CN120223045A 高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路及电路优化方法

(72)发明人彭宇王祁钰杨柯罗力伟有限公司51276高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路及本发明公开了高隔离低损耗吸收式单刀四公共支路上且结构相同的四条射频通路，分别通路和第四射频通路关于输入端公共支路对称串联在中间的开关并联支路上串联有到地的谐振电容。在开关并联支路中引入到地的谐振电1FF3-PC21.一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，包括并联在输入端公共第四射频通路，其中，第一射频通路和第二射频通路关于输入端公共支路对称设置、第三射频通路和第四射频通路关于输入端公共支路对称设置，第一射频通路、第二射频通路、第三射频通路、第四射频通路均包括三条串联的开关并联支路，且对于每个射频通路，三条开关并联支路中串联在中间的开关并联支路上串联有到地的谐振电容。2.根据权利要求1所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，每个射频通路还包括串联的第一开关并联支路、第二开关并联支路和第三开关并联支路以及与第三开关并联支路串联的输出串联开关，第一开关并联支路和第二开关并联支路之间串联有第一微带线，第二开关并联支路和第三开关并联支路之间串联有第二微带线，第一开关并联支路并联在输入端公共支路上，第三开关并联支路与输出串联开关之间串联有第三微带线。3.根据权利要求2所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，输出串联开关的源极串联第四微带线后作为射频通路的输出端口，输出串联开关的漏极与第三微带线串联，输出串联开关的源极和漏极之间并联有吸收式电阻，输出串联开关的栅极连接栅极电阻。4.根据权利要求2所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，第一开关并联支路包括对称设置且并联在同一点的第一开关和第二开关，第一开关的源极并联在输入端公共支路上，第一开关的漏极与第二开关的漏极并联在同一点，第一微带线的一端并联在第一开关的漏极与第二开关的漏极之间，第二开关的源极接地，第一开关和第二开关的栅极分别连接栅极电阻。5.根据权利要求4所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，第二开关并联支路包括对称设置且漏极并联在同一点的第一并联到地开关和第二并联到地开关，第一并联到地开关和第二并联开关的源极分别串联有到地的谐振电容，第一并联到地开关和第二并联开关的栅极分别连接栅极电阻，第二微带线的一端以及第一微带线的另一端并联在第一并联到地开关的漏极和第二并联开关的漏极之间。6.根据权利要求5所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，第三开关并联支路包括对称设置且漏极并联在同一点的第三并联到地开关和第四并联到地开关，第三并联到地开关和第四并联开关的源极接地，第三并联到地开关和第四并联开关的栅极分别连接栅极电阻，第二微带线的另一端以及第三微带线的一端均并联在第三并联到地开关的漏极和第四并联开关的漏极之间。7.根据权利要求1所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，输入端公共支路上包括第五微带线和第六微带线，第五微带线一端连接射频输入端、另一端并联在第一射频通路和第二射频通路之间，第六微带线一端并联在第一射频通路和第二射频通路之间、另一端并联在第三射频通路和第四射频通路之间。8.根据权利要求7所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，其特征在于，第六微带线的长度小于第五微带线。S1、构建吸收式单刀四掷开关电路的电路基本拓扑结构；3S2、分别在电路基本拓扑结构的三条开关并联支路上均设置串联到地的谐振电容，得到第一电路结构；对第一电路结构在设定频率范围内进行仿真，并选择第一射频通路为测试通路，得到第一电路结构的测试曲线；S3、仅在电路基本拓扑结构的每条开关并联支路上分别设置串联到地的谐振电容，得到第二电路结构、第三电路结构和第四电路结构；分别对第二电路结构、第三电路结构和第四电路结构在所述设定频率范围内进行仿真，并选择第一射频通路为测试通路，分别得到各个电路结构对应的测试曲线；S4、依次比较各个电路结构对应的测试曲线，筛选出测试曲线最优对应的电路结构，得到如权利要求1所述的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路。