CN107483073A - 一种射频匹配电路和射频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频匹配电路和射频系统，射频匹配电路包括：L型匹配电路、第一传输线以及第二传输线，所述第一传输线和所述第二传输线连接形成并联的两段开路传输线，所述第一传输线和所述第二传输线之间形成有传输线连接点，所述传输线连接点与所述L型匹配电路连接，可设于射频功率放大器输出端，用于解决射频(特别是宽频段射频)的带内信号功率损耗问题，大大减少回波干扰；射频系统包括：依次连接的射频收发电路、上述射频匹配电路、滤波电路以及天线，其中，所述第一传输线和第二传输线长度不同，本发明的系统能够改变频段端口阻抗的同时，改善宽频段功率损耗问题，缩短射频匹配调试时间。

Description

一种射频匹配电路和射频系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种射频匹配电路和射频系统。

背景技术

射频(Radio Frequency,RF)，就是指射频电流，是一种具有远距离传输能力的高频交流变化电磁波，其频率范围在300KHz～300GHz之间；射频系统就是用来产生射频的电路组成，射频系统主要应用领域包括卫星通信、个人移动通信(GSM、4G等)、无线局域网、航空通信、光纤通信、电视和电台广播等，可见其运用的广泛。射频系统中的电路基本由无源元件(电容、电感、电阻)、有源器件和无源网络组成，表现到具体电路上包括发射机电路、匹配电路、接收机电路以及通信天线。

射频信号从产生到经天线发射的过程会产生一定的功能损耗，为了保证传输最大的信号能量，减少回波对信号质量和可用功率的影响，通过射频匹配，控制射频信号的输出过程，可以减小功率损耗；实际射频方案设计中，除了平台的软件控制外，剩下的工作几乎都是射频匹配，如果匹配环节做不好，将直接导致射频设计方案的失败，而且这个伤害还无法靠软件来进行后期补偿。

目前手机等通信产品的通信频段不到100MHz，频段带宽相对较窄，所以可简单地使用经典的电容或电感组成的π型或L型网络进行匹配，但随着频段带宽的增大，尤其是即将到来的5G时代，一些带内一致性的问题就会突显出来，而上述网络的作用只是改变端口的阻抗，并不能改善频段的一致性，射频系统频段一致性的主要指标有如下几点：1、在工作模式和空闲模式下的传导杂散；2、在正常条件和多径干扰条件下的频率相位误差；3、发射机最大输出功率；4、发射机输出频谱；5、阻塞、寄生响应；6、通道功率(Channel Power)、误差矢量幅度(EVM)、邻道泄露抑制比(ACLR)、占用带宽(OBW)和频谱辐射掩模(SEM,SpectrumEmission Mask)、邻道选择性(ACS)等。

如公告号为CN103986422B的专利文献公开了“一种双频带射频功率放大器阻抗匹配电路”，由设置在射频源和负载之间的全微带结构构成，全微带结构包括射频微波信号的信号路径中依次串联的主匹配模块和串联匹配模块，串联匹配模块与负载中间并联有并联匹配模块；串联匹配模块是特性阻抗Z0与负载阻抗ZL相同的传输线，在第一频率f1时，主匹配模块实现第一频率阻抗匹配至负载阻抗，串联匹配模块与并联匹配模块不影响主匹配模块在f1匹配。在第二频率f2时，由串联匹配模块和并联匹配模块进行阻抗匹配。采用上述设计可同时实现两个频带的阻抗匹配，从而实现同时工作在多频带，但是对研发而言，阻抗调整匹配工作量大。

