CN117459013B - 一种片上阻抗匹配网络、方法、射频接收电路及发射电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上阻抗匹配网络、方法、射频接收电路及发射电路，所述片上阻抗匹配网络包括射频元件一、射频元件二以及型或L型的匹配网络，射频元件二中集成信号检测模块和数字电路模块，信号检测模块检测射频元件一发出的射频信号一，计算反馈信号，根据反馈信号计算控制信号，控制信号通过数字电路模块发送给匹配网络，用于调节匹配网络实际接入电路的有效电容值和有效电感值。本发明优化了射频元件之间的匹配方式，系统集成度高，能够使射频链路信号得到最优传播。

Description

一种片上阻抗匹配网络、方法、射频接收电路及发射电路
技术领域
本发明属于射频电路技术领域，涉及射频元件阻抗匹配技术，具体涉及一种片上阻抗匹配网络、方法、射频接收电路及发射电路。
背景技术
射频电路一般包括两个射频元件的连接，包括滤波器与射频开关的连接，滤波器与低噪声放大器的连接，滤波器与功率放大器的连接等，这些元器件之间的连接会带入阻抗的失配，阻抗失配会导致射频传输信号发生大量的反射，这种情况一方面浪费了很多能量，另一方面反射回来的能量有可能影响射频系统的正常工作， 为了解决这一问题，就需要在两个元件连接处进行阻抗匹配以达到最优性能，阻抗匹配使用电容或者电感实现，电容和电感一般采用SMD元件。SMD元件在一定程度上对于匹配自由度有一定的限制。
如图1所示，BandA 滤波器与射频开关SW之间通过L1，C1，L2所示的Π形匹配网络连接，L1，C1，L2一般通过SMD在基板（Laminate）或者EVB（评估板 ， evaluation board）实现。对于这种实现方式，不同的EVB或者基板走线方式就需要不同的SMD器件。所以对于相同的BandA滤波器和射频开关SW，这三个匹配值在不同的基板或者EVB上就需要不同的值，这种情况对于产品设计有一定的局限性，比如对于不同项目需要使用不同的SMD器件。而且该方式对于SMD器件的阻抗调节精度也有局限性，因为一般SMD元器件相邻两个元件值难以做到芯片级别，比如对于电容0.1pF或者电感0.1nH的调节步进。
发明内容
技术目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种片上阻抗匹配网络、方法、射频接收电路及发射电路，其优化了射频元件之间的匹配方式，系统集成度高，能够使射频链路信号得到最优传播。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种片上阻抗匹配网络，包括：射频元件一和射频元件二，其中，所述射频元件一和射频元件二之间设有型或L型的匹配网络，射频元件二中集成信号检测模块和数字电路模块；
所述信号检测模块用于检测射频元件一发出的射频信号一，根据射频信号一计算反馈信号，根据反馈信号计算控制信号，所述控制信号通过数字电路模块发送给匹配网络，所述控制信号用于调节匹配网络实际接入电路的有效电容值和有效电感值；
所述匹配网络包括相互连接构成型或L型结构的可调电容和可调电感，可调电容由多个并联的电容组成，可调电感由多个串联的电感组成，各个电容或电感设置对应的控制电容或电感是否接入的开关。
作为优选，所述信号检测模块采用峰值检测电路实现，信号检测模块所述峰值检测电路包括积分器、低通滤波器、比较器A、累加器、比较器B和数字控制电路；
