近幾十年來,無線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了爆炸式增長,而射頻(RF,Radio Frequency)收發(fā)模塊是無線通信系統(tǒng)中必不可少的部分,其中的收發(fā)器需要一個單刀雙擲(SPDT,Single-pole Double-throw)的收發(fā)(T/R,Transmit/Receive)開關(guān)來提供發(fā)送器和接收器之間的隔離;降低SPDT開關(guān)的插入損耗、帶寬擴展等性能對超寬帶、多模無線通信系統(tǒng)的進一步發(fā)展十分關(guān)鍵。本文研究了單刀多擲(SPMT,Single-pole Multi-throw)開關(guān)的基本工作原理、經(jīng)典電路結(jié)構(gòu)和端口匹配網(wǎng)絡(luò)。首先對應(yīng)用于RF收發(fā)模塊中的單刀雙擲開關(guān)和應(yīng)用于開關(guān)光束陣列的單刀多擲開關(guān)展開了調(diào)研,并對工作在直流(DC,direct-current)至50GHz頻段內(nèi)的單刀多擲(包括單刀雙擲、單刀四擲、單刀六擲、單刀八擲)開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的優(yōu)缺點等進行了理論研究與分析。重點研究了晶體管串聯(lián)、串-并聯(lián)、差分等結(jié)構(gòu)的SPDT開關(guān),分析了不同的端口阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(T型、π型、L型)對SPMT開關(guān)的影響,同時研究了能夠改善SPMT的插入損耗(IL,Insert Loss)、隔離度度(ISO,Isolation)等性能的技術(shù)——深n阱技術(shù)、襯底浮動技術(shù)等。最終分析比較得出晶體管串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)適用于單刀雙擲、單刀四擲和單刀六擲開關(guān),而晶體管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)適用于單刀八擲開關(guān);同時π型的輸入端口阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)能使SPMT開關(guān)具有最佳的諧振。經(jīng)過上述研究分析,本文基于40nm低泄露CMOS工藝,分別對SPDT、SP4T(Single-pole four-throw)、SP6T(Single-pole six-throw)和 SP8T(Single-pole eight-throw)開關(guān)電路的電路結(jié)構(gòu)、匹配網(wǎng)絡(luò)等進行了設(shè)計與分析。本文完成了具有高于20GHz的超寬帶、低于-18dB的回波損耗(RL,Return Loss)、小于-3dB的插入損耗和大于32dB的高隔離度的單刀雙擲、單刀四擲、單刀六擲和單刀八擲開關(guān)的設(shè)計與仿真。最后,對SPMT開關(guān)電路進行了版圖設(shè)計,其中SPDT開關(guān)的芯片面積是561*571um2;仿真結(jié)果表明后仿真結(jié)果與前仿真結(jié)果相比,單刀多擲開關(guān)的插入損耗和回波損耗有所增加。本文設(shè)計的SPMT開關(guān)能夠滿足多頻段、多模等無線通信系統(tǒng)對開關(guān)的性能要求。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN859;TN43
【部分圖文】：

