CN103401531B - 多模射频天线开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种多模射频天线开关，包括：一个干路开关单元、至少一个支路开关单元和至少一个节点开关单元；其中，全部开关单元形成树形拓扑结构，每一节点开关单元连接一个发射/接收端口；以及，由至少两个节点开关单元并联而成的至少一个支路，每一支路设有一支路开关单元；所述干路开关单元一端连接射频天线、另一端与各支路开关单元以单刀多掷方式连接。本发明的多模射频天线开关采用树形拓扑结构，不仅具有较宽的频带范围，还能够有效减小射频天线到地的寄生电容，提高各个端口之间的隔离度，而且随着无线通信工作频率的增加，降低寄生电容的效果将会更加明显，能有效改善电路的线性度，并减小插入损耗。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，是涉及一种多模射频天线开关。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，出现了多种无线通信标准并存的局面，如GSM（GlobalSystemforMobilecommunications，全球移动通信系统），UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，第三代通用移动通信系统），LTE（LongTermEvolution，以OFDM/FDMA为核心的可以被看作“准4G”技术）等等。多模技术将这些无线通信标准整合到同一个多模手持终端，使同一部多模手持终端同时兼容上述的通信标准。由于上述通信标准的频段各异，使得射频天线开关必须覆盖上述标准全部的工作频率。多模射频天线开关是多模手持终端射频前端模块的重要组成部分，用于将手持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/LTE多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/LTE多模射频天线开关模块101是一个单刀十二掷的射频开关，其单刀射频端口连接到了天线105，十二掷分别接到了十二个射频信号端口，包括：GSM低频段发射信号GSM_TX，GSM高频段发射信号DCS_TX，以及UMTS/LTE的十路发射接收信号即UMTS/LTE_TRX1～UMTS/LTE_TRX10，其中UMTS/LTE_TRX8～UMTS/LTE_TRX10可分别作为GSM的第一接收信号GSM_RX1、第二接收信号GSM_RX2和第三接收信号GSM_RX3。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。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信号与射频天线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。
对于单刀N掷（N>=10）射频天线开关模块中的射频开关，如图1中所示的102（单刀十二掷开关），现有的技术是将射频天线开关的各个掷以总线型的方式直接并联到天线端。这种总线型的连接方式，在射频天线开关掷数比较少的情况下很实用，如单刀双掷、单刀三掷、单刀四掷均比较适宜。但多模手持终端同时兼容多种通信标准，且频段范围广，需要更多的发射接收通路，常常会使用单刀十掷、单刀十二掷、甚至单刀十四掷射频天线开关。按照现有的技术，如图1所示，以单刀十二掷为例，直接将射频天线开关的各个掷以总线型的方式并联到天线端，当GSM_TX和DCS_TX的其中一路工作时，其他的十一条支路处于关断状态，从射频天线105看进去的到地寄生电容是这十一条支路的到地寄生电容之和。其弊端就是直接恶化了GSM_TX和DCS_TX的插入损耗，这也就大大增加了模块中低通滤波网络的设计难度。另外，GSM_TX和DCS_TX其中一路工作时，射频天线105承受相当大的射频电压摆幅，也就是每条关断支路都要承受这个高电压摆幅。在这个高电压摆幅作用下，每一条关断支路都相当于一个非线性电流源，因此从射频天线105看进去，射频天线上相当于并联了相当大的非线性电流源，在这些非线性电流源和寄生电容的共同作用下，大大恶化了GSM_TX或DCS_TX的谐波功率抑制能力和插入损耗。再如，当其中一条UMTS/LTE_TRX支路工作时，射频天线105到地也存在着非线性电流源和很大的寄生电容，使得UMTS/LTE_TRX的插入损耗恶化，带宽变窄且谐波功率抑制能力以及线性指标IMD2和IMD3下降。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何减少射频天线开关中的非线性电流源和寄生电容，以保障多模宽带手持终端的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种多模射频天线开关，所述多模射频天线开关包括：一个干路开关单元、至少一个支路开关单元和至少一个节点开关单元；其中，
