CN111052603B - 可配置功率组合器和分配器 - Google Patents

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Abstract

一种信号处理电路，减少了每个天线元件的裸片尺寸和功耗。该信号处理电路(300)包括端口的第一集合(P1、P2)、第三端口(P3)、第一路径(302)、第二路径(304)、以及第一晶体管(T1)。第一路径(302)在第三端口(P3)与端口的第一集合中的第一端口(P1)之间。第二路径(304)在第三端口(P3)与端口的第一集合中的第二端口(P2)之间。第一晶体管(T1)耦合在第一路径(302)和第二路径(304)之间。第一晶体管(T1)被配置为接收控制信号(S1)以控制第一晶体管(T1)以调整第一路径(302)和第二路径(304)之间的阻抗。

Description

可配置功率组合器和分配器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月11日提交的题为“可配置功率组合器和分配器”的美国临时专利申请号62/557,089的权益，其公开内容明确地通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体涉及一种相控阵前端。更具体地，本公开涉及一种用于第五代(5G)毫米波前端的可配置功率组合器和分配器(CPCS)。
背景技术
由于考虑到成本和功耗，移动射频(RF)芯片设计(例如，移动RF收发器)已经过渡到深亚微米工艺节点。通过所增加的电路功能和支持通信增强的设备，移动RF收发器的设计复杂性更加复杂。例如，技术的进步导致出现蜂窝通信标准和协议，诸如使用包含多个天线元件的物理小型天线阵列的新型5G无线电(NR)毫米波。
期望配置天线元件的数目以适应电子设备或用户设备的操作。例如，在某些操作模式下，可以使用第一数目的天线元件，并且在不同的操作模式下，可以使用第二数目的天线元件。一些系统通过选择性地切断耦合到天线的有源元件(例如，功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA))的功率来提供可配置的天线阵列。然而，射频集成电路(RFIC)的求和网络/分配网络通常经由不可配置的无源元件(诸如威尔金森(Wilkinson)功率组合器或经典威尔金森设备或电阻性功率分配器)来实现，这会增加插入损耗，从而功耗更高。
发明内容
在本公开的一方面中，一种信号处理电路包括端口的第一集合和第三端口。该信号处理电路还包括第三端口与端口的第一集合中的第一端口之间的第一路径。信号处理电路还包括第三端口与端口的第一集合中的第二端口之间的第二路径。更进一步地，信号处理电路包括耦合在第一路径与第二路径之间的第一晶体管。第一晶体管被配置为接收控制信号以控制第一晶体管以调整第一路径和第二路径之间的阻抗。
在本公开的一方面中，一种信号处理电路包括端口的第一集合和第三端口。信号处理电路还包括第三端口与端口的第一集合中的第一端口之间的第一路径。信号处理电路还包括第三端口与端口的第一集合中的第二端口之间的第二路径。更进一步地，信号处理电路包括用于调整第一路径和第二路径之间的阻抗的装置。阻抗调整装置耦合在第一路径和第二路径之间。阻抗调整装置被配置为接收控制信号以使阻抗调整装置调整第一路径和第二路径之间的阻抗。
在本公开的又一方面中，一种信号处理电路的操作方法包括：控制耦合在可配置功率组合器和分配器的第一路径和第二路径之间的第一晶体管，以当在组合器模式下操作时，在第一路径和第二路径之间产生阻抗。在耦合到天线集合的端口的第一集合与耦合到收发器的第三端口之间建立第一路径和第二路径。该方法还包括：当在开关模式下操作时，控制第一晶体管以使第一路径与第二路径解耦。
这已经对本公开的特征和技术优点进行了相当广泛地概述，以便可以更好地理解以下的具体实施方式。下文对本公开的附加特征和优点进行描述。本领域技术人员应当领会，本公开可以容易地用作修改或设计用于执行本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，如所附权利要求所阐述的，这种等同构造没有背离本公开的教导。当结合附图考虑时，从以下描述中更好地理解被认为是本公开的特点的新颖特征(两者均关于组织和操作方法)以及其他目的和优点。然而，应当清楚理解，提供附图中的每个附图仅出于说明和描述的目的，并且不旨在作为对本公开的限制的定义。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在，结合附图参考以下描述。
图1示出了与无线通信系统通信的无线设备。
图2示出了根据本公开的一方面的图1中的无线设备的框图。
图3图示了根据本公开的一个方面的可配置功率组合器和分配器(CPCS)的示例。
图4A图示了根据本公开的一方面的差分可配置功率组合器和分配器(CPCS)的示例。
图4B图示了根据本公开的一方面的处于组合模式的差分可配置功率组合器和分配器(CPCS)的示例。
图4C图示了根据本公开的一方面的处于开关模式的差分可配置功率组合器和分配器(CPCS)的示例。
图5图示了根据本公开的一方面的八路可配置功率组合器和分配器(CPCS)。
图6图示了射频集成电路(RFIC)的体系架构的示例以及其中集成有射频集成电路的两个天线模块的分解图。
图7图示了根据本公开的各方面的包括可配置功率组合器和分配器的示例性系统。
图8描绘了用于可配置功率组合器和分配器的阻抗匹配方法的简化流程图。
图9是示出了其中可以有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统的框图。
具体实施方式
结合附图，下文所阐述的具体实施方式旨在作为各种配置的描述，并非旨在表示可以实践本文中所描述的概念的唯一配置。为了提供对各种概念的透彻理解，具体实施方式包括特定细节。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，以框图形式示出了公知结构和组件，以避免模糊这些概念。如本文中所描述的，术语“和/或”的使用旨在表示“兼或”，术语“或”的使用旨在表示“异或”。
