CN116707489B - 一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，包括控制电路单元、可重构电容网络单元和可重构电感网络单元；所述可重构电容网络单元包括若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的电容C和射频开关SW，所述可重构电容网络单元的容值采用二进制加权并行结构；所述可重构电感网络单元包括单刀双掷射频开关SPDT和若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的射频开关SW和有源电感，所述单刀双掷射频开关SPDT的第一输出端、第二输出端分别与可重构电容网络单元的两端连接。本发明可以在大范围内对天线与射频前端之间的阻抗失配进行调谐，同时，由于采用的元器件均适用于集成电路工艺，可实现电路小型化和单片化，具有较好的实用性。

Description

一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器
技术领域
本发明属于射频前端的技术领域，具体涉及一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展，手机射频前端的复杂性一直呈指数增长，不断扩增的频段和无线标准要求导致手机需要兼容的频段、功能和模式不断增加，同时许多新的通信技术包括多路输入多路输出、载波聚合等都需要多根天线同时工作，然而其他模块的增加又导致手机天线可安装的空间不断减少，天线尺寸只能不断减小，其性能更容易受到外部条件的影响。例如：手机接近不同材料或者用户握持手机的方式等都可能改变天线的阻抗，导致射频前端与手机天线阻抗失配，阻抗失配导致信号输出功率变小，信号传输能力变弱。要得到稳定高强度的发射信号发射，只能增大发射功率来补偿，进而使通信系统的功率传输效率变低，影响手机整体性能，缩短手机续航时间。
为解决阻抗失配导致的传输功率降低，通常在射频前端和天线之间插入阻抗匹配网络，以最大化天线和射频前端之间的功率传输。根据最大功率传输定理，当负载阻抗是源阻抗的复共轭时，源阻抗向负载提供最大功率。如图1所示，现有技术通常采用电感和电容组成的阻抗匹配网络，用于在所需频率范围内使天线阻抗与射频前端匹配。由于高Q值、高感值电感在单片电路中实现的困难性，一般电感器件只能采用分立元器件形式进行外挂，电容采用可变电容形式构成阻抗匹配网络。然而，电感采用分立器件不利于器件的集成化和小型化，同时由固定电感和电容组成的匹配网络，其匹配能力仅限于有限频点。由于天线阻抗随频率和使用条件而变化，因此阻抗覆盖范围有限，仅几个频段或少数使用条件能够获得最佳匹配。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，旨在实现电路小型化和单片化。
本发明主要通过以下技术方案实现：
一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，包括控制电路单元以及分别与控制电路单元连接的可重构电容网络单元和可重构电感网络单元；所述可重构电容网络单元包括若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的电容C和射频开关SW，所述可重构电容网络单元的容值采用二进制加权并行结构；
所述可重构电感网络单元包括单刀双掷射频开关SPDT和若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的射频开关SW和有源电感，所述单刀双掷射频开关SPDT的输入端与可重构电感网络单元的射频开关SW的第一端与连接，且射频开关SW的第二端与有源电感连接；所述单刀双掷射频开关SPDT的第一输出端、第二输出端分别与可重构电容网络单元的两端连接。所述有源电感用于通过调整电流源电流改变有源电感的感值和Q值。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述可重构电容网络单元以串联形式接入射频链路，可重构电感网络单元以并联形式接入射频链路。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述可重构电容网络单元的前后两端分别设置有信号输入端IN1、信号输入端IN2，所述单刀双掷射频开关SPDT的第一输出端、第二输出端分别与信号输入端IN1、信号输入端IN2连接，所述信号输入端IN1导通用于实现射频信号依次通过可重构电感网络单元、可重构电容网络单元后通过天线ANT输出，所述信号输入端IN2导通用于实现射频信号依次通过可重构电容网络单元、可重构电感网络单元后通过天线ANT输出。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述有源电感为有源电感网络单元，所述有源电感网络单元包括电源流I1、电源流I2、MOS晶体管M1，MOS晶体管M2，电容C1和电感L1；电源VCC1分别与电源流I1的负极以及MOS晶体管M1的漏极连接，电源流I1的正极分别与MOS晶体管M1的栅极以及MOS晶体管M2的漏极连接；MOS晶体管M1的源极分别与电容C1和电感L1的第一端连接，所述电容C1和电感L1的第二端分别与信号输出端OUT、电源流I2的负极连接；所述MOS晶体管M2的栅极与电源流I2的负极连接，所述MOS晶体管M2的源极以及电源流I2的正极分别接地。