CN1192500C - 射频前端结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信装置的射频前端的集成结构。所述通信装置的天线构造在印刷电路板上。在此天线电路板(310)上、在其接地层一侧，借助固定保护框架(410)安装第二电路板(321)，该第二电路板包括射频前端的其他部件。在各部件之间，使用从电操作的观点来看适当的阻抗级。所有所述部分一起构成位于所述通信装置的外壳内的集成元件(400)。本发明的优点在于，它需要较少的用于RF部分之间匹配的元件数目，并且使得与先有技术结构相比，接收机的灵敏度和发射效率有可能更高。

Description

射频前端结构
技术领域
本发明涉及通信装置中的射频前端的集成结构。所述前端至少包括天线以及同时在发射与接收支路中的射频放大器和滤波器。
背景技术
在双向无线装置、如移动台的射频部分中需要数个滤波器。在发射支路中必须去除混频器产生的附加频率分量以及功率放大器产生的附加频率分量。在接收支路中，需要滤波器以便获得基本的选择性、保护低噪声前置放大器、以及衰减在接收频带上由发射机产生的噪声。在不同发射和接收频率的情况下，一般使用双工滤波器来分开彼此不同的传输方向。在发射和接收频率相同的系统中、以及在发射和接收是在不同频率和不同时刻发生的系统中使用天线开关。射频前端的其他功能单元包括前述的放大器、测量传输功率以便进行功率控制的定向耦合器以及混频器。
接连的射频单元的集成是困难的，这主要是因为滤波器的体积相对较大。如果例如天线开关、低噪声放大器(LNA)以及它们之间的滤波器集成在一块芯片上，滤波器的大体积要求相对较大的连接带，后者产生降低滤波器的选择性的电杂散量和感应耦合。因此，把滤波器和其他单元一起完全集成在各有源RF单元之间是不实际的。
使集成困难的另一事实是市场上的元件通常具有50Ω的输入和输出阻抗，以便使调制器设计更容易。但是，RF电路输入和输出阻抗的有利值通常是不同的：例如，LNA的最佳输入阻抗电平是大约100到200Ω。如果放大器具有这种输入阻抗，那么，与前述电路的标准阻抗的匹配需要单独的匹配电路。这会增加无线装置的体积和成本。另外，匹配电路导致传输通路上的信号的附加损失，这反过来意味着更短的通话时间以及其他问题。
从先有技术中，已知的有大量结构旨在得到尽可能高的RF电路的集成度。根据先有技术的无线电装置通常包括至少一种集成元件和与它/他们相连的分立滤波器。
专利文件WO93/14573公开了一种适合于时分多址的方案，其中收发信机的所有有源元件集成在单个电路中。这种方案的缺点在于，在集成电路与其外部的滤波器之间有匹配问题。另外，集成电路不包括定向耦合器。设置在印刷电路板中的外部定向耦合器易受到电干扰的影响、在印刷电路板上需要相当大的空间、另外导致发射链中至少0.5dB的额外损耗，这对通信装置的电流消耗有直接影响。
从美国专利No.4792939中，已知这样的方案，其中把双工器、发射机和接收机集成在一块芯片上。在该方案中，用声表面波(SAW)技术实现双工器、带通滤波器和混频器。这种方案的缺点在于，SAW需要的匹配电路相当长、SAW电路本身损耗大并且与发射功率相比具有这样低的功率容量，使得该方案不可能应用于现代移动电话中。
美国专利No.5432489公开了使用传输线的方案，该传输线作为定向耦合器的一部分而属于发射支路带通滤波器或属于匹配电路。这样，可以把定向耦合器从印刷电路板移到低耗衬底上并且在高频滤波器的保护外壳之内。这个方案的优点在于，它节省了空间并且降低了对干扰的敏感性以及定向耦合器导致的传输损耗，但是缺点是在其他方面集成问题仍然存在。
从美国专利No.5903820中，已知一种方案，其中把天线滤波器120、天线开关125、定向耦合器160、低噪声放大器130、混频器171和172以及功率放大器150集成为一个整体。这种整体构成移动台的印刷电路板上的一个元件。图1a示出要集成的所述整体10的框图。图1b示出电路10的实际实现的实例。在该实例中，所有元件组装在同一个低耗衬底101上。最耗费空间的元件是同轴谐振器11和12，它们构成天线滤波器120的最大部分。这些部分位于公共的保护它们免受干扰的外壳102内。
