毫米波滤波器电路

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种毫米波滤波器电路。

背景技术

滤波器是一种频率选择装置。毫米波滤波器是现在毫米波通信技术中及其重要的部分，是毫米波系统中不可缺少的器件，其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统的质量。近年来，随着毫米波技术的迅速发展，这类器件在通信、雷达、遥感和射电天文等领域的需求量不断增大。

目前，毫米波无线通信系统多为收发不同频、不同机型之间的通信，在系统内需通过开关来实现通道的切换选择，开关器件在无线通信领域中被广泛使用。插入损耗、隔离度是衡量射频集成开关的重要参数，通常需要设计出低插入损耗且高隔离度的开关。

然而，现如今的毫米波集成开关大多采用PIN二极管开关或固态FET开关，并且为了追求高隔离度，往往采用多个开关并联的结构，但开关数目的增加会带来过多的插入损耗。

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滤波器电路。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滤波器电路，包括：

第一开关单元，用于接收射频信号，包括变压器电路以及晶体管控制电路，利用所述变压器电路实现端口隔离，利用负载切换技术调整负载；

滤波器，用于将所述第一开关单元输出的射频信号进行滤波，输出滤波后射频信号；

第二开关单元，用于接收所述滤波后射频信号，包括变压器电路以及晶体管控制电路，利用所述变压器电路实现端口隔离，利用负载切换技术调整负载；

检波器，用于将所述第二开关单元输出的射频信号转换为模拟电压信号；

A/D转换器，用于将所述模拟电压信号转换为数字信号；

控制模块，用于接收所述数字信号，并基于所述数字信号选择所述第一开关单元的输出端口以及所述第二开关单元的输入端口。

可选的，所述第一开关或者所述第二开关还包括：第一端口、第二端口以及第三端口；在所述第一开关单元中，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，在所述第二开关单元中，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；

所述变压器电路包括由第一电感线圈以及第二电感线圈组成的变压器，所述变压器电路用于隔离所述第一端口、所述第二端口以及所述第三端口；

所述晶体管控制电路包括第一控制电路、第二控制电路以及第三控制电路，所述第一电感线圈连接在所述第一端口与所述第三控制电路之间，所述第二电感线圈连接在所述第二端口与所述第三端口之间，所述第一控制电路连接在所述第二端口与所述第二控制电路之间，所述第二控制电路连接在所述第三端口与所述第一控制电路之间，所述晶体管控制电路基于所述第一控制电路的控制电平以及所述第二控制电路的控制电平，实现所述第一端口与所述第二端口导通，或者实现所述第一端口与所述第三端口导通；所述晶体管控制电路基于所述第三控制电路的控制电平，控制所述第一电感线圈的负载。

可选的，所述第一开关单元或者所述第二开关单元还包括：

控制端口，所述控制端口与所述第一控制电路、所述第二控制电路以及所述第三控制电路连接，所述控制端口用于为所述晶体管控制电路提供所述第一控制电路的控制电平、所述第二控制电路的控制电平以及所述第三控制电路的控制电平；

反相器，所述反相器用于连接所述控制端口与所述第二控制电路，以及所述控制端口与所述第三控制电路。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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电感线圈相连，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。

可选的，所述控制端口提供第一电平，所述第一晶体管开关断开，所述第二晶体管以及所述第三晶体管开关导通，所述第一端口与所述第二端口导通，且所述第一端口与所述第三端口断开。

可选的，所述控制端口提供第二电平，所述第一晶体管开关导通，所述第二晶体管以及所述第三晶体管开关断开，所述第一端口与所述第二端口断开，且所述第一端口与所述第三端口导通。

可选的，所述第一开关单元或者所述第二开关单元还包括：旁路电容，所述旁路电容一端与所述第一电感线圈相连，所述旁路电容的另一端接地。

可选的，应用频段包括24GHz～35GHz，在所述应用频段内，所述第一开关单元和所述第二开关单元中，输入端口与各个输出端口的插入损耗的不匹配度小于0.24dB，输入端口与各个输出端口的插入损耗小于2.2dB，输入端口与各个输出端口的隔离度大于23.2dB。

本发明实施例提供的毫米波滤波器电路，能够选择第一开关单元的输出端口以及第二开关单元的输入端口，实现不同电路的切换，第一开关单元以及第二开关单元利用变压器电路能够提高隔离度，并且能够利用晶体管控制电路实现负载切换技术，调整负载，进一步实现较低的插入损耗。

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滤波器电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种毫米波滤波器电路的具体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第一开关单元的电路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的第一开关单元在第一电平下的等效电路图；

图5是本发明实施例提供的第一开关单元在第二电平下的等效电路图；

图6是本发明实施例提供的第一开关单元的仿真结果图。

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。

为了能够实现电路在两种工作状态切换下，达到低插入损耗且高隔离度的目的，本发明实施例提供了一种毫米波滤波器电路。下面，对毫米波滤波器电路进行介绍。图1为本发明实施例提供的一种毫米波滤波器电路的结构示意图。

