具有旁路拓扑的射频开关
阅读说明：本技术 具有旁路拓扑的射频开关 (Radio frequency switch with bypass topology ) 是由 伊桑·普雷沃斯特 于 2016-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及具有旁路拓扑的射频开关。一种RF信号开关电路,允许在电路内模式下或在旁路模式下将N个射频(RF)输入端子中的任一个连接至开关输出端口。本发明的实施方式允许单个开关在串联输入路径中同时仍具有将旁路路径与输入匹配网络隔离的能力。在这两种模式下,电路同时呈现低输入插入损耗(并且因此具有低噪声因子)和高旁路模式隔离。(The invention relates to a radio frequency switch with a bypass topology. An RF signal switch circuit allows any of N Radio Frequency (RF) input terminals to be connected to a switch output port in either an in-circuit mode or a bypass mode. Embodiments of the present invention allow a single switch in the series input path while still having the ability to isolate the bypass path from the input matching network. In both modes, the circuit exhibits both low input insertion loss (and therefore low noise factor) and high bypass mode isolation.)
本申请为于2017年12月13日提交、申请号为201680034598.3、发明名称为“具有旁路拓扑的射频开关”的中国专利申请的分案申请。所述母案申请的国际申请日为2016年7月20日，国际申请号为PCT/US2016/043171。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月28日提交的美国申请第14/811,159号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及电子射频(RF)电路，并且更具体地，涉及RF信号切换电路。
背景技术
射频(RF)信号开关是用于在RF系统的各个部分之间(例如在一个或更多个天线与一个或更多个发射器和/或接收器电路之间)路由RF信号的常见电路。例如，RF信号开关被用于例如包括蜂窝电话的单向和双向无线电的设备以及全球定位系统(GPS)设备中。
在对噪声敏感的电子系统例如无线电信号接收器中使用RF信号开关是很常见的。这种接收器经常呈现出非常弱的信号(例如由天线捕获的所发射的无线电波)，并且因此，通常使用低噪声放大器(LNA)来放大这种信号。通常也在LNA的输入端提供匹配的网络，以最大化至LNA的功率转移。
低噪声放大器(LNA)的噪声指数(NF)对所呈现的阻抗和LNA的输入端前面的插入损耗(IL)非常敏感。例如，在典型的蜂窝无线电LNA配置中，与RF开关串联的一组带通滤波器存在于LNA的输入端处，并且用于选择要呈现给无线电收发器的特定频带。为了减少NF，需要具有低插入损耗(IL)的RF信号开关。然而，在一些操作模式下，LNA必须是可设旁路的，并且在这种模式下，LNA应与旁路信号路径隔离。
例如，图1是现有技术RF信号开关100的示意图，其中，N个RF输入端子RF1-RFN中的一个可以通过匹配网络和LNA块102或通过旁路路径104连接至开关输出端口。RF输入端子RF1-RFN可以连接至相应的天线，如虚线所指示的，匹配网络和LNA块102通常在RF信号开关100的外部。
在所示示例中，在“电路内”模式下，输入端子RF1可以通过闭合对应的串联开关S1、断开对应的分路开关Sh1、断开旁路开关、闭合输出连接器开关SC以及断开输出连接器分路开关ShC而连接至匹配网络和LNA块102。在该模式下，对于每个其他RF输入端子RF2-RFN，对应的串联开关S2-SN断开，并且对应的分路开关S2-SN闭合。任何其他RF输入端子RF2-RFN可以以类似的方式在电路内连接至匹配网络和LNA块102。
