CN114503443A - 基于转换器的天线切换网络 - Google Patents

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Abstract

一种基于转换器的天线切换网络，其包括转换器，所述转换器具有在第一端子与第二端子之间延伸的次级绕组。第一端子通过第一开关耦合到地，并连接到第一天线。第二端子通过第二开关耦合到地，并连接到第二天线。

Description

基于转换器的天线切换网络
本申请要求享有于2019年10月8日提交的题为“TRANSFORMER-BASED ANTENNASWITCHING NETWORK”的美国非临时申请No.16/595,987的专利优先权，该申请被转让给本申请的申请人，并且由此通过引用的方式明确地并入本文。
技术领域
本申请涉及收发机，并且更具体而言，涉及用于选择性地将收发机与天线进行耦合的基于转换器(transformer)的天线切换网络。
背景技术
无线通信系统被广泛部署以提供各种电信服务，诸如电话、视频、数据、消息收发和广播。典型的无线通信系统可以采用能够通过共享可用系统资源来支持与多个用户的通信的多址技术。这种多址技术的示例包括码分多址(CDMA)系统、时分多址(TDMA)系统、频分多址(FDMA)系统、正交频分多址(OFDMA)系统、单载波频分多址(SC-FDMA)系统和时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统。
这些多址技术已经在各种电信标准中被采用，以提供使得不同无线设备能够在城市、国家、地区甚至全球级别上进行通信的公共协议。一种示例性电信标准是5G新无线电(NR)。5G NR是由第三代合作伙伴计划(3GPP)发布的连续移动宽带演进的一部分，以满足与延时、可靠性、安全性、可缩放性(与物联网(IoT)的可缩放性)相关联的新需求以及其他需求。5GNR包括与增强型移动宽带(eMBB)、大规格机器类型通信(mMTC)和超可靠低时延通信(URLLC)相关联的服务。5G NR的一些方面可以基于4G长期演进(LTE)标准。存在对5G NR技术的进一步改进的需求。这些改进可以应用于其他多址技术和使用这些多址技术的电信标准。
发明内容
根据本公开内容的第一方面，公开了一种基于转换器的天线切换网络，其包括：具有次级绕组的第一转换器；第一开关，其耦合在第一转换器的次级绕组的第一端子与地之间；第一天线，其耦合到所述第一端子；第二开关，其耦合在第一转换器的次级绕组的第二端子与地之间；以及第二天线，其耦合到所述第二端子。
根据本公开内容的第二方面，公开了一种天线切换方法，其包括：打开耦合在第一转换器的次级绕组的第一端子与地之间的第一开关；以及闭合耦合在第一转换器的次级绕组的第二端子与地之间的第二开关，以便选择连接到所述第一端子的第一天线并且隔离连接到所述第二端子的第二天线。
根据本公开内容的第三方面，公开了一种基于转换器的天线切换网络，其包括：具有第一次级绕组的第一转换器；具有第二次级绕组的第二转换器，其中，第二次级绕组包括第一端子，所述第一端子连接到所述第一次级绕组的第一端子；具有第三次级绕组的第三转换器；具有第四次级绕组的第四转换器，其中，第四次级绕组包括第一端子，所述第一端子连接到第三次级绕组的第一端子；第一天线，其连接到第一次级绕组的第二端子；第一开关，其耦合在地与第一次级绕组的第二端子之间；第二开关，其耦合在地与第二次级绕组的第二端子之间；第三开关，其耦合在地与第三次级绕组的第二端子之间；第四开关，其耦合在地与第四次级绕组的第二端子之间；以及第二天线，其连接到第四次级绕组的第二端子。
根据本公开内容的第四方面，提供了一种基于转换器的天线切换网络，其包括：包括次级绕组和初级绕组的转换器；第一开关，其耦合在转换器的次级绕组的第一端子与地之间；第二开关，其耦合在转换器的次级绕组的第二端子与地之间；以及具有第一输出端和第二输出端的差分功率放大器，所述第一输出端连接到转换器的初级绕组的第一端子，并且所述第二输出端连接到转换器的初级绕组的第二端子。
通过以下具体实施方式，可以更好地理解这些有利特征以及其他有利特征。
附图说明
图1A例示了根据本公开内容的一个方面，用于在两个天线之间进行切换的、包括两个并联开关晶体管的基于转换器的天线切换网络。
图1B例示了在图1A的基于转换器的天线切换网络中的并联开关晶体管中的第一个开关晶体管的关断电容和并联开关晶体管中的第二个开关晶体管的导通电阻。
图1C例示了根据本公开内容的一个方面，利用串联开关晶体管对来对图1A的基于转换器的天线切换网络的修改。
图2例示了根据本公开内容的一个方面，用于在三个天线之间进行切换的、包括两个转换器和四个并联开关的基于转换器的天线网络。
图3例示了根据本公开内容的一个方面的对图2的基于转换器的切换网络的修改，以包括两个额外的功率放大器。
图4例示了对图1的基于转换器的切换网络的修改，以包括具有两个单端低噪声放大器的接收路径。
图5例示了对图1的基于转换器的切换网络的修改，以包括具有差分低噪声放大器的接收路径。
图6是根据本公开内容的一个方面的用于使用基于转换器的切换网络来从一对天线中选择第一天线的方法的流程图。
图7例示了根据本公开内容的一个方面的一些示例性电子系统，其每一个都包括基于转换器的切换网络。
图8例示了根据本公开内容的一个方面的波束成形收发机，其包括天线阵列和对应的天线切换网络。
