦合器708设置在输入端101附近，耦合量的大小根据选用的二极管706的特性而定。二极管706的作用与附图6中二极管606的作用相同，功率耦合器708的耦合量合适，对限幅电路的插损影响较小。同时，因为经过功率耦合器708耦合过的信号功率要远小于输入段101的功率，二极管706也不易因电流过大而烧毁。附图7中结构的缺点是功率耦合器708耦合到二极管706的功率往往较小，二极管706难以检出一个较大的直流信号使开关管703导通。附图8示出了又一种改进结构的功率检测器805，该结构在功率检测器705结构的基础上，在二极管806与高阻器件804之间连接了一个放大器809，放大器809的作用一是将二极管806检到的直流信号进行放大，以使开关管803能尽快导通实现限幅，即减小限幅电路的起限电平，二是增强驱动能力，以减小响应恢复时间。

在一些实施例中，在某些特定工艺中，如soi工艺，高阻硅工艺，多阱cmos工艺或砷化镓工艺等，fets相互之间有着良好的隔离，允许fets进行串联。在这样的工艺中，根据本实用新型中的限幅电路中的多个开关管也可以进行串联。以两个开关管串联为例，根据本实用新型的限幅电路如图9所示。其中，开关管903的第二电极与输入端101连接，第三电极与开关管905的第二电极连接，开关管905的第三电极接地。这里，开关管903的通断由控制单元904提供的控制电压控制，开关管905的通断由控制单元906提供的控制电压控制。开关管串联的最大好处是能大大提高限幅电路的最大承受功率。例如，单个开关管物理损坏可承受的最大电压若为vmax，那么n个开关管串联，理想情况下物理损坏可承受的最大电压就提高到n×vmax，因而限幅电路的最大承受功率也提高了n2倍。如附图10所示是根据本实用新型的另一个具体实施例，其中，开关管1003与开关管1005串联，开关管1003的第一电极连接电阻1004，开关管1005的第一电极连接电阻1006。这里，开关管1003和开关管1005的通断共同由控制单元1007提供的控制电压控制。

在一些实施例中，根据本实用新型的限幅电路中的多个开关管还可以进行并联，如附图11所示，开关管1103与开关管1105并联，且开关管1103的通断由控制单元1104提供的控制电压控制，开关管1105的通断由控制单元1106提供的控制电压控制。与上述包括多个彼此串联的开关管的限幅电路类似，当多个开关管彼此并联时，每个开关管的通断可以由各自的控制单元提供的控制电压分别控制，也可以由同一控制单元提供的控制电压共同控制。

在一些实施例中，多个由多个开关管串联组成的开关管集也可以彼此并联，该结构的优点一是可以将单个开关管的寄生电容分布到多个开关管集中，易于实现分布式匹配，提高带宽，二是在多管集设计中，每个管集的考虑重点可以不同，以实现更佳的性能。例如，不同管集的串联数目可以不同，串联数目大的管集可以承受更大的功率，但响应恢复时间较长。而串联数目小的管集虽然承受的功率较小，但可以快速响应恢复。实际应用中，将串联数目大的管集和串联数目小的管集并联使用，既可以快速响应，又可以承受大功率。如附图12所示，是综合应用以上提到的多种技术和结构的一个基于开关管的限幅电路的实例，该限幅电路主要包括射频信号传输线1204，用以传输射频信号；控制单元1203，用以检测由输入端101输入的射频信号的功率大小，继而产生相应控制电压控制第一开关管集1201和第二开关管集1202的通断。第一开关管集1201，断开状态时不影响信号传输，导通状态时对输入信号进行限幅；第二开关管集1202，断开状态时和第一开关管集、射频信号传输线1204形成lc滤波器，保证输入信号低损耗传输。第二开关管集1202导通时进一步对输入信号进行限幅，降低限幅电平。

在一些实施例中，所述控制单元1203输入端连接至射频信号传输线1204的输入端，输出端连接至第一开关管集1201和第二开关管集1202的控制端，用于控制管集中开关管的通断。其中第一开关管集1201一端连接至射频信号传输线1204，另一端接地。第二开关管集1202，一端连接至射频信号传输线1204，另一端接地。

在一些实施例中，输入端101与输出端102之间的射频信号传输线1204主要由4段高阻微带线12041、12042、12043和12044构成，采用硅工艺中的两层厚金属堆叠而成，宽度和厚度都较大，以能承受射频大功率。传输线输入和输出均有用于键合金丝的焊盘，焊盘尺寸100um×100um。调节微带线12041、12042、12043和12044的宽度和长度可以优化限幅器电路的小信号s参数，以达到设计要求。