進一步集成發(fā)送／接收（Ｔ／Ｒ）天線開關(guān)，以實現(xiàn)高集成度，故而Ｔ／Ｒ開關(guān)集成在收發(fā)器??的要求是必須滿足的［６，７，８＞９］。??ＲＦ收發(fā)器前端中——如圖１－１所示，在ＳＰＤＴＴ／Ｒ開關(guān)設(shè)計中，除了上面說的插入??損耗、隔離和高線性度之外，還有兩個關(guān)鍵要求可以增強芯片應(yīng)用性能：與其他電路完??全集成的能力和寬工作帶寬［１Ｇ］。??＾Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ?＾??〇〇ＫＭ〇ｄｕｌａｔ＾＿＾＾ｌ—一：?Ｄａｔａ｜ｎ??＼?＾＜ａ?Ｂａｓｅｂａｎｄ」??——Ｇｌｏｃｋ?，ｎ???〇?ＰＬＬ?Ｄｉｇｉｔａｌ??０?Ｒｆｃｆ＿?＾?Ｂｕｆｆｅｒｓ??Ｃ；ｐｒＴｔ?＾?Ｄｅｔｅｃｔｏｒ?Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ??ｒ：??Ｉ?Ｉ?Ｂａｓｅｂａｎｄ?ｈｖ．?ｒ??Ａｍｐ．??１＾＞?＂Ｏ?Ａｎａｌｏｇ?Ｏｕｔ???Ａｎａｌｏｇ?Ｂｕｆｆｅｒ?Ｊ??圖１－１收發(fā)模塊中的ＳＰＤＴ?Ｔ／Ｒ開關(guān)［１９］??Ｆｉｇｕｒｅ?Ｍ?ＳＰＤＴ?Ｔ／Ｒ?ｓｗｉｔｃｈ?ｉｎ?ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?［１９］??綜上所述，ＣＭＯＳ單刀多擲開關(guān)特別是單刀雙擲Ｔ／Ｒ開關(guān)的應(yīng)用十分廣泛，且在??４０ｎｍ?ＣＭＯＳ工藝下的ＳＰＭＴ開關(guān)的研宄很少，本文對此進行相關(guān)的研究具有現(xiàn)實意義??和工程應(yīng)用價值。??１．２國內(nèi)外研究現(xiàn)狀??１．２．１概述??幾十年來，ＲＦ開關(guān)一直由使用ＰＩＮ二極管和ＩＩＩ－ＶＭＥＳＦＥＴ的分立元件主導，特別??是那些帶寬較寬的元件，并且大多數(shù)ＲＦ微波開關(guān)模塊都是采用ＧａＡＳ技術(shù)實現(xiàn)的。如果??ＲＦ開關(guān)可以集成到ＣＭＯＳ中，則應(yīng)該可以將所有ＲＦ，數(shù)字和模擬功能集成到單個芯片??中

２．?ＣＭＯＳ單刀多擲開關(guān)設(shè)計原理??２．?１?ＮＭＯＳ?（ｎ溝道晶體管）開關(guān)??如圖２－１所示ＮＭＯＳ晶體管是一個四端口壓控器件一一源（Ｓ）端、漏（Ｄ）端、柵（Ｇ）??端、襯底（Ｂ）端，一個ＮＭＯＳ晶體管可以通過控制其柵極電壓使其成為一個開關(guān)，柵??極加高電平（１．１Ｖ）時溝道導通即開關(guān)（源漏極）導通，柵極加低電平（０Ｖ）時溝道截??止即開關(guān)（源漏極）關(guān)斷。在柵極加入一個柵極電阻可以有效防止信號泄露和氧化層??擊穿。??＾?ｍＬ］ｆ?ｆ??ｐ＋?Ｎ＋?＾?Ｎ＋?ｐ＋??＿＿＾ＪＬＪ?＇?Ｐ－Ｗｅｌｌ?＿???Ｐ?ｓｕｂ???圖２－１?ＮＭＯＳ的橫截面圖??Ｆｉｇ?２－１?Ｔｈｅ?Ｃｒｏｓｓ?Ｓｅｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ＭＯＳＦＥＴＳ?（ＮＭＯＳ）??ＮＭＯＳ開關(guān)的關(guān)斷、導通等效電路如圖２－２所示，ＣｇｊＰＣｇｄ是柵極到源極和漏極之??間的寄生電容、是源極和漏極與襯底之間的結(jié)電容、襯底電阻／？ｂ、表示插入??的柵極電阻、表示導通電阻并具有如下計算公式：??Ｒ???１??…（２?－?１）??＾ｏｎ?一?＾７??Ｐｎ?Ｃｏｘ?＂＾７（?ＶＧＳ?＿?ＶＴＨ?）??式中：??Ｐｉｎ一一電

襯底浮動技術(shù)［２１］就是在ＮＭＯＳ的襯底也就是Ｂ端接入一個５ＫＱ的電阻再接地，這??樣的設(shè)計可以有效提高開關(guān)的功率處理能力。??圖２－４?（ａ）是本文中釆用的ＳＰＤ／４／６Ｔ開關(guān)設(shè)計結(jié)構(gòu)中的一條開關(guān)支路中的串聯(lián)晶??體管的電路原理圖，（ｂ）表示其處于導通狀態(tài)的等效電路模型并處于導通狀態(tài)。對于一??般的ＮＭＯＳ開關(guān)來說，晶體管的襯底會直接連接到源極或直接接地，等效電路模型如??
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王亦凡;桂小琰;王興華;陳志銘;;一種高線性度非對稱單刀雙擲開關(guān)的設(shè)計[J];微電子學;2015年05期

2 曾令海,池懿,葉明,王文騏;全集成2.4GHzCMOS對稱式收發(fā)開關(guān)的設(shè)計[J];微電子學;2005年03期

本文編號：2872248