CN103312355B - 可调节双工器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调节双工器系统。双工系统可与电子装置一起使用。该双工系统可包括与天线连接的双工器。该双工系统可包括平衡网络。该平衡网络可与双工器连接,具有可调节网络阻抗,且包括有源部件。该平衡网络可被配置为调节网络阻抗以匹配天线的天线阻抗。

Description

可调节双工器系统
技术领域
本公开涉及使用可调双工器系统的系统和方法(通常被称为系统)。更具体地,本公开涉及使用具有有源平衡网络的可调多频带双工器系统的电话或无线电装置。
背景技术
电子装置以各种方式彼此通信。例如,电子装置可发送或接收载有信息或数据的电磁信号。电磁信号可以一种或多种频率发送或接收。由于通信网络变得更加复杂,可能期望电子装置能通过或利用不同频率来彼此通信,同时保持紧凑或高效的尺寸。
发明内容
本发明提供了一种用于电子装置的双工系统,包括:双工器,其与天线连接;平衡网络,其与所述双工器连接且具有可调节网络阻抗,所述平衡网络包括有源部件;以及其中,所述平衡网络被配置为调节所述网络阻抗以匹配所述天线的天线阻抗。
上述双工系统中,所述平衡网络还包括与所述双工器连接的变压器以及平衡电路。
上述双工系统中,所述变压器从所述双工器接收第一电压并基于所述第一电压向所述平衡网络输出第二电压,所述第二电压低于所述第一电压。
上述双工系统中,所述平衡网络包括与所述变压器连接的两个平衡电路。
上述双工系统中,所述两个平衡电路包括实质相同的部件。
上述双工系统中,所述平衡网络与所述天线阻抗相匹配并使所述有源部件的电阻最小化。
本发明提供了一种电子装置,包括:双工器,其包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口;天线,其具有天线阻抗,所述天线与所述第一端口连接;功率放大器,其被配置为放大由所述天线发送的传输信号,所述功率放大器与所述第二端口连接;低噪声放大器,其被配置为放大由所述天线接收到的接收信号,所述低噪声放大器与所述第三端口连接;平衡网络,其具有平衡网络阻抗,所述平衡网络与所述第四端口连接,所述平衡网络包括有源部件;其中,所述平衡网络调节所述平衡网络阻抗来匹配所述天线阻抗以使所述功率放大器与所述低噪声放大器隔离。
上述电子装置中,所述平衡网络包括可调节电阻部件和可调节电容部件。
上述电子装置中,所述平衡网络通过改变所述可调节电容部件的电容来调节所述平衡网络阻抗以匹配所述天线阻抗。
上述电子装置中,所述平衡网络包括具有与所述第四端口连接的第一电感器以及具有第一端和第二端的第二电感器的变压器。
上述电子装置中,所述平衡网络还包括与所述第二电感器的第一端连接的第一平衡电路以及与所述第二电感器的第二端连接的第二平衡电路。
上述电子装置中,所述第一平衡电路和所述第二平衡电路包括实质相同的部件。
上述电子装置中,所述平衡网络通过控制所述有源部件的偏置电流或偏置电压来调节所述平衡网络阻抗。
上述电子装置中,所述变压器被配置为根据所述第一电感器上的第一电压来提供所述第二电感器上的第二电压,其中,所述第一电感器上的所述第一电压大于所述第二电感器上的所述第二电压。
本发明提供了一种隔离功率放大器的方法,所述方法包括:监测天线阻抗;以及基于所述天线阻抗来调节平衡网络阻抗以在功率放大器与双工器连接的点处提供零电压差,其中包括调节平衡网络中有源部件的有源部件阻抗。
上述方法中,调节所述平衡网络阻抗包括调节所述有源部件的偏置电流或偏置电压以使所述天线阻抗与所述平衡网络阻抗平衡。
上述方法还包括在使所述天线阻抗与所述平衡网络阻抗平衡的同时使所述平衡网络的所述有源部件的电阻最小化。
上述方法还包括通过设置大于发送器插入损耗的接收器插入损耗来控制所述发送器插入损耗和所述接收器插入损耗。
上述方法中,调节所述平衡网络阻抗包括调节第一平衡电路的第一电路阻抗和调节第二平衡电路的第二电路阻抗。
上述方法中,对所述第一电路阻抗的所述调节与对所述第二电路阻抗的所述调节实质相同。
附图说明
可参照以下附图和描述来更好地理解该系统。附图中,遍及所有不同示图,类似附图标记指示相应部件。
图1是实例性电子装置的框图。
图2的(a)至(c)是实例性双工器系统中的损耗的示意图。
图3是实例性双工器系统中的插入损耗折衷(tradeoff)的曲线图。
图4是实例性电子装置的框图。
图5是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图6是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图7是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图8是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图9是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图10是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图11是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图12是实例性史密斯圆图的示意图。
图13是具有实例性双工器系统的实例性电子装置的框图。
图14是电子装置可包括的实例性计算机系统的框图。
具体实施方式
图1是电子装置100的实例。电子装置(诸如电子装置100)例如可以是或者可包括蜂窝电话、智能手机、移动电话、各种其他类型的电话、计算机、处理器、智能装置、个人数字助理(“PDA”)、平板电脑、存储装置、服务器、被配置为与一个或多个其他装置或网络通信的装置、或者具有发送器和接收器的各种其他装置中的一个或多个。
电子装置100可包括天线110,通过天线110,电子装置100可接收信号并将信号发送至一个或多个其他装置、处理器、接收器、天线或网络。天线110可被配置为或者可操地以多种频率且在很宽的频率范围内传送或接收信号。例如,天线110可被配置为经由任何蜂窝或无线电频率来通信。作为另一实例,电子装置100或天线110例如可支持3G/4G频带I、II、III、IV和IX。其他变形也是可行的。
