CN1436008A - 多频道匹配网络及匹配方法 - Google Patents

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CN1436008A CN 02102887 CN02102887A CN1436008A CN 1436008 A CN1436008 A CN 1436008A CN 02102887 CN02102887 CN 02102887 CN 02102887 A CN02102887 A CN 02102887A CN 1436008 A CN1436008 A CN 1436008A
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邱永年
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Abstract

本发明为一种多频道匹配网络及匹配方法，用以在第一元件和第二元件之间形成一信号通路以传递在一高频道以及一低频道中的射频信号，其中该第一元件和第二元件中至少有一为主动元件，其包含：相串联的一高频率优先元件组以及一低频率优先元件组；其中，该多频道匹配网络，同时在该高频道以及该低频道时，匹配一预定阻抗以及一负载阻抗；本发明利用两套元件组，使得该多频道匹配网络在该高频道与该低频道时于史密斯图上形成的两条轨迹长度不会相差太大；如此，可以免除该等元件组中元件特性变化(或漂移)时所产生的不稳定现象，增加匹配的稳定度。

Description

多频道匹配网络及匹配方法
技术领域
本发明涉及一种用于无线通讯的电路，尤指一种可以同时工作于多频道，譬如个人通讯服务(personal communication service，PCS)的900MHz频道以及1.8GHz频道的多频道匹配网络及匹配方法。
背景技术
在现在的社会中，手机(cellular telephone)以及其他的无线通讯服务一直持续的增加。而且，许多的无线系统也都规划操作在数个频道。譬如说，最近的PCS系统便是使用两个频道，一个频道的中心频率是900MHz，通称为GSM频道；另一个的中心频率则似于1.8MHz，通称为DCS频道。当然，也有使用其他不同频道的无线系统。这些无线系统便促成了手机或是移动端必须要有在多频道中工作的能力。
为了减少在前段(front end)的射频电路的成本以及复杂程度，大多数的电路设计者都期望能设计单一的信号通道，同时可以传送位于数个频道内的射频信号，譬如说，同时传送或是接收900MHz以及1.8GHz中的信号。所以，不论是天线(antenna)、低杂讯放大器(low noise amplifier，LNA)、高频功率放大器(high-frequency power amplifier，HPA)或是其间的匹配网络(matching network)等，都希望设计成单一一个，而且相容于多频道。
美国专利编号第6,078,794号以及第5,995,814号专利提供了两个不同的多频道匹配网络，但是，受限于电路架构以及元件特性，同时缺乏一种设计概念，要设计出真正符合多频道匹配以及足够的频宽的匹配网络是相当困难的。
发明内容
本发明提出一种多频道(multiple frequency band)匹配网络(matching network)。该多频道用匹配网络形成一信号通路(path)以传递在一高频道(high frequency band)以及一低频道(low frequency band)中的射频(radio frequency，RF)信号。该多频道匹配网络同时在该高频道以及该低频道时，匹配一预定阻抗以及一负载阻抗。该预定阻抗可以是一信号源的一输出阻抗，或是一特定的最佳阻抗。该多频道匹配网络包含有相串联的一高频率优先元件组(high frequency leading matching subset)以及一低频率优先元件组(low frequency leading matching subset)。
该高频率优先元件组于该高频道时，在一史密斯图(Smith Chart)中所形成的轨迹(locus)，较于该低频道时，所形成的轨迹来的长；或是较为有利于高频率的匹配。相反的，该低频率优先元件组于该低频道时，在该史密斯图(Smith Chart)中所形成的轨迹(locus)，较于该高频道时，所形成的轨迹来的长；或是较为有利于低频率的匹配。
