CN112204890B - 用于多带毫米波5g通信的发送和接收开关和宽带功率放大器匹配网络 - Google Patents
用于多带毫米波5g通信的发送和接收开关和宽带功率放大器匹配网络 Download PDFInfo
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Abstract
根据一个实施例，发送/接收(T/R)开关包括：发送开关，其在发送端口与天线端口之间，接收开关，其在接收端口与所述天线端口之间，发送电感器，其并联耦合在所述发送开关与所述发送端口之间，以及接收电感器，其并联耦合在所述发送开关与所述发送端口之间。所述T/R开关可以利用功率放大器(PA)输出匹配电路协同设计。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月27日提交的美国非临时申请No.15/965,694的权益。
技术领域
本发明的实施例大体涉及无线通信设备。更特别地，本发明的实施例涉及通信设备的发送/接收开关和宽带功率放大器匹配网络。
背景技术
5G通信要求从24GHz至43GHz的频率范围处的宽带操作，需要宽带和高效的无线发送器。常规地，功率放大器(PA)和发送/接收(T/R)开关分开设计，具有单个的标准50Ω接口。这些电路的分离可能导致牺牲发送器带宽、输出功率、和效率。
主要发送器规格(例如，带宽、输出功率、和效率)基本上由被定位成经过PA有源晶体管的组件管理或支配，所述组件例如PA输出匹配网络和T/R开关。因此，PA输出匹配网络和T/R开关的协同设计可以提供独特的优势和益处来改善发送器性能。
此外，如果发送和接收分支具有分离的匹配电感器，则T/R开关可以有益地具有更大的设计自由度和经改进的阻抗匹配。
附图说明
在附图的图中通过示例而非限制的方式图示了本发明的实施例，其中，相同的附图标记指示相似的元件。
图1是示出根据一个实施例的无线通信设备的示例的框图。
图2是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的示例的框图。
图3是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的框图。
图4是示出根据一个实施例的功率放大器集成电路的示例的框图。
图5示出了根据一个实施例的PA输出匹配网络和T/R开关。
图6示出了根据一个实施例的PA输出匹配网络和T/R开关。
图7的图形a-c示出了输出匹配电路独自与连接到T/R开关的输出匹配电路之间的比较。
图8的图形a-c示出了协同设计的输出匹配电路和T/R开关的实部阻抗、虚部阻抗、和无源损耗。
图9示出了T/R开关的实施例。
附图说明
在附图的图中通过示例而非限制的方式图示了本发明的实施例，其中，相同的附图标记指示相似的元件。
图1是示出根据一个实施例的无线通信设备的示例的框图。
图2是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的示例的框图。
图3是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的框图。
图4是示出根据一个实施例的功率放大器集成电路的示例的框图。
图5示出了根据一个实施例的PA输出匹配网络和T/R开关。
图6示出了根据一个实施例的PA输出匹配网络和T/R开关。
图7的图形a-c示出了输出匹配电路独自与连接到T/R开关的输出匹配电路之间的比较。
图8的图形a-c示出了协同设计的输出匹配电路和T/R开关的实部阻抗、虚部阻抗、和无源损耗。
图9示出了T/R开关的实施例。
具体实施方式
本发明的各种实施例和方面将参考下文所讨论的细节来描述，并且附图将图示各种实施例。以下描述和附图说明了本发明并且不应被解释为对本发明的限制。许多特定细节被描述为提供对本发明的各种实施例的透彻理解。然而，在某些实例中，众所周知或常规细节未被描述以提供本发明的实施例的简要讨论。
