双刀多掷射频开关、射频芯片的制作方法

1.本技术涉及射频技术领域，具体涉及一种双刀多掷射频开关、一种射频芯片。


背景技术：

2.随着现代通信技术的深入发展通信设备正在向小型化和低功耗发展，这就要求通信设备内的每个组件都采用小型化设计，尽量控制器件尺寸和厚度，同时也要尽量减少组件数量及组件功率消耗。
3.射频信号输入输出模块主要可实现对接收射频信号的低噪声放大和发射射频信号的功率放大等功能，是射频通信设备中不可或缺的组成部分，其中，射频开关在电路中用以实现射频信号的信号流向控制等作用。例如双刀双掷开关，能够实现2个射频端口与两个天线之间的通路切换。
4.随着通信需求的增加，电子设备中往往具备2个以上的天线，则需要双刀多掷开关来实现的更多通路的切换。
5.请参考图1，为现有的双刀多掷射频开关的简化结构示意图。
6.双刀多掷射频开关连接在端口t，端口r与多个天线之间。图1中，以双刀四掷开关为例，用于切换端口t、r与ant1、ant2、ant3、ant4之间的信号通路。
7.其中，包括端口t和端口r分别通过四条开关臂连接至各个天线ant1～ant4，每一条开关臂上，均串联有开关元件s以及位于开关元件两侧串联的电容(图中未示出)，以隔绝直流信号。
8.端口t与anti(i＝1,2,3,4)之间串联有开关se:s_ti；端口r与anti(i＝1,2,3,4)之间串联有开关se:s_ri，天线anti与地之间连接有开关sh:s_ai；端口t与地之间连接有sh:s_t，端口r与地之间连接有sh:s_r。
9.对于有n个天线的情况下，已有的双刀多掷射频开关具有2n个串联的射频开关元件，以及n+2个并联的射频开关元件，这些开关臂都需要承受最大的信号输出功率，可承受功率越大，开关元件的面积越大。在使用的射频开关芯片无负压偏置的情况下，由于每个开关两侧均需要串联电容器件，则一共需要2*(2n+n+2)＝6n+4个电容器件，占据较大的芯片面积，且每个天线的端口均会存在esd风险。


技术实现要素：

10.鉴于此，本技术提供一种双刀多掷射频开关、一种射频芯片，以解决现有的双刀多掷射频开关面积较大的问题，同时提升射频开关的性能。
11.本技术提供一种双刀多掷射频开关，包括：第一射频端口、第二射频端口以及三个以上的天线端口，每个射频端口均通过三条以上的射频开关通路与所述三个以上的天线端口一一对应连接，每个射频开关通路上串联有开关器件；公共端，所述公共端与每一个天线端口之间均串联有第一电感。
12.可选的，每个射频开关通路上依次串联有第一电容、所述开关器件以及第二电容。
13.可选的，还包括每一个射频开关通路的导通电阻相同，关断电容相同。
14.可选的，在有n个天线端口时，n*coff与n*l1/(n-1)满足谐振条件，其中coff为所述射频开关通路的关断电容，l1为所述第一电感的电感值，n为大于等于3的整数。
15.可选的，每一路射频开关通路还包括并联于所述开关器件两端的至少一个增量开关结构，每个所述增量开关结构包括：增量开关，以及分别串联于所述增量开关两侧的两个相同的增量调谐电容，所述增量开关结构满足|ron’|《|1/(jωδc)|，其中ron’为所述增量开关的导通电阻，δc为所述增量调谐电容的容值，ω为所述增量开关结构的工作频率。
16.可选的，在有n个不同工作频率时，每个开关器件两端并联有n-1个增量开关结构，n为正整数，且n≤n。
17.可选的，并联于同一开关器件两端的不同的增量开关结构内的增量调谐电容的容值不同；和/或，同一增量开关结构内的两个增量调谐电容的容值相同。
18.可选的，所述公共端与地端之间也串联有第二电感。
19.可选的，还包括第三电容，并联于所述第二电感两端；所述第三电容与所述第二电感构成并联谐振网络。
20.本技术提供一种射频芯片，包括：信号发射链路，连接至所述第一射频端口；信号接收链路，连接至所述第二射频端口；如上述任一项所述的双刀多掷射频开关。
21.本技术上述的双刀多掷开关能够节省电路面积，且各端口之间的隔离度高；且在主开关通路上并联增量开关结构，使得该双刀多掷开关能够适用于多个不同工作频率的天线，可以在更为精确的频率范围内工作，如wifi工作频率范围内的子频道(sub-channel)，避免网络拥堵。通过在公共端与地中间串联第二电感，还可以提供esd泄放通路，提高射频芯片的可靠性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是现有技术的双刀多掷射频开关的结构示意图；