当前开发的毫米波(mmW)频带的下一代蜂窝技术(5G)期望低成本的相控阵收发器。即使具有波束成形的好处，由于移动形式因素的空间约束，在维持功率放大器(PA)的可接受功率附加效率(PAE)、低噪声放大器(LNA)的噪声因数(NF)和全部收发器功耗的同时增加传输输出功率，重要的是要使链路预算可允许的路径损耗最大，并且使手机外壳温度最低。附加地，相控阵收发器被指定为支持双极化通信。为了有助于使用收发器阵列来产生用户驻地设备或基站尺寸的天线阵列，需要中频(IF)接口，以便可以在携带多个天线模块瓦片的天线基板或背板上实现低损耗IF功率组合和分配网络。
本公开的各方面包括一种射频集成电路(RFIC)，与其他解决方案(例如，硅锗(SiGe)解决方案)相比较，该集成电路显着减小了裸片尺寸和每个天线元件的功耗。与硅锗双极异质结晶体管互补金属氧化物半导体(BiCMOS)解决方案相比较，本发明还在每个天线元件的可比较区域中改善了传输功率输出和噪声系数。根据本公开的各方面，RFIC还支持每次极化时三个四通道子阵列组之间的切换或组合，从而使得智能电话和小型蜂窝应用都能够通过单个射频集成电路(RFIC)设计来服务。
在本公开的一个方面中，包括功率组合器和分配器的射频集成电路(例如，收发器)可以包括一个或多个可配置功率组合器和分配器(CPCS)。第一可配置功率组合器和分配器包括第一晶体管，该第一晶体管耦合在第一路径和第二路径之间。在本公开的一个方面中，第一晶体管耦合在第一电阻器和第二电阻器之间。因为CPCS可以被配置为功率组合器/分配器或开关，所以包括该晶体管是有益的。在耦合到多个天线的端口的第一集合和耦合到收发器的第三端口之间建立第一路径和第二路径。例如，如图6所示，天线可以是具有可选择的贴片和偶极子阵列的用户设备天线模块。可替代地，还如图6所示，天线可以是具有贴片阵列配置的基站天线瓦片。
第一可配置功率组合器和分配器接收由控制设备提供的第一控制信号。第一控制信号控制第一晶体管以调整第一路径和第二路径之间的阻抗。调整后的阻抗包括组合器模式下的特性阻抗。进一步地，在开关模式下，第一控制信号使得第一晶体管将第一路径与第二路径解耦。在组合器模式下，第一路径和第二路径处于操作中。然而，在开关模式下，仅一个路径(例如，第一路径或第二路径)处于操作中。例如，在开关模式下，仅通过第一路径或第二路径来接收或传输用于无线通信的射频信号。
在一个方面中，第一可配置功率组合器和分配器可以具有差分配置，使得第一路径是第一差分路径，并且第二路径是第二差分路径。例如，第一差分路径可以包括极性不同的第一子路径和第二子路径。可以在端口的第一集合中的第一差分端口(例如，极性不同的两个端口)和耦合到收发器的第三差分端口(例如，第三端口和第四端口)之间建立第一差分路径。类似地，第二差分路径还可以包括极性不同的第三子路径和第四子路径。可以在第三差分端口和端口的第一集合中的第二差分端口之间建立第二差分路径。
第一可配置功率组合器和分配器包括第一差分路径中的第一变压器，该第一变压器被配置为感应耦合第一子路径和第二子路径。类似地，第二变压器被包括在第二差分路径中，以感应耦合第三子路径和第四子路径。
第一可配置功率组合器和分配器还包括第二晶体管和第三晶体管。第二晶体管并联耦合到第一路径。例如，第二晶体管耦合在第一路径和接地之间。第三晶体管并联耦合到第二路径。例如，第三晶体管耦合在第二路径和接地之间。
第一可配置功率组合器和分配器还接收第二控制信号和第三控制信号。第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号可以由同一控制设备提供。第二控制信号在组合器模式下使得第二晶体管禁用，或者在开关模式下使得第二晶体管将第一路径短路到接地。第三控制信号在组合器模式下使得第三晶体管禁用，或者在开关模式下使得第三晶体管将第二路径短路到接地。
在本公开的一些方面中，功率组合器和分配器还包括：第二可配置功率组合器和分配器，其耦合到端口的第一集合中的第一端口；以及第三可配置功率组合器和分配器，其耦合到端口的第一集合中的第二端口。
在本公开的一个方面中，晶体管包括N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管。可替代地，晶体管可以是P型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管，或者是P型金属氧化物半导体晶体管和N型金属氧化物半导体晶体管的组合。
本公开的各方面可以在图1和图9的系统中实现。更具体地，本公开的各方面可以在图2的无线设备中实现。
图1示出了与无线通信系统120通信的无线设备110。该无线设备110包括用于第五代(5G)毫米波前端的可配置功率组合器和分配器(CPCS)。无线通信系统120可以是5G系统、长期演进(LTE)系统、码分多址(CDMA)系统、全球移动通信系统(GSM)系统、无线局域网(WLAN)系统、毫米波(mmW)技术、或某个其他无线系统。CDMA系统可以实现宽带CDMA(WCDMA)、时分同步CDMA(TD-SCDMA)、CDMA2000、或CDMA的某个其他版本。在毫米波(mmW)系统中，多个天线用于波束成形(例如，在30GHz、60GHz等范围内)。为了简单起见，图1示出了包括两个基站130和132以及一个系统控制器140的无线通信系统120。一般而言，无线系统可以包括任何数目的基站和任何数目的网络实体。
无线设备110可以被称为用户设备(UE)、移动台、终端、接入终端、订户单元、站等。无线设备110还可以是蜂窝电话、智能手机、平板电脑、无线调制解调器、个人数字助理(PDA)、手持设备、膝上型计算机、智能本、上网本、无绳电话、无线本地环路(WLL)站、蓝牙设备等。无线设备110可能能够与无线通信系统120进行通信。无线设备110还可能能够从广播站(例如，广播站134)接收信号，从一个或多个全球导航卫星系统(GNSS)中的卫星(例如，卫星150)接收信号等。无线设备110可以支持用于无线通信的一种或多种无线电技术，诸如5G、LTE、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、GSM、802.11等。
