CN101814927A - 一种多模全频段的射频发射装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模全频段的射频发射装置，该装置包括：位于射频主放大晶片后级的射频开关晶片，用于集成所有固体开关元件；所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关；所述可变电容和可变电感，用于对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。本发明还公开了一种多模全频段的射频发射方法，该方法包括：通过可变电容和可变电感，对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。采用本发明的装置及方法，能从根本上降低系统设计复杂度和生产成本。

Description

一种多模全频段的射频发射装置及方法
技术领域
本发明涉及射频发射技术，尤其涉及一种多模全频段的射频发射装置及方法。
背景技术
射频发射技术是应用于移动终端的射频前端系统的，以下对移动终端的射频前端系统架构说明如下：
目前3G技术已经基本成熟，国内的运营商也正在主推各种制式的3G移动终端产品。其中，时分同步码分多址(TD-SCDMA)制式的移动通信系统正在由国内最大的移动运营商中国移动运营。目前，中移正在着力推进TD-SCDMA的下一代移动制式标准--TDD-LTE。因此，可以预见在未来的很长一段时间内，移动终端产品将会有GSM、TD-SCDMA以及LTE三种制式共存于同一移动终端的需求，也就是说，未来对移动终端的射频前端系统的设计，要满足多模制式共存的需求。
常见的移动终端，比如手机中通常都有功率放大器(PA)，PA是射频前端系统的硬件电路中非常核心的部件。PA负责将最终的射频调制信号放大到足够大的功率，以便后端的天线发射。整个手机射频前端系统的基本射频链路架构如图1所示，图1的手机支持GSM或者TDD制式。
目前市场上的PA产品全部都是单一制式的。如果手机需要支持多模制式，那么必须使用多个分别支持不同类型制式的PA。下面以TD、GSM双模手机的射频前端系统为例，其架构示意图如图2所示。
综上所述，如果未来需要设计满足多模制式共存需求的移动终端，比如兼容GSM、TD以及LTE的移动终端，按照以上现有的单一制式的设计思路，对于多个制式，将会使用至少三个分立的PA模块，以分别支持各自的制式。这无疑会增加整个射频前端系统的设计难度和生产成本。因此，为了避免PA的设计复杂度导致整个射频前端系统的设计复杂度和生产成本的提高，作为设计这种射频前端系统的设备制造商，在考虑多模制式共存的兼容性这一基础上，进而还需要将集成性的设计需求作为将来的设计趋势，即为：既能满足多模制式共存的兼容性需求，又能满足集成性的设计需求。
其中，针对现有移动终端射频前端系统中的射频发射装置而言，该射频发射装置作为射频前端系统中的核心装置，以下对其内部的PA模块说明如下：
现有GSM PA一般采用多晶片模块(MCM，Mlti-chip Module)的封装方式。该PA模块由基板(PCB)、主放大晶片、控制晶片以及一些无源匹配元件所组成。如图3所示。
由于GSM制式分为两个频段，现有技术已经能够将主放大晶片做在一起，但是输出的匹配电路仍然是分不同频段的支路走的。而且匹配元件中需要SMD表面贴片元件。如果未来需要将TD、以及LTE等各个频段均集成到该PA模块中的话，按照以上现有的“输出的匹配电路分不同频段的支路走”这一设计思路，则每个频段都将做一个输出匹配电路，多路的输入/输出匹配电路会导致PA模块的设计复杂度增大，现有多模PA内部架构如图4所示。而PA模块的设计复杂度增大，必然会导致射频发射装置内部电路走线的复杂度，以及射频发射装置外部引脚的复杂度随之增大。
综上所述，由于采用现有技术，针对既能满足多模制式共存的兼容性需求，又能满足集成性的设计需求，都无法很好的得到满足，从而无法从根本上降低系统设计复杂度和生产成本，因此，目前迫切需要一种新的射频发射装置，来更好地满足这一需求，以便从根本上降低系统设计复杂度和生产成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多模全频段的射频发射装置及方法，能从根本上降低系统设计复杂度和生产成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多模全频段的射频发射装置，该装置包括装置内部的射频主放大晶片和控制晶片，该装置还包括：位于所述射频主放大晶片后级的射频开关晶片，用于集成所有固体开关元件；所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关；
所述可变电容和可变电感，用于对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。
