CN103825571B - 实现阻抗匹配的射频天线开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种实现阻抗匹配的射频天线开关模块，包括管芯、模块输出端口、接地端以及至少一个模块输入端口；其中，所述管芯具有多个与所述模块输入端口一一连接的管芯输入端口，以及一个与所述模块输出端口连接的管芯输出端口；在所述管芯输出端口与所述接地端之间还连接有由电感性元件和电容性元件组成的串联谐振电路。与现有技术相比，本发明采用片内集成技术，仅用片内电容和键合线，使得射频天线开关实现阻抗匹配，且插入损耗特性较低，也具有较小的封装尺寸，制造成本较低，易于实现，能够使射频天线开关多掷数、高频率、高性能的工作。

Description

实现阻抗匹配的射频天线开关电路

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种实现阻抗匹配的射频天线开关电路。

背景技术

无线通信技术正朝着大数据、大容量、更高速的方向发展，其工作频段覆盖了从700MHz到5800MHz的范围，应用于LTE-A(Long Term Evolution-Advanced，以OFDM为核心的4G技术)、WLAN(Wireless Local Area network，以802.11a/b/g/n协议为基准的双波段无线局域网技术)、Wimax(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)以及WHDI(Wireless Home Digital Interface，无线家庭数字接口)等。而更宽的带宽和更高的工作频率，对发射机尤其对射频天线开关的要求更高。

对于移动终端的应用，为了支持MMMB(Multi-Mode Multi-Band，多模多频)技术、MIMO技术(Multi-Input Multi-Output，多输入多输出)以及CA(Carrier Aggregation，载波聚合)技术等，天线一般需要配置单刀八掷、单刀十二掷、甚至双刀十四掷开关，其工作频段涵盖了Band1到Band43。对于无线连接的应用，例如双波段的无线局域网WLAN，一般需要2.4GHz频段和5.8GHz频段的单刀双掷、单刀三掷、甚至双刀五掷的高性能天线开关。但对于射频天线来说，掷数越多，其天线端的寄生电容越大，导致其高频性能越差；频率越高，其键合线的电感效应越明显，掷数越多的高频天线开关越难实现。高频性能的恶化主要就是插入损耗的恶化，插入损耗的恶化直接导致功率放大器的效率低。射频天线开关的工作频率、带宽和开关的掷数是互相矛盾的，不论多掷数天线开关还是高频(>5GHz)天线开关，都需要阻抗匹配电路实现其高性能。

目前现有技术中实现阻抗匹配的解决方案有片外匹配和片内匹配两种：其中片外匹配，需要在芯片外的印刷板上贴装SMD的电感和电容。以村田制作所尺寸0402的0.5pF电容和1nH的电感为例，其电容误差是±50％，电感误差是±30％；这样的误差导致高频阻抗匹配点不容易控制以及成本的增加。片内匹配可以将SMD电感和电容器件贴装在芯片基板上，但这造成整个芯片的封装尺寸较厚，以及回流焊工艺的成本提高。此外IPD也可以作为阻抗匹配电路，但其不利于电路的集成，并且成本较高。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是如何以较高的集成度实现射频天线中的阻抗匹配。

为解决上述问题，本发明提供了一种实现阻抗匹配的射频天线开关电路，包括：管芯、模块输出端口、接地端以及至少一个模块输入端口；其中，所述管芯具有多个与所述模块输入端口一一连接的管芯输入端口，以及一个与所述模块输出端口连接的管芯输出端口；在所述管芯输出端口与所述接地端之间还连接有由电感性元件和电容性元件组成的串联谐振电路。

优选地，所述模块输入端口与管芯输入端口之间通过电感性元件相连，所述模块输出端口与所述管芯输出端口之间通过电感性元件相连。

优选地，所述电感性元件为键合线或封装基板上的金属走线。

优选地，所述电容性元件为MIM电容或MOM电容。

优选地，所述管芯输入端口与所述管芯输出端口之间由射频开关控制选通。

优选地，所述射频开关由多个N沟道或P沟道的FET器件层叠串联形成。

优选地，所述射频开关为单刀多掷开关、双刀多掷开关或三刀多掷开关。

优选地，所述射频天线开关电路采用模块化方式片内集成。

优选地，所述射频天线开关模块应用于50欧姆的射频系统或75欧姆的控制系统。

与现有技术相比，本发明所提供的一种实现阻抗匹配的射频天线开关模块，采用片内集成技术，仅用片内电容和键合线，使得射频天线开关实现阻抗匹配，且插入损耗特性较低，也具有较小的封装尺寸，制造成本较低，易于实现，能够使射频天线开关多掷数、高频率、高性能的工作。

