CN110858771B - Rf切换 - Google Patents

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Abstract

RF收发器前端包括接收器分支和发射器分支，所述接收器分支包括一段传输线、阻抗匹配网络、下游分路开关和下游的另外的接收器部件。所述阻抗匹配网络被配置成当所述分路开关断开并且所述RF收发器前端可操作于接收器模式时，变换所述另外的接收器部件的输入阻抗以与所述接收器分支的输入阻抗相匹配。所述阻抗匹配网络另外被配置成当所述分路开关闭合并且所述RF收发器前端可操作于发射器模式时，变换所述分路开关的输入阻抗以将开路呈现为所述接收器分支的所述输入阻抗。在所述RF收发器的操作频率下，所述传输线的长度可以为零到小于λ/4。

Description

RF切换
技术领域
本说明书涉及切换射频(RF)信号，并且具体地涉及在RF收发器前端切换RF信号。
背景技术
RF信号用于各种应用并且可能带来大量问题，所述大量问题中的许多问题可能与相对较高频率的RF信号有关，通常在RF频率范围的GHz部分。
RF信号在无线通信应用中尤其有用，包括所谓的5G(第5代)通信中的各种应用。
例如，射频(RF)开关用于RF收发器前端，并且需要能够在信号传输期间承受最坏情况下的最大电压摆动。由于用于切换的单独晶体管的击穿电压限制，一些RF收发器前端通常使用串联的多个开关晶体管的堆叠以承受传输期间的较大电压摆动。然而，在有更多堆叠的晶体管开关的情况下，插入损耗将会增加，这降低了收发器的接收分支(receivinglimb)的总噪声系数。
可替代的方法是使用四分之一波长(λ/4)开关，以避免在接收器分支中使用串联的多个堆叠的晶体管并确保较大的信号摆动持续性。然而，λ/4开关的缺点是其仅适合在较高的操作频率(例如，大于约60GHz)下使用。当操作频率较低时，则实施λ/4开关所需的传输线的物理长度变长。因此，物理传输线的尺寸增加并且具有高插入损耗，并且因此接收器噪声系数降低。
因此，在接收器分支中具有良好性能的可切换RF收发器前端将是有益的。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种具有操作频率的RF收发器前端，所述RF收发器前端包括：接收器分支，所述接收器分支包括一段传输线、阻抗匹配网络、布置在所述阻抗匹配网络下游的分路开关和布置在所述分路开关下游的另外的接收器部件，其中所述接收器分支具有接收器分支输入阻抗并且所述另外的接收器部件具有另外的接收器部件输入阻抗；以及发射器分支，其中所述阻抗匹配网络被配置成当所述分路开关断开并且所述RF收发器前端可操作于接收器模式时变换所述另外的接收器部件输入阻抗以与所述接收器分支输入阻抗相匹配，并且其中所述阻抗匹配网络另外被配置成当所述分路开关闭合并且所述RF收发器前端可操作于发射器模式时变换所述分路开关的所述输入阻抗以将开路呈现为所述接收器分支输入阻抗，并且对于所述操作频率，传输线的长度小于λ/4。
在一个或多个实施例中，所述另外的接收器部件可以是低噪声放大器并且所述另外的接收器部件输入阻抗可以是低噪声放大器输入阻抗。
在一个或多个实施例中，所述另外的接收器部件可以是预匹配网络并且所述接收器分支可以另外包括布置在预匹配网络下游的低噪声放大器，并且其中另外的接收器部件输入阻抗为预匹配网络输入阻抗。
在一个或多个实施例中，所述阻抗匹配网络可以被配置成充当低通网络。所述低通网络可以具有至少等于或大于所述操作频率的截止频率。所述低通网络可以具有至少等于或大于操作频率的谐振频率。
在一个或多个实施例中，所述阻抗匹配网络可以包括串联布置的电感和并联布置的电容。
在一个或多个实施例中，所述电容可以处于所述电感的上游或者所述电容可以处于所述电感的下游。