10.根据权利要求9所述的一种电路优化方法，其特征在于，测试曲线包括隔离度曲线、插入损耗曲线和输入输出驻波曲线；最优测试曲线的筛选为：从各电路结构的输入输出驻波曲线中筛选出满足预设阈值的曲线，接着分析各满足预设阈值的电路结构中各隔离度曲线的变化趋势，当变化趋势满足预设条件时，则继续从满足预设条件的电路结构中筛选出插入损耗最小的测试曲线，得到隔离度曲线满足预设条件且插入损耗最小时的测试曲线。4高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路及电路优化方法技术领域[0001]本发明涉及微波毫米波技术领域，具体涉及高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路及电路优化方法。背景技术[0002]在现代通信领域以及电子测量领域中，吸收式单刀四掷开关有着广泛的应用。吸收式单刀四掷开关设计是一种用于射频(RF)信号路径切换的器件，其核心功能是将一个公共端口(单刀)切换到四个可选端口(四掷)中的一个，同时通过吸收式设计确保未选端口的信号被负载吸收而非反射，保证未选端口也有着良好匹配，从而提高系统性能。目前广泛用于基站天线切换、多频段选择、信号冗余备份、多通道信号切换、波束形成网络以及矢量网络分析仪(VNA)的多端口校准、自动化测试设备(AT[0003]隔离度表征开关在断开状态下，输入端与输出端之间的信号衰减程度，反映开关阻断信号的能力。在高频通系统(如雷达、通信)中防止信号泄漏，确保接收端不受干扰，对开关的隔离度有着较高的要求。插入损耗指的是开关在导通状态下信号的衰减，插入损耗值越小越好，信号链中需最小化损耗以保持信噪比，如射频前端或测试设备。隔离度针对断开状态，损耗针对导通状态。隔离度和损耗共同决定了开关的信号处理能力。[0004]吸收式设计主要将未选端口通过负载匹配。负载大小一般是50欧姆。通过匹配负载可以避免反射，降低驻波比(VSWR)和信号干扰。一般情况下，可以通过增加支路上的并联到地开关管数量来提高开关的隔离度，但是通常会增加开关的损耗。目前，吸收式单刀四掷开关在降低损耗的同时，隔离度会受到限制。如何进一步提高开关的隔离度是亟需解决的发明内容[0005]本发明的目的在于提供一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，在开关并联支路中引入到地的谐振电容，使得隔离度曲线在带内出现谐振点，大大提升了开关的隔离度性能，同时保证开关的损耗不会恶化。一方面，本发明提供一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，包括并联在输入端公共支路上且结构相同的四条射频通路，分别为：第一射频通路、第二射频通路、第三射频通路、第四射频通路，其中，第一射频通路和第二射频通路关于输入端公共支路对称设置、第三射频通路和第四射频通路关于输入端公共支路对称设置，第一射频通路、第二射频通路、第三射频通路、第四射频通路均包括三条串联的开关并联支路，且对于每个射频通路，三条开关并联支路中串联在中间的开关并联支路上串联有到地的谐振电容。[0007]在一些具体实施方案中，每个射频通路还包括串联的第一开关并联支路、第二开关并联支路和第三开关并联支路以及与第三开关并联支路串联的输出串联开关，第一开关并联支路和第二开关并联支路之间串联有第一微带线，第二开关并联支路和第三开关并联5支路之间串联有第二微带线，第一开关并联支路并联在输入端公共支路上，第三开关并联支路与输出串联开关之间串联有第三微带线。[0008]在一些具体实施方案中，输出串联开关的源极串联第四微带线后作为射频通路的输出端口，输出串联开关的漏极与第三微带线串联，输出串联开关的源极和漏极之间并联有吸收式电阻，输出串联开关的栅极连接栅极电阻。[0009]在一些具体实施方案中，第一开关并联支路包括对称设置且并联在同一点的第一开关和第二开关，第一开关的源极并联在输入端公共支路上，第一开关的漏极与第二开关的漏极并联在同一点，第一微带线的一端并联在第一开关的漏极与第二开关的漏极之间，第二开关的源极接地，第一开关和第二开关的栅极分别连接栅极电阻。