对“一个实施例”或“实施例”的说明书中的引用意指结合实施例所描述的特定特征、结构或特点可以被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中的各个地方中的短语“在一个实施例中”的出现不必全部指代相同的实施例。
根据一些实施例，用于无线通信的电子电路包括发送/接收(T/R)开关。T/R开关可以包括：发送开关，其在发送端口与天线端口之间；接收开关，其在接收端口与天线端口之间；发送电感器，其并联耦合在发送开关与发送端口之间；以及接收电感器，其并联耦合在接收开关与接收端口之间。
根据一些实施例，用于无线通信的电子电路可以是具有T/R开关和功率放大器匹配网络的协同设计电路。匹配网络可以包括：第一电容器，其并联耦合到匹配网络电路的输入端口；宽带片上变压器，其并联耦合到第一电容器；以及第二电容器，其串联耦合在宽带片上变压器与匹配网络电路的输出端口之间，其中，匹配网络电路的输出端口耦合到T/R开关的发送端口。
根据一些实施例，匹配网络电路包括：第一电容器，其并联耦合到匹配网络电路的输入端口；宽带片上变压器，其并联耦合到第一电容器，其中，宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，其中，次级绕组是部分绕组。匹配网络电路包括第二电容器，其串联耦合在宽带片上变压器与匹配网络电路的输出端口之间。
在一个方面中，宽带片上变压器的初级绕组和次级绕组包括平面八角形绕组。在另一实施例中，初级绕组的平面八角形绕组沿着平面轴电磁耦合到次级绕组的平面八角形绕组。在另一实施例中，初级绕组和次级绕组由电介质层分离。初级绕组和次级绕组可以设置在不同的衬底层上作为集成电路(IC)的一部分。
在一个实施例中，次级绕组的部分绕组包括近似1.5匝绕组。在一个实施例中，初级绕组耦合到电源以向输入端口的电路供应偏置电压。在一个实施例中，次级绕组包括至少两个导电层。
根据另一方面，两级功率放大器(PA)包括：第一放大器级；第二放大器级；第一匹配网络电路，其耦合在第一放大器级与第二放大器级之间；以及第二匹配网络电路，其耦合到第二放大器级的输出端口。第二匹配网络包括：第一电容器，其并联耦合到第二匹配网络电路的输入端口；宽带片上变压器，其并联耦合到第一电容器，其中，宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，其中，次级绕组是部分绕组。初级绕组和次级绕组可以设置在不同的衬底层上作为集成电路的一部分。第二匹配网络包括第二电容器，其串联耦合在宽带片上变压器与第二匹配网络电路的输出端口之间。
根据另一方面，RF前端集成电路(IC)设备包括放大发送信号的两级功率放大器(PA)。PA包括：第一放大器级；第二放大器级；第一匹配网络电路，其耦合在第一放大器级第二放大器级之间；以及第二匹配网络电路，其耦合到第二放大器级的输出端口。第二匹配网络包括：第一电容器，其并联耦合到第二匹配网络电路的输入端口；宽带片上变压器，其并联耦合到第一电容器，其中，宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，其中，次级绕组是部分绕组。初级绕组和次级绕组可以设置在不同的衬底层上作为集成电路的一部分。第二匹配网络包括第二电容器，其串联耦合在宽带片上变压器与第二匹配网络电路的输出端口之间。
图1是示出根据本发明的一个实施例的无线通信设备的示例的框图。参考图1，无线通信设备100，还简单地被称为无线设备，包括RF前端模块101和基带处理器102等。无线设备100可以是任何种类的无线通信设备，诸如移动电话、膝上型电脑、平板电脑、网络家电设备(例如，物联网或IOT家电设备)等。
