CN102355223B - 一种单芯片gsm射频天线开关模块及gsm射频前端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单芯片GSM射频天线开关模块及GSM射频前端。该单芯片GSM射频天线开关模块包括射频天线开关、逻辑控制器、对GSM低频段发射信号进行滤波的第一低通滤波器以及对GSM高频段发射信号进行滤波的第二低通滤波器；所述射频天线开关、逻辑控制器、第一低通滤波器及第二低通滤波器集成在射频天线开关管芯上；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器网络中至少有一个串联电感是由所述管芯上金属走线及键合线实现；所述逻辑控制器中包括电平移位电路，所述逻辑控制器用于根据逻辑信号导通或断开射频天线开关。本发明的单芯片GSM射频天线开关模块外形尺寸紧凑，制造成本低廉。

Description

一种单芯片GSM射频天线开关模块及GSM射频前端
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种单芯片GSM射频天线开关模块及GSM射频前端。
背景技术
GSM(Global System for Mobile Communication)是世界上应用最为广泛的移动通信标准之一。GSM手持设备的出货量，占据了目前所有移动通信设备出货量的绝大多数，而更小尺寸、更低成本的射频前端模块是GSM手机终端的发展趋势。射频天线开关是GSM手机终端射频前端模块的重要组成部分，用于将GSM手机终端的天线接入到射频发射通路和射频接收通路。
一个典型的用于GSM/UMTS双模移动通信的射频天线开关模块如图1所示。由图1可以看到，所述GSM/UMTS双模射频天线开关模块101是一个单刀九掷射频开关，其单刀射频端口连接到了天线105，九掷分别接到了9个射频信号端口：GSM低频段发射信号GSM_TX，GSM高频段发射信号DCS_TX，GSM第一接收信号GSM_RX1，GSM第二接收信号GSM_RX2，GSM第三接收信号GSM_RX3，GSM第四接收信号GSM_RX4，UMTS第一发射接收信号UMTS_TRX1，UMTS第二发射接收信号UMTS_TRX2，UMTS第三发射接收信号UMTS_TRX3。射频天线开关模块101还连接到供电电源VDD及4个控制信号Vc1、Vc2、Vc3、Vc4，并且这4个控制信号的不同逻辑组态控制射频天线开关模块中天线端口连接到不同射频通路。在GSM手机终端中，射频天线开关的GSM低频段发射信号GSM_TX和GSM高频段发射信号DCS_TX分别连接到了GSM低频段功率放大器和GSM高频段功率放大器的输出端。为了满足GSM移动通信标准对于天线发射信号中谐波分量的抑制要求，如图1所示，通常需要在GSM_TX信号、DCS_TX信号与射频开关端口之间分别接入低通滤波器103、104，以滤除带外谐波信号。
射频天线开关模块中的射频天线开关，如图1中所示的射频天线开关102，通常采用半导体工艺技术制造为一颗管芯，如采用GaAs pHEMT工艺或SOI工艺等制造。理论上，滤波器103和滤波器104也可以采用同样的半导体工艺技术与射频开关制造于同一颗管芯上，以提高集成度；但是由于滤波器中的电感元件会占用较大的管芯面积，将使得集成滤波器的射频开关管芯不具备成本优势；并且，通常半导体工艺技术中的电感品质因子(Q值)较低，使得滤波器的插入损耗较大，恶化了整个射频发射前端的性能。现有技术实现射频天线开关模块的方式主要有两种。第一种为采用专用的滤波器制造工艺技术(如SAW、BAW等工艺)制造分立的滤波器，然后再将分立制造的滤波器与射频开关管芯封装在同一个模块中；这种多管芯模块的实现方式通常会使得射频天线开关模块尺寸较大，不利于GSM手机终端的小型化，如GSM单刀九掷射频天线开关产品RDAES95就采用了这种实现方式，其外形尺寸为3.2×4.5mm。第二种为采用低温共烧陶瓷(LTCC)或类似技术，在封装基板中集成埋入其中的滤波器，然后将射频开关管芯封装在该基板上；这种实现方式可以得到小型化的射频天线开关，如GSM单刀九掷射频天线开关产品ESHS-P085C9就采用了这种实现方式，其外形尺寸仅为2.5×2.5mm；但是由于LTCC基板造价高昂，并且通常还需要在LTCC基板上贴装一些额外的表面贴装无源器件，使得这种实现方式不具备成本优势。
因此，迫切需要一种GSM射频天线开关模块，其具有较小的外形尺寸和较高的集成度，并且同时具有低廉的制造成本和高性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种单芯片GSM射频天线开关模块及射频前端。
