一种应用于5G的毫米波压控衰减器

技术领域

本发明属于衰减器技术领域，具体涉及一种应用于5G的毫米波压控衰减器。

背景技术

衰减器是一种提供衰减的电子元器件，广泛地应用于电子设备中，它的主要用途是：(1)调整电路中信号的大小；(2)在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值；(3)改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。

随着光电子器件的快速发展，毫米波器件在电子技术领域的应用比重越来越大，而毫米波压控衰减器无论作为单独工作的器件还是集成在复杂的小型系统中均起着十分重要的纽带作用；但是目前的毫米波压控衰减器的功率调节范围较为单一，且由于毫米波器件的工作频率高，线损大，使得毫米波压控衰减器的控制很难达到一个较好的效率和抗干扰能力。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种毫米波压控衰减器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供一种毫米波压控衰减器，包括：

比较器、第一开关、衰减通道、放大通道、第二开关

所述比较器用于接收毫米波信号，比较所述毫米波信号与预设阈值，并根据比较结果控制所述第一开关、所述第二开关的电平信号；所述第一开关用于根据自身的电平信号将所述毫米波信号传输到所述衰减通道或者所述放大通道，所述衰减通道用于衰减所述毫米波信号；所述放大通道用于放大所述毫米波信号；所述第二开关用于根据自身的电平信号输出所述衰减通道或者所述放大通道的毫米波信号；

所述第一开关、所述第二开关均为单刀双掷开关，包括：多个晶体管控制电路、多耦合线圈电路；所述单刀双掷开关通过配置各个晶体管控制电路的电平信号，实现两个通道的切换；并且在所述单刀双掷开关的定端引入负载切换技术，实现不同输入负载的切换；通过所述多耦合线圈电路中的多个线圈将所述单刀双掷开关的各个端口进行隔离。

在本发明的一种实施例中，所述衰减通道包括n个串联的压控衰减芯片，n为3～7的自然数，所述n个压控衰减芯片的衰减量由外部控制电压控制；所述放大通道包括：1个压控衰减芯片、1个放大器，所述压控衰减芯片与所述放大器串联，所述压控衰减芯片的衰减量由外部控制电压控制。

在本发明的一种实施例中，所述第一开关、所述第二开关均包括：第一端口、第二端口以及第三端口；在所述第一开关中，所述第一端口为输入端口，所述第二端口和所述第三端口为输出端口；在所述第二开关中，所述第二端口和所述第三端口为输入端口，所述第一端口为输出端口。

在本发明的一种实施例中，所述多耦合线圈电路包括与所述第一端口、所述第二端口、所述第三端口分别连接的线圈；

所述晶体管控制电路包括：第一控制电路、第二控制电路和第三控制电路，用于利用所述第一控制电路的控制电平来控制所述多耦合线圈电路的输入负载，以及利用所述第二控制电路和第三控制电路的控制电平实现所述第一端口与所述第二端口，或者与所述第三端口之间的连接。

在本发明的一种实施例中，所述多耦合线圈电路包括：第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈设置在所述第二线圈和所述第三线圈之间，所述第一线圈的一端与所述第一端口连接，所述第二线圈与所述第二端口连接，所述第三线圈与所述第三端口连接。

在本发明的一种实施例中，所述第一控制电路与所述第一线圈的另一端连接，所述第二控制电路连接在所述第二线圈和所述第三控制电路的一端之间，所述第三控制电路的另一端与所述第三线圈连接。

在本发明的一种实施例中，还包括：

控制端口、反相器；

所述控制端口与所述第三控制电路连接；用于为所述第三控制电路提供控制电平；

所述反相器连接在所述控制端口与所述第二控制电路之间，以及所述控制端口与所述第一控制电路之间，用于将所述控制端口的电平相位翻转180度之后为所述第二控制电路、所述第一控制电路提供控制电平。

在本发明的一种实施例中，所述第一控制电路包括第一晶体管、第一栅极偏置电阻以及所述第一晶体管的源极间的第一外接电阻，所述第一栅极偏置电阻连接在所述第一晶体管的栅极与所述控制端口之间，所述第一晶体管的漏极与所述第二端口并联，所述第一晶体管的源极接地，所述第一外接电阻的一端与所述第一晶体管的衬底连接，所述第一外接电阻的另一端接地。