电子装置100可包括一个或多个接收器120(“RX”)。一个或多个接收器120可被配置为检测和接收发送至电子装置100或由电子装置100接收到的信号。接收器120可被配置为处理由电子装置100接收到的信号。接收器120可接收各种功率水平(诸如-110dBm)的信号。
电子装置100可包括一个或多个发送器130(“TX”)。一个或多个发送器130可被配置为利用或通过天线110向一个或多个其他装置或网络发送或发射一个或多个信号。在某些情况下,发送器130可使用可能与由接收器120使用的频率不同的频率来工作。
发送器130可与一个或多个功率放大器(“PA”)连接。可将功率放大器定位在发送器130与天线110之间或者定位在发送器130与双工器之间。功率放大器可放大由发送器130发送的信号的功率。发送器130可发送各种功率水平(诸如+28dBm)的信号。接收器120和发送器130的功率水平可不同。
电子装置100可包括双工器140。双工器140的实例可以是或可包括电子平衡双工器(“EBD”)、分频双工器或其他双工器。双工器的其他实例也是可行的。双工器140可使接收器120和收发器130能够共享或一同使用天线110,且可使接收器120和发送器130能同时工作。双工器140可被配置为能使电子装置100同时接收和发送。例如,EBD双工器可通过从天线输入中减去发射信号来执行电平衡以分离接收器信号。这类平衡可不假设或要求RX频率与TX频率之间的任何关系。相反,即便它们共享频带,TX信号与RX信号也可保持隔离。其他实例也是可行的。
各种电子装置100(诸如手机或有Wi-Fi功能的装置)可具有双工器140,该双工器140可允许电子装置100同时接收和发送信号。例如,3G蜂窝电话可以是或者可包括频分复用(“FDD”)系统,其中,发送器130和接收器120同时处于激活状态。其他实例也是可行的。
双工器140可包括一个或多个滤波器,诸如一个或多个带通滤波器或射频(“RF”)表面声波(“SAW”)滤波器。双工器140中的每个滤波器可通过信号的一个或多个频带,同时衰减未通过的频率的噪声。例如,滤波器可允许一定范围内(诸如2.1GHz与2.2GHz之间)的信号频率通过,而阻止或衰减小于2.1GHz以及大于2.2GHz的信号。其他实例和滤波器类型也是可行的。
当电子装置100利用不同频率或频带工作时,对每个频率或频带可能需要单独的滤波器或双工器。例如,接收器120可以第一频带(诸如2.14GHz)工作,而发送器130可以第二频带(诸如1.95GHz)来工作。双工器140在该实例中可包括两个非常尖锐的RFSAW滤波器—一个RFSAW滤波器在滤除接收器频带噪声的同时通过发送频带,以及另一RFSAW滤波器在滤除发送器频带噪声的同时通过接收频带。其他变形也是可行的。
双工器140可以各种方式来构造或者可包括各种部件。例如,双工器140可以是三端口双工器140,其中一个端口用于天线110,一个端口用于接收器120,以及一个端口用于发送器130。双工器140可被设置为可逆电路或具有可逆电路元件(诸如电阻器、电容器、电感器、耦合电感器或具有可互换的终端的其他电路元件)的互易网络。双工器140例如可以是3端口有损电子平衡双工器(“EBD”)。
互易网络的S参数满足关系:对于所有i和j,Sij=Sji。具有无限隔离以及所有双工器端口相匹配的互易双工器140可具有以下形式的S矩阵:
S EBD _ reciprocal = 0 S 12 S 13 S 12 0 0 S 13 0 0 - - - ( 7 )
SEBD_reciprocal可能不是酉矩阵,但可表示有损网络。互易性可规定或要求从任何端口到任何其他端口的插入损耗在两个方向上相同。
图2的(a)至(c)示出了3端口双工器所经受的损耗。例如,图2的(a)示出了从发送器到天线的0dB插入,将从发送器端口施加的功率的100%导至天线,并通过互易性将在天线上施加的功率的100%导至发送器以及将功率的0%导至接收器。因此,发送器路径中的0dB插入损耗会造成接收器路径的无限插入损耗。图2的(b)中示出了相反情况,其中,0dB接收器插入损耗造成无限发送器损耗。发送器和接收器的0dB插入不可同时实现。图2的(c)示出了来自天线的入射功率在接收器与发送器之间同等分配(各自50%)的替代性实例。通过互易性,将来自由发送器施加的功率的50%导至天线,且由于发送器与接收器隔离,所以剩余50%的功率在双工器中耗散。
图3示出了针对互易EBD(诸如双工器140)的发送器插入损耗与接收器插入损耗之间的折衷的曲线表示。在3端口双工器140中的任何端口上施加的功率在两个相邻端口之间分配。相反端口被隔离。在对称情况下,取α=0.5,则接收器插入损耗(“RXIL”)等于收发器插入损耗(“TXIL”),且二者均等于3dB。可改变EBD双工器140,使得天线有利于接收器或者发送器,其中一个具有较低损耗,且以另一个具有较高损耗为代价。
电子装置100可被配置为或可操作地以多于一种的频率或频带接收信号。以多个不同频带接收信号的电子装置100可要求双工器140支持每个频带。另外,对于由电子装置100支持的每个频带,电子装置100可需要或使用专用或特定的低噪声放大器(“LNA”)。在许多电子装置100中,LNA不可共用,且因此,这些电子装置可能需要多个端口来支持频带。
例如,2G/3G蜂窝电话可以多种不同频率接收信号。图4示出了2G/3G射频装置400的一个实例。2G/3G射频装置400可包括可在2G/3G蜂窝电话中工作的集成电路(“IC”)405。IC405可支持四个2G频带和三个3G频带。IC405可包括射频收发器、四个SAW滤波器(诸如SAW滤波器410)、2G接收器(“2GRX”)所需的十二个匹配部件(诸如匹配部件420)以及2G所需的两个功率放大器(“PA”)中的一个或多个。IC405还可或者可替代地包括可支配电子装置400的区域的双工器和用于3G的PA。处理不同频率的电子装置400的其他实例也是可行的。
由于电子装置400支持多个频带,电子装置可能需要包括附加的双工器140、滤波器和其他硬件。由于生产新蜂窝电话并使用更多频带,所以可能难以扩大具有附加双工器和滤波器的电子装置400的尺寸。因此,具有能够处理不同频率的可调节或可调谐双工器的电子装置可有利于减少电子装置400中所用的所需双工器的数量和IC405的尺寸。
