CN104321929A - 通过硅上的开关电容器阵列实现的时变天线 - Google Patents

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Abstract

公开了一种时变天线，该时变天线使用硅中的开关电容器阵列以提高时变天线的性能和综合选项。考虑到板上天线和硅上开关电容器阵列之间的接口的寄生效应，将天线调整成对于这些效应进行补偿。相对于现有技术天线实现，开关电容器阵列提供高线性度、较低成本以及减小的尺寸。

Description

通过硅上的开关电容器阵列实现的时变天线
技术领域
本申请涉及天线，并且具体涉及在硅上实现的开关电容器阵列。
背景技术
在各种设备中使用天线将转换为无线电波的电流传送到同样具有天线的远程设备。出现许多类型的天线，但是每一类型具有用于辐射和接收电磁能量的金属表面。近来，甚至将天线嵌入到印刷电路板中。
通常，将天线设计成在特定频率范围内发送和接收信号。设计用于宽带使用的天线可能不一定适合窄带设备。尽管有这个限制，仍可调节一些天线在不同的应用下操作。
图1中描绘了具有现有技术天线44的简化系统100。将天线44连接到收发器40，收发器40将电信号转换为无线电波，使它们适合在空中传送。同样，收发器将所接收的无线电波转换为电信号。还将天线44连接到变容二极管46和波形发生器42。
波形发生器42驱动变容二极管46(可变电容器)，变容二极管46调节天线44的属性以改变天线操作的天线带宽和谐振频率。这使天线44在其操作中更灵活，但是波形发生器42和变容二极管46还增加了系统100的成本、大小和复杂性。除此之外，现成的可变电容器是非线性器件，有可能在收发器40中生成不期望的互调。
因此，存在对于克服现有技术的缺点的时变天线的持续需要。
附图说明
本文的前述方面和许多伴随的优点随着通过结合附图时参考下面详细的描述变得更好理解而将变得更易领会，其中除非另外规定，在各图中同样的参考标号指代同样的部件。
图1是根据现有技术，使用天线的系统的简化框图；
图2是根据一些实施例，使用由开关电容器阵列实现的时变天线的系统的简化框图；
图3是根据一些实施例，图2的时变天线系统的详细图；
图4是根据一些实施例，接口56的示意图；
图5是根据一些实施例，图4中存在的寄生元件的明细电路模型；
图6是根据一些实施例，图4中存在的寄生元件的简化电路模型；
图7是根据一些实施例，使用由开关电容器阵列实现的时变天线的多天线系统的简化框图；
图8是根据一些实施例，实现由图2的开关电容器阵列实现的时变天线的基于处理器的系统的简化框图。
图9是根据一些实施例，示出用于图1的系统的天线响应的简化图。
图10是根据一些实施例，示出用于图2的时变天线系统的天线响应的简化图。
具体实施方式
按照本文描述的实施例，公开了一种时变天线，其使用硅中的开关电容器阵列以提高时变天线的性能和综合选项。考虑到板上天线和硅上开关电容器阵列之间的接口的寄生效应，将天线调整成对于这些效应进行补偿。相对于现有技术天线实现，开关电容器阵列提供高线性度、较低成本以及减小的尺寸。
在下面的详细描述中，参考通过说明示出具体实施例的附图，在这些具体实施例中可实施本文描述的主题。但是，要理解，本领域的技术人员在阅读本公开后将明白其它实施例。由此，因为由权利要求定义主题的范围，所以不以限制方式解释下面的详细描述。
在2011年12月16日提交的标题为“使用时变天线模块的无线通信设备”的美国专利申请No.PCT/US2011/065629中公开了时变天线(TVA)。TVA设计与现有技术天线设计相比提供若干好处，重要的是性能的显著提高。但是，波形发生器42和变容二极管46(图1)的非线性可引起收发器40中的互调，这是现有技术系统100的不期望的属性。
根据一些实施例，图2中描绘了新的时变天线系统200。系统200包括由接口56连接的天线板60和硅衬底52。天线板60包括连接到收发器40的天线44。开关电容器逻辑单元300布置在硅52上。开关电容器逻辑300替换了现有技术系统100的变容二极管46和波形发生器42。开关电容器逻辑300包括由控制逻辑输入驱动的并联电容器58的开关电容器阵列，下面将更详细地描述。在一些实施例中，相对于现有技术系统100，时变天线系统200提供高线性度、低成本以及减小的尺寸。