所述积分器的一端和低通滤波器的一端均连接峰值检测电路的输入信号，积分器的另一端连接比较器A的负输入端，低通滤波器的另一端连接比较器A的正输入端；比较器B的负输入端通过设置控制开关连接峰值检测电路的输入信号，比较器B的正输入端连接电源VC；比较器A的输出端和比较器B的输出端均连接数字控制电路，数字控制电路设有寄存器信号输出端，数字控制电路用于接收检测到的输入信号的频率和峰值电压，根据输入信号的频率和峰值电压查询预先设置的寄存器表，得到对应的控制信号链路匹配的有效电感值和电容值并通过寄存器信号输出端输出。
作为优选，所述匹配网络中的可调电容使用片上元件，集成在射频元件二中。
作为优选，所述匹配网络中的可调电容和可调电感均使用片上元件，集成在射频元件二中。
作为优选，所述数字电路模块为MIPI接口电路、SPI接口电路、I2C接口电路和GPIO接口电路中的任一种。
作为优选，所述射频元件一和射频元件二均为滤波器、低噪声放大器、功率放大器、混频器或射频开关中的任一种。
一种阻抗匹配方法，应用于所述片上阻抗匹配网络，包括步骤：
射频元件一输出第一射频信号；
第一射频信号输入匹配网络，匹配网络对第一射频信号进行处理，输出第二射频信号；
第二射频信号输入射频元件二，同时，射频元件二中集成的信号检测模块对第二射频信号进行检测，得到反馈信号，根据反馈信号计算用于控制匹配网络的控制信号，控制信号通过射频元件二中集成的数字电路模块发送给匹配网络；
根据所述控制信号，控制匹配网络中调节可调电容和可调电感对应的开关接入组合，调节实际接入电路的有效电容值和有效电感值。
一种射频接收电路，包括顺序连接的天线、射频开关、射频带通滤波器、低噪声放大器、下变频混频器、中频带通滤波器、增益可调放大器和A/D转换器，其中，所述射频开关、射频接收带通滤波器、低噪声放大器和下变频混频器两两之间以所述片上阻抗匹配网络的方式配置，实现射频元件间的阻抗匹配。
一种射频发射电路，包括顺序连接的D/A转换器、增益可调放大器、中频带通滤波器、上变频混频器、预放大器、射频带通滤波器、射频开关和天线，其中，所述上变频混频器、低噪声放大器、射频带通滤波器、射频开关两两之间以所述片上阻抗匹配网络的方式配置，实现射频元件间的阻抗匹配。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明通过在射频元件内部集成匹配网络、信号检测模块和数字电路模块，通过信号检测电路对输出信号检测，数字电路模块接收控制信号并对信号进行处理，能够精细调节射频元件之间的阻抗匹配，使射频链路信号能够最优传播，而且系统集成度高。
附图说明
图1为现有技术中滤波器和射频开关之间的连接结构示意图；
图2为本发明实施例一提出的片上阻抗匹配网络的结构示意图；
图3为本发明实施例一提出的信号检测模块的电路图示例；
图4为本发明实施例二提出的射频接收和发射系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。
实施例一
本实施例提出一种片上阻抗匹配网络，包括：射频元件一和射频元件二，其中，射频元件一和射频元件二之间设有型或L型的匹配网络，射频元件二中集成信号检测模块和数字电路模块。信号检测模块用于检测射频元件一发出的射频信号一，根据射频信号一计算反馈信号并发送给数字电路模块；数字电路模块用于接收信号检测模块发出的反馈信号，根据反馈信号计算控制信号并发送给匹配网络，控制信号用于调节匹配网络实际接入电路的有效电容值和有效电感值。匹配网络包括相互连接构成/>型或L型结构的可调电容和可调电感，可调电容由多个并联的电容组成，可调电感由多个串联的电感组成，各个电容或电感设置对应的控制电容或电感是否接入的开关。
本实施例实质上提出了一种优化的连接两个射频元件的匹配方式，通过在开关内部或者LNA内部的射频端口（与滤波器、功率放大器等元件连接的端口）增加可变电容和可变电感，并通过信号检测电路对输出信号检测，MIPI接收控制信号，并对信号进行处理，调整匹配元件，实现阻抗调节，通过这种方式，可以实现对于匹配电路的精细调节，优化电路的匹配，达到链路信号的最优传播，而且所有匹配元件可以集成在芯片内部，能够极大地提高系统集成度。