24.图2a是本技术实施例的双刀多掷射频开关的结构示意图；
25.图2b是本技术实施例的双刀多掷射频开关的结构示意图；
26.图3a是本技术实施例的双刀多掷射频开关的射频开关通路的结构示意图；
27.图3b是本技术实施例的双刀多掷射频开关的射频开关通路的结构示意图；
28.图4是本技术一实施例的双刀多掷射频开关在信号传输于第一射频口t与天线端口ant1之间情况下的等效电路示意图；
29.图5是本技术一实施例的双刀多掷射频开关的射频开关通路的结构示意图；
30.图6是本技术一实施例的双刀多掷射频开关的射频开关通路的结构示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描
述的实施例仅是本技术一部分实施例，而非全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
32.请参考图2a及2b，为本实用新型的实施例的双刀多掷射频开关的结构示意图。
33.所述双刀多掷射频开关包括第一射频端口t、第二射频端口r以及三个以上的天线端口，每个射频端口均通过三条以上的射频开关通路与所述三个以上的天线端口一一对应连接；公共端p，所述公共端p与每一个天线端口之间均串联有第一电感l1。
34.图2a及2b中，示出了n个天线端口，分别为天线端口ant1、天线端口ant2、
……
、天线端口antn，用于连接至对应的天线，其中n为大于等于3的整数。第一射频端口t与各天线端口之间分别通过n条射频开关通路连接，第二射频端口r与各天线端口之间也通过n条射频开关通路连接。因此，该双刀多掷射频开关共2n条开关通路。
35.例如，第一射频端口t与天线端口ant1之间连接有射频开关通路l11，第一射频端口t与天线端口ant2之间连接有射频开关通路l12，第一射频端口t与天线端口antn之间连接有射频开关通路l1n。
36.同样的，第二射频端口r与天线端口ant1之间连接有射频开关通路l21，第二射频端口r与天线端口ant2之间连接有射频开关通路l22，第二射频端口r与天线端口antn之间连接有射频开关通路l2n。
37.综上，第i个射频端口与第j个天线端口之间具有射频开关通路l(i，j)；其中，i＝1，2；j＝1，2，3，
……
，n；n为大于等于3的整数。
38.每条射频开关通路均串联有开关器件，由所述开关器件控制所在射频开关通路的导通和关断状态。具体的，射频开关通路l(i，j)上串联有开关器件s(i，j)。所述开关器件是pmos、nmos、hemt或ldmos等适于射频电路使用的开关晶体管。
39.公共端p，所述公共端p与每一个天线端口之间均串联有第一电感l1。所述公共端p可以为单个电连接端，或多个相互电连接的电连接端p，即在实际电路上，公共端p可以是芯片上的一个电接触点，也可以是多个互连的接触点。
40.该实施例中，所述公共端p与地端之间也串联有第二电感l2，作为公共端与地之间的esd电流泄放通路。第二电感的选择，一般满足第二电感l2的电感值远大于第一电感l1的电感值，使得满足esd放电通路的要求情况下，第二电感l2对射频谐振条件的影响尽量小。
41.在其他实施例中(如图2b所示)，在芯片尺寸不允许或其他情况下，第二电感l2无法做到l2》》l1时，还可以在所述第二电感l2两端并联第三电容c3，使用第三电容c3与第二电感l2构成并联谐振网络，进行并联谐振，即满足：这样依旧能够对公共端p达到交流隔离的效果，无射频损耗，且不影响其他部分的谐振条件。
42.在其他实施例中，如esd问题不显著，也可以无需在公共端与地端之间串联所述第二电感l2。
43.请参考图3a，为本实用新型一实施例的射频开关通路l(i，j)的结构示意图。
44.该实施例中，所述射频开关通路l(i，j)串联一nmos晶体管作为开关器件s(i，j)。在其他实施例中，所述开关器件还可以为pmos管或者其他类型晶体管。
45.请参考图3b，为本实用新型另一实施例的射频开关通路l(i，j)的结构示意图。
46.该实施例中，所述射频开关通路l(i，j)在一nmos晶体管作为开关器件s(i，j)的基础上，所述nmos晶体管的源、漏两侧还分别串联了第一电容c1和第二电容c2。
47.所述第一电容c1和所述第二电容c2为隔直电容，所述第一电容c1和第二电容c2足够大，以至于在射频开关使用的工作频率上，它们可以被认为是交流短路(ac short)的状态。