该高频率优先元件组包含有一串联电感(series inductor)以及一并联电容(shunt capacitor)。该低频率优先元件组包含有一串联电容以及一并联电感。
该高频率优先元件组或是该低频率优先元件组可以是L型二阶(two-element)、π型三阶(three-element)、T型三阶或是阶梯型网络。
两套元件组在该信号通路中，可以视电路需求，其前后顺序可以对调。
利用两套元件组，使得该多频道匹配网络在该高频道与该低频道时于史密斯图上形成的两条轨迹长度不会相差太大。如此，可以免除该等元件组中元件特性变化(或漂移)时所产生的不稳定现象，增加匹配的稳定度。
利用二阶以上(不包含二阶)网络所形成的该高频率优先元件组或是该低频率优先元件组可以有效的调整品质因素(Q factor)，以使整个多频道匹配网络的频宽符合需求。
本发明另提供一种多频道匹配方法，用于一高频道以及一低频道，匹配一输出阻抗以及一负载阻抗。该方法包含有：1)在该输出阻抗以及该负载阻抗之间的一信号通路中，提供一高频率优先元件组，以使一史密斯图中的一第一高频道轨迹，长于该史密斯图中的一第一低频道轨迹；以及2)在该信号通路中，提供一低频率优先元件组，与该高频率优先元件组相串接，以使该史密斯图中的一第二频道轨迹，长于该史密斯图中的一第二低频道轨迹。
附图说明
图1a与图1b为一使用本发明的多频道匹配网络的电路系统图；
图2a为一本发明的多频道匹配网络的架构图；
图2b为一图2a中的实施电路图；
图2c显示了图2b的多频道匹配网络在一史密斯图上的轨迹；
图3a为另一本发明的多频道匹配网络的架构图；
图3b为一图3a中的实施电路图；
图3c显示了图3b的多频道匹配网络在一史密斯图上的轨迹；
图4a为另一本发明的多频道匹配网络的架构图；
图4b为一图4a中的实施电路图；
图4c显示了图4b的多频道匹配网络在一史密斯图上的轨迹；
图5a为另一本发明的多频道匹配网络的架构图；
图5b为一图5a中的实施电路图；
图5c显示了图5b的多频道匹配网络在一史密斯图上的轨迹；
图6为图2b中的多频道匹配网络的电路模拟结果；
图7为图5b中的多频道匹配网络的电路模拟结果；以及
图8a至图8c为三种具有可调整Q功能的多频道匹配网络的电路系统图。
具体实施方式
以下本发明将以匹配GSM频道以及DCS频道的多频道匹配网络为实施例。然而，本发明并不局限于任何特定的频道、放大器或是通讯系统。需要同时匹配两个或两个以上频道的匹配网络均可应用本发明实施。本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
图1a为一使用本发明的多频道匹配网络的电路系统图。多频道匹配网络10设于一阻抗负载RL以及一信号源VS的一输出阻抗RS之间。匹配网络10的目的在于提供一个信号通道，使VS中，位于GSM频道以及DCS频道的RF信号可以有效的传送到RL。譬如说：RL可以是天线的等效阻抗、VS与RS可以分别是HPA的等效信号源以及等效输出电阻；RL可以是LNA的等效输入阻抗、VS与RS可以分别是天线的等效信号源以及等效输出电阻。本发明的匹配网络可以置于主动元件之前或之后，例如在LNA与混频器之间、低杂讯放大器和天线之间、功率放大器以及天线之间、两级功率放大器之间、调变器和放大器之间、以及混频器和解调器之间等等，并且可以做为双工器或滤波器。图1b则表示本发明的多频道匹配网络于将一负载阻抗RL转换至一特定的最佳阻抗Ropt，如同一功率放大器的匹配网络设计需求一样。
第一实施例
图2a为一本发明的多频道匹配网络的架构图。图2b图为一图2a中的实施电路图。图2a中的多频道匹配网络包含有两个串联的元件组：高频率优先元件组410以及低频率优先元件组450。高频率优先元件组410耦接于接点130，而低频率优先元件组450耦接于接点150。以下第1表为匹配GSM频道与DCS频道时，图2b中的元件与RS、RL的元件值。
第1表
元件符号     L1     L2     C1     C2     RS     RL
  元件值     1.007nH     4.045nH     8.639pF     7.411pF     50ohm     5ohm