具体地，可调电容优选片上元件，集成在射频元件二中，或者，可调电容和可调电感均使用片上元件，集成在射频元件二中。数字电路模块可以为MIPI接口电路、SPI接口电路、I2C接口电路和GPIO接口电路中的任一种。射频元件一和射频元件二可为滤波器、低噪声放大器、功率放大器、混频器或射频开关中的任一种。
如图2给出的具体示例，射频信号RF1，通过滤波器Filter PA得到射频信号RF2，通过电感L1、电容C1和电感L2组成的匹配电路，得到射频信号RF3；RF3的信号输入射频开关SW，经天线ANT端口传输出去，同时，信号检测电路Signal Detector对射频信号RF3进行检测，根据检测到的信号，输出一路或者多路检测信号给射频开关SW中的MIPI接口电路，MPI接口电路通过相应的算法，给出反馈信号，即L1、C1、L2的一组最优匹配值，从而达到信号的最优匹配和传输。
对于匹配元件电容C1，可以通过片内可调电容实现，通过电容选择开关/>、/>、/>、/>，实现电容的最优化取值，可以有多种不同的电容值可以实现，相邻电容的step可以取0.1pF甚至0.05pF(取决于工艺精度以及版图设计精度)。在需要电容匹配的通路中，电容的精细化取值可以有效优化通路的阻抗匹配，达到信号的最优化传输。同样，对于匹配元件电感L1和L2，可以通过片内电感L1=L1a+L1b+L1c+L1d+L1fix、L2=L2a+L2b+L2c+L2d+L2fix实现，通过电感选择开关/>、/>、/>、、/>、/>、/>、/>，实现电感的最优化取值，达到通路的阻抗优化匹配。通过对于电容电感的两个维度的同时调谐，可以获取最优的阻抗匹配优化值。
对于常规的贴片电感电容（L1，C1，L2），在匹配时候，比如L1偏大，需要（L1-0.1nH）做新匹配的元件大概率无法实现，对于SMD大多相邻元件值大于0.2nH，而且电容电感的偏差有10%左右，由此导致调谐精度和准确度下降，同时，面对不同的接口元件，由于不同接口元件阻抗偏差，需要尝试不同的匹配元件（L1，C1，L2），无法通过数字调谐和系统链路优化设定元件值，这增加了系统设计的复杂度。
本实施例提出的匹配元件（L1，C1，L2）采用片上方式实现，主要考虑到片上电容/电感元件易于集成，具有很高的工艺稳定特新，同时，容易实现元件值的细小调整（比如0.1pF,0.1nH），非常容易通过数字电路控制选定特定的电容电感来实现匹配最优，从而达到信号的最优传输，同时，为了优化芯片面积，可以考虑将L1fix和L2fix两个元件值通过打线（wirebond），基板走线（bumping）等方式实现，根据调节范围将L1fix和L2fix固定一个数值。
这些可变电容电感的实现方式有多种，本发明提出以下实现方式；
（1）高集成度实现方案：片上电容+片上电感实现
通过片上电容/电感，设计出符合系统指标要求的匹配网路，并通过片上的开关，对于电容/电感进行精细化调节，从而达到阻抗的最优化设计。此种设计方案的优点是集成度高，匹配电路优化简便；
（2）低成本实现方案：基板电感+片上电容
高集成度设计方案由于电感会占用较大的芯片面积，从而导致产品成本增加，通过将电感设计到基板，可以有效减小芯片面积，但不影响此方案的实施。同时，基板设计电感的方案，通过多层基板，可以有效降低封装尺寸，增强系统的集成度。