无线设备110可以支持载波聚合，该载波聚合是对多个载波的操作。载波聚合还可以称为多载波操作。根据本公开的方面，无线设备110可以能够在698至960兆赫兹(MHz)的低频带、从1475MHz至2170MHz的中频带、和/或从2300MHz至2690MHz的高频带、3400MHz至3800MHz的超高频带、以及从5150MHz至5950MHz的LTE非许可频带(LTE-U/LAA)中的长期演进(LTE)中操作。低频带、中频带、高频带、超高频带和LTE-U是指五组频带(或频带组)，其中每个频带组包括若干个频带(或简称为“频带”)。例如，在一些系统中，每个频带可以覆盖高达200MHz，并且可以包括一个或多个载波。例如，在LTE中，每个载波可以覆盖多达40MHz。当然，频带中的每个频带的范围仅是示例性的而非限制性的，并且可以使用其他频率范围。LTE版本11支持35个频带，这些频带被称为LTE/UMTS频带，在3GPP TS 36.101中列出。在LTE版本11中，无线设备110可以被配置为在一个或两个频带中具有多达五个载波。
图2示出了图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包括耦合到主天线210的收发器220、耦合到次级天线212的收发器222、以及数据处理器/控制器280。收发器220包括多个(K)接收器230pa至230pk和多个(K)发射器250pa至250pk，以支持多个频带、多种无线电技术、载波聚合等。收发器222包括L个接收器230sa至230sl和L个发射器250sa至250sl，以支持多个频带、多种无线电技术、载波聚合、接收分集、从多个传输天线到多个接收天线的多输入多输出(MIMO)传输等。
在图2所示的示例性设计中，每个接收器230包括LNA 240和接收电路242。对于数据接收，天线210从基站和/或其他发射器站接收信号，并且提供接收的射频(RF)信号，该接收的射频(RF)信号通过天线接口电路224路由并且作为输入RF信号呈现给所选择的接收器230。天线接口电路224可以包括开关、双工器、传输滤波器、接收滤波器、匹配电路等。下文的描述假设接收器230pa是所选择的接收器。在接收器230pa内，LNA 240pa放大输入RF信号并且提供输出RF信号。接收电路242pa将来自RF的输出RF信号降频转换为基带，对降频信号进行放大和滤波，并且向数据处理器280提供模拟输入信号。接收电路242pa可以包括混频器、滤波器、放大器、匹配电路、振荡器、本地振荡器(LO)发生器、锁相环(PLL)等。收发器220和222中的每个剩余接收器230可以以与接收器230pa类似的方式操作。
在图2所示的示例性设计中，每个发射器250包括传输电路252和功率放大器(PA)254。对于数据传输，数据处理器280处理(例如，编码和调制)要传输的数据，并且向所选择的发射器提供模拟输出信号。下文的描述假设发射器250pa是所选择的发射器。在发射器250pa内，传输电路252pa对模拟输出信号进行放大和滤波，并且将其从基带升频转换为RF，并且提供经调制的RF信号。传输电路252pa可以包括放大器、滤波器、混频器、匹配电路、振荡器、LO发生器、PLL等。功率放大器(PA)254pa接收并且放大经调制的RF信号，并且提供具有适当输出功率水平的传输RF信号。传输RF信号通过天线接口电路224路由，并且经由天线210传输。收发器220和222中的每个剩余发射器250可以以与发射器250pa类似的方式操作。
图2示出了接收器230和发射器250的示例性设计。接收器230和发射器250还可以包括图2中未示出的其他电路，诸如滤波器、匹配电路等。收发器220和222的全部或一部分可以在一个或多个模拟集成电路(IC)、RF IC(RFIC)、混合信号IC等上实现。例如，如下文所描述的，收发器220和222内的LNA 240和接收电路242可以在多个IC上实现。收发器220和222中的电路还可以以其他方式实现。
数据处理器/控制器280可以执行无线设备110的各种功能。例如，数据处理器280可以对经由接收器230所接收的数据和经由发射器250所传输的数据执行处理。控制器280可以控制收发器220和222内的各种电路的操作。在一些方面中，收发器220和222还可以包括控制器，以控制相应收发器内的各种电路(例如，LNA 240)。存储器282可以存储用于数据处理器/控制器280的程序代码和数据。数据处理器/控制器280可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或其他IC上实现。
在一些实现方式中，图2的示例性收发器220和/或示例性收发器222的LNA和PA还可以被实现为用于相控阵收发器的LNA和PA的一个或多个阵列(例如，如参考图6所描述的)。相控阵收发器用于诸如30GHz和60GHz之类的更高频率通信，以实现波束成形的优势。
图3图示了根据本公开的方面的可配置功率组合器和分配器(CPCS)300的示例。CPCS 300包括第一开关T1、第二开关T2、第三开关T3、第一单端端口P1、第二单端端口P2、第三单端端口P3、第一电阻器R1、第二电阻器R2、接地306和控制信号S1，该控制信号S1被提供给第一开关T1以控制第一开关T1。电路是组合还是分配取决于是将图3中的第一单端端口P1和第二单端端口P2(组合)视为输入还是将图3中的第三单端端口P3(分配)视为输入。例如，在开关模式下，第一单端端口P1和第三单端端口P3或第二单端端口P2和第三单端端口P3之间存在连接，但是在所有三个节点之间不存在连接。
例如，控制信号S1可以是反相信号，并且可以包括用于一个操作模式的第一反相控制信号和用于另一操作模式的第二反相控制信号/>例如，S1可以是控制信号和/>的逻辑或。控制信号S2可以用于控制第二开关T2，并且控制信号S3可以用于控制第三开关T3。控制信号S2和S3可以各自包括第一反相控制信号(例如，反相控制信号)和第二反相控制信号(例如，反相控制信号/>)。例如，反相控制信号/>可以用于在一个操作模式下控制第二开关T2，并且反相控制信号/>可以用于在操作模式下控制第三开关T3。
CPCS 300包括第一单端路径302和第二单端路径304。第一开关T1耦合在第一单端路径302和第二单端路径304之间。在耦合到多个天线(未示出)的端口的第一集合(例如，单端端口P1和P2)与耦合到收发器(未示出)的第三单端端口P3之间建立了第一单端路径302和第二单端路径304。