高频率优先元件组410为一L型二阶网络，包含有一个串联电感L1以及一并联电容C1。如同图2C中的史密斯图(Smith chart)所示，高频率优先元件组410在GSM频道所形成的轨迹为D-E1-F1，而在DCS频道所形成的轨迹为D-E2-F2。由图2C可知，D-E1-F1的总长度小于D-E2-F2的总长度，而且F1较F2距期望的完全匹配点(原点)来的远。史密斯图上的点距离原点越近，表示RF信号反射越少，匹配效果越好。可见，高频率优先元件组410在DCS的高频道时，比起在GSM的低频道时，具有较佳的匹配效果，所以称为高频率优先元件组。
低频率优先元件组450为一L型二阶网络，包含有一个串联电容C2以及一并联电感L2。如同图2C中的史密斯图所示，低频率优先元件组450在GSM频道所形成的轨迹为F1-G1--H，而在DCS频道所形成的轨迹为F2-G2--H。F1-G1--H的轨迹长度，大于F2-G2--H的轨迹长度。虽然在GSM频道时的起始点(匹配点F1)较在DCS频道时的起始点(匹配点F2)来的远，但是，低频率优先元件组450在史密斯图中使相对于GSM频道的匹配点，移动的比相对于DCS频道的匹配点来的快的特性，平衡了先前高频率优先元件组410所产生的结果。换句话说，低频率优先元件组450倾向于较低频道的匹配效果，所以称为低频率优先元件组。因此，两个频道(GSM频道以及DCS频道)的轨迹最后都到达了原点，也就是完全的匹配点，达到了多频匹配的目的。
图6为图2b中的多频道匹配网络的电路模拟结果。其中带有空心圆的曲线表示频率响应(frequency response)，带有实心圆的曲线表示频率衰减。由图中可见，在900MHz频道以及1.8GHz频道时，RF信号几乎可以完全的通过(或是衰减非常的小)，符合多频道匹配的需求。
第二实施例
图3a为另一本发明的多频道匹配网络的架构图。图3b为一图3a中的实施电路图。图3a中的多频道匹配网络包含有两个串联的元件组：低频率优先元件组411以及高频率优先元件组451。高频率优先元件组451耦接于接点150；低频率优先元件组411耦接于接点130。以下第2表为匹配GSM频道与DCS频道时，图3b中的元件与RS、RL的元件值。
第2表
元件符号      L1      L2     C1      C2     RS     RL
  元件值     1.901nH     2.196nH     15.95pF     3.95pF     50ohm     5ohm
低频率优先元件组411为一L型二阶网络，包含有一个串联电容C1以及一并联电感L1。如同图3C中的史密斯图所示，低频率优先元件组411在GSM频道所形成的轨迹为D-E1-F1，而在DCS频道所形成的轨迹为D-E2-F2。由图3C可知，D-E1-F1的总长度高于D-E2-F2的总长度，而且F1较F2距期望的完全匹配点(原点)来的近。可见，低频率优先元件组411在GSM的低频道时，比起在DCS的高频道时，具有较佳的匹配效果，所以称为低频率优先元件组。
高频率优先元件组451为一L型二阶网络，包含有一个并联电容C2以及一串联电感L2。如同图3C中的史密斯图所示，高频率优先元件组451在GSM频道所形成的轨迹为F1-G1--H，而在DCS频道所形成的轨迹为F2-G2--H。F1-G1--H的轨迹长度，大于F2-G2--H的轨迹长度。虽然在GSM频道时的起始点(匹配点F1)较在DCS频道时的起始点(匹配点F2)来的近，但是，高频率优先元件组451在史密斯图中使相对于GSM频道的匹配点，移动的比相对于DCS频道的匹配点来的慢的特性，平衡了先前低频率优先元件组411所产生的结果。换句话说，高频率优先元件组451倾向于较高频道的匹配效果，所以称为高频率优先元件组。因此，两个频道(GSM频道以及DCS频道)的轨迹最后都到达了原点，也就是完全的匹配点，达到了多频匹配的目的。
当一匹配网络使用L型二阶网络时，其具有二维的自由度，但仅仅只有一种组合可能可以达成一个频道的匹配。所以匹配网络的品质因素(quality factor简称Q)是无法调整的。当匹配网络使用带有四个元件的四阶网络时，其具有四维的自由度，但仅仅只有一种组合可能可以达成两个频道的匹配，所以其Q一样也是无法调整的。第一实施例以及第二实施例中的多频道匹配网络虽然符合了多频道匹配的需求，但是，其Q(代表了匹配网络的频宽)随着匹配网络结构而固定，却不一定可以符合电路设计者的需求。
本发明中的高频率优先元件组以及低频率优先元件组其中之一，可以使用三阶或是三阶以上的网络，用以调整整个多频道匹配网络的Q，并达到电路设计者的频宽需求。三阶或是三阶以上的网络可以是π型三阶、T型三阶或阶梯型网络。