在本发明的一种实施例中，所述第二控制电路包括第二晶体管、第二栅极偏置电阻以及所述第二晶体管的源极间的第二外接电阻，所述第二栅极偏置电阻连接在所述第二晶体管的栅极与所述反相器的输出端之间，所述第二晶体管的漏极与所述第三端口并联，所述第二晶体管的源极接地，所述第二外接电阻的一端与所述第二晶体管的衬底连接，所述第二外接电阻的另一端接地。

在本发明的一种实施例中，所述第三控制电路包括第三晶体管、第三栅极偏置电阻以及所述第三晶体管的源极间的第三外接电阻，所述第三栅极偏置电阻连接在所述第三晶体管的栅极与所述反相器的输出端之间，所述第三晶体管的漏极与所述第一线圈相连，所述第三晶体管的源极接地，所述第三外接电阻的一端与所述第三晶体管的衬底连接，所述第三外接电阻的另一端接地。

本发明实施例提供的毫米波压控衰减器的开关通过配置各个控制电路的电平信号，实现两个通道的切换，因此可以扩展压控衰减器的功率调节范围；同时，在第一端口引入负载切换技术，实现不同输入负载的切换，从而使开关在两个通道下均具有较低的插入损耗，可以提高衰减器的衰减效率；再者，通过所述多耦合线圈电路中的多个线圈将所述单刀双掷开关的各个端口进行隔离，提高各个端口之间的隔离度，从而提高毫米波压控衰减器的抗干扰能力。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种毫米波压控衰减器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关的具体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关在第一电平下的等效电路图；

图5是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关在第二电平下的等效电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的技术方案如下：

请参照图1，图1是本发明实施例提供的一种毫米波压控衰减器的结构示意图，所述毫米波压控衰减器，包括：

比较器10、第一开关20、衰减通道30、放大通道40、第二开关50

所述比较器10用于接收毫米波信号，比较所述毫米波信号与预设阈值，并根据比较结果控制所述第一开关20、所述第二开关50的电平信号；所述第一开关20用于根据自身的电平信号将所述毫米波信号传输到所述衰减通道30或者所述放大通道40，所述衰减通道30用于衰减所述毫米波信号；所述放大通道40用于放大所述毫米波信号；所述第二开关50用于根据自身的电平信号输出所述衰减通道30或者所述放大通道40的毫米波信号；

所述第一开关10、所述第二开关50均为单刀双掷开关，包括：多个晶体管控制电路、多耦合线圈电路100；所述单刀双掷开关通过配置各个晶体管控制电路的电平信号，实现两个通道的切换；并且在所述单刀双掷开关的动端引入负载切换技术，实现不同输入负载的切换；通过所述多耦合线圈电路100中的多个线圈将所述单刀双掷开关的各个端口进行隔离。

具体地，本实施例的毫米波压控衰减器的工作原理为：比较器接收毫米波信号后，将毫米波信号与预设阈值进行比较，当毫米波信号大于预设阈值时，比较器控制所述第一开关、第二开关的控制电平为高电平，从而使第一开关和衰减通道连通，以及衰减通道与第二开关连通，衰减通道将毫米波信号进行衰减后，通过第二开关输出；当毫米波信号小于所述预设阈值时，比较器控制所述第一开关、第二开关的控制电平为低电平，从而使第一开关和放大通道连接，以及放大通道与第二开关连接，放大通道将毫米波信号进行放大后，通过第二开关输出。

本发明实施例提供的毫米波压控衰减器的开关通过配置各个控制电路的电平信号，实现两个通道的切换，因此可以扩展压控衰减器的功率调节范围；同时，在第一端口引入负载切换技术，实现不同输入负载的切换，从而使开关在两个通道的中均具有较低的插入损耗，可以提高衰减器的衰减效率；再者，通过所述多耦合线圈电路中的多个线圈将所述单刀双掷开关的各个端口进行隔离，提高各个端口之间的隔离度，从而提高毫米波压控衰减器的抗干扰能力。

具体地，所述衰减通道30包括n个串联的压控衰减芯片，n为3～7的自然数，所述n个压控衰减芯片的衰减量由外部控制电压控制；所述放大通道40包括：1个压控衰减芯片、1个放大器，所述压控衰减芯片与所述放大器串联，所述压控衰减芯片的衰减量由外部控制电压控制。