通过参考如下具体实施方式，最佳地理解本公开内容的各个实施例及其优点。应理解的是，类似的参考标记用于标识一个或多个附图中的类似的元素。
具体实施方式
为了支持诸如第五代(5G)蜂窝网络技术之类的现代蜂窝通信协议的高数据速率，发射波长正在扩展到毫米波频谱。由于在这些较高频率处较小的波长尺寸，移动设备可以结合天线阵列，尽管移动设备具有相对小的形状因数。通过利用阵列内不同类型的天线，移动设备可以根据射频(RF)环境来改变其波束宽度和其他发射参数。
为了驱动阵列内的不同天线，移动设备可以包括分开的发射机，这些分开的发射机通过专用发射机路径驱动特定天线。但是，由于形成各种发射机所需的半导体管芯空间的增加，使用分开的发射机会增加成本。为了降低成本，可以使用共享发射机，通过天线切换网络在两个或更多个天线之间进行选择，所述天线切换网络具有与所述共享发射机和所述天线中的相应天线串联的开关。例如，通过闭合在共享发射机与第一天线之间串联的第一开关晶体管，同时打开在共享发射机与第二天线之间串联的第二开关晶体管，共享发射机可以驱动第一天线同时隔离第二天线。如果随后打开第一开关晶体管且闭合第二开关晶体管，则共享发射机随后可以驱动第二天线同时隔离第一天线。
尽管这种共享发射机架构在较低频率下是可行的，但注意，开关晶体管在关断时将具有一定量的关断电容(Coff)。在诸如用于5G的毫米波频率处，大量泄漏功率将因此通过共享发射机的被关断的开关晶体管中的关断电容泄漏。由此，功率作为从未被选择的天线(其本应被隔离)发出的辐射而被不希望地损失。
为了提供具有降低的泄漏功率损耗的改进的天线切换网络，公开了一种基于转换器的天线切换网络，用于共享发射机在多个天线之间进行选择。该基于转换器的天线切换网络包括由转换器形成的天线切换网络，该转换器包括由共享发射机驱动的初级绕组。以下讨论将针对差分共享发射机实施例，但应理解单端共享发射机可在替代实施例中实现。共享发射机的一个输出端口驱动初级绕组的第一端子，而共享发射机的剩余的第二输出端口驱动初级绕组的第二端子。
根据期望的发射特性，控制器控制耦合到天线切换网络中的转换器的次级绕组的一对开关晶体管，以在天线之间进行选择。具体而言，所述开关晶体管中的第一开关晶体管耦合在地与次级绕组的第一端子之间。类似地，所述开关晶体管中的第二开关晶体管耦合在地与次级绕组的第二端子之间。次级绕组在第一端子和第二端子之间延伸。次级绕组的第一端子通过第一传输线耦合到所述天线中的第一天线。类似地，次级绕组的第二端子通过第二传输线耦合到所述天线中的第二天线。如本文所用，“传输线”是指任何合适形式的传输线，诸如微带线、共面波导、槽线或带状线。此外，如本文所使用的，术语“耦合”或“被耦合”是指可以是直接(无中间元件)的或可以是间接(例如，通过诸如滤波器之类的中间元件耦合)的电连接。
为了选择第一天线同时隔离第二天线，控制器关断第一开关晶体管并导通第二开关晶体管。在这样的配置中，次级绕组的第二端子由此是接地端子，而次级绕组的第一端子是针对第一天线的单端驱动端子。因此将理解，基于转换器的天线切换网络由此用作允许差分发射机单端地驱动第一天线的平衡不平衡转换器(balun)。此外，基于转换器的天线切换网络将共享发射机的输出阻抗与第一传输线的输入阻抗相匹配(该输入阻抗还与第一天线的输入阻抗相匹配)。
为了选择第二天线同时隔离第一天线，控制器导通第一开关晶体管并关断第二开关晶体管。在这种配置中，次级绕组的第一端子成为接地端子，而次级绕组的第二端子成为针对第二天线的单端驱动端子。在选择第二根天线时，基于转换器的天线切换网络再次起到平衡不平衡转换器的作用，并将共享发射机的输出阻抗与第二传输线的阻抗相匹配(第二传输线的阻抗进而与第二天线的输入阻抗相匹配)。无论选择哪个天线，注意，到被隔离的天线的功率泄漏与被导通的开关晶体管的导通电阻成反比。与串行开关的天线开关拓扑结构相比，所得到的基于转换器的天线切换网络的功率泄漏被减少。
图1A中示出了示例性的基于转换器的天线切换网络100，其包括由具有初级绕组P和次级绕组S的转换器T形成的天线切换网络105。共享发射机110驱动初级绕组P的第一端子和第二端子两者。RF技术领域的普通技术人员将理解，共享发射机110包括RF前端，该RF前端将从基带部分通过可选的中频(IF)部分延伸到在差分功率放大器(PA)115中结束的RF部分。为了例示的清楚，功率放大器115是共享发射机110中所示的唯一组件。RF前端的其他组件，诸如滤波器(未例示)，可以是专用于特定的RF路径的或是被共享的。
转换器T的次级绕组S包括通过第一传输线125连接到第一天线135的第一端子102。此外，次级绕组包括通过第二传输线130连接到第二天线140的第二端子103。为了更好地将PA 115的输出阻抗与第一天线135和第二天线140的输入阻抗相匹配，电容器C1被布置为与初级绕组P并联。类似地，电容器C2被布置为与次级绕组S并联，以进一步帮助阻抗匹配。为了在第一天线135和第二天线140之间进行选择以用于发射由功率放大器115放大的射频(RF)信号，控制器120控制第一开关，诸如第一开关晶体管M1，并且控制第二开关，诸如第二开关晶体管M2。控制器120是可由处理器、现场可编程门阵列、状态机或其他合适类型的逻辑电路实现的逻辑电路。第一开关晶体管M1耦合在次级绕组的第一端子102与地之间。类似地，第二开关晶体管M2耦合在次级绕组的第二端子103与地之间。两个开关晶体管都可以是n型金属氧化物半导体(NMOS)场效应晶体管，但可以理解，可以使用其他合适的晶体管，诸如p型金属氧化物半导体(PMOS)或双极结晶体管，其他类型的电子开关器件。在一些实施例中，天线135和天线140是相控天线阵列的一部分。