第三实施例
图4a为一本发明的多频道匹配网络的架构图。图4b为一图4a中的实施电路图。图4a中的多频道匹配网络包含有两个串联的元件组：可调整Q的低频率优先元件组(Q-modified and low frequency leading matching subset)421以及高频率优先元件组461。可调整Q的低频率优先元件组421耦接于接点130，而高频率优先元件组461耦接于接点150。以下第3表为匹配GSM频道与DCS频道时图2b中的元件与RS、RL的元件值。
第3表
元件符号     L1     L2      L3     C1     C2     RS     RL
元件值 0.1057nH  0.7722nH  0.5609nH  29.761pF   14.88Pf   50ohm    25ohm
可调整Q的低频率优先元件组421为一π型三阶网络，包含有一并联电容C1、一串联电感L1以及一并联电感L3。如同图4c中的史密斯图所示，可调整Q的低频率优先元件组421在GSM频道所形成的轨迹为为D-E1-F1-G1，而在DCS频道所形成的轨迹为D-E2-F2-G2。由图4c可知，D-E1-F1-G1的总长度长于D-E2-F2-G2的总长度，而且G1较G2距期望的完全匹配点(原点)来的近。可见，可调整Q的低频率优先元件组421在GSM的低频道时，比起在DCS的高频道时，具有较佳的匹配效果，所以称为低频率优先元件组。C1使两个频道的轨迹均达到了史密斯图的较外围区域(具有较高Q的区域)。所以，可以预期的，整个多频道匹配网络将会有较高的Q，即具有较窄的频宽。
高频率优先元件组461为一L型二阶网络，包含有一个并联电容C2以及一串联电感L2。如同图4c中的史密斯图所示，高频率优先元件组461在GSM频道所形成的轨迹为G1--H1-I，而在DCS频道所形成的轨迹为G2--H2-I。G1--H1-I的轨迹长度短于G2--H2-I的轨迹长度。虽然在GSM频道时的起始点(匹配点G1)较在DCS频道时的起始点(匹配点G2)来的近，但是，该频率优先元件组461在史密斯图中使相对于GSM频道的匹配点，移动的比相对于DCS频道的匹配点来的慢的特性，平衡了先前可调整Q的低频率优先元件组421所产生的结果。换句话说，高频率优先元件组461倾向于较高频道的匹配效果，所以称为高频率优先元件组。因此，两个频道(GSM频道以及DCS频道)的轨迹最后都到达了史密斯图中的原点，也就是完全的匹配点，达到了多频匹配的目的。
第四实施例
图5a为一本发明的多频道匹配网络的架构图。图5b为一图5a中的实施电路图。图5a中的多频道匹配网路包含有两个串联的元件组：可调整Q的低频率优先元件组(Q-modified and low frequency leading matching subset)521以及高频率优先元件组561。可调整Q的低频率优先元件组521耦接于接点130，而高频率优先元件组561耦接于接点150。以下第4表为匹配GSM频道与DCS频道时，图5b中的元件与RS、RL的元件值。
第4表
元件符号     L1     L2     L3     C1P     C2S      C2     RS     RL
元件值   0.118nH  0.773nH  0.537nH    65.38pF    52.9Pf    14.62pF   50ohm   5ohm
可调整Q的低频率优先元件组521为一四阶网络，包含有一并联电容C1P、一串联电容C1S、一串联电感L1以及一并联电感L3。如同图5c中的史密斯图所示，可调整Q的低频率优先元件组521在GSM频道所形成的轨迹为为D-E1-F1-G1，而在DCS频道所形成的轨迹为D-E2-F2-G2。由图4c可知，D-E1-F1-G1的总长度长于D-E2-F2-G2的总长度，而且G1较G2距期望的完全匹配点(原点)来的近。可见，可调整Q的低频率优先元件组521在GSM的低频道时，比起在DCS的高频道时，具有较佳的匹配效果，所以称为低频率优先元件组。同时，C1P与C1S使两个频道的轨迹均达到了史密斯图的较外围区域(具有较高Q的区域)。所以，可以预期的，整个多频道匹配网络将会有较高的Q，即具有较窄的频宽。
