CN102823129A - 可调匹配网路电路拓扑装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了改进的可调匹配网络的方法及装置。一方面，改进的可调匹配网络的方法可以包括将一个或多个并联电感器连接到表现出对地寄生电容的可调匹配网络，从而改善可调匹配网络的高频性能。

Description

可调匹配网路电路拓扑装置及方法

相关申请

本发明要求于2010年1月15日提交的美国专利申请序列号为61/336,072的优先权，其公开内容以引文方式整体并入本发明。

技术领域

本发明主题总的来说涉及用于电子装置中的阻抗匹配。更具体地讲，本发明主题涉及可调匹配网络和这种网络的电路拓扑。

背景技术

匹配网络中的每一个非接地的电容器引脚都具有对地寄生电容。该寄生电容通常正比于可调电容的大小，其中在较高性能的拓扑中该寄生效应较小。在PI、双PI、旁路PI、旁路双PI和分布式集总电感器单个PI拓扑结构中，来自所有电容器的各种寄生效应能够导致一个大的总寄生效应，这会损坏宽调谐网络的高频性能。因此，对地寄生电容是实现网络的全部功能的关键阻碍之一。目前，已经花费了很大努力来降低网络中的每个部件的寄生电容，但是对于一些应用来说，寄生效应仍然会限制网络的适用性。另外，本领域中众所周知的是靠近天线的RF元件需要强大保护来防止静电放电(ESD)事件，而匹配网路也不例外。例如，不具有任何对地的低频路径的配置电路使得全部ESD电压在部件上出现，从而可能导致部件损坏。

因此，期望能够一种降低有效寄生电容同时仍然能够提供防止ESD电压的保护的可调匹配网路。

发明内容

根据本发明所公开的内容，提供了一种改进的可调匹配网络的方法及装置。一方面，提供了一种改进的可调匹配网络的方法。该方法可以包括将一个或多个并联电感器连接至表现出对地寄生电容的可调匹配网络，从而改善该可调匹配网络的高频性能。

另一方面，一种改进的可调匹配网络包括一个表现出对地寄生电容的可调匹配网络和连接至可调匹配网路、用于改善该可调匹配网络的高频性能的一个或多个并联电感器。

虽然以上陈述了本发明所公开的主题的多个方面中的一些特性，这些方面由本发明所公开的主题全部地或部分地来实现，但是其他方面将从以下说明书中连同附图中更好地详细描述出。

附图说明

从以下连同附图的详细描述中，本发明主题的特征和优势将变得更加容易理解，其中仅仅以说明性而非限制性的示例的方式给出这些附图，其中：

图1是基础单节PI可调匹配网络的电路结构；

图2是图1所示的电路结构的频率响应的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的可调匹配网络的电路结构；

图4是图3所示的可调匹配网络的频率响应的示意图；

图5是基础传输线路旁路可调匹配网路的电路结构；

图6是图5所示的电路结构的频率响应的示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的可调匹配网络的电路结构；

图8是图7所示的可调匹配网络的频率响应的示意图；以及

图9是对三个不同网络构造比较各频带上传输到网络的功率的示意图。

具体实施方式

如上所述，对地寄生电容能够导致宽调谐网络的高频性能的损坏。例如，在具有四个可调电容器的常规分布式集总电感器单节PI网络中，可以假设每个电容器的每个端子所具有的对地寄生电容为电容器最大值的10％。在这种情况下，一个具有均为4pF的三个并联可调电容器和调谐电容为4pF的串联电容的网络的总的对地寄生电容为2.0pF(3×0.4pF+2×0.4pF)。电感器通常也会表现出某些对地寄生电容。如果假设额外的寄生电容增加大约1pF，则在系统中总共有3pF的寄生电容。如果该网络用于多频带蜂窝应用中，则通常期望将高频特性保持在至少800MHz以下，在某些情况下低于700MHz。对于该要求，所增加的串联电感应大于13nH(并且大约为20nH)，以将LC谐振保持在该频率以下。如果存在更多的寄生电容，则应使用较小的电容器值，反之亦然。