为了通过天线135发射RF信号，控制器120关断开关晶体管M1并导通开关晶体管M2。相反，控制器120导通开关晶体管M1并关断开关晶体管M2以通过天线140发射RF信号。无论选择哪一个天线，被关断的晶体管都向被连接到所选择的天线的次级绕组端子呈现关断电容(Coff)。被导通的晶体管在地与连接到未被选择的天线的次级绕组端子之间呈现导通电阻(Ron)。例如，在图1B中针对网络100示出了开关晶体管M1的关断电容和开关晶体管M2的导通电阻，其中开关晶体管M1被关断而开关晶体管M2被导通。天线135由其电阻RANT1表示。类似地，天线140由其电阻RANT2表示。由于未选择天线140，因此与驱动所选择的天线135的RF信号中的大很多的发射功率相比，天线140接收的功率是功率泄漏。但是该功率泄漏与开关晶体管M2的导通电阻Ron成反比，因为电阻RANT2是相对于地而与电阻Ron并联的。相反地，串联开关架构中的每个开关晶体管将具有连接到次级绕组的第一漏极/源极端子和连接到其对应天线的第二漏极/源极端子。因此，这种串联布置的开关晶体管没有到地的直接连接。串联开关方法导致与串联开关的关断电容成比例的功率泄漏。因此，与对应的串联开关天线网络的功率泄漏相比，本文公开的并联布置的开关晶体管的功率泄漏有利地较低。
注意，连接到所选择的天线的开关晶体管的关断电容与次级绕组电感并联。开关晶体管的关断电容、C2电容和次级绕组电感由此形成了并联LC谐振电路，其中L是次级绕组电感，C是关断电容和C2电容之和。这种并联LC谐振电路的谐振频率与LC乘积的平方根的倒数成正比。通过适当地选择关断电容、C2电容和次级绕圈电感以使得并联LC电路针对PA115的工作带宽谐振，关断电容能够由此被转换器T的次级绕组电感(或初级绕组电感)谐振出来(resonant out)。因为能够由此消除或减少关断电容的影响，因此开关晶体管M1和M2二者都可以相对较大以减少其导通电阻，而不考虑由于较大的晶体管尺寸导致的关断电容的增加。在替代实施例中，关断电容可能足以用于谐振，使得可以消除电容器C2。
对用于接收RF信号的天线135或天线140的选择与本文将进一步解释的类似。无论所选择的天线是用于发射的还是用于接收的，被关断的开关晶体管连接到与所选择的天线相同的次级绕组端子，而剩余的开关晶体管被导通。
在替代实施例中，网络100可以被修改为包括串行开关，以进一步隔离天线。例如，图1C中所示的基于转换器的天线切换网络150包含的功率放大器115、转换器T、电容器C1和C2以及开关M1和M2的布置(为简洁起见，术语“开关”和“开关晶体管”在本文中可互换使用)与针对网络100所讨论的相同。为了提供进一步的隔离，天线135通过串联开关SW1耦合到转换器T的次级绕组的第一端子。类似地，天线140通过串联开关SW2耦合到次级绕组的第二端子。如果控制器(未示出)选择天线135，则开关M2和SW1被闭合并且开关M1和SW2被打开。相反地，如果选择天线140，则开关M1和SW2被闭合并且开关M2和SW1被打开。尽管串联开关SW1和SW2将导通电阻损耗引入其各自的所选择天线，但对它们的包含增加了未被选择的天线的隔离度，而不会增加泄漏损耗。
可以使用本文公开的基于转换器的天线切换网络来选择性地驱动多于两个天线的阵列。例如，图2中所示的基于转换器的天线切换网络200包括第一贴片天线215、偶极天线220和第二贴片天线225。第一功率放大器205驱动第一转换器T1的初级绕组。类似地，第二功率放大器210驱动第二转换器T2的初级绕组。对转换器T1和T2的配置与针对网络100的转换器T所讨论的类似。具体而言，第一开关S1耦合在地与转换器T1的次级绕组的第一端子之间。该第一端子还通过相应的传输线连接到第一贴片天线215。第二开关S2耦合在地与转换器T1的次级绕组的第二端子之间，该第二端子还通过相应的传输线连接到偶极天线220的第一端子。对于转换器T1的次级绕组，第一开关S1因此等效于第一开关晶体管M1，而第二开关S2等效于第二开关晶体管M2。类似地，第三开关S3耦合在地与转换器T2的次级绕组的第一端子之间。该第一端子还通过相应的传输线连接到偶极天线220的第二端子。最后，第四开关S4耦合在地与转换器T2的次级绕组的第二端子之间。该第二端子还通过相应的传输线连接到第二贴片天线225。关于转换器T2的次级绕组，第三开关S3因此等效于第一开关晶体管M1，而第四开关S4等效于第二开关晶体管M2。在转换器T1和T2中，电容器C1和C2的布置与针对网络100的转换器T所讨论的类似。
开关S1、S2、S3和S4中的每一个开关都可以使用针对网络100所讨论的开关晶体管来实现。为了选择通过贴片天线215和225的同时发射，开关S1和S4被打开并且开关S2和S3被闭合。功率放大器205然后可以驱动第一贴片天线215，而功率放大器210驱动第二贴片天线225。偶极天线220通过开关S2和S3的闭合而被隔离。为了选择用偶极天线220进行发射，开关S2和S3被打开并且开关S4和S1被闭合。功率放大器205和210然后将差分地驱动偶极天线220，但是应当理解，在替代的天线切换网络实施例中，可以以单端方式驱动偶极天线。为了例示清楚，图2中未示出用于控制开关S1、S2、S3和S4的开关的类似于控制器120的控制器。在替代实施例中，偶极天线220可以由两个单独的天线代替。例如，转换器T1的次级绕组的第二端子可以连接到第三贴片天线(未示出)。类似地，转换器T2的次级绕组的第一端子可以连接到第四贴片天线(未示出)。