高频率优先元件组561为一L型二阶网络，包含有一个并联电容C2以及一串联电感L2。如同图5c中的史密斯图所示，高频率优先元件组561在GSM频道所形成的轨迹为G1--H1-I，而在DCS频道所形成的轨迹为G2--H2-I。G1--H1-I的轨迹长度短于G2--H2-I的轨迹长度。虽然在GSM频道时的起始点(匹配点G1)较在DCS频道时的起始点(匹配点G2)来的近，但是，高频率优先元件组561在史密斯图中使相对于GSM频道的匹配点，移动的比相对于DCS频道的匹配点来的慢的特性，平衡了先前可调整Q的低频率优先元件组521所产生的结果。换句话说，高频率优先元件组561倾向于较高频道的匹配效果，所以称为高频率优先元件组。因此，两个频道(GSM频道以及DCS频道)的轨迹最后都到达了史密斯图中的原点，也就是完全的匹配点，达到了多频匹配的目的。
图7为图5b中的多频道匹配网络的电路模拟结果。其中带有空心圆的曲线表示频率响应(frequency response)，带有实心圆的曲线表示频率衰减。由图中可见，在900MHZ频道以及1.8GHZ频道时，RF信号几乎可以完全的通过(或是衰减非常的小)，符合多频道匹配的需求。而且，由图7与图6的比较后可知，虽然图7与图6的结果均符合了多频道匹配，但是图7显示出图5b中的多频道匹配网络具有较窄的频宽，能够比较有效的过滤其他频道所带来的杂讯。
其他可能的实施例
调整Q的功能并不只限由耦接于接点130的低频率优先元件组来达成，也可以由高频率优先元件组来达成。图8a至图8C为三种具有可调整Q功能的多频道匹配网络的电路系统图。如同图中所示，高频率优先元件组与低频率优先元件组可以任意对调，而调整Q的功能可以由任何一个元件组来完成。
利用高频率优先元件组与低频率优先元件组，本发明的多频道匹配网络对应到两个不同频道的两个轨迹长度将会差不多。此意味着多频道匹配网络对于其中元件的元件值改变，具有较佳的容忍度，因此，也具有较佳的产品良率。同时，调整Q的功能可以使得本发明的多频道匹配网络中可以适用于宽频或是窄频的网络运用。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定为准。

Claims (27)

1.一种多频道匹配网络，其特征是：用以在第一元件和第二元件之间形成一信号通路(Path)以传递在一高频道(high frequency band)以及一低频道(low frequency band)中的射频(radio frequency，RF)信号，其中该第一元件和第二元件中至少有一为主动元件，其包含：
相串联的一高频率优先元件组(high frequency leading matchingsubset)以及一低频率优先元件组(low frequency leading matchingsubset)；
其中，该多频道匹配网络，同时在该高频道以及该低频道时，匹配一预定阻抗以及一负载阻抗。
2.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该高频率优先元件组于该高频道时，在一史密斯图(Smith Chart)中所形成的轨迹(locus)，较于该低频道时，所形成的轨迹来的长；且该低频率优先元件组于该低频道时，在该史密斯图(Smith Chart)中所形成的轨迹(locus)，较于该高频道时，所形成的轨迹来的长。
3.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该高频率优先元件组较为有利于该高频率的匹配，该低频率优先元件组较为有利于该低频率的匹配。
4.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该高频率优先元件组为L型二阶(two-element)、π型三阶(three-element)、T型三阶或是阶梯型网络。
5.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该低频率优先元件组为L型二阶、π型三阶、T型三阶或是阶梯型网络。
6.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：在该信号通路中，该高频率优先元件组位于该低频率优先元件组之前。
7.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：在该信号通路中，该低频率优先元件组位于该高频率优先元件组之前。
8.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该高频率优先元件组包含有一串联电感以及一并联电容。