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述有源电感网络单元的Q值大于50。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电容C为MIM电容。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述控制电路单元包括MIPI接口电路、基准电路、低压差线性稳压器、电荷泵、电平移位电路和射频驱动电路。控制电路单元通过外部输入信号对整个电路进行控制，可实时对阻抗进行谐调，满足射频链路多样化使用条件的需求。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明采用可重构电容网络单元和可重构电感网络单元的组合，通过控制电路单元进行控制，可以在大范围内，对天线与射频前端之间的阻抗失配进行调谐，同时，由于采用的元器件均适用于集成电路工艺，可实现电路小型化和单片化。控制电路单元通过外部输入信号对整个电路进行控制，可实时对阻抗进行谐调，满足射频链路多样化使用条件的需求，具有较好的实用性。
（2）可重构电容网络单元由n个支路并联组成，每条支路都由一个电容和开关串联构成。各支路串联电容的容值采用二进制加权并行结构，控制各支路开关的导通关断状态就可以精确改变电容阵列的电容值，最终得到的电容值是线性变化的，步进量即为最小电容支路串联的电容值。
（3）可重构电感网络单元由n个支路并联组成，每条支路都由一个有源电感和开关串联构成。控制各支路开关的导通关断状态就可以得到对应支路的电感值。控制单元内部单刀双掷的切换方向，可灵活配置可重构电感网络单元与可重构电容网络单元之间的电路拓扑结构，使本发明可在大范围内满足阻抗匹配要求。
（4）可重构电感网络单元中采用的有源电感可通过调整电流源电流改变有源电感的感值和Q值，有利于在大范围内构建所需电感，具有较好的实用性。
附图说明
图1为传统阻抗调谐器的电路图；
图2为本发明的宽幅阻抗调谐器的电路图；
图3为本发明的可重构电容网络单元的电路图；
图4为本发明的可重构电感网络单元的电路图；
图5为本发明的有源电感网络单元的电路图；
图6为实施例2和未加阻抗调谐器的电压驻波比随负载阻抗变化曲线；
图7为实施例2和传统调谐器的电压驻波比随负载阻抗变化曲线。
具体实施方式
实施例1：
一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，如图2所示，包括控制电路单元以及分别与控制电路单元连接的可重构电容网络单元和可重构电感网络单元；所述可重构电容网络单元包括若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的电容C和射频开关SW，所述可重构电容网络单元的容值采用二进制加权并行结构。
本发明可重构电容网络单元的电容的容值采用二进制加权并行结构，控制各支路开关的导通关断状态就可以精确改变电容阵列的电容值，最终得到的电容值是线性变化的，步进量即为最小电容支路串联的电容值。
所述可重构电感网络单元包括单刀双掷射频开关SPDT和若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的射频开关SW和有源电感，所述单刀双掷射频开关SPDT的输入端与可重构电感网络单元的射频开关SW的第一端与连接，且射频开关SW的第二端与有源电感连接；所述单刀双掷射频开关SPDT的第一输出端、第二输出端分别与可重构电容网络单元的两端连接。本发明通过控制单刀双掷射频开关SPDT的切换方向，可灵活配置可重构电感网络单元与可重构电容网络单元之间的电路拓扑结构，使本发明可在大范围内满足阻抗匹配要求。
本发明采用可重构电容网络单元和可重构电感网络单元的组合，通过控制电路单元进行控制，可以在大范围内，对天线与射频前端之间的阻抗失配进行调谐，同时，由于采用的元器件均适用于集成电路工艺，可实现电路小型化和单片化。
实施例2：
一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，如图2所示，包括可重构电容网络单元、可重构电感网络单元和控制电路单元，通过控制电路单元进行控制，可以在大范围内，对天线与射频前端之间的阻抗失配进行调谐，同时，由于采用的元器件均适用于集成电路工艺，可实现电路小型化和单片化。
如图2所示，信号输入端IN1b与可重构电容网络单元第一端、可重构电感网络单元第一端连接在一起，天线端ANT1b与可重构电容网络单元第二端、可重构电感网络单元第二端连接在一起，控制电路单元根据外部控制信号，分别为可重构电感网络单元和可重构电容网络单元提供控制信号。控制电路单元通过外部输入信号对整个电路进行控制，可实时对阻抗进行谐调，满足射频链路多样化使用条件的需求。
