[发明专利]一种基于耦合器结构的毫米波开关及设计方法

说明书

本发明涉及一种基于耦合器结构的毫米波开关及设计方法，包括第一类SPST由第一耦合器和L‑nMOS开关组成，第一端口与L‑nMOS开关相连并接地，第二端口与ANT端相连，第三端口接地，第四端口与TX端相连。第一类对称式SPDT由两个第一类SPST对称构成，传输时P1dB高，第二类SPST包括第二耦合器和L‑nMOS开关，第一端口悬空，第二端口与ANT端相连，第三端口与L‑nMOS开关相连并接地，第四端口与TX端相连。第二类对称式SPDT由两个第二类SPST对称构成，隔离时功率承受能力高，隔离时可实现宽带设计，第三类非对称式SPDT由第一类SPST和第二类SPST构成，利用第一类SPST作为Tx以提高发射功率容量，利用第二类SPST作为Rx以提供高隔离的功率承受能力。

技术领域

本发明属于射频开关技术领域，具体而言，涉及一种基于耦合器结构的毫米波开关及设计方法。

背景技术

随着移动通信技术从第一代(1G)移动通信发展到第五代(5G)，人们进入了万物互联的新时代，智能手机等移动终端设备极大的便利了人们的生活，移动通信技术也迅猛的发展。毫米波无线通信技术是微波无线通信技术向更高频段的延伸，近年来得到了广泛关注与重视，其主要原因有：毫米波对应的频谱资源丰富；毫米波自身的传输特性良好；现代芯片制造工艺的快速发展为毫米波通信设备的制造提供了保障；毫米波通信技术已经成为许多新兴技术的发展需要。射频开关作为射频前端的关键元件，其电路性能将直接影响整个射频收发系统性能。开关插入损耗(Insertion Loss，IL)降低了接收链路上信号电压，降低了接收链路的灵敏度，导致噪声系数恶化，也会降低发射信号电压，导致发射链路能耗增加和附加效率下降。为防止发射链路大功率信号泄漏造成接收链路LNA的损坏，射频开关必须提高通道间的隔离度性能。

传统的开关设计采用由两个MOS管分别构成电路收发路径，栅极加几千欧姆电阻，由此来增加信号通路和偏置通路的信号隔离。这种结构支路上没有其他元件，所以插入损耗较小，但是支路上缺少了隔离器件，导致两条支路隔离度在高频段内比较差，进而在此基础上在收发之类增加若干并联晶体管以提高隔离度。但这会引起插入损耗的恶化，同时也限制了开关的线性度。近年来，申请号为CN201720859947.7的中国专利公开了“一种DC-20GHz吸收式单刀双掷开关”，采用了多级串联-并联级联的方案，收发支路镜像对称。多级级联有利于隔离度和端口匹配设计，但是正如该专利中所提到的那样，多级级联需要在插入损耗和隔离度之间进行折中，甚至需要进一步考虑线性度。因此，针对当下无线通信技术对线性度的需要、开关设计对功率容量的渴望以及芯片面积尺寸的小型化设计，设计提出一种高线性度、高功率容量、面积更小的毫米波开关芯片是十分必要的。

发明内容

为了解决上述相关技术中的问题，本发明提供一种基于耦合器结构的毫米波开关及设计方法。

本发明是这样实现的，

一种基于耦合器结构的毫米波开关，包括具有四个端口的耦合器，

各端口的电压电流满足为：

其中v1为第一端口电压，v2为第二端口电压，v3为第三端口电压，v4为第四端口电压，I₁为第一端口电流，I₂为第二端口电流，I₃为第三端口电流，I₄为第四端口电流。

进一步地，所述耦合器通过第二端口接ANT端，第四端口接Rx端或Tx 端，第三端口或第一端口接一L-nMOS开关。

进一步地，所述耦合器为第一耦合器，所述第一耦合器的第一端口与第一 L-nMOS开关连接，并通过第一L-nMOS开关接地，第一耦合器的第四端口接 TX端，第一耦合器的第三端口接地，形成第一类SPST。

进一步地，两个第一类SPST对称设置形成第一类对称式SPDT，并将其中一个第一类SPST的第四端口接RX端，另一个第一类SPST的第四端口接TX 端，两个第一类SPST中的两个第二端口连接后接ANT端。