在一个或多个实施例中，所述阻抗匹配网络可以被配置成充当高通网络。所述高通网络可以具有至少等于或大于所述操作频率的截止频率。所述高通网络可以具有至少等于或大于所述操作频率的谐振频率。
在一个或多个实施例中，所述阻抗匹配网络可以包括串联布置的电容和并联布置的电感。
在一个或多个实施例中，所述电感可以处于所述电容的上游或者所述电感可以处于所述电容的下游。
在一个或多个实施例中，传输线的长度为零。
在一个或多个实施例中，所述操作频率小于60GHz、50GHz或40GHz。
在一个或多个实施例中，所述操作频率小于20GHz。
在一个或多个实施例中，所述操作频率在10GHz到100GHz的范围内。
在一个或多个实施例中，所述操作频率在20GHz到50GHz的范围内。
在一个或多个实施例中，所述操作频率在24GHz到45GHz的范围内。
根据本公开的第二方面，提供了包括集成电路的封装，其中集成电路被配置成提供根据第一方面所述的RF收发器前端及其任何优选特征。
在一个或多个实施例中，封装可以是前端集成电路(FEIC)，并且具体地可以是毫米波FEIC。
根据本公开的第三方面，提供了包括根据第一方面所述的RF收发器前端或根据第二方面所述的封装的无线通信装置或系统。
在一个或多个实施例中，所述无线通信装置或系统可以是时分双工通信装置或系统。
根据本公开的第四方面，提供了一种操作具有连接到公共天线的接收器分支和发射器分支的RF收发器前端的方法，其中所述接收器分支包括布置在阻抗匹配网络下游的分路开关和所述分路开关下游的另外的接收器部件，所述方法包括：断开所述接收器分支中的分路开关并且在接收时使用所述阻抗匹配网络使所述接收器分支的所述输入阻抗与所述另外的接收器部件的所述输入阻抗相匹配；以及闭合所述接收器分支中的所述分路开关并且变换所述分路开关的所述输入阻抗以在发射时使用所述阻抗匹配网络将开路呈现为所述接收器分支的所述输入阻抗。
第一方面的特征也可以是第四方面的对应特征。
附图说明
现将仅通过例子的方式并且参考附图来详细描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的第一RF收发器前端的示意性框图；
图2示出了根据本发明的第二RF收发器前端的示意性框图；
图3示出了在接收操作模式下图2中示出的RF收发器前端的一部分的第一实施例的电路图；
图4示出了在发射操作模式下图3的电路图；
图5示出了说明在图3和图4中所示出的电路的预匹配网络的输入阻抗值的可能范围的史密斯圆图；
图6示出了说明在图3和图4中所示出的电路的预匹配网络的特定输入阻抗值的史密斯圆图；
图7示出了在接收操作模式下图1中示出的RF收发器前端的一部分的第二实施例的电路图；
图8示出了在发射操作模式下图7的电路图；
图9示出了说明在图7和图8中所示出的电路的预匹配网络的输入阻抗值的可能范围的史密斯圆图；
图10示出了在接收操作模式下图1中示出的RF收发器前端的一部分的第三实施例的电路图；
图11示出了在发射操作模式下图10的电路图；
图12示出了说明在图9和图10中所示出的电路的预匹配网络的输入阻抗值的可能范围的史密斯圆图；
图13示出了说明在图9和图10中所示出的电路的预匹配网络的可能输入阻抗值的史密斯圆图；并且
图14示出了说明操作RF收发器前端的方法的流程图。
除非另有说明，否则不同附图中的类似项共享相同的附图标记。
具体实施方式
参考图1，示出了附接到天线102的RF收发器前端装置100的示意性框图。前端装置100可以呈封装中所提供的集成电路的形式。在其它实施例中，天线102也可以被提供为集成电路100的一部分。有时也简称为前端IC的RF收发器前端还具有用于接收和传递来自较大系统的其它部分的RF信号的连接104，所述RF信号将通过天线102发射或者已经由天线102接收。RF信号通常可以在约20GHz到60GHz的范围内。
例如，前端可以用于符合24GHz到45GHz的5G毫米波频率范围的装置和系统。
