5G通信射频开关系统的制作方法

本发明涉及射频前端集成电路
技术领域：
，特别涉及一种5g通信射频开关系统。
背景技术：
随着多模多频移动通信的发展，在射频前端集成电路设计中，射频天线开关结构越来越复杂。要求射频天线开关具有尽可能高的功率线性度，高的谐波抑制比，尽可能低的插入损耗(insertionloss，il，简称插损)和尽可能高的隔离度(isolation)。其中，插入损耗为开关处于导通状态时的传输损耗，通常指衰减。插入损耗以信号电平的对应分贝(db)来表示。隔离度为本振或射频信号泄漏到其他端口的功率与输入功率之比，即开关输入端和输出端之间的衰减度，是衡量开关截止有效性的指标，单位为分贝(db)。为提高无线传输传输速率，需要增加频谱带宽。根据通信原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5％左右，故载波频率越高，可实现的信号带宽也越大。因此，5g通信将使用包括毫米波的频段，射频前端器件需要覆盖毫米波的频段。其中第五代移动通信标准，也称第五代移动通信技术，简称：5g。5g模一般向下兼容4g、3g和2g模。其中每代模根据不同国家或者地区划分了不同的多个频段。例如：5g模可以划分为10ghz以下的低频段和10ghz以上的高频段。请参考图1，传统的射频开关系统包括多模多频开关单元以及与其连接的天线。其中多模多频开关单元一般采用例如spmt架构的单刀多掷开关。由于多模多频开关单元的掷数越多，其对地的等效关断电容越大，该关断电容表现为低通特征，会显著退化射频开关在高频段尤其是毫米波频段下插入损耗。请参考图2，图1中传统的射频开关系统在以10ghz频率为参考点划分的高低频段的插入损耗的仿真图，该射频开关在1ghz时的插入损耗为-266.9mdb，在6ghz时的插入损耗为-594.7mdb，在5g通信26ghz频段时的插入损耗为-4.864db，在5g通信39ghz频段时的插入损耗为-8.379db，在5g通信71ghz频段时的插入损耗为-16.45db。由此可知，传统的射频开关系统对5g通信10ghz以下的低频段影响较小，插入损耗未见明显退化，而在5g通信10ghz以上高频段时呈明显快速退化趋势。由于在10ghz以上高频段时射频开关系统的插入损耗的显著增大，即射频开关的射频收发端口到天线插入显著损耗增大，降低了5g射频开关高频段的发射效率及接收灵敏度。因此，如何改善5g通信射频开关系统在10ghz以上频段的插入损耗是本领域技术人员亟需解决的技术问题。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种5g通信射频开关系统，以改善5g通信射频开关系统在高频段的插入损耗以及改善5g通信射频开关系统在高低频段的隔离度。为解决上述技术问题，本发明提供一种5g通信射频开关系统，包括多模多频开关单元和天线，所述多模多频开关单元包括5g模多频段子开关单元，所述5g模多频段子开关单元包括以某一参考频率划分的5g模低频段子开关单元和5g模高频段子开关单元，所述5g模低频段子开关单元与天线之间连接有低通滤波器，所述5g模高频段子开关单元与天线之间连接有高通滤波器。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统，所述5g模多频段子开关单元以7ghz至22ghz之间的某一频率为参考频率划分为5g模低频段子开关单元和5g模高频段子开关单元。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统，所述低通滤波器由所述5g模低频段子开关单元与天线之间串接的电感和所述5g模低频段子开关单元的导通电阻、关断电容组成的rlc谐振滤波网络构成。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统，所述多模多频开关单元还包括4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和/或2g模多频段子开关单元，所述4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和/或2g模多频段子开关单元通过所述低通滤波器与所述天线连接。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统，所述低通滤波器由所述5g模低频段子开关单元与4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和2g模多频段子开关单元的任意组合的共享支路与天线之间串接的电感和所述5g模低频段子开关单元与4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和2g模多频段子开关单元的任意组合的导通电阻、关断电容组成的rlc谐振滤波网络构成。