对于每个网络，需要注意针对良好匹配情况的高频损耗的性能以及针对最低频时的较差电压驻波比(VSWR)情况的反射性能。图2、图4、图6和图8示出了对于典型元件值和电容器寄生效应的每个网络拓扑的特性。对于这些示意图，上述的基础匹配拓扑都是低通电路，具有延伸到直流电(DC)的通带。另外，对于这些示意图，假设能够获得的可调电容大约为20pF，每个电容器引脚的对地寄生电容约为0.16pF，本征电容比约为20∶1，并且输入和输出处的馈入电感约为1nH。

例如，图1所示的单节PI网络，总体标号为100，包括串联连接在第一端口P1和第二端口P2之间的第一电感器102、第二电感器104、和第三电感器106。在一个示例中，第一和第二端口P1和P2能够分别连接至电源和负载。网络100还可以包括第一、第二和第三电容器108、110和112。第一电容器108的一端可以连接至第一电感器102和第二电感器104之间的第一节点N1，第一电感器108的另一端连接至本地电压基准(即，地)。类似地，第三电容器112的一端可以连接至第二电感器104和第三电感器106之间的第二节点N2，第三电容器112的另一端连接至本地电压基准。第二电容器110可以与第二电感器104并联连接。具体地讲，第二电容器110可以是可变电容器，其配置为调谐第二电感器102的自谐振频率和电阻抗。

对于该电路结构，假设一个电感器约为4.3nH，可调电容器构造包括值分别为6pF、8pF和6pF的三个电容器。对于该网络，在附图2中所示的示意图中可以看出将电容器值设置为最小会产生高频透明设置(transparentsetting)。还应当注意，由于寄生效应，高频透明设置在2.2GHz显著衰减。然而，尽管知道该问题，但是不能为了降低相关寄生效应来降低各元件的值，这是因为具有该构造的网络的低频调谐早已“靠近悬崖”。电感值和可调电容分配的变化可以用来改善低频或高频响应，但是只能使另一个受到损坏。

为了解决这一问题，图3示出了一种改进的单节PI网络，其整体的标号为150，其进一步包括一端分别连接至第一端口P1和第二端口P2而另一端均连接至地的第一并联电感器120和第二并联电感器122。第一和第二并联电感器120和122可以以多种方法中的任意一种方法来连接。具体地讲，例如，连接一个或多个并联电感器可以包括将外部并联电感器连接至可调匹配网络或者将内部并联电感器与可调匹配网络集成的情况。

通过将这样的并联电感器增加到网络中，至少可以调除一部分对地电容，这依次能够导致更好地改善高频性能。然而，增加一个或多个并联电感器会引起最低频率衰减。可以通过匹配网络期望的低频极限来设置针对给定寄生电容的并联电感器值的适当选择。例如，参照图3所示的电路结构，如果5nH的并联电感器被同时增加到输入端和输出端，则产生的系统在2.2GHz能够表现出改善的透明性，即使低频响应已经显著衰减，如图4所示。因此，可以对第一和第二并联电感器120和122的规格进行选择，为匹配网络所期望的高频和低频极限保持可接受的调谐性能。

这种并联电感器的有益效果同样能够应用到使用分布式LC传输线的设计中，其示例如图5所示。与如上讨论的单PI网络布置相比，在整体标号为200的该网络中，第四电感器114可以串联连接在第二电感器104和第三电感器106中，第二电感器104和第四电感器114与第二电容器110并联连接。在该结构中，第二电容器110可以为可变电容器，其配置为调谐第二电感器104和第四电感器114的串联组合的自谐振频率。另外，第四电容器116的一端可以连接至第二电感器104和第四电感器114之间的第三节点N3，而第四电容器116的另一端连接至本地电压基准。在2009年4月24日提交，题目为《可调匹配网路电路拓扑》(Tunable Matching Network CircuitTopology)的美国专利申请公开号为No.12/429,868中讨论了具有该构造的网络，该专利申请内容以引文方式整体并入该说明书。