在旁路模式下，输入端子RF1可以通过闭合对应的串联开关S1、断开对应的分路开关Sh1、闭合旁路开关、断开输出连接器开关SC以及闭合输出连接器分路开关ShC而直接连接至开关输出端。在该模式下，对于每个其他RF输入端子RF2-RFN，对应的串联开关S2-SN断开，并且对应的分路开关S2-SN闭合。任何其他RF输入端子RF2-RFN可以以类似的方式被连接，以使匹配网络和LNA块102旁路。
图1中示出的电路配置的问题在于，当LNA未激活时，LNA的输入端处的匹配网络不与旁路路径104隔离。匹配网络会不利地影响RF信号开关100的输出阻抗，并导致旁路路径104的IL劣化，其严重程度取决于LNA输入匹配网络的设计和元件值。旁路路径IL的这种劣化使得模块设计者努力在具有良好的LNA输入匹配和维持低旁路路径IL之间寻找平衡。
如果期望将旁路路径与LNA输入匹配网络隔离，则标准实践是在匹配网络之前附加另一个串联/分路开关对。例如，图2是图1的现有技术RF信号开关的示意图，其中，在匹配网络和LNA块102之前连接隔离串联/分路开关对SI/ShI 106。在旁路模式下，隔离串联开关SI断开，并且隔离分路开关ShI闭合，从而将匹配网络输入端耦接至电路接地端，并将匹配网络与旁路路径104完全隔离。相反地，在电路内模式下，隔离串联开关SI闭合，并且隔离分路开关ShI断开。
然而，与图1中示出的配置相比，图2中示出的电路配置的不利方面在于附加的串联开关SI增加了到LNA的输入IL，并且因此增加了系统NF。这是因为所示的开关在闭合时不是理想导体，而是呈现一定量的阻抗。
因此，需要同时呈现低输入IL(并且因此具有低NF)和高隔离度的RF信号开关电路。本发明解决了这个需求。
发明内容
本发明包括RF信号开关电路的实施方式，RF信号开关电路允许N个RF输入端子RF1-RFN中的任一个在电路内模式下或在旁路模式下连接至开关输出端口。本发明的实施方式允许单个开关在串联输入路径中同时仍具有将旁路路径与输入匹配网络隔离的能力。在这两种模式下，电路同时呈现低输入IL(并且因此具有低NF)和高旁路模式隔离。
在一个实施方式中，RF信号开关电路的电路内路径与可以包括可选的匹配网络的隔离和/或插入损耗敏感目标电路(例如LNA或数字步进衰减器)的输入端耦接。目标电路和可选的匹配网络相对于RF信号开关电路通常是断路，但是整个电路可以被制造成混合结构或单片结构。在一些实施方式中，匹配网络可以与目标电路集成。
在一个实施方式中，RF输入端子RF1-RFN中的每一个直接连接至三个对应的开关：路径内连接器开关IC_Sx、分路开关Shx和旁路开关BP_Sx(其中，“x”表示对应的RF输入端子标识符，从1至N，并且其中，N可以是1)。对于RF输入端子RF1-RFN中的每一个，所有的路径内连接器开关IC_Sx和隔离分路开关ShI都连接至电路内路径。在可替选实施方式中，RF输入端子RF1-RFN中的每一个可以具有一组或更多组路径内连接器开关IC_Sx以及连接至并联电路内路径的对应的隔离分路开关ShI。例如，这种配置将在不增加到任何一个目标电路的串联开关的数目的情况下允许多个天线选择性地耦接至多个目标电路。
目标电路的输出端连接至开关返回路径，开关返回路径又可以通过输出连接器串联开关SC选择性地连接至RF信号开关电路的开关输出端，或可以通过输出连接器分路开关ShC连接至电路接地端。
在操作中，施加到RF输入端子RF1-RFN中的任一个的RF信号可以通过单个开关连接至目标电路(并且然后连接至开关输出端)，或者在完全隔离与开关电路耦接的任何匹配网络的情况下施加到开关输出端的旁路路径。
在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或更多个实施方式的细节。根据说明书和附图并且根据权利要求书，本发明的其他特征、目的和优点将是明显的。
附图说明
图1是现有技术RF信号开关的示意图，其中，N个RF输入端子RF1-RFN中的一个可以通过匹配网络和LNA块或通过旁路路径连接至开关输出端。
图2是图1的现有技术RF信号开关的示意图，其中，在匹配网络和LNA块之前连接隔离串联/分路开关对SI/ShI。