然而，可以在允许高效硅实施方案的足够高的频率下更普遍地应用所述方法，所述足够高的频率通常为从20GHz到更大。
在一些应用中(例如，相控天线阵列)，可以存在多个RF收发器前端，每个RF收发器前端具有相应的天线和相应的RF连接。一个或多个RF收发器前端可以用于包括5G电信的各种应用中。本文所描述的方法还可以用于基于相控阵列概念的应用、60GHz通信标准以及85GHz下的E频带通信的FEIC。
RF收发器前端装置100包括连接在用于天线102的天线连接103与RF连接开关106之间的发射分支110，以及也连接在天线连接103与RF连接开关106之间的接收分支120。RF连接开关106用于通过发射分支110或接收分支120来在天线与RF连接之间选择性地提供信号路径。
发射分支110可以包括如通常在收发器中提供的且不是本发明的焦点的各种部件112。例如，如图1中所示出的，发射分支中的发射部件可以包括被配置成在通过天线发射之前增加RF信号功率的发射器功率放大器114以及发射器开关116。发射器开关可以可操作用于在发射操作模式期间将功率放大器114连接到天线102，并且在接收操作模式期间将功率放大器114与天线102隔离。
接收分支120还可以包括各种部件，所述部件中的一些部件通常可以在收发器中提供，并且所述部件中的其它部件形成如下文所阐释的本发明的一部分。
接收分支120包括连接到天线连接103的一段传输线122。与先前的RF收发器前端不同，传输线122在RF收发器前端的操作频率下具有小于四分之一波长λ/4的长度。在传输线下游提供了阻抗匹配电路124并且然后在阻抗匹配网络124下游提供了连接到接地的分路开关126。在图1中所示出的实施例中，在分路开关126下游和放大器130前提供了预匹配网络，所述放大器130可以是低噪声放大器。低噪声放大器130的输出端连接到可变增益放大器132的输入端，所述可变增益放大器132的输出端连接到矢量调制器或移相器134，将所述矢量调制器或移相器134的输出端连接到RF开关106。
图2示出了通常与图1中所示出的装置类似的第二RF收发器前端装置100′的示意性框图。然而，在第二RF收发器前端装置100′中，分路开关126与放大器130之间不存在预匹配网络128。因此，在本发明的一些实施例中，根据包括由放大器130呈现的输入阻抗的多个因素，可以不使用预匹配网络128。
应当理解的是，图1和图2中所示出的具体的接收器部件和发射器部件仅是通过例子的方式，并且所述方法不限于那些具体的发射器部件布置和接收器部件布置。相反，本文所描述的方法更多地涉及收发器的发射器分支与接收器分支之间的连接103。
所示出的阻抗匹配网络124、分路开关126和放大器130系列可以用于将接收器分支中的传输线122的物理长度减小到小于λ/4，并且在一些特定情况下，甚至可以从接收器分支中省略传输线122。随着传输线的减小的物理长度，传输线122具有较小的尺寸，接收器分支120具有较低的插入损耗以及改善的接收器噪声系数。此外，此方法可以将RF收发器前端装置的操作频率扩展到较低的频率，例如几GHz的量级，例如10GHz。关于应用范围的上端可以是约100GHz。
在接收器分支中，将分路开关126应用于阻抗匹配网络124下游以及阻抗匹配网络124与预匹配网络128(当使用时)或放大器130之间。在接收器操作模式期间，在分路开关126断开的情况下，预匹配网络128将放大器130的输入阻抗变换为指定阻抗(Zpm)，并且阻抗匹配网络124将Zpm变换为50Ω，即传输线122的阻抗。在发射器操作模式下，在分路开关126闭合的情况下，阻抗匹配网络124将由闭合分路开关126提供的非常低的阻抗(≈0Ω)变换为感应阻抗，这减小了需要这样提供的传输线的物理长度以实现接收器分支120的开路输入阻抗并且因此有效阻止高功率RF信号泄漏到接收器分支120中。