[0010]在一些具体实施方案中，第二开关并联支路包括对称设置且漏极并联在同一点的第一并联到地开关和第二并联到地开关，第一并联到地开关和第二并联开关的源极分别串联有到地的谐振电容，第一并联到地开关和第二并联开关的栅极分别连接栅极电阻，第二微带线的一端以及第一微带线的另一端并联在第一并联到地开关的漏极和第二并联开关的漏极之间。[0011]在一些具体实施方案中，第三开关并联支路包括对称设置且漏极并联在同一点的第三并联到地开关和第四并联到地开关，第三并联到地开关和第四并联开关的源极接地，第三并联到地开关和第四并联开关的栅极分别连接栅极电阻，第二微带线的另一端以及第三微带线的一端均并联在第三并联到地开关的漏极和第四并联开关的漏极之间。[0012]在一些具体实施方案中，输入端公共支路上包括第五微带线和第六微带线，第五微带线一端连接射频输入端、另一端并联在第一射频通路和第二射频通路之间，第六微带线一端并联在第一射频通路和第二射频通路之间、另一端并联在第三射频通路和第四射频通路之间。[0013]在一些具体实施方案中，第六微带线的长度小于第五微带线。S1、构建吸收式单刀四掷开关电路的电路基本拓扑结构；电路基本拓扑结构包括并联在输入端公共支路上且结构相同的四条射频通路，分第二射频通路关于输入端公共支路对称设置、第三射频通路和第四射频通路关于输入端公共支路对称设置，第一射频通路、第二射频通路、第三射频通路、第四射频通路均包括三条串联的开关并联支路。[0015]S2、分别在电路基本拓扑结构的三条开关并联支路上均设置串联到地的谐振电对第一电路结构在设定频率范围内进行仿真，并选择第一射频通路为测试通路，得到第一电路结构的测试曲线；S3、仅在电路基本拓扑结构的每条开关并联支路上分别设置串联到地的谐振电容，得到第二电路结构、第三电路结构和第分别对第二电路结构、第三电路结构和第四电路结构在所述设定频率范围内进行仿真，并选择第一射频通路为测试通路，分别得到各个电路结构对应的测试曲线；第三电路结构的测试曲线和第四电路结构的测试曲线；6S4、依次比较各个电路结构对应的测试曲线，筛选出测试曲线最优对应的电路结构，得到第一方面的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路。第一测试曲线、第二测试在一些具体实施方案中，测试曲线包括隔离度曲线、插入损耗曲线和输入输出驻波曲线；最优测试曲线的筛选为：从各电路结构的输入输出驻波曲线中筛选出满足预设阈值的曲线，接着分析各满足预设阈值的电路结构中各隔离度曲线的变化趋势，当变化趋势满足预设条件时，则继续从满足预设条件的电路结构中筛选出插入损耗最小的测试曲线，得到隔离度曲线满足预设条件且插入损耗最小时的测试曲线。[0016]本发明具有的有益效果：通过增加并联开关的开关管数量，增加隔离度，并在开关并联支路合适位置引入并联到地的谐振电容，使得隔离度曲线在带内出现谐振点，大大提升了开关的隔离度性能，同时保证开关的损耗不会恶化。第一射频通路、第二射频通路、第三射频通路、第四射频通路的输出端开关均与50欧姆电阻并联，实现吸收式功能，通过切换不同控制电压来实现开关通路切换。附图说明[0017]图1为本发明实施例提供的高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路拓扑结构示意图2为本发明实施例提供的其中一个射频通路的电路结构示意图；图3为本发明实施例提供的电路基本拓扑结构示意图；图4为本发明实施例提供的第一电路结构示意图；图6为基于图4的电路结构，仿真当RFC-RF1通路打开时，RFC-RF1的插入损耗dB(S(2,1))曲线示意图；图7为为本发明实施例提供的第五电路结构示意图；图8为基于图7的电路结构，仿真当RFC-RF1通路打开时RFC-RF2的隔离度、RFC-RF3图9为本发明实施例提供的第二电路结构示意图；图10为基于图9的电路结构，仿真当RFC-RF1通路打开时RFC-RF2的隔离度、RFC-图11为基于图9的电路结构，仿真当RFC-RF1通路打开时，RFC-RF1的插入损耗曲线示意图；图13为基于第三的电路结构，仿真当RFC-RF1通路打开时，RFC-RF1的插入损耗曲线示意图；7具体实施方式[0018]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。[0019]除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。[0020]同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺的比例关系绘制的。