射频收发开关的制作方法

本发明涉及射频集成电路领域，具体涉及一种高性能的射频收发开关电路。

背景技术：

如今市场上常见的无线收发通信系统，如802.11abgn/ac和bluetooth等，都属于分时收发系统，即无线系统进行数据的收、发传输不是同时进行的。因此，高隔离度、低损耗的射频收发开关是此类分时收发系统的关键模块。

多年来pin二极管和ⅲ-ⅴ族化合物半导体mesfets分立器件占据了射频收发开关的大部分市场，但是采用额外的分立器件不但会增加系统的复杂度，占用印刷电路板(pcb)的空间，而且增加了成本。

基于cmos-soi工艺和lc谐振衬底偏置技术可以提高射频收发开关的隔离度和线性度，但cmos-soi非标准cmos工艺，无法将射频收发开关与其它电路模块集成在同一块芯片上，集成度低，成本也高，附图1给出了现有技术中一种lc谐振射频收发开关的电路结构示意图。

附图2是现有技术中一种串/并联射频收发开关的电路结构示意图，目前最常用的cmos射频收发开关大多采用串联/并联结构。但随着电路频率的升高，并联支路所产生的寄生效应降低了支路阻抗，高频下插入损耗将严重恶化。也有采用阻抗匹配网络或者采用堆叠晶体管来提高线性度，但都会以降低隔离度和插入损耗等性能为代价，因而在综合指标上也无法满足商用要求。

综上所述，现有的各种射频收发开关，存在集成度低、成本高、电路性能较差的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种具有高性能、高集成度、低成本等优点的基于标准cmos工艺的射频收发开关方案。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种射频收发开关，包括：

在发射模式时用于信号发射、在接收模式时用于信号接收的天线端；

用于将待发射信号输入所述射频收发开关的发射端；

将待发射信号耦合至所述天线端的发射端变换器；

在发射模式时与所述发射端变换器共同构成发射匹配网络的第一电容；

在接收模式时与所述第一电容共同构成接收匹配网络的阻抗匹配的接收匹配子网络；

用于将待接收信号输出所述射频收发开关的接收端；

用于选择发射模式或接收模式的射频开关模块；

所述天线端的连接节点分为两条一级支路，所述发射端和所述发射端变换器相串联并与所述连接节点相连接而构成第一条所述一级支路，所述第一电容的一端与所述连接节点相连接而构成第二条所述一级支路，所述第一电容的另一端分为两条二级支路，所述接收匹配子网络和所述接收端相串联并与所述第一电容的另一端相连接构成第一条所述二级支路，所述射频开关模块的一端与所述第一电容的另一端相连接、另一端接地而构成第二条所述二级支路；

在发射模式时，所述射频开关模块闭合，待发射信号在所述发射端与所述天线端之间传输；

在接收模式时，所述射频开关模块断开，待接收信号在所述天线端与所述接收端之间传输。

所述射频开关模块包括射频开关管，所述射频开关管的栅端经第一电阻而形成第一控制端，所述射频开关管的漏端与所述第一电容相连接，所述射频开关管的源端与所述第二电容相连接并经与所述第二电容并联的第二电阻而形成第二控制端；

当所述第一控制端所接电位高于所述第二控制端所接电位时，所述射频收发开关处于发射模式，当所述第一控制端所接电位低于所述第二控制端所接电位时，所述射频收发开关处于接收模式。

所述射频开关模块包括三极管，所述三极管的基极经第一电阻而形成第一控制端，所述三极管的集电极与所述第一电容相连接并经第二电阻而形成第二控制端，所述三极管的发射极接地；

当所述第一控制端所接电位和所述第二控制端所接电位均为高电位时，所述射频收发开关处于发射模式，当所述第一控制端所接电位和所述第二控制端所接电位均为低电位时，所述射频收发开关处于接收模式。

所述射频开关模块包括二极管，所述二极管的正极经第一电阻而形成第一控制端，所述二极管的正极与所述第一电容相连接，所述二极管的负极接地；

当所述第一控制端所接电位为高电位时，所述射频收发开关处于发射模式，当所述第一控制端所接电位为低电位时，所述射频收发开关处于接收模式。

所述发射端变换器包括相耦合的发射线圈和天线线圈，所述发射线圈的两端均连接至所述发射端，所述天线线圈的一端与所述天线端相连接、另一端接地。

所述接收匹配子网络包括电感或电容或电感和电容的组合。

所述射频收发开关采用标准cmos工艺实现。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的射频收发开关可以大大减少片外分立器件的使用，有效降低成本和pcb面积，同时兼具高性能、高集成度和低成本的优点。