本发明提供了一种单芯片GSM射频天线开关模块，包括射频天线开关、逻辑控制器、对GSM低频段发射信号进行滤波的第一低通滤波器以及对GSM高频段发射信号进行滤波的第二低通滤波器；所述射频天线开关、逻辑控制器、第一低通滤波器及第二低通滤波器集成在管芯上；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器网络中至少有一个串联电感是由所述管芯上金属走线及键合线实现；所述逻辑控制器中包括电平移位电路，所述逻辑控制器用于根据逻辑信号导通或断开射频天线开关。
在一个示例中，第一低通滤波器或第二低通滤波器包括第一端口，第二端口，第一电感，第二电感，第三电感，第一电容，第二电容；
第一电感连接在第一端口和第二端口之间；第一电容的一端连接第一端口，第一电容的另一端经第二电感接地；第二电容的一端连接第二端口，第二电容的另一端经第三电感接地。
在一个示例中，第一低通滤波器或第二低通滤波器的第一电感由键合线210、610和管芯上金属走线220、620构成；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第二电感由键合线212、612、键合线213、613以及键合区域207、607构成，键合线212、612连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第一电容的另一端和键合区域207、607之间，键合线213、613连接在键合区域207、607和电气接地的键合区域205、605之间；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第三电感由键合线214、614构成，键合线214、614连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的键合区域206、606之间。
在一个示例中，第一低通滤波器或第二低通滤波器的第一电感直接制造在管芯上；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第二电感由键合线216、616构成，键合线216、616连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第一电容的另一端和地之间；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第三电感由键合线219、619构成，键合线219、619连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的键合区域206、606之间。
在一个示例中，第一低通滤波器的第一电感由键合线210、610和管芯上金属走线220、620构成；第一低通滤波器的第二电感由键合线212、612、键合线213、613以及键合区域207、607构成，键合线212、612连接在第一低通滤波器的所述第一电容的另一端和键合区域207、607之间，键合线213、613连接在键合区域207、607和电气接地的键合区域205、605之间；第一低通滤波器的第三电感由键合线214、614构成，键合线214、614连接在第一低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的键合区域206、606之间；
第二低通滤波器的第一电感直接制造在管芯上；第二低通滤波器的第二电感由键合线216、616构成，键合线216、616连接在第二低通滤波器的所述第一电容的另一端和地之间；第二低通滤波器的第三电感由键合线219、619构成，键合线219、619连接在第二低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的键合区域206、606之间。
在一个示例中，管芯贴装在双层封装基板上，并且贴装管芯的基板金属区域在电气上不连接到地。
在一个示例中，逻辑控制器还包括逻辑编码电路802、反相器、第三电容804、电阻809以及场效应晶体管805；逻辑信号输入电平移位电路801，电平移位电路801的输出端与逻辑编码电路802的输入端连接，逻辑编码电路802的一输出端与反相器的输入端连接，反相器803的输出端经第三电容804接地，并且反相器803的输出端还经电阻804与场效应晶体管805的栅极连接，场效应晶体管805的漏极与射频天线开关的一端连接，场效应晶体管806的源极与射频天线开关的另一端连接。
在一个示例中，电阻809以及场效应晶体管805由叠层串联的多个电阻810和场效应晶体管805组成。
