CN1951006A - 用于多频段多模式通信引擎的前端拓扑 - Google Patents

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Abstract

滤波器和开关的组合用于解决GSM/W－CDMA收发机前端中的非线性问题，其中，一个通用天线用于GSM模式和W－CDMA模式。特别地，独立的Rx/Tx通道以及Rx通道中的开关用于在频段之间提供跨频隔离。由于在滤波器和天线之间没有放置开关，收发机中的所有开关放置在滤波器之后。此外，只要输出端的阻抗可以被控制，即使带通滤波器仅在输出端开，其也与一个通用节点相匹配。

Description

用于多频段多模式通信引擎的前端拓扑
发明领域
本发明总体上涉及前端拓扑，尤其涉及用于多频段和/或多模式移动蜂窝手持电子设备的前端实现。
背景技术
本说明中所用的术语“前端”表示天线和功率放大器或者RF-ASIC(射频专用集成电路)之间的组件和功能，但是，某些前端模块还可包括功率放大器。多频段、多模式引擎中的前端，尤其是那些设计用来满足MIMO(多输入多输出)和/或分集功能要求的前端，通常在结构和设计上非常复杂。因为前端通常包括很多开关，其消耗大量的电流，并且需要很多控制线。在新的未来移动终端中需要MIMO功能，而且，在最初，优先考虑Rx MIMO，这是因为，在移动通信中，下行链路数据率比上行链路数据率重要。基本上，Rx MIMO需要在特定的工作频段上提供多个Rx通道。然后对这些通道的输出进行监控，并且进行合并，以给出增强的数据率。天线对这些通道中的每个通道的馈送彼此独立。
目前，GSM/W-CDMA多模式引擎设计为具有独立的GSM天线以及独立的W-CDMA天线。W-CDMA天线与对于W-CDMA模式的Rx和Tx通道都具有通带滤波器的双工机相连。GSM天线与通常首先使用双工器等等将1GHz频率从2GHz频段中分离的天线开关模块相连。然后由开关(通常是PIN二极管)对每个频率范围的Rx和Tx通道进行分离。天线开关模块通常还包括用于功率放大器输出的谐波滤波，并且可包括声表面波(SAW)滤波器，以提供对Rx通道的滤波。典型前端的典型框图在图1a和1b中表示。如图1a中所示，GSM模块包括四个部分：1GHz GSM Rx部分、1GHz GSM Tx部分、2GHz GSM Rx部分和2GHz GSM Tx部分。1GHz GSM Rx部分包括869-894MHz Rx通道110和925-960MHz Rx通道130。共同表示为通道150的1GHz GSM Tx部分包括两个频段824-849MHz以及880-905MHz。869-894MHz Rx通道110包括在端口112和不平衡转换器122之间相连的滤波器116。925-960MHz Rx通道130包括在端口132和不平衡转换器142之间相连的滤波器136。不平衡转换器功能可以基于滤波器技术包括在滤波器116和136中。Rx通道110和130在通用节点910上相接。这些Rx通道还通过匹配元件80与824-849/880-905MHz Tx通道150的端口152在节点912上相接。在这里，PIN二极管42和44用于Tx-Rx切换。或者，也可以使用其它开关技术，例如，CMOS或者GaAs p-HEMTs(假形高移动度电晶体)。但是，通过使用CMOS和p-HEMT开关，将对偏置和匹配元件的实现进行稍微修正。
2GHZ Rx部分包括1805-1880MHz Rx通道220，通常表示为1800GSM模式，以及1930-1990MHz Rx通道240，通常表示为1900GSM模式。共同表示为通道260的2GHZ Rx部分包括两个频段，1710-1758MHz和1850-1910MHz。1805-1880MHz Rx通道220包括在端口222和不平衡转换器232之间相连的滤波器226。1930-1990MHz Rx通道240包括在端口242和不平衡转换器252之间相连的滤波器246。Rx通道220和240与匹配电路或者设备84、86在通用节点914上相接。这些Rx通道还通过匹配元件82与1710-1758/1850-1910MHz Tx通道260的端口262在节点916上相接。在这里，PIN二极管46、48用于Tx-Rx切换。1GHz和2GHz部分通过双工器30与GSM天线10的通用馈送端918相连，双工器30包括用于Tx通道150和260的谐波滤波器32、34。
在图1b中，W-CDMA模块具有两个通道：2110-2170MHz Rx通道320和1920-1980MHz Tx通道340。Rx通道320包括在端口322和不平衡转换器332之间相连的滤波器326。但是，不平衡转换器也可以位于滤波器之后、双工机的外部。1920-1980Tx通道340具有通带滤波器346和端口342。Rx通道320通过匹配元件90在节点920以及通用W-CDMA天线20上与Tx通道340相接。如图1b所示，滤波器326和346通常是BAW滤波器。应当注意到，双工机也可以是陶瓷双工机。但是，不平衡转换器332不可能位于陶瓷双工机的Rx支路中。这表示，为了在根据US W-CDMA标准的前端中实现CDMA1900和CDMA2000，除了天线开关模块之外，还需要两个双工机。同样，将需要使用一个PA以放大CDMA1900和GSM1900频段，这在目前是不可能的。
