一种具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关

1.本实用新型属于射频技术领域，具体涉及一种具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关。


背景技术：

2.近来，毫米波技术已用于许多新兴应用，从高速回程系统到自动驾驶汽车，其中，前端模块是所有这些新兴应用的关键组成部分。在毫米波中，连接天线，功率放大器和低噪声放大器的单刀双掷开关对整个前端模块性能有很大影响。作为毫米波前端模块的关键部分，单刀双掷开关的许多参数决定了整个系统的性能。例如，功率处理能力确定了可以传递到天线端口的最大输出功率。目前，最先进的功率放大器可以实现超过20 dbm的输出功率，但是大多数以前发布的单刀双掷开关只能处理大约20dbm。此外，隔离是另一个至关重要的设计规范，它可以最大程度地减少发射电路(tx)接受(rx) 电路之间的交互。
3.现有的功率放大器技术如体偏置，交流浮置，负电压和晶体管堆叠技术都最大程度地改善单刀双掷开关的隔离度，但由于寄生效应，将这些方法直接转换为毫米波单刀双掷开关设计非常困难。另外，串并结构被广泛用于开关设计，这些开关电路的输入和输出匹配网络都是由集总元件构成，然而，在传统cmos技术中，芯片上的平面螺旋电感受到衬底损耗和自共振问题的影响，降低了质量因子，增加了匹配网络的损耗。因此，设计一种新型的单刀双掷开关，在保证隔离度的同时，实现相对较高的功率处理能力显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
5.为此，本新型的目的在于提出一种具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关。为了实现上述目的，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关。
6.一种具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关，包括tx支路、rx支路以及第二端口，其中第二端口连接至rx支路的四分之一波长微带传输线和tx支路的第一调谐电感、具有体偏置技术的第一并联晶体管的漏极以及串联电感器l2；rx支路中四分之一波长微带传输线一端连接至第二端口，另一端连至电感l1及的第二晶体管的漏极；电感l1的另一端连接至第三端口及的第三晶体管的漏极；tx支路中具有第一调谐电感，第一调谐电感的一端连接至第二端口、具有体偏置技术的第一并联晶体管的漏极及串联电感器l2，另一端接地；串联电感器l2的另一端及具有体偏置技术的第一并联晶体管的另一端连着第二调谐电感及第一端口。
7.进一步地，第一并联晶体管宽度为100μm，长度为0.13μm；第二晶体管以及第三晶体管尺寸相同，宽度选择为176μm，长度选择0.13μm。
8.进一步地，串联电感器l2以折线形式实现，第一调谐电感l1与第二调谐电感l2 采用螺旋电感。
9.进一步地，四分之一波长传输线使用屏蔽共面波导结构。
10.本实用新型的有益效果：
11.本实用新型提出了一种基于非对称结构的cmos工艺的单刀双掷开关，该开关具有高功率处理能力以及良好的隔离性。为了同时达到出色的1db压缩点(p1db)和隔离度，使用了非对称spdt结构。通过精心设计布局，此spdt开关在发射器模式下在 60ghz时可实现26dbm的模拟p0.5 db，最小插入损耗1.7db和40db隔离度。在接收器模式下，在60ghz下的最小插入损耗为1.8db，隔离度为25db。该电路采用0.13 μm cmos工艺设计。除焊盘外，该设计的面积为1010μm
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186μm。该开关可以支持中远程无线通信或雷达传感相关应用。本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
12.图1示出了本新型所提出的具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关结构示意图；
13.图2(a)示出了本新型所提出的具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关tx支路的3
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d视图结构示意图，图2(b)示出了rx支路的3
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d视图结构示意图；
14.图3(a)示出了本新型所提出的具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关不使用调谐电感时对s参数和电阻的模拟影响，图3(b)示出了使用调谐电感时对s参数和电阻的模拟影响；
15.图4(a)示出了本新型所提出的具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关tx模式下s参数，图4(b)rx模式下s参数；
