[发明专利]一种CMOS毫米波超宽带并联非对称单刀双掷开关

说明书

本发明公开了一种CMOS毫米波超宽带并联非对称单刀双掷开关，属于射频集成电路技术领域。该开关由三个NMOS晶体管、三个片上电阻器、三个片上电感器、一个片上电容器、射频发射端口、射频接收端口、天线端口、收发选择控制端口和接地端口组成，其中，TX支路由两个NMOS晶体管和两个片上电阻组成Cascode并联结构，RX支路由一个NMOS晶体管和一个片上电阻组成单晶体管并联结构。本发明能够有效降低TX支路的损耗、提升TX支路的线性度有利于TX通道的功率传输，可用于毫米波超宽带相控阵系统前端实现高集成度、高性能的收发切换。

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，特别是指一种CMOS毫米波超宽带并联非对称单刀双掷开关。

背景技术

开关电路通常分为接收支路（即RX支路）和发射支路（即TX支路），它们通过时分方式共享同一个天线（即ANT）。当TX支路被使能时，被功率放大器放大后的高频信号通过天线发射出去。反之，当RX支路被使能，ANT接收来的微弱信号进入到低噪声放大器被放大。

通常，衡量开关的性能指标有插入损耗、隔离度、匹配和线性度等。CMOS开关的插入损耗、隔离度和匹配性能可以直接通过S参数来衡量。虽然设计开关时需要同时兼顾低插入损耗和高隔离度，但受设计工艺的限制，通常情况下低插入损耗和高隔离度是一对矛盾的指标，难以同时达到最优的极限目标，所以设计中需要进行两者性能的折中。

目前，现有技术中有如下几种结构的开关电路：

1）并联对称结构的CMOS开关电路，由Jin He, Yong-Zhong Xiong, Yue Ping Zhang在TMTT 2012，第3113-3119页中的“Analysis and Design of 60-GHz SPDT Switch in 130-nm CMOS”中提出。该CMOS开关收发支路都由靠近收发端口的并联NMOS晶体管和串联电感组成，由于信号通路上仅有电感和晶体管的寄生电容，因此可以获得较小的插入损耗，但并联晶体管的使用限制了开关的线性度。

2）申请号为CN201510610884.7的中国专利公开了 “一种CMOS开关电路”。该开关以串联-并联晶体管作为基本单元采用镜像对称的结构，实现了插入损耗和隔离度的良好折中，端口匹配通过靠近端口的串联电感实现。但该专利中没有给出指出所提出的结构具有的线性性能。

3）申请号为CN201711391949.9的中国专利公开了“一种用于射频收发切换的单刀双掷开关”。该开关具有一定的增益，但是增益是以功耗为代价的。此外，有源结构与无源结构相比在匹配和线性度方面都有天然的劣势。

4）申请号为CN201420836482.X的中国专利公开了“一种P波段单刀双掷开关”，其利用晶体管、电阻和电容实现了P波段专用设计，因此，该结构的开关不适用于高频特别是毫米波频段工作。

5）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”，其采用了多级串联-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。另外，当开关靠近天线端用于接收和发射通道的切换时，由于接收通道更关注噪声性能，发射通道更关心输出功率，此时，收发支路采用相同的结构往往不能满足应用需求。

综上所述，现有技术在CMOS工艺和毫米波超宽带的条件下，无法同时兼顾接收通道低噪声和发射通道高线性的设计要求，从而制约了整个相控阵系统的性能指标。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种CMOS毫米波超宽带并联非对称单刀双掷开关，其采用收发支路差异化的设计方案，构造了一种非对称的电路结构，能够满足收发通道对开关收发支路的不同要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：