对GSM模式使用一个天线、对W-CDMA模式使用另一个天线的现有技术架构的缺点是架构缺乏灵活性，而且更重要的是，难以在一个移动电话中实现多个CDMA(或者W-CDMA)。为了克服这些缺点，可能允许GSM模式和W-CDMA模式共享一个通用天线，以及使用开关在模式之间进行选择。但是，因为开关的非线性特性，来自Tx的与来自天线的阻塞信号混合的混合成分会减弱Rx，如图2a和2b中所示。
适宜并且希望提供一种结合有GSM和W-CDMA模式而没有成分混合问题的前端结构。
发明内容
本发明使用滤波器和开关的组合，以解决对于GSM模式和W-CDMA模式使用一个通用天线的GSM/W-CDMA收发机前端中的非线性问题。本发明使用独立的Rx/Tx通道以及RX通道中的开关，以在频段之间提供足够的跨频隔离。跨频隔离的一个实例在图3a中表示。
本发明应用于US和欧洲标准的蜂窝多模式/多频段电话中。其也可应用于需要用于多个频段的重复Rx通道的MIMO(多输入多输出)收发机或者分集接收机中(例如，1800/1900GSM和W-CDMA)。
从而，本发明的第一方面提供一种方法，用于在多频段通信设备中选择频段，该通信设备具有一个或多个天线，用于传送射频，以及，前端模块具有一个或多个节点，该一个或多个节点可操作地与所述一个或多个天线相连，该前端模块包括：
第一带通滤波器，位于第一信号通道上，用于对第一频段的信号进行滤波，第一带通滤波器具有第一端和第二端，第一端可操作地与所述一个或多个天线相连；以及
第二带通滤波器，位于第二信号通道上，用于对与第一频段不同的第二频段的信号进行滤波；该第二带通滤波器可操作地与所述一个或多个天线相连。该方法包括：
在独立于第二信号通道的第一带通滤波器的第二端上放置开关，用于启用或者禁用第一信号通道。
根据本发明，第一信号通道包括发射通道，第二信号通信包括接收通道，所述方法进一步包括：
在第一带通滤波器的第一端和所述一个或多个天线之间放置匹配元件。
根据本发明，第一信号通道包括第一接收通道，第二信号通道包括第二接收通道，其中，第二带通滤波器具有第一端和第二端，第二带通滤波器的第一端可操作地与所述一个或多个天线相连，所述方法进一步包括：
在第二带通滤波器的第二端上放置另一个开关，用于启用或者禁用第二信号通道。
根据本发明，该方法进一步包括：
将不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连，以允许第一带通滤波器的第一端和第二带通滤波器的第一端通过不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连。
本发明的第二方面提供一种收发机，用于在具有一个或多个用于传送射频信号的天线的通信设备中使用。该收发机包括：
第一带通滤波器，位于第一信号通道上，用于对第一频段的信号进行滤波，该第一带通滤波器具有第一端和第二端，第一端可操作地与所述一个或多个天线相连；
第二带通滤波器，位于第二信号通道上，用于对与第一频段不同的第二频段信号进行滤波；该第二带通滤波器可操作地与所述一个或多个天线相连；以及
开关，位于独立于第二信号通道的第一带通滤波器的第二端上，用于启用或者禁用第一信号通道。
根据本发明，该收发机进一步包括：
位于第一带通滤波器的第一端和所述一个或多个天线之间的匹配元件。
根据本发明，第一信号通道包括发射通道，第二信号通道包括接收通道。
根据本发明，第一信号通道包括第一接收通道，第二信号通道包括第二接收通道，其中，第二带通滤波器具有第一端和第二端，第二带通滤波器的第一端可操作地与所述一个或多个天线相连，所述收发机进一步包括：
位于第二带通滤波器的第二端的另一个开关，用于启用或者禁用第二信号通道。
根据本发明，该收发机进一步包括：
与所述一个或多个天线可操作地相连的不平衡转换器，第一带通滤波器的第一端和第二带通滤波器的第一端都通过不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连。
不平衡转换器具有不平衡转换器第一端以及不平衡转换器第二端，不平衡转换器第一端与所述一个或多个天线相连，不平衡转换器第二端与第一滤波器的第一端相连，其中，不平衡转换器第二端还与第二滤波器的第一端相连，该收发机进一步包括：
位于第二接收通道的第二开关，并且可操作地与第二滤波器的第二端相连。
第一频段具有基本上在1805MHz与1880MHz之间的频率范围，以及
第二频段具有基本上在1930MHz与1990MHz之间的频率范围。
或者，第一频段具有基本上在869MHz与894MHz之间的频率范围，以及
第二频段具有基本上在925MHz与960MHz之间的频率范围。
根据本发明，该收发机进一步包括：
可操作地与所述一个或多个天线相连的匹配元件；