与贴片天线215和225相比，偶极天线220具有全向波束方向图。相反，来自贴片天线215和225的波束方向图更具方向性。用于天线切换网络200的控制器(未示出)因此可以在所辐射的RF功率应集中在特定方向上时选择贴片天线215和225，而在全向发射模式期间由控制器120选择偶极天线220。
图2的天线阵列可以用四个功率放大器而不是两个功率放大器驱动，如图3的基于转换器的切换网络300所示的。网络200的转换器T1在网络300中分叉成转换器T1-1和转换器Tl-2。第一功率放大器305被配置为驱动转换器T1-1的初级绕组。类似地，第二功率放大器310被配置为驱动转换器T1-2的初级绕组。转换器T1-1的次级绕组的第一端子连接到第一贴片天线215并通过开关S1耦合到地。转换器T1-1的次级绕组的第二端子连接到转换器T1-2的次级绕组的第一端子。转换器T1-2的次级绕组的第二端子连接到偶极天线220的第一端子(输入)并通过开关S2耦合到地。转换器T1-1和T1-2的次级绕组因此是串联布置的。电容器C2从转换器T1-1的次级绕组的第一端子与电容器C3串联连接，电容器C3连接到转换器T1-2的次级绕组的第二端子。
开关S1和S2的关于对贴片天线215或偶极天线220的选择的动作如关于网络200所讨论的。由于转换器Tl-1和Tl-2的次级绕组的串联连接，来自每个功率放大器305和310的功率由此被加在一起来驱动所选择的天线。相反，在串行开关架构中功率将会减少一半，因为在这种情况下功率放大器305将仅驱动第一贴片天线215。类似地，在串行开关架构中，功率放大器310将仅驱动偶极天线220。网络300所提供的输出功率将由此两倍于从具有相同数量的功率放大器的串行开关架构获得的输出功率。
网络200的转换器T2分叉成网络300中的转换器T2-1和转换器T2-1是类似的情况。第三功率放大器315被配置为驱动转换器T2-1的初级绕组。类似地，第四功率放大器320被配置为驱动转换器T2-2的初级绕组。转换器T2-1的次级绕组的第一端子连接到偶极天线220的第二端子并通过开关S3耦合到地。转换器T2-1的次级绕组的第二端子连接到转换器T2-2的次级绕组的第一端子。转换器T2-2的次级绕组的第二端子连接到第二贴片天线225并通过开关S4耦合到地。转换器T2-1和T2-2的次级绕组因此被串联布置。电容器C4从转换器T2-1的次级绕组的第一端子与电容器C5串联连接，电容器C5连接到转换器T2-2的次级绕组的第二端子。开关S3和S4的关于对第二贴片天线225或偶极天线220的选择的动作如关于网络200所讨论的。由于转换器T2-1和T2-2的次级绕组的串联连接，来自功率放大器315和320的功率由此被加在一起来驱动所选择的天线。为了例示清楚，图2中未示出用于控制开关S1、S2、S3和S4的开关的类似于控制器120的控制器。
在网络300中，转换器Tl-1的次级绕组可以被标识为第一次级绕组。类似地，转换器T1-2的次级绕组可以被标识为第二次级绕组，而转换器T2-1的次级绕组可以标识为第三次级绕组。最后，转换器T2-2的次级绕组可以被标识为第四次级绕组。类似地，转换器T1-1、T1-2、T2-1和T2-2可以分别被认为是第一、第二、第三和第四转换器。最后，功率放大器305、310、315和320可以分别被认为是第一、第二、第三和第四功率放大器。
耦合到如本文所公开的基于转换器的天线切换网络的收发机的接收路径可以取决于接收路径中的(一个或多个)低噪声放大器是单端的还是差分的。例如，图4中所示的基于转换器的切换网络400耦合到一对单端LNA 405和410。网络400类似于网络100，因为它包括功率放大器115、电容器C1、转换器T、开关M1和M2，并且还包括天线135和140。如同本文公开的其他基于转换器的切换网络，注意，开关M1和M2的关断电容可用于消除对网络100的电容器C2的模拟的需要。可替换地，开关M1和M2的关断电容可以用于其他目的，诸如滤波。LNA405通过开关M3耦合到针对天线135的次级绕组端子。类似地，LNA 410通过开关M4耦合到针对天线140的次级绕组端子。以与相应的开关M1和M2相反的方式对开关M3和M4进行控制。例如，控制器(未示出)打开开关M1并闭合开关M2以选择天线135以将接收到的RF信号提供给LNA 405并隔离天线140。由此，当相应的开关M1被打开时开关M3被闭合，并且当相应的开关M2被闭合时，开关M4被打开，从而使得LNA 405可以放大从天线135接收的RF信号。如果选择天线140，则开关M2被打开并且开关M1被闭合。由此，当相应的开关M2被打开时，开关M4被闭合，并且当相应的开关M1被闭合时，开关M3被打开，从而LNA 410可以放大从天线140接收的RF信号。从功率放大器115到天线135和140中的所选择天线的发射路径如针对网络100所讨论的。