附图说明

附图1为现有技术中一种lc谐振射频收发开关的电路结构示意图。

附图2为现有技术中一种串并联射频收发开关的电路结构示意图。

附图3为本发明第一实施例中一种高性能的射频收发开关的电路结构示意图。

附图4为本发明第一实施例中一种高性能的射频收发开关在射频开关模块处于闭合状态的电路结构示意图。

附图5为本发明第一实施例中一种高性能的射频收发开关在射频开关模块处于断开状态的电路结构示意图。

附图6为本发明第一实施例中一种高性能的射频收发开关工作于发射模式的电路结构示意图。

附图7为本发明第一实施例中一种高性能的射频收发开关工作于接收模式的电路结构示意图。

附图8为本发明第二实施例中一种高性能的射频收发开关的电路结构示意图。

附图9为本发明第二实施例中一种高性能的射频收发开关在射频开关模块处于闭合状态的电路结构示意图。

附图10为本发明第二实施例中一种高性能的射频收发开关在射频开关模块处于断开状态的电路结构示意图。

附图11为本发明第二实施例中一种高性能的射频收发开关工作于发射模式的电路结构示意图。

附图12为本发明第二实施例中一种高性能的射频收发开关工作于接收模式的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图3所示，一种射频收发开关，包括天线端、发射端、发射端变换器balun、第一电容c1、阻抗匹配的接收匹配子网络、接收端、射频开关模块k以及第二电容c2。该射频收发开关具有两种工作模式，分别为发射模式和接收模式。

天线端在发射模式时用于信号发射、在接收模式时用于信号接收，天线端的连接节点分为两条并接的一级支路。发射端用于将待发射信号输入射频收发开关中，其可以连接其他器件，如用于对信号进行放大的功率放大器pa来获得待发射信号。而发射端变换器balun则用于将待发射信号耦合至天线端。发射端和发射端变换器balun相串联并与天线端的连接节点相连接而构成第一条一级支路，即功率放大器pa的两个输出端分别形成发射端p和发射端n，两个发射端p、n为该射频收发开关在发射模式时的输入端，两个发射端p、n与发射端变换器balun的两个输入端相连接，而发射端变换器balun的输出端再连接至连接节点而与天线端相连接。

发射端变换器balun包括相耦合的发射线圈和天线线圈。发射线圈的两端连接至发射端p和发射端n，天线线圈的一端与天线端的连接节点相连接、另一端接地。

第一电容c1的一端与天线端的连接节点相连接而构成第二条一级支路，第一电容c1的另一端分为两条二级支路。接收匹配子网络和接收端相串联，并与第一电容c1的另一端相连接构成第一条二级支路，即接收匹配子网络的一端与第一电容c1的另一端相连接，接收匹配子网络的另一端连接至接收端，接收端可再连接其他器件，如低噪声放大器lna的输入端。本实施例中，接收匹配子网络采用电感l1，在其他实施方式中，接收匹配子网络也可以采用电容或者电容和电感的组合。第一电容c1在发射模式时与发射端变换器balun共同构成发射匹配网络，接收匹配子网络在接收模式时与第一电容c1共同构成接收匹配网络。射频开关模块k的一端与第一电容c1的另一端相连接、另一端与第二电容c2相串联后接地而构成第二条二级支路，射频开关模块k的接地方式为交流接地。

射频开关模块k用于选择发射模式或接收模式，其可以采用具有通断特性的器件来实现。本实施例中，射频开关模块k包括射频开关管m1，射频开关管m1选用射频nmos管。射频开关管m1的栅端g经第一电阻r1而形成第一控制端，并接入第一控制信号sw，射频开关管m1的漏端d与第一电容c1的另一端相连接，射频开关管m1的源端s与第二电容c2的一端相连接，射频开关管m1的源端s还经与第二电容c2并联的第二电阻r2而形成第二控制端，并接入第二控制信号vb。

如附图4所示，上述射频收发开关在发射模式时，射频开关模块k闭合，等效为闭合的开关k1。此时，射频开关管m1的栅端g串联第一电阻r1后接高电位（1.3v），射频开关管m1的源端s串联第二电阻r2后接低电位（0v），即第一控制信号sw为高电位信号，第二控制信号vb为低电位信号，第一控制端所接电位高于第二控制端所接电位。待发射信号在发射端与天线端之间传输。