通常，预匹配网络的输入阻抗的具体值Zpm不限于单个值，并且可以具有值的范围。如下文更详细地描述的，阻抗匹配网络124的具体拓扑会影响Zpm值的范围以及传输线122的物理长度。如上文所提到的，当放大器的输入阻抗自然满足Zpm值的需求时，预匹配网络是可选的，并且在一些情况下可以完全省略。此外，所述技术独立于IC技术，并且可以应用于例如CMOS、BiMCOS以及GaAs解决方案中。
图3和图4分别示出了在接收操作模式和发射操作模式下图1中所示出的RF收发器前端的接收器分支和发射器分支的部分的第一实施例的电路图200。如图3中所示出的，在接收操作模式下，分路开关126断开(并且提供开路)，并且如图4中所示出的，在发射操作模式下，分路开关126闭合(并且基本上提供短路)。阻抗匹配网络124被配置成具有低通性能。特别是，阻抗匹配网络包括并联布置并且连接到接地的电容210和串联布置并且处于电容下游的电感212。
现将解释将传输线122的物理长度减小到小于λ/4。为了简化解释，假设预匹配网络128被配置成将低噪声放大器130的输入阻抗变换为10Ω。
如图3中所示出的当在接收器模式下操作时，低通LC网络124将10Ω变换为50Ω，并且因此阻抗匹配网络124的输入阻抗Zin为50Ω。如图4中所示出的在发射器模式下，相同的低通LC网络124将低阻抗(几乎为由闭合分路开关126提供的短路)变换为j*100Ω。因此，具有0.07λ的物理长度的传输线足以将j*100Ω变换为高阻抗(几乎为开路)，并且因此发射器模式下的传输线122和接收器分支的输入阻抗Zin非常大并且几乎为开路。与λ/4长度的传输线方法相比，在此例子中传输线122的物理长度仅为28％(即，0.07/0.25≈28％)。
对于图3和图4中所示出的低通阻抗匹配网络124，预匹配网络128对输入阻抗的需求为Zin＝Zpm＝Rpm+j*Xpm，其中Rpm为预匹配网络128的电阻并且Xpm为预匹配网络128的电抗。由于阻抗匹配网络124分别在接收器模式下将Zpm变换为50Ω并且在发射器模式下将0Ω变换为电感的，因此：
Figure BDA0002159089540000081
可以将以上公式重新排列得到：
Figure BDA0002159089540000082
图5示出了满足此标准的史密斯圆图220中的预匹配网络的输入阻抗范围的曲线图，并且其中图5中的阴影区域222示出了可以与如图3和图4中所示出的低通阻抗匹配网络124一起工作的Zpm值以将传输线122的长度减小到λ/4以下。
如上文所提到的，在一些情况下，传输线122的长度可以减小到零，并且因此可以从接收器分支120中省略传输线122。
如果在图3和图4中阻抗匹配网络124在接收器模式(图3)下将预匹配网络128的输入阻抗Zpm变换为50Ω，并且在发射器模式(图4)下将0Ω变换为高阻抗(开路)，则：
Figure BDA0002159089540000091
可以将以上公式重新排列得到：
Figure BDA0002159089540000092
在这种情况下，阻抗匹配网络LC电路在发射器模式下以操作频率谐振，并且传输线长度缩减到零，并且因此可以省略传输线122。
图6示出了包括Zpm的阻抗值范围的曲线图232的史密斯圆图230，所述Zpm可以与图3和图4的阻抗匹配网络1234一起工作的，以允许省略传输线122。
图7和图8分别示出了在接收操作模式和发射操作模式下图1中所示出的RF收发器前端的接收器分支和发射器分支的部分的第二实施例的电路图240。如图7中所示出的，在接收操作模式下，分路开关126断开(并且提供开路)，并且如图8中所示出的，在发射操作模式下，分路开关126闭合(并且基本上提供短路)。阻抗匹配网络124再次被配置成具有低通性能。特别是，阻抗匹配网络包括串联布置的电感232和并联连接到接地并且处于电感244下游的电容244。
与第一实施例类似，低通阻抗匹配网络124在接收器模式(图7)下将Zpm变换为50Ω，并且在发射器模式(图8)下将0Ω变换为高阻抗(开路)：