图3是根据一些实施例，图2的时变天线系统200的详细图。开关电容器逻辑300由控制逻辑70和电容器阵列80组成，对于整数N，电容器阵列80由N个可开关电容器58和N个开关62组成。控制逻辑70能够通过激活或去活其相应的开关62来独立地接通或断开电容器阵列80中的每个电容器58。
在一些实施例中，开关电容器58的数量基于给定应用需要多少分辨率而确定。因此，控制逻辑70可配置电容器阵列80，使得其电容器58中的一个或多个被启用，而电容器阵列中的其余电容器暂停使用。而且，控制逻辑70按需要接通或断开所启用的电容器，以创建给定应用所期望的电容变化。因此，控制逻辑70：1)启用或禁用电容器阵列80内的电容器58；以及2)能够基于所期望的电容来接通或断开所启用的电容器。
在一些实施例中，开关电容器逻辑300能够经由控制逻辑70内的简单寄存器生成数字格式的各种形式的电容器变化，排除对于波形发生器42和变容二极管46(图1)的需要。在一些实施例中，这种实现在保持与现有技术解决方案相比相似的或更好的性能的同时，减小系统200的成本和尺寸。随着无线电功能集成到单个芯片中或具有更多常规数字功能的封装解决方案中，时变天线系统200良好地适合这类实现。而且，时变天线系统200设计还可实现自校准或补偿以抵消天线元件和电容器阵列的部件对部件变化。
如图2所示，在硅52中实现时变天线系统200的开关电容器逻辑300。因此，寄生效应可能在(天线板60上的)天线44和(硅52上的)开关电容器逻辑300之间的接口56中。
每个开关电容器由电容器58和其相应的开关62组成，在一些实施例中，开关62是晶体管元件。存在可用在开关电容器阵列80中的不同种类的开关电容器。例如，金属氧化物半导体(MOS)电容器、金属指状电容器(MFC)和金属绝缘体金属(MIM)电容器都可用作开关电容器。每个类型的电容器具有不同的特性，因此可鉴于诸如性能、尺寸和成本之类的考虑做出一个类型的选择。
开关电容器的特性之一是它本质上是线性的。因此，在一些实施例中，用开关电容器逻辑300替换变容二极管46消除发生在变容二极管46的潜在的互调问题。通常，开关电容器元件提供大约3.3fF/μm2的电容/面积(例如，MIM电容器)。
为了支持无线通信，诸如LTE、蜂窝、WiFi、WiMAX等等，时变天线44将需要大约1－30pF的电容范围以用于天线可调谐性。因此，当N=5，就是说，在阵列80中有五个开关电容器元件58时，用于这些应用的开关电容器的总要求面积仅为大约8820μm2(例如：42μm×210μm)。因此，在一些实施例中，在硅52中开关电容器阵列80占用极其小的空间。五个开关电容器元件58生成31个不同的状态(25-1)，其以更小的空间提供现有技术实现的分辨率。
由于在硅中实现这种开关电容器，所以在一些实施例中考虑了可沿着天线44和开关电容器逻辑300之间的接口56生成的寄生效应。图4是根据一些实施例，描绘当研究寄生效应时要考虑的接口56的不同元件或实体的示意图。开关电容器阵列80通过传输线76、焊盘72、受控塌陷芯片连接(C4)84、静电放电(ESD)保护二极管78和金属线82连接到天线44。在下面图5的明细电路模型中考虑了这些元件中的每一个。
包括ESD保护二极管78以保护开关电容器阵列80免于静电放电。在一些实施例中，ESD二极管78的电容大约是220fF。在下面的表1中总结了用于时变天线系统200的一个实施例的其它接口元件的阻抗值。在表1中，传输线是微带线，并且金属线具有大约100μm的长度。在一些实施例中，如果将开关电容器阵列80设计在焊料隆起焊盘(未示出)、C4 84和ESD保护二极管78的旁边，则可最小化金属线阻抗的效应。
表1. 接口56的估计的阻抗值
根据一些实施例，上面的寄生元件还被描绘为图5中的明细电路模型400，以及图6中的其简化模型500。在图5中，在开关电容器阵列80和天线44之间布置有潜在寄生元件，传输线76、焊盘72、C4 84、ESD二极管78和金属线82。传输线76提供电感L1和电容C1，焊盘72提供电容CL，C4 84提供电感L2和电容C2，ESD二极管78提供电容C3，并且金属线82提供电感L4、电容C4和电阻R。
在简化的电路模型400(图6)中，仅将上面的潜在寄生元件描绘为具有电感LP、电容CP和电阻RP的寄生元件90。在一些实施例中，在时变天线系统200的模拟期间，寄生电感、电容和电阻被测量并且在表1中给出。