如附图5所示，上述射频收发开关在接收模式时，射频开关模块k断开，等效为断开的开关k2。此时，射频开关管m1的栅端g串联第一电阻r1后接低电位（0v），射频开关管m1的源端s串联第二电阻r2后接不低于0v的电位，即第一控制信号sw为低电位信号，第一控制端所接电位低于第二控制端所接电位。待接收信号在天线端与接收端之间传输。

如附图6所示，射频收发开关工作于发射模式的方法为：功率放大器pa工作，低噪声放大器lna关闭，功率放大器pa的输出信号通过发射端变换器balun耦合到天线端，发射端变换器balun与第一电容c1作为发射匹配网络进行发射功率匹配，实现射频信号发射。此时射频开关管m1等效为一个闭合的开关，等效为闭合开关的射频开关管m1与第二电容c2的一端串联，第二电容c2的另一端接地，相当于将第一电容c1的一端接交流地，从而使天线线圈中的信号尽可能少地耦合到低噪声放大器lna的接收端，实现射频信号在功率放大器pa的输出端和天线端之间传输。功率放大器pa、发射端变换器balun、第一电容c1、第二电容c2、天线端形成发射通路。

如附图7所示，射频收发开关工作于接收模式的方法为：低噪声放大器lna工作，功率放大器pa关闭。天线端接第一电容c1的一端，第一电容c1的另一端与电感l1串联，电感l1的另一端接低噪声放大器lna的输入端，第一电容c1和电感l1串联作为接收匹配网络进行接收阻抗匹配，实现射频信号接收。射频开关管m1等效为一个断开的开关，等效为断开开关的射频开关管m1与第二电容c2的一端串联，第二电容c2的另一端接地，相当于消除了第二电容c2对接收阻抗匹配的影响，射频开关管m1的源端s偏置在大于0v（低噪声放大器lna的偏置电压），可以提高接收大信号时的线性度，实现射频信号在天线端和低噪声放大器lna输入端之间传输。天线端、第一电容c1、电感l1、低噪声放大器lna形成接收通路。

实施例二：如附图8所示，一种射频收发开关，包括天线端、发射端、发射端变换器balun、第一电容c1、由第二电容c2和电感l1构成的接受匹配子网络、接收端以及射频开关模块k。该射频收发开关具有两种工作模式，分别为发射模式和接收模式。

天线端在发射模式时用于信号发射、在接收模式时用于信号接收，天线端的连接节点分为两条并接的一级支路。发射端用于将待发射信号输入射频收发开关中，其可以连接其他器件，如用于对信号进行放大的功率放大器pa来获得待发射信号，而发射端变换器balun则用于将放大后获得的待发射信号耦合至天线端。发射端和发射端变换器balun相串联并与天线端的连接节点相连接而构成第一条一级支路，即功率放大器pa的两个输出端分别形成发射端p和发射端n，两个发射端p、n为该射频收发开关在发射模式时的输入端，而发射端变换器balun的输出端再连接至连接节点而与天线端相连接。

发射端变换器balun包括相耦合的发射线圈和天线线圈。发射线圈的两端均连接至发射端，天线线圈的一端与天线端的连接节点相连接、另一端接地。

第一电容c1的一端与天线端的连接节点相连接而构成第二条一级支路，第一电容c1的另一端分为两条二级支路。第二电容c2和电感l1以及接收端相串联，并与第一电容c1的另一端相连接构成第一条二级支路，即第二电容c2的一端与第一电容c1的另一端相连接，第二电容c2的另一端与电感l1的一端相连接，电感l1的另一端连接至接收端再连接至低噪声放大器lna的输入端，即低噪声放大器lna的输入端构成接收端。第一电容c1在发射模式时与发射端变换器balun共同构成发射匹配网络，第二电容c2和电感l1在接收模式时与第一电容c1共同构成接收匹配网络。射频开关模块k一端与第一电容c1的另一端相连接、另一端接地而构成第二条二级支路，射频开关模块k的接地方式为直流接地。

射频开关模块k用于选择发射模式或接收模式。射频开关模块k包括射频开关管q1，射频开关管q1选用npn三极管。射频开关管q1的基极b经第一电阻r1而形成第一控制端，并接入第一控制信号sw，射频开关管q1的集电极c与第一电容c1的另一端相连接，射频开关管q1的集电极c还经第二电阻r2而形成第二控制端，并接入第二控制信号vb，射频开关管q1的发射极e接地。