图3是根据本发明的RF信号开关电路的实施方式的示意图。
图4A是图3中示出的以电路内模式进行配置的实施方式的示意图。
图4B是图3中示出的以旁路模式进行配置的实施方式的示意图。
图5是用于图3中示出的旁路开关BP_S1至BP_SN中的每一个的高隔离“T”型串联/分路/串联旁路开关替换电路的示意图。
图6A是针对来自图1、图2和图3的三个模拟电路拓扑中的每一个将串联输入路径到LNA的插入损耗与频率进行比较的曲线图。
图6B是针对来自图1、图2和图3的三个模拟电路拓扑中的每一个将旁路路径的插入损耗与频率进行比较的曲线图。
在各个附图中，相同的附图标记和名称指示相同的元件。
具体实施方式
图3是根据本发明的RF信号开关电路300的实施方式的示意图。RF信号开关电路300允许N个RF输入端子RF1-RFN中的任一个在电路内模式下或在旁路模式下连接至开关输出端口。本发明的实施方式允许单个开关在串联输入路径中同时仍具有将旁路路径与输入匹配网络隔离的能力。在这两种模式下，电路同时呈现低输入IL(并且因此具有低NF)和高旁路模式隔离。
在所示实施方式中，RF信号开关电路300的电路内路径302被配置成直接地或通过可选的匹配网络306(以虚线轮廓示出)与隔离和/或插入损失敏感目标电路304(例如LNA或数字步进衰减器)的输入端耦接。目标电路304和匹配网络306通常相对于RF信号开关电路300是断路，但是图3中示出的整个电路可以被制造成混合结构或单片结构。在一些实施方式中，匹配网络306可以与目标电路304集成。然而，为了方便起见，以下描述将把目标电路304和匹配网络306看作分立的元件。
在所示实施方式中，RF输入端子RF1-RFN中的每一个被直接连接至三个对应的开关：路径内连接器开关IC_Sx、分路开关Shx和旁路开关BP_Sx(其中，“x”表示对应的RF输入端子标识符，从1至N，并且其中，N可以是1)。对于RF输入端子RF1-RFN中的每一个，所有的路径内连接器开关IC_Sx和隔离分路开关ShI都连接至电路内路径302。
RF信号开关包括被配置成与目标电路304的输出端耦接的开关返回路径308。开关返回路径308又可以通过输出连接器串联开关SC选择性地连接至RF信号开关电路300的开关输出端，或可以通过输出连接器分路开关ShC连接至电路接地端。
在可替选实施方式中，RF输入端子RF1-RFN可以具有一组或更多组路径内连接器开关IC_Sx以及连接至并联电路内路径302的对应的隔离分路开关ShI。例如，这种配置将在不增加到任何一个目标电路304的串联开关的数目的情况下允许多个天线选择性地耦接至多个目标电路304。在这种配置中，RF信号开关300将具有并行的开关返回路径308，每个开关返回路径308被配置成与对应的目标电路304、对应的输出连接器串联开关SC和对应的输出连接器分路开关ShC耦接。
以上针对图3所描述的所有开关可以由常规设计的外部开关电路系统(未示出)控制，以设置开关的断开状态或闭合状态。
图4A是图3中示出的以电路内模式进行配置的实施方式的示意图。在该示例中，施加到RF输入端子RF1的信号通过闭合的路径内连接器开关IC_S1耦接至电路内路径302，通过匹配网络306耦接至目标电路304，返回到开关返回路径308，并且通过闭合的输出连接器串联开关SC，并且然后到开关输出端。用于RF输入端子RF1的分路开关Sh1和旁路开关BP_S1与隔离分路开关ShI和输出连接器分路开关ShC一样是断开的。
其他RF输入端子RF2-RFN中的每一个通过其对应的分路开关Sh2-ShN分路到电路接地端，并且其对应的路径内连接器开关IC_S2至IC_SN和旁路开关BP_S2至BP_SN断开，因此通过RF输入端子RF1将RF输入端子RF2-RFN与激活的信号路径隔离。
在图4A中示出的配置中，RF输入端子RF1处的输入信号在被耦接到匹配网络306之前通过仅一个开关(IC_S1)传输，因此使匹配网络306和目标电路304的插入损耗最小化。
图4B是图3中示出的以旁路模式进行配置的实施方式的示意图。在该示例中，施加到RF输入端子RF1的信号通过闭合的旁路开关BP_S1耦接至开关输出端。用于RF输入端子RF1的分路开关Sh1和路径内连接器开关IC_S1是断开的。隔离分路开关ShI和输出连接器分路开关ShC二者都是闭合的，从而将输入端耦接至匹配网络306，并且将目标电路304的输出端耦接至电路接地端。
