CMOS超宽带开关的电路设计

摘要

现代无线通信系统的飞速发展促使着低成本、髙集成度的射频前端不断翻新进步。采用商用的互补金属氧化物半导体(CMOS)设计微波收发系统是大势所趋，而当今的通信系统已经无法满足于单频带工作，多频段和超宽带系统应运而生。本身CMOS工艺就难以集成微波开关和微波放大器这类大功率器件，要求超宽带工作更是难上加难。本文致力于硅基CMOS超宽带开关的研究，推动超宽带微波系统向前发展。 本文对微波开关的主要性能参数进行了详细的理论分析，对插入损耗、隔离度、功率处理能力都提出了改进方法。还对使用于微波开关的片上无源电感和片上无源巴伦进行了分析，设计并仿真了宽带变压器型巴伦，仿真结果为插入损耗最低为1.844dB在16.5GHz处，ldB带宽为13.5GHz。在1GHZ-25GHZ频段内幅度平衡度均小于0.6dB，在4GHz-25GHz频段内相位平衡度均处于±5°的范围内。 带宽、插入损耗、隔离度和功率处理能力在设计开关电路总是要进行折中，本文基于经典的串并联开关结构设计了两款超宽带开关，差分结构超宽带开关可以将差分模块和单端模块衔接起来而单端结构超宽带开关本身适用的范围较广。差分开关采用负偏压技术、泄漏消除技术、交流悬浮技术来提高隔离度和功率处理能力。单端开关则釆用独特的匹配网络改善高频时开关电路的性能。 通过超宽带差分微波开关进行仿真得到，发射模式和接收模式下开关的回波损耗在27.5GHz前均小于-10dB，插入损耗在15GHz之前均小于2dB,在20GHz之前均小于2.5dB，隔离度在20GHz之前小于-22.5dB。在15GHz时，发射模式的输入ldB压缩点为13.6dBm。超宽带单端微波开关的仿真结果为，发射模式和接受模式下开关的回波损耗在DC-30GHZ频段均小于-10dB，插入损耗在20GHz时为2.4dB，15GHz时为1.95dB，隔离度在DC-30GHz均小于-23dB。在15GHz时，发射模式的输入ldB压缩点为7.5dBm。 仿真结果表明，本文设计的超宽带开关符合预期效果，对CMOS超宽带微波开关的研究有一定意义。

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