位于发射通道的第三带通滤波器，用于对第三频段的信号进行滤波，该第三带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与匹配元件相连；以及
位于发射通道的第三开关，并且可操作地与第三带通滤波器的第二端相连。
第三频段具有基本上在824MHz与849MHz之间的频率范围。
或者，第三频段具有基本上在880MHz与905MHz之间的频率范围。
根据本发明，该收发机进一步包括：
可操作地与所述一个或多个天线相连的匹配元件；
位于发射通道的第三带通滤波器，用于对第三频段的信号进行滤波，该第三带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与匹配元件相连；以及
位于发射通道的第三开关，并且可操作地与第三带通滤波器的第二端相连。
第三频段具有基本上在1710MHz与1785MHz之间的频率范围。
或者，第三频段具有基本上在1850MHz与1910MHz之间的频率范围。
根据本发明，该收发机进一步包括：
可操作地与所述一个或多个天线相连的另一个匹配元件；
位于另一个发射通道的第四带通滤波器，用于对第四频段的信号进行滤波，该第四带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与另一个匹配元件相连；以及
位于另一个发射通道的第四开关，并且可操作地与第四带通滤波器的第二端相连。
第三频段具有基本上在1710MHz与1785MHz之间的频率范围，第四频段具有基本上在1850MHz与1910MHz之间的频率范围。
或者，第三频段具有基本上在1920MHz与1980MHz之间的频率范围，第四频段具有基本上在1710MHz与1910MHz之间的频率范围。
根据本发明，该收发机进一步包括：
另一个不平衡转换器；以及
位于另一个接收通道的第五带通滤波器，用于对第五频段的信号进行滤波，该第五带通滤波器可操作地通过另一个不平衡转换器与所述一个或多个天线相连；其中，第五频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的频率范围。
根据本发明，收发机进一步包括：
另一个不平衡转换器；以及
位于另一个接收通道的第五带通滤波器，用于对第五频段的信号进行滤波，该第五带通滤波器可操作地通过另一个不平衡转换器与所述一个或多个天线相连；其中，第五频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的频率范围。
根据本发明，收发机以码分多址方式工作在第一模式以及以GSM工作在第二模式，该收发机进一步包括：
第一放大器，用于在第一模式放大信号；
第二放大器，用于在第二模式放大信号；以及
一组其它开关，包括第一、第二、第三和第四其它开关，每个具有第一端和第二端，其中
第一其它开关的第一端可操作地与发射通道相连，第一其它开关的第二端可操作地与第一放大器相连；
第二其它开关的第一端可操作地与发射通道相连，第二其它开关的第二端可操作地与第二放大器相连；
第三其它开关的第一端可操作地与另一个发射通道相连，第三其它开关的第二端可操作地与第一放大器相连；以及
第一其它开关的第一端可操作地与另一个发射通道相连，第四其它开关的第二端可操作地与第二放大器相连。
根据本发明，该收发机进一步包括：
位于所述一个或多个天线和不平衡转换器之间的匹配元件，该匹配元件具有与所述一个或多个天线相连的第一匹配元件端以及与不平衡转换器相连的第二匹配元件端；以及
位于匹配元件和第二带通滤波器之间的另一个不平衡转换器，该另一个不平衡转换器具有与第二匹配元件端相连的第一不平衡转换器端以及与第二带通滤波器相连的第二不平衡转换器端。
第一频段具有基本上在1930MHz与1990MHz之间的频率范围，第二频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的频率范围。
根据本发明，该收发机进一步包括：
第二匹配元件；
第三带通滤波器，位于发射通道，用于对第三频段的信号进行滤波，该第三带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地通过第二匹配元件与所述一个或多个天线相连；以及
与第三带通滤波器的第二端相连的第二开关。
根据本发明，该收发机进一步包括：
第三匹配元件；
第四带通滤波器，位于另一个发射通道，用于对第四频段的信号进行滤波，该第四带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地通过第三匹配元件与所述一个或多个天线相连；以及
与第四带通滤波器的第二端相连的第二开关。
第一频段具有基本上在1930MHz与1990MHz之间的频率范围；
第二频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的频率范围；
第三频段具有基本上在1710MHz与1785MHz之间的频率范围；以及
第四频段具有基本上在1850MHz与1910MHz之间的频率范围。
