CN111585583B - 用于可组合滤波器的适应性调谐网络 - Google Patents

用于可组合滤波器的适应性调谐网络 Download PDF

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Abstract

一种灵活的多路RF适应性调谐网络开关架构，其抵消了尤其是在基于载波聚合的无线电系统中由于耦接的RF频带滤波器的各种组合引起的阻抗失配情况。在一个版本中，数控可调谐匹配网络耦接到多路RF开关以便为RF频带滤波器的各种组合提供适应性阻抗匹配。可选地，一些或全部RF频带滤波器还包括相关联的数控滤波器预匹配网络以进一步改善阻抗匹配。在第二版本中，耦接到多路RF开关的一些或全部RF频带滤波器包括数控相位匹配网络以提供必要的每频带阻抗匹配。可选地，数控可调谐匹配网络也可以被包括在多路RF开关的公共端口上以提供额外的阻抗匹配能力。

Description

用于可组合滤波器的适应性调谐网络
本申请为于2018年6月29日提交、申请号为201680077332.7、发明名称为“用于可组合滤波器的适应性调谐网络”的中国专利申请的分案申请。所述母案申请的国际申请日为2016年12月28日，国际申请号为 PCT/US2016/069030。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年2月19日提交的题为“用于可组合滤波器的适应性调谐网络(Adaptive Tuning Network for Combinable Filters)”的美国专利申请系列第15/048,764号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及电子电路，并且更具体地涉及射频电子电路和相关方法。
背景技术
简单的无线电系统通常在用于发送射频(RF)信号的一个RF频带和用于接收RF信号的单独的RF频带中进行操作。RF频带通常跨越一定范围的频率(例如每频带10至100MHz)，并且实际的信号发送和接收可以在这些频带的子频带中，间隔开以避免干扰。可替选地，可以将两个间隔较宽的RF频带分别用于信号发送和信号接收。
诸如一些蜂窝电话系统的更先进的无线电系统可以在多个RF频带上进行操作以用于信号发送和接收，但是在任何一个时间仍然使用仅单个 RF频带中的一个发送子频带和一个接收子频带，或者仅两个间隔较宽的发送RF频带和接收RF频带。这种多频带操作允许单个无线电系统可以与不同的国际频率分配和信号编码系统(例如CDMA、GSM)进行互操作。对于一些应用，国际标准机构已经标记了具有频带标签Bn(如B1、 B3、B7等)的公共频带。可以在 https://en.wikipedia.org/wiki/UMTS_frequency_bands找到这样的频带的一个列表。
近年来，已经研制出一种被称为“载波聚合”(CA)的技术来增大 RF无线电系统并且尤其是蜂窝电话系统的带宽。在被称为“频带间”模式的CA的一个版本中，蜂窝接收或发送可以同时发生在多个RF频带上 (例如RF频带B1、B3和B7)。该模式要求根据所需的频带组合将接收或发射的RF信号同时传递通过多个频带滤波器。
图1A是现有技术中可以在CA无线电系统中使用的RF信号开关和滤波器电路100的框图。在所示的示例中，天线101耦接到多路开关102，多路开关102进一步耦接到若干RF频带滤波器104。多路开关102可以以一次一个滤波器或以所选择的组合的方式来选择性地将天线101耦接到RF频带滤波器104。通常将以已知的方式利用场效应晶体管(FET) 来实现多路开关102。一些或全部RF滤波器104将耦接到其他RF电路系统，诸如接收器、发射器或收发器(未示出)。在所示的示例中示出了针对三个频带B1、B3、B7的频带滤波器104。在操作中，在非CA模式下或结合CA模式，可以单独通过多路开关102将(例如针对RF频带B1、 B3、B7的)组成RF频带滤波器104接入电路中。
为了得到最优性能，必须将每个频带滤波器104及其预期的组合(例如，单独的B3、B1+B3同时和B1+B3+B7同时)与开关102和天线101 进行阻抗匹配，通常以现代无线电电路的50欧姆的特性阻抗为标准。图 1B是史密斯圆图(Smith chart)110，其示出了图1A所示的配置的三个模型滤波器的若干示例性组合的不匹配阻抗值的范围。在所示的示例中，可以看到B3频率仅以10MHz步进在1.810GHz至1.880GHz的频率范围上进行扫描，(针对单独的B3，以及将B1或B1+B7添加至B3的效果的)标绘点表明，不仅对于每个组合而且对于每个频率步进，匹配50欧姆的特性阻抗将需要不同的阻抗匹配量。因此，由于阻抗失配，RF信号开关和滤波器电路100不是CA无线电系统的实际解决方案。
如果频带Bn的组合的数量小并且频带间隔足够远，则可以利用无源组合技术(例如“双工”或“三工”电路)将频带滤波器104组合成单个馈送点(即，不需要开关102)，上述技术利用经仔细调谐的固定匹配网络来组合多个滤波器并且近似地匹配阻抗。例如，图2是现有技术中的 RF三工滤波器电路200的框图。一组滤波器104通过电感器Ln和电容器 Cn的各种固定组合连接到天线101，这些电感器和电容器被设计用于将相应的滤波器104的阻抗与针对特定频带(例如B1、B3、B7)的天线101 的阻抗进行匹配。所有的固定匹配电路元件必须被设计成相互补偿。然而，这样的架构会阻止选择性地改变频带组合，并且对于两个或三个以上的频带来说不实际。
为了用少量频带来解决这个问题，可以无源地组合单独的频带滤波器组(例如组1＝B1+B3+B7、组2＝B34+B40和组3＝B38)，然后使用单刀多掷(SPnT)开关(例如SP3T)每次选择性地激活一个对应的、被无源组合的阻抗匹配电路。然而，这种方法仍然不灵活并且必须是针对每个频带组合定制设计的。此外，由于大量可能的这种频带组合和交叠或相邻的频率范围，所以对于大量的频带Bn来说使用无源组合基本上是不实际的。