具体地，所述第一开关、所述第二开关均包括：第一端口、第二端口以及第三端口；在所述第一开关中，所述第一端口为输入端口，所述第二端口和所述第三端口为输出端口；在所述第二开关中，所述第二端口和所述第三端口为输入端口，所述第一端口为输出端口。

下面，对本实施例提供的开关进行介绍。

参见图2，图2为本发明实施例提供的一种单刀双掷开关的电路结构示意图，所述开关还包括：

第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3；

所述多耦合线圈电路100包括与所述第一端口P1、所述第二端口P2、所述第三端口P3分别连接的线圈；

可以理解的是，多耦合线圈电路100能够将第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3隔离起来，提高各个端口之间的隔离度。

所述晶体管控制电路包括：第一控制电路110、第二控制电路120和第三控制电路130，用于利用所述第一控制电路110的控制电平来控制所述多耦合线圈电路100的输入负载，以及利用所述第二控制电路120和第三控制电路130的控制电平实现所述第一端口P1与所述第二端口P2，或者与所述第三端口P3之间的连接。

可以理解的是，每个控制电路均配置有对应的电平信号，在不同电平信号下可以实现衰减通道和放大通道的切换。本发明实施例通过配置各个控制电路的电平信号，控制各个控制电路的工作状态，使第二端口P2或者第三端口P3与第一端口P1导通，可以实现衰减通道和放大通道的切换，因此可以扩展压控衰减器的功率调节范围；并且，针对不同端口对应的导通电路，可以利用所述第一控制电路110的控制电平来对应控制多耦合线圈电路100的输入负载，从而可以减小每个导通电路的插入损耗，提高衰减器的衰减效率。

并且，本领域内通常采用λ/4传输线进行负载匹配，但其需要较大的布板面积，不利于片上集成。但本发明实施例利用多耦合线圈和控制电路实现负载匹配，因此可以减小面积，有利于片上集成，实现小型化开关。

本发明实施例提供的衰减器的开关通过配置各个控制电路的电平信号，实现两个通道的切换，因此可以扩展衰减器的功率调节范围；并且，在第一端口引入负载切换技术，根据第一控制电路中晶体管的不同工作状态实现不同输入负载的切换，从而减小第一端口与第二端口、第三端口的不匹配度，实现在两种工作状态下均具有较低的插入损耗，提高衰减器的衰减效率；以及通过多耦合线圈电路能够将第一端口、第二端口、第三端口隔离起来，提高各端口之间的隔离度，进而提高衰减器的抗干扰能力。

以下对本发明实施例提供的开关的结构的可选实施方式进行说明，具体请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关的具体结构示意图。

一种可选的方式中，多耦合线圈电路100包括：第一线圈L1、第二线圈L2和第三线圈L3，所述第一线圈L1设置在所述第二线圈L2和所述第三线圈L3之间，所述第一线圈L1的一端与所述第一端口P1连接，所述第二线圈L2与所述第三端口P4连接，所述第三线圈L3与第三端口P3连接；所述多耦合线圈电路100能够将第一端口P1、第二端口P2以及第三端口P3隔离起来，提高第一端口P1与第二端口P2之间的隔离度，或者第一端口P1与第三端口P3之间的隔离度。

一种可选的方式中，所述第一控制电路110与所述第一线圈L1的另一端连接，所述第二控制电路120连接在所述第二线圈L2和所述第三控制电路的一端之间，所述第三控制电路130的另一端与所述第三线圈3连接。

可以理解的是，所述晶体管控制电路能够基于控制电平控制开关的工作状态，即：控制第一端口P1与第二端口P2导通且与第三端口P3断开；或者，控制第一端口P1与第三端口P3导通且与第二端口P2断开，因此能够较为简便地实现两种工作状态的切换；同时，控制第一线圈L1的负载，从而减小第一端口P1与第二端口P2、第三端口P3的不匹配度，即第一端口P1和第二端口P2之间的插入损耗与第一端口P1和第三端口P3之间的插入损耗的差值，实现第一端口P1与第二端口P2导通，或者第一端口P1与第三端口P3导通的两种工作状态下均具有较低的插入损耗。

可选的，本发明实施例提供的开关还包括：

控制端口VC、反相器INV；

所述控制端口VC与所述第三控制电路连接；用于为所述第三控制电路提供控制电平；

所述反相器连接在所述控制端口VC与所述第二控制电路之间，以及所述控制端口VC与所述第一控制电路之间，用于将所述控制端口VC的电平相位翻转180度之后为所述第二控制电路、所述第一控制电路提供控制电平。