又如公开号为CN106301255A的专利文献公开了一种“宽带功率放大器的有源匹配电路”，该有源匹配电路包含：晶体管，其基极电路连接宽带功率放大器的射频输入端，集电极电路连接功率放大器的驱动级放大器，发射极通过发射极电阻接地；串联连接的隔直电容和串联电阻，其电路连接在晶体管基极与射频输入端之间；串联连接的反馈电阻和反馈电容，其电路连接在晶体管集电极与射频输入端之间；直流馈电电阻，其一端连接晶体管基极，另一端连接有源匹配偏置信号；有源匹配电源，其电路连接晶体管集电极。该发明提供一种应用于功率放大器的有源宽带匹配结构，可以有效低降阻抗匹配网络的复杂程度，降低芯片面积和成本，但不能改善宽频段带内功率损耗问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够改变频段端口阻抗，减少回波干扰的同时，还能缩短射频调试时间，改善频段功率衰减问题，保障宽频段信号的最大传输，实现更理想的通信效果的射频匹配电路和射频系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种射频匹配电路，包括：L型匹配电路、第一传输线以及第二传输线，所述第一传输线和所述第二传输线连接形成并联的两段开路传输线，所述第一传输线和所述第二传输线之间形成有传输线连接点，所述传输线连接点与所述L型匹配电路连接。

进一步地，所述第一传输线和所述第二传输线的长度不同。

进一步地，所述第一传输线的长度为0.315波长，所述第二传输线的长度为0.098波长。

进一步地，所述L型匹配电路包括：第一匹配元件和第二匹配元件，所述第一匹配元件一端接地，另一端通过所述第二匹配元件与所述传输线连接点连接。

进一步地，所述第一匹配元件为电容或电感，所述第二匹配元件为电容或电感。

进一步地，所述第一匹配元件为电容或电感，所述第二匹配元件为同时具备电感性和电容性的传输线。

一种射频系统，包括：依次连接的射频收发电路、射频匹配电路、滤波电路以及天线，所述射频匹配电路包括：L型匹配电路、第一传输线以及第二传输线，所述第一传输线和所述第二传输线连接形成并联的两段开路传输线，所述第一传输线和所述第二传输线之间形成有传输线连接点，所述传输线连接点与所述L型匹配电路连接，所述第一传输线和所述第二传输线的长度不同。

进一步地，所述L型匹配电路包括：第一匹配元件和第二匹配元件，所述第一匹配元件一端接地，另一端通过所述第二匹配元件与所述传输线连接点连接，所述第一匹配元件为电容或电感，所述第二匹配元件为电容或电感。

进一步地，所述射频收发电路的信号输出端与所述第一匹配元件和所述第二匹配元件之间的连接点连接，所述第二匹配元件分别与所述传输线连接点和所述滤波电路连接。

进一步地，所述滤波电路包括：分路开关、低通滤波器以及合路开关，所述分路开关的第一选通端与所述合路开关第一选通端连接，所述分路开关的第二选通端、所述低通滤波器以及所述合路开关第二选通端依次连接。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：(1)通过将原有的π型匹配电路进行改进，将一个支路元件改成并联的两段开路传输线，即通过设置第一传输线和第二传输线来进行匹配，实现了宽频段射频信号损耗的减少，保障宽频段(例如5G频段)理想传输，同时，第一传输线和第二传输线性能的可控性相对较高，可整体上缩短射频调试时间，加快研发进度；(2)通过将第一传输线和第二传输线设置成长度不同的传输线，可实现宽频段射频信号功率的更小损耗和更大传输，使驻波比控制在2以内；(3)同样的，由于电容电感相较于传输线，其内部电路的运作机理不同，调试过程复杂，将第一匹配元件设置为同时具备电感性和电容性的传输线，可以缩短射频调试时间和节省成本；(4)通过将上述射频匹配电路设置于射频收发电路与滤波电路之间，首先可实现射频宽频段信号的优良匹配，减少回波干扰，降低驻波比，减少射频信号功率的损耗，保障宽频段射频信号的理想通信，然后通过分路开关、低通滤波器以及合路开关的连接，将匹配后的高频信号和低频信号分路径流通，可更有针对性的处理，滤除低频信号中的谐波干扰，解决电磁兼容产生的杂散问题。

另外，上述电路中使用较少的元器件完成宽频段的功率匹配问题，节约成本的同时，简化了线路板的布线结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：

图1为本发明实施例1提供的一种射频匹配电路结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种射频匹配电路连接示意图；