因此，需要有在不降低系统性能的情况下在可用于CA无线电系统的 RF信号开关和滤波器电路中灵活地组合多个频带的能力。本发明解决了这个需求。
发明内容
本发明包括灵活的多路RF适应性调谐网络开关架构，其抵消了由于耦接的RF频带滤波器的各种组合引起的阻抗失配情况。
在第一RF开关架构中，数控可调谐匹配网络耦接到多路RF开关，以便为RF频带滤波器的各种组合提供适应性阻抗匹配。可选地，一些或全部RF频带滤波器还包括相关联的数控滤波器预匹配网络以进一步改善阻抗匹配。在优选实施方式中，可调谐匹配网络和任何可选的滤波器预匹配网络与多路RF开关集成在集成电路(IC)上。
在第二RF开关架构中，耦接到多路RF开关的一些或全部RF频带滤波器包括数控相位匹配网络以提供必要的每频带阻抗匹配。可选地，数控可调谐匹配网络也可以被包括在多路RF开关的公共端口上，以提供额外的阻抗匹配能力。在优选实施方式中，相位匹配网络和任何可选的可调谐匹配网络与多路RF开关集成在IC内。
在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或更多个实施方式的细节。根据说明书和附图并且根据权利要求书，本发明的其他特征、目的和优点将变得明显。
附图说明
图1A是现有技术中可以在CA无线电系统中使用的RF信号开关和滤波器电路的框图。
图1B是示出图1A中所示配置的三个模型滤波器的若干示例性组合的不匹配阻抗值的范围的史密斯圆图。
图2是现有技术中RF三工滤波器电路的框图。
图3是适于在CA无线电系统以及其他应用中使用的RF信号开关和滤波器电路的一个实施方式的框图，该电路包括多路可调谐开关，并且可选地包括一组滤波器预匹配网络。
图4是可调谐匹配网络的通用架构的框图。
图5是可调谐匹配网络的第一实施方式的示意图。
图6是可调谐匹配网络的第二实施方式的示意图。
图7是可调谐匹配网络的第三实施方式的示意图。
图8是数控FPM网络的一个实施方式的示意图。
图9是示出能够动态地重配置的可调谐匹配网络拓扑的第一实施方式的框图。
图10是示出能够动态地重配置的可调谐匹配网络拓扑的第二实施方式的框图。
图11是包括通过一组对应的相位匹配网络耦接到一组两个或更多个RF频带滤波器的多路开关的RF信号开关和滤波器电路的一个实施方式的框图。
图12是适于在图11所示的电路中使用的相位匹配网络的一个实施方式的示意图。
图13是针对三个频带对图1A所示的现有电路进行模拟得到的CA频带滤波器的一个组合(B1+B3+B7)的插入损耗与频率的曲线图。
图14是针对同样配置的CA频带滤波器和图13所示的频带对图3所示的新颖电路进行模拟得到的插入损耗与频率的曲线图。
在各个附图中，相同的附图标记和名称指示相同的元素。
具体实施方式
本发明包括灵活的多路RF适应性调谐网络开关架构，其抵消了由于耦接的RF频带滤波器的各种组合引起的阻抗失配情况。
在第一RF开关架构中，数控可调谐匹配网络耦接到多路RF开关，以便为RF频带滤波器的各种组合提供适应性阻抗匹配。可选地，一些或全部RF频带滤波器还包括相关联的数控滤波器预匹配网络以进一步改善阻抗匹配。在优选实施方式中，可调谐匹配网络和任何可选的滤波器预匹配网络与多路RF开关集成在集成电路(IC)上。
在第二RF开关架构中，耦接到多路RF开关的一些或全部RF频带滤波器包括数控相位匹配网络以提供必要的每频带阻抗匹配。可选地，数控可调谐匹配网络也可以被包括在多路RF开关的公共端口上，以提供额外的阻抗匹配能力。在优选实施方式中，相位匹配网络和任何可选的可调谐匹配网络与多路RF开关集成在IC内。
可调谐匹配网络架构
将一组RF频带滤波器连接到数控多路RF开关允许通过将控制字直接映射到开关状态来激活开关掷的任何组合(并因此激活信号开关路径)。然而，使用传统的设计同时激活多个开关路径会导致较大的阻抗失配、较高的插入损耗和较差的回波损耗，因为每个激活的RF频带滤波器都会互相加载激活的RF频带滤波器。例如，当各自具有50欧姆阻抗的3个相邻 RF频带滤波器同时被激活时，总体阻抗将下降到大约17欧姆，从而导致数dB的额外的插入损耗(IL)，并且滤波器响应将偏斜。通过在每个RF 频带滤波器路径中添加一些固定的相移量或预匹配元件来减少组合时的阻抗失配配可以减少这种失配，但是这种方法需要针对每个滤波器组合进行定制设计。
一种更灵活的架构将可调谐匹配网络(TMN)与多路RF开关进行组合以适应性地抵消由于耦接的RF频带滤波器的各种组合引起的阻抗失配情况。该方法可以与数控滤波器预匹配网络结合以进一步改善阻抗匹配。
图3是适于在CA无线电系统以及其他应用中使用的RF信号开关和滤波器电路300的一个实施方式的框图，该电路包括多路可调谐开关302，并且可选地包括一组滤波器预匹配网络304。所示出的多路可调谐开关 302包括数控TMN 306，其可以耦接到将(外部提供的或内部生成的)二进制控制字转换成开关控制线的TMN控制电路308。TMN 306耦接到多路RF开关元件310，其通常会是以已知方式利用场效应晶体管(FET) 实现的。多路可调谐开关302的公共端口PC可以耦接到诸如天线101的 RF信号元件。一组M个信号端口P1至Pm中的一些数量的信号端口可以耦接到多个对应的RF元件，具体地耦接到一组RF频带滤波器104，其可以每次一个或以组合方式选择性地耦接到天线101(在所示的实施方式中，用相关联的频带标签Bn示出各个RF频带滤波器104，其可能或者可能不与端口名称Pm对应)。在一个实施方式中，M＝10并且因此至多10 个端口可以被选择性地置于电路中：与公共端口PC一起单独地置于电路中或以并行组合方式(例如，B1单独、B1+B3同时以及B1+B3+Bn同时) 置于电路中。
RF频带滤波器104优选为带通滤波器，其(就通频带到抑制频带的转变而言)具有非常尖锐的通频带，其通常将使用表面声波(SAW)、体声波(BAW)或类似的具有尖锐的通频带的滤波器技术来实现。还示出了耦接在每个RF频带滤波器104与多路可调谐开关302的对应的端口之间的数控滤波器预匹配网络304，下面将更详细地讨论。
