CN111416614A - 高线性度射频电路及改善射频电路线性度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的各实施例涉及一种高线性度射频电路，其能够在不同电压、电流或功率水平下，电路特性能保持一致。本发明公开了包括级联的二极管和连接偏置支路的二极管模块的实施例以改善射频电路的线性度。所述二极管模块包括反向级联的多个二极管。此外，二极管模块还包括与二极管对并联的连接偏置支路。这种反向级联二极管与连接偏置支路交替联接的配置增加了二极管模块的鲁棒性以处理来自射频路径的高输入电压或功率，从而为射频电路提供了相较于单独的二极管配置更高的线性度。

Description

高线性度射频电路及改善射频电路线性度的方法
技术领域
本发明总体上涉及一种射频电路，并具体涉及一种具有高线性度的射频电路。
背景技术
射频(RF)电路是用于传输、接收或处理无线电信号的电气部件(例如，电阻器、电感器、电容器、开关、晶体管、电压源、电流源等)的互连。移相器是可提供射频(RF)信号的可控相移的微波网络模块。RF电路被广泛地用于例如卫星通信、汽车雷达、5G蜂窝通信、成像和传感等各种应用中。RF电路被期望具有高线性度以使得RF电路在各种电压、电流或功率水平下，RF电路性能可以保持一致。
许多RF电路，例如RF移相器、滤波器、压控振荡器、混频器、或倍频器等，均采用变容二极管作为压控电容。当变容二极管PN结反向偏置时，其二极管的电容大小呈现与电压相关的特性。当处理较高的输入功率时，较大的电压摆幅会改变二极管的直流偏置点，从而限制变容二极管的线性度。
因此，需要一种高线性度RF电路，在不同电压、电流或功率水平下，RF电路性能可以保持一致。
发明内容
本发明涉及一种在不同电压、电流或功率水平下能够一致地操作或起作用的高线性度RF电路。
在一个或多个实施例中，公开了一种包括级联的二极管和连接偏置支路的二极管模块。该二极管模块包括多个反向级联的二极管。在一个或多个实施例中，第一二极管的阴极连接至射频路径(RF)；第二二极管的阳极在第一节点处与第一二极管的阳极连接；第三二极管的阴极在第二节点处与第二二极管的阴极连接，且第三二极管的阳极接地。此外，所述二极管模块还可以包括第一连接偏置支路，所述第一连接偏置支路联接在RF路径和第二节点之间，且第二连接偏置支路联接在第一节点和接地之间。连接偏置支路均可包括电阻器、扼流电感器或者两者的结合。各连接偏置支路中的电阻器的电阻值被设置为足够小以确保每个连接偏置支路的节点之间具有相等或近似相等的直流电位，同时电阻值也被设置为足够大以在节点之间提供所期望的RF隔离。在一个或多个实施例中，可以增加同电阻器串联连接的扼流电感器以进一步改善节点之间的RF隔离。这种反向级联二极管与连接偏置支路交替联接的配置增加了二极管模块的鲁棒性以处理来自RF路径的高输入电压或功率，从而为RF电路提供了相较于单独的二极管配置更高的线性度。
在一个或多个实施例中，除了级联的二极管和连接偏置支路外，二极管模块还可以包括串联电容。该串联电容与一对反向级联的二极管串联连接，并提供RF路径和接地之间进一步的DC阻隔。
在一个或多个实施例中，公开了一种二极管模块，其包括级联的二极管、连接偏置支路、串联电容和偏置电压源。二极管模块包括反向级联连接的第一二极管和第二二极管。所述第一二极管的阳极在第一节点处通过串联电容连接至RF路径(RF)，第一二极管的阴极在第二节点处与第二二极管的阴极连接。所述第二二极管的阳极接地。此外，所述二极管模块还包括第一连接偏置支路和第二连接偏置支路，所述第一连接偏置支路联接在DC电压源VDC和第二节点之间，第二连接偏置支路联接在第一节点和接地之间。二极管模块中的串联电容提供RF路径和接地之间的进一步DC阻隔。在一个或多个实施例中，DC电压源VDC可以调节以向二极管模块提供期望的偏置电压。
二极管模块的各实施例可被应用于多种RF电路，包括但不限于RF移相器、RF滤波器、压控振荡器、混频器、放大器、倍频器等等。仿真模拟结果表明结合了级联二极管模块的RF移相器具有如IP3和IMD3线性性能参数的显著改善，从而验证了反向级联配置的有效性。
附图说明