图3为本发明实施例2提供的一种射频匹配电路匹配仿真史密斯圆图；

图4为本发明实施例3提供的一种射频匹配电路结构示意图；

图5为本发明实施例3提供的一种射频匹配电路连接示意图；

图6为本发明实施例3提供的一种射频匹配电路连接示意图；

图7为本发明实施例3提供的一种射频匹配电路连接示意图；

图8为本发明实施例4提供的一种射频系统结构示意图；

图9为本发明实施例4提供的一种射频系统中电路连接示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

无线通信研发过程都会涉及到射频匹配研究，射频中除了平台的软件控制外，剩下的工作也几乎都是射频匹配，如果在匹配环节做不好，将直接导致方案的整体设计，因为这个硬伤是无法依靠软件来进行后期补偿。目前的手机等个人通信都在2GHz左右，频段带宽不到100MHz，相对较窄，调试起来较容易；但随着5G时代的到来，当带宽进一步增加后，一些带内一致性的问题会突显出来，而现有的射频匹配网络都是根据手机平台的参考设计来设计的，这种匹配方案都是经典的电容电感组成的π型或L型网络，这些网络是一个窄带的网络，只是改变端口阻抗，无法解决宽频段的功率匹配问题，需要设计新的措施。

本发明解决宽频段的匹配问题，设计新的π型或L型网络，在π型或L型网络中设置连接上并联的两段开路传输线，这两段传输线具有不同的长度。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供一种射频匹配电路，所述射频匹配电路包括：L型匹配电路210、第一传输线220以及第二传输线230，所述第一传输线220和所述第二传输线230连接形成并联的两段开路传输线，所述第一传输线220和所述第二传输线230之间形成有传输线连接点，所述传输线连接点与所述L型匹配电路210连接。传输线在一端开路时，另一端的阻抗会呈无线小，可满足更小功率的损耗，因此本实施例电路设计中连接的传输线设置为开路。

传输射频信号的线缆泛称传输线，常用的有两种：双线与同轴线。传输线的选择主要从两个方面考虑：一是从电性能方面，包括有传输模式、色散、工作频带、功率容量、损耗等几个指标；二是从机械性能方面，包括有尺寸、制作难易度、集成难易度等几个指标。对传输线选择的基本要求就是：(1)传输损耗要小，传输效率要高；(2)工作频带要宽，可增加传输信息容量和保证信号的无畸变传输；(3)传输功率容量要大；(4)传输线尺寸要小，重量要轻，方便生产和安装布线。例如低频传输时，普通的双线即可完成传输，但随着工作频率的升高，由于导线的趋肤效应和辐射效应的增大，使普通双线的正常工作被破坏，所以高频(射频)使用时，传输线的参数必须能适应高频传输，尽可能的减小信号功率损耗，更具体的参数选择可参照传输线理论来分析。

如图2所示，详细地，L型匹配电路210可包括一个电容和一个电感，电感一端接地，另一端连接电容，电容的另一端则连接第一传输线220和第二传输线230之间的传输线连接点。需要说明的是，本电路中对于电容电感的参数值、第一传输线220和第二传输线230的参数值并没有硬性指标要求，可根据实际使用环境中信号频率大小，进行不同的匹配更换，以便更好的满足实际需求。

本实施例提供的射频匹配电路，可用于射频信号的阻抗调节，采用更少的元器件，更精简的走线方式，更低的成本，帮助减少射频信号传输中的能量损耗，可在传输的射频信号不达标时，也就是频率不是特别高时，就可以利用本实施例提供的射频匹配电路减少回波对信号质量和可用功率的影响，保证传输最大的信号能量，另外，亦可帮助简化研发设计的匹配调试过程，大大缩短调试时间，加快研发进度，降低研发成本的同时，提供具有更理想匹配性能的射频匹配电路。

实施例2

本实施例与之前实施例的区别在于，本实施例提供一种宽频段匹配性能更好的射频匹配电路，其中，所述第一传输线220和所述第二传输线230的长度不同。传输线的特性通常是与长度的波长数有关，通常的人们习惯用波长数来描述传输线长度，而不是绝对长度，所以此处的长度定义为波长数定义。

实验数据证明，第一传输线220和第二传输线230长度不同的状态下，可产生更好的射频匹配效果，特别是针对宽屏段的射频信号，可大幅度降低传输过程中射频信号的功率损耗，将不同传输节点处的电压驻波比(VSWR)保持在2以下。