在操作中，在非CA模式下或结合CA模式，可以单独通过多路开关 302将(例如针对RF频带B1、B3…Bn的)组成RF频带滤波器104接入电路中。对于每个RF频带滤波器104组合，TMN控制电路308会将 TMN 306设定为校准状态，以为所选择的组合提供适当的阻抗匹配。下面的表1示出了3位控制字的示例，其定义了以示例方式被映射到与一些新兴产业的操作模式对应的特定活动频带的8种状态。
状态 二进制状态 活动频带 CA模式
0 0 0 0 无 无
1 0 0 1 B3 非CA
2 0 1 0 B1 非CA
3 0 1 1 B3和B1 2频带CA实例1
4 1 0 0 B7 非CA
5 1 0 1 B7和B3 2频带CA实例2
6 1 1 0 B7和B1 2频带CA实例3
7 1 1 1 B7、B3和B1 3频带CA
表1
尽管TMN控制电路308被示为处于多路可调谐开关302的外部，但其也可以被制造为与同一IC上的多路可调谐开关302结合。TMN控制电路308可以被配置为(例如，基于由用户或外部电路系统选择的频带组合) 借助于数字接口直接从外部源接收控制字以将TMN306设定为所选择的阻抗调谐状态，或者可以从包含针对各种RF频带组合的调谐状态的查找表来直接提供控制字(即，被实现为熔断器、PROM、EEPROM等)或者从通过组合电路系统处理的各种控制信号间接地提供控制字。因此，TMN 控制电路308的程序控制可以基于用户选择或外部控制信号，或者响应于检测到的系统状态或参数而自动设定[参见上面的蓝色突出显示](例如，开关状态、查找值、检测到的信号频率、信号强度、功耗、IC器件温度等)。
对于非CA操作，TMN 306可以被编程为基本上使得TMN 306作为负载几乎不可见的阻抗值。可替选地，如下文进一步详细描述的，TMN 306 可以包括旁路开关以有效地从信号路径移除TMN 306。
可调谐匹配网络
尽管示出的RF信号开关和滤波器电路300将TMN 306示出在多路可调谐开关302的公共端口PC上的优选位置中，但TMN单元可以替代地或者还可以耦接到一个或更多个对应的信号端口Pm；这种“信号端口侧” TMN单元虽然会消耗更多的IC芯片面积，但是可以提供对阻抗匹配的更精确的控制。在任何情况下，TMN 306可以被布置成与信号路径并联或串联连接，并且具有并联和/或串联元件的组合。
每个TMN 306被设计为满足下述条件所需的阻抗调谐比：能够针对公共端口PC上的负载对所选择的RF频带滤波器104的组合进行阻抗匹配，同时最小化额外的插入损耗。每个TMN 306应该具有足够宽的调谐范围和足够细的调谐步进二者，以便能够有效地处理各种预期的频带滤波器组合。
图4是可调谐匹配网络306的通用架构的框图400。在示出的示例中，调谐网络402沿着由输入端口和输出端口限定的信号路径耦接(在这种情况下，电路是对称的，因此端口标签是任意且可逆的)。可选的旁路开关 404允许调谐网络402在(例如可能在非CA模式中发生的)不需要阻抗匹配时断开电路。可选的可开关控制的连接406允许连接到其他调谐元件 (例如外部电感器或调谐网络)或负载元件(例如天线)。
调谐网络402被示为通用的三端口装置，并且可以串联连接在输入端口和输出端口之间，或者在内部被配置成并联连接在信号路径和电路接地之间，或者在内部被配置成串联连接和并联连接的组合——例如，可以在串联连接或并联连接之间进行选择，或者具有更复杂的能够动态地重配置的拓扑(参见以下进一步的讨论)。
更详细地，TMN 306可以由一个或更多个数字可调谐或可开关控制的电容器(DTC)和/或数字可调谐或可开关控制的电感器(DTL)和/或数字可调谐或可选择的传输线元件(TLE)组成，如微带或共面波导或集总传输线电路。一些TMN 306可以用于更复杂的情况。在2015年5月5 日发布的标题为“Method and Apparatus for use in Digitally Tuning aCapacitor in an Integrated Circuit Device”的美国专利第9,024,700号中示出了DTC的示例，并且在2012年8月27日提交的标题为“Method and Apparatus for Use in TuningReactance in an Integrated Circuit Device”的美国专利申请第13/595,893号中示出了DTL的示例，二者均被转让给本发明的受让人，并且二者通过引用并入本文中。
结合本发明的各种实施方式可以使用许多有用的TMN 306设计。作为一个示例，图5是可调匹配网络306的第一实施方式的示意图500。主要的可调阻抗调谐元件是耦接串联在一起并且并联连接在输入-输出信号路径与电路接地之间的数字可调电容器元件502(例如DTC)和数字可调电感器元件504(例如DTL)。在一个替选实施方式中，可调电感器元件504可以由固定电感器替代，并且因此仅电容器元件502提供可调性。在另一替选实施方式中，可调电容器元件502可以由固定电容器替代，并且因此仅电感器元件504提供可调性。在任一情况下，数字可调电容器502 和/或电感器元件504可以在处于IC内部或外部。然而，在优选实施方式中，TMN 306的大部分或全部组件被集成在与多路可调谐开关302相同的 IC上。
图5中还示出了能够将主要有源调谐元件从输入-输出信号路径断开的开关S0(例如FET)，以及可以通过对应的开关S1、S2选择性地连接到输入-输出信号路径来增加可调谐匹配网络306的阻抗匹配范围的两个可选电感器L1、L2。应该清楚，可以包括多于或少于两个可选电感器Ln。在示出的实施方式中，示出了可选的旁路开关404，但是省略了图4中的可选的可开关控制的连接406。
图6是可调谐匹配网络306的第二实施方式的示意图600。示出的TMN 306包括串联耦接在输入-输出信号路径与电路接地之间的两个数字可调电容器元件C1、C2，以及耦接在电路接地与两个可调电容器元件C1、 C2之间的节点之间的数字可调电感器元件L。如图5所示，一个或更多个可调电容器和/或电感器元件可以由固定元件替代，只要保留有至少一个可调阻抗调谐元件即可。例如，电感器元件L可以是固定的，并且可以使用可调电容器元件C1、C2中的一个或两个完成所有调谐。图6所示的示例电路是尤其有用的，因为其使得能够覆盖史密斯圆图上的更多点(而不仅仅是曲线)，从而提供与一些其他实施方式相比更大的阻抗匹配调整范围。