在组合器/分配器模式下，控制第一开关T1以在第一单端路径302和第二单端路径304之间产生特性阻抗。在开关模式下，第一开关T1被控制为使第一单端路径302与第二单端路径304解耦。第二开关T2并联耦合到第一单端路径302。第二开关T2被控制为使其在组合器模式下关断(或当T2为晶体管时断开)。然而，在开关模式下，第二开关T2被控制为使得当在开关模式下选择第二单端路径304时，第二开关T2将第一单端路径302短路到接地306。否则，当在开关模式下选择第一单端路径302时，如同在组合器/分配器模式下一样，第二开关T2为关断(或当T2为晶体管时断开/禁用)。
同样，第三开关T3并联耦合到第二单端路径304。第三开关T3被控制为使得其在组合器模式下为关断(或当T3为晶体管时断开)。然而，在开关模式下，第三开关T3被控制为使得当在开关模式下选择第一单端路径302时，第三开关T3将第二单端路径304短路到接地306。否则，当在开关模式下选择第二单端路径304时，如同在组合器模式下一样，第三开关T3被控制为使得其被禁用。虽然在图3中，T1、T2和T3被表示为开关，但是T1、T2和T3还可以表示为被配置为用作开关的晶体管。因此，与可以接通和关断的开关类似，当“0”信号施加到晶体管的栅极时，晶体管可以关断，并且当“1”施加到晶体管的栅极时，晶体管可以闭合。
图4A图示了根据本公开的方面的差分可配置功率组合器和分配器(CPCS)400A的示例。差分CPCS 400A是两路CPCS。为了说明的目的，图4A的设备和特征的标记和编号中的一些标记和编号与图3的标记和编号类似。例如，图4A的CPCS 400A包括第一开关T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第一电阻器R1、第二电阻器R2和接地306。然而，CPCS 400A根据差分配置来配置，因此包括其他晶体管、电阻器和设备。例如，CPCS 400A还包括第四开关T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第一CPCS端口P1+、第二CPCS端口P1-、第三CPCS端口P2+、第四CPCS端口P2-、第五CPCS端口P3+、第六CPCS端口P3-、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第五电阻器R5、第六电阻器R6、第七电阻器R7、第八电阻器R8、第一电容器C1、第二电容器C2、以及控制/逻辑设备408。
虽然在图4A和图4B中，T1和T4被表示为开关，但是T1和T4还可以被表示为配置为用作开关操作的晶体管。因此，与可以接通和关断的开关类似，当“0”信号施加到晶体管的栅极时，晶体管可以断开，而当“1”施加到晶体管的栅极时，晶体管可以闭合。
第一电容器C1的电容可以与第二电容器C2的电容相同。第一CPCS端口P1+和第二CPCS端口P1-形成第一差分端口，第三CPCS端口P2+和第四CPCS端口P2-形成第二差分端口，并且第五CPCS端口P3+和第六CPCS端口P3-形成第三差分端口。
逻辑设备408包括输入端子418和420以及输出端子422。逻辑设备408的输出端子422耦合到开关T1和T4。逻辑设备408处理诸如第一反相控制信号和第二反相控制信号/>之类的控制信号。例如，逻辑设备408在输入端子418和420处接收控制信号S(例如，和/>)，并且将所得的控制信号从输出端子422传播到开关T1和T4，以控制开关T1和T4。还向开关T2、T3、T5和T6提供控制信号(例如，/>或/>)，以控制晶体管以实现CPCS400A的特定操作模式。例如，控制信号被提供给晶体管T2、T3、T5和T6中的每个晶体管的栅极。
差分CPCS 400A包括第一差分路径402和第二差分路径404。在耦合到多个天线(未示出)的CPCS端口P1+、P1-、P2+和P2-与耦合到收发器(未示出)的CPCS端口P3+和P3-之间建立了第一差分路径402和第二差分路径404。第一开关T1耦合在第一差分路径402和第二差分路径404之间。例如，第一开关T1并联耦合到第一差分路径402的第一子路径424，并且并联耦合到第二差分路径404的第二子路径426，使得第一开关T1在第一子路径424和第二子路径426之间。第一子路径424位于第一CPCS端口P1+和第五CPCS端口P3+之间。第二子路径426位于第三CPCS端口P2+和第五CPCS端口P3+之间。在本公开的一个方面中，第一开关T1耦合在第一电阻器R1和第二电阻器R2之间。
同样，第四开关T4耦合在第一差分路径402和第二差分路径404之间。例如，第四开关T4并联耦合到第一差分路径402的第三子路径428，并且并联耦合到第二差分路径404的第四子路径430，使得第四开关T4位于第三子路径428和第四子路径430之间。第三子路径428位于第二CPCS端口P1-和第六CPCS端口P3-之间。第四子路径位于第四CPCS端口P2-和第六CPCS端口P3-之间。在本公开的一个方面中，第四开关T4耦合在第三电阻器R3和第四电阻器R4之间。电阻器R1、R2、R3和R4是隔离电阻器，以将第一差分路径402与第二差分路径404隔离(例如，当晶体管T1和T4被启用或接通时)。
在本公开的一些方面中，第一差分路径402和第二差分路径404在节点414和416与共享端口P3+和P3-之间具有共享路径。例如，第一子路径424和第二子路径426在节点414和第五CPCS端口P3+之间具有第一共享子路径。第三子路径428和第四子路径430在节点416和第六CPCS端口P3-之间具有第二共享子路径。第一电容器C1并联耦合到第一共享子路径。例如，第一电容器C1耦合在第一共享子路径和接地306之间。第二电容器C2并联连接到第二共享子路径。例如，第二电容器C2耦合在第二共享子路径和接地306之间。
在本公开的一个方面中，差分CPCS 400A包括第一变压器410和第二变压器412。第一变压器410被包括在第一差分路径402中，而第二变压器412被包括在第二差分路径404中。第一变压器410电感耦合第一差分路径402的第一子路径424和第三子路径428。第二变压器412电感耦合第二差分路径404的第二子路径426和第四子路径430。第一变压器410可以耦合在第一CPCS端口P1+和第二CPCS端口P1-与第一差分路径402和第二差分路径404的节点414和416之间。第二变压器412可以耦合在第三CPCS端口P2+和第四CPCS端口P2-与第一差分路径402和第二差分路径404的节点414和416之间。