对于具有载波聚合（ Carrier Aggregation，CA）需求的通路，这种方法尤其有效，对于单通路情况和双通路情况（CA）场景，通路阻抗各不相同，通过调谐可调电感和电容，达到不同场景的阻抗最优，从而使得传输信号效率最优。对于可调电容，可调电感通路中控制电容电感开关的控制方式，在具有MIPI接口的产品中，可以通过MIPI的寄存器方式实现，对于GPIO接口的电路，可以通过不同的逻辑组合来实现可调电容电感的控制。图2示例采用了MIPI接口，MIPI协议为射频通讯常规接口电路，该接口电路常用于射频产品，比如RFswitch， DiFEM， LNA bank，PAmid等。该协议规定输入至少包含VIO，SCLK，SDATA三路信号，输出为寄存器信号（REG00<7:0>, REG01<7:0>, REG02<7:0>, REG03<7:0>等）MIPI 调用该数值配置通路阻抗。
本发明通过控制电容和电感等匹配元件的值，实现接入电路的有效电容电感被控制和优化，L1、C1、L2多变量的控制可以极大优化信号传输的效率，提高系统的灵敏度，降低传输链路的插损。信号检测电路可以检测特定频段的信号幅度，并给出反馈信号，反馈信号通过MIPI电路/SPI/I2C/GPIO等数字电路模块控制实际接入电路的有效电容/电感值。
本发明中信号检测电路可以通过峰值检测器来实现，峰值检测也称为包络检测，通过对峰值检测器的输入电压信号进行处理，可以得到输入信号峰值达到最大的包络检测电压，并且在输入电压开始下降时，保持最大电压值。
如图3所示，峰值检测电路包括一个积分器、两个比较器、一个累加器和一个低通滤波器以及数字控制电路，比较器A给出累加器的累加信号，当比较器A输出为“1”时，当低通滤波器给出的DC电压低于某一个特定电压VC，比较器B 给出一个停止累加的信号，从而得到一个峰值电压。通过对于整个系统在特定频率下的电容、电感的包络检测扫描，可以得到在该频率下射频链路信号的最大振幅信号。通过寄存器表可以设定在特定频率下的链路匹配的有效电感值和电容值，从而达到链路阻抗的最优化信号传输。
实施例二
如图4所示，本实施例提出了一种射频接收/发射系统，其中，接收通路至少包括天线ANT、射频开关SP2T Switch（或其他类型，比如DPDT射频开关，取决于系统架构）、射频带通滤波器Rx_RF_BPF、低噪声放大器LNA、下变频混频器Down_Mixer、中频滤波器Rx_IF_BPF、可变增益放大器Rx_PGA、A/D转换器等。发射通路至少包括D/A转换器、发射增益控制电路Tx_PGA、发射中频滤波器Tx_IF_BPF、上变频混频器Upper_Mixer、预放大器Pre_Amp，发射带通滤波器Tx_RF_BPF、发射通路SP2T开关。
其中，射频开关、射频接收带通滤波器、低噪声放大器和下变频混频器两两之间以实施例一所述片上阻抗匹配网络的方式配置，上变频混频器、低噪声放大器、射频带通滤波器、射频开关两两之间以实施例一所述片上阻抗匹配网络的方式配置，实现射频元件间的阻抗匹配。结合图4，本实施例提出了在接收通路的A1端口，即射频开关SP2T Switch与射频滤波器之间；A2端口，即射频滤波器到低噪声放大器之间；以及A3端口，即低噪声放大器输出到下变频混频器之间，以及，在发射通路的B1端口，即射频滤波器与射频开关（SP2TSwitch）之间；B2端口，即预放大器与射频滤波器之间；以及B3端口，即上变频混频器与预放大器之间，通过片上集成适当的接口控制电路，比如MIPI接口、SPI接口、I2C接口、GPIO接口等电路控制方式，控制A1，A2，A3，B1，B2，B3端口的Π形或者L形状匹配网络的元件值，实现阻抗的最优选择，从而实现不同信号传输频段的最优传输。
