CN104081672B - 组合的定向耦合器和阻抗匹配电路 - Google Patents

组合的定向耦合器和阻抗匹配电路 Download PDF

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Abstract

公开了带有集成定向耦合器和阻抗匹配电路的输出电路。在一示例性设计中，装置包括开关共用器和输出电路。该开关共用器耦合到至少一个功率放大器。该输出电路耦合到该开关共用器和负载(例如，天线)并包括共享至少一个电感器的定向耦合器和阻抗匹配电路。该输出电路对该负载执行阻抗匹配。该输出电路还用作定向耦合器并将输入射频(RF)信号提供成输出RF信号，并且还将该输入RF信号的一部分耦合成经耦合的RF信号。将该至少一个电感器重用于定向耦合器和匹配阻抗电路两者可减少无线设备的电路系统、尺寸和成本，并且还可改善性能。

Description

组合的定向耦合器和阻抗匹配电路
背景
领域
本公开一般涉及电子器件，尤其涉及无线设备。
背景
无线设备(例如，蜂窝电话或智能电话)可包括耦合到天线以支持双向通信的发射机和接收机。对于数据传送而言，发射机可用数据来调制射频(RF)载波信号以获得经调制RF信号，放大经调制RF信号以获得具有适当输出功率电平的输出RF信号，并将该输出RF信号经由天线传送给基站。对于数据接收而言，接收机可经由天线获得收到RF信号并可调理和处理收到RF信号以恢复由基站发送的数据。
无线设备可包括耦合到一个或更多个天线的一个或更多个发射机和一个或更多个接收机。期望实现在减少电路系统和成本的同时达成良好性能的发射机和接收机。
附图简要描述
图1示出能够与不同无线通信系统通信的无线设备。
图2示出无线设备的框图。
图3示出收发机的框图。
图4A、4B和4C示出带有包含集成/组合的定向耦合器和阻抗匹配电路的3端口输出电路的收发机的三种示例性设计。
图5A、5B和5C示出带有4端口输出电路的收发机的三种示例性设计。
图6示出带有连接在菊花链中的多个输出电路的无线设备。
图7示出带有连接在菊花链中的两个输出电路的无线设备。
图8A和8B示出输出电路的堆叠和并排电感器。
图9示出用于执行阻抗匹配和定向耦合的过程。
详细描述
以下阐述的详细描述旨在作为本公开的示例性设计的描述，而无意表示可在其中实践本公开的仅有设计。术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何设计不必被解释为优于或胜过其他设计。本详细描述包括具体细节以提供对本公开的示例性设计的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，没有这些具体细节也可实践本文描述的示例性设计。在一些实例中，公知的结构和器件以框图形式示出以免湮没本文中给出的示例性设计的新颖性。
在本文中描述包括具有集成/组合的定向耦合器和阻抗匹配电路的输出电路的无线设备。定向耦合器是在第一端口处接收输入信号、向第二端口传递该输入信号的大部分并将该输入信号的一部分耦合到第三端口的电路。该定向耦合器还可在该第二端口处接收经反射信号并将经反射信号的一部分耦合到第四端口。阻抗匹配电路是将第一电路(例如，放大器)的输出阻抗匹配到第二电路(例如，天线)的输入阻抗的电路。阻抗匹配电路还可称为匹配电路、调谐电路等。集成/组合的定向耦合器和阻抗匹配电路可减少电路系统、尺寸和成本，并且还可改善无线设备的性能。
图1示出能够与不同无线通信系统120和122通信的无线设备110。无线系统120和122各自可以是码分多址(CDMA)系统、全球移动通信系统(GSM)系统、长期演进(LTE)系统、无线局域网(WLAN)系统、或某一其他无线系统。CDMA系统可实现宽带CDMA(WCDMA)、CDMA2000、或某一其他版本的CDMA。出于简化起见，图1示出了无线系统120包括一个基站130和一个系统控制器140，而无线系统122包括一个基站132和一个系统控制器142。一般而言，每个无线系统可包括任何数目的基站以及任何网络实体集合。
无线设备110还可称为用户装备(UE)、移动站、终端、接入终端、订户单元、站等。无线设备110可以是蜂窝电话、智能电话、平板计算机、无线调制解调器、个人数字助手(PDA)、手持设备、膝上型计算机、智能本、上网本、无绳电话、无线本地回路(WLL)站、蓝牙设备等。无线设备110可能够与无线系统120和/或122通信。无线设备110还可以能够从广播站(例如，广播站134)接收信号。无线设备110还可以能够从一个或更多个全球导航卫星系统(GNSS)中的卫星(例如，卫星150)接收信号。无线设备110可支持用于诸如LTE、CDMA2000、WCDMA、GSM、802.11等的无线通信的一种或更多种无线电技术。
图2示出图1中的无线设备110的示例性设计的框图。在该示例性设计中，无线设备110包括数据处理器/控制器210、耦合到主天线290a的两个收发机220a和220b、以及耦合到副/分集天线290b的接收机222。收发机220a支持高频频带(或高频带)，收发机220b支持低频频带(或低频带)，并且接收机222支持接收分集。一般而言，无线设备可包括任何数目的收发机、任何数目的接收机和任何数目的天线。多个收发机可用来支持不同频带、不同无线电技术、多输入多输出(MIMO)、发射和/或接收分集、载波聚集等。