下面将参照附图中说明的本发明的示例性实施方式。那些附图旨在说明而非限制本发明。虽然本发明大致记载于那些实施方式中，但如此做的目的不是将本发明的保护范围限制为所描述实施方式中的具体技术特征。
图1描述了模拟RF移相器的现有技术。
图2为本发明实施例1中包含级联的二极管和连接偏置支路的二极管模块的示意图。
图3为本发明实施例中2包含级联的二极管、连接偏置支路和串联电容的二极管的示意图。
图4为本发明实施例3中包含级联的二极管、连接偏置支路、串联电容和偏置电压源的二极管模块的示意图。
图5示出了现有技术中的RF移相器与本发明的一个实施例之间的输入IP3仿真结果比较。
图6描述了现有技术中RF移相器的IMD3。
图7示出了本发明一个或多个实施例中的改进型RF模拟移相器的IMD3。
本领域技术人员将认识到，根据说明书能够实施本发明的多种实施方式和实施例。所有这些实施方式和实施例均应包含在本发明的保护范围之内。
具体实施方式
在下文的描述中，出于解释的目的，将陈述本发明的具体细节以方便理解本发明。但是，本发明可能不通过部分或者全部所述的具体细节亦可实施。下文所述的本发明的实施例可能被包含在许多不同的电气组件、电路、设备和系统中。附图的框图中所示的结构和设备用以说明本发明的示例性实施例，并且不作为用于模糊本发明宽泛指导的托辞。附图中所示的元件之间的连接关系不限于直接连接。恰恰相反，元件之间的连接能够通过中间组件被修改、重构或者以其他方式改变。
附图中示出的组件或模块是本发明示例性实施例的说明并旨在避免使本公开不清楚。还应当理解的是在本讨论中组件可以被描述为独立的功能单元，其可以包括子单元，但本领域技术人员将认识到各种组件，或组件的一部分，可以被划分为独立的组件或者可以被集成在一起，包括集成在单独的系统或组件内。应当注意的是，本发明所讨论的功能或者操作可以被实现为组件。组件能够用软件、硬件、或者两者的结合来实现。
进一步地，附图中的组件或系统间的连接并不旨在将其限制于直接连接。相反地，这些组件之间的数据能够通过中间组件被修改、重构或者以其他方式改变。另外，可以更多的或者更少的连接。还应当注意的是术语“联接”、“连接”或者“通信地联接”应当被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。
说明书中对“一个实施例”、“优选实施例”、“某个实施例”或者“某些实施例”的引用表示与该实施例有关的具体特征、结构、特征或功能包含在本发明至少一个实施例中并且可能包含在多个实施例中。并且，上述措辞在本说明书中不同位置的出现不一定全部指代相同的一个或多个实施例。
图1为美国专利10,193,519B2中公开的现有的模拟移相器200。如图1所示，该模拟移相器200包括第一高低通(HLP)滤波器210、第二HLP滤波器220和全通滤波器(APF)230，全通滤波器230串联连接在第一高低通滤波器210和第二HLP滤波器220之间以辅助相移调谐。第一HLP滤波器210接收来自输入终端202的输入RF信号RFin并输出第一HLP输出信号218。APF 230接收第一HLP输出信号218并输出APF输出信号238。第二HLP滤波器220接收APF输出信号238并通过输出终端204输出输出RF信号RFout。HLP滤波器210和220均可包含多个单元(212、214、216、222、224和226)以实现所期望的功能。输出RF信号RFout具有相较于输入RF信号RFin可控可调的相对相移。
然而，如图1所示，低通单元中的D1、D4，全通滤波器中的D6仅拥有一个二极管。当处理更高的输入功率时，更大的电压摆幅会改变二极管的DC偏置点，限制移相器的线性度，从而导致不理想的IP3(三阶交截点，公知的用于衡量RF功能和组件中线性度的参数)和IMD3(三阶互调失真，公知的用于衡量RF功能和组件中线性度的参数)。
为了克服上述缺陷，本发明中提供了多种技术方案以改善RF电路的线性特性，例如改善RF移相器的线性度。
【实施例1】