图5示出了具有可调节或可调谐双工器系统550(有时被称为“双工系统”或简称为“双工器”)的电子装置500的一部分的实例。电子装置500可包括天线510、与发送器连接或相关联的功率放大器520以及与接收器连接或相关联的低噪声放大器530(有时被称为“LNA”)。在其他系统中,低噪声放大器530可被去除或可用各种其他放大器、接收器或其他部件来替代。在其他系统中,双工器系统550和低噪声放大器530可互换或颠倒位置,使得低噪声放大器530可与天线510和平衡网络540连接。其他变形也是可行的。
电子装置500的双工器系统550可包括四端口双工器505。四端口双工器505可以是无损互易网络。天线510、功率放大器520和低噪声放大器530中的每一个可与双工器505的不同端口连接。双工器505的第四端口端可以是平衡网络(“BN”)540。平衡网络540可平衡功耗,使得整个双工器系统550中满足能量守恒。
双工器系统550可被设置为可逆电路或具有可逆电路元件(诸如电阻器、电容器、电感器、耦合电感器或具有可互换的终端的其他电路元件)的互易网络。双工器系统550可涉及双工器505和平衡网络540。其他变形也是可行的。
图6示出了具有双工器505的一些实例部件的电子装置500。双工器505例如可包括一个或多个电感器(诸如电感器610、615和620)。两个电感器610和615可被设置或配置在天线510与平衡网络540之间,其间连接有功率放大器520。电感器610和615可在电路中形成对称。
在一些系统中,电感器610和615可以是两个不同电感器。在其他系统中,一个较大电感器可构成两个电感器610和615。在这些系统中,功率放大器520可与一个大电感器之间的一个点连接,在连接有功率放大器520的该点的两侧产生两个独立电感器610和615。当功率放大器520连接在中间时,两个电感器610和615可以相同。当功率放大器520未连接在中间时,两个电感器610和615可具有不同电感,这可取决于功率放大器连接的位置。电感器610和615的其他实例也是可行的。
除这两个电感器610和615之外,低噪声放大器530可另外包括双工器505的电感器620。在信号到达低噪声放大器530之前,电感器610、615和620的配置和性能(诸如电感器610、615和620的阻抗或匝数)可操作,以衰减来自功率放大器520的功率输出。电感器610、615和620可作为变压器(诸如自耦变压器)来工作。双工器505和双工器部件的其他配置或实例也是可行的。
电子装置500的天线510可具有不同阻抗值。例如,根据天线510传送的信号的频率以及影响近场的天线的物理环境,该天线510可具有不同阻抗值。
双工器系统550可实施或使用可调谐或可调节的无源或有源平衡网络540。平衡网络540可用于匹配天线阻抗和/或使功率放大器520与低噪声放大器530隔离。
平衡网络540可具有或包括一个或多个可调节或可变电容或电感部件或可调节或可变电阻部件。可变或可调谐平衡网络540可有利于使双工器系统550能将针对多个不同频率和天线阻抗的功率放大器520与低噪声放大器530隔离。双工器系统550因此可包括或表示多频带双工器,或能够执行将另外需要多个双工器140的双工技术。被配置为或可操作地调节和用于处理各种接收频率的双工器系统550的使用可提供电子装置设计的灵活性并减少设计通信装置时所需的部件数量。
无源平衡网络540的实例可以是由元件构成的网络,该元件可能不需要或要求任何偏置电流或电压来操作。例如,无源平衡网络可包括一个或多个电感器、电容器、电阻器和金属氧化物半导体(“MOS”)开关。具有用于平衡网络540的电阻器的4端口无损互易网络可具有以下给出的S矩阵:
S = 0 S 12 S 13 0 S 12 0 0 | S 13 | e jθ 1 S 13 0 0 | S 12 | e jθ 2 0 | S 13 | e jθ 1 | S 12 | e jθ 2 0
其中,S12和S13满足|S21|2+|S31|2=1。在利用无源平衡网络540的实施中,接收器插入损耗可直接加到接收器级联噪声系数(有时被称为“RXNF”)上。
图7示出了具有双工器系统550的电子装置700的实例,该双工器系统550具有无源平衡网络740。平衡网络740可包括一个或多个电容器750(有时被称为“电容部件”)以及电阻器760(有时被称为“电阻部件”或“电阻性部件”)。尽管只示出了一个电容器750和一个电阻器760,但有源平衡网络740可包括一组多个电阻器(例如可利用一个或多个开关选择或连接)和一组多个电容器(例如可利用一个或多个开关选择或连接)。例如,平衡网络740可包括不同电阻值的十个(或任何数量的)电阻器的可切换的组,可选择其中的任何一个或多个并连接以获得给定电阻值,且平衡网络740还可包括不同电容值的五个(或任何数量的)电容器的可切换的组,可选择其中的任何一个或多个并连接以获得所需电容值。
一个或多个电容器750和电阻器760可并联连接、串联连接或并联和串联的某种组合来连接。每个电容器750可为平衡网络740的整体阻抗贡献电容或无功阻抗。每个电阻器760可为平衡网络740的整体阻抗贡献电阻或实际阻抗。在某些装置中,平衡网络可另外或可替代地包括可向平衡网络的整体阻抗贡献的一个或多个电感器或电感部件。平衡网络740的其他变形也是可行的。
可调节网络740还可或可替代地包括一个或多个开关770和775,这些开关可用于控制平衡网络740的整体阻抗的电容值或电阻值。可利用一个或多个互补型金属氧化物半导体(“CMOS”)来制成或构建平衡网络740的一个或多个开关。例如,可实现具有AC浮体的两个厚氧化物开关的堆叠(stack),且该开关可承受一定的电压摆动而可靠地工作10年。其他实例也是可行的。
在其他装置中,平衡网络740可包括作为电容部件的一个或多个可调节或可变电容器和/或作为电阻部件的可调节或可变电阻器。可调节或可变电容器可具有电容或者为平衡网络740的阻抗贡献电容。可监测、调节、变化或改变可变电容器以为平衡网络740的整体阻抗贡献电容值。可调节或可变电阻器可具有电阻或者为平衡网络740的阻抗贡献电阻。可监测、调节、变化或改变可变电阻器以为平衡网络740的整体阻抗贡献电阻值。