本发明通过将原有的匹配电路优化，将电容电感等匹配元件在芯片或者基板上实现，可以有效降低系统设计难度，同时可以更加精准的控制匹配电路的信号传输路径，优化传输路径的增益和噪声指标，从而优化系统性能。本发明能够以片上方式（on wafer）实现阻抗匹配元件，这种方法可以简化基板或者EVB设计，可以提高阻抗匹配的精度，从而达到射频信号的最优化传播。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种片上阻抗匹配网络，其特征在于，包括：射频元件一和射频元件二，其中，所述射频元件一和射频元件二之间设有型或L型的匹配网络，射频元件二中集成信号检测模块和数字电路模块；
所述信号检测模块用于检测射频元件一发出的射频信号一，根据射频信号一计算反馈信号，根据反馈信号计算控制信号，所述控制信号通过数字电路模块发送给匹配网络，所述控制信号用于调节匹配网络实际接入电路的有效电容值和有效电感值；
所述匹配网络包括相互连接构成型或L型结构的可调电容和可调电感，可调电容由多个并联的电容组成，可调电感由多个串联的电感组成，各个电容或电感设置对应的控制电容或电感是否接入的开关；
其中，所述信号检测模块采用峰值检测电路实现，信号检测模块所述峰值检测电路包括积分器、低通滤波器、比较器A、累加器、比较器B和数字控制电路；
所述积分器的一端和低通滤波器的一端均连接峰值检测电路的输入信号，积分器的另一端连接比较器A的负输入端，低通滤波器的另一端连接比较器A的正输入端；比较器B的负输入端通过设置控制开关连接峰值检测电路的输入信号，比较器B的正输入端连接电源VC；比较器A的输出端和比较器B的输出端均连接数字控制电路，数字控制电路设有寄存器信号输出端，数字控制电路用于接收检测到的输入信号的频率和峰值电压，根据输入信号的频率和峰值电压查询预先设置的寄存器表，得到对应的控制信号链路匹配的有效电感值和电容值并通过寄存器信号输出端输出。
2.根据权利要求1的所述的片上阻抗匹配网络，其特征在于：所述匹配网络中的可调电容使用片上元件，集成在射频元件二中。
3.根据权利要求1的所述的片上阻抗匹配网络，其特征在于：所述匹配网络中的可调电容和可调电感均使用片上元件，集成在射频元件二中。
4.根据权利要求1的所述的片上阻抗匹配网络，其特征在于：所述数字电路模块为MIPI接口电路、SPI接口电路、I2C接口电路或GPIO接口电路中的任一种。
5.根据权利要求1的所述的片上阻抗匹配网络，其特征在于：所述射频元件一和射频元件二均为滤波器、低噪声放大器、功率放大器、混频器或射频开关中的任一种。
6.一种阻抗匹配方法，应用于权利要求1-5任一所述片上阻抗匹配网络，其特征在于，包括步骤：
射频元件一输出第一射频信号；
第一射频信号输入匹配网络，匹配网络对第一射频信号进行处理，输出第二射频信号；
第二射频信号输入射频元件二，同时，射频元件二中集成的信号检测模块对第二射频信号进行检测，得到反馈信号，根据反馈信号计算用于控制匹配网络的控制信号，控制信号通过射频元件二中集成的数字电路模块发送给匹配网络；
根据所述控制信号，控制匹配网络中调节可调电容和可调电感对应的开关接入组合，调节实际接入电路的有效电容值和有效电感值。
7.一种射频接收电路，其特征在于：包括顺序连接的天线、射频开关、射频带通滤波器、低噪声放大器、下变频混频器、中频带通滤波器、增益可调放大器和A/D转换器，其中，所述射频开关、射频接收带通滤波器、低噪声放大器和下变频混频器两两之间以权利要求1-5任一所述片上阻抗匹配网络的方式配置，实现射频元件间的阻抗匹配。
8.一种射频发射电路，其特征在于：包括顺序连接的D/A转换器、增益可调放大器、中频带通滤波器、上变频混频器、预放大器、射频带通滤波器、射频开关和天线，其中，所述上变频混频器、低噪声放大器、射频带通滤波器、射频开关两两之间以权利要求1-5任一所述片上阻抗匹配网络的方式配置，实现射频元件间的阻抗匹配。
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