图5中示出了用于基于转换器的切换网络500的包括差分LNA 505的接收路径。网络500类似于网络400，因为网络500包括功率放大器115、电容器C1、转换器T、开关M1和M2，并且还包括天线135和140。LNA505包括第一输入端子，其通过开关M5耦合到针对天线135的次级绕组端子。类似地，LNA 505包括第二输入端子，其通过开关M6耦合到针对天线140的次级绕组端子。开关M5和M6被控制来在接收模式期间被闭合，而在发射模式中被打开。例如，控制器(未示出)打开开关M1并闭合开关M2以选择天线135并隔离天线140。在接收模式中，开关M5和M6然后将被闭合。如果在接收模式期间选择天线140，则开关M2被打开并且开关M1被闭合，同时开关M5和M6被闭合。从功率放大器115到天线135和140中的所选择天线的发射路径如针对网络100所讨论。
图6中示出了用于基于转换器的天线切换网络的操作方法的流程图。该方法包括动作600：打开耦合在转换器的次级绕组的第一端子与地之间的第一开关。网络100中的开关M1的打开是动作600的示例。该方法还包括动作605：闭合耦合在次级绕组的第二端子与地之间的第二开关以选择连接到第一端子的第一天线并隔离连接到第二端子的第二天线。在网络100中的闭合开关M2的同时打开开关M1以选择天线135并隔离天线140是动作605的示例。
如本文所公开的基于转换器的天线切换网络可以结合到多种电子系统中。例如，如图7所示，诸如蜂窝电话700、膝上型计算机705和平板PC 710之类的蜂窝设备都可以包括根据本公开内容的基于转换器的天线切换网络。诸如音乐播放器、视频播放器、通信设备和个人计算机之类的其他示例性电子系统也可以被配置有根据本公开内容构造的基于转换器的天线切换网络。
如前所述，本文公开的基于转换器的天线切换网络也可以有利地与波束成形相结合。图8中示出了示例性波束成形RF架构800，其通过本文公开的天线切换网络818选择性地驱动天线阵列820。在一些示例中，架构800可以实现如本文所述的无线通信系统的各个方面，诸如第一无线设备、UE或基站)和/或接收设备(例如，第二无线设备、UE或基站)。
概括地说，图8是例示根据本公开的某些方面的无线设备的示例性硬件组件的示意图。所例示的组件可以包括可用于天线元件选择和/或用于无线信号的发射的波束成形的那些组件。存在许多用于天线元件选择和实施相移的架构，此处仅例示其中一个示例。架构800包括调制解调器(调制器/解调器)802、数模转换器(DAC)804、第一混频器806、第二混频器808和分路器810。架构800还包括多个第一放大器812、多个移相器814和多个第二放大器816。传输线或其他波导、导线、迹线等等被示出为连接各种组件，以例示要被发送的信号如何在组件之间行进。框822、824、826和828指示架构800中的、不同类型的信号在其中行进或被处理的区域。具体而言，框822指示数字基带信号在其中行进或被处理的区域，框824指示模拟基带信号在其中行进或被处理的区域，框826指示模拟中频(IF)信号在其中行进或被处理的区域，并且框828指示模拟射频(RF)信号在其中行进或被处理的区域。架构800还包括本地振荡器A830、本地振荡器B 832、本地振荡器C 870和本地振荡器D 872。
每个天线元件820可以包括一个或多个用于辐射或接收RF信号的子元件(未示出)。例如，单个天线元件820可以包括第一子元件，第一子元件与第二子元件交叉极化，其可用于独立地发射交叉极化信号。天线元件820可以包括以线性、二维或其他图案布置的贴片天线或其他类型的天线。天线元件820之间的间隔可以使得由天线元件820分开地发射的具有期望波长的信号可以相互作用或干扰(例如，以形成期望的波束)。例如，给定波长或频率的预期范围，所述间距可以提供在相邻天线元件820之间的四分之一波长、半波长或波长的其他分数的间隔，以允许在该预期范围内由分开的天线元件820发射的信号的相互作用或干扰。
调制解调器802处理并生成数字基带信号，并且还可以控制DAC 804、第一和第二混频器806、808、分路器810、第一放大器812、移相器814和/或第二放大器816的操作，以经由一个或多个或所有天线元件820来发射信号。调制解调器802可以根据诸如本文讨论的无线标准的通信标准，来处理信号和控制操作。DAC 804可以将从调制解调器802接收的(并且将被发送的)数字基带信号转换成模拟基带信号。第一混频器806使用本地振荡器A 830将模拟基带信号上变频为IF内的模拟IF信号。例如，第一混频器806可以将该信号与本地振荡器A 830产生的振荡信号混频以将基带模拟信号“移动”到IF。在一些实施方式中，一些处理或滤波(未示出)可以发生在IF处。第二混频器808使用本地振荡器B 832将模拟IF信号上变频为模拟RF信号。类似于第一混频器，第二混频器808可以将该信号与本地振荡器B 832生成的振荡信号混频以将IF模拟信号“移动”到RF，或“移动”到该信号将被发送或接收的频率。调制解调器802可以调节本地振荡器A830和/或本地振荡器B 832的频率，以便产生并使用期望的IF和/或RF频率来促进在期望的带宽内处理和传输信号。