通过控制一个或多个电容部件或电阻部件(诸如通过用开关770和775控制一个或多个电容器750和电阻器760),平衡网络740可被配置为或可操作地控制平衡网络740的阻抗。因此,可变化、调节或改变平衡网络740以提供多个不同阻抗值。在某些系统中,处理器、逻辑、带有指令的计算机可读介质或控制器可被配置为或可操作地监测、确定、设置或控制平衡网络740的可调节电容和可调节电阻,从而设置和调节平衡网络740的整体阻抗。
平衡网络740的可调节阻抗可以各种方式来使用。例如,可调节或修改平衡网络740的阻抗以使功率放大器520与低噪声放大器530隔离。当功率放大器520与低噪声放大器530隔离时,天线510的部件中消耗、耗费或使用双工器505中的一半功率,以及平衡网络540中消耗、耗费或使用另一半功率。不管天线510的频率或阻抗变化,功率放大器520和低噪声放大器530的连续无限隔离可以各种方式来实现,诸如通过确保电感器610和615之间的电压差为零或最小化。平衡网络740可连续地、几乎连续地、间隔地、在特定时间段期间或之后、在提示时、在触发时或在各种其他时间来监测和调节平衡网络阻抗。
在某些配置中,双工器505的电感器610和615可相同或可具有相同阻抗。在这些配置中,平衡网络740可通过监测天线510的可变阻抗(有时被称为“天线阻抗”)来进行隔离。诸如可利用控制器或处理器将平衡网络740的阻抗调节为与天线510的监测阻抗相同。平衡网络740的阻抗因此可镜像、跟踪和模拟天线510的阻抗的任何变化。
当天线510的阻抗改变时,诸如当天线510经由不同频率进行通信时或在天线已移动或改变位置的情况下,平衡网络740的阻抗还可改变以跟踪天线阻抗的变化。这样做,平衡网络740可确保天线510上的电压降与平衡网络740上的电压降相同。若天线510和平衡网络740上的电压降相同,则两个相同电感器610和615之间的电压之差可为零,且功率放大器520可与低噪声放大器530隔离。以此方式,双工器系统550可调谐或可调节以适应于以各种不同频率或频带与天线510通信。
在其他配置中,两个电感器610和615的阻抗可不相同。例如,一个电感器610可具有电感N1,而第二电感器615可具有第二不同的电感N2。在这些配置中,平衡网络740可以各种其他方式确保电感器610和615之间的零电压差。
在第一实例中,平衡网络740可继续监测天线510的阻抗或天线510上的电压降。然而,由于电感器610和615的阻抗可以不同,所以平衡网络740通过仅模拟天线510的阻抗不能实现低噪声放大器530的隔离。相反,平衡网络740或平衡网络的控制器可应用一种或多种算法或函数,该一种或多种算法或函数以电感器610和615的已知阻抗之间的差为因子。基于天线510的阻抗和已知阻抗,该算法或函数可用于计算或确定平衡网络740的阻抗,该阻抗将产生零电压差并将低噪声放大器530与功率放大器520隔离。
作为替代性实例,可直接测量电感器610和615之间的电压差,且可忽略天线510的阻抗。在该实例中,平衡网络740或平衡网络740的控制器可应用一种或多种算法或函数来计算平衡网络740中的所需变化以产生零电压降,该一种或多种算法或函数可以所测电压降和电感器610和615的已知阻抗为因子。隔离低噪声放大器530与功率放大器520的其他实例和方法也是可行的。
在某些实施中,隔离可通过求解平衡阻抗来限定。在可调节电容部件和可调节电阻部件包括在平衡网络740中的情况下,隔离可仅由对电容部件和电阻部件的可调性的限定来限制。在利用电阻器和电容器的可切换组将平衡网络740实施为可变阻抗的情况下,该阻抗可由可切换组中的电阻器和电容器的可用组合来限定。电子装置700可具有各种性能,诸如发送器插入损耗、接收器插入损耗以及接收器噪声系数(有时被称为“RXNF”)。发送器插入损耗可指从由功率放大器520输出的功率到达天线510的功率的量。接收器插入损耗可指从来自天线510的功率到达低噪声放大器530的功率的量。
除平衡天线阻抗或隔离功率放大器与低噪声放大器之外或者作为其替代,电子装置700可操作地提供小插入损耗或噪声系数。电子装置700的发送器插入损耗和接收器插入损耗可具有或经过折衷,如图3所示。该折衷可取决于双工器505的电感器610和615的电感。若电感器610和620相同(α=0.5),则收发器插入损耗应等于接收器插入损耗。在该实例中,这两个插入损耗均约为3dB,因为可能平衡网络540上消耗、耗费或使用了由功率放大器520输出的一半功率。电感器610或615中的一个的电感增加将移动折衷,使得一个插入损耗(TX或RX)将提高,而另一个插入损耗(RX或TX)将变坏。
在某些系统中,接收器噪声系数可能是比接收器插入损耗更重要的参数。例如,相比绝对功率水平,接收器的操作员可能对信噪比更感兴趣。接收器噪声系数可指或者可提供对接收器接收多少噪声以及接收器有多敏感的指示。
接收器噪声系数可随平衡网络740的电阻改变或者可直接与该电阻相关。接收器噪声系数可表示在低噪声放大器530处所见的电阻。低噪声放大器530处的电阻可包括来自天线510的电阻以及来自平衡网络740的电阻。
在平衡网络为无源平衡网络(诸如采用平衡网络740)的情况下,可以有限数量的方式,诸如通过调节针对无源平衡网络的设置电阻或根据环境变化(诸如温度)来改变或调节无源平衡网络中的电阻。因此,一旦设置了用于隔离的电阻,平衡网络740可能具有很少或没有改变噪声系数的自由度。在具有无源平衡网络740的实施中,接收器插入损耗可直接加到接收器级联噪声函数上,因为双工器系统550是无源系统,且不管实施方式,可用噪声功率将仅取决于平衡网络740的阻抗的实部。在该装置中,可通过用相同电感器610和615来优化发送器插入损耗和接收器噪声系数,使得收发器损耗约为3dB并使噪声系数最小化。
作为使用无法打破3dB插入损耗极限的无源平衡网络740的替代,该双工器系统550可实施或使用有源平衡网络。有源平衡网络可包括可使用或需要偏置电压或电流(例如,直流(“DC”)偏置电流)的一个或多个有源元件。例如,有源平衡网络可包括有源部件或有源元件(“有源部件”),如作为跨导体和放大器来工作的MOS晶体管或各种其他晶体管。可利用偏置电流或电压来驱动、供电、操作或控制有源元件,该偏置电流或电压可控制或启用有源元件或部件的跨导。除一个或多个有源元件之外,有源平衡网络540还可包括一个或多个无源元件。有源平衡网络540中的一个或多个部件可被配置为或可操作地承受大电压摆动。具有有源平衡网络的双工器系统可被配置为或可操作地实现小于3dB的噪声系数并克服3dB物理极限。