在一些实施例中，所述控制单元1203主要包括检波二极管12031和电阻12032以及控制端口12033。其中检波二极管12031正极连接至射频信号传输线1204的输入端，负极连接至电阻12032和开关管集1201、1202的控制端。电阻12032一端接检波二极管负端，另一端接地。控制端口12033从开关管集的控制端口引出。当输入信号功率较小时，检波二极管12031不导通。当输入信号功率大于一定值时，检波二极管12031导通，通过输出电压信号用于控制各开关管导通状态，从而实现限幅效果。当输入信号恢复到正常值时，检波二极管12031断开，各开关管通过电阻12032放电从而控制端电压下降，开关管断开，输出信号也恢复到正常值。此外，控制端口12033有两种应用模式，一种是可以从外部接入控制信号控制开关管通断，此时内部高功率开关受外部控制信号控制。另一种应用模式是将该控制端口悬空不用，此时由内部的功率检测器产生控制信号来控制高功率开关的通断。

在一些实施例中，第一开关管集包括彼此串联的开关管12011、12013、12015、12017、12019和分别与各开关管第一电极连接的电阻12010、12012、12014、12016、12018，这种串联的形式可以承受更大的功率。需要理解的是，这里仅以5个开关管串联进行示例说明，并非限定开关管集中相互串联的开关管的个数，具体个数需要根据需要实际应用中需要承受的功率大小和小信号s参数指标要求进行选择。电极连接的电阻12010、12012、12014、12016、12018连接至对应开关管的第一电极，以隔绝射频信号，减小插入损耗。此外，开关管12011、12013、12015、12017、12019并不要求尺寸相同，具体可以根据电压分布和指标要求进行设计。同样地，电阻12010、12012、12014、12016、12018也不要求尺寸大小相同。射频信号通过第一开关管集1201时，若信号电压幅度小于控制单元1203中检波二极管12031的导通电压时，开关管集1201中各开关管处于断开状态，等效于并联到地的电容，射频信号通过；当信号电压幅度大于控制单元1203中检波二极管12031的导通电压时，开关管集1201中各开关管处于导通状态，等效于并联到地的小电阻，射频信号通过开关管到地，大大减小了输出的信号功率。

在一些实施例中，第二开关管集1202包括开关管12021、12023和12025，以及分别与各开关管第一电极连接的电阻12020、12022和12024，各开关管采用与第一开关管集1201中各开关管相同的串联结构连接。第二开关管集中开关管的数量可以小于第一开关管集，这样当射频信号通过第二开关管集时，因为串联个数少，可以快速响应，消除功率尖峰，进一步减小限幅电平。需要理解的是，这里以仅以3个开关管串联进行示例性说明，并非限定第二开关管集中开关管的具体数量。

根据本实用新型公开的限幅电路的芯片的示意图如附图13所示。优选地，单片长950um，宽1650um，图中示出了输入端1301压点，输出端1302压点和控制端1303压点的位置，同时单片上有文字标示，其中，rfin表示射频信号的输入端接口，rfout标识射频信号的输出端接口，vctrl表示控制端接口。此外，控制端1303有两种应用模式，一种是可以从外部接入控制信号控制开关管通断，此时内部高功率开关受外部控制信号控制。另一种应用模式是将该控制端口悬空不用，此时由内部的射频功率检测器产生控制信号来控制高功率开关的通断。

根据本实用新型公开的限幅电路的芯片装配示意图如附图14所示。芯片可以采用导电胶粘接，输入端1301、输出端1302可以采用金丝和外部微带线连接。优选地，可以采用两根金丝连接，且金丝长度越短越好。控制端1303可以采用金丝和外部微带线连接，也可以直接采用金丝和外部控制管脚连接。需要注意的是，装配时限幅电路的输入端必须对应信号的传输方向。

在一些实施例中，图15所示是根据本实用新型公开的限幅电路，在常温环境下，连续波功率信号输入本限幅电路时输入功率pin和输出功率pout之间的关系曲线。整体曲线可以划分为两个区域：a，线性区。在该区域，输入信号功率pin较小，输出信号功率pout和输入信号功率pin几乎相同，信号几乎无衰减地通过；b，限幅区。在该区域，输入信号功率pin高于门限电平，即高于约13dbm时，输出信号功率pout开始衰减，随后随着输入信号功率pin增大，输出信号功率pout基本在设计的安全范围内。从测试结果可以看出，当输入信号功率pin小于或等于43dbm时，本实用新型所公开的限幅电路的最大泄露电平小于15dbm。

在一些实施例中，本实用新型公开的无线接收装置包括上述实施例中的限幅电路，无线接收装置的结构采用现有技术中常用的能够实现对输入射频信号进行限幅的无线接收装置即可，主要包括接收装置前端、解调器、限幅器以及装置外壳等部分。其中，无线接收装置中的限幅器通过使用本实用新型公开的限幅电路对接收到的射频信号的功率进行减小，避免接收机中的低噪放被烧毁，从而实现对无线信号接收机的保护。需要理解的是，这里仅以包括本实用新型所公开的限幅电路的无线接收装置进行示例说明，并非限定无线接收装置的具体结构和应用环境，无线接收装置的具体结构和参数可以根据实际需要进行选择和调整。