在所例示的架构800中，由第二混频器808上变频的信号被分路器810分路或复制成多个信号。架构800中的分路器810将RF信号分路成多个相同或几乎相同的RF信号，如由其在框828中的存在来表示。在其他示例中，可以对任何类型的信号进行分路，包括基带数字信号、基带模拟信号或IF模拟信号。这些信号中的每一者可以对应于一个天线元件820，并且信号行进通过放大器812、816、移相器814和/或其他元件并由其进行处理，以提供给相应的天线元件820(按照天线切换网络818所选择的)并由其进行发射。在一个示例中，分路器810可以是有源分路器，其连接到电源并提供一些增益，使得离开分路器810的RF信号处于等于或大于进入分路器810的信号的功率电平。在另一示例中，分路器810是未连接到电源的无源分路器，并且离开分路器810的RF信号的功率电平可以低于进入分路器810的RF信号。
在被分路器810分路之后，所产生的RF信号可以进入与一个天线元件820相对应的放大器(诸如第一放大器812)或移相器814。第一和第二放大器812、816以虚线例示，因为在某些实现中可能不需要第一和第二放大器812、816中的一者或两者。在一个实施方式中，第一放大器812和第二放大器816二者都存在。在另一实施方式中，第一放大器812和第二放大器816都不存在。在其他实施方式中，存在两个放大器812、816中的一个，但不存在另一个。例如，如果分路器810是有源分路器，则可以不使用第一放大器812。作为进一步的示例，如果移相器814是可以提供增益的有源移相器，则可以不使用第二放大器816。放大器812和816代表功率放大器115的实例并且为了例示的目的而与天线切换网络818分开示出。放大器812、816可以提供期望水平的正增益或负增益。正增益(正dB)可用于增加由特定天线元件820辐射的信号的幅度。负增益(负dB)可用于降低特定天线元件的信号辐射的幅度和/或抑制特定天线元件的信号辐射。放大器812、816中的每一个可以被独立控制(例如，由调制解调器802)，以便提供对每个天线元件820的增益的独立控制。例如，调制解调器802可以具有连接到分路器810、第一放大器812、移相器814和/或第二放大器816中的每一者的至少一条控制线，其可用于配置增益，以便为每个组件并且因此为每个天线元件820提供期望的增益量。
移相器814可以向要被发射的对应RF信号提供可配置的相移或相位偏移。移相器814可以是不直接连接到电源的无源移相器。无源移相器可能会引入一些插入损耗。第二放大器816可以增强信号以补偿插入损耗。移相器814可以是连接到电源的有源移相器，使得有源移相器提供一定量的增益或防止插入损耗。每个移相器814的设置是独立的，这意味着每个移相器814可以被设置以提供期望的相移量或相同的相移量或一些其他配置。调制解调器802可具有连接到每个移相器814的至少一条控制线，其可用于配置移相器814以在天线元件820之间提供期望的相移量或相位偏移量。
在所例示的架构800中，由所选择的天线元件820接收的RF信号被提供给第一放大器856中的一个或多个以增强信号强度。增强的RF信号被输入到移相器854中的一个或多个中，以为对应的接收的RF信号提供可配置的相移或相位偏移。移相器854可以是有源移相器或无源移相器。移相器854的设置是独立的，这意味着每个移相器854可以被设置为提供期望的相移量或相同的相移量或一些其他配置。调制解调器802可以具有连接到每个移相器854的至少一条控制线，并且该控制线可以用于配置移相器854以在天线元件820之间提供期望的相移量或相位偏移量。
移相器854的输出可以输入到一个或多个第二放大器852，用于对经相移的接收的RF信号进行信号放大。第二放大器852可以被分开地配置以提供经配置的增益量。第二放大器852可以被分开地配置为提供一定量的增益以确保输入到组合器850的信号具有相同的幅度。放大器852和/或856以虚线示出，因为它们在一些实现方式中可能不是必需的。在一种实施方式中，放大器852和放大器856都存在。在另一种实施方式中，放大器852和放大器856都不存在。在其他实施方式中，存在放大器852、856中的一个，但不存在另一个。
在所例示的架构800中，由移相器854输出的信号(当存在放大器852时通过放大器852输出)在组合器850中进行组合。架构800中的组合器850将RF信号组合成信号，如其在框828中的存在所指示的。组合器850可以是无源组合器，例如，不连接到电源，这可能导致一些插入损耗。组合器850可以是有源组合器，例如连接到电源，这可以产生一些信号增益。当组合器850是有源组合器时，其可以为每个输入信号提供不同的(例如，可配置的)增益量，使得输入信号在其被组合时具有相同的幅度。当组合器850是有源组合器时，其可能不需要第二放大器852，因为有源组合器可以提供信号放大。
组合器850的输出被输入到混频器848和846。混频器848和846通常分别使用来自本地振荡器872和870的输入对接收的RF信号进行下变频，以产生承载经编码和调制的信息的中间或基带信号。混频器848和846的输出被输入到模数转换器(ADC)844以转换成数字信号。从ADC 844输出的数字信号输入到调制解调器802以用于基带处理，例如解码、解交织等。
调制解调器802可以用作控制器120以控制天线切换网络818来选择一个或多个天线元件820和/或形成用于发射一个或多个信号的波束。例如，可以通过控制一个或多个相应放大器(例如，第一放大器812和/或第二放大器816)的幅度，来分开地对天线元件820进行选择或取消选择以发射(一个或多个)信号。波束成形包括使用在不同天线元件上的多个信号来生成波束，其中，所述多个信号中的一个或多个或所有信号相对于彼此在相位上偏移。形成的波束可以携带物理或更高层的参考信号或信息。由于所述多个信号中的每个信号都是从相应的天线元件820辐射的，被辐射的信号相互作用、干扰(相长干涉和相消干涉)并相互放大以形成合成波束。形状(诸如幅度、宽度和/或旁瓣的存在)和方向可以通过修改所述多个信号的相对于彼此的(由移相器814赋予的)相移或相位偏移以及(由放大器812、816赋予的)幅度来动态地进行控制。