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统，所述高通滤波器由串接在5g模高频段子开关单元与天线之间的电容和所述5g模高频段子开关单元的导通电阻、关断电容组成的rc谐振滤波网络构成。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统，所述多模多频开关单元为单刀多掷开关或者双刀多掷开关。为解决上述技术问题，本发明还提供一种5g通信射频开关系统的设计方法，将5g模多模多频开关子单元以某一参考频率划分为5g模低频段子开关单元和5g模高频段子开关单元，在5g模低频段子开关单元与天线之间连接低通滤波器，在5g模高频段子开关单元与天线之间连接高通滤波器，以对5g模频段分组后通过低通滤波器和高通滤波器的滤波与隔离功能来改善5g以对5g模频段分组后通过低通滤波器和高通滤波器的滤波与隔离功能来改善5g通信射频开关系统在高频段的插入损耗，以及改善5g射频开关系统在高低频段的隔离度。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统的设计方法，将5g模多频段子开关单元以7ghz至22ghz之间的某一频率为参考频率划分为5g模低频段子开关单元和5g模高频段子开关单元。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统的设计方法，将所述多模多频开关单元向下兼容设计4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和/或2g模多频段子开关单元，在5g模低频段子开关单元与4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和2g模多频段子开关单元的任意组合的共享支路与天线之间连接低通滤波器，以使5g通信射频开关系统在向下兼容模式时，改善高频段的插入损耗，以及改善5g射频开关系统在高低频段的隔离度。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统的设计方法，所述低通滤波器采用在5g模低频段子开关单元与天线之间的串接电感和所述5g模低频段子开关单元的导通电容、关断电容组成的rlc谐振滤波网络构成。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统的设计方法，所述低通滤波器采用在5g模低频段子开关单元与4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和2g模多频段子开关单元的任意组合的共享支路与天线之间串接的电感和所述5g模低频段子开关单元与4g模多频段子开关单元、3g模多频段子开关单元和2g模多频段子开关单元的任意组合的导通电阻、关断电容组成的rlc谐振滤波网络构成。进一步的，本发明提供的5g通信射频开关系统的设计方法，所述高通滤波器采用串接在5g模高频段子开关单元与天线之间的电容和所述5g模高频段子开关单元的导通电阻、关断电容组成的rc谐振滤波网络构成。本发明提供的5g通信射频开关系统及其设计方法，通过某一参考频率将多模多频开关单元的频段分进行组设计，将5g模划分5g模低频段子开关单元和5g模高频段子开关单元。当发射或者接收的射频信号为5g模低频段的频率时，通过5g模低频段子开关单元与天线之间通过低通滤波器的滤波特性，屏蔽5g模低频段子开关单元中的高频干扰，仅使得5g模低频段以下的射频信号通过，从而保证5g模低频段以下的射频信号的插入损耗几乎不退化；同时通过5g模高频段子开关单元与天线之间的高通滤波器的隔离功能，增强了5g模低频段与高频段之间的隔离度。当发射或者接收的射频信号为5g模高频段的频率时，通过高通滤波器去除了多模多频开关单元的低频干扰，通过低通滤波器的高频阻带抑制信号，以克服5g模低频段的开关支路的关断电容对5g模在高频段射频信号的退化影响，使符合5g模高频段的射频信号通过，从而改善了5g模在高频段的插入损耗；同时通过低通滤滤器的隔离功能改善了5g模在高频段的隔离度。本发明特别适用于改善5g模毫米波频段的射频信号的插入损耗和隔离度。附图说明图1是传统的射频开关的结构示意图；图2是图1的射频开关的等效电路图；图3是传统的射频开关的插入损耗的仿真图；图4是本发明实施例的多模多频开关单元的结构示意图；图5是本发明实施例的5g通信射频开关系统的方框原理图；图6是本发明实施例的5g通信射频开关系统的结构示意图；图7是本发明实施例的spmt架构的多模多频开关及5g通信射频开关系统的结构示意图；图8是本发明实施例的多模多频开关单元的其中一个射频开关支路的电路原理图；图9是本发明实施例的sp10t架构的5g通信射频开关系统的电路原理图；图10a是本发明实施例的spmt架构的5g射频开关在低频段的等效电路原理图；图10b是本发明实施例的spmt架构的5g射频开关在高频段的等效电路原理图；图11是本发明实施例的5g射频开关的插入损耗的仿真图；图中所示：100、5g射频开关，110、多模多频开关单元，111、5g模多频段子开关单元，1111、5g模低频段子开关单元，1112、5g模高频段子开关单元，112、4g模多频段子开关单元，113、3g模多频段子开关单元，114、2g模多频段子开关单元，120、天线，130、低通滤波器，140、高通滤波器。