图7是可调谐匹配网络306的第三实施方式的示意图700。在示出的实施方式中，各自包括固定电容器Cn和固定电感器Ln的一组两个或更多个LC电路可以通过对应的开关Sn选择性地连接到输入-输出信号路径以设定可调谐匹配网络306的匹配阻抗值。因此，通过在TMN控制电路 308控制下将一个或更多个固定元件LC电路选择性地耦接到输入-输出信号路径上(如图3所示)而不是利用诸如DTC或DTL的数字可调阻抗调谐元件来提供可调性。在替选实施方式中，图7中的电路可以由具有不同阻抗值的一组传输线(TL)元件来代替，其可以在TMN控制电路308的控制下选择性地耦接到输入-输出信号路径。
滤波器预匹配网络
如以上关于图3所述，可选地，一些或全部RF频带滤波器104还包括相关联的数控滤波器预匹配(FPM)网络304以进一步改善针对对应的 RF信号路径的阻抗匹配。如图3所示，FPM网络304优选地被配置为在 FPM控制电路312的控制下选择性地连接到所关联的RF频带滤波器104 的输入-输出信号路径。FPM控制电路312将(外部提供的或内部生成的) 二进制控制字转换成开关控制线。
图8是数控FPM网络304的一个实施方式800的示意图。在示出的实施方式中，具有适于辅助所关联的RF频带滤波器104的阻抗匹配的电感值的电感器L可以通过由FPM控制电路312控制的开关S选择性地连接到所关联的RF频带滤波器104的输入-输出信号路径。当在诸如非CA 模式的一些模式中进行操作时，开关S使得能够断开电感器L。
在替选实施方式中，FPM网络304可以包括替代简单的电感器L的数字可调阻抗调谐元件(例如DTC或DTL)。在适当的应用中，FPM网络304可以基本上是与上述TMN 306相同的电路或等效电路之一。
FPM网络304可以被集成在多路可调谐开关302内，或者可以是介于多路可调谐开关302与对应的RF频带滤波器104之间的独立的电路元件，或者可以与对应的RF频带滤波器104集成。
能够动态地重配置的可调谐匹配网络拓扑
如图4至图7中的一些示例性实施方式所示，不同配置中的多个可开关控制的阻抗调谐元件提供了下述灵活的解决方案，其以最小的匹配损耗实现对史密斯圆图的合理的宽广的覆盖，同时提供了可在不需要进行调谐时被激活的低损耗旁路模式。然而，在一些应用中，当使用固定拓扑可调谐匹配网络(例如，具有可选的固定电容器和电感器元件但是在固定的拓扑中的可变DTC和/或DTL)时，在没有其他性能折衷的情况下难以实现足够宽的RF带宽。因此，能够动态地重配置的可调谐网络拓扑使得能够对可调谐匹配网络(TMN)拓扑进行实时地重配置，以更好地优化这些参数。TMN可重配置拓扑使用了多个可开关控制的元件(例如与开关串联的固定和/或可调谐元件)和可调谐元件(例如一个或更多个可变DTC或DTL，通常具有集成的可由开关选择的旁路路径)以实现多种配置。
图9是示出能够动态地重配置的可调谐匹配网络拓扑306的第一实施方式900的框图。所示出的示例可以以编程方式或选择性地被配置在π型、 T型或L-pad型拓扑中，在拓扑中一个或更多个可调的调谐元件ATE1、 ATE2(例如DTC和/或DTL)可与TMN 306的输入-输出信号路径串联连接，而三个或更多个可调的调谐元件ATE3、ATE4、ATE5如串联配置所示通过对应的并联开关Sha、Shb、Shc连接到电路接地。一些或全部可调的调谐元件可以包括集成的可由开关选择的旁路开关(未示出)，其允许元件被大致配置为短路连接。此外，可以使用相同的组件或通过添加其他可调的调谐元件或其他组件来配置许多其他拓扑如桥式T(Bridged-T)型拓扑。
T型拓扑可以通过以下方式来配置：将ATE1和ATE2与输入-输出信号路径串联耦接并且将ATE4并联耦接到电路接地(即，开关Shb闭合)，并且将ATE3和ATE5解耦(即开关Sha和Shc打开)。π型拓扑可以通过下述几种方式来配置：(1)将ATE1与输入-输出信号路径串联耦接，并且将 ATE3和ATE4并联耦接至电路接地，同时在内部绕过ATE2并将ATE5解耦； (2)将ATE2与输入-输出信号路径串联耦接，并且将ATE4和ATE5并联耦接到电路接地，同时绕过ATE1并将ATE3解耦；(3)将ATE1和ATE2与输入-输出信号路径串联耦接，并将ATE3和ATE5并联耦接到电路接地，同时将ATE4解耦。L-pad型拓扑可以通过几种方式从任何π型配置中通过将两个并联的ATE中的一个解耦来配置。
图9还示出了允许绕过整个可重配置的可调谐匹配网络306的旁路开关Sb，并且还示出了一个或更多个可选的固定调谐元件FTE1、FTE2(例如内部或外部电感器、电容器或传输线元件)可以通过所关联的并联开关 Sh1、Sh2从电路接地耦接到TMN 306的输入-输出信号路径。
明显的是，图9所示的一些元件可以针对特定的应用而被省略。例如，如果仅需要L-pad型拓扑和π型拓扑，则可以省略T型拓扑所需的元件。
图10是示出能够动态地重配置的可调谐匹配网络拓扑306的第二实施方式1000的框图。在示出的示例中，可调的调谐元件ATE1和固定调谐元件FTE1可以与TMN 306的输入-输出信号路径串联连接。分别包括与对应的固定调谐元件FTE1、FTE2并行的可调的调谐元件ATE2、ATE3的去往电路接地的两个子电路可通过对应的并联开关Sha、Shb连接到输入- 输出信号路径。可以通过将并联开关Sha、Shb二者设定为闭合来将所示的实施方式配置为π型拓扑，并且可以通过将两个并联开关Sha、Shb中的一个设定为闭合并将该开关对中的另一个并联开关设定为打开来将所示的实施方式配置为L-pad型拓扑。旁路开关Sb允许绕过整个可重配置的可调谐匹配网络306。