Figure BDA0002159089540000093
重新排列以上公式后得到：
Xpm 2＞50Rpm-Rpm 2
图9示出了包括示出Zpm值的区域252的史密斯圆图250，所述Zpm可以与图7和图8的低通阻抗匹配网络124一起工作，以将传输线122的长度减小到λ/4以下。
与第一实施例和第二实施例类似，图10和图11分别示出了在接收操作模式和发射操作模式下图1中所示出的RF收发器前端的接收器分支和发射器分支的部分的第三实施例的电路图260。在第三实施例中，阻抗匹配网络124被配置成具有高通性能。特别是，阻抗匹配网络124包括并联布置并且连接到接地的电感262和串联连接并且处于电感262下游的电容264。
与第一实施例和第二实施例类似，低通阻抗匹配网络124在接收器模式(图10)下将Zpm变换为50Ω，并且在发射器模式(图11)下将0Ω变换为高阻抗(开路)：
Figure BDA0002159089540000101
并且重新排列后得到：
Figure BDA0002159089540000102
图12示出了包括示出Zpm值的区域272的史密斯圆图270，所述Zpm可以与图10和图11的高通阻抗匹配网络124一起工作，以将传输线122的长度减小到λ/4以下。
将传输线122的长度缩减到零并且因此省略传输线的条件是：
Figure BDA0002159089540000111
图13示出了包括示出Zpm值的线280的史密斯圆图280，所述Zpm可以与图10和图11的高通阻抗匹配网络124一起工作，以将传输线122的长度缩减到零并且因此实现省略传输线。
如上文所描述的，并且如图2中所示出的，在一些实施例中，可以省略预匹配网络128。在那种情况下，阻抗匹配网络124被配置成在接收器模式下将低噪声放大器的输入阻抗Zlna变换为传输线或接收器分支的输入阻抗(在以上例子中为50Ω)并且在发射器模式下将0Ω变换为高阻抗(开路)。
在一些实施例中，可以以封装中的集成电路的形式来提供图1和2中所示出的RF收发器前端100。
图14示出了说明操作RF收发器前端的方法的流程图300。所述方法开始302于操作整个系统，RF收发器前端100形成所述系统的一部分。在304处，系统确定前端是将用于发射模式还是接收模式。确定前端将用于发射，然后在306处，分路开关闭合或者如果已经闭合的话则保持闭合，并且发射分支用于在308处进行发射。如上文所解释的，由闭合的分路开关提供的短路通过阻抗匹配网络有效变换为用于接收分支的开路输入阻抗，并且因此如果待发射信号中的任何信号能够泄漏到接收分支中，则泄漏的信号非常少。
如果在310处确定继续对系统进行操作，则如处理流312所示出的，处理返回到304，在304处再次确定系统进行发射还是接收。如果系统进行接收，则在314处，如果分路开关先前闭合则所述分路开关断开，或者如果先前断开则保持断开，并且在316处，将接收分支的输入阻抗与接收分支下游部分的输入阻抗进行匹配，例如当阻抗匹配网络124提供低噪声放大器130或预匹配网络128时。因此，由于接收分支与下游部件之间的良好输入阻抗匹配，使得接收到的RF信号有效引入到所述接收分支和所述下游部件。
然后，所述方法可以继续并且通过系统控制分路开关的断开和闭合来重复，取决于收发器是处于接收操作模式还是发射操作模式。
可以将本文所描述的技术用于以高频率操作的任何时分双工(TDD)系统的前端。在这种系统中，天线端口处需要存在某种开关功能，以实现接收或发射。此技术将λ/4型开关的操作频率从非常高的频率(＞60GHz)扩展到较低频率，因为所述较低频率允许减小传输线的长度，在一些情况下减小到零，并且会减少插入损耗并改善接收器的噪声系数。传输线的减小的物理大小也改善了简易性，利用所述简易性前端可以被实施为集成电路。