在该构造中，网络200包括可变电容性并联负载和一个来自输入端到输出端的旁路电容器。例如，第二电感器104和第四电感器114都可以是2.15nH的电感器，第一和第三电感器102和106都可尽量小，并且可以使用公共编码方案将电容器分配为4-0-4-0-4-8(即，第二电容器110是8pF电容器，而电容器108、电容器112和第四电容器116是4pF电容器)。如果具有该构造的网络200被设置为透明情况，则获得图6所示的频率响应曲线。

然而，通过以类似于上述针对单PI网络进行改进的方式改进该分布式LC传输线路，能够获得较宽带宽的透明状态。具体地讲，图7示出了整体标号为250的改进的分布式LC传输线路网络，其中第一和第二并联电感器120和122(例如，10nH并联电感器)再次同时增加到了输入端和输出端。

应当注意，上面讨论的模拟是在假设具有已知寄生效应的理想网络情况下获得的。实际实施通常具有不太理想的更多的寄生效应。另一方面，可以预见，未来工艺和设计可具有更小的寄生效应，因此需要不同的并联电感器值以获得最佳性能。

图9的示意图提供了三种不同网络结构的各频带上的传输到网络上的功率的比较。“no L”(即，没有电感器)的情况是图5所示的基础匹配网络设计(“TL旁路”)。可以看到，在高频处，调谐能力受到固定的对地寄生电容的限制，这可能源于电容器本身和封装/电感器。通过比较，在匹配网络的输入端和输出端增加并联电感(图9示出了针对3.6nH和4.7nH并联电感的结果)至少能够部分地补偿寄生电容，这依次会导致更好的高频性能。大电感值更接近没有电感情况(即，开路)，而较小的电感能够增大对地寄生效应的补偿。然而，如果电感值降得太低，会出现过补偿并且低频调谐恶化。对于以下情况，例如，图9示出了对于所研究的特定结构，可以看出设置在4.7nH的并联电感器提供了保持低频调谐的改善性能，同时改善了高频响应，而设置在3.6nH的并联电感器显著地影响了低频调谐。

另外，关于对静电放电(ESD)的考虑，应当注意，在元件制造和处理期间以及在系统使用期间都会遭遇ESD，这将导致对电介质的损坏并且导致产品故障。一种最小化ESD影响的方法是在系统中使用滤波，使得在元件上引起的ESD电压显著降低。一种可以使用的方法是高通滤波器，其可以包括并联电感器。关于这点，上述公开的主题可以具有提供该高通特性的另外优点，因此，本发明讨论的概念能够显著地改善匹配网络产品的ESD残存性。

一种理想的可调匹配网络可以进一步配置为达到高电抗以校正低频时较差的匹配状况，以及还配置为在高频时实现高透明度。实现这些能力能够实现对这些频率以及这些频率之间的所有频率的全范围调谐。还有利的是可最小化网络的尺寸和复杂度以简化调谐和物理尺寸和成本。关于这一点，向网络增加并联电感补偿一些寄生电容并且给调谐网络实现较宽的有用带宽。因此，作为为匹配网络的期望低频极限提供可接受的调谐性能的替代或者与其结合，可以选择第一和第二并联电感器120和122的规格，以保持可接受的ESD性能。

在不偏离本发明主题的思想和基本特征的情况下可以以其他形式实现本发明主题。因此，所描述的实施例全部应当被视作描述性的而非限制性的。虽然采用几个优选实施例描述了本发明主题，但是对于本领域普通技术人员显然的其他实施例也在本发明主题的范围内。例如，虽然上述示例将并联电感应用到单PI网络和分布式LC传输线网络，但是本发明所述的原理可以应用于各种网络拓扑中的任意一种，包括但不限于双PI、旁路PI、和旁路双PI网络。

Claims (19)

1.一种改进的可调匹配网络的方法，其特征在于包括：连接一个或多个并联电感器到表现出对地寄生电容的可调匹配网络，从而改善该可调匹配网络的高频性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述连接一个或多个并联电感器包括：

将第一并联电感器连接到所述可调匹配网络的输入端；以及

将第二并联电感器连接到所述可调匹配网络的输出端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述连接一个或多个并联电感器包括：将外部并联电感器连接到所述可调匹配网络。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述连接一个或多个并联电感器包括：将内部并联电感器集成到所述可调匹配网络中。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中连接一个或多个并联电感器到可调匹配网络包括：将一个或多个并联电感器连接到包括至少一个电感器和与该电感器并联的至少一个可调电容器的可调匹配网络；