本发明的第三方面提供一种通信设备，包括：
一个或多个天线，用于传送射频信号；以及
收发机，其中，该收发机包括：
第一带通滤波器，位于第一信号通道上，用于对第一频段的信号进行滤波，该第一带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与所述一个或多个天线相连；
第二带通滤波器，位于第二信号通道上，用于对与第一频段不同的第二频段信号进行滤波；该第二带通滤波器可操作地与所述一个或多个天线相连；以及
位于独立于第二信号通道的第一带通滤波器第二端的开关，用于启用或者禁用第一信号通道。
根据本发明，该收发机进一步包括：
位于第一带通滤波器的第一端与所述一个或多个天线之间的匹配元件。
第一信号通道包括发射通道，第二信号通道包括接收通道。
或者，第一信号通道包括第一接收通道，第二信号通道包括第二接收通道，其中，第二带通滤波器具有第一端和第二端，该第二带通滤波器的第一端可操作地与所述一个或多个天线相连，所述收发机进一步包括：
位于第二带通滤波器的第二端的另一个开关，用于启用或者禁用第二信号通道。
根据本发明，该收发机进一步包括可操作地与所述一个或多个天线相连的不平衡转换器，该第一带通滤波器的第一端和第二带通滤波器的第一端都通过不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连。
根据本发明，该不平衡转换器具有不平衡转换器第一端以及不平衡转换器第二端，该不平衡转换器第一端与所述一个或多个天线相连，不平衡转换器第二端与第一滤波器的第一端相连，其中，不平衡转换器第二端还与第二滤波器的第一端相连，其中，该收发机进一步包括：
位于第二接收通道的第二开关，可操作地与第二滤波器的第二端相连。
根据本发明，该通信设备可以是移动终端、通信器设备或者等等。
通过阅读结合附图3a至9的描述，本发明将变得更加明显。
附图说明
图1a是说明现有技术前端模块的GSM部分的电路图；
图1b是说明图1a中相同现有技术前端模块的W-CDMA部分的电路图；
图2a是说明在具有一个与发射通道和接收通道相连的天线的前端中混合成分的电路图；
图2b是说明在具有一个用于发射的天线以及一个用于接收的天线的前端中混合成分的电路图；
图3a是表示根据本发明的GSM/W-CDMA前端中Tx-Rx天线隔离的示意图；
图3b是表示GSM和W-CDMA频率重叠的频率图；
图4是说明根据本发明的欧洲GSM/W-CDMA前端的电路图；
图5是说明根据本发明的US GSM/W-CDMA前端的电路图；
图6是说明根据本发明的开关双工机的电路图；
图7是说明根据本发明的具有多频段GSM天线开关模块和W-CDMA双工机的前端模块的电路图；
图8是表示当GSM滤波器输出的分路开关偏置至“开启”时GSM Tx和W-CDMA Tx支路的响应的标绘图。
图9是表示当W-CDMA滤波器输出的分路开关偏置至“开启”时GSM Tx和W-CDMA Tx支路的响应的标绘图。
图10是说明根据本发明的具有收发机前端的通信设备示意图。
具体实施方式
本发明使用独立的Rx/Tx通道以及RX通道上的开关，以在频段之间提供足够的跨频隔离。跨频隔离的一个实例在图3a中表示。如图3a中所示，与天线10相连的上频段Tx链路包括1800GSM Tx_3(1710-1785MHz)，1900GSM Tx_4(1850-1910MHz)和W-CDMA(EU)Tx_7(1920-1980MHz)，与天线20相连的上频段Rx链路包括1800GSM Rx_3(1805-1880MHz)，1900GSM Rx_4(1930-1990MHz)和W-CDMA(EU)Rx_7(2110-2170MHz)。从而，在这些链路上交叠的频率是：Tx_4-Rx_3(30MHz，从1850至1880MHz)，Tx_7-Rx_4(50MHz，从1930至1980MHz)。跨频问题也在图3b中表示。如果例如Tx模式下天线的最大输出功率是30dBm至33dBm(依赖于系统标准)，而且，可以在两个独立的天线之间获得的典型隔离是10dBm至20dBm，则在Rx天线的功率等级是从13dBm至23dBm。在这种情况下，天线确实提供某些空闲的Tx至Rx的隔离，但是对于跨频，这远远不够，这是因为，在RF-ASIC输入(Rx通道)的可接受的典型最大功率等级在Tx时隙(也就是，ASIC中的LNA关闭)期间大约是0dBm。因此，需要某种在这些跨频情况下提供附加衰落的装置。
本发明提供一种拓扑，以利用很多美国和欧洲标准共享相同频率的事实，改善上频段(2GHz)Rx和Tx性能，以及改善前端的“通用性”。在图4和图5所示的两个实施方式中对拓扑进行说明。图4说明根据本发明的欧洲前端的实施方式。图5说明根据本发明的美国前端的实施方式。为了进行说明，欧洲前端在图4a至4c的三个独立块中表示。同样地，US前端在图5a至5c的三个独立块中表示。虽然每个实施方式中的独立块可以实现为一个模块或者某些较大模块的部件，但是，独立块提供灵活性优势。例如，2GHz Tx和1GHz部件可以是PA(功率放大器)物理上的一部分，2GHz Rx部件可以实现在RF后端IC上。