图9和图10中的可重配置可调谐匹配网络306的拓扑和/或调谐元件值可以在图3中的TMN控制电路308的控制下被实时地以编程方式设定，或者在生产时被设定为特定的配置(例如，通过“熔断”熔丝或通过在制造 IC时施加适当配置的金属化掩模)。此外，可以结合所公开的RF信号开关和滤波器电路来使用许多其他可调谐匹配网络实施方式，只要这种网络提供适合的可调范围即可。
相位匹配网络架构
如上所述，在第二RF开关架构中，耦接到多路RF开关的一些或全部RF频带滤波器包括数控相位匹配网络以提供必要的每频带阻抗匹配。
图11是RF信号开关和滤波器电路1100的一个实施方式的框图，其包括通过一组对应的相位匹配网络1102耦接到一组两个或更多个RF频带滤波器104的多路开关102。相位匹配(PM)网络1102耦接到将(外部提供的或内部生成的)二进制控制字转换成开关控制线的PMN控制电路 1104。多路可调谐开关102的公共端口PC可以耦接到诸如天线101的RF 信号元件。如图3所示的实施方式中，RF频带滤波器104优选为具有非常尖锐的通频带的带通滤波器，并且通常将使用表面声波(SAW)、体声波(BAW)或具有尖锐的通频带的类似的滤波器技术来实现。
本发明的实施方式可以包括下述PM网络，其包括具有两个或更多个信号路径的移相器电路，例如下述文献中教示的多状态移相器：于2016 年2月5日提交的题为“Low LossMulti-State Phase Shifter“的美国专利申请第15/017,433号，并且其被转让给本发明的受让人，其通过引用并入本文中。例如，图12是适于在图11所示的电路中使用的多状态相位匹配 (PM)网络1102的一个实施方式1200的示意图。在示出的示例中，PM 网络1102具有通过多个n个并行的电路路径连接的输入端口和输出端口，这些并联电路路径各自包括成对的开关Sna和Snb以及相关联的相移元件。简单的相移元件可以包括串联连接在开关对Sna-Snb之间的电感器 Ln、电容器Cn、传输线(未示出)或THRU导体(例如简单的导线或IC 迹线或类似导体)。也可以使用更复杂的相移元件，例如包括一个或更多个CLC单元(即并联C-串联L-并联C电路)的集总传输线。相移元件可以物理地位于与开关对Sna-Snb相同的集成电路(IC)芯片上，或者位于可以配置有导电垫以使外部相移元件能够连接到开关对Sna-Snb的IC 上。相移元件的顺序并不重要，但设计者可能希望注意使组件交互作用最小化。
每个并行电路路径中的开关对Sna-Snb提供输入/输出对称性并且在并行电路路径内同时开关，以允许在来自PMN控制电路1104的施加信号的控制下将所关联的相移元件置于输入端口和输出端口之间的电路内。开关S n通常被实现为FET，特别是被实现为MOSFET。开关S n中的每个开关都是单刀单掷(SPST)配置，并且因此可以用单个FET器件来实现 (然而为了承受超过单个FET的能力的施加信号电压，可以由公共控制线信号控制堆叠的FET开关以同时接通或断开，并且因此表现得像单个高电压SPST开关)。此外，可以独立地控制开关对Sna-Snb，使得两个或更多个并行电路路径可以同时接入输入端口与输出端口之间的电路中。
示出的PM网络1102示出了如表2所阐述的五个并行电路路径。尽管示出了五个并行电路路径，但是其他实施方式可以具有多于五个并行电路路径(如图12中的点线所示)。然而，PM网络1102可以具有少至三个并行电路路径(例如表2中的电路路径1、2和3)或甚至少至两个并行电路路径(例如如果在一些实施方式THRU路径被省略，或者如果仅使用THRU路径和一个相移路径)。
电路路径 并行电路路径组件
1 S1a-L1-S1b
2 S2a-C1-S2b
3 S3a-THRU-S3b
4 S4a-C2-S4b
5 S5a-L2-S5b
表2
在操作中，在非CA模式下或结合CA模式，可以单独通过多路开关102将(例如针对RF频带B1、B3…Bn的)组成RF频带滤波器104接入电路中。PMN控制电路1104将针对每个PM网络1102选择特定的相移设置，以针对来自天线101和接入电路中的任何其他RF频带滤波器104 的所施加的负载对所关联的RF频带滤波器104进行阻抗匹配。
相位匹配网络1102可以配置有其他可调的相移电路，并且可选地可以被配置或编程为针对仅被单独地接入电路中的频带Bn提供固定的相移 (例如，在频带B1仅由其自身使用并且由于其他原因不需要可调的相移的情况下，例如减少互调失真)。具体地，至少一个相位匹配网络1102可以是包括可重配置的TMN的数控可调谐匹配网络(如图3中的TMN306)。可选地，具有图3所示类型的数控TMN 306和TMN控制电路308 也可以被包括在多路RF开关的公共端口Pc上以提供额外的阻抗匹配能力。
比较模拟数据
图13是针对三个频带对图1A所示的现有技术中的电路进行模拟得到的CA频带滤波器的一个组合(B1+B3+B7)的插入损耗与频率的曲线图1300。图14是针对同样配置的CA频带滤波器和图13所示的频带对图 3所示的新颖电路进行模拟得到的插入损耗与频率的曲线图1400。如两个曲线图1300、1400所表明的，图3中的新颖的电路在低频带(1.81GHz 至1.88GHz)中示出了约1.5dB的IL改善、在中频带(2.11GHz至2.18 GHz)中示出了约3dB的IL改善，并且在高频带(2.61GHz至2.69GHz) 中示出了约2dB的IL改善。针对不同的CA频带滤波器组合(B1+B3) 的对现有技术中的电路模拟与图3中的新颖的电路模拟的类似比较(未示出)在中频带中示出了超过1.5dB的IL改善。此外，对图3中的新颖电路的模拟对于所有非CA模式表现出了小于(绝对的而非比较的)2dB的 IL。
就RF性能而言，这样的改进是显著的，并且由本发明中的灵活的多路RF适应性调谐网络开关架构提供的改进的阻抗匹配来实现。
方法
本发明的另一方面包括一种用于适应性地调谐多路射频(RF)开关的方法，包括：
提供多路可调谐开关，其具有(1)多个信号端口，每个信号端口被配置成耦接到对应的RF频带滤波器，以及(2)公共端口；