附图说明

图1a是本发明的一个实施例中实现阻抗匹配的射频天线开关电路的模块布局示意图。

图1b是图1a的电路原理图。

图1c图1a的史密斯圆图上的阻抗匹配原理图。

图2本发明带有阻抗匹配电路的单刀双掷天线开关的实施例图。

图3本发明所述的串联叠层晶体管示意图。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

为了解决高频、多掷射频天线开关的插入损耗恶化的设计难题，本发明的技术方案提供了一种实现阻抗匹配的射频天线开关电路，该电路采用一种片内全集成的阻抗匹配方法，使输入输出端口的阻抗高频率点匹配到50欧姆或75欧姆，同时保持低频率点的阻抗匹配状态，从而降低整个频段的插入损耗。

如图1a所示，本发明的一个实施例中实现阻抗匹配的射频天线开关电路采用模块化方式集成，该射频天线开关电路模块107包括：管芯106、模块输出端口ANT以及至少一个模块输入端口RF1～RFn；其中，所述管芯106具有多个与所述模块输入端口RF1～RFn一一连接的管芯输入端口a～f，以及一个连接所述模块输出端口ANT的管芯输出端口b；在所述管芯输出端口b与接地端C之间还设有由电容性元件104和电感性元件105组成的串联谐振电路。所述模块输入端口与管芯输入端口之间，以及模块输出端口与管芯输出端口之间均通过电感性元件相连。其中，所述电容性元件104可以是普通的MIM(Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘体-金属电容)，也可以是MOM(Metal-Oxide-Metal，金属-氧化硅-金属电容)，电容精度基本可控制在±10％以内。所述电感性元件105优选采用为键合线，键合引线的作用主要是将一个封装器件或两个部分焊接好并导电，集成电路引线键合也是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，是最通用、最简单而有效的一种方式。在超大规模集成电路(VLSI)和甚大规模集成电路(ULSI)的芯片与外部引线的连接方法中，采用引线键合仍是芯片连接的主要技术手段，当然，所述电感性元件105也可以采用其他呈感性的元器件制成。

进一步如图1a所示，图中以单刀N(N>＝2)掷开关为例。该射频天线开关电路模块107上设有管芯106、多个模块输入端口RF1、RF2～RFn-1、RFn(n>＝2)、一个模块输出端口ANT以及一个接地(GND)端C；其中，所述管芯106为集成有多个电子元件组成的芯片；所述管芯的多个输入端口a、d...e、f与管芯输出端口b之间由射频开关控制。

配合参照图1b，图1b为图1a对应的阻抗匹配电路的原理示意图。当第一模块输入端口RF1导通时，其导通支路等效为电阻102，其他关断通路形成等效电容113，此等效电容113与开关掷数成正比，且并联在管芯106的天线端口b。阻抗匹配一般有T型网络和Pi型网络，T型滤波器适用于信号源内阻和负载电阻比较小(如低于50Ω)的情况，Pi型滤波器适用于信号源内阻和负载电阻都比较高的情况。本实施例采用T型网络，如图1b所示。由于射频天线开关可以简单看成一个互易网络，匹配电路加在输入还是输出都不影响其结果。对于多掷的天线开关，如果匹配电路加在管芯106的输入a处，为了使得多掷开关的每一掷都支持高频应用，管芯106的输入d、e以及f等每一处必须设计相同的匹配电路，这无疑会增加整个天线开关的设计难度，管芯的面积也会大大增加。本发明仅在管芯106输出b处设计匹配电路，减小了封装的尺寸，也能降低插入损耗。

需要说明的是，上述对本发明的构思是以单刀N掷天线开关为例，实际射频天线开关的样式取决于具体射频系统应用，例如采用MIMO技术和CA技术的射频系统一般采用双刀N掷，甚至多刀N掷的天线开关，在此不作任何限定。

本发明采用的阻抗匹配技术仅利用管芯输入a到端口A的键合线101，输出b到端口B的键合线103，以及并联在管芯的输出b的匹配电容104和匹配电容104到地C的键合线105。这些键合线101、103、105和匹配电容104组成了本发明所提出的阻抗匹配网络。