在图2中示出的示例性设计中,收发机220a包括两个发射机230a和230b以及两个接收机260a和260b。收发机220b包括两个发射机230c和230d以及两个接收机260c和260d。接收机222包括两个接收机260e和260f。一般而言，收发机可包括任何数目的发射机和任何数目的接收机以支持任何数目的频带上的无线通信、任何数目的无线电技术等。任何数目的接收机还可用来支持不同频带、不同无线电技术等。
在图2中示出的示例性设计中，在收发机220a之内，发射机230a包括发射电路232a和功率放大器(PA)234a。接收机260a包括低噪声放大器(LNA)264a和接收电路266a。发射机230b包括发射电路232b、PA 234b和双工器236a。接收机260b包括双工器236a、LNA 264b和接收电路266b。开关共用器240a耦合到PA 234a、LNA 264a和双工器236a并且还耦合到天线290a。开关共用器还可称为天线开关模块(ASM)、开关模块、开关等。
在收发机220b之内，发射机230c包括发射电路232c和PA 234c，接收机260c包括LNA 264c和接收电路266c，发射机230d包括发射电路232d、PA 234d和双工器236b，并且接收机260d包括双工器236b、LNA 264d和接收电路266d。开关共用器240b耦合到PA 234c、LNA264c和双工器236b并且还耦合到天线290a。
在接收机222之内，接收机260e包括LNA 264e和接收电路266e，并且接收机260f包括LNA 264f和接收电路266f。开关共用器240c耦合到LNA 264e和264f并且还耦合到天线290b。
对于数据传送而言，数据处理器210处理(例如，编码和调制)要传送的数据并向所选择的发射机提供模拟输出信号。以下描述假设发射机230b是所选择的发射机。在发射机230b之内，发射电路232b对模拟输出信号进行放大、滤波并使模拟输出信号从基带上变频到RF，并提供经调制RF信号。发射电路232b可包括放大器、滤波器、混频器、振荡器、本地振荡(LO)发生器、锁相环(PLL)等。PA 234b接收和放大经调制RF信号并提供具有适当输出功率电平的经放大RF信号。经放大RF信号被传递通过双工器236a，进一步路由通过开关共用器240a并经由天线290a传送。双工器236a包括发射滤波器和接收滤波器。发射滤波器可对来自PA 234b的经放大RF信号进行滤波以使发射频带中的期望信号分量通过并使接收频带中的不期望信号分量衰减。
对于数据接收而言，天线290a接收来自基站和/或其他发射机站的信号并提供收到RF信号，该收到RF信号被路由通过开关共用器240a并提供给所选择的接收机。以下描述假设接收机260b是所选择的接收机。在接收机260b之内，双工器236a内的接收滤波器对收到RF信号进行滤波以使接收频带中的期望信号分量通过并使发射频带中的不期望信号分量衰减。LNA 264b放大来自双工器236a的经滤波RF信号并提供接收机输入RF信号。接收电路266b对接收机RF输入信号进行放大、滤波并使接收机RF输入信号从RF下变频到基带，并向数据处理器210提供模拟输入信号。接收电路266b可包括放大器、滤波器、混频器、振荡器、LO发生器、PLL等。
图2示出发射机230和接收机260的示例性设计。发射机和接收机还可包括图2中未示出的其他电路，诸如滤波器、阻抗匹配电路等。收发机220a和220b和接收机222中的全部或一部分可在一个或更多个模拟集成电路(IC)、射频集成电路(RFIC)、混合信号集成电路等上实现。例如，发射电路232、PA 234、LNA 264和接收电路266可在RFIC上实现。PA 234和可能的其他电路还可在分开的IC或模块上实现。
数据处理器/控制器210可执行无线设备110的各种功能。例如，数据处理器210可对正经由发射机230传送和经由接收机260接收的数据执行处理。控制器210可控制发射电路232、接收电路266、开关共用器240等的操作。存储器212可存储用于数据处理器/控制器210的代码和数据。数据处理器/控制器210可实现在一个或更多个专用集成电路(ASIC)和/或其他IC上。
如图2所示,开关共用器可耦合在天线和诸如PA、双工器等的其他电路之间。开关共用器可包括可用半导体晶体管(诸如金属氧化物半导体(MOS)晶体管)实现的开关。例如，由于用来实现开关的MOS晶体管的寄生电容，开关共用器可表现出电容性。电容性开关共用器可使性能降级。
图3示出具有用于减缓电容性开关共用器的效应的阻抗匹配的收发机320的一部分的示例性设计。收发机320包括耦合到开关共用器340的PA 334和双工器336。开关共用器340包括耦合在PA 334和节点X之间的开关342a、耦合在双工器336和节点X之间的开关342k和可能的附加开关。收发机320还可包括为简单起见未在图3中示出的耦合到开关共用器340的附加PA、双工器、LNA等。