48.图3a和图3b所示的实施例中，通过控制所述开关器件s(i，j)的栅极g与漏极d、源极s之间的电压差，控制所述开关器件s(i，j)的通断状态，进而控制所述射频开关通路l(i，j)的通断状态。
49.在一些实施例中，可以通过电荷泵等结构为开关器件s(i，j)的控制提供控制电压，可以将栅极电压控制到关断电压以下，例如对于开关器件s(i，j)为nmos晶体管时，可以控制栅极电压小于0v，以确保所述开关器件s(i，j)处于断开状态。此时，可以仅采用图3a所述的射频开关通路l(i，j)的结构，在开关器件s(i，j)的两端，无需再串联隔直电容，从而降低芯片面积。
50.在一些实施例中，开关器件的栅极电压范围有限，优选图3b所示结构作为射频开关通路，以确保射频开关通路的导通和关断状态稳定。
51.在一些实施例中，所述n个天线端口的工作频率可以均具有相同的工作频率。此时，每一个射频开关通路l(i,j)的导通电阻相同，关断电容相同，且满足谐振条件。由于第一电容c1、第二电容c2对于交流信号相当于短路，因此，无论射频开关通路上是否存在隔直电容，每一条射频开关通路上的导通电阻均可等效为开关器件s(i，j)的导通电阻ron，而关断电容也可等效为开关器件s(i，j)的关断电容coff。在各个天线端口的工作频率相同的情况下，每一个射频开关通路的开关器件s(i，j)和其他器件(如果有)的参数均相同，以确保每一个射频开关通路的导通电阻相同，关断电容相同。
52.当所述双刀多掷开关工作时，若选通第i0个射频端口与第j0个天线端口之间的射频开关通路时，则导通射频开关通路l(i0，j0)和l(3-i0，j(j≠j0))，断开其他射频开关通路，即导通开关器件s(i0，j0)和s(3-i0，j(j≠j0))。
53.如i0＝1，j0＝1，n＝4,则开关器件s(1,1)，s(2,2)，s(2,3)，s(2,4)导通，s(1,2)、s(1,3)、s(1,4)、s(2,1)断开。
54.如i0＝2，j0＝3，n＝4,则开关器件s(2,3)，s(1,1)，s(1,2)，s(1,4)导通，s(2,1)、s(2,2)、s(2,4)、s(1,3)断开。
55.具体开关逻辑可参考下表(“1”表示导通；“0”表示断开)
56.模式s(1,1)s(1,2)s(1,3)s(1,4)s(2,1)s(2,2)s(2,3)s(2,4)t(1)-ant110000111r(2)-ant311010010
57.若各天线端口的工作频率均为f，当任意一条通路被选通，则有n条射频开关通路被断开，每条断开的射频开关通路提供关断电容coff；除选通射频通路以外，还有n-1条通路被导通，并通过第一电感l1连接至公共端p，以此构成谐振网络。n*coff与n*l1/(n-1)满足谐振条件，其中coff为所述射频开关通路的关断电容，l1为所述第一电感的电感值，n为大于等于3的整数。
58.在没有第二电感l2，或者所述第二电感l2对谐振影响可以忽略的情况下，所述谐
振条件包括：
59.上述结构可以在双刀多掷射频开关使用的工作频率上产生并联谐振，以此提高各端口之间隔离度，并且降低射频开关通路上的插入损耗。
60.请参考图4，为具有4个天线端口，且第一射频端口t与第一天线端口ant1选通后的电路等效示意图。第一射频端口t为发射端，连接信号发射链路tx，第二射频端口r为接收端，连接信号接收链路rx。
61.该电路中各导通的开关器件的阻抗很小，等效于短路，每个开关的断电容coff，与第一电感l1构成谐振网络，该电路满足如下谐振条件：n＝4，
62.在实际电路设计中，一般设计是先选择开关器件s的尺寸，即先确定开关器件s的关断电容coff，导通电阻ron等参数，然后再根据上述谐振条件来选择第一电感l1的电感值即可。
63.请参考图5，为本实用新型另一实施例的射频开关通路的结构示意图。
64.所述射频开关通路还包括并联于所述开关器件s(i，j)两端的至少一个增量开关结构。每个所述增量开关结构包括：增量开关s’，以及分别串联于所述增量开关两侧的两个相同的增量调谐电容c’。所述增量开关结构满足|ron’|《|1/(jωδc)|，其中ron’为所述增量开关的导通电阻，δc为所述增量调谐电容的容值，ω为所述增量开关结构的工作频率。