在无线电接收器电路中，RF前端是用于天线直到并包括混合器级之间并包括混合器级的所有电路的一般术语。其包括接收器中在信号被转换为更低的中频(IF)之前以原始输入无线电频率处理信号的所有组件。在微波和卫星接收器中，其常被称为低噪声块(LNB)或低噪声向下转换器(LND)并且常常位于天线处，使得来自天线的信号可以以更容易处理的中频传送到接收器的剩余部分。基带处理器是管理所有无线电功能(要求天线的所有功能)的网络接口中的设备(芯片或芯片的一部分)。
在一个实施例中，RF前端模块101包括一个或多个RF收发器，其中，RF收发器中的每个经由若干RF天线之一发送和接收特定频带(例如，特定频率范围，诸如非重叠频率范围)内的RF信号。RF前端IC芯片还包括耦合到RF收发器的频率合成器。频率合成器将本地振荡器(LO)信号生成和提供到RF收发器中的每个以使得RF收发器能够混合、调制、和/或解调对应频带内的RF信号。RF收发器和频率合成器可以集成在单个IC芯片内作为单个RF前端IC芯片或封装。
图2是示出根据本发明的一个实施例的RF前端集成电路的示例的框图。参考图2，RF前端101包括耦合到多频带RF收发器211的频率合成器200等。收发器211被配置为经由RF天线221发送和接收一个或多个频带或RF频率的宽范围内的RF信号。在一个实施例中，收发器211被配置为接收来自频率合成器200的一个或多个LO信号。LO信号针对一个或多个对应频带生成。LO信号被用于由收发器混合、调制、解调，以用于发送和接收对应频带内的RF信号的目的。虽然仅示出了一个收发器和天线，但是可以实现多个收发器和天线对，其中每个频带对应一个收发器和天线对。
图3是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的框图。参考图3，频率合成器300可以表示如上文所描述的频率合成器200。在一个实施例中，频率合成器300可通信地耦合到宽带发送器301和宽带接收器302，其可以是诸如收发器211的收发器的一部分。宽带发送器301针对若干频带发送RF。
在一个实施例中，发送器301包括滤波器303、混合器304、和功率放大器305。滤波器303可以是接收待发送到目的地的发送(TX)信号的一个或多个低通(LP)滤波器，其中，TX信号可以从诸如基带处理器102的基带处理器提供。混合器301(也被称为向上转换混合器)被配置为基于由频率合成器300提供的本地振荡器(LO)信号，将TX信号混合并且调制到一个或多个载波频率信号上。调制信号然后由功率放大器305放大，并且放大信号然后经由天线310发送到远程接收器。
RF前端集成电路可以包括接收器302。接收器302包括低噪声放大器(LNA)306、(一个或多个)混合器307、和(一个或多个)滤波器308。LNA306将经由天线310接收来自远程发送器的RF信号并且放大接收到的RF信号。放大的RF信号然后基于由频率合成器300提供的LO信号由混合器307(也被称为向下转换混合器)解调。解调信号然后由滤波器308处理，滤波器308可以是低通滤波器。在一个实施例中，发送器301和接收器302经由发送和接收(T/R)开关309共享天线310。T/R开关309被配置为在发送器301与接收器302之间切换以在特定时间点处将天线310耦合到发送器301或接收器302。虽然仅示出了一对发送器和接收器，但是多对发送器和接收器可以耦合到频率合成器300，多个频带中的每个对应一个发送器和接收器对。
图4是示出根据一个实施例的功率放大器(PA)集成电路的示例的框图。参考图4，PA 400可以是图3的PA 305。PA 400可以包括驱动器级401、级间匹配网络402、输出级403、和输出匹配网络404。级间匹配网络402和输出匹配网络404可以匹配由驱动器级401和输出级403所见的阻抗以使针对PA 400的功率传递最大化。例如，级间匹配网络402可以分别地将输入阻抗和输出阻抗与在驱动器级401的输出端口处所见的阻抗和在输出级403的输入端口处所见的阻抗匹配，以使从PA 400的输入端口到输出级403的功率传递最大化。输出匹配网络404可以匹配从输出级403的输出端口所见的阻抗以使从输出级403到PA 400的输出端口的功率传递最大化。最后，输出匹配网络404可以为PA 400的单端输出端口提供差分到单端转换。