图8示出了具有双工器系统的电子装置800的实例,该双工器系统具有有源平衡网络840。该电子装置800可另外或者可替代地包括可与电子装置700的天线510、功率放大器520、低噪声放大器530、电感器610、615和620以及电容器790相同或相似的天线510、功率放大器520、低噪声放大器530、电感器610、615和620以及电容器790中的一个或多个。
示出了用于有源平衡网络840的电路的一个实例。该平衡网络840可以是低噪声平衡网络。低噪声平衡网络840可被配置为且可操作地使电子装置800能以非常低的损耗来工作。
平衡网络840可包括或包含一个或多个无源部件,诸如一个或多个开关、电容器850和电阻器860。另外,有源平衡网络840可包括一个或多个有源部件,诸如一个或多个晶体管880、885和890。可用于或可包括在有源平衡网络840中的晶体管的实例可以是或可包括金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)、CMOS、结型栅极场效应晶体管(“JFET”)、双极结型晶体管(“BJT”)或其他晶体管。可利用各种技术,诸如硅、SOI、GaAs、InP、GaN和各种其他技术来构造或操作有源平衡网络840。
图8所示的平衡网络电路是有源平衡网络的一个实例。其他实例例如可包括感生共源(“CS”)LNA、共栅LNA、带反馈的共栅LNA、带缓冲反馈的CSLNA或各种其他实施。各种其他电路或部件的组合可用于创建有源平衡网络840。
有源平衡网络840的阻抗例如可取决于晶体管880和885的跨导gmp和gmn。例如,由晶体管880和885对平衡网络840的阻抗的电阻贡献可以是:
Rin=1/(gmn+gmp)
晶体管880和885的跨导gmp和gmn可随平衡网络840的偏置电流或偏置电压的变化而改变。因此,通过改变平衡网络的有源部件的偏置电流或偏置电压从而改变有源部件的阻抗,平衡网络840的电阻和阻抗可以是可变的。可控制和改变平衡网络840中的晶体管880、885和890的跨导来产生所需电阻值。平衡网络840的有源部件可使平衡网络840能控制和提供平衡网络840的最小电阻值,同时匹配天线阻抗或使功率放大器520与低噪声放大器530隔离。
通过利用平衡网络840中的有源部件和控制或最小化平衡网络840的电阻,平衡网络840可实现可打破3dB理论噪声极限的噪声系数。作为一个实例,可改变电感器610和615中的一个或多个来提供以高接收器插入损耗为代价的低收发器插入损耗。例如,可通过移动分接点(功率放大器520在两个电感器610和615之间连接的点)离开中心(其中两个电感器610和615相同)使两个电感器610和615的匝数比偏移以具有两个电感器线圈610和615的不同电感。在两个线圈的电感例如为5.6nH和3.7nH的情况下,以针对接收器的4.6dB的较高插入损耗为代价,收发器插入损耗可降至2.5dB。为最小化由于基板中的涡流而导致的损耗,电感器610和615例如可放置在金属的最上层或可在金属的最上层中实现。
然而,由于有源平衡网络840可操作地基于晶体管880、885和890的跨导来提供电阻值,所以还可降低接收器噪声系数。由于平衡网络和天线的噪声电压在低噪声放大器530的输入端出现差异,所以双工器的有效噪声系数将更小,诸如1dB。物理上,该降低的接收器噪声系数可通过消耗、耗费或使用作为平衡网络840内的一个或多个有源部件(诸如晶体管880、885和890)中的偏置电流的更多电流来获得。以此方式,例如,可以利用无源4端口双工器和有源平衡网络840来打破3dB性能极限。因此,平衡网络840可实现具有比无源平衡网络中的更低的噪声系数的电阻值。只要可以实现平衡,平衡网络840中的元件的品质因子可仅影响插入损耗,而不会影响隔离。
图9示出了可与电子装置700和800中的一个或多个相似或类似的电子装置900。电子装置900可具有天线510、功率放大器520、低噪声放大器530、双工器505的电感器610和615以及平衡网络940。无需任何匹配元件,双工器505可直接或可不直接连接至天线510。平衡网络940可以是无源平衡网络(诸如平衡网络740),或者可以是有源平衡网络(诸如平衡网络840)。
电子装置900示出了用于低噪声放大器530的一种可行的电路设置。电子装置900与电子装置700和800的不同之处可在于,电子装置900的低噪声放大器930可以是或可具有共源低噪声放大器930,而不是阻抗匹配的低噪声放大器530。共源低噪声放大器930例如可提供比阻抗匹配的低噪声放大器多6dB的增益。另外,在电子装置900中,双工器505和低噪声放大器530均可集成在同一芯片上。
电子装置900的部件可集成在原型芯片上,该原型芯片可集成电感器610和615、低噪声放大器930、平衡网络940以及数字控制电路。例如,电子装置900的部件可用TSMC65nmCMOS技术来制造,且双工器505占据由两个电感器(一个是双工器自耦变压器,以及另一个是LNA负载)主导的0.2mm2的面积。用于低噪声放大器530的电路的各种其他实例也是可行的。
具有平衡网络540、740、840和940的电子装置500、700、800和900可允许双工器系统操作、双工或处理可与天线510通信的多个不同频率。电子装置500、700和800中的多频带双工器系统可隔离用于多个不同频率和天线阻抗的功率放大器520与低噪声放大器530。双工器系统550可使经由多个不同频率通信的电子装置所需的双工器数量减少,并使电子装置设计的灵活性增加。
在某些情况下,可能需要或要求利用天线510来发射由功率放大器520生成的具有大功率摆动的信号。例如,电子装置可利用具有大功率摆动(例如,诸如±7.5V或15V峰峰值)的信号来通信(诸如发射或接收)。一个实例可以是按3G标准工作的蜂窝电话,对于3.2dB的典型峰均比,采用约15V的天线峰峰电压,3G标准可规定天线510上的24dBm的最大输出功率水平。在可利用大功率输出来操作的装置中,可能期望提供一种不会使其一些部件暴露于由天线510所需的大电压的平衡网络。