节点X是开关共用器340的输出。阻抗匹配电路350耦合到开关共用器340的输出并包括电感器360。电感器360耦合在匹配电路350的输入和输出之间并与开关共用器340串联。电容器可耦合在匹配电路350的输出和电路接地之间(未在图3中示出)。定向耦合器370耦合在匹配电路350和天线390之间。
开关共用器340可包括耦合到其输入的用于每个PA和每个双工器的开关，并可表现出电容性。串联电感器360耦合在开关共用器340和天线390之间并用来匹配开关共用器340的阻抗。经改善的阻抗匹配可减少开关共用器340的插入损耗。匹配电路350还可充当用于来自PA 334的经放大RF信号的低通滤波器。定向耦合器370置于开关共用器340和天线390之间并用来检测端口1处的输入RF信号的入射功率，该输入RF信号可包括(i)在PA 334被启用并且所有其他PA被禁用时由PA 334提供给天线390的经放大RF信号和/或(ii)来自连接到开关共用器340的其他源的其他信号。如图3所示，某些优点可通过将定向耦合器370放置得更靠近天线390来获得。例如，将定向耦合器370放置得更靠近天线390可启用自校准，改善总辐射功率控制，和/或提供其他优点。
匹配电路350和定向耦合器370可增加从PA 334到天线390的发射路径的总插入损耗。具体而言，该总插入损耗可等于开关共用器340的损耗、匹配电路350的损耗(例如，电感器360的损耗)、定向耦合器370的损耗和这些电路之间的路由轨迹的损耗之和。匹配电路350和定向耦合器370还可增加收发机320的电路系统、尺寸和成本。
图4A示出带有包括集成/组合的定向耦合器452a和阻抗匹配电路454a的3端口输出电路450a的收发机420a的示例性设计。收发机420a包括耦合到开关共用器440的PA 434和双工器436。开关共用器440包括耦合在PA 434和节点X之间的开关442a、耦合在双工器436和节点X之间的开关442k和可能的附加开关。一般而言，开关共用器440可耦合到任何数目的PA、双工器和/或其他电路并可包括任何数目的开关。例如，开关共用器440可包括耦合到K个PA或K个PK、LNA、双工器等的组合的K个开关，其中K可以是大于1的任何整数值。
输出电路450a具有标示为端口1的第一/输入端口、标示为端口2的第二/输出端口和标示为端口3的第三/耦合端口。输出电路450a(i)使其端口1耦合到开关共用器440的节点X并接收输入RF信号，该输入RF信号可包括来自PA 434的经放大RF信号，(ii)使其端口2耦合到天线490并提供输出RF信号，并(iii)使其端口3提供经耦合的RF信号。输出电路450a包括定向耦合器452a，该定向耦合器452a(i)将来自端口1的输入RF信号的大部分耦合到端口2，(ii)将来自端口1的输入RF信号的小部分(例如，近似1/10的振幅比)耦合到端口3，(iii)将输入RF信号的更小部分(例如，近似1/100或更少的振幅比)耦合到内部电阻器，(iv)将由负载490反射的RF信号的小部分(例如，近似1/10的振幅比)耦合到内部电阻器，以及(v)将由负载490反射的RF信号的更小部分(例如，近似1/100或更少的振幅比)耦合到端口3。例如，定向耦合器452a可具有近似-0.1dB的S(2，1)、近似-20dB的S(3，1)、近似-40dB的S(4，1)、近似-40dB的S(3，2)和近似-20dB的S(4，2)，其中端口4是内部电阻器。输出电路450a还包括可减缓开关共用器440的电容性本质的阻抗匹配电路454a。输出电路450a可表现出向端口1看进去呈电感性以对抗电容性开关共用器440。
输出电路450a内的定向耦合器452a在端口1处具有S(1，1)的反射系数。该反射系数是经反射信号的振幅与入射信号的振幅之比。该反射系数是在端口1处测量的，其中其余端口2和3用可以是50欧姆、75欧姆或某个其他阻抗的参考阻抗来终接。例如，参考阻抗可以是天线490的阻抗。定向耦合器452a的端口1处的反射系数通常不接近于0，而是具有正虚部，从而输出电路450a表现出向端口1看进去呈电感性并可执行开关共用器440的阻抗匹配。在示例性设计中，输出电路450a被设计成在开关共用器440连接在端口1处的情况下，向端口2看进去的阻抗(其在图4A中标示为Z2)接近于目标工作频率处的参考阻抗。由此，输出电路450a可设计成使其端口2在工作频率处被良好地匹配。
如图4A所示，定向耦合器452a和阻抗匹配电路454a可集成/组合在输出电路450a中。阻抗匹配电路454a可包括电感器以改善开关共用器440的阻抗匹配。集成将使定向耦合器452a能够重用阻抗匹配电路454a中的电感器，从而这两个电路可共享同一电感器。集成可减少无线设备的电路系统、尺寸和成本，并还可改善性能。输出电路450a可位于开关共用器440和天线490之间，并可执行开关共用器440的阻抗匹配和用于检测入射功率的定向耦合两者。