欧洲前端是具有四个GSM频段和EU W-CDMA的引擎中的通用前端的一个实例：该四个GSM频段是：
1)GSM900(Tx 880-905MHz和Rx 925-960MHz)；
2)GSM850(Tx 824-849MHz和Rx 869-894MHz)；
3)GSM 1800(Tx 1710-1785MHz和Rx 1805-1880MHz)以及
4)GSM 1900(Tx 1850-1910MHz和Rx 1930-1990MHz)。
EU W-CDMA占用了(Tx 1920-1980MHz和Rx 2110-2170MHz)频率。
为了提供拓扑的灵活性，欧洲前端独立地表示在三个块802、803和804中，独立地表示在图4a、4b和4c中。如图4a所示，块802包括2GHz GSM Rx通道220和240以及W-CDMA Rx通道320。所有这些通道与通用节点922和通用天线12相连。通道220和240分别通过独立的滤波器226和246共享通用的不平衡转换器272。通道220具有在端口222和滤波器226之间相连的分路开关225。通道240具有在端口242和滤波器246之间相连的分路开关245。应当注意到，滤波器226和246位于各个开关225、245和天线12之间。开关225和245用于启用或者禁用2GHz GSM通道。通道320具有位于端口322和通用节点922之间的不平衡转换器332和滤波器326。所有滤波器226、246和326是平衡滤波器。
如图4b所示，块803包括1GHz GSM Rx通道110和130以及1GHz Tx通道150。所有这些通道与通用节点923和通用天线13相连。通道110和130分别通过独立的滤波器116和136共享通用不平衡转换器128。通道110具有在端口112和滤波器116之间相连的分路开关115。通道130具有在端口132和滤波器136之间相连的分路开关135。应当注意到，滤波器116和136位于各个开关115、135和天线13之间。开关115和135用于启用或者禁用1GHz GSM通道。通道150具有位于端口152和通用节点923之间的延时158和滤波器156。滤波器116和136是平衡滤波器，而滤波器156是单端滤波器。
如图4c所示，块804包括2GHz GSM Tx通道260和W-CDMA Tx通道340。这两个通道与通用节点924和通用天线14相连。通道340具有在单端口342和通用节点924之间的单端滤波器346和延时348。通道260具有在单端口262和通用节点924之间的单端滤波器266和延时268。为了进行通道选择，通道330具有位于端口342和滤波器346之间的开关345，通道260具有位于端口262和滤波器266之间的开关265。
延时158、348和268用于进行Tx滤波器匹配。
为了提供拓扑灵活性，美国前端也独立地表示在三个块812、813和814中，独立地表示在图5a、5b和5c中。如图5a所示，块812包括2GHz GSM Rx通道220和240′以及W-CDMA Rx通道320。通道240′也用作1900CDMA的Rx通道，也称为美国W-CDMA(US1)(1930-1990MHz)。所有这些通道与通用节点922和通用天线12相连。通道220和240′分别通过独立的滤波器226和246共享通用的不平衡转换器272。通道220具有在端口222和滤波器226之间相连的分路开关225。通道240′具有在端口242′和滤波器246之间相连的分路开关245。应当注意到，滤波器226和246位于各个开关225、245和天线12之间。开关225和245用于启用或者禁用2GHz GSM或1900CDMA通道。通道320具有位于端口322和通用节点922之间的不平衡转换器332和滤波器326。块812实际上与欧洲前端中的块802相同。
如图5b所示，块813与图4b中所示的块803相同。
如图5c所示，块814包括两个Tx通道510和520。但是，欧洲前端的块804中的通道340和通道260用于不同频率范围内的Tx信号。两个Tx通道510和520用于相同的频率范围，但是用于不同的模式。通道510具有用于CDMA/W-CDMA模式(US2 Tx：1710-1785MHz；以及US1 Tx：1850-1910MHz)的PA 522。通道520具有用于2GHz Tx的PA 524。为了在(1710-1785MHz)和(1850-1910MHz)之间进行选择，每个通道510和520具有两个开关(531、532)和(533、534)。在这个切换阶段之后，1800(1710-1785MHz)支路通过通带滤波器552和延时562与通用节点924相连。1900(1850-1910MHz)支路通过通带滤波器554和延时564与通用节点924相连。为了进行支路选择，1800支路具有开关542，1900支路具有开关544。应当注意到，所有开关的位置较滤波器552、554更加远离天线14。在滤波器552、554和天线14之间没有放置开关。