将多路可调谐开关配置成在至少一种操作模式中将至少两个所选择的信号端口同时连接到公共端口；
将数控可调谐匹配网络耦接到多路可调谐开关的公共端口；以及
选择性地控制数控可调谐匹配网络以抵消由于将多于一个所选择的 RF频带滤波器同时耦接到公共端口而引起的阻抗失配情况。
本发明的又一方面包括一种用于适应性地调谐多路射频(RF)开关的方法，其包括：
提供多路可调谐开关，其具有公共端口和多个信号端口；
将多路可调谐开关配置成在至少一种操作模式中将至少两个所选择的信号端口同时连接到公共端口；
将多个数控相位匹配网络中的每个耦接到多路可调谐开关的对应的信号端口；
将每个数控相位匹配网络配置成耦接到对应的RF频带滤波器；以及
选择性地控制每个数控相位匹配网络以抵消由于将多于一个所选择的RF频带滤波器同时耦接到公共端口而引起的阻抗失配情况。
上述方法的其他方面包括：多路可调谐开关和数控可调谐匹配网络集成在同一集成电路芯片上将；将至少一个滤波器预匹配网络耦接到多路可调谐开关的对应的信号端口，并将所述至少一个滤波器预匹配网络配置成耦接到对应的RF频带滤波器；将多路可调谐开关和至少一个滤波器预匹配网络集成在同一集成电路芯片中；数控可调谐匹配网络包括数字可调谐电容器和/或数字可调谐电感器中的至少一者；数控可调谐匹配网络可在至少两种类型的拓扑之间重配置；将信号端口侧数控可调谐匹配网络耦接到多路可调谐开关的至少一个对应的信号端口；将多个RF频带滤波器耦接到多路可调谐开关的对应的信号端口；将多路可调谐开关和多个数控相位匹配网络集成在同一集成电路芯片上；至少一个数控相位匹配网络是数控可调谐匹配网络；至少一个数控相位匹配网络包括数字可调谐电容器和 /或数字可调谐电感器中的至少一者；至少一个数控相位匹配网络可在至少两种类型的拓扑之间重配置；将数控可调谐匹配网络耦接到多路可调谐开关的公共端口；以及将多个RF频带滤波器耦接到对应的数控相位匹配网络。
配置和控制
可以连接到TMN网络306、FPM网络304和PM网络1102的元件不限于上述阻抗调谐元件(例如传输线元件、固定且可调的电容器以及固定且可调的电感器)。可以针对其他应用连接其他元件。例如，天线总线可以连接到多路可调谐开关，以使其可以用于口径调谐。
(例如固定电感器或DTL、固定电容器或DTC、传输线元件和移相器)中的调谐元件的值被选择以优化特定应用需求、平衡阻抗覆盖范围、带宽、插入损耗、换能器增益以及其他限制，例如芯片尺寸。基于子频带或RF信道信息可以优化可用阻抗值组以获得更优化的性能。
所示示例中的每个FET开关包括相关联的控制线(未示出)，其使得能够将开关设定为导通(或闭合)的导电状态或者关断(或打开)的非导电或阻塞状态，并且因此表现为单刀单掷开关。此外，可以通过公共控制线信号来控制堆叠的FET开关以便同时导通或关断，并且因此该堆叠表现得像单个开关。每个控制线都将耦接到其他电路系统(未在所有情况下示出)，这些电路可以是内部的或外部的。例如，可以通过由MIPI(移动工业处理器接口)联盟指定的公知的接口或者通过公知的串行外设接口 (SPI)总线或者通过直接控制信号针或者通过任何其他便捷的装置来将控制信号提供给开关控制线。所施加的控制信号可以直接耦接到所关联的 FET开关，或者在被耦接到所关联的FET开关之前通过组合逻辑电路系统或映射电路(例如查找表)而被处理。此外，每个FET的栅极可以耦接到将逻辑信号(1,0)转换成合适的驱动电压(例如+3V、-3V)的驱动电路。
在下述文献中示出了FET堆叠的示例：于2007年7月24日发布的标题为“StackedTransistor Method and Apparatus”的美国专利第7,248,120 号；于2006年8月8日发布的标题为“Integrated RF Front End”的美国专利第7,008,971号；以及于2014年2月11日发布的标题为“Integrated RF Front End with Stacked Transistor Switch”的美国专利第8,649,754号，并且其被转让给本发明的受让人，其全部都通过引用并入本文中。
根据本发明的每个RF信号开关和滤波器电路可以由常规的测试装置进行测试和表征，并且可以以适于RF电路的方式被单独地或者作为更大的电路或系统的一部分被封装。
用途
根据本发明的RF信号开关和滤波器电路可用于各种应用，包括雷达系统(包括相控阵和汽车雷达系统)和无线电系统。无线电系统用法包括 (再次强调，不限于)使用诸如码分多址(“CDMA”)、宽带码分多址 (“W-CDMA”)、全球微波互联接入(“WIMAX”)、全球移动通信系统 (“GSM”)、增强型数据速率GSM演进(EDGE)、长期演进(“LTE”) 以及其他无线电通信标准和协议的蜂窝无线电系统(包括基站、中继站和手持式收发器)。
制造技术和选项
术语“MOSFET”在技术上指金属氧化物半导体；MOSFET的另一同义词是“MISFET”，指金属绝缘体半导体FET。然而，“MOSFET”已成为大多数类型的绝缘栅FET(“IGFET”)的公共标签。尽管如此，已知名称MOSFET和MISFET中的术语“金属”现在往往是误称，因为之前的金属栅极材料现在通常是多晶硅(多晶体硅)层。类似地，名称MOSFET 中的“氧化物”可能是误称，因为出于获得具有较小施加电压的强通道的目的而使用了不同的介电材料。因此，本文中使用的术语“MOSFET”不应被解读为字面意义上限于金属氧化物半导体，而是通常包括IGFET。
正如对于本领域普通技术人员而言应当是相当明显的，本发明的各种实施方式可以被实现为满足各种规格。除非上面另有说明的，否则对合适的元件值的选择是设计选择的问题，并且本发明的各种实施方式可以以任何合适的IC技术(包括但不限于MOSFET和IGFET结构)或者以混合或分立电路的形式来实现。集成电路实施方式可以使用任何合适的衬底和工艺来制造，包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅 (SOS)、GaAspHEMT和MESFET技术。然而，上述发明构思对于基于SOI的制造工艺(包括SOS)以及具有类似特征的制造工艺来说尤其有用。在SOI或SOS上以CMOS技术来制造由于FET堆叠、良好的线性度和高频率的操作(超过大约1GHz，并且具体为约2GHz以上)所以能够实现在操作期间的低功耗和承受高功率信号的能力。单片IC的实现尤其有用，因为通过仔细的设计通常可以将寄生电容保持得较低。