一般而言，定向耦合器452a和阻抗匹配电路454a可共享一个或更多个电感器。(诸)共享的电感器通过图4A中的定向耦合器452a的矩形框与阻抗匹配电路454a的矩形框部分交叠来表示。在一个示例性设计中，定向耦合器452a可包括不是阻抗匹配电路454a的一部分的一个或更多个电路组件，其由图4A中的定向耦合器452a的矩形框的在阻抗匹配电路454a的矩形框外部的部分表示。类似地，阻抗匹配电路454a可包括不是定向耦合器452a的一部分的一个或更多个电路组件，其由图4A中的阻抗匹配电路454a的矩形框的在定向耦合器452a的矩形框外部的部分表示。在另一设计中，定向耦合器452a包括阻抗匹配电路454a的所有电路组件，其可通过阻抗匹配电路的矩形框完全在定向耦合器的矩形框之内来表示(未在图4A中示出)。
图4B示出3端口输出电路450b的示意图，其是图4A中的输出电路450a的示例性设计。输出电路450b包括共享电感器460的定向耦合器452b和阻抗匹配电路454b。在输出电路450b之内，电感器460耦合在端口1和端口2之间，并且电感器462耦合在端口3和节点Y之间。电容器464耦合在端口1和端口3之间，并且电容器466耦合在端口2和节点Y之间。电阻器468耦合在节点Y和电路接地之间。
在图4B中示出的示例性设计中，定向耦合器452b用两个电感器460和462、两个电容器464和466以及一个电阻器468来实现。阻抗匹配电路454b用与图3中的匹配电感器360相对应的电感器460来实现。电感器460被重用以实现定向耦合器452b和阻抗匹配电路454b两者。电感器462与电感器460磁耦合。如下所述，电感器460和462可在IC或电路板上的两层上实现或并排地实现以减小空间。
图4C示出3端口输出电路450c的示意图，其是图4A中的输出电路450a的另一示例性设计。输出电路450c包括共享电感器460的定向耦合器452c和阻抗匹配电路454c。输出电路450c包括如以上图4B所述地耦合的电感器460和462，电容器464和466以及电阻器468。输出电路450c还包括耦合在端口1和电路接地之间的电容器470、耦合在端口2和电路接地之间的电容器472、耦合在端口3和电路接地之间的电容器474以及耦合在节点Y和电路接地之间的电容器476。
在图4C中示出的示例性设计中,定向耦合器452c用两个电感器460和462、6个电容器464、466、470、472、474和476以及一个电阻器468来实现。阻抗匹配电路454c用电感器460和两个电容器470和472来实现。电感器460被重用以实现定向耦合器452c和阻抗匹配电路454c两者。
在图4C中示出的示例性设计中，一分流电容器耦合在输出电路450c的每个端口和电路接地之间，并且一分流电容器耦合在节点Y和电路接地之间。一般而言，一个或更多个分流电容器可连接到输出电路450c的一个或更多个端口和/或节点Y。分流电容器与电感器460一起可改善开关共用器440的阻抗匹配。电容器470和472和电感器460可减少阻抗匹配的带宽，例如，在于高频处仅用电感器460和电容器472达成不充分的衰减的情形中。电容器470可增加开关共用器440的电容，这可使匹配电路看上去像具有低截止频率的低通滤波器。在谐波频率处期望更多衰减时可以期望该低通滤波器。电容器474和476可改善端口3的S(3，3)传递函数和阻抗。电容器474和476可以在良好的电路接地在芯片上不可用并且电路接地具有某个大寄生电感时尤其有用。尤其在多个定向耦合器连接在菊花链中时，例如，在第一定向耦合器的端口4连接到第二定向耦合器的端口3的情况下，较好的S(3，3)可改善性能。分流电容器可提供其他优点。
在图4B和4C中示出的示例性设计中，定向耦合器包括阻抗匹配电路的所有电路组件。在另一示例性设计中，阻抗匹配电路可包括不是定向耦合器的一部分的一个或更多个电路组件。
图5A示出带有包括集成/组合的定向耦合器452d和阻抗匹配电路454d的4端口输出电路450d的收发机420d的示例性设计。输出电路450d具有标示为端口1的第一/输入端口、标示为端口2的第二/输出端口、标示为端口3的第三/耦合端口和标示为端口4的第四/隔离端口。输出电路450d使(i)其端口1耦合到开关共用器440的节点X并接收输入RF信号，该输入RF信号可包括来自PA 434的经放大RF信号，(ii)使其端口2耦合到天线490并提供输出RF信号，(iii)使其端口3提供经耦合的RF信号并(iv)使其端口4提供经反射RF信号。输出电路450d包括定向耦合器452d，该定向耦合器452d将来自端口1的输入RF信号的大部分耦合到端口2、将来自端口1的输入RF信号的小部分(例如，近似1/10的振幅比)耦合到端口3、以及将来自端口1的输入RF信号的更小部分(例如，近似1/100或更少的振幅比)耦合到端口4。定向耦合器452d还将来自端口2的因天线490引起的经反射信号的小部分(例如，近似1/10的振幅比)耦合到端口4，并且还将来自端口2的经反射信号的更小部分(例如，近似1/100或更少的振幅比)耦合到端口3。输出电路450d还包括可减缓开关共用器440的电容性本质的阻抗匹配电路454d。输出电路450d可表现出向端口1看进去呈电感性以对抗电容性开关共用器440。