本发明提供了一种GSM射频前端，包括射频功率放大器701、射频天线开关模块702以及天线703，其特征在于，射频天线开关模块702为所述的单芯片GSM射频天线开关模块。
在一个示例中，射频天线开关模块702中包括射频功率放大器701的全部或部分输出匹配网络。
本发明的单芯片GSM射频天线开关模块外形尺寸紧凑，制造成本低廉，并且具有低插入损耗的集成滤波网络。
附图说明
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：
图1是GSM射频天线开关模块示意图；
图2a是集成滤波器的单芯片GSM射频天线开关模块的实现示意图；
图2b是集成滤波器的单芯片GSM射频天线开关模块的原理示意图；
图3a和图3b是Pi型低通滤波器网络和T型低通滤波器网络；
图4a和图4b是GSM低频段发射信号Pi型低通滤波器及其频率响应；
图4c和图4d是改进的GSM低频段发射信号Pi型低通滤波器及其频率响应；
图5a和图5b是GSM高频段发射信号Pi型低通滤波器及其频率响应；
图5c和图5d是改进的GSM高频段发射信号Pi型低通滤波器及其频率响应；
图6是减小寄生电容的集成滤波器单芯片GSM射频天线开关模块；
图7是GSM移动终端的射频前端；
图8a是本发明提供的逻辑控制器示意图；
图8b是多个场效应管及电阻叠层串联示意图；
图8c是反相器电路结构示意图。
具体实施方式
为了使得射频天线开关模块具有紧凑的外形尺寸，GSM发射信号低通滤波器必须选择较为简单的拓扑结构。常用的一阶低通滤波器拓扑结构包括Pi型低通滤波器网络及T型低通滤波器网络，如图3a和图3b所示。由于T型低通滤波器网络中包括两个串联电感元件，如图3b中的电感L2和电感L3，相比仅有一个电感元件的Pi型低通滤波器网络(如图3a所示)将占用更多的电路面积；并且在实际实现中，T型低通滤波器网络中的两个串联电感元件之间会存在较强的电磁耦合效应，恶化滤波器的性能。因此，Pi型低通滤波器网络是射频天线开关模块中GSM低通滤波器的优选方案。
GSM通信标准中发射信号通常有4个频段：824-849MHz，880-915MHz，1710-1785MHz，1850-1910MHz，并且前两个频段统称为GSM低频段，后两个频段统称为GSM高频段。
一个GSM低频段发射信号Pi型低通滤波器如图4a所示，电容C1的一端连接到滤波器的第一端口Port1及电感L1的一端；电容C1的另外一端接地；电感L1的另外一端连接到滤波器的第二端口Port2及电容C2的一端；电容C2的另外一端接地。电容C1的容值为3pF，电容C2的容值为3pF，电感L1的感值为8.8nH。在此元件值配置下，所述Pi型低通滤波器可以实现在GSM低频段发射信号内的50欧姆到50欧姆阻抗匹配。GSM低频段发射信号Pi型低通滤波器的频率响应如图4b所示，m1点的频率为870.0MHz，两端口网络中2端口对于1端口的幅度-频率响应dB(S(2，1))＝-0.001；m2点的频率为1.740GMHz，dB(S(2，1))＝-6.671；m3点的频率为2.610GHz，dB(S(2，1))＝-17.820；可以看到在GSM低频段发射信号内所述Pi型低通滤波器具有很低的插入损耗，而在GSM低频段发射信号外的高频具有较大的衰减，可以滤除GSM低频段发射信号的谐波信号。为了提高对谐波信号的抑制能力，基于所述GSM低频段发射信号Pi型低通滤波器的一个改进的GSM低频段发射信号Pi型滤波器如图4c所示。电容C1的一端连接到滤波器的第一端口Port1及电感L1的一端；电容C1的另外一端连接到电感L2的一端；电感L2的另外一端接地；电感L1的另外一端连接到滤波器的第二端口Port2及电容C2的一端；电容C2的另外一端连接到电感L3的一端；电感L3的另外一端接地。可以看到，电容C1和电感L2组成了一个电容-电感串联谐振网络，电容C2和电感L3组成了另外一个电容-电感串联谐振网络。电容-电感串联谐振网络的谐振频率fc与电容值Cc和电感值Lc的关系为因此这里电容C1的容值选为2.4pF，电容C2的容值选为2.65pF，电感L1的感值选为8.8nH，电感L2的感值选为3.5nH，电感L3的感值选为1.4nH，使得电容C1和电感L2谐振于GSM低频段发射信号的2次谐波，电容C2和电感L3谐振于GSM低频段发射信号的3次谐波。在此元件值配置下，所述改进的GSM低频段发射信号Pi型滤波器可以实现GSM低频段发射信号内的50欧姆到50欧姆阻抗匹配，并且所述第一个电容-电感串联谐振网络的谐振频率为GSM低频段发射信号的2次谐波，所述第二个电容-电感串联谐振网络的谐振频率为GSM低频段发射信号的3次谐波。