9.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该低频率优先元件组包含有一串联电容(series capacitor)以及一并联电感(shuntinductor)。
10.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该高频率优先元件组为一品质因素(quality factor，Q)可调整的元件组。
11.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该低频率优先元件组为一品质因素(quality factor，Q)可调整的元件组。
12.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该高频道大约以1.8GHZ为中心，该低频道大约以900MHz为中心。
13.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该第一元件和该第二元件分别为一低杂讯放大器以及一天线。
14.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该第一元件和该第二元件分别为一功率放大器以及一天线。
15.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该第一元件和该第二元件分别为一低杂讯放大器以及一混频器。
16.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该第一元件和该第二元件为功率放大器。
17.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该第一元件和该第二元件分别为一调变器以及一放大器。
18.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该第一元件和该第二元件分别为一混频器以及一解调器。
19.如权利要求1所述的多频道匹配网络，其特征是：该多频匹配网络做为双工器或者滤波器。
20.一种多频道匹配方法，其特征是：用于一高频道以及一低频道，匹配一预定阻抗以及一负载阻抗，该方法包含有：
在该输出阻抗以及该负载阻抗之间的一信号通路中，提供一高频率优先元件组；以及
在该信号通路中，提供一低频率优先元件组，与该高频率优先元件组相串接。
21.如权利要求20所述的多频道匹配方法，其特征是：该高频率优先元件组于该高频道时，在一史密斯图(Smith Chart)中所形成的轨迹(locus)，较于该低频道时，所形成的轨迹来的长；且该低频率优先元件组于该低频道时，在该史密斯图(Smith Chart)中所形成的轨迹(locus)，较于该高频道时，所形成的轨迹来的长。
22.如权利要求20所述的多频道匹配方法，其特征是：该高频率优先元件组较为有利于该高频率的匹配，该低频率优先元件组较为有利于该低频率的匹配。
23.如权利要求20所述的多频道匹配方法，其特征是：该高频道大约以1.8GHZ为中心，该低频道大的以900MHZ为中心。
24.如权利要求20所述的多频道匹配方法，其特征是：提供该高频率优先元件组的步骤中，包含有下列一步骤：
提供一并联电容以及一串联电感于该信号通路中。
25.如权利要求24所述的多频道匹配方法，其特征是：提供该高频率优先元件组的步骤中，另包含有下列一步骤：
提供一并联电感或是一串联电容于该信号通路中，以调整一品质因素。
26.如权利要求20所述的多频道匹配方法，其特征是：提供该低频率优先元件组的步骤中，包含有下列一步骤：
提供一并联电感以及一串联电容于该信号通路中。
27.如权利要求26所述的多频道匹配方法，其特征是：提供该低频率优先元件组的步骤中，包含有下列一步骤：
提供一串联电感或是一并联电容于该信号通路中，以调整一品质因素。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100397798C (zh) * 2004-11-08 2008-06-25 佛山市顺德区顺达电脑厂有限公司 多频天线的阻抗匹配电路
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