在一示例性设计中，输出电路450d被设计成在开关共用器440连接在端口1处的情况下，在目标工作频率处测量时，端口2处的阻抗接近于参考阻抗。由此，输出电路450d可设计成使其端口2在工作频率处被良好地匹配。输出电路450d还可设计成表现出向端口1看进去呈电感性。
图5B示出4端口输出电路450e的示意图，其是图5A中的输出电路450d的示例性设计。输出电路450e包括共享电感器460的定向耦合器452e和阻抗匹配电路454e。在输出电路450e之内，电感器460耦合在端口1和端口2之间，并且电感器462耦合在端口3和端口4之间。电容器464耦合在端口1和端口3之间，并且电容器466耦合在端口2和端口4之间。
在图5B中示出的示例性设计中,定向耦合器452e用两个电感器460和462以及两个电容器464和466来实现。阻抗匹配电路454e用与图3中的匹配电感器360相对应的电感器460来实现。电感器460被重用以实现定向耦合器452e和阻抗匹配电路454e两者。电感器462与电感器460磁耦合。
图5C示出4端口输出电路450f的示意图，其是图5A中的输出电路450d的另一示例性设计。输出电路450f包括共享电感器460的定向耦合器452f和阻抗匹配电路454f。输出电路450f包括如以上图5B所述地耦合的电感器460和462以及电容器464和466。输出电路450f还包括耦合在端口1和电路接地之间的电容器470、耦合在端口2和电路接地之间的电容器472、耦合在端口3和电路接地之间的电容器474以及耦合在端口4和电路接地之间的电容器476。
在图5C中示出的示例性设计中,定向耦合器452f用两个电感器460和462以及6个电容器464、466、470、472、474和476来实现。阻抗匹配电路454f用电感器460和两个电容器470和472来实现。电感器460被重用以实现定向耦合器452f和阻抗匹配电路454f两者。
在图5C中示出的示例性设计中，分流电感器耦合在输出电路450f的每个端口和电路接地之间。一般而言，一个或更多个分流电容器可连接到输出电路450f的一个或更多个端口。分流电容器可改善开关共用器440的阻抗匹配和/或提供其他优点。
在图5B和5C中示出的示例性设计中，定向耦合器包括阻抗匹配电路的所有电路组件。在另一示例性设计中，阻抗匹配电路可包括不是定向耦合器的一部分的一个或更多个电路组件。
在一示例性设计中,如图4B、4C、5B和5C所示，输出电路可包括固定电容器。这些电容器的电容值可选择成提供目标工作频率处的良好性能。
在另一示例性设计中，输出电路可包括一个或更多个可调节电容器。例如，图4B、4C、5B和5C中的电容器464到476中的一个或更多个电容器可以是可调节的。可调节电容器可用具有可基于模拟控制电压来调节的电容的可变电容器(变容器)实现。可调节电容器还可用可被选择或不被选择成改变电容的一排电容器来实现。在任何情形中，输出电路中的(诸)可调节电容器可被改变以改善阻抗匹配并获得良好性能。例如，可针对不同频率和/或不同发射功率电平处的(诸)可调节电容器的不同设置表征输出电路的性能。提供每个感兴趣的频率和/或每个感兴趣的发射功率电平处的最佳性能的设置可存储在查找表中。表征可由计算机模拟、实验室测量、工厂测量、现场测量等执行。其后，可提供目标工作频率和/或目标发射功率电平处的良好性能的设置可从查找表获得并应用于输出电路。
图6示出带有连接在菊花链中的多个输出电路的无线设备600的示例性设计。在该示例性设计中，无线设备600包括N个收发机620a到620n，其中N可以是大于1的任何整数值。每个收发机620包括耦合到输出电路650的端口1的开关共用器640。每个输出电路650可基于以上描述或以其他方式描述的示例性设计中的任何一者来实现。在图6中示出的示例性设计中，收发机620a到620n以顺序布置，并且一个收发机620中的输出电路650的端口2耦合到顺序的下一收发机620中的输出电路650中的端口1。例如，收发机620a中的输出电路650a的端口2耦合到下一收发机620b中的输出电路650b的端口1。最后的收发机620n中的输出电路650n的端口2耦合到天线690。
如图6所示，多个收发机620a到620n的多个输出电路650a到650n可串联地耦合在菊花链中。菊花链连接可使一个或更多个输出电路650能够被重用于一个或更多个收发机620。给定收发机(例如，收发机620a)可经由一个以上的输出电路(例如，经由输出电路650a到650n)耦合到天线690。菊花链连接可允许功率放大器和双工器按频带或粗略频率范围(例如，低频带和高频带)来编组。输出电路的匹配电路可随后独立地设计用于每个频带或每组频带。例如，用于较高频率的电感器可比用于较低频率的电感器小。此外，定向耦合器可独立地设计用于每个频带或每组频带。例如，电感器460和462与较大电容器464和466之间较大的互电感可用来在低频带中获得与在高频带中的耦合因数相同的耦合因数(例如，20dB)。