按照图1的结构的优点在于，在低噪声放大器的输入端和功率放大器的输出端，匹配所需的构成元件的数目较少，因为不需要提供与50Ω阻抗电平的匹配。还有一些优点包括寄生效应的减少、插在通信装置的印刷电路板上的元件数的减少、以及电路板上需要的面积的减少。该结构的缺点是图1a中所示的发射支路带通滤波器20和接收支路带通滤波器30仍然是电路板上分开的单元。天线也是分立元件。
发明内容
本发明的一个目的是减少先有技术的上述缺点。按照本发明的一种射频前端包括作为功能单元的天线、至少一个带通滤波器和至少一个放大器，其中前端有源和无源元件部分已被集成，其特征在于：它包括天线电路板，在其第一表面上有至少一个辐射元件并且在其第二表面上有导电板；所述滤波器和放大器是由其中一个表面导电的第二电路板支撑的；该射频前段还包括保护框架，使得所述保护框架、天线电路板和所述第二电路板构成基本上闭合的空间；所述天线电路板、带有所安装的单元的所述第二电路板以及所述保护框架构成单个固体元件；以及在所述元件中，所述第二电路板与天线电路板之间的距离小于与所述前端的任何工作频率对应的波长的四分之一。本发明还公开了射频前端的最佳实施例。
本发明的基本思路如下：通信装置的天线构造在一个电路板上。在天线电路板上、在其接地层一侧，借助固定保护框架装上第二电路板，所述第二电路板包括射频前端的其他部分。在各部分之间，采用从电工作的观点来看、适当的阻抗级。所有所述部分一起构成位于通信装置的外壳内部的固态元件。
本发明的一个优点是，在RF部分之间用于匹配所需的构成元件的数目比先有技术结构中的少。本发明的另一优点是，使得接收机有可能比先有技术结构更灵敏。借助于例如内部最优化可以提高接收支路的噪声指数和灵敏度。本发明另一个优点是，使得发射机中损耗有可能比先有技术结构更低。例如，把功率放大器PA的输入阻抗从50Ω改变为2Ω，使得功率放大器的设计相当容易，同时提高了功率放大器的效率。本发明还有另一个优点是，提供了包括具有天线的整个射频前端的单个元件。这导致通信装置更小并且简化了设计。
附图说明
现在详细描述本发明。参照以下附图：
图1a以框图形式表示通信装置的前端的实例，
图1b表示按照图1a的先有技术的前端的实际实现的实例，
图2以框图形式表示通信装置的前端的第二实例，
图3a表示按照本发明的天线电路板的实例，
图3b表示按照本发明的功能模块的替换的实例，以及
图4以元件的形式表示按照本发明的前端的实例。
具体实施方式
已经联系先有技术的描述讨论了图1a和1b。
图2表示通信装置的可能的射频前端的框图。前端200包括天线210、双工滤波器220、低噪声放大器230、带通滤波器241和242以及功率放大器250。天线连接到双工滤波器220中的双向天线端口。双工滤波器的接收端口连接到放大器230的输入端，并且放大器230的输出端连接到带通滤波器241的输入端。滤波器241的输出端连接到接收支路混频器，而滤波器242的输入端连接到发射支路混频器。滤波器242的输出端连接到放大器250的输入端，而放大器250的输出端连接到双工滤波器220的发射端口。
下面描述如何根据本发明、把按照图2的前端200集成为单个元件。
图3a示出按照本发明的天线结构的实例。必不可少的是，作为元件的天线是板状的。图3a示出一种天线电路板310，在其从图3a中不可见的下表面或第二表面上有接地层311，后者基本上覆盖了该表面的整个面。在电路板310的上表面或第一表面上，有在此实例中的三个辐射元件：导电区312、313和314。导电区312和313是平面的，并且如果除了具有公共馈线之外，它们还短路到地，则它们形成双频平面倒F天线(PIFA)。导电区314包括曲折图案的导体。可以使它或者在PIFA频率范围或者在某个第三频率范围上辐射。示于图3a中的电路板310比其实际体积大得多。