作为优化地，所述第一传输线220的长度为0.315波长，阻抗值选用趋肤效应损耗最小50欧姆，所述第二传输线230的长度为0.098波长，阻抗值同样选用趋肤效应损耗最小50欧姆，所述L型匹配电路210中电容的电容值为1.6pF。

上述提供的射频匹配电路，可用于射频频段在5.OGHz到5.3GHz的300MHz带宽，如图3所示，为仿真工具的仿真结果史密斯圆图，图上点1～7为射频匹配电路传输路径中不同传输点的阻抗匹配情况，由图中结果可见，在5GHz到5.3GHz的300MHz带宽中，1～4点的一致性情况，都在VSWR＝2的圆内，测试数据表明，上述传输线参数状态下的射频匹配结果更为理想，不仅改变了端口阻抗，而且解决了常规π型或L型匹配网络不能解决的宽频段射频信号传输时带内一致性问题，可以预见的是，随着频段带宽的增大，通过调节L型匹配电路210中电容或电感、第一传输线220以及第二传输线230参数值的变化，可实现更大带宽频段信号的小损耗传输，仿真工具的仿真结果也证实了这一预见。

实施例3

如图4-图7所示，本实施例与实施例2的区别在于，本实施例提供的一种射频匹配电路中L型匹配电路的更多元件组合，所述L型匹配电路210包括：第一匹配元件211和第二匹配元件212，所述第一匹配元件211一端接地，另一端通过所述第二匹配元件212与所述传输线连接点连接。

所述第一匹配元件211为电容或电感，所述第二匹配元件212为电容或电感。此处将第一匹配元件211和第二匹配元件212设为电容或电感，可用于满足常规信号的匹配，保障信号的较大传输。其中，电容值与电感值的大小取决于工作频段，不同频段的电容值和电感值都不一样，可根据射频功率确定。

或者所述第一匹配元件211为电容或电感，所述第二匹配元件212为同时具备电感性和电容性的传输线，其中，将第二匹配元件212所用传输线固定设为八分之一波长数，50欧阻抗值的传输线，可减少功率匹配调试的时长，加快研发进度，另外还能节约成本，方便节省布线的空间。

本实施例提供的射频匹配电路由于第一传输线220和第二传输线230的设置，可在更多的改变L型匹配电路组成状态加快调试进度的同时，保障宽频段信号的低损传输。

实施例4

如图8、图9所示，本实施例提供一种射频系统，包括：依次连接的射频收发电路100、射频匹配电路200、滤波电路300以及天线400，所述射频匹配电路200包括：L型匹配电路210、第一传输线220以及第二传输线230，所述第一传输线220和所述第二传输线230连接形成并联的两段开路传输线，所述第一传输线220和所述第二传输线230之间形成有传输线连接点，所述传输线连接点与所述L型匹配电路210连接，所述第一传输线220和所述第二传输线230的长度不同，较佳地，所述第一传输线220的长度为0.315波长，阻抗值选用趋肤效应损耗最小50欧姆，所述第二传输线230的长度为0.098波长，阻抗值选用趋肤效应损耗最小50欧姆。

所述射频匹配电路200设于射频收发电路100射频信号发射后的电路中，可对射频信号的阻抗进行调节，采用更少的元器件，更精简的走线方式，更低的成本，帮助减少射频信号传输中的能量损耗，当射频收发电路100产生的射频信号不达标时，也就是频率不是特别高时，就可以利用射频匹配电路200减少回波对信号质量和可用功率的影响，保证传输最大的信号能量，另外，射频匹配电路200对于射频收发电路100产生的频段较宽的信号，在传输过程出现的趋肤效应和辐射效应的增大、功率较多损耗问题也有改善作用，可解决常规π型或L型匹配网络不能解决的宽频段射频信号传输时产生的带内一致性问题，大大提高宽频段通信质量，满足更流畅稳定的数据交互，保障5G信号的通信。