图7示出带有两个收发机720a和720b以及连接在菊花链中的两个输出电路750a和750b的无线设备700的示例性设计。在该示例性设计中，收发机720a设计成用于低频带，而收发机720b设计成用于高频带。每个收发机720包括开关共用器740和输出电路750。每个开关共用器740可耦合到PA 734和/或其他电路。在图7中示出的示例性设计中，每个输出电路750用图4B中示出的3端口输出电路设计来实现并包括如以上图4B所述地耦合的两个电感器760和762、两个电容器764和766以及电阻器768。低频带收发机720a中的输出电路750a使其端口1耦合到开关共用器740a，使其端口2耦合到高频带收发机720b中的输出电路750b的端口1，并使其端口3提供低频带处的经耦合的RF信号。高频带收发机720b中的输出电路750b使其端口1耦合到开关共用器740b，使其端口2耦合到天线790，并使其端口3提供高频带处的经耦合的RF信号。
输出电路750a和750b内的电感器、电容器和电阻器可选择成分别提供用于低频带和高频带的良好性能。例如，电感器、电容器和电阻器可选择成在插入损耗、回波损耗、从端口1到端口2的方向性、从端口1到端口3的耦合、端口2处的目标阻抗(Z2)等方面获得良好性能。计算机模拟指示可容易地为每个电路750达成20分贝(dB)以上的良好方向性。
如上所述，输出电路可包括两个耦合电感器以实现定向耦合器和阻抗匹配电路。这两个电感器可以各种方式实现以获得期望电感和耦合。这两个电感器还可在IC、电路板等的一个或更多个导电层上制造。
图8A示出可在输出电路中使用的两个堆叠电感器812和814的示例性设计的俯视图。在该示例性设计中，电感器812和814制造在(例如，RFIC或电路模块的)两个导电层上。电感器812是用以螺旋模式布置在第一导电层上的第一导体来实现的。电感器814是用以螺旋模式布置在第二导电层上的第二导体来实现的。电感器814的导体与电感器812的导体交叠。在图8A中，电感器812是用交叉阴影线表示的，而电感器814是用黑色轮廓线表示的。
图8B示出也可在输出电路中使用的两个并排电感器822和824的示例性设计的俯视图。在该示例性设计中，电感器822和824制造在(例如，RFIC或电路模块的)单个导电层上。电感器822是用以螺旋模式布置在导电层上的第一导体来实现的。电感器824是用以螺旋模式布置在同一导电层上的第二导体来实现的。如图8B所示，电感器824的第二导体与电感器822的第一导体交织或交错。
图8A和8B示出输出电路的两个电感器的两种示例性设计。一般而言，输出电路中的两个电感器各自可用任何数目的匝数来实现。这两个电感器可具有相同或不同匝数。匝数、匝的直径、每个导体的宽度和高度、两个电感器的两个导体之间的间隔、和/或两个导体的其他属性可选择成获得每个电感器的期望电感和品质因数(Q)以及两个电感器之间的期望耦合系数。耦合系数可通过控制两个导体的放置和/或导体之间的距离来改变。
图8A和8B示出其中用螺旋模式来实现两个电感器的示例性设计。这两个电感器还可以其他方式(诸如用双螺线、锯齿形或某种其他模式)来实现。这两个电感器还可用各种导电材料来制造，诸如低损耗金属(例如，铜)、较大损耗金属(例如，铝)或某种其他材料。可为制造在低损耗金属层上的电感器达成较高的Q。较小尺寸的电感器可在有损耗的金属层上制造，因为可应用不同的IC设计规则。
图8A中的堆叠拓扑可允许两个电感器被制造在较小面积中，并还可导致每个电感器的两端之间的较好匹配。图8B中的并排拓扑可在存在有限数目的金属层时使用。实际的电感器实现可产生匝之间的寄生电容。该寄生电容可被吸收在电容器464和/或466中，这可随后减小电容器464和/或466的值或者可甚至允许电容器464和/或466被省略。
定向耦合器和阻抗匹配电路在单个输出电路中的集成可提供各种优点。首先，该集成使电感器能够被定向耦合器和阻抗匹配电路两者重用，这可减少电路系统、尺寸和成本并还可改善性能。其次，该集成允许定向耦合器与天线更靠近地放置，这可启用自校准，改善总辐射功率控制并提供其他优点。
在一示例性设计中，装置(例如，无线设备、IC、电路模块等)可包括输出电路，例如，如图4A到5C所示。在一示例性设计中，输出电路可耦合到可进一步耦合到至少一个PA的开关共用器。该输出电路可包括共享至少一个电感器的定向耦合器和阻抗匹配电路。例如，开关共用器可以是图4A中的开关共用器440，输出电路可以是输出电路450a，并且该至少一个PA可包括PA 434。定向耦合器可以是图4A中的定向耦合器452a，并且阻抗匹配电路可以是阻抗匹配电路454a。由定向耦合器和阻抗匹配电路共享的该至少一个电感器可包括图4B中的电感器460。输出电路可耦合在开关共用器和天线之间。
在一示例性设计中，输出电路可包括第一、第二和第三端口。第一端口可耦合到开关共用器并可接收输入RF信号。第二端口可耦合到负载并可提供输出RF信号。第三端口可提供包含输入RF信号的一部分的经耦合的RF信号。输出电路可还包括可提供经由第二端口接收到的经反射RF信号的第四端口。在一示例性设计中，负载可包括天线，并且输出电路可对开关共用器和天线进行阻抗匹配。