其他RF输入端子RF2-RFN中的每一个通过其对应的分路开关Sh2-ShN被再次分路到电路接地端，并且其对应的路径内连接器开关IC_S2至IC_SN以及旁路开关BP_S2至BP_SN是断开的，因此通过RF输入端子RF1将RF输入端子RF2-RFN与激活的信号路径隔离。
在图4B中示出的配置中，RF输入端子RF1处的输入信号在耦合到开关输出端之前通过仅一个开关(BP_S1)传输，并且与匹配网络306和目标电路304完全隔离。
应当清楚的是，任何其他RF输入端子RF2-RFN可以以类似的方式在电路内模式下或在旁路模式下连接。在多个目标电路304的情况下，每个未激活的目标电路304将通过以下操作被隔离：对对应的电路内路径302和开关返回路径308的分路和串联开关的适当设置(例如通过断开对应的路径内连接器开关IC_Sx、闭合对应的隔离分路开关ShI、断开对应的输出连接器串联开关SC、并闭合对应的输出连接器分路开关ShC)。
可替选的旁路开关电路
对于图3中示出的示例，如果期望开关输出端与目标电路304的输入端的更高的隔离度，则对应的旁路开关BP_S1至BP_SN可以用“T”型串联/分路/串联电路旁路开关配置来替换。这对于更好地将开关输出端与目标电路304的输入端隔离是有用的，因为单个旁路开关BP_S1(特别是被实现为场效应晶体管的一个)可以表现为能够将存在于开关输出端上的一些放大的信号频率传输到目标电路304的输入端的电容器。更好的隔离将防止反馈并增加目标电路304的稳定性。然而，如果目标电路304不提供放大(例如在目标电路是数字步进衰减器的情况下)，则图3中示出的较简单的单开关旁路开关BP_S1至BP_SN可以是优选的。
图5是用于图3中示出的旁路开关BP_S1至BP_SN中的每一个的高隔离“T”型串联/分路/串联旁路开关替换电路500的示意图。对于旁路模式下的激活的信号路径(例如对于施加到RF输入端子RF1的信号)，串联开关SwA闭合，串联开关SwB闭合，并且分路开关Sh断开，因此允许从RF输入端子RF1到开关输出端的信号传输(但是与图3中示出的单开关旁路开关BP_S1至BP_SN相比，由于增加了第二串联开关而具有稍微较差的旁路路径IL)。
对于电路内模式下的激活的信号路径以及对于任一模式下的未激活的信号路径，串联开关SwA断开，串联开关SwB断开，并且分路开关Sh闭合，因此将两个串联开关SwA、SwB之间的连接点接地，并且因此显著增加目标电路304的输入端与开关输出端的隔离度。
模拟结果
使用所选择的电阻器、电容器、电感器以及所选择的LNA的散射参数(S参数)对图1和图2中示出的两个电路拓扑以及图3中示出的新颖的电路拓扑进行模拟以进行比较。由于已知FET开关在断开(非导通)时表现为电容器，并且在闭合(导通)时表现为电阻器，所以在模拟中，使用电容器来表示断开的开关，并且使用电阻器来表示闭合的开关。电容值和电阻值是基于当前RF开关IC技术来选择的。在端口位置使用电感器，以模拟期望的外部匹配网络。使用可以与这种开关一起使用的相邻匹配网络在典型的LNA(关闭)上对S参数进行测量。这样做是为了在其输入端与旁路路径没有被适当隔离的情况下引入具有输入匹配网络的关闭的LNA将具有的效果。使用图5中示出的高隔离度串联/分路/串联配置来模拟旁路开关。
图6A是针对来自图1(曲线602)、图2(曲线604)和图3(曲线606)的三个模拟电路拓扑中的每一个将频率与串联输入路径到LNA的插入损耗进行比较的曲线图600。点m2表示约1.5GHz的频率，并且点m3表示约2.69GHz的频率。图1(曲线602)电路拓扑和图3(曲线606)电路拓扑具有相似的IL性能，但是图2(曲线604)电路拓扑(具有比图1的电路拓扑更好的隔离度)由于在串联输入路径中增加了第二开关而具有劣化的IL。
图6B是针对来自图1(曲线612)、图2(曲线614)和图3(曲线616)的三个模拟电路拓扑中的每一个将频率与旁路路径的插入损耗进行比较的曲线图610。点m4表示约1.5GHz的频率，并且点m5表示约2.69GHz的频率。相比于图6A的结果，图2(曲线614)电路拓扑和图3(曲线616)电路拓扑具有相似的IL性能，其中，图3(曲线616)电路拓扑在所有频率上稍好一点，并且在较高频率上明显更好。非隔离的LNA(关闭)的不利影响可以在图1(曲线612)电路拓扑中的旁路IL中看出，该不利影响随着频率增加而迅速恶化。在所有的模拟中，输入串联IL通过针对输入匹配网络使用仅电感器而被优化；旁路路径中的劣化IL的严重程度非常依赖于所使用的输入匹配网络的类型。对于图1(曲线612)电路拓扑，不同的匹配网络电路可能会导致更大量的IL劣化。