本发明还利用下面三个事实：
1)频率相近的两个滤波器可以匹配到通用节点上，而实际上不会造成性能恶化，即使独立的开关仅仅位于滤波器的输出端(也就是，滤波器实时保持与通用节点相连)。当从通用节点通过滤波器到分路开关的相移是90度的倍数(例如，90或者270)时，或者甚至是串联开关情况下180度的倍数时，这是可能的。实际上，从通用节点看来，“关闭”状态下的通道看起来像是开电路。这在选择性(WCDMA或者CDMA)Tx滤波器的通带与选择性低的GSM Tx滤波器的通带重叠的情况下尤其重要。如果要切换的两个Tx滤波器都是高度选择性，而且不相互重叠，则相移仅仅是匹配网络，不需要必须是90度。这个事实在图4a中由开关225和245进行说明，其中，开关分别实现在滤波器226和246的输出端。这个事实进一步在图4b中表示，在那里，开关115、135和155分别位于滤波器116、136和156相对于天线13的远端。
2)通过在开关(串联或者分路)位于PA和滤波器之间的任何CDMA或者W-CDMA发射通道上使用带通滤波器，从天线进入的阻塞信号将由于选择性滤波器，不能够传播至开关。因此，将不会生成混合成分。开关仅仅需要是线性的，足以不在相邻的信道上生成太多的功率。这个事实在图5c中表示，在那里，开关531、533、542和544位于CDMA/W-CDMA PA 552与发射通道510和520上的滤波器552和554之间。
3)由于多个US和EU频段或者共享相同Tx或者共享相同的Rx，通过适当的切换，所需滤波器的数量将小于可以支持的标准数量。例如，图5c中的Rx通道552可以用于2GHz GSM和US2Tx、US1Tx。
通过结合这些事实，可以设计一种非常便携式和通用的前端，虽然，可以使用基本原理以生成支持两个Tx和两个Rx频率并且至少在Tx通道上包括开关的双工机。
通过对图4中所示的EU前端和图5中所示的U.S.前端进行比较，可以看出，两个前端之间的差别主要是在2GHz Tx部分(图4c和图5c)。从而，为了制造相似的引擎用于美国市场，只需要对EU前端的2GHz Tx部分进行小量修正。通过这种修正，一种可能性还包括新的US WCDMA频段(Tx 1710-1785MHz以及Rx 2110-2170MHz)。此外，如果正确设计，1930-1990MHz的Rx滤波器246(图4a和5a)可以用于GSM1900 Rx以及CDMA1900 Rx。相似地，GSM1800的Tx滤波器552(图5c)还可以用于US WCDMA(US2)，1900支路的Tx滤波器554可以通过不同的PA 552、554用于GSM1900 Tx和CDMA1900Tx(US1)。这样，对于在2GHz支持的四个标准(GSM1800&1900以及CDMA/WCDMA)只需要三个Rx滤波器(图4a和5a中的226、246、326)和两个Tx滤波器(图5c中的552、554)。
针对欧洲GSM和W-CDMA标准，对在这里公开的本发明进行描述，但是，原理也应用于更多的US频段组合。本说明还基于的假设是，Rx频段应当具有不同的输出，Tx频段应当是单端的，但是，本概念对于单端Rx或者甚至是有差别的Tx也是有效的。此外，在本说明中所说的开关可以是任何类型的，也就是，PIN二极管、GaAsP-HMET、CMOS或者MEMS。相似地，选择性滤波器可以是SAW滤波器(单端平衡或者全平衡)，或者，其可以是BAW(也是全平衡或者包括声波不平衡转换器的滤波器)，不平衡转换器可以是集成或者离散的磁场不平衡转换器，基于传输线的不平衡转换器或者甚至是L/C不平衡转换器。从而，在这里描述的实施方式与本发明的通用拓扑相关。所说明的实施方式不应当被认为是仅仅可由特定技术获得。
本发明的各个方面在图4和5中说明。图4表示根据本发明的可能新型前端设计，其包括四个GSM频段和欧洲WCDMA。该设计假设，独立的Tx和Rx天线12、14用于2GHz，一个通用Tx/Rx天线13用于1GHz。但是，对于本发明，这并不是前提条件。在2GHz上，独立的Tx和Rx天线12、14用于放宽某些Tx到Rx隔离要求，从滤波器设计的角度来说，这种实现方式是适宜的。在1GHz上，只有一个通用天线13。该天线13实际上是三个天线中最大的。在现代蜂窝电话中，不可能对于1GHz具有两个独立的天线。
应当注意到，如图4a至5c所示，所有开关的实现使得滤波器位于开关和天线之间。这种实现方式是根据本发明的前端设计中的一个重要特性。
还应当注意到，即使其仅仅在输出断开，只要输出的阻抗可以控制(也就是，50欧姆、短路或者开路)，带通滤波器就可以与一个通用节点相匹配。在图4所示EU前端的情况下，2GHz GSM滤波器266基本上可以仅仅是谐波陷波滤波器，其对于实际的Tx频段没有太多的选择性，而WCDMA Tx滤波器346需要很高的选择性，以在WCDMA Rx频段(通道320)提供高衰落。如果这些滤波器只是被动地与通用节点924匹配，则通道340的WCDMA Tx将通过GSM滤波器266。这样，并非所有功率都将在天线14是可用的。当使用WCDMA Tx通道340时，GSM滤波器266与开关265在输出的组合需要为通用节点924提供“开电路”。可以通过使用图4中所示的延时，此处通过GSM的相位延时是90度或其奇数倍，来达到这个目的。同样，当在WCDMA运行期间，GSM开关265偏置至“开启”时，将短路开关的阻抗变换为在通用节点924的非常高的阻抗。对于GSM运行，使开关偏置，使得，将WCDMA滤波器346输出的分路开关345偏置至“开启”。这又使得WCDMA滤波器346对于GSM Tx信号几乎是电路地不可见。