所述改进的GSM低频段发射信号Pi型低通滤波器的频率响应如图4d所示，m1点的频率为870.0MHz，dB(S(2，1))＝-0.006；m2点的频率为1.740GMHz，dB(S(2，1))＝-57.253；m3点的频率为2.610GHz，dB(S(2，1))＝-69.489；可以看到在GSM低频段发射信号内所述改进的GSM低频段发射信号Pi型低通滤波器具有很低的插入损耗，而在GSM低频段发射信号外的高频具有较大的衰减，并且在GSM低频段发射信号的2次谐波及3次谐波处有非常大的衰减。对比图4b和图4d，所述改进的GSM低频段发射信号Pi型滤波器中由于存在分别谐振在2次谐波和3次谐波处的电容-电感串联谐振网络，相比所述GSM低频段发射信号Pi型滤波器具有更强的谐波信号抑制能力，有助于提升GSM射频天线开关模块的性能。
本发明提供的一个GSM高频段发射信号Pi型低通滤波器如图5a所示，电容C1的一端连接到滤波器的第一端口Port1及电感L1的一端；电容C1的另外一端接地；电感L1的另外一端连接到滤波器的第二端口Port2及电容C2的一端；电容C2的另外一端接地。电容C1的容值为1.44pF，电容C2的容值为1.44pF，电感L1的感值为4.25nH。在此元件值配置下，所述Pi型低通滤波器可以实现在GSM高频段发射信号内的50欧姆到50欧姆阻抗匹配。所述GSM高频段发射信号Pi型低通滤波器的频率响应如图5b所示，m1点的频率为1.810GHz，dB(S(2，1))＝-0.001；m2点的频率为3.620GHz，dB(S(2，1))＝-6.714；m3点的频率为5.430GHz，dB(S(2，1))＝-17.820；可以看到在GSM高频段发射信号内所述Pi型低通滤波器具有很低的插入损耗，而在GSM高频段发射信号外的高频具有较大的衰减，可以滤除GSM高频段发射信号的谐波信号。
为了提高对谐波信号的抑制能力，基于所述GSM高频段发射信号Pi型低通滤波器的一个改进的GSM高频段发射信号Pi型滤波器如图5c所示。电容C1的一端连接到滤波器的第一端口Port1及电感L1的一端；电容C1的另外一端连接到电感L2的一端；电感L2的另外一端接地；电感L1的另外一端连接到滤波器的第二端口Port2及电容C2的一端；电容C2的另外一端连接到电感L3的一端；电感L3的另外一端接地。可以看到，电容C1和电感L2组成了一个电容-电感串联谐振网络，电容C2和电感L3组成了另外一个电容-电感串联谐振网络。电容-电感串联谐振网络的谐振频率fc与电容值Cc和电感值Lc的关系为因此这里电容C1的容值选为1.38pF，电容C2的容值选为1.3pF，电感L1的感值选为4.25nH，电感L2的感值选为1.4nH，电感L3的感值选为0.66nH。在此元件值配置下，所述改进的GSM高频段发射信号Pi型滤波器可以实现GSM高频段发射信号内的50欧姆到50欧姆阻抗匹配，并且所述第一个电容-电感串联谐振网络的谐振频率为GSM低频段发射信号的2次谐波，所述第二个电容-电感串联谐振网络的谐振频率为GSM低频段发射信号的3次谐波。所述改进的GSM高频段发射信号Pi型低通滤波器的频率响应如图5d所示，m1点的频率为1.810GHz，dB(S(2，1))＝-0.052；m2点的频率为3.620GHz，dB(S(2，1))＝-77.157；m3点的频率为5.430GHz，dB(S(2，1))＝-75.807；可以看到在GSM高频段发射信号内所述改进的GSM高频段发射信号Pi型低通滤波器具有很低的插入损耗，而在GSM高频段发射信号外的高频具有较大的衰减，并且在GSM高频段发射信号的2次谐波及3次谐波处有非常大的衰减。对比图5b和图5d，所述改进的GSM高频段发射信号Pi型滤波器中由于存在分别谐振在2次谐波和3次谐波处的电容-电感串联谐振网络，相比所述GSM高频段发射信号Pi型滤波器具有更强的谐波信号抑制能力，有助于提升GSM射频天线开关模块的性能。
本发明所提出的技术方案采用了如图4c和图5c所示的GSM低频段发射信号和GSM高频段发射信号低通滤波器的拓扑结构。需要说明的是，前文所述滤波器中电容、电感的元件值仅作为示例，而不是对于本发明的限制，实际滤波器实现中的元件值需要根据电路的具体情况来设定，例如在具体实现中还需要考虑到天线及射频开关对滤波器端口阻抗的影响从而需要对滤波器的元件值进行调整。
本发明所提出的单芯片GSM射频天线开关模块如图2a和图2b所示，图2a为其实现示意图，图2(b)所示为其原理示意图。单芯片GSM射频天线开关模块201包括了双层基板200以及贴装在双层基板200上的射频天线开关管芯202，贴装管芯202的区域203在电气上是接地的。基板上层的键合区域206、205和206与区域203相连，因此在电气上也是接地的。