图2为本发明实施例1中包括级联的二极管和连接偏置支路的二极管模块250的示意图。该二极管模块250包括反向以串联形式级联的第一二极管252、第二二极管254和第三二极管256。具体地，第一二极管252的阴极连接至位于RF输入端(RFin)和RF输出端(RFout)之间的RF路径(RF)；第二二极管254的阳极在第一节点272处连接至第一二极管252的阳极；第三二极管256的阴极在第二节点274处连接至第二二极管254的阴极，其阳极接地。此外，二极管模块250还包括联接在RF路径和第二节点274之间的第一连接偏置支路262，以及联接在第一节点272和接地之间的第二连接偏置支路264。在本实施例中，第一连接偏置支路262和第二连接偏置支路264仅为连接电阻器。这种反向级联二极管与连接偏置支路交替联接的配置增加了二极管模块250的鲁棒性以处理来自RF路径的高输入电压或功率，从而为RF电路提供了相较于单独的二极管配置更高的线性度。
在一个或多个实施例中，二极管模块250(也适用于本专利中公开的其他二极管模块)可被用于替代如图1所示的并联二极管(例如D1a，D1b，D4a和D4b)以改善RF电路的整体线性度。图2所示的RF路径可以是图1中所示的RFin端202和RFout端204之间的RF信号处理或传输路径。
在一个或多个实施例中，第一二极管252、第二二极管254和第三二极管256可以具有相同的规格(例如，尺寸、电流限制等)并且可以是变容二极管。可以添加DC偏压(通过第一节点272和第二节点274)为各二极管提供DC偏压。二极管的尺寸可以被配置为随着二极管的级联级数的增加而增加，也即，三级级联结构的二极管尺寸为一级结构的二极管尺寸的接近三倍。此外，第一连接偏置支路262和第二连接偏置支路264的电阻器的电阻值被选择为足够小以在其连接的节点之间提供相同的直流电位，电阻值也被选择为足够大以在节点之间提供更好的RF隔离。在一个或多个实施例中，第一连接偏置支路262和第二连接偏置支路264的电阻器可以具有相同的电阻值，例如约3000欧姆。
【实施例2】
图3为本发明实施例2中包括级联的二极管、连接电阻器和串联电容的二极管模块300的示意图。二极管模块300包括反向级联的第一二极管312和第二二极管314。具体地，第一二极管312的阴极连接至RF路径(RF)，且其阳极在第一节点332处连接至第二二极管314的阳极。串联电容316联接在第二二极管314的阴极和接地之间，并在第二节点334处与第二二极管314的阴极联接。此外，二极管模块300还包括联接在RF路径和第二节点334之间的第一连接电阻332，以及联接在第一节点332和接地之间的第二连接电阻324。相比于实施例1中的二极管模块250，二极管模块300包含串联电容316以提供RF路径和接地之间进一步的DC阻隔。
【实施例3】
图4为本发明实施例3中包括级联的二极管、连接电阻、串联电容和偏置电压源的二极管模块400的示意图。二极管模块400包括反相串联的两个二极管412和414。具体地，第一二极管412的阳极通过在第一节点432处连接的串联电容416连接至RF路径(RF)，其阴极在第二节点434处连接至第二二极管414的阴极。第二二极管414的阳极接地。进一步地，二极管模块400还包括联接在第一节点432和接地之间的第一连接电阻422，以及联接在DC电压源VDC和第二节点434之间的第二连接电阻424，并且，同实施例2中的二极管模块300中的串联电容316相似，二极管模块400中的串联电容416也在RF路径和接地之间提供了进一步的DC阻隔。在一个或多个实施例中，所述DC电压源VDC可以是可调节的以向二极管模块400提供所期望的偏置电压。
图5示出了现有技术中的RF移相器(如图1所示)和包含有本发明一个或多个实施例中的反向级联二极管模块的改进型RF移相器的输入IP3仿真模拟比较。正如本领域技术人员所公知的，IP3为一阶线和三阶线交叉的点，并且是RF电路线性度的基本度量之一。理想的RF电路具有体现高线性度性能的高IP3。如图5所示，线505为图1所示的现有技术中的RF移相器的模拟IP3，线510涉及包含反向级联二极管结构的RF移相器的一个实施例。图5清楚地表明通过引入反向级联的二极管，RF移相器的IP3至少提高了5dB，从而显著地改善了移相器的线性度。
图6和图7分别示出了现有技术中的RF移相器和本发明一个或多个实施例中改进型的RF移相器的IMD3。IMD3指来自RF电路三阶的互调失真，是一种对RF电路非线性特性的表征。这对于宽带RF电路尤为重要，因为失真可能经常出现在信号带内。如图6所示，现有技术的RF移相器(图1所示)的IMD3为26dBc(相对载波分贝)，而改进型RF移相器的一个实施例的IMD3为如图7所示的62dBc，相对于现有技术获得了明显的改善。