优选地，可重构电容网络单元包括n个并联的支路，每条支路都由一个电容和开关串联构成。各支路串联电容的容值采用二进制加权并行结构，控制各支路开关的导通关断状态就可以精确改变电容阵列的电容值，最终得到的电容值是线性变化的，步进量即为最小电容支路串联的电容值。
优选地，如图3所示，可重构电容网络单元包括电容C1c、电容C2c直至电容Cnc，射频开关SW1c、射频开关SW2c直至射频开关SWnc。信号输入端IN1c与电容C1c第一端、电容C2c第一端直至电容Cnc第一端连接在一起，电容C1c第二端与射频开关SW1c第一端连接，电容C2c第二端与射频开关SW2c第一端连接，直至电容Cnc第二端与射频开关SWnc第一端连接，信号输出端OUT1c与射频开关SW1c第二端、射频开关SW2c第二端直至SWnc第二端连接在一起（n为大于或等于1的正整数），信号输入端IN1c与可重构电容网络单元第一端连接，信号输出端OUT1c与可重构电容网络单元第二端连接。
优选地，可重构电容网络单元包括单刀双掷射频开关和n个并联的支路，每条支路都由一个有源电感和开关串联构成。单刀双掷射频开关的输入端与开关的一端连接，且第一输出端、第二输出端分别与可重构电容网络单元的两端连接。控制各支路开关的导通关断状态就可以得到对应支路的电感值。控制单元内部单刀双掷射频开关的切换方向，可灵活配置可重构电感网络单元与可重构电容网络单元之间的电路拓扑结构，使本发明可在大范围内满足阻抗匹配要求。优选地，可重构电感网络单元中采用的有源电感可通过调整电流源电流改变有源电感的感值和Q值，有利于在大范围内构建所需电感。
优选地，如图4所示，所述可重构电感网络单元包括单刀双掷射频开关SPDT1d，有源电感L1d、有源电感L2d直至有源电感Lnd，射频开关SW1d、射频开关SW2d直至射频开关SWnd。信号输入端IN1d与单刀双掷射频开关SPDT1d第一输出端连接，信号输入端IN2d与单刀双掷射频开关SPDT1d第二输出端连接，单刀双掷射频开关SPDT1d输入端与射频开关SW1d第一端、射频开关SW2d第一端、直至射频开关SWnd第一端连接在一起。射频开关SW1d第二端与有源电感L1d输出端连接，射频开关SW2d第二端与有源电感L2d输出端连接，直至射频开关SWnd第二端与有源电感Lnd输出端连接（n为大于或等于1的正整数）。单刀双掷射频开关SPDT1d第一输出端与可重构电容网络单元第一端连接，单刀双掷射频开关SPDT1d第二输出端与可重构电容网络单元第二端连接。
优选地，有源电感L1d、有源电感L2d直至有源电感Lnd均为有源电感网络单元。如图5所示，有源电感网络单元包括电流源I1e，电流源I2e，MOS晶体管M1e，MOS晶体管M2e，电容C1e和电感L1e。电流源I1e负极与MOS晶体管M1e漏极、电源VCC1e连接在一起，电流源I1e正极与MOS晶体管M1e栅极、MOS晶体管M2e漏极连接在一起，MOS晶体管M1e源极与电容C1e第一端、电感L1e第一端连接在一起，电容C1e第二端、电感L1e第二端、信号输出端OUT1e、MOS晶体管M2e栅极和电流源I2e负极连接在一起，电流源I2e正极与地连接，MOS晶体管M2e源极与地连接。信号输出端OUT1e与有源电感输出端连接。
本发明的工作原理如下：
如图2所示，射频信号通过信号输入端IN1b进入高集成度宽幅阻抗调谐器，信号输入端IN1b一般与射频前端连接。此时，外部控制信号通过控制电路单元控制可重构电感网络单元内部单刀双掷射频开关SPDT1d导通情况：
当单刀双掷射频开关SPDT1d的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1d的第一输出端之间为关断态，单刀双掷射频开关SPDT1d的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1d的第二输出端之间为导通态时，射频信号依次通过可重构电容网络单元、可重构电感网络单元后通过天线ANT1b输出。
当单刀双掷射频开关SPDT1d的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1d的第一输出端之间为导通态，单刀双掷射频开关SPDT1d的输入端与单刀双掷射频开关SPDT1d的第二输出端之间为关断态时，射频信号依次通过可重构电感网络单元、可重构电容网络单元后通过天线ANT1b输出。
优选地，由于需要尽量减小阻抗调谐器插入损耗对通信链路的影响，所以可重构电感网络单元和可重构电容网络单元必须为高Q值器件。
优选地，所采用的可重构电感网络单元中的电感采用有源电感形式，其处理功率能力较弱，所以的可重构电感网络单元采用并联形式接入射频链路。而可重构电容网络单元在集成电路中可以选用MIM等高Q值电容，处理功率能力强，插入损耗小，所以可重构电容网络单元采用串联形式接入射频链路，并与可重构电感网络单元构成LC匹配网络完成天线ANT1b阻抗到射频前端的阻抗匹配。
优选地，有源电感网络单元中的电容C1e和电感L1e构成LC并联谐振电路，LC并联谐振电路的阻抗值可以表示为：
（1）
其中：j为复数单位；ω为角速度。