GSM低频段发射信号GSM_TX由基板管脚及键合线连接到管芯202上的键合焊盘，并且连接到GSM低频段发射信号低通滤波器的电容208(该电容制造在管芯上)的第一极板；电容208的第二极板通过键合线212连接到基板上层的键合区域207；另外一个键合线213从键合区域207连接到电气接地的键合区域205。电容208的第一极板还连接到了由管芯202上金属走线220、键合焊盘209及键合线210构成的电感的第一端口；所述电感的第二端口连接到制造在管芯上的电容211的第一极板；电容211的第二极板通过键合线214连接到电气接地的基板上层键合区域206。对照图2a及图2b，以及如前所述的图4c，可以看到，GSM低频段发射信号低通滤波器中的第一个电容-电感串联谐振网络由电容208、键合线212、键合区域207、键合线213以及键合区域205构成；滤波器中的串联电感由管芯202上金属走线220、键合焊盘209及键合线210构成；滤波器中的第二个电容-电感串联谐振网络由电容211、键合线214以及键合区域206构成。由于GSM低频段发射信号频率相对较低，其滤波器中所需的电感值较大，例如其中串联电感的值通常都大于5nH，谐振网络中的到地电感通常大于1nH。本发明所提出的技术方案中，GSM低频段发射信号低通滤波器中串联电感由管芯上金属走线、键合线及基板上的键合区域共同组成，谐振网络中的到地电感由键合线构成，这显然使得整个射频天线开关模块的尺寸非常紧凑；并且，键合线电感的高Q值也使得滤波器具有较低的插入损耗。需要说明的是，为了得到所需的电感值，GSM低频段发射信号低通滤波器中串联电感可以通过调整管芯202上金属走线220的长度、宽度、数目以及相应调整键合线210的长度、高度、数目来实现。另外需要说明的是，由于采用了具有较强调节能力的键合线来实现滤波器中的电感元件，也使得滤波器具有较强的调节能力，增强了整个射频天线开关模块对制造工艺容差的容忍度，提高其制造良率。
GSM高频段发射信号DCS_TX由基板管脚及键合线连接到管芯202上的键合焊盘，并且连接到GSM高频段发射信号低通滤波器的电容215(该电容制造在管芯上)的第一极板；电容215的第二极板通过键合线216连接到基板接地管脚GND。电容215的第一极板还连接到了管芯202上制造的平面螺旋电感217的第一端口；所述电感217的第二端口连接到制造在管芯上的电容218的第一极板；电容218的第二极板通过键合线219连接到电气接地的基板上层键合区域206。对照图2a及图2b，以及如前所述的图5c，可以看到，GSM高频段发射信号低通滤波器中的第一个电容-电感串联谐振网络由电容215、键合线216构成；滤波器中的串联电感由管芯202上制造的电感217构成；滤波器中的第二个电容-电感串联谐振网络由电容218、键合线219构成。由于GSM高频段发射信号频率相对较高，其滤波器中所需的电感值相对GSM低频段发射信号来说较小，例如其中串联电感的值通常小于5nH，因此可以在管芯上以较小的芯片面积实现；当然，所述串联电感也可以采用键合线方式来实现，这里采用管芯上制造的电感实现并不是对本发明的限制。本发明所提出的技术方案中，GSM高频段发射信号低通滤波器中谐振网络的到地电感由键合线构成，使得整个射频天线开关模块的尺寸非常紧凑，并且，键合线电感的高Q值也使得滤波器具有较低的插入损耗。另外需要说明的是，由于采用了具有较强调节能力的键合线来实现滤波器中的电感元件，也使得滤波器具有较强的调节能力，增强了整个射频天线开关模块对制造工艺容差的容忍度，提高其制造良率。单芯片GSM射频天线开关模块201的外形尺寸不大于2.5×2.5mm，并且不需要采用昂贵的LTCC等特殊制造工艺，仅需在半导体封装中常用的双层基板即可实现。
本发明的另外一个实施例如图6所示。与图2所示技术方案不同的是，单芯片GSM射频天线开关模块601中双层基板606上贴装射频开关管芯602的管芯贴装区域603并不是电气接地的，键合区域606、605、606分别各自独立电气接地。在射频开关电路中，尤其是掷数较多的射频开关电路，无论是采用GaAs pHEMT工艺、SOI工艺还是其他半导体工艺，都会用到较大面积的晶体管，使得这些晶体管具有较大的对地寄生电容，会恶化射频天线开关的性能。本实施例中，管芯贴装区域603在电气上不连接到地，相当于增大了管芯上晶体管到电气地平面的距离，有效降低了管芯上晶体管的对地寄生电容。例如，通常所用的双层基板的厚度为100um-300um，这些额外增加的晶体管到电气地平面的距离，可以使得晶体管的到地寄生电容通常可以忽略不计。单芯片GSM射频天线开关模块601的外形尺寸不大于2.5×2.5mm，并且不需要采用昂贵的LTCC等特殊制造工艺，仅需在半导体封装中常用的双层基板即可实现。