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。请参考图4至图6，本发明实施例提供一种5g通信射频开关系统100，包括多模多频开关单元110和天线120，所述多模多频开关单元110包括5g模多频段子开关单元111，所述5g模多频段子开关单元111包括以某一参考频率fr划分的5g模低频段子开关单元1111和5g模高频段子开关单元1112，所述5g模低频段子开关单元1111与天线120之间连接有低通滤波器130，所述5g模高频段子开关单元1112与天线120之间连接有高通滤波器140。其中参考频率fr例如为7ghz至22ghz之间的频率，也可以不限于上述频率范围的频率。当发射或者接收频率信号fc>fr时，选通5g模高频段子开关单元1112，对应5g模的高频段；当发射或者接收频率信号fc<fr时，选通5g模低频段子开关单元1111，对应5g模的低频段。本发明实施例优选为10ghz，其对应厘米波段。射频信号的频率和波段的对应关系如下表1：波段频段0.01m-0.1m(厘米波)3ghz-30ghz0.001m-0.01m(毫米波)30ghz-300ghz表1对于5g通信标准来说，全球5g模分为低频段和高频段，频段划分关系如下表2：类型频段低频段(fr1)450mhz-6.0ghz高频段(fr2)24.0ghz-71.0ghz表2本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100，通过某一参考频率fr将多模多频开关单元110的频段分进行组设计，将5g模划分5g模低频段子开关单元1111和5g模高频段子开关单元1112。当发射或者接收的射频信号为5g模低频段的频率时，通过5g模低频段子开关单元与天线之间通过低通滤波器的滤波特性，屏蔽5g模低频段子开关单元中的高频干扰，仅使得5g模低频段以下的射频信号通过，从而保证5g模低频段以下的射频信号的插入损耗几乎不退化；同时通过5g模高频段子开关单元与天线之间的高通滤波器的隔离功能，增强了5g模在低频段与高频段之间的隔离度。当发射或者接收的射频信号为5g模高频段的频率时，通过高通滤波器去除了多模多频开关单元的低频干扰，通过低通滤波器的高频阻带抑制信号，以克服5g模低频段的开关支路的关断电容对5g模在高频段射频信号的退化影响，使符合5g模高频段的射频信号通过，从而改善了5g模在高频段的插入损耗；同时通过低通滤滤器的隔离功能改善了5g模在高频段与低频段之间的隔离度。本发明特别适用于改善5g模毫米波频段的射频信号的插入损耗和隔离度。本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100，所述多模多频开关单元110为单刀多掷开关spmt或者双刀多掷开关dpdt。请参考图7，为了改善隔离度，本发明实施例的spmt采用共享开关支路架构设计，包括5g模低频段子开关单元1111，也可以用sp(m-2)t表示和5g模高频段子开关单元1112，图7中5g模高频段为2路，故可以用单刀双掷开关spdt表示。其中，rf1、rf2……rfm-2、rfm-1、rfm为射频端口，具有发送和接收双重功能。请参考图4、图5和图7，本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100，所述多模多频开关单元110还包括4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和/或2g模多频段子开关单元114，所述4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和/或2g模多频段子开关单元114通过所述低通滤波器130与所述天线120连接。即本发明实施例的5g通信射频开关系统100向下兼容4g模3g模和2g模设计。当5g通信射频信号不稳定或者连接不上时，可以切换到4g模、3g模或者2g模。请参考图8，本发明实施例的多模多频开关单元的某一开关支路(即某一射频端口)包括栅极电压控制模块、开关模块和体极电压控制模块，栅极电压控制模块和体极电压控制模块各由一个公共偏置电阻组成，开关模块由多个级联的nmos管m1、m2……mn、多个体极偏置电阻rbn、多个栅极偏置电阻rgn以及多个通路电阻rdsn组成，开关模块与栅极控制电压vg、体极控制电压vb之间连接公共偏置电阻rgc、rbc。rfin为射频信号输入端，rfout为射频信号输出端。该开关支路的开关器件不限于nmos管，也可以是pmos管。本发明实施例的多模多频开关单元110采用单独支路层叠射频开关及阻抗匹配设计。阻抗匹配包括近天线端口及射频端口匹配，不限制阻抗匹配实现方式。要求为宽带低插损匹配。作为较佳的实施方式，本发明实施例的低通滤波器130和高通滤波器140可以是公知技术中的任何一种具体滤波电路。