图10示出了具有平衡网络1040的实例性电子装置1000,该平衡网络1040可与大电源一起使用,而不会损坏平衡网络1040的部件。电子装置1000可相似、类似于或者包括电子装置500、700、800或900的一些特征。例如,电子装置1000可包括天线510、功率放大器520、低噪声放大器530以及电感器610、615和620。
电子装置1000的双工器系统可另外包括可处理大电压和大信号的平衡网络1040。该平衡网络1040可包括一个或多个变压器或电感器1010和1015。在电子装置1000和天线510传送具有大功率或电压水平或者摆动(诸如±7.5V)的大信号的情况下,电感器1010上可能出现等同电压降(当电感器610和615相同时)或相似电压降(其他情况)。通过将电感器1010和1015用作变压器,电感器1010和1015可操作地使电压从电感器1010上的第一电压水平V1(诸如±7.5V)下降至电感器1015上的第二电压水平V2,第二电压水平可以是第一电压水平的一部分。在某些实例中,该电压例如可通过使用电感器1010和1015而减半。例如,电压比V1:V2可与电感器1010的匝数(N1)与电感器1015的匝数(N2)的差相同或反映该差。在其他实例中,可在平衡网络中实施其他变压器来逐步降低来自双工器或电感器615的电压,或者可以其他方式以及按其他量来降低电压。
平衡网络1040可另外包括一个、两个或更多个低噪声平衡网络1020和1025(有时被称为“平衡电路”)。两个低噪声平衡网络1020和1025中的每一个可与变压器的电感器1015的一端附接或连接。低噪声平衡网络1020和1025可相同或一致,或者可彼此不同。
低噪声平衡网络1020和1025中的每一个可相同、类似于或者包括平衡网络740、840或940中同样包括的一个或多个组件。例如,低噪声平衡网络1020可包括诸如平衡网络940中的一个或多个可调节或可变电容器、电阻器和开关以及一个或多个有源晶体管。在某些系统中,低噪声平衡网络1020和1025各自是大致相同的有源平衡网络,且二者可大致与有源平衡网络940相同。其他变形也是可行的。
低噪声平衡网络1020和1025中的每一个的阻抗可并行或同时以及按照相同量来调节或改变,或者可单独以及不同地控制和改变。在某些实施中,低噪声平衡网络1020和1025可以不是低噪声的,且可被简称为平衡网络或平衡电路。其他变形也是可行的。
通过连接电感器1015每端上的低噪声平衡网络1020和1025,可将每个低噪声平衡网络1020和1025处的电压分成两半或者降低。逐步降低施加给平衡网络1040的部件的电压可保护平衡网络1020和1025的部件不受损坏。
例如,在电感器1010上观察到的±7.5V的电压降例如可减少4倍(电感器1015上减半;以及通过用两个平衡网络1020和1025再减半),且可为平衡网络生成小于2V的电压。平衡网络1020和1025处的电压下降例如可以是特别有价值的,其中,平衡网络由可能无法承受大电压水平的CMOS开关或其他CMOS技术组成,或者包括该CMOS开关或其他CMOS技术。另外,采用施加给平衡网络1040的部件的较小电压,平衡网络1040增大了电子装置1000的双工器系统可传送的信号的功率和大小。这可允许电子装置1000传送大信号且以高电压水平来工作。其他实例和益处也是可行的。
图11示出了电子装置1100的另一实例。电子装置1100可相似、类似于或包括电子装置500、700、800、900或1000的一些特征。例如,电子装置1100可包括天线510、功率放大器520、低噪声放大器530和双工器505。电子装置1200还可包括一个或多个平衡网络1140。平衡网络1140可相似或类似于平衡网络540、740、840、940或1040中的任一个,或者可以不同。
电子装置1100可包括天线跟踪单元(“ATU”)1120。天线跟踪单元1120例如可用于跟踪天线510的阻抗并提供对该阻抗的调节。
天线阻抗可随天线510的近场受扰动或改变而缓慢变化。在某些系统中,一项或多项工业规范可规定可接受的天线阻抗变化。例如,工业规范可规定针对天线阻抗变化的3:1的电压驻波比(VSWR)。图12示出了史密斯圆图1200的一个实例,该图示出了阻抗和VSWR圆。在该情况下,天线阻抗可存在于史密斯圆图1200上的VSWR=3的圆内的任何地方。在某些情况下,平衡网络1140可被配置为且可操作地跟踪具有精细分辨率的史密斯圆图1200中心附近的天线510的阻抗变化。
天线调谐单元1120可用于在史密斯圆图1200的整个VSWR=3的区域上提供粗调。例如,天线调谐单元1120可被实施为pi网络,其具有片外电感器和两个片上电容器组。可增设天线调谐单元1120来提高功率放大器520的效率,并保护功率放大器520在一种或多种天线失配条件下不出故障。作为一个实例,当天线510的阻抗已变为由图12中的史密斯圆图上的十字表示的值时,天线调谐单元1120可将天线阻抗转换为阴影区,其中,平衡网络1140可平衡双工器505。
在其他电子装置中,天线跟踪单元1120可以各种其他方式来配置。在其他电子装置中,平衡网络1140可被设计为且可操作地覆盖整个VSWR=3区域,使得天线调谐单元可不需要或不包括在电子装置中。其他变形也是可行的。
各种电子装置可结合具有双工器505和有源平衡网络540、740、840、940、1040和1140的双工器系统。图13示出了电子装置1300的一个实例。电子装置可包括部分或完全集成在单个CMOS芯片上的已备天线无线电元件(antenna-readyradio)。电子装置1300可包括多模式多频带功率放大器1310、多频带RF滤波器1320和多频带双工器系统1330中的一个或多个。多频带RF滤波器1320可被配置为或可操作地与时分复用(“TDD”)系统(诸如2G全球移动通信系统(“2GGSM”))一起使用。多频带双工器系统1330可被配置为或可操作地与频分复用(“FDD”)系统(诸如3G宽带码分多址(“WCDMA”)系统)一起使用。多频带双工器系统1330例如可以是、可包括或者可表示所讨论的双工器系统550和平衡网络540、740、840、940、1040和1140中的一个或多个。可在各种其他电子装置中,诸如在电子装置100、500、700、800、900或1000中,制造和使用电子装置1300的一些或所有部件(诸如多频带双工器1330)以提高效率、节省空间和降低成本。