在一示例性设计中，输出电路可包括第一和第二电感器。第一电感器(例如，图4B中的电感器460)可耦合在输出电路的第一和第二端口之间，并可以是由定向耦合器和阻抗匹配电路共享的至少一个电感器之一。第二电感器(例如，图4B中的电感器462)可耦合到输出电路的第三端口，并可磁耦合到第一电感器。第一和第二电感器可在IC或电路板的两层上堆叠(例如，如图8A所示)或者在单层上并排地形成(例如，如图8B所示)。
输出电路还可包括第一和第二电容器。第一电容器(例如，图4B中的电容器464)可耦合在第一电感器的第一端子和第二电感器的第一端子之间。第二电容器(例如，图4B中的电容器466)可耦合在第一电感器的第二端子和第二电感器的第二端子之间。输出电路还可包括耦合在第一电感器的至少一个端子和/或第二电感器的至少一个端子与电路接地之间的至少一个电容器(例如，图4C中的电容器470、472、474和/或476)。在一示例性设计中，输出电路可包括固定电容器。在另一示例性设计中，输出电路可包括至少一个可调节电容器以例如基于无线设备的工作频率和/或发射功率电平来调节阻抗匹配。输出电路还可包括耦合在第二电感器的第二端子和电路接地之间的电阻器(例如，图4B中的电阻器468)。
在一示例性设计中，该装置还可包括第二输出电路。在一示例性设计中，第二输出电路可耦合到可进一步耦合到至少一个附加功率放大器的第二开关共用器。第二输出电路还可耦合到输出电路并可包括共享至少一个附加电感器的第二定向耦合器和第二阻抗匹配电路。例如，开关共用器可以是图7中的开关共用器740b，输出电路可以是输出电路750b，第二开关共用器可以是开关共用器740a，并且第二输出电路可以是输出电路750a。输出电路可包括耦合到开关共用器的第一端口和耦合到天线的第二端口。第二输出电路可包括耦合到第二开关共用器的第一端口和耦合到输出电路的第一端口的第二端口。该至少一个附加功率放大器(例如，图7中的PA734a)可经由第二开关共用器(例如，开关共用器740a)、第二输出电路(例如，输出电路750a)和输出电路(例如，输出电路750b)耦合到天线。
在一示例性设计中，该至少一个功率放大器、开关共用器和输出电路可以是用于高频带的，如图7所示。在一示例性设计中，该至少一个附加功率放大器、第二开关共用器和第二输出电路可以是用于低频带的，仍如图7所示。
图9示出由无线设备执行的过程900的示例性设计。负载(例如，天线)的阻抗可与包括用于阻抗匹配和定向耦合两者的至少一个电感器的输出电路相匹配(框912)。定向耦合可用该输出电路来执行以将输入RF信号提供为输出RF信号并将该输入RF信号的一部分耦合成经耦合的RF信号(框914)。从该负载接收到的经反射的RF信号可由该输出电路提供(框916)。
在一示例性设计中，框912中的阻抗匹配和框914中的定向耦合可用该输出电路在高频带处执行。该负载的阻抗可在低频带处与包括用于低频带处的阻抗匹配和定向耦合两者的至少一个附加电感器的第二输出电路相匹配。低频带处的定向耦合可用该第二输出电路来执行。在一示例性设计中，负载在低频带处的阻抗匹配可用串联耦合的输出电路和第二输出电路来执行，例如，如图7所示。
如本文中所述的带有集成/组合的定向耦合器和阻抗匹配电路的输出电路可在IC、模拟IC、RFIC、混合信号IC、ASIC、印刷电路板(PCB)、电子器件等上实现。输出电路还可用各种IC工艺技术来制造，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)、N沟道MOS(NMOS)、P沟道MOS(PMOS)、双极结型晶体管(BJT)、双极CMOS(BiCMOS)、硅锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)、异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、绝缘体上硅(SOI)等。
本文中描述的实现输出电路的装置可以是自立设备或可以是较大设备的一部分。设备可以是(i)自立IC、(ii)可包括用于存储数据和/或指令的存储器IC的一个或更多个IC的集合、(iii)诸如RF接收机(RFR)或RF发射机/接收机(RTR)之类的RFIC、(iv)诸如移动站调制解调器(MSM)之类的ASIC、(v)可嵌入在其他设备之内的模块、(vi)接收机、蜂窝电话、无线设备、手持机或移动单元、(vii)等。
在一个或多个示例性设计中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件、或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的，盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述组合应当也被包括在计算机可读介质的范围内。
提供对本公开的先前描述是为了使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中定义的普适原理可被应用于其他变形而不会脱离本公开的范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (18)