16.图5示出了本新型所提出的具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关tx模式下开关的模拟功率处理能力；
具体实施方式
17.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
18.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
19.图1示出了本新型所提出的具有高功率处理能力的非对称单刀双掷开关结构示意图结合图2(a)和图2(b)，包括天线端口(ant，第二端口)、发射支路(tx支路) 和接受支路(rx支路)。天线端口(第二端口)分别连接至rx支路的四分之一波长微带传输线和tx支路的接地调谐电感、具有体偏置技术的第一并联晶体管7的漏极以及串联电感器l2。
20.rx支路1中四分之一波长微带传输线4一端连接至第二端口2，另一端连着至电感 l1及的第二晶体管5的漏极。电感l1的另一端连接至第三端口3及第三晶体管11的漏极。对于rx支路设计，使用经典的四分之一波长传输线结构。由于有限的隔离能力，晶体管的寄生电容将显着恶化rx支路的插入损耗。因此，引入额外的电感，以在设计频率下谐振掉这些寄生电容。又由于基板损耗，传输线的q因子有限以及导通状态晶体管的电阻，基于四分之一
波长传输线的谐振器的阻抗仅为约350ω，远远不足以提供所需的高隔离度。为了提高隔离度，在rx端口和四分之一波长传输线之间使用了c
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l
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c 结构(第二晶体管5的寄生电容和电感l1和第三晶体管11的寄生电容组成的结构)。当两个开关晶体管关闭时，c
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l
‑
c结构用作低频滤波器，允许信号从ant端口流向rx 端口。当开关晶体管导通时，一个晶体管将四分之一波长传输线的一个端口并联到地，另一晶体管通过小的导通电阻将rx端口短路到地。使用屏蔽共面波导(s
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cpw)实现四分之一波长传输线。为了在隔离和插入损耗之间保持良好的平衡，两个开关晶体管的宽度和长度分别选择为176μm和0.13μm。
21.tx支路9中第一调谐电感6一端连接至第二端口2、具有体偏置技术的第一并联晶体管7的漏极及串联电感器l2，另一端接地。串联电感器l2的另一端及具有体偏置技术的第一并联晶体管7的另一端连着至第二调谐电感12及第一端口10。在此过程中，需要在晶体管的导通电阻和截止寄生电容之间进行权衡，最终，晶体管的选定宽度和长度分别为100μm和0.13μm。但是，使用单个串联晶体管进行tx支路设计的主要问题是由于晶体管的寄生电容而导致隔离度显着降低。为了解决这个问题，使用了一个串联电感器，即串联电感器l2。该串联电感器和截止寄生电容的作用为lc储能，当需要关闭晶体管时，该lc电路提供所需的高阻抗。
22.参见图2(a)和图3，tx支路中突出显示了另一个设计问题，该图显示了进入tx 端口的等效电阻和tx分支的s参数。从图3(a)可以看出，在没有调谐电感器的情况下，tx支路的最大电阻出现在大约1ω。52ghz与60ghz处显示的tx分支的最小插入损耗不太吻合。这主要是由于开关晶体管的寄生电容以及em仿真中使用的非理想接地引起的。从图3(b)中也可以看出，通过仔细选择调谐电感的值，可以将最大电阻的相应频率有效地调谐到60ghz。因此，可以进一步提高进入tx端口的电阻，这对设计开关的隔离具有积极影响。其中，串联电感器以折线形式实现，调谐电感采用两个螺旋电感器。
23.参见图4和图5所示，基于0.13μm cmos工艺中实现了非对称单刀双掷开关。该设计中使用的控制电压为1.2v。图4(a)中给出了tx模式下设计的spdt开关的模拟插入损耗和隔离度。可以看出，该开关的插入损耗为1.7db，隔离度为1.7db。60ghz 时为43db。此外，从55ghz到80ghz，仿真的插入损耗保持小于2db。从40ghz 到80ghz，仿真隔离度优于40db。此外，输入和输出阻抗匹配均优于10db，这意味着tx和ant端口匹配良好，达到50欧姆。图4(b)中给出了在rx模式下设计的 spdt开关的模拟插入损耗和隔离度。如图所示，在60ghz时可获得1.8db的模拟最小插入损耗，并且从55ghz到65ghz仍保持小于2.5db。最大隔离度为25db，并且在55ghz至65ghz范围内仍要好于20db。最后，在图5中给出了仿真的功率处理能力。如图所示，p0.1db和p0.5db分别为20dbm和26dbm。
24.本新型提出的基于cmos工艺的非对称单刀双掷开关，其工作频率为60ghz。当单刀双掷开关工作在tx模式时，可以获得良好的整体性能，尤其是出色的电源处理能力和隔离能力，该开关可以支持中远程无线通信或雷达传感相关应用。
25.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。