在一些实施例中，当从开关电容器阵列80控制天线时，考虑了如图5和6中所示的时变天线系统200的设计中的寄生效应。即使寄生元件位于板60上，而开关电容器阵列80在硅52上，这也是可能的。因此，在一些实施例中，当要调节天线频率响应时，还考虑了附加的寄生元件值LP、CP和RP。
在一些应用中，收发器40可耦合到多个天线，通常称作多输入多输出(MIMO)系统。时变天线系统200可在多天线环境中操作。例如，根据一些实施例，如图7中所描绘，当收发器40耦合到四个天线时，分开的开关电容器阵列80为每个天线所专用。控制逻辑70控制分开的阵列80A、80B、80C和80D中的每一个，按需要控制它们相应的天线44A、44B、44C和44D的频率范围。
图8是根据一些实施例，实现图2的时变天线系统200的基于处理器的系统700的简化框图。基于处理器的系统700可以是膝上型计算机、移动电话、个人数字助理或其它无线设备。基于处理器的系统200的系统板260包括中央处理单元(CPU)或处理器120和存储器122。在一些实施例中，控制逻辑70实现为软件程序150和查找表130，其中所述软件被加载到存储器122中并且由处理器120执行。在一些实施例中，软件150控制开关电容器阵列80中的开关62，进而启用或禁用阵列内相应的电容器58，由此调整天线44。开关电容器阵列是布置在系统板260上的硅衬底52的一部分，而天线44在天线板60上。在一些实施例中，查找表130包含诸如见于上面的表1中的数据之类的寄生效应数据，使得控制逻辑70能够智能地调整天线44以针对寄生效应进行补偿。
图9和10是根据一些实施例，比较使用现有技术天线系统与天线系统200所获得的天线响应的图。在图9中，基于变容二极管的天线系统100(图1)生成分别由方波810A和锯齿波810B电压输入得到的两个不同的天线响应800A和800B。在图10中，时变天线系统200生成两个电容输入波形830A和830B以分别模拟电压810A和810B。天线响应820A和820B基本上分别与天线响应800A和800B相似。
因此，在一些实施例中，时变天线系统200最佳地包括开关电容器逻辑300，如上所述，以显著减小成本和尺寸而不损失功能性。在一些实施例中，由于开关电容器阵列300的线性特性，用开关电容器阵列300来提升时变天线44的线性度。构成开关电容器阵列80的电容器58的数量可基于其应用和天线44所期望的频率范围来确定。而且，当可能时，为了操作和应用的最大灵活性，开关电容器阵列80可包括启用的和暂停使用的电容器。
虽然针对有限数量的实施例描述了本申请，但是本领域的技术人员会理解其中的多种修改和变形。意图是，所附权利要求覆盖落入本发明的实质精神和范围内的所有这些修改和变形。

Claims (27)

1. 一种时变天线系统，包括：
耦合到收发器的天线，所述天线布置在天线板上，其中，所述天线包括频率响应；以及
通过接口耦合到所述天线的开关电容器逻辑，其中，所述开关电容器逻辑布置在硅表面上，所述开关电容器逻辑进一步包括：
　　多个电容器；
　　多个开关，其中，每个开关耦合在所述多个电容器中其相应电容器与地之间；以及
　　启用或禁用所述多个开关中的开关的控制逻辑；
其中，所述开关电容器逻辑控制所述天线的所述频率响应。
2. 如权利要求1所述的时变天线系统，其中，所述多个开关和所述多个电容器包括金属氧化物半导体器件。
3. 如权利要求1所述的时变天线系统，其中，所述多个电容器包括金属指状器件。
4. 如权利要求1所述的时变天线系统，其中，所述多个电容器包括金属-绝缘体-金属器件。
5. 如权利要求1所述的时变天线系统，还包括：
布置在所述板和所述硅之间的接口，所述接口包括寄生效应；
其中，所述控制逻辑鉴于所述寄生效应调整所述天线的频率范围。
6. 如权利要求5所述的时变天线系统，其中，所述寄生效应包括：
寄生电阻；
寄生电感；以及
寄生电容。
7. 如权利要求5所述的时变天线系统，其中，所述接口还包括：
包括寄生电感和寄生电容的传输线。
8. 如权利要求5所述的时变天线系统，其中，所述接口还包括：
包括寄生电容的焊盘。
9. 如权利要求5所述的时变天线系统，其中，所述接口还包括：
包括寄生电感和寄生电容的受控塌陷芯片连接。
10. 如权利要求5所述的时变天线系统，其中，所述接口还包括：
包括寄生电容的静电放电二极管。
11. 如权利要求5所述的时变天线系统，其中，所述接口还包括：
包括寄生电感、寄生电容和寄生电阻的金属线。
12. 如权利要求1所述的时变天线系统，其中，所述开关电容器逻辑包括五个电容器和五个开关；
