《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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。
中圖分類號(hào)： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)速率的要求越來(lái)越高，目前提升數(shù)據(jù)傳輸速率采用的主要技術(shù)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?yàn)樾乱淮悄苁謾C(jī)中的天線數(shù)量不斷增加，以及智能手機(jī)追求更大屏占比的工藝設(shè)計(jì)趨勢(shì)，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(dǎo)致天線效率降低，進(jìn)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(wèn)題。

為了有效解決這些矛盾，智能手機(jī)中目前主要采用天線調(diào)諧[2-6]技術(shù)來(lái)提高多頻段信號(hào)傳輸?shù)奶炀€效率。通過(guò)在天線不同位置與地之間連接天線調(diào)諧器(包含開(kāi)關(guān)、電容與電感等)，改變天線諧振頻率實(shí)現(xiàn)多頻段信號(hào)高效率傳輸。由于天線可能工作在失配的情況下，此時(shí)天線上的電壓是正常工作時(shí)的數(shù)倍，因此天線調(diào)諧開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)必須考慮耐壓能力。一般可以通過(guò)選取GaAs等大功率器件解決這一問(wèn)題，但其成本較高，且集成度較差。因此最近幾年射頻開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)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(gè)晶體管電壓承受能力有限，因此該工藝下的射頻開(kāi)關(guān)在處理大功率信號(hào)時(shí)多采用堆疊結(jié)構(gòu)[9-10]。該結(jié)構(gòu)由于體端和柵端存在較大泄露電流，導(dǎo)致電壓擺幅在堆疊結(jié)構(gòu)中各級(jí)晶體管的分布不均，使得射頻開(kāi)關(guān)支路總的電壓處理能力受到極大限制。一般可以通過(guò)體端增加偏置大電阻，提供額外的偏置電壓等技術(shù)來(lái)削弱這一現(xiàn)象，但這需要輸入獨(dú)立體端控制信號(hào)且效果有限。



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作者信息:

夏小輝，林福江

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥230026)


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