在本说明书中，已经根据所选一组细节呈现了示例实施例。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以实践包括不同的所选一组这些细节的许多其它示例实施例。以下权利要求旨在涵盖所有可能的示例实施例。
除非明确说明具体顺序，否则可以以任何顺序来执行任何指令和/或流程图步骤。此外，本领域的技术人员将认识到，虽然已经讨论了指令/方法的一个示例组，但是本说明书中的材料可以以各种方式进行组合以也产生其它例子，并且将在由此详细说明提供的上下文中理解本说明书中的材料。
虽然本公开可采用各种修改和替代形式，但是在附图中已经通过举例示出了本公开的细节并且对其进行详细描述。然而，应该理解，除所描述的特定实施例之外，其它实施例也是可能的。还涵盖了落入所附权利要求范围内的所有修改、等效物和替代性实施例。

Claims (9)

1.一种具有操作频率的RF收发器前端，其特征在于，所述RF收发器前端包括：
接收器分支，所述接收器分支包括一段传输线、阻抗匹配网络、布置在所述阻抗匹配网络下游的分路开关和布置在所述分路开关下游的另外的接收器部件，其中所述接收器分支具有接收器分支输入阻抗并且所述另外的接收器部件具有另外的接收器部件输入阻抗；以及
发射器分支，其中所述阻抗匹配网络被配置成当所述分路开关断开并且所述RF收发器前端可操作于接收器模式时，变换所述另外的接收器部件输入阻抗以与所述接收器分支输入阻抗相匹配，并且其中所述阻抗匹配网络进一步被配置成当所述分路开关闭合并且所述RF收发器前端可操作于发射器模式时，变换所述分路开关的所述输入阻抗以将开路呈现为所述接收器分支输入阻抗，并且对于所述操作频率，所述传输线的长度小于λ/4，所述阻抗匹配网络包括：串联布置的电感和并联布置的电容，或者串联布置的电容和并联布置的电感。
2.根据权利要求1所述的RF收发器前端，其特征在于，所述另外的接收器部件是低噪声放大器并且所述另外的接收器部件输入阻抗是低噪声放大器输入阻抗。
3.根据权利要求1所述的RF收发器前端，其特征在于，所述另外的接收器部件为预匹配网络并且所述接收器分支进一步包括布置在预匹配网络下游的低噪声放大器，并且其中另外的接收器部件输入阻抗为预匹配网络输入阻抗。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的RF收发器前端，其特征在于，所述阻抗匹配网络被配置成充当低通网络。
5.根据权利要求1所述的RF收发器前端，其特征在于，所述电容处于所述电感的上游或者所述电容处于所述电感的下游。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的RF收发器前端，其特征在于，所述阻抗匹配网络被配置成充当高通网络。
7.一种包括集成电路的封装，其特征在于，所述集成电路被配置成提供根据权利要求1到6中任一项所述的RF收发器前端。
8.一种时分双工通信系统，其特征在于，所述时分双工通信系统包括根据权利要求1到6中任一项所述的RF收发器前端或根据权利要求7所述的封装。
9.一种操作具有连接到公共天线的接收器分支和发射器分支的RF收发器前端的方法，其特征在于，所述RF收发器前端包括接收器分支和发射器分支，所述接收器分支包括布置在阻抗匹配网络下游的分路开关和所述分路开关下游的另外的接收器部件，所述阻抗匹配网络包括串联布置的电感和并联布置的电容，或者串联布置的电容和并联布置的电感，所述接收器分支包括一段传输线，所述方法包括：
当所述分路开关断开并且所述RF收发器前端可操作于接收器模式时，变换所述另外的接收器部件输入阻抗以与所述接收器分支输入阻抗相匹配；
当所述分路开关闭合并且所述RF收发器前端可操作于发射器模式时，变换所述分路开关的所述输入阻抗以将开路呈现为所述接收器分支输入阻抗，并且对于RF收发器前端的操作频率，所述传输线的长度小于λ/4。
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