全部开关单元形成树形拓扑结构，每一节点开关单元连接一个发射/接收端口；以及，
由至少两个节点开关单元并联而成的至少一个支路，每一支路设有一支路开关单元；所述干路开关单元一端连接射频天线、另一端与各支路开关单元以单刀多掷方式连接。
优选地，所述多模射频天线开关还包括：控制单元和电源单元；其中，
控制单元用于控制射频信号在所述开关单元间进行信号传输通道的选择或切换，电源单元给整个多模射频天线开关进行供电。
优选地，所述多模射频天线开关中，在靠近每一个所述发射/接收端口处还各设有一个耦合接地的隔离开关单元。
优选地，所述开关单元为MOS管。
优选地，所述开关单元为由多个栅极串联有电阻的NMOS管叠层串接而成的器件。
优选地，所述发射/接收端口传输的网络信号包括GSM网络信号、UMTS网络信号和LTE网络信号。
优选地，所述GSM网络信号包括低频段的GSM_TX网络信号和高频段的DCS_TX网络信号；所述UMTS网络信号和所述LTE网络信号共用所述发射/接收端口。
优选地，所述GSM_TX网络信号和所述DCS_TX网络信号相对应的发射/接收端口还设有低通滤波器。
优选地，所述控制单元包括四个控制信号端口，所述四个控制信号端口根据不同的逻辑组态控制某一发射/接收端口对应的所述节点开关单元及其相应的支路开关单元处于导通状态。
优选地，所述节点开关单元为六个以上。
与现有技术相比，本发明所提供的一种多模射频天线开关，采用树形的拓扑结构，不仅具有较宽的频带范围，也能够有效减小射频天线到地的寄生电容，提高各个端口之间的隔离度，而且随着无线通信工作频率的增加，降低寄生电容的效果将会更加明显。同时，也改善了电路的线性度，减小了插入损耗，也能够有效缓解两路GSM信号中的低通滤波器的设计难度，进而减小整个射频天线模块的尺寸和布局，提高了GSM_TX和DCS_TX的谐波功率抑制能力，增强了整个射频天线开关对制造工艺容差的容忍度，提高其制造良率。
附图说明
图1是现有技术中的射频天线开关模块的示意图；
图2是本发明的一个实施例中多模射频天线开关的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例中多模射频天线开关中寄生电容的电路原理图；
图4是本发明的一个优选实施例中单刀十二掷多模射频天线开关的电路结构示意图；
图5是本发明的另一个优选实施例中由串联叠层晶体管形成的开关单元的结构示意图；
图6是本发明的一个应用场景中多模射频天线开关中寄生电容的电路原理图；
图7是本发明的另一个应用场景中多模射频天线开关中寄生电容的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的总线型射频天线开关设计技术很难适用于多模宽带手持终端，掷数少的开关难以覆盖多种模式的射频通路，掷数多的开关电路本身存在着较大的寄生电容并产生非线性电流，直接影响滤波网络的优化和设计，并恶化了射频电路的谐波功率抑制能力、插入损耗和线性指标。为解决上述问题，本发明中提供了一种树形拓扑结构的多模射频天线开关，以减小射频天线端的寄生电容。
在本发明的实施例中，多模射频天线开关包括：一个干路开关单元、至少一个支路开关单元和至少一个节点开关单元；其中，全部开关单元形成树形拓扑结构，每一节点开关单元连接一个发射/接收端口，至少两个节点开关单元并联成一个支路，每一支路设有一支路开关单元，干路开关单元一端连接射频天线、另一端与各支路开关单元以单刀多掷方式连接。进一步地，所述多模射频天线开关还包括：控制单元和电源单元，控制单元用于控制射频信号在所述开关单元间进行信号传输通道的选择或切换，电源单元给整个多模射频天线开关进行供电。
以图2为例，本发明的一个实施例中，多模射频天线开关201形成为树形拓扑结构，由一个干路开关单元203、多个支路开关单元204和多个节点开关单元205、206等组成。所述多模射频天线开关具有N个发射/接收端口TRX1～TRX(N)，也就是说有N条信号通道，对应地设置N个节点开关单元，其中，所述节点开关单元每两个一起以并联的方式形成为一个支路207，每个支路耦接至一个支路开关单元204。图2中的控制单元为四个控制信号输入端Vc1～Vc4，通过控制信号的逻辑组态决定单刀的掷位和各开关单元的开闭，电源单元为供电电源输入端VDD。
在图2的实施例中，每2个节点开关单元并联成一个支路，对于N个发射/接收端口，干路开关单元与支路开关单元形成单刀N/2掷的连接。但理论上，树形拓扑结构可以组合成任意不同的组合，可以根据电路本身实际的情况作任何设定，比如，节点开关单元以每三路并联的方式耦接一个支路开关单元，或者，其中某两路并联至一个支路开关单元，其他通道以三路并联、四路并联、任意多路并联或者直接耦接至一个支路开关单元等等形式组合，在此不对树形拓扑结构的组合方式做任何限定。但是，与发射/接收端口连接的支路要具备相应无线通信标准谐波功率抑制的能力，满足线性度指标和各支路之间隔离度要求，这就使得节点开关单元205、206等应有一定数目的管子叠层和一定尺寸的管子组成。但尺寸较大的管子本身的寄生电容较大，故优选地，并联至一个支路开关单元的通道数目以有限条为好。实际情况中，多模射频天线开关中的每一个支路开关单元下连接的节点开关单元数量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开关的具体掷数、各通道之间隔离度要求、各通道的谐波功率抑制能力和线性指标而进行调整。优选地，在靠近每一个所述发射/接收端口处还各设有一个耦合接地的隔离开关单元（图2中未示出），用于隔离外界的干扰信号。