如附图9所示，上述射频收发开关在发射模式时，射频开关模块k闭合，等效为闭合的开关k1。此时，射频开关管q1的基极b串联第一电阻r1后接第一高电位（vh1），射频开关管q1的集电极c串联第二电阻r2后接第二高电位（vh2），即第一控制信号sw为第一高电位信号（具体电位根据实际情况选取高于0v的电位），第二控制信号vb为第二高电位信号（具体电位根据实际情况选取高于0v的电位），第一控制端和第二控制端所接电位均为高电位。待发射信号在发射端与天线端之间传输。

如附图10所示，上述射频收发开关在接收模式时，射频开关模块k断开，等效为断开的开关k2。此时，射频开关管q1的基极b串联第一电阻r1后接低电位（0v），射频开关管q1的集电极c串联第二电阻r2后接低电位（0v），即第一控制信号sw为低电位信号，第二控制信号vb为低电位信号，第一控制端和第二控制端所接电位均为低电位。待接收信号在天线端与接收端之间传输。

如附图11所示，射频收发开关工作于发射模式的方法为：功率放大器pa工作，低噪声放大器lna关闭，功率放大器pa的输出信号通过发射端变换器balun耦合到天线端，发射端变换器balun与第一电容c1作为发射匹配网络进行发射功率匹配，实现射频信号发射。此时射频开关管q1等效为一个闭合的开关，等效为闭合开关的射频开关管q1一端接第一电容c1，另一端接地，相当于将第一电容c1的另一端接地，从而使天线线圈中的信号尽可能少地耦合到低噪声放大器lna的接收端，实现射频信号在功率放大器pa的输出端和天线端之间传输。功率放大器pa、发射端变换器balun、第一电容c1、天线端形成发射通路。

如附图12所示，射频收发开关工作于接收模式的方法为：低噪声放大器lna工作，功率放大器pa关闭。天线端接第一电容c1的一端，第一电容c1的另一端与第二电容c2串联，第二电容c2的另一端与电感l1串联，电感l1的另一端接低噪声放大器lna的输入端，第一电容c1和第二电容c2以及电感l1串联作为接收匹配网络进行接收阻抗匹配，实现射频信号在天线端和低噪声放大器lna输入端之间传输。天线端、第一电容c1、第二电容c2、电感l1、低噪声放大器lna形成接收通路。

在上述两个实施例中，射频收发开关电路及其子电路均位于同一个芯片内，可以实现射频信号传输路径在功率放大器pa输出端与天线端之间或者在天线端与低噪声放大器lna输入端之间切换。

在上述两个实施例中，发射端功率匹配网络和接收端阻抗匹配网络，即第一电容c1、第二电容c2、电感l1、发射端变换器balun均采用标准cmos工艺中的片上电感和片上电容实现，可大大降低片外分立元器件的使用，有效降低成本和pcb面积，同时实现高性能，高集成度和低成本。

在上述两个实施例中，除了上面提到的电感、电容等无源器件外，其它所有电路及有源器件也都可以采用标准cmos工艺制造，由于标准cmos工艺中的射频nmos管和npn三极管限于本身特性及性能不太适合直接用做射频开关，因此在本发明中只是将射频nmos管（射频开关管m1）和npn三极管（射频开关管q1）用于信号旁路，而没有出现在射频信号的直接通路上，避免了可能引起的系统性能下降。

在上述两个实施例中，射频开关模块k的第一控制信号sw和第二控制信号vb所接偏置电压可以由bandgap、ldo、反相器输出，甚至外接电源提供，由于偏置电路并非本发明的重点，因此不再一一举例说明。

射频收发开关除上述实施例给出的射频开关管m1或射频开关管q1以外，还可以采用二极管来实现，例如二极管的正极经第一电阻而形成第一控制端，二极管的正极与第一电容相连接，二极管的负极接地。当第一控制端所接电位为高电位时，射频收发开关处于发射模式，当第一控制端所接电位为低电位时，射频收发开关处于接收模式。

所述实施例已经充分揭示了本发明的一种高性能射频收发开关的工作原理，需要说明的是，本实施例所述的具体实施方式仅为更加便于理解本发明的内容及精神，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，而非用于限定本发明。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。