第二晶体管T2和第五晶体管T5并联耦合到第一差分路径402。例如，第二晶体管T2的漏极耦合到第一子路径424，第二晶体管T2的栅极耦合到第五电阻器R5，并且第二晶体管T2的源极耦合到接地306。第二晶体管T2的栅极经由第五电阻器R5或直接接收控制信号S2(例如，)。同样，第五晶体管T5的漏极耦合到第三子路径428，第五晶体管T5的栅极耦合到第六电阻器R6，并且第五晶体管T5的源极耦合到接地306。第五晶体管T5的栅极经由第六电阻器R6或直接接收控制信号S5(例如，/>)。
第三晶体管T3和第六晶体管T6并联耦合到第二差分路径404。例如，第三晶体管T3的漏极耦合到第二子路径426，第三晶体管T3的栅极耦合到第七电阻器R7，并且第三晶体管T3的源极耦合到接地306。第三晶体管T3的栅极经由第七电阻器R7或直接接收控制信号S3(例如，)。同样，第六晶体管T6的漏极耦合到第四子路径430，第六晶体管T6的栅极耦合到第八电阻器R8，并且第六晶体管T6的源极耦合到接地306。第六晶体管T6的栅极经由第八电阻器R8或直接接收控制信号S6(例如，/>)。尽管晶体管被图示为NMOS晶体管，但是PMOS晶体管同样适用于实现CPCS 400A。然而，当晶体管是PMOS晶体管时，到晶体管的控制信号相应地改变。
图4B图示了根据本公开的方面的在组合/分配模式下的差分可配置功率组合器和分配器(CPCS)400B的示例。为了说明的目的，图4B的设备和特征的标记和编号中的一些标记和编号与图4A的标记和编号相似。
应当指出，在较低的频率下，接通晶体管(例如，N型场效应晶体管)的特性包括晶体管的栅极处的高电压(例如，高于阈值电压)和流过晶体管的大电流。关断晶体管(例如，N型场效应晶体管)的特性包括晶体管的栅极处的低电压(例如，低于阈值电压)并且基本上没有电流流过该晶体管。针对接通晶体管特性和关断晶体管特性的P型场效应晶体管的栅极处的电压与N型场效应晶体管的电压不同。例如，接通晶体管(例如，P型场效应晶体管)的特性包括P型场效应晶体管的栅极处的低电压(例如，低于阈值电压)。
然而，在较高的频率下，当晶体管正在用作开关时，晶体管要么闭合(并且以低电阻为特征)，要么断开(并且以电容器为特征)。例如，在断开状态下，该晶体管被视为已禁用，从而意味着该晶体管的栅极至源极电压小于阈值电压，导致该晶体管充当电路中的电容器(其电容包括该晶体管的寄生电容)。例如，当晶体管用作开关，并且断开且表征为电容器时，晶体管的寄生电容可以包括漏极(或源极)到基板电容、漏极(或源极)到栅极电容、和/或金属氧化物半导体(MOS)晶体管中的寄生电容。
在组合模式(例如，高频组合模式)下，CPCS 400B用作具有晶体管T2、T3、T5和T6的寄生电容的传统威尔金森组合器，从而提供CPCS 400B的集总电容。例如，在组合模式下，晶体管T2、T3、T5和T6断开(或者当晶体管用作开关时关断)，并且它们被表征为电容器C3、C4、C5和C6。电容器C3、C4、C5和C6可以具有相同的电容(例如，偏移电容Coff1)。
例如，在组合模式下，第一反相控制信号和第二反相控制信号/>均为零(0)，并且逻辑设备408(例如，反相器)的输出为一。这种配置导致开关T1和T4接通，并且晶体管T2、T3、T5和T6关断。应当指出，图4B中的晶体管T2、T3、T5和T6被表征为电容器C3、C4、C5和C6。在该配置中，CPCS 400B处于组合模式下，其中两个通道(例如，与第一差分路径402和第二差分路径404相关联)都在操作。
接通开关T1和T4在第一差分路径402和第二差分路径404之间产生特性阻抗。例如，接通开关T1在第一子路径424和第二子路径426之间产生特性阻抗。同样，接通开关T4在第三子路径428和第四子路径430之间产生特性阻抗。均匀传输线路的特性阻抗(通常写为Z0)是沿着线路传播的单个波的电压和电流的幅度的比率。例如，沿着线路传播的单个波是在一个方向上行进的波，而另一方向上没有反射。
图4C图示了根据本公开的方面的处于开关模式下的差分可配置功率组合器和分配器(CPCS)400C的示例。为了说明的目的，图4C的设备和特征的标记和编号中的一些标记和编号与图4A的标记和编号相似。
在开关模式(例如，高频开关模式)下，第一反相控制信号为零，以及第二反相控制信号/>为一，并且逻辑设备408(例如，反相器)的输出为零。在该模式下，隔离电阻器R1和R2之间的第一开关T1断开，其在第一子路径424和第二子路径426之间产生高阻抗。因而，第一开关T1导致第一子路径与第三子路径解耦。应当指出，图4C中的开关T1由解耦电容器C7表示。同样，隔离电阻器R3和R4之间的第四开关T4断开，其在第三子路径428和第四子路径430之间产生高阻抗。因而，第四开关T4使第三子路径428与第四子路径430解耦。应当指出，图4C中的开关T4由解耦电容器C8表示。
在开关模式下，晶体管T2和T5断开(或当晶体管用作开关时关断)，并且分别表示为电容器C3和C4。然而，晶体管T3和T6闭合，并且由电阻R9和R10表示，该电阻R9和R10将第二差分路径404短路到接地306。例如，在开关模式下，晶体管T3将第二子路径426短路到接地306，并且晶体管T6将第四子路径430短路到接地306。闭合晶体管T3和T6会在未使用的端口P2+和P2-产生大阻抗(高Z)。例如，当与端口P2+和P2-相关联的变压器412的绕组通过晶体管T3和T6短路到接地时，可以通过电容器C1和C2与变压器412的绕组的并联谐振来实现高阻抗。
对于相同的芯片面积并且在二十八千兆赫(28GHz)频率通信期间，可配置功率组合器和分配器在组合模式下的两路插入损耗为0.8分贝(dB)，其与传统威尔金森组合器(0.7dB)基本上相同或略有增加。同样，可配置功率组合器和分配器的八路插入损耗和传统威尔金森组合器在组合模式下类似。例如，可配置功率组合器和分配器在组合模式下的八路插入损耗为2.4dB，其与传统威尔金森组合器的插入损耗(2.1dB)基本上相同或略有增加。
然而，与传统威尔金森组合器相比较，可配置功率组合器和分配器的优点在单路径或开关模式下更为明显。例如，可配置功率组合器和分配器在开关模式下的两路插入损耗为1.5dB，而传统威尔金森组合器为3.7dB。这种差异在八路配置中更大，其中可配置功率组合器和分配器的插入损耗为4.5dB，而传统威尔金森组合器的插入损耗为11.1dB。可配置功率组合器和分配器的端口P1+或P1-与端口P2+或P2-之间的隔离(例如，18dB)几乎与使用相同制造技术以及能够将功率组合器配置为组合器/分配器或开关的其他益处的可接受折衷方案实现的传统威尔金森组合器的隔离(例如，20dB)一样好。