图3的优选实施例中展示了本发明的电路中寄生电容的一种情况，由于每两路射频信号所在的节点开关单元并联至支路开关单元，从射频天线302所在端口看进去，整个多模射频天线开关相当于一个单刀(N/2)掷的开关。当其中一路发射/接收端口工作时，如图3所示，以TRX1端口对应通道的射频信号导通为例，射频天线302到地的寄生电容是主要有以下所述的寄生电容共同作用决定：（1）其他各支路开关单元的关断电容如305等、关断的各支路开关单元下相应的节点开关的关断电容如306等，以及TRX2通道节点开关单元的关断电容303；(2)每个设置在靠近TRX1～TRX（N）端口用于增强端口间隔离度的隔离开关单元形成的电容如304等。与现有技术的总线型拓扑结构的射频天线开关相比，本发明实施例所设计的树形拓扑结构大大降低了射频天线端的寄生电容，并且射频天线开关的掷数越多，其开关优越性越明显。这种优越性体现在，扩展了TRX的频带范围，使其能更容易覆盖多模无线通信下各个工作频率，提高了各射频端口的隔离度，同时也改善了TRX的线性度。
图4示出了本发明的一个具体实施例，以单刀十二掷射频天线开关模块为例。本实施例所述的多模射频天线开关401具有12路射频信号发射/接收端口，对应12条信号通道，其中两路为GSM网络信号发射通道，包括低频段的GSM_TX和高频段的DCS_TX，其余10路（TRX1～TRX10）为UMTS/LTE信号发射/接收端。每一路信号的端口对应设置一个节点开关单元403、404、405等，并在其中10路（TRX1～TRX10）的每个端口处还设置一耦合接地的隔离开关单元407等。GSM低频发射信号GSM_TX和高频发射信号DCS_TX通常工作在高功率模式下，故在射频天线开关中还带有滤除高阶谐波的低通滤波器（如图1的103，104所示），所述低通滤波器可以在整个电路的封装基板上实现也可以在开关单元上实现，原则上应使其对应电路的结构越简单越好。本实施例将整个单刀十二掷射频天线开关401的拓扑结构分成五个部分：GSM网络的低频通道和高频通道分别直接作为一掷与单刀连接（单刀另一端连接天线402），通道中仅有节点开关单元403、404而不设置支路开关单元；剩余的十条UMTS/LTE_TRX通道，根据前述分析，可以灵活地将其分成三个支路，各个支路分别通过支路开关单元406等作为一掷与单刀连接。在图4中，前两个支路由三条UMTS/LTE_TRX通道并联而成，最后一支路由四条UMTS/LTE_TRX通道并联而成，每个通道中各设置有一个节点开关单元405。控制单元具有四个控制信号端口Vc1、Vc2、Vc3、Vc4，所述四个控制信号端口可以根据不同的逻辑组态控制所述12路射频信号中的哪一路的节点开关单元及其对应的支路开关单元处于导通状态。
图4中每个开关单元图示为一个MOS管，在更优选的实施例中，开关单元可以多个由电阻和NMOS器件叠层串接而成，比如图5中所示的，由5个NMOS管和5个分别串联在该NMOS管栅极的电阻叠层组成。实际上射频天线开关实现中采用的电阻和NMOS器件数目需要根据电路的具体情况来设定，还需要考虑实际射频天线开关的具体掷数、各通道之间隔离度要求、每条通道的谐波功率抑制能力和线性指标等，针对不同的要求对它们进行相应的调整，在此不作出限定。
当射频信号GSM_TX发射时，如图6所示，此时，其他11路的信号通道处于关断状态，只有GSM_TX所在节点开关单元及其对应的支路开关单元才保持闭合状态实现与天线602的连接从而完成无线网络交换。射频天线602到地的寄生电容主要由支路开关单元的关断电容如604等、断开的各个节点开关单元的关断电容如605等、以及靠近每个UMTS/LTE_TRX信号输入端的隔离开关单元形成的电容如606等共同作用决定的。不难看出，由于上述电容形成串联（604串联605再串联606后接地），大大降低了射频天线602到地的寄生电容。寄生电容的降低，减小了GSM_TX插入损耗。
此外，多模射频天线开关中的两个滤去高阶谐波的低通滤波器（如图1中的103、104）既可以在电路的基板上实现，也可以完全在开关单元的管芯上实现，低通滤波器既可以用Pi形网络也可以用T形网络实现。不论用哪种方式实现，都要求低通滤波器具备较低插入损耗的特性，这就意味要在基板或者管芯上设计实现高品质因数的电感、电容、电阻或其他电器元件。在基板和管芯上实现高品质因数的电感往往需要特殊的设计方案，还要考虑电感的面积，空间布局，电感元件间电磁感应等等。采用树形拓扑结构的射频天线开关，降低了射频天线到地的寄生电容，减小了GSM低频发射和高频发射插入损耗，这对于多模射频天线开关中的两路GSM发射来说，可以有效缓解低通滤波器的设计难度，也有助于减小整个射频天线模块的尺寸，提高了GSM_TX和DCS_TX的谐波功率抑制能力，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。
