[发明专利]射频开关电路、通信单元及其方法

说明书

一种射频RF开关电路，包括：至少一个第一PiN二极管装置，被配置成吸收或供应第一交流电；以及阻抗变换电路，连接到所述至少一个第一PiN二极管装置且被布置成在所述阻抗变换电路的第一侧与所述阻抗变换电路的第二侧之间提供已变换阻抗。所述RF开关另外包括：第二基于二极管的装置，被配置成供应或吸收第二交流电；以及偏置电路，连接到所述至少一个第一PiN二极管装置和所述第二基于二极管的装置中的至少一个，其中所述至少一个第一PiN二极管装置与所述第二基于二极管的装置协作而作为推挽式电流电路。

技术领域

本发明领域涉及一种射频(RF)开关电路、具有射频开关电路的通信单元及其方法。本发明适用于但不限于基于低功率高线性度四分之一波长基于PiN二极管的RF开关电路。

背景技术

在许多通信和高频应用中，有必要切换射频(RF)信号路径，以便将RF信号重新路由和连接到比如不同的天线、放大器和滤波器。随着多入多出(MIMO)、多波段无线第五代(5G)装置和其它先进技术尤其是便携式和电池供电式装置的发展，对更多具有更高性能的切换的需求越来越大。由于例如大小、成本和速度等竞争因素，在便携式应用中切换RF功率对机电开关来说具有挑战性。

在RF和微波工程领域，射频(RF)开关有多种形式，其中PiN二极管RF开关特别受欢迎。PiN二极管是在p型半导体区与n型半导体区之间具有宽的未掺杂本征半导体区的二极管。PiN二极管在射频和微波频率下通常表现为电流受控制的非线性电阻器和电容器/变抗器。像传统PN二极管一样，PiN二极管当正向偏置时允许电流在一个方向上流动，但当反向偏置时不允许电流在另一方向上流动。PiN二极管作为λ/4开关拓扑中的分路开关装置具有极好的小信号性能，并且由于PiN二极管中的未掺杂本征半导体区在反向偏置时降低了关断状态电容，PiN二极管通常由于其更好的插入损耗和更高的隔离性能而成为首选的RF开关。然而，尽管PiN二极管相对于例如互补金属氧化物半导体(CMOS)开关和微机电系统(MEMS)结构等其它非机械选项具有一些独特优势，但除非清楚了解其特性，否则很难设计成电路。

RF PiN二极管开关通常在利用四分之一波长(λ/4)传输线(TL)的印刷电路板或单片微波集成电路上实现，如图1所示。图1示出已知RF前端(FE)电路的图100，所述RF前端(FE)电路包括通过λ/4 TL152连接的接收侧110和天线/传输侧150。在具有PiN二极管装置的传统(λ/4)开关中，仅应用单向PiN二极管132作为分路开关。第一直流偏置160经由第一电阻器162施加到连接至PiN二极管132的正结的第一端口130，且第二直流偏置170经由第二电阻器172施加到连接至PiN二极管132的负结的第二端口140，其中交流去耦电容器142连接到地102。在传输模式下操作时，第一直流偏置160被布置成高于第二直流偏置170，然后PiN二极管132被‘接通’。节点120通过分路开关PiN二极管132短接到交流地，并且λ/4传输线从节点120处的低阻抗变换到Node B 150处的高阻抗。在节点120处存在小的电压摆幅但是非常大的电流摆幅，因此分路开关PiN二极管132需要处理大量的RF电流摆幅。由于PiN二极管132仅允许电流从P结流向N结，因此这种单向PiN二极管配置只能‘吸收’电流，但不能‘供应’大的交流电流摆幅，这意味着分路PiN二极管132必须在A类模式中偏置以维持高线性度的性能。

为了增加电路线性度(1dB压缩点(OP1dB))，必须增加偏置电流。然而，在传输操作模式中，即在存在大信号电流的情况下，传统拓扑在线性度与直流功耗之间存在明显的权衡。另外，在例如5G基站之类的应用中，通信是基于峰值平均功率比(PAPR)＝10dB的正交频分复用(OFDM)调制。因此，RF系统以10-dB的回退平均功率工作。这样，以A类偏置和高直流偏置电流操作PiN二极管以适应峰值功率信号会导致系统以低效率操作，且因此在许多实际实施方案中是不可接受的。