[0021]另外，为了清楚和简洁起见，可能省略了对公知的结构、功能和配置的描述。本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文描述的示例进行各种改变和修改。[0022]对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。[0023]在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。如图1所示，本实施例提供一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路，包括并联在输入端公共支路上且结构相同的四条射频通路，分别为：第一射频通路RF-RF1、第二射频二射频通路RF-RF2关于输入端公共支路对称设置、第三射频通路RF-RF3和第四射频通路RF-RF4关于输入端公共支路对称设置，第一射频通路RF-RF1、第二射频通路RF-RF2、第三射频通路RF-RF3、第四射频通路RF-RF4均包括三条串联的开关并联支路，且对于每个射频通路，三条开关并联支路中串联在中间的开关并联支路上串联有到地的谐振电容。[0025]具体地，如图2所示，每个射频通路还包括串联的第一开关并联支路、第二开关并联支路和第三开关并联支路以及与第三开关并联支路串联的输出串联开关M5,第一开关并联支路和第二开关并联支路之间串联有第一微带线TL1,第二开关并联支路和第三开关并联支路之间串联有第二微带线TL2,第一开关并联支路并联在输入端公共支路上，第三开关并联支路与输出串联开关之间串联有第三微带线TL3。[0026]其中，对于每个射频通路，输出串联开关M5的源极串联第四微带线TL4后作为射频的漏极与第三微带线TL3串联，输出串联开关M5的源极和漏极之间并联有吸收式电阻R1,输出串联开关M5的栅极连接栅极电阻Rg,然后连接控制电压实现开关切换，且每个射频通路的控制电压不同。吸收式电阻R1为50欧姆电阻并联，实现吸收式功能，各个射频通路通过切换不同控制电压来实现开关射频通路切换。[0027]更具体地，四条射频通路的结支路包括对称设置且并联在同一点的第一开关M1和第二开关M2,第一开关M1的源极并联在输入端公共支路上，第一开关M1的漏极与第二开关M2的漏极并联在同一点，第一微带线TL18的一端并联在第一开关M1的漏极与第二开关M2的漏极之间，第二开关M2的源极接地，第一开关M1和第二开关M2的栅极分别连接栅极电阻Rg。[0028]第二开关并联支路包括对称设置且漏极并联在同一点的第一并联到地开关M3和第二并联到地开关M3,第一并联到地开关M3和第二并联开关M3的源极分别串联有到地的谐振电容C1,第一并联到地开关M3和第二并联开关M3的栅极分别连接栅极电阻Rg,第二微带线TL2的一端以及第一微带线TL1的另一端并联在第一并联到地开关M3的漏极和第二并联开关M3的漏极之间。通过引入谐振电容C1,可以改变隔离度曲线的形状，在隔离度曲线中形[0029]第三开关并联支路包括对称设置且漏极并联在同一点的第三并联到地开关M4和第四并联到地开关M4,第三并联到地开关M4和第四并联到地开关M4的源极接地，第三并联到地开关M4和第四并联到地开关M4的栅极分别连接栅极电阻Rg,第二微带线TL2的另一端以及第三微带线TL3的一端均并联在第三并联到地开关M4的漏极和第四并联到地开关M4的漏极之间，第三微带线TL3的另一端连接输出串联开关M5的漏极。[0030]在一些具体实施方案中，输入端公共支路上包括第五微带线TL5和第六微带线TL6,第五微带线TL5一端连接射频输入端RF、另一端并联在第一射频通路和第二射频通路之间，具体地，微带线TL5并联在第一射频通路的第一开关的源极和第二开关的源极之间，第六微带线TL6一端并联在第一射频通路和第二射频通路之间、另一端并联在第三射频通路和第四射频通路之间。[0031]其中，第六微带线TL6的长度小于第五微带线TL5。微带线TL4长度一般为四分之一波长，TL6的长度一般较短，以保证RFC到RF1,RF2,RF3,RF4四个端口的幅度和相位的一致需要根据指标性能来进行调节，通常情况下，微带线TL1,微带线TL2的长度较长。[0032]实施例2本实施例给出了一种能设计出实施例1的设计过程，提供一种电路优化方法，包括以下步骤：S1、构建吸收式单刀四掷开关电路的电路基本拓扑结构；如图3所示，电路基本拓扑结构包括并联在输入端公共支路上且结构相同的四条射频通路和第二射频通路关于输入端公共支路对称设置、第三射频通路和第四射频通路关于输入端公共支路对称设置，第一射频通路、第二射频通路、第三射频通路、第四射频通路均包括三条串联的开关并联支路。