在另一实例中,电子装置可将双工器系统和平衡网络实施为用于3G/4G蜂窝应用的与频率无关的CMOSRF双工器。该CMOSRF双工器可以是宽带集成的RF双工器,该宽带集成的RF双工器可支持3G/4G频带I、II、III、IV和IX,且可在传输频带中实现大于55dB的TX与RX隔离,以及在200MHz带宽上的相应接收频带中实现大于45dB的TX与RX隔离。65nmCMOS双工器/LNA可被实施为以及可实现2.5dB的传输插入损耗和具有大于27dB增益的5dB级联接收器噪声系数。使用双工器系统的电子装置的其他实例和配置也是可行的。
在任何电子装置500、700、800、900、1000或1100中使用的双工器505或双工器系统550可具有各种特性和期望。例如,双工器505或双工器系统550可在相关联的低噪声放大器处具有收发器泄漏。LNA输入端的收发器泄漏可被表示为:
Sleakage(ω)=SPA(ω)-ISO(ω)
其中,Sleakage是接收器输入端的以dBm/Hz为单位的收发器泄漏功率密度,SPA是以dBm/Hz为单位的功率放大器输出功率密度,以及ISO是以dB为单位的双工器收发器与接收器隔离。其他特性和实例也是可行的。
对于3G应用,电子装置500、700、800、900、1000和1100中的双工器505或双工器系统550可被配置为在传输(或收发器)频带中提供一些隔离,诸如50dB以上的隔离。双工器505或双工器系统550还可或可替代地避免使接收器饱和或损坏LNA,并可放宽对接收器的线性度和相位噪声的要求。双工器505或双工器系统550还可被配置为衰减接收(接收器)频带中的噪声,诸如将噪声衰减约45dB以使该噪声低于接收器本底噪声。在某些情况下,双工器505或双工器系统550可被配置为提供该隔离,同时在发送器路径和接收器路径中引入最小插入损耗(“IL”)。对于发送器,功率放大器可耗费或使用更多功率以释放更高功率来克服发送器插入损耗,而接收器IL可直接从接收器灵敏度中减去。双工器505或双工器系统550可被配置为承受大PA输出摆动,诸如高达15V峰峰值的输出摆动。双工器505或双工器系统550可被配置为针对多个频带来提供隔离,一次针对一个频带提供隔离。
具有SAW滤波器的双工器的插入损耗在频带之间可以不同。插入损耗可根据接收频带与发送频带之间的频率分离来变化。例如,诸如由于较高隔离要求,例如对于传输频率路径,插入损耗可约为2dB,对于接收频率路径,插入损耗可约为2.5dB。
双工器系统(诸如双工器系统550)可结合有源平衡网络840、940、1040和1140中的一个或多个来获得所需的和可调节或可调谐的阻抗。通过调谐平衡网络840、940、1040和1140的阻抗,双工器系统可以任何信号或任何频率来实现功率放大器520与低噪声放大器530的隔离,而无需假设有关频率的任何事物。与无源实施相比,有源平衡网络840、940、1040和1140可实现对于相同阻抗的较低噪声,且可打破理论的3dB噪声函数的性能极限。使用具有有源平衡网络840、940、1040和1140中的一个或多个的双工器系统550的电子装置的接收器噪声系数可低于接收器插入损耗。有源平衡网络840、940、1040和1140可直接改进接收器的性能,或者该改进可分布在接收器与发送器之间。在某些实施中,实施中没有任何线性跨导体可减轻低击穿电压。平衡网络1040可用于逐步降低电压水平并限制由低噪声平衡网络920和925经历的电压摆动。其他益处和优势也是可行的。
电子装置(诸如电子装置100、500、700、800、900、1000、1100或1300)的一个或多个功能可具有、包括或访问过程或计算机系统(诸如图14中所示的计算机系统1400)。例如,处理器或计算机系统可包括在电子装置中,且可被实施为监测天线阻抗或调节平衡网络540、740、840、940、1040和1140中的一个或多个部件。这种计算机系统可包括一组指令,可执行该组指令以使计算机系统1400执行本文所公开的方法或基于计算机的功能中的任何一种或多种。计算机系统1400可作为独立装置来工作或者可例如利用网络连接至其他计算机系统或外围装置。计算机系统1400还可被实施为或被结合到各种装置中,诸如个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、移动装置、掌上电脑、膝上电脑、台式电脑、通信装置、无线电话、固定电话、控制系统、摄像机、扫描机、传真机、打印机、寻呼机、个人信任设备、Web应用、网络路由器、开关或桥或者能够执行一组指令(顺序地或不按顺序地)的任何其他机器,这组指令规定了由该机器采用的行动。
计算机系统1400可包括处理器1402,诸如中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或者两者。处理器1402可以是各种系统中的部件。例如,处理器1402可以是标准个人电脑或工作站的一部分。处理器1402可以是一个或多个通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、服务器、网络、数字电路、模拟电路、它们的组合或者用于分析和处理数据的其他目前已知或后续开发的装置。处理器1402可实施软件程序,诸如手动生成(即编程)的代码。
计算机系统1400可包括存储器1404,该存储器1404可经由总线1408来通信。存储器1404可以是主存储器、静态存储器或动态存储器。存储器1404可包括但不限于计算机可读存储介质,诸如各种类型的易失性和非易失性存储介质,包括但不限于随机存取存储器、只读存储器、可编程只读存储器、电可编程只读存储器、电可擦只读存储器、闪存、磁带或磁盘、光学介质等。
存储器1404可操作地存储可由处理器1402执行的指令。可利用执行存储器1404中存储的指令的编程处理器1404来执行图中所示或本文所述的功能、动作或任务。该功能、动作或任务可与特定类型的指令集、存储介质、处理器或处理策略无关,且可由单独操作或相结合操作的软件、硬件、集成电路、固件、微代码等执行。同样地,处理策略可包括多处理、多任务、并行处理等。