其中，所述可变电容，用于适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电容值减小；
所述可变电感，用于适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电感值减小。
其中，该装置还包括：装置外部的引脚，所述引脚的架构适应于所述装置内部的架构；其中，所述引脚包括以下引脚类型：
引脚类型1：射频信号统一输入端的引脚；
引脚类型2：射频发射装置电源的引脚；
引脚类型3：发射模式和接收模式切换的引脚；
引脚类型4：模拟功率控制输入端的引脚；
引脚类型5：组成逻辑控制位的选择射频频段的引脚；
引脚类型6：射频信号接收端的引脚；
引脚类型7：公共端的引脚；
引脚类型8：射频接天线端口的引脚。
其中，所述引脚类型1以Rfin标识、所述引脚类型2以Vbatt标识、所述引脚类型3以TX/RX标识、所述引脚类型4以Vr标识、所述引脚类型5以BS1，BS2，BS3和BS4标识、所述引脚类型6以RX1，RX2，RX3，RX4，RX5和RX6标识、所述引脚类型7以GND标识、所述引脚类型8以ANT标识的情况下，
所述Rfin、所述Vbatt、所述TX/RX、所述Vr、所述BS1，BS2，BS3和BS4标识位于所述装置的一侧，皆作为装置输入侧的引脚；所述RX1，RX2，RX3，RX4，RX5和RX6、所述GND、所述ANT位于所述装置的另一侧，皆作为装置输出侧的引脚；其中，
所述Rfin与所述输入开关匹配电路相连；所述输入开关匹配电路，经由所述射频主放大晶片和所述输出开关匹配电路与所述射频开关晶片相连；
所述Vr、所述BS1，BS2和BS3分别与所述控制晶片相连；所述控制晶片与所述所述射频主放大晶片相连，且所述控制晶片还与所述射频开关晶片相连；
所述RX1，RX2，RX3，RX4，RX5和RX6、所述ANT分别与所述射频开关晶片相连。
一种多模全频段的射频发射方法，该方法包括：
在装置内部，通过射频开关晶片集成所有固体开关元件；其中，所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关；
通过所述可变电容和可变电感，对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。
其中，该方法还包括：采用所述可变电容适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电容值减小；
采用所述可变电感适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电感值减小。
其中，该方法还包括：在装置外部，设置适应于所述装置内部的架构的引脚；其中，所述引脚包括以下引脚类型：
引脚类型1：射频信号统一输入端的引脚；
引脚类型2：射频发射装置电源的引脚；
引脚类型3：发射模式和接收模式切换的引脚；
引脚类型4：模拟功率控制输入端的引脚；
引脚类型5：组成逻辑控制位的选择射频频段的引脚；
引脚类型6：射频信号接收端的引脚；
引脚类型7：公共端的引脚；
引脚类型8：射频接天线端口的引脚。
本发明通过射频开关晶片集成所有固体开关元件；所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关；通过可变电容和可变电感，对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。
本发明的多模全频段的射频发射装置，主要应用于未来多模制式移动终端的射频前端系统设计，针对既能满足多模制式共存的兼容性需求，又能满足集成性的设计需求，都能很好的得到满足，所实现的一路的输入/输出匹配电路，区别于现有技术所实现的多路的输入/输出匹配电路，从而，能从根本上降低系统设计复杂度和生产成本。
附图说明
图1为现有手机射频前端系统的基本射频链路架构图；
图2为现有TD、GSM双模手机的射频前端系统架构图；
图3为现有GSM PA的内部架构图；
图4为现有多模PA的内部架构图；
图5为本发明可变电容的架构示意图；
图6为本发明可变电感的架构示意图；
图7为本发明射频开关晶片的内部架构示意图；
图8为本发明射频发射装置的内部架构及外部引脚设计的示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是：通过射频开关晶片集成所有固体开关元件；所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关；通过可变电容和可变电感，对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