需要注意的是，本实施例中的控制端口VC为同一端口，为了理解方便，将控制端口VC分别表示。

反相器INV用于将输入信号的相位翻转180度，即将控制端口VC为第二控制电路120的控制电平以及第一控制电路110的控制电平相位翻转180度。

具体地，所述反相器可以为TTL非门、CMOS反相器等，本实施例选用TTL非门作为反相器。

具体的，控制端口VC直接为第三控制电路130提供控制电平，即控制端口VC的控制电平等于第三控制电路130的控制电平，通过反相器INV将控制端口VC提供的控制电平相位翻转180度之后，提供给第二控制电路120以及第一控制电路110，得到第二控制电路120的控制电平以及第一控制电路110的控制电平，即第三控制电路130的控制电平与第二控制电路120的控制电平、第一控制电路110的控制电平的相位相差180度。

可以理解地是，本实施例提供的开关，还包括：旁路电容C1，旁路电容C1一端与第一线圈L1相连，旁路电容C1的另一端接地。本领域技术人员可以理解的是，旁路电容可将混有高频电流和低频电流的交流信号中的高频成分旁路滤掉，能够把第一端口P1的信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除。

第一控制电路包括第一晶体管M1、第一栅极偏置电阻R1以及第一晶体管M1的源极间的第一外接电阻Rsub1，第一栅极偏置电阻R1连接在第一晶体管M1的栅极与控制端口VC之间，第一晶体管M1的漏极与第一线圈L1相连，第一晶体管M1的源极接地，第一外接电阻Rsub1的一端与第一晶体管M1的衬底连接，第一外接电阻Rsub1的另一端接地。

第二控制电路包括第二晶体管M2、第二栅极偏置电阻R2以及第二晶体管M2的源极间的第二外接电阻Rsub2，第二栅极偏置电阻R2连接在第二晶体管M2的栅极与反相器INV的输出端之间，第二晶体管M2的漏极与第二端口P2并联，第二晶体管M2的源极接地，第二外接电阻Rsub2的一端与第二晶体管M2的衬底连接，第二外接电阻Rsub2的另一端接地。

第三控制电路包括第三晶体管M3、第三栅极偏置电阻R3以及第三晶体管M3的源极间的第三外接电阻Rsub3，第三栅极偏置电阻R3连接在第三晶体管M3的栅极与反相器INV的输出端之间，第三晶体管M3的漏极与第三端口P3并联，第三晶体管M3的源极接地，第三外接电阻Rsub3的一端与第三晶体管M3的衬底连接，第三外接电阻Rsub3的另一端接地。

需要注意的是，第一栅极偏置电阻R1、第二栅极偏置电阻R2以及第三栅极偏置电阻R3用于提高开关射频信号与控制信号的隔离度。

第一外接电阻Rsub1、第二外接电阻Rsub2以及第三外接电阻Rsub3用于减小与其连接的晶体管的衬底的电阻，能够减小插入损耗。

以下对开关的两种工作状态进行介绍，以便于理解本发明的开关的工作原理。

参考图4，图4为本发明实施例提供的一种单刀双掷开关在第一电平下的等效电路图。

电平信号是电平值表示的信号，包括高电平“1”以及低电平“0”。

本实施例中，所述控制端口VC提供第一电平时，所述第三晶体管M3开关断开，所述第二晶体管M2以及所述第一晶体管M1开关导通，所述第一端口P1与所述第三端口P3导通，且所述第一端口P1与所述第二端口P2断开。

可选的一种实施方式中：

第一电平为低电平，比如为0。结合图4理解，由于控制端口VC提供低电平，所以第三控制电路130的控制电平也为低电平，本领域技术人员可以理解的是，根据晶体管的工作原理，第三晶体管M3开关断开，此时第三晶体管M3等效为晶体管关断电容Coff3，在反相器INV的作用下，第二控制电路120的控制电平以及第一控制电路110的控制电平为高电平，根据晶体管的工作原理，第二晶体管M2以及第一晶体管M1开关导通，此时第二晶体管M2等效为晶体管导通电阻Ron2，第一晶体管M1等效为晶体管导通电阻Ron1，第三晶体管M3等效为晶体管关断电容Coff3，因此第一端口P1与第三端口P3导通，第二晶体管M2等效为晶体管导通电阻Ron2，晶体管导通电阻Ron2把第二端口P2短路到地，因此第一端口P1与第二端口P2断开。第二线圈L2、第三线圈L3、第三晶体管M3的寄生电容作为第三端口P3的负载。