其中，所述控制逻辑将所述天线的频率范围调节到31个可能的状态之一。
13. 如权利要求1所述的时变天线系统，其中，对于整数N，所述开关电容器逻辑包括N个电容器和N个开关；
其中，所述控制逻辑将所述天线的频率范围调节到2N-1个可能的状态之一。
14. 如权利要求1所述的时变天线系统，还包括：
耦合到所述收发器的第二天线，所述第二天线布置在所述天线板上；以及
耦合到所述第二天线的第二开关电容器逻辑器件，所述第二开关电容器逻辑器件布置在所述硅表面上并且经由所述接口耦合到所述第二天线；
其中，所述第二开关电容器逻辑器件调整所述第二天线的频率范围。
15. 一种布置在硅衬底上的开关电容器逻辑单元，所述开关电容器逻辑单元包括：
排列成并联阵列的多个电容器；
多个开关，其中，每个开关耦合在所述并联阵列中其相应的电容器与地之间；以及
启用或禁用所述多个开关中的一个或多个开关的控制逻辑；
其中，在考虑所述并联阵列和所述天线之间的接口的寄生效应的同时，所述开关电容器逻辑调整布置在天线板上的天线的频率范围。
16. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑单元，其中，所述接口还包括：
包括寄生电感和寄生电容的传输线。
17. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑单元，其中，所述接口还包括：
包括寄生电容的焊盘。
18. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑单元，其中，所述接口还包括：
包括寄生电感和寄生电容的受控塌陷芯片连接。
19. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑单元，其中，所述接口还包括：
包括寄生电容的静电放电二极管。
20. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑单元，其中，所述接口还包括：
包括寄生电感、寄生电容和寄生电阻的金属线。
21. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑单元，其中，所述并联阵列包括五个电容器并且所述多个开关包括五个开关；
其中，所述控制逻辑将所述天线的频率范围调节到31个可能的状态之一。
22. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑单元，其中，对于整数N，所述并联阵列包括N个电容器并且所述多个开关包括N个开关；
其中，所述控制逻辑将所述天线的频率范围调节到2N-1个可能的状态之一。
23. 如权利要求15所述的开关电容器逻辑，所述控制逻辑还包括：
加载到存储器中并且要由处理器执行的软件程序；
其中，所述软件程序启用和禁用所述并联阵列中的电容器。
24. 如权利要求16所述的开关电容器逻辑，所述控制逻辑还包括：
查找表，所述查找表包括用于所述并联阵列和所述天线之间的接口中的一个或多个组件的寄生效应数据；
其中，所述寄生效应数据包括寄生电阻、寄生电容和寄生电感。
25. 一种布置在系统板上的基于处理器的系统，所述基于处理器的系统包括：
中央处理单元(CPU)；
耦合到所述CPU的存储器；
耦合到收发器的天线；以及
开关电容器逻辑单元，所述开关电容器逻辑单元包括：
　　排列成并联阵列的多个电容器；
　　多个开关，其中，每个开关耦合在所述并联阵列中其相应电容器与地之间；以及
　　启用或禁用所述多个开关中的一个或多个开关的控制逻辑，所述控制逻辑包括要加载到所述存储器中并且由所述处理器执行的软件程序；
其中，在考虑所述并联阵列和所述天线之间的接口的寄生效应的同时，所述开关电容器逻辑调整所述天线的频率范围。
26. 如权利要求25所述的基于处理器的系统，所述控制逻辑还包括：
查找表，所述查找表包括关于所述接口的一个或多个元件的寄生效应数据。
27. 如权利要求26所述的基于处理器的系统，其中，所述查找表包括用于以下各项的寄生效应数据：
包括寄生电感L1和寄生电容C1的传输线；
包括寄生电容CL的焊盘；
包括寄生电感L2和寄生电容C2的受控塌陷芯片连接；
包括寄生电容C3的静电放电二极管；
包括寄生电感L4、寄生电容C4和寄生电阻R的金属线。
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