本发明的设计思路主要是：就射频发射装置的内部而言，首先利用低温陶瓷共烧技术(LTCC)实现输入/输出匹配电路，区别于现有技术中采用的SMD表面贴片元件。并且针对输入/输出匹配电路，电容元件、电感元件均为可调元件，从而可以对输入/输出匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，以便使其适应不同频段输入输出匹配的要求，从而，通过引入可变电容和可变电感的控制，可以将现有技术中原本多路的输入/输出匹配电路转化为一路输入/输出匹配电路，也就是说在保证兼容性的基础上降低了设计复杂度和生产成本。然后，考虑到集成性，将包括控制电容元件及电感元件的切换开关等固体开关元件集成到射频开关晶片中，可以进一步降低设计复杂度和生产成本。本发明区别于现有技术，相应于射频发射装置简化的内部设计，还在射频发射装置的外部实现了引脚的设计，以适应于射频发射装置的内部设计。以下具体阐述。
一种多模全频段的射频发射装置，主要包括以下内容：
一：针对可变电容和可变电感而言，以下分别阐述。
1)可变电容：设计输入/输出匹配电路时，随着频率的升高，所需的电容值减小。当频段按照频率从低往高排序依次为频段1、频段2、......频段n-1、频段n时，相应地，设计选取C1为频段n的电容、C1+C2为频段n-1的电容，以此类推，C1+C2+......+Cn-1+Cn为频段1的电容。可变电容的架构如图5所示。
2)可变电感：设计输入/输出匹配电路时，随着频率的升高，所需的电感值减小。当频段按照频率从低往高排序依次为频段1、频段2、......频段n-1、频段n时，相应地，设计选取L1为频段1的电感、L1并联L2为频段2的电感，以此类推，L1，L2......Ln全部并联为频段n的电感。可变电感的架构如图6所示。
二、针对将所有固体开关元件集成到射频开关晶片而言，以下具体阐述。
将PA外部的各个射频开关器件，即所述固体开关元件集成到射频发射装置中，具体为：在射频发射装置内部，将射频通路的单刀七置开关、以及实现可变电容和可变电感这种可调元件对取值大小进行控制时所采用的切换开关全部做到一个晶片上，该晶片即为图8中的射频开关晶片。如图8所示为射频发射装置的内部结构及外部引脚设计的示意图；如图7所示为射频开关晶片中开关内部的结构示意图。这里需要指出的是：可变电容和可变电感是通过一系列的切换开关，来实现对取值大小的调整控制，切换开关是被集成到射频开关晶片中去的，也就是说，控制可变电容和可变电感的该切换开关在射频开关晶片中，而可变电容和可变电感的其他部分是在射频开关晶片外的，如图7所示。
三、针对整个射频发射装置而言，以下具体阐述。
整个射频发射装置以LTCC为基板，只包含3个晶片，分别为控制晶片，射频放大主晶片以及射频开关晶片。集成了n个频段的整个射频发射装置的内部结构及外部引脚设计的示意图如图8所示，引脚也可以称为输入输出端子引脚。
其中，引脚的架构中包括多种引脚类型，所设计的每个引脚类型的功能描述如下所示：
RFin：射频信号统一输入端；
Vbatt：射频发射装置电源；
TX/RX：发射模式和接收模式切换；
Vr：模拟功率控制输入端，在GSM模式时，作为输出功率的模拟控制端；在TD和LTE模式时，作为PA高低功率档的切换控制端；
BS1，BS2，BS3，BS4：组成逻辑控制位的选择射频频段；
RX1，RX2，RX3，RX4，RX5，RX6：射频信号接收端；
GND：公共端，表示地线或0线；
ANT：射频接天线端口，后直接接天线。
这里需要指出的是：上述引脚类型均为必选项。
综上所述，可见：如图8所示，本发明的多模全频段的射频发射装置，合理地利用了射频主放大晶片后级的射频开关晶片作为固体开关的载体，通过射频开关晶片中的切换开关对可变电容和可变电感的有效控制，实现对匹配电路中无源元件取值大小的控制，以便使其适应不同频段输入输出匹配的要求。同时也提出了与射频发射装置内部结构设计相对应的、射频发射装置外部引脚的设计，从而，使射频发射装置的内、外部的设计都能得到最大程度的简化设计。采用本发明，极大的降低了未来多模移动终端射频前端系统的设计复杂度和生产成本，可以为将来的更高制式的移动终端的兼容和集成的普及作出贡献。其中，所述固体开关即为如图7所示射频开关晶片中的所有开关元件，包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关。
一种多模全频段的射频发射方法，该方法主要包括以下内容：
一、在装置内部，通过射频开关晶片集成所有固体开关元件；其中，所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关。
二、通过可变电容和可变电感，对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。
这里，该方法还包括：采用可变电容适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电容值减小；采用可变电感适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电感值减小。
这里，该方法还包括：在装置外部，设置适应于所述装置内部的架构的引脚；其中，引脚包括以下引脚类型：