图5图示了根据本公开的各方面的八路可配置功率组合器和分配器(CPCS)500。八路CPCS 500包括第一端口P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8的集合以及第二端口P9。第一端口P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8的集合中的一些或每个端口连接到不同的天线。八路CPCS 500包括第一两路CPCS 502、第二两路CPCS 504、第三两路CPCS 506和第四两路CPCS 508。第一两路CPCS 502和第二两路CPCS 504耦合到第五两路CPCS 510。第三两路CPCS 506和第四两路CPCS 508耦合到第六两路CPCS 512。第五两路CPCS 510和第六两路CPCS 512耦合到第七两路CPCS 514。
八路CPCS 500的每个两路CPCS可以与CPCS 400A或CPCS 300类似。例如，八路CPCS500的每个两路CPCS可以根据开关模式或组合器模式进行操作，使得可以选择多个路径以进行通信。在一个方面中，可以选择端口P1和端口P9之间的路径516以进行通信。在这种情况下，第一两路CPCS 502、第二两路CPCS 504和第三两路CPCS 506被关断或禁用。禁用第一两路CPCS 502、第二两路CPCS 504、第三两路CPCS 506和第五两路CPCS 510中的每个两路CPCS的所有路径和子路径(如参考图4A、图4B和图4C所描述的)与禁用CPCS 300的所有路径类似，其包括接通开关T2和T3以使路径302和304短路到接地306。
在一些方面中，第四两路CPCS 508(通过段516d)、第六两路CPCS 512(通过段516e)和第七两路CPCS 514(通过段516f)中的路径或子路径中的仅一些路径或子路径被禁用。如图5所示，当子路径或路径中的一些子路径或路径被禁用时，第四两路CPCS 508、第六两路CPCS 512和第七两路CPCS 514被配置为处于开关模式下。例如，第四两路CPCS 508、第六两路CPCS 512和第七两路CPCS 514可以各自与CPCS 300类似。禁用第四两路CPCS 508、第六两路CPCS 512和第七两路CPCS 514中的每个两路CPCS的路径中的一些路径与禁用CPCS 300的路径类似，其包括接通开关T2以禁用到接地306的路径302，同时关断开关T3，使得信号流过路径304。在第四两路CPCS 508、第六两路CPCS 512和第七两路CPCS 51的情况下，信号流过端口P1和P9之间的段516a、516b和516c。
所提出的CPCS显着减少了路径损耗。例如，对于八天线阵列，当启用单个路径(例如，路径516)时，总损耗仅为4.5dB，其与传统威尔金森组合器相比较，节省了超过6dB。八天线阵列可以具有端口集合(例如，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8)，其中每个端口连接到不同天线。而且，与传统威尔金森组合器相比较，可以在相同芯片区域中减少损耗的情况下来启用任何数目的路径或子路径(例如，第四子路径430)。
图6图示了包括RFIC 610的射频集成电路(RFIC)体系架构600的示例以及集成了射频集成电路610的两个天线模块的分解图。两个天线模块中的第一天线模块620是用户设备(UE)模块。两个天线模块中的第二天线模块630是基站模块。天线模块620和630中的每个天线模块均包括安装在称为接地平面616的较大金属(或导电材料)片上方的金属(或导电材料)的扁平矩形片或“贴片”614。
UE模块620可以是具有可选择贴片和偶极子阵列的倒装芯片球栅阵列(BGA)UE天线模块。例如，UE模块620成对使用RFIC 610(例如，RFIC#1和RFIC#2)以使得能够测试不同的UE天线阵列，诸如1x4偶极子、1x4贴片、2x2贴片和2x4贴片。在基站(BS)阵列瓦片中，4×4贴片阵列608处于活动状态，其中一个边缘上具有两个虚拟贴片行612。RFIC 610分为六组4-通道子阵列，针对在裸片的顶部(例如，第一天线子阵列602)、右部(例如，第二天线子阵列604)、以及左部(例如，第三天线子阵列606)上的每个极化各有一组。
具有极化“A”的六组4-通道子阵列中的第一组4-通道子阵列包括天线ANT0A、ANT1A、ANT2A和ANT3A。具有极化“A”的六组4-通道子阵列中的第二组4-通道子阵列包括天线ANT4A、ANT5A、ANT6A和ANT7A。具有极化“A”的六组4-通道子阵列中的第三组4-通道子阵列包括天线ANT8A、ANT9A、ANT10A和ANT11A。具有极化“B”的六组4-通道子阵列中的第四组4-通道子阵列包括天线ANT0B、ANT1B、ANT2B和ANT3B。具有极化“B”的六组4-通道子阵列中的第五组4-通道子阵列包括天线ANT4B、ANT5B、ANT6B和ANT7B。具有极化“B”的六组4-通道子阵列中的第六组4-通道子阵列包括天线ANT8B、ANT9B、ANT10B和ANT11B。
在一个方面中，集总元件威尔金森功率组合器(例如，618)用于子阵列，并且可配置功率组合器/分配器(例如，622)用于RFIC 610的中心以允许组合或切换子阵列。在不同方面中，集总元件威尔金森功率组合器(例如，618)可以由可配置功率组合器/分配器(例如，622)替代。针对电路体系架构，选择最佳放置可配置功率组合器和分配器的位置。例如，威尔金森功率组合器中的一个或多个威尔金森功率组合器可以用一个或多个可配置功率组合器/分配器替代，反之亦然。
图7图示了根据本公开的各方面的包括可配置功率组合器和分配器的示例性系统700。该系统700可以被配置为用于高频前端(例如，千兆赫频率范围)或用于第五代(5G)前端。系统700包括天线阵列702、传输和接收开关704、低噪声放大器706、功率放大器707、移相器708、以及可配置组合器和分配器710。高频可配置组合器和分配器710可以用于相控阵。应当指出，对于毫米波(mmW)相控阵前端，同相功率组合器和分配器网络是关键部件，尤其是在mmW/射频(RF)路径处进行光束组合的情况下。
