《电子技术应用》
您所在的位置:首页 > 其他 > 设计应用 > 一种高耐压SPST天线调谐开关设计
一种高耐压SPST天线调谐开关设计
信息技术与网络安全
夏小辉,林福江
(中国科学技术大学 微电子学院,安徽 合肥230026)
摘要: 设计实现了一款高耐压单刀单掷天线调谐开关,用于Sub-6 GHz的天线孔径调谐、阻抗调谐以及宽带开关。设计采用串-并联和体区自适应偏置结构,兼顾插入损耗和隔离度;此外基于传统的堆叠结构进行改进,通过设计各级晶体管的尺寸不均匀,极大程度地提高了开关并联支路承受电压的能力;通过采用两级偏置网络,减小了栅端和体端的泄露从而削弱关断状态下寄生电容不等效应,最终实现支路电压耐受能力的提高。所提出的设计采用130 nm SOI CMOS工艺,仿真结果表明工作频率为0.1 GHz~5 GHz,导通电阻为1.24 Ω,关断电容为112 fF,插入损耗为0.14~0.48 dB,隔离度带内大于30 dB,电压承受能力大于60 V。
中图分类号: TN432
文献标识码: A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.05.012
引用格式: 夏小辉,林福江. 一种高耐压SPST天线调谐开关设计[J].信息技术与网络安全,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

随着5G通信的迅速发展与应用,对传输数据速率的要求越来越高,目前提升数据传输速率采用的主要技术有载波聚合(Carrier Aggregation,CA)、有源天线系统(Active Antenna Systems,AAS)、多路输入/输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)[1]。因为新一代智能手机中的天线数量不断增加,以及智能手机追求更大屏占比的工艺设计趋势,所以这些天线需要安装到更小的空间内,天线数量的增加、尺寸的减小导致天线效率降低,进而影响发送和接收性能、电池续航能力,甚至出现连接问题。

为了有效解决这些矛盾,智能手机中目前主要采用天线调谐[2-6]技术来提高多频段信号传输的天线效率。通过在天线不同位置与地之间连接天线调谐器(包含开关、电容与电感等),改变天线谐振频率实现多频段信号高效率传输。由于天线可能工作在失配的情况下,此时天线上的电压是正常工作时的数倍,因此天线调谐开关设计必须考虑耐压能力。一般可以通过选取GaAs等大功率器件解决这一问题,但其成本较高,且集成度较差。因此最近几年射频开关的设计多采用SOI CMOS工艺,相比GaAs工艺,其兼顾成本和性能[7-8]。

由于SOI CMOS工艺中,单个晶体管电压承受能力有限,因此该工艺下的射频开关在处理大功率信号时多采用堆叠结构[9-10]。该结构由于体端和栅端存在较大泄露电流,导致电压摆幅在堆叠结构中各级晶体管的分布不均,使得射频开关支路总的电压处理能力受到极大限制。一般可以通过体端增加偏置大电阻,提供额外的偏置电压等技术来削弱这一现象,但这需要输入独立体端控制信号且效果有限。



本文详细内容请下载:http://www.chinaaet.com/resource/share/2000003554




作者信息:

夏小辉,林福江

(中国科学技术大学 微电子学院,安徽 合肥230026)


此内容为AET网站原创,未经授权禁止转载。