引脚类型1：射频信号统一输入端的引脚；
引脚类型2：射频发射装置电源的引脚；
引脚类型3：发射模式和接收模式切换的引脚；
引脚类型4：模拟功率控制输入端的引脚；
引脚类型5：组成逻辑控制位的选择射频频段的引脚；
引脚类型6：射频信号接收端的引脚；
引脚类型7：公共端的引脚；
引脚类型8：射频接天线端口的引脚。
这里需要指出的是：上述引脚类型均为必选项。
这里，对附图中所涉及的英文进行说明：ANT表示天线；RF Switch表示射频开关；SAW表示声表面滤波器；RF Transceiver表示射频收发器；GSM&TDDual Mode RF Transceiver表示GSM和TD双模射频收发器。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多模全频段的射频发射装置，该装置包括装置内部的射频主放大晶片和控制晶片，其特征在于，该装置还包括：位于所述射频主放大晶片后级的射频开关晶片，用于集成所有固体开关元件；所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关；
所述可变电容和可变电感，用于对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可变电容，用于适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电容值减小；
所述可变电感，用于适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电感值减小。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该装置还包括：装置外部的引脚，所述引脚的架构适应于所述装置内部的架构；其中，所述引脚包括以下引脚类型：
引脚类型1：射频信号统一输入端的引脚；
引脚类型2：射频发射装置电源的引脚；
引脚类型3：发射模式和接收模式切换的引脚；
引脚类型4：模拟功率控制输入端的引脚；
引脚类型5：组成逻辑控制位的选择射频频段的引脚；
引脚类型6：射频信号接收端的引脚；
引脚类型7：公共端的引脚；
引脚类型8：射频接天线端口的引脚。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述引脚类型1以Rfin标识、所述引脚类型2以Vbatt标识、所述引脚类型3以TX/RX标识、所述引脚类型4以Vr标识、所述引脚类型5以BS1，BS2，BS3和BS4标识、所述引脚类型6以RX1，RX2，RX3，RX4，RX5和RX6标识、所述引脚类型7以GND标识、所述引脚类型8以ANT标识的情况下，
所述Rfin、所述Vbatt、所述TX/RX、所述Vr、所述BS1，BS2，BS3和BS4标识位于所述装置的一侧，皆作为装置输入侧的引脚；所述RX1，RX2，RX3，RX4，RX5和RX6、所述GND、所述ANT位于所述装置的另一侧，皆作为装置输出侧的引脚；其中，
所述Rfin与所述输入开关匹配电路相连；所述输入开关匹配电路，经由所述射频主放大晶片和所述输出开关匹配电路与所述射频开关晶片相连；
所述Vr、所述BS1，BS2和BS3分别与所述控制晶片相连；所述控制晶片与所述所述射频主放大晶片相连，且所述控制晶片还与所述射频开关晶片相连；
所述RX1，RX2，RX3，RX4，RX5和RX6、所述ANT分别与所述射频开关晶片相连。
5.一种多模全频段的射频发射方法，其特征在于，该方法包括：
在装置内部，通过射频开关晶片集成所有固体开关元件；其中，所述固体开关元件中包括实现可变电容和可变电感对取值大小进行控制时所采用的切换开关；
通过所述可变电容和可变电感，对输入开关匹配电路/输出开关匹配电路中无源元件的取值大小进行控制，实现一路的输入/输出匹配电路。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：采用所述可变电容适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电容值减小；
采用所述可变电感适应不同频段输入/输出匹配的需要，并随着频率的升高，所需的电感值减小。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在装置外部，设置适应于所述装置内部的架构的引脚；其中，所述引脚包括以下引脚类型：
引脚类型1：射频信号统一输入端的引脚；
引脚类型2：射频发射装置电源的引脚；
引脚类型3：发射模式和接收模式切换的引脚；
引脚类型4：模拟功率控制输入端的引脚；
引脚类型5：组成逻辑控制位的选择射频频段的引脚；
引脚类型6：射频信号接收端的引脚；
引脚类型7：公共端的引脚；
引脚类型8：射频接天线端口的引脚。
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