计算机系统1400还可包括显示单元1410,诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、平板显示器、固态显示器、阴极射线管(CRT)、投影仪、打印机或用于输出确定信息的其他目前已知或后续开发的显示装置。显示器1410可充当用于用户查看处理器1402的功能的界面,或者特定充当存储在存储器1404中或驱动单元1416中的软件的界面。
计算机系统1400可包括被配置为允许用户与系统1400的任何部件交互的输入装置1412。该输入装置1412可以是数字键盘、键盘或光标控制装置(诸如鼠标或操纵杆)、触屏显示器、遥控器或可操作地与计算机系统1400交互的任何其他装置。
计算机系统1400还可或可替代地包括磁盘或光学驱动单元1416。磁盘驱动单元1416可包括能嵌入一组或多组指令1424(例如,软件)的计算机可读介质1422。此外,指令1424可体现如本文所述的一种或多种方法或逻辑。在由计算机系统1400执行期间,指令1424可完全或部分存留在存储器1404内和/或处理器1402内。存储器1404和处理器1402还可包括如上所讨论的计算机可读介质。
在某些系统中,计算机可读介质1422包括指令1424或者响应传输的信号而接收并执行指令1424,使得与网络1426连接的装置可经由网络1426传送语音、视频、音频、图像或任何其他数据。指令1424可在网络1426上经由通信端口或接口1420和/或利用总线1408来发送或接收。与网络1426的连接可以是物理连接(诸如有线以太网连接)或者可如下所讨论建立无线连接。同样地,与系统1400的其他部件的其他连接可以是物理连接或可建立无线连接。可替代地,网络1426可直接与总线1408连接。
尽管示出的计算机可读介质1422为单个介质,但术语“计算机可读介质”可包括单个介质或多个介质,诸如集中式或分布式数据库和/或存储一组或多组指令的相关联的缓存和服务器。术语“计算机可读介质”还可包括能够存储、编码或承载用于由处理器执行或使计算机系统执行本文所公开的任何一种或多种方法或操作的一组指令的任何介质。计算机可读介质1422可以是非临时性的,且可以是有形的。
计算机可读介质1422可包括固态存储器,诸如存储卡或容纳一个或多个非易失性只读存储器的其他封装件。计算机可读介质1422可以是随机存取存储器或其他易失性可重写存储器。另外或可替代地,计算机可读介质1422可包括磁光介质或光学介质,诸如磁盘或磁带或者用于捕获载波信号(诸如在传输介质上传送的信号)的其他存储装置。电子邮件或其他自包含信息归档文件或归档文件组的数字文件附件可被视为分布介质,该分布介质是有形存储介质。因此,认为本公开包括了计算机可读介质或分布介质以及其他等同物和后继介质中的任何一个或多个,其中可存储数据或指令。
在替代性实施方式中,专用硬件实施(诸如专用集成电路、可编程逻辑阵列和其他硬件装置)可被构造为实施本文所述方法中的一种或多种。可包括各种实施方式的设备和系统的应用可广泛包括各种电子和计算机系统。本文所述的一种或多种实施方式可利用具有能在模块之间以及通过模块传送的相关控制和数据信号的两个以上的专用互连硬件模块或装置来实施功能,或者可作为专用集成电路的一部分来实施功能。因此,本系统包括软件、固件和硬件实施。
根据本公开的各种实施方式,可利用可由计算机系统执行的软件程序来实施本文所述方法。此外,在示例性非限定实施方式中,实施可包括分布式处理、部件/对象分布式处理和并行处理。可替代地,虚拟计算机系统处理可被构造为实施如本文所述的方法或功能中的一种或多种。
尽管已描述了本发明的各种实施方式,但对于本领域普通技术人员而言,显然在本发明的范围内,许多其他实施方式和实现也是可行的。因此,除根据所附权利要求及其等同物之外,本发明不受限制。

Claims (9)

1.一种用于电子装置的双工系统,包括:
双工器,其与天线连接;
平衡网络,其与所述双工器连接且具有可调节网络阻抗,所述平衡网络包括有源部件、平衡电路以及与所述双工器连接的变压器,并且
其中,所述平衡网络被配置为调节所述有源部件的偏置电流或偏置电压以使所述天线的天线阻抗与所述平衡网络阻抗平衡。
2.根据权利要求1所述的双工系统,其中,所述变压器从所述双工器接收第一电压并基于所述第一电压向所述平衡网络输出第二电压,所述第二电压低于所述第一电压。
3.根据权利要求1所述的双工系统,其中,所述平衡网络与所述天线阻抗相匹配并使所述有源部件的电阻最小化。
4.一种电子装置,包括:
双工器,其包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口;
天线,其具有天线阻抗,所述天线与所述第一端口连接;
功率放大器,其被配置为放大由所述天线发送的传输信号,所述功率放大器与所述第二端口连接;
低噪声放大器,其被配置为放大由所述天线接收到的接收信号,所述低噪声放大器与所述第三端口连接;
平衡网络,其具有平衡网络阻抗,所述平衡网络与所述第四端口连接,所述平衡网络包括有源部件、平衡电路以及与所述双工器连接的变压器;
其中,所述平衡网络调节调节所述有源部件的偏置电流或偏置电压使所述平衡网络阻抗匹配所述天线阻抗以使所述功率放大器与所述低噪声放大器隔离。
5.根据权利要求4所述的电子装置,其中,所述平衡网络包括可调节电阻部件和可调节电容部件。
6.根据权利要求4所述的电子装置,其中,所述变压器具有与所述第四端口连接的第一电感器以及具有第一端和第二端的第二电感器。
7.一种使用包括有源部件、平衡电路以及与双工器连接的变压器的平衡网络来隔离功率放大器的方法,所述方法包括:
监测天线阻抗;以及
基于所述天线阻抗来调节平衡网络阻抗以在功率放大器与双工器连接的点处提供零电压差,其中包括调节平衡网络中有源部件的有源部件阻抗,其中,调节所述平衡网络阻抗包括调节所述有源部件的偏置电流或偏置电压以使所述天线阻抗与所述平衡网络阻抗平衡。
8.根据权利要求7所述的方法,还包括通过设置大于发送器插入损耗的接收器插入损耗来控制所述发送器插入损耗和所述接收器插入损耗。
9.根据权利要求7所述的方法,其中,调节所述平衡网络阻抗包括调节第一平衡电路的第一电路阻抗和调节第二平衡电路的第二电路阻抗。
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