比较图6A和图6B，非常明显的是，图3(曲线606、曲线616)中示出的新颖的电路拓扑与图1(曲线602、曲线612)和图2(曲线604、曲线614)中的电路拓扑(其在旁路IL和输入串联IL之间进行折衷)相比具有更好的整体IL性能。
对于本领域的普通技术人员应当明显的是，可以实现本发明的各个实施方式以满足各种各样的规格。因此，选择合适的元件值是设计选择的关键。具体地，图3至图5所示的开关可以是任何类型的，但是被有利地制造成在集成电路(IC)上的场效应晶体管(FET)。本发明的各个实施方式可以在任何合适的IC技术(包括但不限于MOSFET和IFGET结构)中或以混合或分立电路形式来实现。集成电路实施方式可以使用任何合适的衬底和工艺来制造，包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)、GaAs pHEMT和MESFET工艺。可以取决于特定规格和/或实现技术(例如NMOS、PMOS或CMOS)调节来电压电平或反转电压极性。元件电压、电流和功率处理能力可以根据需要进行改变，例如通过调节设备尺寸、“堆叠”元件以处理更大的电压，以及/或者使用多个并联元件以处理更大的电流。
方法
本发明的另一方面包括用于切换RF信号的方法，包括：
a.提供具有分路开关、旁路开关和路径内连接器开关的至少一个RF输入端口；
b.将每个路径内连接器开关与电路内路径耦接，电路内路径被配置成与目标电路的输入端耦接；
c.将每个旁路开关与开关输出端口耦接；
d.将每个分路开关与电路接地端耦接；
e.将隔离分路开关与电路内路径耦接；
f.提供开关返回路径，所述开关返回路径被配置成与所述目标电路的输出端耦接；
g.将输出连接器分路开关与开关返回路径耦接；以及
h.将输出连接器开关与开关返回路径耦接并与开关输出端口耦接。
本发明的再一方面包括以上阐述的第一种方法，还包括通过以下操作来配置对于所选择的RF输入端口的电路内模式：
a.将用于所选择的RF输入端口的分路开关和旁路开关设置为断开状态，将用于所选择的RF输入端口的路径内连接器开关设置为闭合状态，将隔离分路开关设置为断开状态，将输出连接器分路开关设置为断开状态，并且将输出连接器开关设置为闭合状态；以及
b.对于每个其他RF输入端口，将相应的路径内连接器开关和旁路开关设置为断开状态，并且将相应的分路开关设置为闭合状态。
本发明的又一方面包括以上阐述的第一种方法，还包括通过以下来配置对于所选择的RF输入端口的旁路模式：
a.将用于所选择的RF输入端口的分路开关和路径内连接器开关设置为断开状态，将用于所选择的RF输入端口的旁路开关设置为闭合状态，将隔离分路开关设置为闭合状态，将输出连接器分路开关设置为闭合状态，并且将输出连接器开关设置为断开状态；以及
b.对于每个其他RF输入端口，将相应的路径内连接器开关和旁路开关设置为断开状态，并且将相应的分路开关设置为闭合状态。
以上方法的另一方面是将每个旁路开关配置成“T”型串联/分路/串联电路，并且(a)对于旁路模式下的激活的信号路径，将第一串联开关和第二串联开关设置为闭合状态，并且将分路开关设置为断开状态；以及(b)对于电路内模式下的激活的信号路径以及对于在任一模式下的未激活的信号路径，将第一串联开关和第二串联开关设置为断开状态，并且将分路开关设置为闭合状态。
已经描述了本发明的多个实施方式。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，以上描述的一些步骤可以是不依赖于顺序的，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序执行。此外，以上描述的一些步骤可以是可选的。关于上述方法描述的各种动作可以以重复的、连续的或并行的方式执行。应当理解，前面的描述旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书的范围限定，并且其他实施方式在权利要求书的范围内。
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