所述L型匹配电路210包括：第一匹配元件211和第二匹配元件212，所述第一匹配元件211一端接地，另一端通过所述第二匹配元件212与所述传输线连接点连接，所述第一匹配元件211为电容或电感，所述第二匹配元件212为电容或电感，可用于满足常规信号的匹配，保障信号的较大传输。

所述射频收发电路100的信号输出端与所述第一匹配元件211和所述第二匹配元件212之间的连接点连接，所述第二匹配元件212分别与所述传输线连接点和所述滤波电路300连接。

所述滤波电路300包括：分路开关310、低通滤波器320以及合路开关330，所述分路开关310的第一选通端与所述合路开关330第一选通端连接，所述分路开关310的第二选通端、所述低通滤波器320以及所述合路开关330第二选通端依次连接。分路开关310用于选择射频信号流通的信号通路，可将低频段信号引通入低通滤波器320处，合路开关330将之前的分路变为合路，再通过控制合路开关330不同选通或断开情况，让信号在流向天线400时能够更有序、稳定；也就是保证同一时间下只有一路信号流过，而不至于在合路时产生信号间的干扰，导致信号传递效果差的问题；

本实施例提供的射频系统中，射频收发电路100产生的射频信号，经过射频匹配电路200匹配完成后，可根据信号频段高低的不同分不同路径流通，如果是低频段信号就经过低通滤波器320滤波处理后，通过合路开关330选通后流入天线400，完成射频信号的发射，可降低谐波干扰，解决射频的EMC杂散问题，可同时满足更好的过滤谐波信号和信号单通需求，保障网络通信质量。应用于手机终端，可将2G的低频段信号与其他如3G或4G信号分不同通路流通，再经过低通滤波器320的滤波处理，解决手机通信信号杂散问题，另外射频匹配电路200的宽频段功率匹配性能，可保障更好的手机5G信号的通信。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种射频匹配电路，其特征在于，包括：L型匹配电路、第一传输线以及第二传输线，所述第一传输线和所述第二传输线连接形成并联的两段开路传输线，所述第一传输线和所述第二传输线之间形成有传输线连接点，所述传输线连接点与所述L型匹配电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种射频匹配电路，所述第一传输线和所述第二传输线的长度不同。

3.根据权利要求2所述的一种射频匹配电路，所述第一传输线的长度为0.315波长，所述第二传输线的长度为0.098波长。

4.根据权利要求1或2所述的一种射频匹配电路，所述L型匹配电路包括：第一匹配元件和第二匹配元件，所述第一匹配元件一端接地，另一端通过所述第二匹配元件与所述传输线连接点连接。

5.根据权利要求4所述的一种射频匹配电路，所述第一匹配元件为电容或电感，所述第二匹配元件为电容或电感。

6.根据权利要求4所述的一种射频匹配电路，所述第一匹配元件为电容或电感，所述第二匹配元件为同时具备电感性和电容性的传输线。

7.一种射频系统，其特征在于，包括：依次连接的射频收发电路、射频匹配电路、滤波电路以及天线，所述射频匹配电路包括：L型匹配电路、第一传输线以及第二传输线，所述第一传输线和所述第二传输线连接形成并联的两段开路传输线，所述第一传输线和所述第二传输线之间形成有传输线连接点，所述传输线连接点与所述L型匹配电路连接，所述第一传输线和所述第二传输线的长度不同。

8.根据权利要求7所述的一种射频系统，其特征在于，所述L型匹配电路包括：第一匹配元件和第二匹配元件，所述第一匹配元件一端接地，另一端通过所述第二匹配元件与所述传输线连接点连接，所述第一匹配元件为电容或电感，所述第二匹配元件为电容或电感。

9.根据权利要求8所述的一种射频系统，其特征在于，所述射频收发电路的信号输出端与所述第一匹配元件和所述第二匹配元件之间的连接点连接，所述第二匹配元件分别与所述传输线连接点和所述滤波电路连接。

10.根据权利要求7所述的一种射频系统，其特征在于，所述滤波电路包括：分路开关、低通滤波器以及合路开关，所述分路开关的第一选通端与所述合路开关第一选通端连接，所述分路开关的第二选通端、所述低通滤波器以及所述合路开关第二选通端依次连接。