CN1253966C - 射频匹配网络的布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种射频匹配网络的布局方法，利用短传输线所具备的电容、电感特性，将以往电路布局当中与信号阻抗组件串联的短传输线串联并入与信号阻抗组件并联的电感组件当中，即可忽略原先串联的短传输线所造成的电容、电感效应，而能达到阻抗匹配的目的；采用本发明所布局的电路，可更接近理论上的频率响应值。

Description

射频匹配网络的布局方法

技术领域

本发明有关一种射频匹配网络的布局方法。

背景技术

现今的无线通讯系统，由于低频频带已使用殆尽，而逐渐走向高频的领域。所以，射频的频带目前已经开始运用微波的频率范围。但是，进入微波的高频领域，基本的电子组件对高频的响应问题不能以低频的模式去思考，这点成为高频电路设计者必须极为关注的课题。于是，在射频电路当中，如何适当地运用电感与电容等具有频率响应的组件，使所设计出的电路能够匹配所要应用的频率范围，而能使射频电路能达到最高的运作效率，往往为设计者所深思的重要课题。

射频电路的设计过程中，从阻抗匹配到集总电路的等效电路与等效电路的仿真，以及最后的电路布局(layout)，电路设计者都必须考虑到阻抗匹配的问题，而其最佳工具为史密斯图。运用史密斯图来检测电路存在一系列问题，如其理论上的输入阻抗与输出阻抗是否与特性阻抗(characteristic impedance)匹配，以及在实际的电路布局后对特定高频的频率响应是否匹配等。

此外，由于现今通讯组件与半导体工艺的整合，组件逐渐微小化并使得通讯集成电路(Integrated Circuits)成为越来越复杂的组件，设计者也很难使设计工作达到完美。所以，设计上的缺陷在所难免，并且这些缺陷并不容易在测试时被找出来。因而适当的电路布局成为通讯集成电路设计者的重要工具，适当的电路布局可使电路设计者免于电路的错误。实际上，现有的高频电路设计技术已发展出许多实用的电路布局技巧。如利用不同介电系数的传输金属导线设计为电阻、电感与电容等，或者将晶体管设计为电阻与电容等，或者利用金属作为跳接(jump)，利用开路或短路等技巧。

例如，设计者可将一段短长度的传输线，在一定频率范围内用来模仿电感及电容。设计者可利用传输线的特性阻抗来设计阻抗的高低，以便调整阻抗的大小。本质上，串联阻抗(series impedance)为电感性，并联阻抗(parallelimpedance)为电容性。若短长度传输线的特性阻抗相当高，则并联阻抗也相当高，此时，电路组件近似开路，因此，一段短长度的高特性阻抗近似一串联电感。反之，若此短长度传输线的特性阻抗相当低，则串联阻抗可忽略，其效应接近并联阻抗，近似并联电容。

虽然有以上的设计上技巧，但由于设计者对电感的设计均将理论上的电路直接作为电路布局的部分，因此常常必须经过再进一步的调整才能获得较适当的匹配电路。请参考图1，理论上的某种射频匹配电路，包括：电阻值为50欧姆的信号阻抗11、并联电感值为1.8nH的第一电感12、串联电容值为1.1pF的电容13；再并联电感值为5.7nH的第二电感14，阻抗值为30+j60欧姆的负载阻抗15。在频率2.400GHz到2.483GHz内，此射频电路的频率响应如图2的史密斯图所示，此射频匹配网络的响应图由A点(负载对频率2.4GHz的频率响应)至B点(负载对频率2.483GHz的频率响应)。

上述的射频匹配网络为理论上的值，现有的射频电路布局设计图如图3的电路布局图所示。图3中，设计者将图1的第一电感12设计为电路布局接地的第一电感31，再以适当长度的第一短传输线32连接电容33(即图1的电容13)，并以适当长度的第二短传输线34连接第二电感35(即图1的第二电感14)，最后再连接至负载阻抗15。

图3所布局的电路，其等效电路如图4，请参照图1加以比较，可发现，此等效电路包含了增加了新的第一短传输线等效阻抗41(宽为12mil，长为70mil)及第二短传输线等效阻抗42(宽为12mil，长为70mil)，第一等效阻抗41为第一短传输线32所形成的等效阻抗，第二等效阻抗42则为第二短传输线34所形成的等效阻抗。此电路布局在频率2.400GHz到2.483GHz内，其频率响应如图5的史密斯图所示，即由D点(负载对频率2.4GHz的频率响应)至C点(负载对频率2.483GHz的频率响应)，此结果与理论上的仿真值有所差距，必须加以修正。