为了优化本发明实施例的电路结构，请参考图9和图10a和图10b，本发明实施例的低通滤波器130由所述5g模低频段子开关单元1111与天线120之间串接的电感l1和所述5g模低频段子开关单元1111的导通电阻、关断电容组成的rlc谐振滤波网络构成。其中rlc谐振滤波网络可以包括5g模低频段子开关单元1111中某一开关支路的阻抗匹配及其射频端口的导通电容和关断电容等负载。请参考图10b，本发明实施例的rlc谐振滤波网络包括电感l1，开关支路的关断电容coff(m-2)、导通电阻ron(m-2)和阻抗匹配z0(m-2)。请参考图10a，本发明实施例的rlc谐振滤波网络包括电感l1，开关支路的关断电容coff(m-3)、导通电阻ron(m-3)和阻抗匹配z0(m-3)以及射频端口的导通电阻ron和关断电容coff。请参考图9、图10a和图10b，本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100，当5g通往射频开关100向下兼容4g模、3g模和/或2g模时，所述低通滤波器130由所述5g模低频段子开关单元1111与4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和2g模多频段子开关单元114的任意组合的共享支路与天线120之间串接的电感l1和所述5g模低频段子开关单元1111与4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和2g模多频段子开关单元114的任意组合的导通电阻、关断电容构成的rlc谐振网络。本发明实施例的低通滤波器130巧妙地使用射频开关的导通电阻、关断电容与增加的电感l1构成的rlc谐振滤波网络，无需单独增加电容、电阻等元器件，具有电路结构简单的优点。其中电感l1不限于一个，可以是串接或分布式的多个。为了优化本发明实施例的电路结构，请参考图9、10a和图10b，本发明实施例的高通滤波器140可以由串接在5g模高频段子开关单元1112与天线120之间的电容c1和所述5g模高频段子开关单元1112的导通电阻、关断电容组成的rc谐振滤波网络构成。请参考图10b，本实施例的rc谐振滤波网络包括电容c1、5g模高频段子开关单元1112中的某一开关支路的关断电容coff和导通电阻ron。也可以包括该开关支路的阻抗匹配z0。请参考图10a，rc谐振滤波网络可以包括电容c1、5g模高频段子开关单元1112中的某一开关支路的关断电容coff、导通电阻ron、阻抗匹配z0。也可以包括未接通开关支路的关断电容coff。此时未接通的开关支路的关断电容coff作为负载。本发明实施例的高通滤波器140在天线120与5g高频段子开关单元1112之间仅增加的电容c1无需单独设置电阻器等元器件，具有电路结构简单，具有设计的全局性考虑，简化了滤波器的电路结构，使5g射频开关整体得到优化控制。本发明实施例一的阻抗匹配可以为50ω。图10a是本发明实施例的5g射频开关在低频段的等效电路原理图。请参考图10a，其工作原理如下：例如射频端口rf发射的频率信号fc为1ghz的5g模低频段的射频信号时，1ghz的射频信号通过5g模低频段子开关单元1111、低通滤波器130滤波后经天线120发出。此时高通滤波器140阻止了1ghz的射频信号通过，增大了天线120到5g模高频段子开关单元1112的隔离度，避免了射频信号的干扰。当天线120接收1ghz的射频信号时，其原理与发射相同，仅为方向性的不同，即接收时，射频信号从天线120、经低通滤波器130到5g模低频段子开关单元1111。当5g射频开关向下兼容4g模、3g模和/或2g模时，相应兼容4g模等频率信号的发送和接收原理与1ghz的射频的发送和接收原理相同。图10b是本发明实施例的5g射频开关在高频段的等效电路原理图。请参考图10b，其工作原理如下：当射频端口rf发送的频率信号fc为39ghz的5g模高频段的射频信号时，39ghz的射频信号通过5g模高频段子开关单元1112的某一开关支路、经高通滤波器140滤波后通过天线120发出。此时低通滤波器130屏蔽了39ghz的射频信号通过，增大了天线120到5g模低频段子开关单元1111之间的隔离度，避免了高频段的射频信号的干扰。当天线120接收39ghz的射频信号时，其原理与发射相同，仅为信号传输方向性的不同，即接收时，射频信号从天线120、高通滤波器140到5g模高频段子开关单元1112的某一开关支路。本发明实施例还提供一种5g通信射频开关系统100的设计方法，将5g模多模多频开关子单元以某一参考频率fr划分为5g模低频段子开关单元1111和5g模高频段子开关单元1112，在5g模低频段子开关单元1111与天线120之间连接低通滤波器130，在5g模高频段子开关单元1112与天线120之间连接高通滤波器140，以对5g模频段分组后通过低通滤波器130和高通滤波器140的滤波与隔离功能来改善5g通信射频开关系统在高频段的插入损耗，以及改善5g射频开关系统在高低频段的隔离度。