一种采用新型钳位电阻的超宽带射频收发开关

1.本发明属于射频集成电路领域，涉及收发开关，具体提供一种采用新型钳位电阻的0
‑
40ghz超宽带射频收发开关。


背景技术：

2.毫米波段(30
‑
300ghz)具有丰富的频谱资源，可以为5g提供需要的频率，因而毫米波通讯技术成为5g实现最重要的技术之一；然而，毫米波因为其非常高的频率而很容易被吸收或散射，并且在长距离传输时会损失更多的能量。在提升信噪比的众多方法中，通过相控阵技术来改变无线电波方向的波束成形技术是最有效的方法之一；相控阵天线采用多天线元结构，通过改变每一根天线上信号的相位来实现波束成形；相控阵技术可以有效的向指定方向发射信号并有明显的旁瓣抑制效果。
3.收发开关作为相控阵收发机中的关键模块，用来切换整个相控阵收发机芯片的工作状态(收或发)；它连接着天线、低噪声放大器和功率放大器。为了提高输出功率和线性度，射频收发开关常常会堆叠很多个晶体管，但是堆叠晶体管会带来直流电压偏移的问题；针对这一问题，传统的收发开关直接在晶体管的源漏之间连接一个电阻来确定晶体管的直流电压，如图1所示，其中，r1～r8均为钳位电阻。然而，该传统钳位方式相当于引入了一条额外的对地通路，会大幅度增加损耗、恶化隔离度；若要避免此情况的发生，则要求钳位电阻与mos管关断时的等效电阻处于同一量级，即几十兆欧左右，同时电阻的数量较多，最终导致射频收发开关版图面积过大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种采用新型钳位电阻的超宽带射频收发开关；通过在发射通路、接收通路的串联堆叠晶体管与并联堆叠晶体管之间引入一个钳位电阻有效抑制收发开关的直流电压漂移现象，同时不影响收发开关的隔离度和插入损耗。
5.本发明具体技术方案如下：
6.一种采用新型钳位电阻的超宽带射频收发开关，包括：发射通路与接收通路，其特征在于，从接收机出发，所述发射通路包括：依次连接的一个并联三堆叠nmos晶体管与一个串联两堆叠nmos晶体管、以及一个钳位电阻r，所述钳位电阻r连接于并联三堆叠nmos晶体管中第一级nmos晶体管的源极与串联两堆叠nmos晶体管中第一级nmos晶体管的漏极之间；从天线出发，所述接收通路包括：依次连接的一个串联三堆叠nmos晶体管与一个并联两堆叠nmos晶体管、以及一个钳位电阻r，所述钳位电阻r连接于串联三堆叠nmos晶体管中第三级nmos晶体管的漏极与并联两堆叠nmos晶体管中第一级nmos晶体管的源极之间。
7.进一步的，所述发射通路中，所述并联三堆叠nmos晶体管由nmos晶体管m1～m3构成，nmos晶体管m1的漏极连接收发机，nmos晶体管m1的源极连接nmos晶体管m2的漏极，nmos晶体管m2的源极连接nmos晶体管m3的漏极，nmos晶体管m3的源极接地；所述串联两堆叠
nmos晶体管由nmos晶体管m4、m5构成，nmos晶体管m4的源极连接nmos晶体管m1的漏极，nmos晶体管m4的漏极连接nmos晶体管m5的源极，nmos晶体管m5的漏极连接天线；nmos晶体管m1～m3的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c1
，nmos晶体管m4、m5的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c2
，nmos晶体管m1～m5的衬底端(bulk)分别串联电阻后接偏置电压v
b
；所述钳位电阻r一端接于nmos晶体管m1的源极与nmos晶体管m2的漏极之间，另一端接于nmos晶体管m4的漏极与nmos晶体管m5的源极之间；
8.所述接收通路中，所述并联两堆叠nmos晶体管由nmos晶体管m6、m7构成，nmos晶体管m6的漏极连接收发机，nmos晶体管m6的源极连接nmos晶体管m7的漏极，nmos晶体管m7的源极接地；所述串联三堆叠nmos晶体管由nmos晶体管m8～m10构成，nmos晶体管m8的源极连接nmos晶体管m6的漏极，nmos晶体管m8的漏极连接nmos晶体管m9的源极，nmos晶体管m9的漏极连接nmos晶体管m10的源极，nmos晶体管m10的漏极连接天线；nmos晶体管m6、m7的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c2
，nmos晶体管m8～m10的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c1
，nmos晶体管m6～m10的衬底端(bulk)分别串联电阻后接偏置电压v
b
；所述钳位电阻r一端接于nmos晶体管m6的源极与nmos晶体管m7的漏极之间，另一端接于nmos晶体管m8的漏极与nmos晶体管m9的源极之间。
9.更进一步的，所述超宽带射频收发开关中，所有nmos晶体管结构相同、尺寸相同。
10.更进一步的，所述超宽带射频收发开关中，所述钳位电阻r、所有串联于nmos晶体管的栅极的电阻、所有串联于nmos晶体管的衬底端的电阻的阻值均相同。
11.本发明的有益效果为：
12.本发明提供一种采用新型钳位电阻的超宽带射频收发开关，通过在发射通路的串联堆叠晶体管与并联堆叠晶体管之间、接收通路的串联堆叠晶体管与并联堆叠晶体管之间分别引入一个钳位电阻，有效抑制收发开关的直流电压漂移现象，同时不影响收发开关的隔离度和插入损耗；相比于传统钳位方式，本发明在各个通路中仅需要一个钳位电阻，结构简单、显著减小收发开关版图面积。