65.该实施例中，双刀多掷射频开关具有n个天线端口，且每个天线端口分别对应不同的工作频率，即具有n个工作频率，每个射频开关通路的开关器件s(i，j)两端并联(n-1)组增量开关结构，所述(n-1)组增量开关结构相互并联(如图5所示)。例如，当具有3个天线端口，分别对应3个工作频率时，每个射频开关通路的开关器件两端并联2组增量开关结构。
66.在其他实施例中，若具有n个天线端口，但是其中若干天线端口对应的工作频率相同时，也可以适当减少增量开关结构的数量。当具有n(n≤n)个不同的工作频率时，每个开关器件并联n-1个增量开关结构，n为正整数。
67.每组增量开关结构均具有相同的电路结构，包括依次串联的一个增量调谐电容c’、增量开关s’以及另一增量调谐电容c’。第k组增量开关结构包括一个调谐电容ck’、增量开关sk’以及另一增量调谐电容ck’，其中k为小于等于增量开关结构总数的正整数。
68.优选的，所述增量开关与所述开关器件为同类型的开关晶体管。在其他实施例中，所述增量开关与所述开关器件也可以分别采用不同类型的开关晶体管。
69.每一增量开关结构内的增量调谐电容的值可以根据谐振条件进行设定。在一些实施例中，同一增量开关结构内的两个增量调谐电容具有相同的电容值。在一些实施例中，在并联至同一开关器件的不同的增量开关结构之间，可以分别具有不同容值的增量调谐电容。
70.图5所示的结构能够应用于各天线端口之间具有不同工作频率的情况下。当开关器件s(i，j)关断时，根据对应的天线端口antj的工作频率，同步导通与该开关器件s(i，j)
并联的对应数量的增量开关，只要仍然满足n*coff’与n*l1/(n-1)满足谐振条件即可，这里coff’是指射频开关通路l(i，j)上包括s(i，j)以及并联在其上的所有增量开关结构贡献的总体关断电容，工作频率越低，导通的增量开关数量越多。通过增量开关结构对开关通路上的关断电路的微调，可以使得该双刀多掷开关能够支持多种频率的天线。
71.请参考图6，为本实用新型另一实施例的双刀多掷射频开关结构的射频开关通路的结构示意图。该实施例中，在开关器件s(i,j)两端分别串联有第一电容c1和第二电容c2。增量开关结构两端分别连接开关器件s(i,j)与第一电容c1的连接通路，以及开关器件s(i,j)与第二电容c2的连接通路上。
72.以下，针对该双刀多掷射频开关结构，阐述不同的天线端口工作在不同频率下的工作原理。
73.对于具有n个天线端口的情况，若最多有n个不同频率，分别记为f1、f2
……
fn。对于n个天线端口ant与两个射频端口的传输情况，可以写出2n个设计约束方程。
74.以下，以n＝3作为示例进行说明，若是仅考虑到每个通路上的开关器件s(i，j)的关断电容coff，在不同选通路径下，可以列出一下6个方程，其中，将coff记为c，s(i，j)简写为sij，该符号sij也同时代表对应开关器件的关断电容参数。
75.(1)t与ant1选通(开关器件s12、s13、s21断开)：s12+s13+s21＝3c＝k1(f1)；
76.(2)t与ant2选通(开关器件s11、s13、s22断开)：s11+s13+s22＝3c＝k2(f2)；
77.(3)t与ant3选通(开关器件s11、s12、s23断开)：s11+s12+s23＝3c＝k3(f3)；
78.(4)r与ant1选通(开关器件s22、s23、s11断开)：s22+s23+s11＝3c＝k1(f1)；
79.(5)r与ant2选通(开关器件s21、s23、s12断开)：s21+s23+s12＝3c＝k2(f2)；
80.(6)r与ant3选通(开关器件s21、s22、s13断开)：s21+s22+s13＝3c＝k3(f3)。
81.其中，ki是满足谐振在fi频率时候的常量，ωi＝2πfi。显然这样同一个c无法满足三个不同的方程。
82.在不同天线端口具备不同工作频率的情况下，不失一般性地，我们假设，f1《f2《f3，则k1》k2》k3。同时，针对不同频率，导通对应数量的增量开关。针对三个天线端口，每个射频开关通路的开关器件并联有2组增量开关结构，针对3种不同的工作频率，从小到大，分别对应于导通2个、1个和0个。考虑导通的增量开关结构中的增量调谐电容对于谐振条件的影响，可以进一步构建如下方程：
83.(1)t与ant1选通：3(c+δc1+δc2)＝k1；对应于s12、s13、s21所在通路上的两个增量开关全部导通；显然这里δc1＝c1’/2，δc2＝c2’/2，c1’、c2’如图5、图6中所示的对应电容的电容值；