参见图1，本发明实施例提供的毫米波滤波器电路，包括：

第一开关单元，用于接收射频信号，包括变压器电路以及晶体管控制电路，利用变压器电路实现端口隔离，利用负载切换技术调整负载；

滤波器，用于将第一开关单元输出的射频信号进行滤波，输出滤波后射频信号；

第二开关单元，用于接收滤波后射频信号，包括变压器电路以及晶体管控制电路，利用变压器电路实现端口隔离，利用负载切换技术调整负载；

检波器，用于将第二开关单元输出的射频信号转换为模拟电压信号；

A/D转换器，用于将模拟电压信号转换为数字信号；

控制模块，用于接收数字信号，并基于数字信号选择第一开关单元的输出端口以及第二开关单元的输入端口。

以下，对本实施例中的各个结构进行介绍：

(1)第一开关单元以及第二开关单元：

第一开关单元以及第二开关单元均包括变压器电路以及晶体管控制电路，能够利用晶体管控制电路实现端口隔离，并且利用负载切换技术调整负载。

可以理解的是，第一开关单元接收射频信号之后，将射频信号传递至滤波器，而第二开关单元接收滤波之后的射频信号，再将滤波之后的射频信号传递至检波器。

(2)滤波器：

滤波器接收第一开关单元输出的射频信号。本实施例中，滤波器为现有技术中的滤波器。通过滤波器对接受的射频信号进行滤波，从而达到对谐波的抑制，减少对系统的干扰。

(3)检波器：

本实施例中，检波器为射频检波器。检波器接收第二开关单元输出的射频信号，再将接收到的射频信号转换为模拟电压信号，传递至A/D转换器。

(4)A/D转换器：

本实施例中，A/D转换器接收检波器输出的模拟电压信号，将模拟电压信号转换成数字信号，再将数字信号传递至控制模块。

(5)控制模块：

本实施例中，控制模块接收到数字信号后，基于数字信号为第一开关单元或者第二开关单元提供控制电平，实现选择所述第一开关单元的某一出端口以及选择第二开关单元的某一输入端口，实现不同电路的切换。

本发明实施例的毫米波开关滤波器，能够选择第一开关单元的输出端口以及第二开关单元的输入端口，实现不同电路的切换，第一开关单元以及第二开关单元利用变压器电路能够提高隔离度，并且能够利用晶体管控制电路实现负载切换技术，调整负载，进一步实现较低的插入损耗。

以下对本实施例提供的毫米波滤波器电路的开关单元进行详细介绍。参见图2，图2是本发明实施例提供的一种毫米波滤波器电路的具体结构示意图。以下主要对第一开关单元或者第二开关单元的结构进行说明，其余部件在此不做赘述。

本实施例中，第一开关单元或者第二开关单元还包括：第一端口P1、第二端口P2以及第三端口P3；在第一开关单元中，第一端口P1为输入端口，第二端口P2和第三端口P3为输出端口，在第二开关单元中，第二端口P2和第三端口P3为输入端口，第一端口P1为输出端口。

变压器电路包括由第一电感线圈L1以及第二电感线圈L2组成的变压器TF，变压器电路用于隔离第一端口P1、第二端口P2以及第三端口P3。

晶体管控制电路包括第一控制电路、第二控制电路以及第三控制电路，第一电感线圈L1连接在第一端口P1与第三控制电路之间，第二电感线圈L2连接在第二端口P2与第三端口P3之间，第一控制电路连接在第二端口P2与第二控制电路之间，第二控制电路连接在第三端口P3与第一控制电路之间，晶体管控制电路基于第一控制电路的控制电平以及第二控制电路的控制电平，实现第一端口P1与第二端口P2导通，或者实现第一端口P1与第三端口P3导通；晶体管控制电路基于第三控制电路的控制电平，控制第一电感线圈L1的负载。

变压器电路100中，变压器TF的第一电感线圈L1，即初级线圈，一端连接第一端口P1，另一端连接第三控制电路130；变压器TF的第二电感线圈L2，即次级线圈，一端连接第二端口P2，另一端连接第三端口P3。因此变压器电路能够将第一端口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。

晶体管控制电路能够基于控制电平控制第一开关单元或者第二开关单元的工作状态，即：控制第一端口P1与第二端口P2导通、控制第一端口P1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、控制第一端口P1与第二端口P2断开，同时控制第一电感线圈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P32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。

本实施例中，滤波器接收第一开关单元的第二端口P2或者第三端口P3输出的射频信号。可以理解的是，滤波器也有对应的两个输入端口以及两个输出端口，滤波器的两个输入端口分别用于选择接收第一开关单元的第二端口P2或者第三端口P3输出的射频信号，滤波器的两个输出端口对应输出某一输入端口接收到的射频信号，再将射频信号输入至第二开关单元。并且，第二开关单元的第二端口P2或者第三端口P3选择接收滤波器的某一输出端口的射频信号。

第一开关单元或者第二开关单元基于控制模块提供的控制电平实现第一端口P1与第二端口P2导通，或者第一端口P1与第三端口P3导通。

以下对本发明实施例提供的毫米波开关滤波装置的结构的可选实施方式进行说明，具体说明第一开关单元或第二开关单元的电路结构，其余结构不再赘述。请参见图3，图3是本发明实施例提供的第一开关单元的电路结构示意图。本领域技术人员可以理解的是，第二开关单元的结构与第一开关单元类似，请参见图3进行理解。