参考图5，图5是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关在第二电平下的等效电路图。

本实施例中，控制端口VC提供第二电平，所述控制端口VC提供第二电平时，所述第三晶体管M3开关导通，所述第二晶体管M2以及所述第一晶体管M1开关断开，所述第一端口P1与所述第三端口P3断开，且所述第一端口P1与所述第二端口P2导通。

可选的一种实施方式中：

第二电平为高电平，比如为非0。结合图5理解，由于控制端口VC提供高电平，所以第一控制电路110的控制电平也为高电平，本领域技术人员可以理解的是，根据晶体管的工作原理，第三晶体管M3开关导通，此时第三晶体管M3等效为晶体管导通电阻Ron3，在反相器INV的作用下，第二控制电路120的控制电平以及第一控制电路110的控制电平为低电平，根据晶体管的工作原理，第二晶体管M2以及第一晶体管M1开关断开，此时第二晶体管M2等效为晶体管关断电容Coff2，第一晶体管M1等效为晶体管关断电容Coff1。这时，第三晶体管M3等效为晶体管导通电阻Ron3，晶体管导通电阻Ron3把第三端口P3短路到地，因此第一端口P1与第三端口P3断开，晶体管关断电容Coff2等效为第二端口P2的负载，因此第一端口P1与第二端口P2导通。第二线圈L2、第三线圈L3、第一晶体管M1的寄生电容、第二晶体管M2的寄生电容作为第二端口P2的负载。

本实施例中，利用晶体管在不同电平下导通或者断开的工作原理，通过控制控制端口的电平，为第一控制电路中的晶体管提供与控制端口相同的控制电平，利用反相器为第二控制电路中的晶体管、第三控制电路中的晶体管提供与控制端口相反的控制电平，因此能够较为简便地实现两种通道的切换，因此可以扩展压控衰减器的功率调节范围；同时，在第一端口引入负载切换技术，根据第一控制电路中晶体管的不同工作状态实现不同输入负载的切换，实现在两种通道下均具有较低的插入损耗，从而提高压控衰减器的衰减效率。

并且，本发明实施例提供的开关，通过晶体管控制电路的栅极偏置电阻能够提高开关射频信号与控制信号的隔离度，通过外接电阻能够减小晶体管的衬底的电阻，达到减小插入损耗的目的，进一步保证了单刀双掷开关在两个工作状态都具有较小的插入损耗以及较高隔离度的性能，能够实现毫米波开关各个端口的良好匹配，从而提高压控衰减器的抗干扰能力。

为了证实本发明实施例提供的开关的工作效果，以下结合开关的具体参数进行说明。

一种可选的实施方式中，第一晶体管M1由6组场效应晶体管组成，且每组场效应晶体管包括有48个沟道，且沟道宽度为1μm，沟道长度为40nm；第二晶体管M2由6组场效应晶体管组成，且每组场效应晶体管包括有48个沟道，且沟道宽度为1μm，沟道长度为40nm；第三晶体管M3由9组场效应晶体管组成，且每组场效应晶体管包括有48个沟道，且沟道宽度为1μm，沟道长度为40nm。

第一栅极偏置电阻R1、第二栅极偏置电阻R2以及第三栅极偏置电阻R3的阻值均为3KΩ。

第一外接电阻Rsub1、第二外接电阻Rsub2以及第三外接电阻Rsub3的阻值均为6KΩ，旁路电容C1的电容为40fF。

针对上述结构参数的开关，可以实现：应用频段包括30GHz～45GHz。在应用频段内，第一端口P1与第二端口P2、第三端口P3的插入损耗的不匹配度小于0.24dB，第一端口P1与第二端口P2、第三端口P3的插入损耗小于1.87dB，第一端口P1与第二端口P2、第三端口P3的隔离度大于23.2dB。

可以理解的是，此次仿真选择的应用频段为30GHz～45GHz，这是因为该频段为目前5G通信的主要应用频段。

需要注意的是，本发明实施例提供的开关内的结构参数不局限于此，本领域技术人员能够想到根据使用条件不同使用不同参数的结构达到同样的效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。