配合参照图1c，在一个50欧姆的系统中，由于键合线101呈电感性作用，随着频率的增加，从管芯的a端看进去，其输入阻抗沿着史密斯阻抗圆图，从O点转到P点，输入阻抗呈现增加的趋势，如电感阻抗公式Zp＝jwL所描述，Zp代表P点的阻抗，w是其角频率，L是键合线101所代表的电感值。匹配电容104和键合线105形成一个LC串联谐振电路，通过调节其电容值和电感值，使其谐振频率远远高于工作频率。由LC串联谐振电路的特性可知，在谐振频率以下，LC串联谐振呈现容性电抗。综上，104和105的作用，相当于在天线到地之间并联电容，因此其容性电抗沿着111由P转到Q。由阻抗匹配理论可知，在b点串联电感可以使得Q点阻抗匹配到O点，这正是键合线103的作用。由O点，P点和Q点所组成的环路，本质上是一个带阻抗匹配电路的单刀单掷天线开关，P点决定其所能工作的最高频率fmax。随着开关掷数N不断增加，意味着天线到地的寄生电容113的增加，在保持最高工作频率fmax不变的前提下，导致天线的阻抗沿着111由P点转到Q点，如一系列阻抗的频率响应线115，116，117，118，119所示。当天线开关掷数N增加到一定程度，天线的阻抗会转到112以外，这样给阻抗匹配造成了难度。当天线开关掷数N继续增加，其能工作的最高频率fmax也随之下降，如114所示。

需要说明的是，前文所述的图1a的封装管脚布局仅作为示例，而不是对于本发明的限制，实际射频天线开关的管脚布局要根据应用的具体情况来设定，例如在具体实现中还需要考虑到开关的具体掷数，各支路的隔离度，线性度，谐波控制能力等等。

如图2所示，图2为本发明带有阻抗匹配电路的单刀双掷天线开关的电路图的一个具体实施例。需要说明的是，此实施方案所述的开关支路202，204，206，212仅作为示例，而不是对于本发明的限制，这些支路开关是由串联叠层晶体管组成的。如图3所示，为五个N沟道的FET器件的叠层串联实现的支路。实际射频天线开关实现中采用的管子叠层串联数目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根据射频天线开关的具体掷数，各支路之间隔离度要求，每条支路的谐波功率控制能力和线性指标而进行调整。一个具体实施例单刀双掷射频天线开关，如图2所示，一个单刀双掷的天线开关模块212，管芯211，模块输入端口RF1，RF2，模块输出端口ANT，RF1导通，RF2关断。其匹配网络由键合线201，203，210和匹配电容209组成，其寄生电容主要是由204和212产生。由于单刀双掷开关本身的特点，天线到地的寄生电容相对较小，其最高工作频率相对较高，如图1c中的115的阻抗点R所示。在键合线201，导通电阻202和寄生电容113的组合作用下，使得天线阻抗从O点转到R点，因匹配电容209和键合线210的作用，使得天线阻抗从R点匹配到Q点，最后在键合线203的作用下匹配到50欧姆。对于倒扣封装的天线开关，基板上的金属走线取代了键合线。

本发明所提出的技术方案，可以应用于各种掷数的射频天线开关且可以很容易地扩展到单刀多掷开关和双刀多掷，甚至到三刀多掷的应用。可以应用在50欧姆的射频系统，也很容易扩展到75欧姆的射频系统中。

与现有技术相比，本发明所述的一种实现阻抗匹配的射频天线开关模块，仅利用片内电容和键合线，使得射频天线开关实现阻抗匹配功能，且降低插入损耗，集成度高，具有较小的封装尺寸。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种实现阻抗匹配的射频天线开关电路，其特征在于，所述射频天线开关工作频段覆盖700MHz到5800MHz的范围，

所述射频天线开关电路包括：管芯、模块输出端口、接地端以及至少一个模块输入端口；其中，

所述管芯具有多个与所述模块输入端口一一连接的管芯输入端口，以及一个与所述模块输出端口连接的管芯输出端口；

所述模块输入端口与管芯输入端口之间通过电感性元件相连，所述模块输出端口与所述管芯输出端口之间通过电感性元件相连；

在所述管芯输出端口与所述接地端之间还连接有由电感性元件和电容性元件组成的串联谐振电路；

所述电感性元件为键合线或封装基板上的金属走线。

2.如权利要求1所述的射频天线开关电路，其特征在于，所述电容性元件为MIM电容或MOM电容。

3.如权利要求1所述的射频天线开关电路，其特征在于，所述管芯输入端口与所述管芯输出端口之间由射频开关控制选通。

4.如权利要求3所述的射频天线开关电路，其特征在于，所述射频开关由多个N沟道或P沟道的FET器件层叠串联形成。

5.如权利要求4所述的射频天线开关电路，其特征在于，所述射频开关为单刀多掷开关、双刀多掷开关或三刀多掷开关。

6.如权利要求1-5中任一项所述的射频天线开关电路，其特征在于，所述射频天线开关电路采用模块化方式片内集成。

7.如权利要求1-5中任一所述的射频天线开关电路，其特征在于，所述射频天线开关模块应用于50欧姆的射频系统或75欧姆的控制系统。