应当理解，在不背离本公开内容的范围的情况下，可以对本公开内容的设备的材料、装置、配置和使用方法进行许多修改、替换和变化。鉴于此，本公开内容的范围不应限于本文所例示和描述的特定实施例的范围(因为它们仅时作为本公开内容的一些示例)，而是应与所附权利要求及其功能等价物的范围完全相称。

Claims (30)

1.一种基于转换器的天线切换网络，其包括：
具有次级绕组的第一转换器；
第一开关，其耦合在所述第一转换器的次级绕组的第一端子与地之间；
第一天线，其耦合到所述第一转换器的次级绕组的第一端子；
第二开关，其耦合在所述第一转换器的次级绕组的第二端子与地之间；以及
第二天线，其耦合到所述第一转换器的次级绕组的第二端子。
2.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
控制器，其被配置为闭合所述第二开关并打开所述第一开关以选择所述第一天线，并且其中，所述控制器还被配置为闭合所述第一开关并打开所述第二开关以选择所述第二天线。
3.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
所述第一转换器的初级绕组；
具有第一输出端和第二输出端的第一差分功率放大器，所述第一输出端连接到所述第一转换器的初级绕组的第一端子，并且所述第二输出端连接到所述第一转换器的初级绕组的第二端子。
4.如权利要求3所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
具有射频前端的发射机，所述射频前端包括所述第一差分功率放大器。
5.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述第一天线和所述第二天线被包括在相控天线阵列中。
6.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述基于转换器的天线切换网络被包括在蜂窝设备中。
7.如权利要求3所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
具有初级绕组和次级绕组的第二转换器；
具有第一输出端和第二输出端的第二差分功率放大器，所述第一输出端连接到所述第二转换器的次级绕组的第一端子，并且所述第二输出端连接到所述第二转换器的初级绕组的第二端子；
第三开关，其耦合在所述第二转换器的次级绕组的第一端子与地之间；
第三天线，其耦合到所述第二转换器的次级绕组的第一端子；
第四开关，其耦合在所述第二转换器的次级绕组的第二端子与地之间；以及
第四天线，其耦合到所述第二转换器的次级绕组的第二端子。
8.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述第二天线包括具有第一端子的偶极天线，所述第一端子耦合到所述第一转换器的次级绕组的第二端子，所述基于转换器的天线切换网络进一步包括：
具有次级绕组的第二转换器；
第三开关，其耦合在所述第二转换器的次级绕组的第一端子与地之间，其中，所述偶极天线包括第二端子，所述第二端子耦合到所述第二转换器的次级绕组的第一端子；
第四开关，其耦合在所述第二转换器的次级绕组的第二端子与地之间；以及
第三天线，其耦合到所述第二转换器的次级绕组的第二端子。
9.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述第一天线是贴片天线，而所述第二天线是偶极天线。
10.如权利要求3所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
第一电容器，其连接在所述第一转换器的初级绕组的第一端子与所述第一转换器的初级绕组的第二端子之间，并且其中，所述第一开关是第一开关电容器。
11.如权利要求10所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
第二电容器，其连接在所述第一转换器的次级绕组的第一端子与所述第一转换器的次级绕组的第二端子之间。
12.如权利要求11所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述第一开关晶体管的关断电容、所述第二电容器的电容、以及所述第一转换器的次级绕组的电感被组合在谐振电路中，所述谐振电路在所述第一差分功率放大器的传输频率处谐振。
13.如权利要求10所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述第一开关晶体管的关断电容以及所述第一转换器的次级绕组的电感被组合在谐振电路中，所述谐振电路在所述第一差分功率放大器的传输频率处谐振。
14.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
第三开关，其中，所述第一天线通过所述第三开关耦合到所述第一转换器的次级绕组的第一端子；以及