84.(2)t与ant2选通：3(c+δc1)＝k2；对应于s11、s13、s22所在通路上两个增量开关的其中一个导通；
85.(3)t与ant3选通：3c＝k3；对应于s11、s12、s23所在通路上两个增量开关全部断开；
86.(4)r与ant1选通：3(c+δc1+δc2)＝k1；对应于s22、s23、s11所在通路上两个增量开关全部导通；
87.(5)r与ant2选通：(c+δc1)＝k2；对应于s21、s23、s12所在通路上两个增量开关的
其中一个导通；
88.(6)r与ant3选通：3(c)＝k3；对应于s21、s22、s13所在通路上两个增量开关全部断开。
89.如此，则可以通过上述6个方程得到各个器件的谐振条件参数。
90.在一个实施例中，以f1＝2.3ghz,f2＝2.5ghz,f3＝2.7ghz,作为示例进行计算。以rf射频开关制造工艺(soi/cmos工艺)可达到ron*coff＝200fs为例，当ron＝1ω，则coff＝c＝0.2pf。
91.由于k3＝3*c＝0.6pf最小(对应于频率f3最高)，因此由第三个方程k3可得，l＝2/(9c*ω
32
)＝3.86nh。而k2＝0.7pf，则c1’＝2δc1＝67ff。同理，k1＝0.83pf，则c2’＝2δc2＝87ff。可见这些增量调谐电容c1’、c2’都非常小。
92.同样，由于增量调谐电容的值很小，其占用的芯片尺寸较小，且通路上的电抗也较高，因此导通这些增量开关通路的射频开关(即所述增量开关)的导通电阻无需很小，可以尽可能降低所述增量开关的尺寸。由于增量调谐电容和增量开关的尺寸都可以设计的很小，因此即便增加了增量开关结构，对芯片整体面积的影响仍较小。
93.实际设计过程中，由于通路的插损指标(insertion loss)是非常重要的性能参数，因此，射频开关通路的主开关即开关器件s(i，j)的尺寸(与导通阻抗ron对应)是主要的设计目标，由于在半导体制造工艺中，ron*coff为一定值，在ron确定的情况下，coff也为确定值。在开关器件s(i，j)的尺寸设计好后，第一电感l1的值可以随着开关器件s(i，j)的关断电容coff，以及通路最高工作频率来进行调整，以满足谐振条件。
94.由于关断电容coff完全独立决定了射频开关的尺寸，经过适当调整第一电感l1的取值，即可完成上述实施例中所描述的双刀多掷射频开关的所有参数设计：即完成对开关器件s(i，j)的关断电容coff(c)，增量调谐电容的容值δci，以及第一电感l1的设计。
95.本实用新型的实施例，还提供一种射频芯片，包括：如上述任意实施例中所述的双刀多掷射频开关；信号发射链路，连接至所述第一射频端口；信号接收链路，连接至所述第二射频端口。
96.本实用新型的实施例还提供一种上述实施例中所述的双刀多掷射频开关的控制方法，所述双刀多掷射频开关的第i个射频端口与第j个天线端口之间具有射频开关通路l(i，j)；其中，i＝1，2；j＝1，2，3，
……
，n；n为大于等于3的整数；所述射频开关通路l(i，j)上串联有开关器件s(i，j)，通过控制所述开关器件s(i，j)的导通和关断状态，控制所述射频开关通路l(i，j)的导通和关断状态；所述控制方法包括：当选通第i0个射频端口与第j0个天线端口之间的射频开关通路时，则导通射频开关通路l(i0，j0)和l(3-i0，j(j≠j0))，断开其他射频开关通路。
97.当开关器件s(i，j)两端并联有多个增量开关结构时，当开关器件s(i，j)关断时，根据对应的天线端口的工作频率，同步导通与该开关器件s(i，j)并联的对应数量的增量开关，只要仍然满足n*coff’与n*l1/(n-1)满足谐振条件即可，这里coff’是指射频开关通路l(i，j)上包括s(i，j)以及并联在其上的所有增量开关结构贡献的总体关断电容，工作频率越低，导通的增量开关数量越多。
98.上述具体控制方法及原理均在前述实施例中有具体描述，在此不再赘述。
99.上述实施例中所述的双刀多掷开关能够节省电路面积，且各端口之间的隔离度
高，且在主开关通路上并联增量开关结构，使得该双刀多掷开关能够适用于多个不同工作频率的天线，可以在更为精确的频率范围内工作，避免网络拥堵。
100.以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。