可以根据特定规格和/或实现技术(例如NMOS、PMOS或CMOS，以及增强模式或耗尽模式晶体管器件)来调节电压电平或者使电压和/或逻辑信号极性反转。可以按照需要例如通过调整器件大小、串联地“堆叠”组件(特别是SOI FET)以承受更大的电压和/或并行使用多个组件以处理更大的电流来调整组件的电压、电流和功率处理能力。可以添加附加的电路组件以增强所公开的电路的能力和/或在不显著改变所公开的电路的功能的情况下提供附加的功能。
为了改善线性度和其他性能特征，特别是当使用基于SOI的制造工艺 (包括SOS)时，根据下述文献的教示来构建和制造FET可能是尤其有用的：于2011年3月22日发布的标题为“Method and Apparatus for use in Im-proving Linearity of MOSFETs Using aAccumulated Charge Sink”的美国专利第7,910,993号；以及于2014年6月3日发布的标题为“Method and Apparatus for use for Linearity of MOSFETs Using a AccumulateSink”的美国专利第8,742,502号，并且其被转让给本发明的受让人，二者均通过引用并入本文中。
已经描述了本发明的多个实施方式。应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。例如，上述一些步骤可以是不依赖于顺序的，并且因此可以以不同于所述顺序的顺序来执行。此外，上述一些步骤可以是可选的。针对上述方法描述的各种动作可以以重复的、连续的或并行的方式来执行。应当理解，前面的描述旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书的范围限定，并且其他实施方式在权利要求书的范围内。

Claims (30)

1.一种射频RF适应性调谐网络开关电路，其可配置成在载波聚合模式和非载波聚合模式中进行操作，所述RF适应性调谐网络开关电路包括：
(a)可调谐开关，所述可调谐开关具有(1)多个信号端口，每个信号端口被配置成耦接到对应的RF频带滤波器，以及(2)公共端口，所述可调谐开关被配置成在至少一种操作模式中将至少两个所选择的信号端口同时连接到所述公共端口；
(b)单个数控可调谐匹配网络，所述数控可调谐匹配网络耦接到所述可调谐开关的所述公共端口，并且被选择性地控制以抵消由于将多于一个所选择的RF频带滤波器同时耦接到所述公共端口而引起的阻抗失配情况；以及
(c)至少一个数控滤波器预匹配网络，其被配置成具有匹配元件，所述匹配元件选择性地耦接到所述可调谐开关的对应的信号端口或者从所述可调谐开关的对应的信号端口解耦，其中，当在非载波聚合模式中进行操作时，所述至少一个数控滤波器预匹配网络从所述对应的信号端口解耦。
2.根据权利要求1所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述可调谐开关和所述数控可调谐匹配网络被集成在同一集成电路芯片上。
3.根据权利要求1所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述可调谐开关和所述至少一个数控滤波器预匹配网络被集成在同一集成电路芯片上。
4.根据权利要求1所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述数控可调谐匹配网络包括数字可调谐电容器和数字可调谐电感器中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述数控可调谐匹配网络能够在至少两种类型的拓扑之间重配置。
6.根据权利要求1所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述可调谐开关的至少一个信号端口包括对应的信号端口侧数控可调谐匹配网络。
7.一种射频RF适应性调谐网络开关电路，其可配置成在载波聚合模式和非载波聚合模式中进行操作，所述RF适应性调谐网络开关电路包括：
(a)可调谐开关，所述可调谐开关具有公共端口和多个信号端口并且被配置成在至少一种操作模式中将至少两个所选择的信号端口同时连接到所述公共端口；
(b)多个RF频带滤波器，所述多个RF频带滤波器耦接到所述可调谐开关的对应的信号端口；
(c)单个数控可调谐匹配网络，所述数控可调谐匹配网络耦接到所述可调谐开关的所述公共端口，并且被选择性地控制以抵消由于至少两个所选择的RF频带滤波器的至少一个组合被同时连接到所述公共端口而引起的阻抗失配情况；以及
(d)至少一个数控滤波器预匹配网络，其被配置成具有匹配元件，所述匹配元件选择性地耦接到所述可调谐开关的对应的信号端口或者从所述可调谐开关的对应的信号端口解耦，其中，当在非载波聚合模式中进行操作时，所述至少一个数控滤波器预匹配网络从所述对应的信号端口解耦。
8.根据权利要求7所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述可调谐开关和所述数控可调谐匹配网络被集成在同一集成电路芯片上。
9.根据权利要求7所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述可调谐开关和所述至少一个数控滤波器预匹配网络被集成在同一集成电路芯片上。
10.根据权利要求7所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述数控可调谐匹配网络包括数字可调谐电容器和数字可调谐电感器中的至少一者。