参考图4，驱动器级401和输出级403是PA 400的放大器级。在一个实施例中，驱动器级401和输出级403是差分级联放大器级。差分放大器是放大两个输入电压之间的差但抑制两个输入的任何共同电压的放大器。差分放大器提供共模噪声抑制，诸如来自附近组件和电源的噪声。级联放大器是两级放大器(例如，FET或BJT)，其包括馈送到共栅极(或针对BJT的共基极)级中的共源极(或针对BJT的共发送极)级。与单级放大器比较，级联放大器具有更高的输入输出隔离(即，减少从输出端口到输入端口的反向传输中的泄露，因为在输入端口与输出端口之间不存在直接耦合)、更高的输入阻抗、更高的输出阻抗、更高的增益、和更高的带宽。此处，驱动器级401和输出级403包括组合差分拓扑和级联拓扑以实现大输出摆动、宽带宽、和高输出功率的放大器。
发送/接收开关
参考图5，发送器电感器LTX 903可以并联耦合在发送开关901与发送端口905之间。类似地，接收电感器LRX 904可以并联耦合在接收开关902与接收端口906之间。
发送开关901和接收开关902可以各自具有同步操作的两极，使得当发送开关的第一极开启/闭合从而将输出级连接到天线时，接收开关的第一极关闭/断开，从而将LNA与天线断开。同时，发送开关的第二极关闭/断开，并且接收开关的第二极开启/闭合，从而将输入接地到LNA。
在一个实施例中，如图9所示，发送开关901和接收开关902的极各自包括一个或多个场效应晶体管，其具有由Vctrl 1301和反向的Vctrl 1302交替同步的控制输入以控制如上文所描述的极。
有益地，可以调整LTX和LRX的大小以优化TX和RX路径中的阻抗匹配。分离的电感器LTX和LRX，而不是天线907处的单个电感器，提供附加的设计自由度来优化TX和RX路径中的带宽和插入损耗。因此，应注意到，在一个实施例中，在天线907处不存在电感器。
协同设计的T/R开关和PA输出匹配级
有益地，由于电感器是分离的，因而它们可以利用发送和接收电路以分离的方式协同设计。例如，发送电感器LTX可以与PA输出匹配网络404协同设计，而LRX可以与LNA 306协同设计。
此外，PA输出匹配网络可以使用LC集总元件、变压器、或基于传输线的分布式组件实现。为了减少芯片面积，PA输出匹配网络404使用具有两个调谐电容器的基于变压器的匹配网络，其仅占用单个电感器封装。
图6示出了宽带输出匹配网络的集总模型等效电路。PA输出匹配网络404包括片上变压器501、设备寄生电容器Cdev、和两个额外MOM电容器Cp和Cs。物理变压器由具有其磁化电感器和泄露电感器的理想变压器建模，并且其寄生电容器(Cpar1和Cpar2)分流到接地。此处，k是磁耦合系数，n是匝比，Lp是初级自感。Rp和Rs对变压器的损耗进行建模。
针对T/R开关，Ron 911、914对开关晶体管的导通电阻进行建模，并且Coff913、914对开关晶体管的关闭电容进行建模。
高阶无源网络形成以使能瞬时宽带宽。因此，在协同设计电路中，每个电路元件的值被选择以实现在操作带宽上由PA输出级(Ropt)所见的最佳负载阻抗，同时维持低插入损耗。
PA输出级的增益被定义为gm·|Z|·Loss，其中，gm是晶体管的跨导，Z是呈现给PA输出级的负载阻抗，并且Loss是输出匹配网络的无源损耗。宽带匹配的目标是实现操作频率上的相对恒定的功率增益。由于gm是频率无关的，所以设计目标变换为实现宽带宽上的相对恒定的|Z|和Loss。另外，PA晶体管要求实值Z实现最大输出功率和效率(负载牵引条件)，这意味着在操作频率上Z的实部应当接近于Ropt 1010，以及虚部接近于0。
如果PA输出匹配起初被设计用于50Ω天线阻抗而不考虑来自T/R SW的影响，则其带内Z变化和Loss变化在连同T/R SW放在系统集成中之后变得更大。例如，PA输出匹配网络自己的损耗变化在不添加T/R SW的情况下是0.4dB并且在与T/R SW集成之后增加到1.8dB，如图7的图形c所示。