应当注意到，开关还可以配置为串联连接。在这种情况下，通过滤波器+匹配网络的相位延时应当是180度的偶数倍。或者，只要滤波器进行正确的匹配，还可以具有串联和分路开关。在这种情况下，混合有其自身Tx信号的阻塞信号的问题(通常只是CDMA和W-CDMA标准的问题)可以得到解决，这是因为，只有Tx频率的信号可以从天线进入开关。因此，这些信号将混合至DC，但是不具有其自身的Rx频段。不同开关为“开启”的GSM和WCDMA通道的可仿效响应在图8a-9b中表示。图8a和8b表示当GSM滤波器266的分路开关265偏置至“开启”时，不同比例的W-CDMA和GSM响应。图9a和9b表示当W-CDMA滤波器346的分路开关345偏置至“开启”时，不同比例的W-CDMA和GSM响应。尽管所示的每个Tx通道具有延时(＝相位开关)和滤波器，实际上，可以设计滤波器和匹配元件，使得，移相器包括在滤波器内。表示了独立的延时，以强调需要获得在中间频率处通过每个tx通道的特定相位延时。
还应当注意到，在图4a和图4b中，在Rx滤波器116、136、156、226、246输出的分路开关115、135、155、225、245。独立的Rx和Tx天线以及斜坡滤波器提供足够的Tx至Rx隔离，对给定的频段提供附加的Tx/Rx切换，实际上这是不必要的。但是，跨频隔离的问题仍将需要解决。
跨频隔离问题的由来源于这样的事实，尽管一个给定标准的Tx和Rx频段并未相互重叠，但是，在与其它Rx频率重叠的多频段引擎中可能存在(实际上存在)Tx频率。而且，需要进行衰落的信号也可能位于阻塞信号频段之外。例如，在GSM1900标准中，Tx频段的范围是从1850至1910MHz，相应的Rx范围是从1930至1990MHz。在这种情况下，Tx和Rx频段相互隔离20MHz。但是，这个Tx频段确实部分地与位于1805至1880MHz的GSM 1800 Rx重叠。这表示，虽然可以在GSM 1900Rx滤波器中对来自Tx天线的信号进行正确的衰落，但是，其将能够通过GSM 1800 Rx滤波器。从系统的角度来看这是一个问题，这是因为，在Rx链路上的下一个元件通常是LNA(低噪声放大器)，其已经集成在RF-ASIC中。甚至是当用于1800GSM的LNA处于“关闭”状态时，也可能在铜线中存在非常高的1800GSM信号等级，并且在RF-AISC的运行中引起干扰。对于运行在非常低的电压上，例如1.2V的现代RF-ASIC尤其如此。高等级输入信号甚至可能破坏RF-ASIC。这些跨频情况下的衰落由独立的天线提供，而且这通常仅仅是大约10-15dB，这是不够的。这些用于1800、1900GSM和欧洲W-CDMA情况的潜在跨频频率在图3中表示。
还应当注意到，独立的天线不会显著地有助于减缓在Rx模式期间进入Rx天线的频段外阻塞信号。这些信号通常由相应的Rx滤波器进行衰落(对于Rx滤波器的真正原因)。如果在支路中有另一个Rx滤波器，则这个滤波器允许其通带中的阻塞信号传播至RF-ASIC。为了解决这个问题，可以使用未集成到RF-AISC中的LNA。或者，可以将开关放置在滤波器的输入端。开关的这种放置将使匹配更加简单。不幸的是，混合成分将成为一个问题。
为了解决这个与频段外阻塞信号相关的问题，本发明将开关放置在滤波器的输出端，或者是在图4中所示的分路，或者是串联。分路开关可以与地相连，但是，其也可使滤波器的平衡输出短路，以获得非常高的衰落，有效地“断开”滤波器。同样，分路开关可以偏置至“开启”，以“闭合”所需要的滤波器。相反地，如果使用串联开关，其将被偏置至“开启”，以使相应的滤波器“开启”。
如上所述，可以简单地通过改变两个2GHz Tx滤波器及其匹配元件，从EU版本中得到图5中所示的U.S.前端。块804(图4c)中的2GHz GSM Tx滤波器266由两个选择性带通滤波器552和554代替，一个用于GSM1800，另一个用于GSM1900。如果正确地设计这些带通滤波器，其将能够在相应的Rx频段提供足够的衰落。同样，其也可以用于CDMA1900Tx和新的US标准(Tx位于1800MHz)。在这种情况下，PA 522和524的切换明显依赖于PA架构。其依赖于一个GSM是否可以用于放大所有这些频段和调制类型，或者是否存在独立的(W)CDMA和GSM PA，例如，因为更好的效率原因。但是，滤波器和第一开关(在分路或者串联中)可以在任何情况下使用。相似地，可以设计Rx 1900，使得，其支持GSM1900和CDMA1900要求。