1.一种用于无线通信的装置，包括：
耦合至开关共用器的输出电路，所述输出电路包括定向耦合器和阻抗匹配电路，所述定向耦合器和所述阻抗匹配电路共享至少一个电感器以用于定向耦合和所述开关共用器的阻抗匹配两者，所述输出电路被配置成接收输入射频(RF)信号并且传达输出RF信号以及从耦合到所述输出电路的负载接收到的经反射的RF信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述开关共用器耦合到至少一个功率放大器和所述输出电路。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述输出电路耦合在所述开关共用器和天线之间。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出电路包括：
接收输入射频(RF)信号的第一端口；
提供输出RF信号的第二端口；以及
提供包括所述输入RF信号的一部分的经耦合的RF信号的第三端口。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输出电路还包括：
提供经由所述第二端口接收到的经反射的RF信号的第四端口。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输出电路表现出向所述第一端口看进去呈电感性。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输出电路对耦合到所述输出电路的所述第二端口的天线进行阻抗匹配。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出电路包括：
耦合在所述输出电路的第一端口和第二端口之间的第一电感器，所述第一电感器是由所述定向耦合器和所述阻抗匹配电路共享的所述至少一个电感器之一；以及
耦合到所述输出电路的第三端口并磁耦合到所述第一电感器的第二电感器。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述输出电路还包括：
耦合在所述第一电感器的第一端子和所述第二电感器的第一端子之间的第一电容器；以及
耦合在所述第一电感器的第二端子和所述第二电感器的第二端子之间的第二电容器。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述输出电路还包括：
耦合在所述第一电感器的至少一个端子或所述第二电感器的至少一个端子与电路接地之间的至少一个电容器。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述输出电路还包括：
耦合在所述第二电感器的端子和电路接地之间的电阻器。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出电路包括：
用于调节阻抗匹配的至少一个可调节电容器。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一和第二电感器堆叠在集成电路或电路板的两层上或者在所述集成电路或所述电路板的单个层上并排地形成。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第二输出电路，其耦合到所述输出电路并可包括共享至少一个附加电感器的第二定向耦合器和第二阻抗匹配电路。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述输出电路包括耦合到开关共用器的第一端口和耦合到天线的第二端口，并且所述第二输出电路包括耦合到第二开关共用器的第一端口和耦合到所述输出电路的所述第一端口的第二端口。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述开关共用器和所述输出电路是用于高频带的，并且其中所述第二开关共用器和所述第二输出电路是用于低频带的。
17.一种用于无线通信的方法，包括：
使用包括定向耦合器和阻抗匹配电路的输出电路来匹配开关共用器的阻抗，所述定向耦合器和所述阻抗匹配电路共享至少一个电感器；以及
用所述输出电路对输入射频(RF)信号进行定向耦合以将所述输入RF信号提供为输出RF信号，提供从负载接收到的经反射的RF信号，并将所述输入RF信号的一部分耦合成经耦合的RF信号。
18.一种用于无线通信的设备，包括：
用于匹配开关共用器的阻抗的装置；以及
用于定向耦合输入射频(RF)信号以将所述输入RF信号提供为输出RF信号，提供从耦合到所述用于匹配阻抗的装置和所述用于定向耦合的装置的负载接收到的经反射的RF信号，并将所述输入RF信号的一部分耦合成经耦合的RF信号的装置，所述用于匹配阻抗的装置和所述用于定向耦合的装置共享至少一个电感器。
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