利用LC并联谐振电路可以在窄带内得到一个远大于电感L1e电感值的等效电感值，所以可以通过一个非常小的电感（通常为几十到几百pH量级的高Q值电感）构建所需要的电感值，而这个小电感通常可以通过芯片上面的一小段微带线实现。
在MOS晶体管M1e源级和MOS晶体管M2e栅极之间添加的LC并联谐振电路，可以补偿由于MOS晶体管M1e栅源寄生电容造成的有源电感网络单元等效电感Q值下降，最终得到的有源电感网络单元Q值一般大于50，满足阻抗调谐器对高品质电感的要求。
在LC并联谐振电路器件值确定后，有源电感网络单元的等效电感量峰值频率还可以通过控制电流源I1e和电流源I2e偏置电流大小来调整，为有源电感网络单元的的电感量控制提供了更多的控制方式。
优选地，控制可重构电容网络单元和可重构电感网络单元中的开关切换的驱动信号由控制电路单元提供。通过监测射频前端输出功率变化，可以通过查表等方式得到此时的天线阻抗值，进而得到对应的信号真值表，将控制信号通过MIPI接口电路传输进入控制电路单元，控制电路单元除了包括MIPI接口电路外，一般还包括基准电路、低压差线性稳压器、电荷泵、电平移位电路和射频驱动电路等。
优选地，射频前端的阻抗通常是恒定的50Ω，但天线阻抗会根据频段和使用条件而变化。当存在阻抗失配时，在射频前端和天线之间传输的射频功率会减少。通常可以采用电压驻波比来衡量天线与射频前端之间的匹配度，电压驻波比越小，传输损耗越小，当天线与射频前端阻抗完全匹配时，电压驻波比为1。
如图6所示，未加阻抗调谐器时，随着负载阻抗值离50Ω值越远，对应的电压驻波比越大，功率传输失配越严重。而本发明的电压驻波比在负载阻抗变化时，均保持在很低水平。如图7所示，传统调谐器在负载阻抗值变化时，由于器件值的有限制与电路拓扑结构的限制，只能在有限几个频段能够获得较为优异的匹配特性。而本发明的电压驻波比在负载阻抗大幅变化条件下，仍能保持优异的阻抗匹配特性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，其特征在于，包括控制电路单元以及分别与控制电路单元连接的可重构电容网络单元和可重构电感网络单元；所述可重构电容网络单元包括若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的电容C和射频开关SW，所述可重构电容网络单元的容值采用二进制加权并行结构；
所述可重构电感网络单元包括单刀双掷射频开关SPDT和若干个并联的支路，且每个支路上设置有串联的射频开关SW和有源电感，所述单刀双掷射频开关SPDT的输入端与可重构电感网络单元的射频开关SW的第一端与连接，且射频开关SW的第二端与有源电感连接；所述单刀双掷射频开关SPDT的第一输出端、第二输出端分别与可重构电容网络单元的两端连接。
2.根据权利要求1所述的一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，其特征在于，所述可重构电容网络单元以串联形式接入射频链路，可重构电感网络单元以并联形式接入射频链路。
3.根据权利要求2所述的一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，其特征在于，所述可重构电容网络单元的前后两端分别设置有信号输入端IN1、信号输入端IN2，所述单刀双掷射频开关SPDT的第一输出端、第二输出端分别与信号输入端IN1、信号输入端IN2连接，所述信号输入端IN1导通用于实现射频信号依次通过可重构电感网络单元、可重构电容网络单元后通过天线ANT输出，所述信号输入端IN2导通用于实现射频信号依次通过可重构电容网络单元、可重构电感网络单元后通过天线ANT输出。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，其特征在于，所述有源电感为有源电感网络单元，所述有源电感网络单元包括电源流I1、电源流I2、MOS晶体管M1，MOS晶体管M2，电容C1和电感L1；电源VCC1分别与电源流I1的负极以及MOS晶体管M1的漏极连接，电源流I1的正极分别与MOS晶体管M1的栅极以及MOS晶体管M2的漏极连接；MOS晶体管M1的源极分别与电容C1和电感L1的第一端连接，所述电容C1和电感L1的第二端分别与信号输出端OUT、电源流I2的负极连接；所述MOS晶体管M2的栅极与电源流I2的负极连接，所述MOS晶体管M2的源极以及电源流I2的正极分别接地。
5.根据权利要求4所述的一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，其特征在于，所述有源电感网络单元的Q值大于50。
6.根据权利要求1所述的一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，其特征在于，所述电容C为MIM电容。
7.根据权利要求1所述的一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器，其特征在于，所述控制电路单元包括MIPI接口电路、基准电路、低压差线性稳压器、电荷泵、电平移位电路和射频驱动电路。
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