其中该至少一个可调电容器对该至少一个电感器的自谐振频率和电阻抗进行调谐。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述可调匹配网络选自由PI、双PI、旁路PI、旁路双PI、和分布式集总电感器单PI拓扑组成的组中。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对所述一个或多个并联电感器进行选择，以保持对匹配网络期望的低频极限的可接受调谐性能和/或可接受的ESD性能。

8.一种改进的可调匹配网络的方法，其特征在于包括：

将一个或多个并联电感器连接到可调匹配网络，该可调匹配网络表现出对地寄生电容，该可调匹配网络包括：

至少一个电感器，连接在输入端和输出端之间；以及

至少一个可调电容器，与所述至少一个电感器并联，其中至少一个可调电容器对至少一个电感器的自谐振频率和电阻抗进行调谐；

其中一个或多个并联电感器被连接到可调匹配网络的输入端或输出端中的一个或两个；以及

因此，改善可调匹配网络的高频性能。

9.一种改进的可调匹配网络，其特征在于包括：

可调匹配网络，表现出对地寄生电容；以及

一个或多个并联电感器，连接至可调匹配网络，用于改善可调匹配网络的高频性能。

10.根据权利要求9的所述网络，其特征在于：所述可调匹配网络包括：

至少一个电感器；以及

至少一个可调电容器，与所述电感器并联；

其中至少一个可调电容器对至少一个电感器的自谐振频率和电阻抗进行调谐。

11.根据权利要求9的所述网络，其特征在于：所述可调匹配网络包括：

第一电感器，耦接到第一端口和第一节点；

第二电感器，耦接在第一节点和第二节点之间；

第一电容器，耦接在第一节点和地节点之间；

第二电容器，耦接在第二节点和地节点之间；

第三电感器，耦接在第二节点和第三节点之间；

第三电容器，耦接在第三节点和地节点之间；

第四电感器，耦接在第三节点和第二端口之间；以及

第四电容器，耦接在第一节点和第三节点之间，

其中第四电容器是可变电容器，并且其中第四电容器对第二和第三电感器的串联组合的自谐振频率进行调谐。

12.根据权利要求11的所述网络，其特征在于：其中第一电感器和第四电感器是输入和输出馈入寄生效应的一部分。

13.根据权利要求11的所述网络，其特征在于：其中第一电感器和第四电感器尽可能小。

14.根据权利要求9的所述网络，其特征在于：其中可调匹配网络选自由PI、双PI、旁路PI、旁路双PI、和分布式集总电感器单PI拓扑组成的组中。

15.根据权利要求14的所述网络，其特征在于：其中可调匹配网络包括：

串联连接的第一电感器、第二电感器、和第三电感器；

第一可调电容器耦接在第一电感器、第二电感器和地的串联连接之间；

第二可调电容器耦接在第二电感器、第三电感器和地的串联连接之间；以及

第三可调电容器与第二电感器并联，其中第三电容器对第二电感器的自谐振频率进行调谐。

16.根据权利要求9的所述网络，其特征在于：其中一个或多个并联电感器包括：

第一并联电感器，连接至所述可调匹配网络的输入端；以及

第二并联电感器，连接至所述可调匹配网络的输出端。

17.根据权利要求9的所述网络，其特征在于：其中一个或多个并联电感器外部地连接到所述可调匹配网络。

18.根据权利要求9的所述网络，其特征在于：其中对一个或多个并联电感器进行选择，以保持对匹配网络期望的低频极限的可接受调谐性能和/或可接受的ESD性能。

19.一种可调匹配网络，其特征在于包括：

至少一个电感器，连接在输入端和输出端之间；

至少一个可调电容器，与所述电感器并联；以及

一个或多个并联电感器，连接至输入端或输出端中的一个或两个；

其中至少一个可调电容器用于对至少一个电感器的自谐振频率和电阻抗进行调谐；以及

其中一个或多个并联电感用于改善可调匹配网络的高频性能。

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