[0033]如图3所示，仅通过增加开关支路中并联开关管的数量可以进一步提升隔离度，但此时损耗也会增加，因此，考虑到电路要满足高隔离度低损耗的情况下，想要在增加开关管数量后，插入损耗不增加，通过在电路中引入谐振电容的方式实现，然而谐振电容选取的大小和连接位置需要调试确定，具体过程为：S21、分别在电路基本拓扑结构的三条开关并联支路上均设置与开关管串联到地对在设定频率范围内进行仿真，并选择第一射频通路为测试通路，得到第一电路结构的测试曲线；9S22、在电路基本拓扑结构的其中两条开关并联支路上设置串联到地的谐振电容，得到三种电路结构：第五电路结构、第六电路结构和第七电路结构；S23、仅在电路基本拓扑结构的每条开关并联支路上分别设置串联到地的谐振电分别对七个电路结构在设定频率范围内进行仿真，并选择第一射频通路为测试通路，分别得到各个电路结构对应的测试曲线；测试曲线包括隔离度曲线和插入损耗曲线；S3、依次比较各个电路结构对应的测试曲线，筛选出测试曲线最优对应的电路结构，得到实施例1的一种高隔离低损耗吸收式单刀四掷开关电路。[0034]测试曲线包括隔离度曲线、插入损耗曲线和输入输出驻波曲线；最优测试曲线的筛选为：在保证输入输出驻波较好的前提下，分析各电路结构中各隔离度曲线的变化趋势，当变化趋势满足预设条件时，则继续从满足预设条件的电路结构中筛选出插入损耗最小的测试曲线，得到隔离度曲线满足预设条件且插入损耗最小时的测试曲线。[0035]如图4所示，第一电路结构中，为了进一步提升开关每个射频通路的隔离度，尝试在隔离度曲线上引入谐振点，通过在三个并联支路中的第二开关M2、并联到地开关M3和M4处分别加入谐振电容C2,C1,C3,然后调节C1,C2,C3的值，得到较好的隔离度仿真测试，测试结果如图5～图6所示。由图5的隔离度仿真结果可知，在10GHz附近，隔离度计算曲线出现谐振点，这个频段内的隔离度性能较好，但是在4GHz附近隔离度恶化，因此，三个并联到地开关处加入谐振电容C1,C2,C3的效果一般。[0036]如图7所示，在第五电路结构中，为了提高隔离度，继续考虑只在两个开关支路中使用谐振电容，尝试将两个谐振电容C1,C3放在开关管M3,M4处，调节C2,C3的值，如图8所示，得到第五电路结构下性能较好的一个仿真结果，第五电路结构的隔离度性能有略微提升。在两个开关支路上均引入电容所达到的效果只有略微的提升，考虑只使用一个谐振电容来实现最佳的效果。[0037]第二电路结构、第三电路结构和第四电路结构中，分别在一条开关并联支路上串联谐振电容，分别调节C1,C3,C2的值，以第二电路结构为例，如图9所示，在第二电路结构中，仅在第一开关并联支路的第二开关M2上串联电容C2,然后调节C2的值，使得当前电路性能能够最优。如图10～图14所示，得到第二电路结构、第三电路结构和第四电路结构的隔离度曲线和插入损耗曲线对比示意图；根据对比结果，可以看出，在第二开关M2上串联谐振电容C2,隔离度仿真曲线(如图10)与在第二并联支路的并联到地开关M3串联谐振电容C1时的隔离度曲线(如图12)相近，从图11和图13的插入损耗曲线可知，第二电路结构在10.5GHz左右的插入损耗会增大。若在第三开关并联支路的第三并联到地开关M4串联谐振电容C3,得到第四电路结构，此时，如图14所示，此时的隔离度曲线的谐振点在8GHz左右，此时在高频隔离度曲线恶化，开工作频带变窄，且在4GHz处隔离度较差。[0038]因此，综合所有情况进行比较分析，在第二开关并联支路的开关管M3处串联一个谐振电容C1到地可以实现最佳的效果，最终，通过流片测试验证了这种电路结构的可行性。[0039]可以理解的是，通过在每个射频通路中，增加并联到地的开关管的基础上，在第二并联开关支路和地之间引入串联到地的谐振电容C1,使得隔离度曲线在带内出现谐振点，大大提升了开关的隔离度性能，并且保证开关的损耗不会恶化。第一射频通路、第二射频通路、第三射频通路、第四射频通路的输出端开关均与50欧姆电阻并联，实现吸收式功能。电路在满足输入输出驻波良好的同时还具有超高隔离，通过切换不同控制电压来实现开关通路切换以此实现单刀四掷的功能。电路结构紧凑。[0040]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。场叶叶i图111lWWLlWWLWWillWWW品|WW1图2MM一一一叶叶叶WW图34/11页4/11页5lttAI叶一一叶