第四开关，其中，所述第二天线通过所述第四开关耦合到所述第一转换器的次级绕组的第二端子。
15.如权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
具有第一输入端和第二输入端的低噪声放大器，所述第一输入端通过第三开关耦合到所述第一转换器的次级绕组的第一端子，并且所述第二输入端通过第四开关耦合到所述第一转换器的次级绕组的第二端子。
16.根据权利要求1所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
具有输入端的第一低噪声放大器，所述输入端通过第三开关耦合到所述第一转换器的次级绕组的第一端子；以及
具有输入端的第二低噪声放大器，所述输入端通过第四开关耦合到所述第一转换器的次级绕组的第二端子。
17.一种天线切换方法，其包括：
打开耦合在第一转换器的次级绕组的第一端子与地之间的第一开关；以及
在所述第一开关被打开的同时，闭合耦合在所述第一转换器的次级绕组的第二端子与地之间的第二开关，以选择耦合到所述第一转换器的次级绕组第一端子的第一天线并且隔离耦合到所述第一转换器的次级绕组的第二端子的第二天线。
18.根据权利要求17所述的天线切换方法，进一步包括：
闭合所述第一开关；以及
在所述第一开关被闭合的同时，打开所述第二开关以选择所述第二天线并隔离所述第一天线。
19.根据权利要求17所述的天线切换方法，进一步包括：
闭合耦合在第二转换器的次级绕组的第一端子与地之间的第三开关；以及
在所述第三开关被闭合的同时，打开耦合在所述第二转换器的次级绕组的第二端子与地之间的第四开关，以选择耦合到所述第二转换器的次级绕组的第二端子的第三天线。
20.一种基于转换器的天线切换网络，包括：
包括第一次级绕组的第一转换器；
包括第二次级绕组的第二转换器，其中，所述第二次级绕组包括第一端子，所述第一端子连接到所述第一次级绕组的第一端子；
包括第三次级绕组的第三转换器；
包括第四次级绕组的第四转换器，其中，所述第四次级绕组包括第一端子，所述第一端子连接到所述第三次级绕组的第一端子；
第一天线，其连接到所述第一次级绕组的第二端子；
第一开关，其耦合在地与所述第一次级绕组的第二端子之间；
第二开关，其耦合在地与所述第二次级绕组的第二端子之间；
第三开关，其耦合在地与所述第三次级绕组的第二端子之间；
第四开关，其耦合在地与所述第四次级绕组的第二端子之间；以及
第二天线，其连接到所述第四次级绕组的第二端子。
21.根据权利要求20所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
具有第一输入端和第二输入端的偶极天线，所述第一输入端连接到所述第二次级绕组的第二端子，而所述第二输入端连接到所述第三次级绕组的第二端子。
22.根据权利要求20所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
第一功率放大器，其耦合到所述第一转换器的初级绕组；
第二功率放大器，其耦合到所述第二转换器的初级绕组；
第三功率放大器，其耦合到所述第三转换器的初级绕组；以及
第四功率放大器，其耦合到所述第四转换器的初级绕组。
23.根据权利要求21所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述基于转换器的天线切换网络被包括在蜂窝设备中。
24.一种基于转换器的天线切换网络，其包括：
包括次级绕组和初级绕组的转换器；
第一开关，其耦合在所述转换器的所述次级绕组的第一端子与地之间；
第二开关，其耦合在所述转换器的所述次级绕组的第二端子与地之间；以及
具有第一输出端和第二输出端的差分功率放大器，所述第一输出端连接到所述转换器的所述初级绕组的第一端子，并且所述第二输出端连接到所述转换器的所述初级绕组的第二端子。
25.根据权利要求24所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
与所述初级绕组并联的第一电容器。
26.根据权利要求25所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
与所述次级绕组并联的第二电容器。
27.根据权利要求25所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述第一开关是第一开关晶体管，并且其中，所述第一开关晶体管的关断电容和所述次级绕组的电感被组合在谐振电路中，所述谐振电路在所述差分功率放大器的传输频率处谐振。
28.根据权利要求27所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述第二开关是第二开关晶体管，并且其中，所述第二开关晶体管的关断电容基本上等于所述第一开关晶体管的关断电容。
29.根据权利要求24所述的基于转换器的天线切换网络，进一步包括：
低噪声放大器，其具有第一输入端子，所述第一输入端子耦合到所述次级绕组的第一端子。
30.根据权利要求29所述的基于转换器的天线切换网络，其中，所述低噪声放大器是差分低噪声放大器，其具有第二输入端子，所述第二输入端子耦合到所述次级绕组的第二端子。
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