在本公开的一个方面中，可以根据开关模式或组合器模式来配置CPCS(例如，CPCS400A、CPCS 400B或CPCS 400C)，以供使用功率放大器707进行传输或使用低噪声放大器706进行接收。在组合器模式下，第一路径和第二路径处于操作中。然而，在开关模式下，仅一个路径(例如，第一路径或第二路径)处于操作中。例如，在开关模式下，仅通过第一路径或第二路径来接收或传输用于无线通信的射频信号。
图8描绘了信号处理电路的操作方法800的简化流程图。在框802处，控制耦合在可配置功率组合器和分配器的第一路径和第二路径之间的第一晶体管，以当在组合器模式下操作时，调整第一路径与第二路径之间的阻抗。在耦合到多个天线的端口的第一集合和耦合到收发器的第三端口之间建立第一路径和第二路径。在框804处，控制第一晶体管，以当在开关模式下操作时，将第一路径与第二路径解耦。
根据本公开的一个方面，描述了一种信号处理电路。该信号处理电路包括用于调整第一路径和第二路径之间的阻抗的装置。阻抗调整装置可以例如是开关或晶体管T1和/或逻辑设备408。在另一方面中，前述装置可以是被配置为执行由前述装置所叙述的功能的任何模块或任何装置或材料。
图9是示出了其中可以有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统的框图。为了说明的目的，图9示出了三个远程单元920、930和950以及两个基站940。应当认识到，无线通信系统可以具有更多的远程单元和基站。远程单元920、930和950包括IC设备925A、925B和925C，IC设备925A、925B和925C包括所公开的功率组合器和分配器。应当认识到，其他设备也可以包括所公开的功率组合器和分配器，诸如基站、开关设备和网络设备。图9示出了从基站940到远程单元920、930和950的前向链路信号980和从远程单元920、930和950到基站940的反向链路信号990。
在图9中，远程单元920被示为移动电话，远程单元930被示为便携式计算机，并且远程单元950被示为无线本地环路系统中的固定位置远程单元。例如，远程单元可以是移动电话、手持式个人通信系统(PCS)单元、诸如个人数字助理(PDA)之类的便携式数据单元、启用GPS的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、诸如抄表设备之类的固定位置数据单元、或者存储或检索数据或计算机指令或其组合的其他通信设备。尽管图9图示了根据本公开的各方面的远程单元，但是本公开不限于这些示例性图示的单元。本公开的各方面可以适当地用于包括信号处理电路的许多设备中。
对于固件和/或软件实现方式，方法可以使用执行本文中所描述的功能的模块(例如，过程、功能等)来实现。有形体现指令的机器可读介质可以用于实现本文中所描述的方法。例如，软件代码可以存储在存储器中并且由处理器单元执行。存储器可以在处理器单元内或在处理器单元外部实现。如本文中所使用的，术语“存储器”是指长期存储器、短期存储器、易失性存储器、非易失性存储器或其他存储器的类型，并且不限于特定类型的存储器或存储器的数目、或存储存储器所基于的介质的类型。
如果以固件和/或软件实现，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括使用数据结构编码的计算机可读介质和使用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是能够由计算机访问的可用介质。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁性存储设备、或可以用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可以由计算机访问的其他介质；如本文中所使用的，盘(disk)和碟(disc)包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中盘通常磁性再现数据，而碟利用激光光学地再现数据。上述的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。
除了存储在计算机可读介质上之外，指令和/或数据还可以被提供作为通信装置中包括的传输介质上的信号。例如，通信装置可以包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置为使得一个或多个处理器实现权利要求中所概述的功能。
结合本文中的公开内容所描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以使用被设计为执行本文中所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是可替代地，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器、或任何其他这种配置。
尽管已经对本公开及其优点进行了详细描述，但是应当理解，在不背离由所附权利要求限定的本公开的技术的情况下，可以在本文中做出各种改变、替换和更改。例如，相对于基板或电子设备使用诸如“上方”和“下方”之类的关系术语。当然，如果基板或电子设备倒置，则上方变为下方，反之亦然。附加地，如果侧向定向，则上方和下方可以是指基板或电子设备的侧面。而且，本申请的范围不旨在限于说明书中所描述的过程、机器、制造以及物质组合物、手段、方法和步骤的特定配置。根据公开内容本领域的普通技术人员应当容易领会，可以根据本公开利用执行基本相同的功能或实现与本文中所描述的对应配置基本相同的结果的目前存在或稍后要开发的过程、机器、制造、物质组合物、手段、方法或步骤。因而，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组合物、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (10)

1.一种信号处理电路，包括：
第一对差分输入端口，包括第一极性输入端口和第二极性输入端口；
第二对差分输入端口，包括第一极性输入端口和第二极性输入端口；
第三对差分输出端口，包括第一极性输出端口和第二极性输出端口；