由上可知，此种现有的射频电路布局方式，实际上造成设计上的误差，也即设计者常常必须考虑到短传输线所造成的影响。所以，如何缩小此种设计上所产生的问题，实为射频电路设计者所深思的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种射频匹配网络的布局方法，可减小射频电路设计上电感、电容设计上所造成的误差，可忽略此短传输线路径所造成的阻抗效应，而能达到射频电路阻抗匹配，而能与理论上的频率响应值更加接近，而不用太大的修正。

为实现上述目的，根据本发明一方面的射频匹配网络的布局方法，其布局包括一信号输入组件、一第一电感、一电容、一第二电感以及一负载组件的电路，其特点是，包括下列步骤：提供一第一短传输线，将其第一端与该信号输入组件的第一端及该电容的第一端相连接，该第一短传输线的第二端则与该第一电感的第一端相接，将该第一电感的第二端接地，该信号输入组件的第二端接地；及提供一第二短传输线，将其第一端与该电容的第二端及该负载组件的第一端相接，该第二短传输线的第二端则与该第二电感的第一端相接，该第二电感的第二端接地，该负载组件的第二端接地。

根据本发明另一方面的射频匹配网络的布局方法，其布局包括一信号输入组件、一电感、一电容及一负载组件的电路，其特点是，包括下列步骤：提供一第一短传输线，将其第一端与该信号输入组件的第一端及该电容的第一端相接，该第一短传输线的第二端则与该电感的第一端相接，将该电感的第二端接地，该信号输入组件的第二端接地；及将该电容的第二端与该负载组件的第一端相接，该负载元的第二端接地。

根据本发明又一方面的射频匹配网络的布局方法，其布局包括一信号输入组件、一电容、一电感及一负载组件的电路，其特点是，包括下列步骤：将该电容的第一端与该信号输入组件的第一端相接，该信号输入组件的第二端接地；

提供一短传输线，其第一端与该电容的第二端与该负载组件的第一端相接；及将该短传输线的第二端接上该电感的第一端，该电感的第二端接地，并将该负载组件的第二端接地。

采用本发明的上述方案，可使射频电路设计者在设计射频匹配网络时，忽略许多组件间所需的传输线路径的效应，而让设计者能直接以所需要的电感与电容等做阻抗匹配的设计。

为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。

附图说明

图1为射频匹配网络等效仿真电路图；

图2为射频匹配网络等效仿真电路的2.400GHz至2.483GHz频率响应的史密斯图；

图3为现有射频匹配网络电路布局图；

图4为现有射频匹配网络电路布局的等效电路图；

图5为的2.400GHz至2.483GHz频率响应的史密斯图；

图6为本发明的射频匹配网络电路布局图；

图7为本发明的射频匹配网络电路布局的等效电路图；及

图8为本发明的射频匹配网络的2.400GHz至2.483GHz频率响应的史密斯图。

具体实施方式

请参考图6，它是本发明的射频匹配网络电路的布局方法示意图。请参考比较图3，图3中，设计者将图1的第一电感12设计为电路布局的接地第一电感31，再以适当长度的第一短传输线32连接电容33(即图1的电容13)，并以适当长度的第二短传输线34连接第二电感35(即图1的第二电感14)，最后再连接至负载阻抗15。

本发明的射频匹配网络，利用短传输线在高频时的电容与电感效应，即可利用短传输线本身作为电感组件。因此，本发明的射频匹配网络将第一短传输线32，修正为与电容63并联的第一短传输线61，并将第一短传输线61与第一电感62串联接地；同时，电容63则由第一短传输线61的一个端点与第二短传输线64的一个端点共同形成。同样地，将第二短传输线34修正为与电容63并联的第二短传输线64，并将第二短传输线64与第二电感65串联接地。采用这样的设计，即可将原先的第一短传输线32舍弃，代之以第一短传输线61，即可将它仿真为电感组件，与第一电感62共同形成第一合并电感66，也即第一合并电感66等于第一短传输线61的高频电感加上第一电感62的电感，即可较接近理论上所要求的值。

同样地，将原先的第二短传输线34舍弃，代之以第二短传输线64，即可将它仿真为电感组件，与第二电感65共同形成第二合并电感67。也即第二合并电感67等于第二短传输线64的高频电感加上第二电感65的电感值，即可较接近理论上所要求的值。