图3b说明组装RF前端的其他功能单元的方法。图3b中所示为可能是印刷电路板的板状件321。四个模块220、230、240和250设置在板321上。这些标号对应于图2中的标号。模块220包括双工滤波器，模块230是低噪声放大器LNA，模块240是带通滤波器241和242，而模块250包括功率放大器PA。在此实例中，滤波器是用同轴谐振器来实现的。在图中指明一个谐振器325。图3b示出柱状导体323，其功能是提供板321与天线板310之间的连接。导体323的下端通过导电带322连接到滤波器220。板321上的其他连接未示出。板321的在图3b中不可见的下表面是导电的。电路板321及其上的模块都画得比其实际样子大得多。
图4表示把前端组装成单个元件的实例。元件400包括天线电路板310、模块组件320和刚性机械框架410。框架410支撑天线电路板和电路板321。从而为滤波器和放大器提供了保护壳。图4示出向下延伸的导体420，它是元件400与通信装置的其他部分之间的一个导体。图4中所示部分在机械上是结实的，并且紧紧地互相结合在一起，使得所形成的元件400紧凑。实际上它比图中的小得多。
以上描述了根据本发明的方案。本发明不限制天线板上的元件的数目或尺寸。本发明也不限制前端中的RF单元的数目或者特性或内部实现。本发明也不限于任何特定的应用。它可以用在各种应用场合中的收发信机中，而且可用在不同频率和不同的多址方式下，最好是在射频如UHF(特高频)和VHF(甚高频)下使用。按照本发明的配置可以用在具有分立或集成天线的基于数字时分多址的系统[TDMA/FDMA(时分多址/频分多址)、TDMA/FDD(时分多址/频分双工)或者TDMA/TDD(时分多址/时分双工)]的用户装置中、车载电话中和手持电话中。在独立权利要求所定义的范围之内，可以通过许多方式来应用本发明的思想。

Claims (7)

1.一种射频前端的结构，它包括作为功能单元的天线、至少一个带通滤波器和至少一个放大器，其中前端有源和无源元件部分已被集成，其特征在于：
它包括天线电路板，在其第一表面上有至少一个辐射元件并且在其第二表面上有导电板；
所述滤波器和放大器是由其中一个表面导电的第二电路板支撑的；
它还包括保护框架，使得所述保护框架、天线电路板和所述第二电路板构成闭合的空间；
所述天线电路板、带有所安装的单元的所述第二电路板以及所述保护框架构成单个固体元件；以及
在所述元件中，所述第二电路板与天线电路板之间的距离小于与所述前端的任何工作频率对应的波长的四分之一。
2.如权利要求1所述的结构，它包括发射支路和接收支路，其特征在于双工滤波器、接收滤波器之后的低噪声放大器、功率放大器之后的发射滤波器以及定向耦合器是所述功能单元。
3.如权利要求1所述的结构，它包括发射支路和接收支路，其特征在于天线滤波器和天线开关、接收滤波器之后的低噪声放大器、功率放大器之后的发射滤波器以及定向耦合器是所述功能单元。
4.如权利要求2或3所述的结构，其特征在于：至少还有发射和接收支路混频器、调制器、解调器以及与这些相关的滤波器是所述功能单元。
5.如权利要求1所述的结构，其特征在于：所述天线电路板的第一表面上有两个辐射元件，以形成双频平面倒F天线。
6.如权利要求1所述的结构，其特征在于：所述天线电路板的第一表面上还有第三辐射元件，该元件设置成在平面倒F天线频率范围或者在一个第三频率范围上辐射。
7.一种包括射频前端的通信装置，其特征在于：
所述前端包括天线电路板，在该天线电路板的第一表面上有所述通信装置的所述天线的辐射元件并且在其第二表面上有导电板；
在所述前端中的其他功能单元是由其中一个表面导电的第二电路板支撑的；
所述前端还包括保护框架，使得所述保护框架、所述天线电路板的所述导电的第二表面以及所述第二电路板的所述导电表面构成基本上闭合的空间；
所述天线电路板、带有所安装的单元的所述第二电路板以及所述保护框架构成单个固体元件；
在所述元件中，所述第二电路板与天线电路板之间的距离小于与所述前端的任何工作频率对应的波长的四分之一；以及
所述元件完全在所述通信装置的外壳之内。
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