实际上，图7的图形a-c示出了差分输出级所见的模拟负载阻抗和模拟无源损耗。在该模拟中，PA输出匹配网络最初被设计用于50Ω天线阻抗而不考虑T/R SW。在添加T/RSW之后，带内阻抗变化和损耗变化变得更大。
因此，起初考虑T/R开关的寄生电容(Coff)并且通过建立协同设计电路(例如，通过建立协同设计的T/R开关和输出匹配电路)将其吸收到无源网络合成中是重要的。变压器参数(k、n、和Lp)、两个调谐电容器(Cp和Cs)、和T/R SW TX路径电感器LTX协同设计以实现宽带匹配。
现在参考图8，在图形a-c中示出了通过PA输出匹配网络与T/R SW的协同设计得到的差分输出级所见的模拟负载阻抗和模拟无源损耗。协同设计的输出匹配电路和T/R开关具有接近于50Ω的负载阻抗的实部，以及接近于0的负载阻抗的虚部。带内无源损耗变化是0.8dB。
在前述说明书中，本发明已经参考其特定示例性实施例描述。将明显的是，在不脱离如以下权利要求阐述的本发明的较宽精神和范围的情况下，可以对其做出各种修改。因此，说明书和附图将被认为是说明性意义而非限制性意义。
Claims (9)
1.一种用于无线通信的射频前端电路即RF前端电路，包括：
发送/接收开关即T/R开关，所述T/R开关包括：
发送开关，其在发送端口与天线端口之间；
接收开关，其在接收端口与所述天线端口之间；
发送电感器，其并联耦合在所述发送开关与所述发送端口之间；以及
接收电感器，其并联耦合在所述接收开关与所述接收端口之间，
其中，所述发送开关和所述接收开关各自包括两个极，其中，
在“开启”位置，
第一极闭合，将相应端口连接到所述天线端口，
第二极断开，将相应端口与公共回线断开，以及
在“闭合”位置，
所述第一极断开，将所述相应端口与所述天线端口断开，以及
所述第二极闭合，将所述相应端口连接到所述公共回线。
2.根据权利要求1所述的RF前端电路，还包括：
功率放大器输出匹配网络即PA输出匹配网络，其具有：
第一电容器，其并联耦合到匹配网络电路的输入端口；
宽带片上变压器，其并联耦合到所述第一电容器；以及
第二电容器，其串联耦合在所述宽带片上变压器与所述匹配网络电路的输出端口之间，
其中，所述匹配网络电路的输出端口耦合到所述T/R开关的发送端口。
3.根据权利要求2所述的RF前端电路，其中，所述第一电容器、所述宽带片上变压器、所述匹配网络电路的第二电容器、以及所述T/R开关的发送电感器和接收电感器的组合导致：
所述RF前端电路的实阻抗基本上等于所述PA输出匹配网络的输入端口处的最佳阻抗ROPT，
所述RF前端电路的虚阻抗基本上等于零，以及
低插入损耗。
4.根据权利要求2所述的RF前端电路，其中，所述T/R开关和所述PA输出匹配网络是协同设计电路，所述第一电容器和所述第二电容器、发送电感器以及变压器参数使得宽带阻抗匹配到：
天线的负载阻抗，
所述发送开关的导通电阻，以及
所述发送开关的关闭电容。
5.根据权利要求2所述的RF前端电路，其中，所述PA输出匹配网络和所述T/R开关是集成电路。
6.根据权利要求1所述的RF前端电路，其中，所述发送电感器具有用于谐振掉来自所述发送开关的寄生电容的电感，以及所述接收电感器具有用于谐振掉所述接收开关的寄生电容的电感。
7.根据权利要求1所述的RF前端电路，其中，所述发送开关具有：“开启”状态，该“开启”状态将所述发送端口连接到天线，以及“关闭”状态，该“关闭”状态将所述发送端口与所述天线断开。
8.根据权利要求1所述的RF前端电路，其中，所述接收开关具有：“开启”状态，该“开启”状态将所述接收端口连接到天线，以及“关闭”状态，该“关闭”状态将所述接收端口与所述天线断开。
9.根据权利要求1所述的RF前端电路，其中，所述发送开关和所述接收开关各自包括一个或多个场效应晶体管。
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