第一公共输出节点，耦合在所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口之间，并且所述第一公共输出节点耦合到所述第三对差分输出端口的所述第一极性输出端口；
第二公共输出节点，耦合在所述第一对差分输入端口的所述第二极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第二极性输入端口之间，并且所述第二公共输出节点耦合到所述第三对差分输出端口的所述第二极性输出端口；
第一晶体管，耦合在所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口之间，所述第一晶体管被配置为接收第一控制信号，以控制所述第一晶体管来调整所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口之间的阻抗；
第二晶体管，耦合在所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与接地之间；以及
第三晶体管，耦合在所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口与接地之间。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，还包括：第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器和所述第二电阻器与所述第一晶体管串联耦合。
3.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中第二晶体管和第五晶体管分别耦合到所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口和所述第二极性输入端口，第三晶体管和第六晶体管分别耦合到所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口和所述第二极性输入端口，其中所述第二晶体管和所述第五晶体管由第二控制信号控制，并且所述第三晶体管和所述第六晶体管由第三控制信号控制。
4.根据权利要求3所述的信号处理电路，其中第四晶体管耦合在所述第一对差分输入端口的所述第二极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第二极性输入端口之间，其中所述第一控制信号被配置为控制所述第四晶体管。
5.根据权利要求3所述的信号处理电路，还包括：第一变压器和第二变压器，其中所述第一变压器的第一绕组和第二绕组分别耦合在所述第一对差分输入端口与所述第三对差分输出端口之间，并且其中所述第二变压器的第三绕组和第四绕组分别耦合在所述第二对差分输入端口与所述第三对差分输出端口之间。
6.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中所述第一对差分输入端口和所述第二对差分输入端口耦合到多个天线，并且所述第三对差分输出端口耦合到收发器。
7.一种信号处理电路的操作方法，包括：
当在组合器模式下操作时，控制耦合在可配置功率组合器和分配器的第一对差分输入端口的第一极性输入端口与第二对差分输入端口的第一极性输入端口之间的第一晶体管，以在所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口之间产生阻抗，所述第一对差分输入端口和所述第二对差分输入端口耦合到多个天线并且第三对差分输出端口耦合到收发器；
当在开关模式下操作时，控制所述第一晶体管将所述第一对差分输入端口与所述第二对差分输入端口解耦；
控制耦合在所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与接地之间的第二晶体管，以使得所述第二晶体管在所述组合器模式下禁用、或者使得所述第二晶体管在所述开关模式下将所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口短路到接地；以及
控制耦合在所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述接地之间的第三晶体管，以使得所述第三晶体管在所述组合器模式下禁用、或者使得所述第三晶体管在所述开关模式下将所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口短路到接地。
8.根据权利要求7所述的信号处理电路的操作方法，其中所述阻抗包括所述组合器模式下的特性阻抗。
9.一种信号处理电路，包括：
第一对差分输入端口，包括第一极性输入端口和第二极性输入端口；
第二对差分输入端口，包括第一极性输入端口和第二极性输入端口；
第三对差分输出端口，包括第一极性输出端口和第二极性输出端口；
第一公共输出节点，耦合在所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口之间，并且所述第一公共输出节点耦合到所述第三对差分输出端口的所述第一极性输出端口；
第二公共输出节点，耦合在所述第一对差分输入端口的所述第二极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第二极性输入端口之间，并且所述第二公共输出节点耦合到所述第三对差分输出端口的所述第二极性输出端口；
用于调整所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口之间的阻抗的装置，所述阻抗调整装置被配置为接收控制信号以使所述阻抗调整装置调整所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口之间的所述阻抗；
耦合在所述第一对差分输入端口的所述第一极性输入端口与接地之间的晶体管；以及
耦合在所述第二对差分输入端口的所述第一极性输入端口与接地之间的晶体管。
10.根据权利要求9所述的信号处理电路，还包括：第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器和所述第二电阻器与所述阻抗调整装置串联耦合。
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