另一方面，由于支路开关单元形成的关断电容604等的作用，也大大提高了GSM_TX和各个UMTS/LTE_TRX之间的隔离度。当DCS_TX导通时，情况类似于上述的GSM_TX工作时的情形，在此不再做详述。
当其中一路UMTS/LTE_TRX通道导通时，例如UMTS/LTE_TRX1导通时，如图7所示，相比GSM_TX导通时，由于原先在UMTS/LTE_TRX1通道产生关断电容的开关单元现在处于导通状态，使得从射频天线端口702看进去，整个射频天线开关701相当于一个单刀六掷的开关。此时的射频天线702到地的寄生电容由断开的支路开关单元形成的关断电容如705等、各个断开的节点开关单元形成的关断电容如703、704、707、708等以及每个UMTS/LTE_TRX输入端的隔离开关单元形成的电容如706、709、710等共同作用决定的，这些个寄生电容要比GSM_TX导通时的射频天线到地的寄生电容略大，但仍比现有技术的方案要小很多。
因此，采用本发明的优化配置可以大大降低射频天线到地的寄生电容，有利于减小导通管子的插入损耗，拓展频带范围，提高各个端口之间的隔离度；同时也改善了UMTS/LTE_TRX发射接收支路谐波功率抑制能力、IMD2和IMD3的线性指标。由于采用了树形拓扑结构，在版图布局时，也能缩小管芯的尺寸。射频天线开关内部集成了逻辑控制器，用来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的射频通路。
本发明所提出的技术方案，可以应用于各种不同的无线通信标准的手持终端，如GSM，CDMA，WCDMA，TDCDMA，LTE等，并且可以很容易地扩展到单刀十二掷开关以外的应用，如向下可以扩展到单刀六掷、单刀八掷、单刀十掷，向上扩展到单刀十四掷、单刀十六掷等等。本发明所设计的射频天线开关模块，采用树形拓扑结构，不仅具有较宽的频带范围，也能够有效减小射频天线到地的寄生电容，提供电路的线性度。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种多模射频天线开关，其特征在于，所述多模射频天线开关包括：一个干路开关单元、至少一个支路开关单元和至少一个节点开关单元；其中，
全部开关单元形成树形拓扑结构，每一节点开关单元连接一个发射/接收端口；以及，
由至少两个节点开关单元并联而成的至少一个支路，每一支路设有一支路开关单元；所述干路开关单元一端连接射频天线、另一端与各支路开关单元以单刀多掷方式连接；
所述开关单元为由多个栅极串联有电阻的NMOS管叠层串接而成的器件。
2.如权利要求1所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述多模射频天线开关还包括：控制单元和电源单元；其中，
控制单元用于控制射频信号在所述开关单元间进行信号传输通道的选择或切换，电源单元给整个多模射频天线开关进行供电。
3.如权利要求1所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述多模射频天线开关中，在靠近每一个所述发射/接收端口处还各设有一个耦合接地的隔离开关单元。
4.如权利要求1-3中任一项所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述开关单元为MOS管。
5.如权利要求1所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述发射/接收端口传输的网络信号包括GSM网络信号、UMTS网络信号和LTE网络信号。
6.如权利要求5所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述GSM网络信号包括低频段的GSM_TX网络信号和高频段的DCS_TX网络信号；所述UMTS网络信号和所述LTE网络信号共用所述发射/接收端口。
7.如权利要求6所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述GSM_TX网络信号和所述DCS_TX网络信号相对应的发射/接收端口还设有低通滤波器。
8.如权利要求2所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述控制单元包括四个控制信号端口，所述四个控制信号端口根据不同的逻辑组态控制某一发射/接收端口对应的所述节点开关单元及其相应的支路开关单元处于导通状态。
9.如权利要求1所述的多模射频天线开关，其特征在于，所述节点开关单元为六个以上。
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