附图说明
13.图1为传统的射频收发开关的电路图。
14.图2为本发明采用新型钳位电阻的0
‑
40ghz超宽带射频收发开关的电路图。
15.图3为本发明实施例中0
‑
40ghz超宽带射频收发开关在接收模式下的仿真结果，其中，图(a)为插入损耗，图(b)为隔离度。
16.图4为本发明实施例中0
‑
40ghz超宽带射频收发开关在发射模式下的仿真结果，其中，图(a)为插入损耗，图(b)为隔离度。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
18.本实施例提供一种采用新型钳位电阻的0
‑
40ghz超宽带射频收发开关，如图2所示，所述射频收发开关在连接天线处分为发射通路与接收通路，所述发射通路另一端接收发机的功率放大器，所述接收通路另一端接收发机的低噪声放大器；
19.所述发射通路包括：一个并联三堆叠nmos晶体管与一个串联两堆叠nmos晶体管、
以及一个钳位电阻r；所述并联三堆叠nmos晶体管由nmos晶体管m1～m3构成，nmos晶体管m1的漏极连接收发机的功率放大器，nmos晶体管m1的源极连接nmos晶体管m2的漏极，nmos晶体管m2的源极连接nmos晶体管m3的漏极，nmos晶体管m3的源极接地；所述串联两堆叠nmos晶体管由nmos晶体管m4、m5构成，nmos晶体管m4的源极连接nmos晶体管m1的漏极，nmos晶体管m4的漏极连接nmos晶体管m5的源极，nmos晶体管m5的漏极连接天线；nmos晶体管m1～m3的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c1
，nmos晶体管m4、m5的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c2
，nmos晶体管m1～m5的衬底端(bulk)分别串联电阻后接偏置电压v
b
；所述钳位电阻r一端接于nmos晶体管m1的源极与nmos晶体管m2的漏极之间，另一端接于nmos晶体管m4的漏极与nmos晶体管m5的源极之间；
20.所述接收通路包括：一个并联两堆叠nmos晶体管与一个串联三堆叠nmos晶体管、以及一个钳位电阻r；所述并联两堆叠nmos晶体管由nmos晶体管m6、m7构成，nmos晶体管m6的漏极连接收发机的低噪声放大器，nmos晶体管m6的源极连接nmos晶体管m7的漏极，nmos晶体管m7的源极接地；所述串联三堆叠nmos晶体管由nmos晶体管m8～m10构成，nmos晶体管m8的源极连接nmos晶体管m6的漏极，nmos晶体管m8的漏极连接nmos晶体管m9的源极，nmos晶体管m9的漏极连接nmos晶体管m10的源极，nmos晶体管m10的漏极连接天线；nmos晶体管m6、m7的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c2
，nmos晶体管m8～m10的栅极分别串联电阻后接控制信号v
c1
，nmos晶体管m6～m10的衬底端(bulk)分别串联电阻后接偏置电压v
b
；所述钳位电阻r一端接于nmos晶体管m6的源极与nmos晶体管m7的漏极之间，另一端接于nmos晶体管m8的漏极与nmos晶体管m9的源极之间。
21.上述0
‑
40ghz超宽带射频收发开关工作过程为：当控制电压v
c1
为高、v
c2
为低时，发射通路并联晶体管关断、串联晶体管导通，接收通路并联晶体管导通、串联晶体管关断，设计的收发开关工作在发射模式，信号从功率放大器经收发开关的发射通路被天线发射出去；当控制电压v
c1
为低、v
c2
为高时，接收通路并联晶体管关断、串联晶体管导通，发射通路并联晶体管导通、串联晶体管关断，设计的收发开关工作在接收模式，从天线收到的信号经设计的收发开关的接收通路进入低噪声放大器。从工作原理上讲：
22.本发明通过在串联堆叠晶体管与并联堆叠晶体管之间引入一个钳位电阻有效抑制收发开关的直流电压漂移现象；以开关工作在发射模式为例，如图2所示，此时晶体管m1～m3关断，晶体管m4、m5导通；b点到零点位(地)不存在非常大的电阻，而a点到零电位受到大电阻m2、m3关断电阻的分压，因此b点的直流偏移远小于a点；因此，将a点和b点通过一个大小适中的电阻r相连后，a点就能够绕开m2、m3关断电阻，与b点一起使用低阻路径，从而降低a点的直流漂移。
23.本实施例中，所有堆叠nmos晶体管均结构相同，其栅长l为60nm、栅宽w为138μm；所有晶体管栅极串联电阻、bulk串联电阻以及钳位电阻的电阻值均相同、为：16kω；特别地，本实施例采用了负电压技术，控制电压v
c1
与控制电压v
c2
高为1.2v、低为
‑
1.2v，偏置电压v
b
为
‑
1.2v。
24.对本实施例中0
‑
40ghz超宽带射频收发开关进行测试，其接收与发射状态的插入损耗与隔离度分别如图3、图4所示；由图可见，引入新型钳位电阻后，本实施例接收模式插损在0
‑
40ghz小于2db，隔离度大于25db；发射模式插损在0
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40ghz小于1.4db，隔离度大于32db；与传统钳位方式相比，新型钳位电阻更为简单，数量大大减少，版图面积更小，且能够
保证收发开关的隔离度与插入损耗满足应用需求。
25.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。