所以，本发明的射频匹配网络的布局方法的要点在于提供短传输线的布局方式，也即提供经计算的短传输线，也即第一短传输线61与第二短传输线64，以其高频特性来作阻抗匹配组件。然而，在布局时，也可运用在只有一个电感组件的线路上，也即只包含第一电感62或者只包含第二电感65的射频网络。所以，在布局时，可以只用一条短传输线，也即第一短传输线61或者第二短传输线64来配合第一电感62或第二电感65。

实际的效应则如图7所示，它为本发明的射频匹配网络的等效电路图。在图6中，第一短传输线61的等效电路组件为图7中的第一短传输线等效阻抗71(宽为12mil，长为75mil)，第一电感62的等效电路组件则为图7的第一等效电感72(1.2nH)。第一短传输线等效阻抗71与第一等效电感72两者串联接地，并与信号阻抗11并联。第二短传输线64的等效电路组件则为图7中的第二短传输线等效阻抗73(宽为12mil，长为73mil)，第二电感65的等效电路组件则为图7的第二等效电感74(4nH)。第二短传输线等效阻抗73与第二等效电感74两者串联接地，并与负载阻抗15并联。电容13(1.1pF)则与第一短传输线等效阻抗71与第二短传输线等效阻抗74相连接。

从图7的等效电路当中，设计者只要考虑第一短传输线等效阻抗71与第一等效电感72串联的部分并计算其值，并且考虑第二短传输线等效阻抗73与第二等效电感74串联的部分且计算其值，即可使等效电路的阻抗值相近于图1的第一电感12及第二电感14的部分。所以，在固定的频率范围中，如2.4GHz，只要计算第一短传输线等效阻抗71与第二短传输线等效阻抗73的频率响应的阻抗值，并适当调整第一等效电感72的电感值与第二等效电感74的电感值，即可在射频电路当中得到良好的阻抗匹配效果。

本发明的具体实施例中，实际上的电路布局运作成果，请参考图8，它是本发明的射频匹配网络的2.400GHz至2.483GHz频率响应的史密斯图。

请参考比较图2，在2.400GHz至2.483GHz之间，理论上的史密斯图为B点(负载对频率2.4GHz的频率响应)至A点(负载对频率2.483GHz的频率响应)的频率响应。在图8中，在2.400GHz至2.483GHz之间，则为F点(负载对频率2.4GHz的频率响应)至E点(负载对频率2.483GHz的频率响应)。比较两图可发现，F点(负载对频率2.4GHz的频率响应)与B点(负载对频率2.4GHz的频率响应)相当接近。E点(负载对频率2.483GHz的频率响应)与A点(负载对频率2.483GHz的频率响应)相当接近。

根据本发明所揭示的技术，本发明所提供的射频匹配网络电路布局方式，在具体应用实例中已得到近似于理论值的效果。

虽然本发明的较佳实施例已予以揭示，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，还可作出种种的等效变化和等效替换，因此本发明的专利保护范围以所附的权利要求书所限定的申请专利范围为准。

Claims (3)

1.一种射频匹配网络的布局方法，其布局包括一信号输入组件、一第一电感、一电容、一第二电感以及一负载组件的电路，其特征在于，包括下列步骤：

提供一第一短传输线，将其第一端与该信号输入组件的第一端及该电容的第一端相连接，该第一短传输线的第二端则与该第一电感的第一端相接，将该第一电感的第二端接地，该信号输入组件的第二端接地；及

提供一第二短传输线，将其第一端与该电容的第二端及该负载组件的第一端相接，该第二短传输线的第二端则与该第二电感的第一端相接，该第二电感的第二端接地，该负载组件的第二端接地。

2.一种射频匹配网络的布局方法，其布局包括一信号输入组件、一电感、一电容及一负载组件的电路，其特征在于，包括下列步骤：

提供一第一短传输线，将其第一端与该信号输入组件的第一端及该电容的第一端相接，该第一短传输线的第二端则与该电感的第一端相接，将该电感的第二端接地，该信号输入组件的第二端接地；及

将该电容的第二端与该负载组件的第一端相接，该负载元的第二端接地。

3.一种射频匹配网络的布局方法，其布局包括一信号输入组件、一电容、一电感及一负载组件的电路，其特征在于，包括下列步骤：

将该电容的第一端与该信号输入组件的第一端相接，该信号输入组件的第二端接地；

提供一短传输线，其第一端与该电容的第二端与该负载组件的第一端相接；及

将该短传输线的第二端接上该电感的第一端，该电感的第二端接地，并将该负载组件的第二端接地。

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