作为较佳的实施方式，本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100的设计方法，将5g模多频段子开关单元111以7ghz至22ghz之间的某一频率为参考频率fr划分为5g模低频段子开关单元1111和5g模高频段子开关单元1112。其中参考频率fr可以不限于上述频率范围。作为较佳的实施方式，本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100的设计方法，将所述多模多频开关单元110向下兼容设计4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和/或2g模多频段子开关单元114，在5g模低频段子开关单元1111与4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和2g模多频段子开关单元114的任意组合的共享支路与天线120之间连接低通滤波器130，以使5g通信射频开关系统在向下兼容模式时，改善高频段的插入损耗，以及改善5g射频开关系统在高低频段的隔离度。作为较佳的实施方式，本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100的设计方法，所述低通滤波器130采用在5g模低频段子开关单元1111与天线120之间的串接电感l1和所述5g模低频段子开关单元1111的导通电阻、关断电容组成的rlc谐振滤波网络构成。作为较佳的实施方式，本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100的设计方法，所述低通滤波器130采用在5g模低频段子开关单元1111与4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和2g模多频段子开关单元114的任意组合的共享支路与天线120之间串接的电感l1和所述5g模低频段子开关单元1111与4g模多频段子开关单元112、3g模多频段子开关单元113和2g模多频段子开关单元114的任意组合的导通电阻、关断电容组成的rlc谐振滤波网络构成。作为较佳的实施方式，本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100的设计方法，所述高通滤波器140采用串接在5g模高频段子开关单元1112与天线120之间的电容c1，和所述5g模高频段子开关单元1112的导通电阻、关断电容组成的rc谐振滤波网络构成。本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100的设计方法，具有与5g通信射频开关系统100相同的技术效果。本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100及其设计方法，也可以通过电感l1具有通低频阻高频的特性和电容c1具有通高频阻低频的特性，来说明改善5g模在高频段的插入损耗以及改善5g模及其向下兼容模的隔离度的原理。请参考图11，采用本发明实施例提供的5g通信射频开关系统100，5g以下兼容模及5g模低频段的插入损耗不受影响，或者说影响极小。如插入损耗曲线il2所示，在频率为1ghz时，5g通信射频开关系统100的插入损耗为-266.9mdb，记作m0(1ghz，-266.9mdb)；在频率为6ghz时，5g通信射频开关系统100的插入损耗为-396mdb，记作m1(6ghz，-396mdb)。因此，本发明实施例保证了在10ghz频率以下的5g模、4g模、3g模和2g模的射频信号的插入损耗，使插入损耗不大幅度降低，从而保证了5g通信射频开关系统100在低频段的通信质量。5g模高频段时，由于高通滤波器140的作用，低频干扰信号被滤除，低通滤波器130的作用，低频段开关单元关断电容插损退化效应被屏蔽，高频段射频信号通过，如插入损耗曲线il3所示，在频率为26ghz时，5g通信射频开关系统100的插入损耗为-530.7mdb，记作m3(26ghz，-530.7mdb)；在频率为39ghz时，5g通信射频开关系统100的插入损耗为-571.6mdb，记作m2(39ghz，-571.6mdb)；在频率为71ghz时，5g通信射频开关系统100的插入损耗为-1.721db，记作m5(71ghz，-1.721db)。由此可知，采用本发明实施例的5g通信射频开关系统100在5g高频段的插入损耗较小，可以改善至1.75db以下。其插入损耗远远小于传统的射频开关插入损耗退化至4.86db-16.45db的不利后果。采用本发明实施的5g通信射频开关系统及其设计方法，多模多频开关单元110到天线120之间的插入损耗降低了，从而提高了5g通信射频开关系统在高频段的发射效率及接收灵敏度。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。当前第1页12