本实用新型还公开了一些实施例，具体地：

实施例1可以包括一种限幅电路，该电路包括：信号输入端、信号输出端、至少一个开关管和至少一个控制单元；

所述至少一个控制单元用于控制所述至少一个开关管的导通和断开；

所述至少一个开关管用于在导通状态下将信号输入端接收的射频信号的功率减弱后通过信号输出端输出。

实施例2可以包括实施例1所述的电路，所述限幅电路还包括与所述至少一个开关管中的每个开关管对应的至少一个电阻，所述开关管的第一电极连接对应的电阻的第一端，所述电阻的第二端连接所述控制单元。

实施例3可以包括实施例1或2所述的电路，所述限幅电路包括一个开关管，其中，所述开关管的第一电极连接所述控制单元，所述开关管的第二电极连接所述信号输入端和所述信号输出端，所述开关管的第三电极接地。

实施例4可以包括实施例1至3中任一项所述的电路，所述限幅电路包括至少两个开关管，所述至少两个开关管相互并联。

实施例5可以包括实施例1至4中任一项所述的电路，所述至少两个开关管的第二电极与所述信号输入端和所述信号输出端连接，所述至少两个开关管的第三电极接地。

实施例6可以包括实施例1至5中任一项所述的电路，所述至少两个开关管的第一电极分别与两个控制单元连接。

实施例7可以包括实施例1至5中任一项所述的电路，所述至少两个开关管的第一电极连接同一控制单元。

实施例8可以包括实施例1至3中任一项所述的电路，所述限幅电路包括至少两个开关管，所述至少两个开关管相互串联。

实施例9可以包括实施例8所述的电路，所述至少两个开关管中的第一开关管的第二电极与所述信号输入端和所述信号输出端连接，所述至少两个开关管中的第二开关管的第三电极接地。

实施例10可以包括实施例8或9所述的电路，所述至少两个开关管的第一电极分别与两个控制单元连接。

实施例11可以包括实施例8或9所述的电路，所述至少两个开关管的第一电极连接同一控制单元。

实施例12可以包括实施例1至11中任一项所述的电路，所述限幅电路包括相互并联的第一开关管集和第二开关管集；

所述第一开关管集包括至少两个相互串联的开关管，所述第二开关管集包括至少两个相互串联的开关管。

实施例13可以包括实施例1至12中任一项所述的电路，所述第一开关管集中的一个开关管的第二电极连接所述信号输入端和信号输出端，第三电极连接与该开关管串联的开关管的第二电极。

实施例14可以包括实施例1至12中任一项所述的电路，所述第一开关管集中的一个开关管的第三电极接地，第二电极连接与该开关管串联的开关管的第三电极。

实施例15可以包括实施例1至12中任一项所述的电路，所述第二开关管集中的一个开关管的第二电极连接所述信号输入端和信号输出端，第三电极连接与该开关管串联的开关管的第二电极。

实施例16可以包括实施例1至12中任一项所述的电路，所述第二开关管集中的一个开关管的第三电极接地，第二电极连接与该开关管串联的开关管的第三电极。

实施例17可以包括实施例1至16中任一项所述的电路，所述第一开关管集和第二开关管集所包括的不同开关管的第一电极连接同一控制单元。

实施例18可以包括实施例1至16中任一项所述的电路，所述第一开关管集和第二开关管集所包括的不同开关管的第一电极连接不同的控制单元。

实施例19可以包括实施例1至18中任一项所述的电路，所述控制单元为电压源。

实施例20可以包括实施例1至18中任一项所述的电路，所述控制单元为功率检测器。

实施例21可以包括实施例20所述的电路，所述功率检测器能够根据检测的所述信号输入端的功率，产生相应的直流电压以控制所述开关管的导通和断开。

实施例22可以包括实施例1至21中任一项所述的电路，所述开关管为场效应晶体管。

实施例23可以包括一种无线接收装置，该接收装置包括实施例1至22中任一项所述的限幅电路。

上面结合附图对本实用新型的实施例做了详细说明，但本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本实用新型宗旨和精神的前提下做出的各种变化，均应归属于本实用新型专利的涵盖范围。

在附图中，可以以特定布置和/或顺序示出一些结构或方法特征。然而，应该理解，可能不需要这样的特定布置和/或排序。而是，在一些实施例中，这些特征可以以不同于说明性附图中所示的方式和/或顺序来布置。另外，在特定图中包括结构或方法特征并不意味着暗示在所有实施例中都需要这样的特征，并且在一些实施例中，可以不包括这些特征或者可以与其他特征组合。

需要说明的是，在本实用新型的示例和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本实用新型的某些优选实施例，已经对本实用新型进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。