前文已经对本发明进行了描述，旨在清楚和理解本发明，而无意于将本发明限制在所公开的精确形式。在所附权利要求的范围和等同范围内，多种修改也都是可能的。虽然本发明的各实施例被用在RF移相器中以改善线性度，但本领域技术人员应当理解采用了反向级联的级联二极管与连接偏置支路和/或电容器联接的各配置也可以用在其他的各种RF电路中，包括但不限于压控振荡器、放大器、滤波器、混频器、倍频器等。
本领域技术人员应当理解的是前文所述的实施方式和实施例是示例性的，而不无意于限制本发明的保护范围。所有根据阅读本发明说明书及研究本发明附图后所作出的对于本领域技术人员来说显而易见的置换、增强、等同、结合和改进都应落入本发明的真实精神和保护范围中。
还应当注意的是，各项权利要求中的元件可以进行不同的布置，包括多种依赖关系、结构及组合。例如，在某些实施例中，各权利要求的主题可以与其他权利要求结合。

Claims (10)

1.高线性度射频电路，其特征在于，包括：
射频路径，联接在射频输入端和射频输出端之间；及
二极管模块，并联连接至所述射频路径以改善电路线性度，所述二极管模块包括：
第一二极管，联接至所述射频路径；
第二二极管，在第一节点处串联连接至第一二极管，所述第二二极管和第一二极管反向级联；
第三二极管或电容器，串联连接在第二二极管和接地之间，且在第二节点处连接至第二二极管；
第一连接偏置支路，联接在射频路径和第二节点之间；及
第二连接偏置支路，联接在第一节点和接地之间。
2.根据权利要求1所述的射频电路，其特征在于，所述第一二极管的阴极联接至所述射频路径，第一二极管的阳极联接至第二二极管，所述第二二极管的阳极联接至第一二极管，第二二极管的阴极联接至第三二极管或者电容器。
3.根据权利要求1所述的射频电路，其特征在于，所述第三二极管的阴极联接至第二二极管。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的射频电路，其特征在于，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管分别接收直流偏置输入以进行偏置控制。
5.高线性度射频电路，其特征在于，包括：
射频路径，联接在射频输入端和射频输出端之间；及
二极管模块，并联连接至所述射频路径以改善电路线性度，所述二极管模块包括：
电容器，联接至所述射频路径；
第一二极管，在第一节点处串联连接至所述电容器；
第二二极管，在第二节点处串联连接至第一二极管，所述第二二极管和第一二极管反向级联；及
第一连接偏置支路，联接在所述第一节点和接地之间。
6.根据权利要求5所述的一种射频电路，其特征在于，还包括第二连接偏置支路，所述第二连接偏置支路联接在直流电压源VDC和所述第二节点之间。
7.根据权利要求5或6所述的一种射频电路，其特征在于，所述第一二极管的阳极联接至所述电容器，第一二极管的阴极联接至第二二极管，所述第二二极管的阴极联接至第一二极管，第二二极管的阳极联接至接地。
8.改善射频电路线性度的方法，其特征在于，包括：
给定联接在射频输入端和射频输出端之间的射频路径：
将第一二极管并联至所述射频路径；
在第一节点处将第二二极管反向级联至第一二极管；
将第三二极管或电容器串联在第二二极管和接地之间，且第三二极管或电容器在第二节点处连接至第二二极管；
将第一连接偏置支路联接在所述射频路径和第二节点之间；及
将第二连接偏置支路联接在第一节点和接地之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一二极管的阴极联接至所述射频路径，第一二极管的阳极联接至第二二极管，所述第二二极管的阳极联接至第一二极管，第二二极管的阴极联接至第三二极管或者电容器，所述第三二极管的阴极联接至所述第二二极管。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管分别接收直流偏置输入以进行偏置控制。
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