11.根据权利要求7所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述数控可调谐匹配网络能够在至少两种类型的拓扑之间重配置。
12.根据权利要求7所述的RF适应性调谐网络开关电路，其中，所述可调谐开关的至少一个信号端口包括对应的信号端口侧数控可调谐匹配网络。
13.一种用于适应性地调谐射频(RF)开关的方法，其可配置成在载波聚合模式和非载波聚合模式中进行操作，所述方法包括：
(a)提供可调谐开关，所述可调谐开关具有(1)多个信号端口，每个信号端口被配置成耦接到对应的RF频带滤波器；以及(2)公共端口；
(b)将所述可调谐开关配置成在至少一种操作模式中将至少两个所选择的信号端口同时连接到所述公共端口；
(c)将单个数控可调谐匹配网络耦接到所述可调谐开关的所述公共端口；
(d)提供至少一个数控滤波器预匹配网络，所述至少一个数控滤波器预匹配网络被配置成具有匹配元件，所述匹配元件选择性地耦接到所述可调谐开关的对应的信号端口或者从所述可调谐开关的对应的信号端口解耦，其中，当在非载波聚合模式中进行操作时，所述至少一个数控滤波器预匹配网络从所述对应的信号端口解耦；以及
(e)选择性地控制所述数控可调谐匹配网络和所述至少一个数控滤波器预匹配网络以抵消由于将多于一个所选择的RF频带滤波器同时耦接到所述公共端口而引起的阻抗失配情况。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述可调谐开关和所述数控可调谐匹配网络集成在同一集成电路芯片上。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述可调谐开关与所述至少一个数控滤波器预匹配网络集成在同一集成电路芯片上。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述数控可调谐匹配网络包括数字可调谐电容器和数字可调谐电感器中的至少一者。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述数控可调谐匹配网络能够在至少两种类型的拓扑之间重配置。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括将信号端口侧数控可调谐匹配网络耦接到所述可调谐开关的至少一个对应的信号端口。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括将多个RF频带滤波器耦接到所述可调谐开关的对应的信号端口。
20.一种多路射频(RF)适应性调谐网络开关电路，包括：
(a)多路可调谐开关，所述多路可调谐开关具有公共端口和多个信号端口，每个信号端口被配置成耦接至相应的RF频带滤波器，所述多路可调谐开关被配置成在至少一种操作模式中将至少两个所选择的信号端口同时连接到所述公共端口；
(b)单个数控可调谐匹配网络，所述数控可调谐匹配网络耦接到所述多路可调谐开关的所述公共端口，并且被选择性地控制以抵消由于将多于一个RF频带滤波器同时耦接到所述公共端口而引起的阻抗失配情况；以及
(c)多个数控相位匹配网络，每个数控相位匹配网络耦接到所述多路可调谐开关的对应的信号端口并被配置成耦接到对应的RF频带滤波器，每个数控相位匹配网络被选择性地控制以抵消由于将多于一个所选择的RF频带滤波器同时耦接到所述公共端口而引起的阻抗失配情况。
21.根据权利要求20所述的多路射频(RF)适应性调谐网络开关电路，其中，所述多路可调谐开关和所述多个数控相位匹配网络被集成在同一集成电路芯片上。
22.根据权利要求20所述的多路射频(RF)适应性调谐网络开关电路，其中，至少一个数控相位匹配网络是数控可调谐匹配网络。
23.根据权利要求20所述的多路射频(RF)适应性调谐网络开关电路，其中，至少一个数控相位匹配网络包括数字可调谐电容器和数字可调谐电感器中的至少一者。
24.根据权利要求20所述的多路射频(RF)适应性调谐网络开关电路，其中，至少一个数控相位匹配网络能够在至少两种类型的拓扑之间重配置。
25.一种用于适应性地调谐多路射频(RF)开关的方法，包括：
(a)提供多路可调谐开关，所述多路可调谐开关具有公共端口和多个信号端口，每个信号端口被配置成耦接至相应的RF频带滤波器；
(b)将单个数控可调谐匹配网络耦接到所述多路可调谐开关的所述公共端口，并且选择性地控制所述数控可调谐匹配网络以抵消由于将多于一个RF频带滤波器同时耦接到所述公共端口而引起的阻抗失配情况；
(c)将所述多路可调谐开关配置成在至少一种操作模式中将至少两个所选择的信号端口通过所述数控可调谐匹配网络同时连接到所述公共端口；
(d)将多个数控相位匹配网络中的每一个耦接到所述多路可调谐开关的对应的信号端口；
(e)将每个数控相位匹配网络耦接到对应的RF频带滤波器；以及
(f)选择性地控制每个数控相位匹配网络，以抵消由于将多于一个所选择的RF频带滤波器同时耦接到所述公共端口而引起的阻抗失配情况。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：将所述多路可调谐开关和所述多个数控相位匹配网络集成在同一集成电路芯片上。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，至少一个数控相位匹配网络是数控可调谐匹配网络。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，至少一个数控相位匹配网络包括数字可调谐电容器和数字可调谐电感器中的至少一者。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，至少一个数控相位匹配网络能够在至少两种类型的拓扑之间重配置。
30.根据权利要求25所述的方法，还包括：将多个RF频带滤波器耦接到对应的数控相位匹配网络。
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