GSM低频段发射信号GSM_TX由基板管脚及键合线连接到管芯602上的键合焊盘，并且连接到GSM低频段发射信号低通滤波器的电容608(该电容制造在管芯上)的第一极板；电容608的第二极板通过键合线612连接到基板上层的键合区域607；另外一个键合线613从键合区域607连接到电气接地的键合区域605。电容608的第一极板还连接到了由管芯602上金属走线620、键合焊盘609及键合线610构成的电感的第一端口；所述电感的第二端口连接到制造在管芯上的电容611的第一极板；电容611的第二极板通过键合线614连接到电气接地的基板上层键合区域206。对照图2a及图2b，以及如前所述的图4c，可以看到，GSM低频段发射信号低通滤波器中的第一个电容-电感串联谐振网络由电容608、键合线612、键合区域607、键合线613以及键合区域605构成；滤波器中的串联电感由管芯602上金属走线620、键合焊盘609及键合线610构成；滤波器中的第二个电容-电感串联谐振网络由电容611、键合线614以及键合区域606构成。由于GSM低频段发射信号频率相对较低，其滤波器中所需的电感值较大，例如其中串联电感的值通常都大于5nH，谐振网络中的到地电感通常大于1nH。本发明所提出的技术方案中，GSM低频段发射信号低通滤波器中串联电感由管芯上金属走线、键合线及基板上键合区域共同组成，谐振网络中的到地电感由键合线构成，这显然使得整个射频天线开关模块的尺寸非常紧凑；并且，键合线电感的高Q值也使得滤波器具有较低的插入损耗。需要说明的是，为了得到所需的电感值，GSM低频段发射信号低通滤波器中串联电感可以通过调整管芯602上金属走线620的长度、宽度、数目以及相应调整键合线610的长度、高度、数目来实现。另外需要说明的是，由于采用了具有较强调节能力的键合线来实现滤波器中的电感元件，也使得滤波器具有较强的调节能力，增强了整个射频天线开关模块对制造工艺容差的容忍度，提高其制造良率。
GSM高频段发射信号DCS_TX由基板管脚及键合线连接到管芯602上的键合焊盘，并且连接到GSM高频段发射信号低通滤波器的电容615(该电容制造在管芯上)的第一极板；电容615的第二极板通过键合线616连接到基板接地管脚GND。电容615的第一极板还连接到了管芯602上制造的电感617的第一端口；所述电感617的第二端口连接到制造在管芯上的电容618的第一极板；电容618的第二极板通过键合线619连接到电气接地的基板上层键合区域206。对照图2a及图2b，以及如前所述的图5c，可以看到，GSM高频段发射信号低通滤波器中的第一个电容-电感串联谐振网络由电容615、键合线616构成；滤波器中的串联电感由管芯602上制造的电感617构成；滤波器中的第二个电容-电感串联谐振网络由电容618、键合线619构成。由于GSM高频段发射信号频率相对较高，其滤波器中所需的电感值相对GSM低频段来说较小，例如其中串联电感的值通常小于5nH，因此可以在管芯上以较小的芯片面积实现；当然，所述串联电感也可以采用键合线方式来实现，这里采用管芯上制造的电感实现并不是对本发明的限制。本发明所提出的技术方案中，GSM高频段发射信号低通滤波器中谐振网络的到地电感由键合线构成，使得整个射频天线开关模块的尺寸非常紧凑，并且，键合线电感的高Q值也使得滤波器具有较低的插入损耗。另外需要说明的是，由于采用了具有较强调节能力的键合线来实现滤波器中的电感元件，也使得滤波器具有较强的调节能力，增强了整个射频天线开关模块对制造工艺容差的容忍度，提高其制造良率。单芯片GSM射频天线开关模块601的外形尺寸不大于2.5×2.5mm，并且不需要采用昂贵的LTCC等特殊制造工艺，仅需在半导体封装中常用的双层基板即可实现。
如上所述，通过滤波器拓扑结构的优化及采用管芯上金属走线、元件与键合线结合的方式实现电感元件，提供了一种集成滤波器的GSM射频天线开关，具有紧凑的外形尺寸、低廉的制造成本及低插入损耗的集成滤波网络。
本发明所提出的单芯片GSM射频天线开关模块中的管芯上集成了逻辑控制器，用于将输入的逻辑信号进行逻辑编码以控制射频开关天线端口连接到不同射频通路。逻辑控制器的示意图如图8a所示，单芯片GSM射频天线开关模块外部输入的4个逻辑信号Vc1、Vc2、Vc3、Vc4首先经过逻辑控制器中的电平移位电路801处理。电平移位电路801使得输入逻辑信号的逻辑低和逻辑高所对应的电压范围得到扩展，如当输入逻辑信号电压为0V-0.5V范围时电平移位电路输出都可以保持有效的逻辑低信号，当输入逻辑信号电压为1.6V-VDD时电平移位电路输出都可以保持有效的逻辑高信号。电平移位电路显然可以使得本发明所述的单芯片GSM射频天线开关模块的可靠性得到提升。