《電子技術應用》
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一種高耐壓SPST天線調(diào)諧開關設計
信息技術與網(wǎng)絡安全
夏小輝,林福江
(中國科學技術大學 微電子學院,安徽 合肥230026)
摘要: 設計實現(xiàn)了一款高耐壓單刀單擲天線調(diào)諧開關,用于Sub-6 GHz的天線孔徑調(diào)諧、阻抗調(diào)諧以及寬帶開關。設計采用串-并聯(lián)和體區(qū)自適應偏置結構,兼顧插入損耗和隔離度;此外基于傳統(tǒng)的堆疊結構進行改進,通過設計各級晶體管的尺寸不均勻,極大程度地提高了開關并聯(lián)支路承受電壓的能力;通過采用兩級偏置網(wǎng)絡,減小了柵端和體端的泄露從而削弱關斷狀態(tài)下寄生電容不等效應,最終實現(xiàn)支路電壓耐受能力的提高。所提出的設計采用130 nm SOI CMOS工藝,仿真結果表明工作頻率為0.1 GHz~5 GHz,導通電阻為1.24 Ω,關斷電容為112 fF,插入損耗為0.14~0.48 dB,隔離度帶內(nèi)大于30 dB,電壓承受能力大于60 V。
中圖分類號: TN432
文獻標識碼: A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.05.012
引用格式: 夏小輝,林福江. 一種高耐壓SPST天線調(diào)諧開關設計[J].信息技術與網(wǎng)絡安全,2021,40(5):68-73.
Design of a high voltage handling SPST antenna tuning switch
Xia Xiaohui,Lin Fujiang
(School of Microelectronics,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)
Abstract: This paper presents a high voltage single pole single throw antenna tuning switch, which is used for Sub-6 GHz antenna aperture tuning, impedance tuning and broadband switch. The design adopts series-parallel and adaptive bias structure of the body region, taking into account the insertion loss and isolation degree; In addition, based on the traditional stacking structure, the size of transistors at all levels is not uniform, which greatly improves the ability of the switch parallel branch to withstand voltage.And by using a two-stage bias network, the leakage of gate end and body end is reduced, and the parasitic capacitance unequal effect is weakened in the off state, thus the tolerance of branch voltage is improved. The circuit design is based on 130 nm SOI CMOS process. Simulation results show that frequency range is 0.1 to 5.0 GHz, the on-off resistance is less than 2 Ω, the turn-off capacitance is less than 150 fF, the insertion loss is 0.14~0.48 dB, the isolation is more than 30 dB, and the voltage handling is more than 60 V.
Key words : SPST antenna tuning switch;asymmetric stacked structure;two-stage offset network;high voltage handling

0 引言

隨著5G通信的迅速發(fā)展與應用,對傳輸數(shù)據(jù)速率的要求越來越高,目前提升數(shù)據(jù)傳輸速率采用的主要技術有載波聚合(Carrier Aggregation,CA)、有源天線系統(tǒng)(Active Antenna Systems,AAS)、多路輸入/輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)[1]。因為新一代智能手機中的天線數(shù)量不斷增加,以及智能手機追求更大屏占比的工藝設計趨勢,所以這些天線需要安裝到更小的空間內(nèi),天線數(shù)量的增加、尺寸的減小導致天線效率降低,進而影響發(fā)送和接收性能、電池續(xù)航能力,甚至出現(xiàn)連接問題。

為了有效解決這些矛盾,智能手機中目前主要采用天線調(diào)諧[2-6]技術來提高多頻段信號傳輸?shù)奶炀€效率。通過在天線不同位置與地之間連接天線調(diào)諧器(包含開關、電容與電感等),改變天線諧振頻率實現(xiàn)多頻段信號高效率傳輸。由于天線可能工作在失配的情況下,此時天線上的電壓是正常工作時的數(shù)倍,因此天線調(diào)諧開關設計必須考慮耐壓能力。一般可以通過選取GaAs等大功率器件解決這一問題,但其成本較高,且集成度較差。因此最近幾年射頻開關的設計多采用SOI CMOS工藝,相比GaAs工藝,其兼顧成本和性能[7-8]。

由于SOI CMOS工藝中,單個晶體管電壓承受能力有限,因此該工藝下的射頻開關在處理大功率信號時多采用堆疊結構[9-10]。該結構由于體端和柵端存在較大泄露電流,導致電壓擺幅在堆疊結構中各級晶體管的分布不均,使得射頻開關支路總的電壓處理能力受到極大限制。一般可以通過體端增加偏置大電阻,提供額外的偏置電壓等技術來削弱這一現(xiàn)象,但這需要輸入獨立體端控制信號且效果有限。



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作者信息:

夏小輝,林福江

(中國科學技術大學 微電子學院,安徽 合肥230026)


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