本发明实施例提供的第一开关单元或者第二开关单元还包括：控制端口VC，控制端口VC与第一控制电路110、第二控制电路120以及第三控制电路130连接，控制端口VC用于为晶体管控制电路提供第一控制电路110的控制电平、第二控制电路120的控制电平以及第三控制电路130的控制电平；

反相器INV，反相器INV用于连接控制端口VC与第二控制电路120，以及控制端口VC与第三控制电路130。

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为晶体管控制电路提供的第二控制电路120的控制电平以及第三控制电路130的控制电平相位翻转180度。

具体的，控制端口VC直接为第一控制电路110提供控制电平，即控制端口VC的控制电平等于第一控制电路110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以及第三控制电路130，得到第二控制电路120的控制电平以及第三控制电路130的控制电平，即第一控制电路110的控制电平与第二控制电路120的控制电平、第三控制电路130的控制电平的相位相差180度。

本发明实施例提供的第一开关单元或者第二开关单元还包括：旁路电容C1，旁路电容C1一端与第一电感线圈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的漏极与第二端口P2并联，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的漏极与第三端口P3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的漏极与第一电感线圈L1相连，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。

以下对第一开关单元的两种工作状态进行介绍，以便于理解本发明的第一开关单元的工作原理。可以理解的是，第一开关单元与第二开关单元的结构类似，两者的工作状态也类似，这里只对第一开关单元的工作状态进行详细介绍，第二开关单元部分不再重复赘述。

参考图4，图4为本发明实施例提供的第一开关单元在第一电平下的等效电路图。

本实施例中，控制端口VC提供第一电平，第一晶体管M1开关断开，第二晶体管M2以及第三晶体管M3开关导通，第一端口P1与第二端口P2导通，且第一端口P1与第三端口P3断开。

参考图5，图5是本发明实施例提供的第一开关单元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，第一晶体管M1开关导通，第二晶体管M2以及第三晶体管M3开关断开，第一端口P1与第二端口P2断开，且第一端口P1与第三端口P3导通。

可选的实施方式中：

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，所以第一控制电路110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，第一晶体管M1开关断开，此时第一晶体管M1等效为晶体管关断电容Coff1，在反相器INV的作用下，第二控制电路120的控制电平以及第三控制电路130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以及第三晶体管M3开关导通，此时第二晶体管M2等效为晶体管导通电阻Ron2，第三晶体管M3等效为晶体管导通电阻Ron3。这时，晶体管关断电容Coff1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，晶体管导通电阻Ron2等效为第三端口P3的负载，晶体管导通电阻Ron2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。并且，此时第一电感线圈L1的负载等效为晶体管导通电阻Ron3。

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，第一晶体管M1开关导通，此时第一晶体管M1等效为晶体管导通电阻Ron1，在反相器INV的作用下，第二控制电路120的控制电平以及第三控制电路130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以及第三晶体管M3开关断开，此时第二晶体管M2等效为晶体管关断电容Coff2，第三晶体管M3等效为晶体管关断电容Coff3。这时，晶体管导通电阻Ron1等效为第二端口P2的负载，晶体管导通电阻Ron1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，晶体管关断电容Coff2等效为第三端口P3的负载，因此第一端口P1与第三端口P3导通。并且，此时第一电感线圈L1的负载等效为晶体管关断电容Coff3。

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工作状态的切换；同时，在输入端口引入负载切换技术，根据第三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，实现在两种工作状态下均具有较低的插入损耗。

并且，相比于图1所示的毫米波开关滤波装置中的第一开关单元以及第二开关单元，本发明实施例提供的第一开关单元以及第二开关单元，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，能够实现毫米波集成电路开关输入端口到两个端口输出的良好匹配。

为了证实本发明实施例提供的毫米波开关滤波装置中的第一开关单元以及第二开关单元的工作效果，以下结合第一开关单元以及第二开关单元的具体参数和仿真结果进行说明。

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32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32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32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第一开关单元以及第二开关单元，可以实现：应用频段包括24GHz～35GHz。在应用频段内，在第一开关单元或者第二开关单元内，输入端口与各个输出端口的插入损耗的不匹配度小于0.24dB，输入端口与各个输出端口的插入损耗小于2.2dB，输入端口与各个输出端口的隔离度大于23.2dB。

可以理解的是，此次仿真选择的应用频段为24GHz～35GHz，这是因为该频段为目前5G通信的主要应用频段。

请参考图6，图6是本发明实施例提供的开关单元的仿真结果图。

基于图6的仿真结果不难看出，第一端口P1与第二端口P2的插入损耗的不匹配度，即S

需要注意的是，本发明实施例提供的第一开关单元以及第二开关单元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。

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工作状态的切换；同时，在输入端口引入负载切换技术，根据第三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，实现在两种工作状态下均具有较低的插入损耗。并且，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，能够实现毫米波集成电路开关输入端口到两个端口输出的良好匹配。

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。