电平移位电路的输出信号输入到逻辑编码电路802中，逻辑编码电路802对电平移位电路的输出信号进行逻辑编码。逻辑编码电路802的输出信号输入到反相器803，反相器803的输出端连接到一个电容804的一端，电容804的另一端连接到地；反相器803的输出端还连接到电阻809的一端，电阻809的另外一端连接到作为射频开关器件的场效应晶体管805的栅极(G)。场效应晶体管805的漏极(D)和源极(S)分别连接到两个射频信号端口Port3及Port4，当场效应晶体管805的栅极电压为高电平时，场效应晶体管805导通，射频信号端口Port3及Port4之间形成导通射频通路；当场效应晶体管805的栅极电压为低电平时，场效应晶体管805截止，射频信号端口Port3及Port4之间没有射频通路。如图8b所示，作为射频开关器件的场效应晶体管805可以是多个场效应晶体管806及电阻810的叠层串联，具体需要多少个场效应晶体管806叠层串联则需要根据电路具体情况来选择，本发明不对其进行限定说明。如图8c所示为反相器803的原理图，包括一个P型场效应晶体管807及一个N型场效应晶体管808；场效应晶体管807的栅极连接到场效应晶体管808的栅极并连接到反相器的输入信号IN；场效应晶体管807的漏极连接到场效应晶体管808的漏极并连接到反相器的输出信号OUT；场效应晶体管807的源极连接到电源电压VDD；场效应晶体管808的源极连接到地。如图8a所示，反相器803的输出端连接有电容804，电容804的存在使得反相器803的输出阻抗为低阻，增大了反相器803的驱动能力，同时也减弱了射频信号对逻辑电路的干扰。
在前述实施例中，本发明所述的单芯片GSM射频天线开关模块中集成了用于滤除GSM低频段发射信号以及高频段发射信号的谐波信号的滤波器，其发射信号端口GSM_TX和DCS_TX都阻抗匹配到了50欧姆。事实上，本发明所述的单芯片GSM射频天线开关模块中集成的滤波器的端口阻抗也可以匹配到50欧姆外的别的阻抗。例如单芯片GSM射频天线开关模块中集成的滤波器网络可以构成射频功率放大器所需要的输出匹配网络的一部分或者全部，其端口阻抗匹配到射频功率放大器工作所需要的负载阻抗，这对于本专业领域的人员是易于理解的。如图7所示，射频功率放大器701的输出信号输入到射频天线开关模块702，射频天线开关模块702的天线信号端连接到了天线703。射频功率放大器工作所需要的输出匹配网络在实现形式上既可以全部包含在射频功率放大器701内部，也可以全部包含在射频天线开关模块702内部，或者部分在射频功率放大器701、部分在射频天线开关702实现。优选地，射频功率放大器701及射频天线开关模块702可以集成于一个射频前端模块中，可以有效减小移动终端中射频前端的尺寸。

Claims (9)

1.一种单芯片GSM射频天线开关模块，其特征在于，包括射频天线开关、逻辑控制器、对GSM低频段发射信号进行滤波的第一低通滤波器以及对GSM高频段发射信号进行滤波的第二低通滤波器；所述射频天线开关、逻辑控制器、第一低通滤波器及第二低通滤波器集成在一颗管芯上；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器网络中至少有一个串联电感是由所述管芯上的金属走线及键合线实现；所述逻辑控制器中包括电平移位电路，所述逻辑控制器用于根据逻辑信号导通或断开射频天线开关，其中，管芯贴装在双层封装基板上，并且贴装管芯的基板金属区域在电气上不连接到地。
2.如权利要求1所述的单芯片GSM射频天线开关模块，其特征在于，第一低通滤波器或第二低通滤波器包括第一端口，第二端口，第一电感，第二电感，第三电感，第一电容，第二电容；
第一电感连接在第一端口和第二端口之间；第一电容的一端连接第一端口，第一电容的另一端经第二电感接地；第二电容的一端连接第二端口，第二电容的另一端经第三电感接地。
3.如权利要求2所述的单芯片GSM射频天线开关模块，其特征在于，第一低通滤波器或第二低通滤波器的第一电感由第一键合线(210、610)和所述管芯上的金属走线(220、620)构成；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第二电感由第二键合线(212、612)、第三键合线(213、613)以及第一键合区域(207、607)构成，第二键合线(212、612)连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第一电容的另一端和第一键合区域(207、607)之间，第三键合线(213、613)连接在第一键合区域(207、607)和电气接地的第二键合区域(205、605)之间；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第三电感由第四键合线(214、614)构成，第四键合线(214、614)连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的第三键合区域(206、606)之间。
4.如权利要求2所述的单芯片GSM射频天线开关模块，其特征在于，第一低通滤波器或第二低通滤波器的第一电感直接制造在管芯上；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第二电感由第五键合线(216、616)构成，第五键合线(216、616)连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第一电容的另一端和地之间；第一低通滤波器或第二低通滤波器的第三电感由第六键合线(219、619)构成，第六键合线(219、619)连接在第一低通滤波器或第二低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的第三键合区域(206、606)之间。
5.如权利要求2所述的单芯片GSM射频天线开关模块，其特征在于，第一低通滤波器的第一电感由第一键合线(210、610)和所述管芯上的金属走线(220、620)构成；第一低通滤波器的第二电感由第二键合线(212、612)、第三键合线(213、613)以及第一键合区域(207、607)构成，第二键合线(212、612)连接在第一低通滤波器的所述第一电容的另一端和第一键合区域(207、607)之间，第三键合线(213、613)连接在第一键合区域(207、607)和电气接地的第二键合区域(205、605)之间；第一低通滤波器的第三电感由第四键合线(214、614)构成，第四键合线(214、614)连接在第一低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的第三键合区域(206、606)之间；
第二低通滤波器的第一电感直接制造在管芯上；第二低通滤波器的第二电感由第五键合线(216、616)构成，第五键合线(216、616)连接在第二低通滤波器的所述第一电容的另一端和地之间；第二低通滤波器的第三电感由第六键合线(219、619)构成，第六键合线(219、619)连接在第二低通滤波器的所述第二电容的另一端和电气接地的第三键合区域(206、606)之间。
6.如权利要求1所述的单芯片GSM射频天线开关模块，其特征在于，逻辑控制器还包括逻辑编码电路(802)、反相器、第三电容(804)、电阻(809)以及场效应晶体管(805)；逻辑信号输入电平移位电路(801)，电平移位电路(801)的输出端与逻辑编码电路(802)的输入端连接，逻辑编码电路(802)的一输出端与反相器的输入端连接，反相器(803)的输出端经第三电容(804)接地，并且反相器(803)的输出端还经电阻(804)与场效应晶体管(805)的栅极连接，场效应晶体管(805)的漏极与射频天线开关的一端连接，场效应晶体管(806)的源极与射频天线开关的另一端连接。
7.如权利要求6所述的单芯片GSM射频天线开关模块，其特征在于，场效应晶体管(805)由多个场效应晶体管(806)和电阻(810)叠层串联组成。
8.一种GSM射频前端，包括射频功率放大器(701)、射频天线开关模块(702)以及天线(703)，其特征在于，射频天线开关模块(702)为如权利要求1-7任意一项所述的单芯片GSM射频天线开关模块。
9.如权利要求8所述的GSM射频前端，其特征在于，所述射频天线开关模块(702)中还包括射频功率放大器(701)的全部或部分输出匹配网络。
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Assignee: SPREADTRUM COMMUNICATIONS (SHANGHAI) Co.,Ltd.

Assignor: Xinxin Finance Leasing (Xiamen) Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A single chip GSM RF antenna switch module and GSM RF front end

Granted publication date: 20140827

License type: Exclusive License

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