应当了解到，图4和5只是本发明的两个实施方式，说明如何可以将前端设计为具有放置在滤波器之后的开关以及具有与一个通用节点相匹配输入的原理。使用本发明原理的其它实施方式在图6和7中表示。
图6表示双工机820，其中，通用天线15用于设计来与现有类型3或4频段GSM天线开关模块兼容的Tx和Rx。这个双工机可以支持两个不同的频率范围。在图6中，所有开关245、542和544放置在滤波器246、552和554相对于天线15的远端。
图7是使用具有用于1GHz Tx和2GHz Tx的谐波滤波器的双工器30的传统前端的修正。如图7所示，位于滤波器346远端的开关345用于在W-CDMA双工机中进行切换。该双工机与同向双工机30共享通用节点930和天线16。
本发明的优势基于特定的频段组合和实现方式。一般地，其中一个主要优势在于，根据本发明的原理给出一种包括和设计具有WCDMA或者CDMA以及GSM频段的前端的新选择。基于频段组合，本发明还有助于“重新使用”滤波器，也就是，同一个滤波器可以支持不同的标准，在特定的情况下，这降低了所需滤波器的数量。同样地，可以对前端进行简化，而且与现有解决方案相比，更加地成本有效。在图4和图5中所示的两种架构也支持下行链路MIMO和分集，这可以通过简单地复制2GHz Rx部分进行实现。
为了说明本发明的优势，图8a表示当GSM滤波器输出的分路开关偏置至“开启”时GSM Tx和W-CDMA Tx支路的响应。图8b更详细地表示相同的响应。
同样地，图9a表示当W-CDMA滤波器输出的分路开关偏置至“开启”时GSM Tx和W-CDMA Tx支路的响应。图9b更详细地表示相同的响应。
与本发明相关联的一个缺点是，TX通道的开关可在某种程度上增加损失，尤其是在WCDMA中，这是因为，目前双工机不具有开关。
本发明图4、5、6和7中所示的前端模块可以用于通信设备中，例如，移动电话或者移动终端，如图10所示。如图10所示，通信设备1包括多频段前端模块800，其可以是图5至7中所示前端模块的其中任何一个。前端模块800具有多个发射和接收通道，用于与收发机900相连。
虽然基于其具体实施方式描述了本发明，但是，本领域中熟练的技术人员可了解到，在不偏离本发明范围的前提下，可以在形式和细节上对本发明做出前述以及多种其它变化、省略和差异。

Claims (36)

1.一种用于在多频段通信设备中选择频段的方法，该通信设备具有一个或多个天线，用于传送射频，以及前端模块，其具有一个或多个节点，该一个或多个节点可操作地与所述一个或多个天线相连，该前端模块包括：
第一带通滤波器，位于第一信号通道上，用于对第一频段的信号进行滤波，第一带通滤波器具有第一端和第二端，第一端可操作地与所述一个或多个天线相连；以及
第二带通滤波器，位于第二信号通道上，用于对与第一频段不同的第二频段信号进行滤波；该第二带通滤波器可操作地与所述一个或多个天线相连，所述方法包括：
在独立于第二信号通道的第一带通滤波器的第二端上放置开关，用于启用或者禁用第一信号通道。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一信号通道包括发射通道，第二信号通信包括接收通道，所述方法进一步包括：
在第一带通滤波器的第一端和所述一个或多个天线之间放置匹配元件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一信号通道包括第一接收通道，第二信号通道包括第二接收通道，其中，第二带通滤波器具有第一端和第二端，第二带通滤波器的第一端可操作地与所述一个或多个天线相连，所述方法进一步包括：
在第二带通滤波器的第二端上放置另一个开关，用于启用或者禁用第二信号通道。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
将不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连，以允许第一带通滤波器的第一端和第二带通滤波器的第一端通过不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连。
5.一种用于在具有一个或多个用于传送射频信号的天线的通信设备中使用的收发机，所述收发机包括：
第一带通滤波器，位于第一信号通道上，用于对第一频段的信号进行滤波，该第一带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与所述一个或多个天线相连；
第二带通滤波器，位于第二信号通道上，用于对与第一频段不同的第二频段信号进行滤波；该第二带通滤波器可操作地与所述一个或多个天线相连；以及
开关，位于独立于第二信号通道的第一带通滤波器的第二端上，用于启用或者禁用第一信号通道。
6.根据权利要求5所述的收发机，进一步包括：
位于第一带通滤波器的第一端和所述一个或多个天线之间的匹配元件。
7.根据权利要求6所述的收发机，其中，第一信号通道包括发射通道，第二信号通道包括接收通道。
8.根据权利要求5所述的收发机，其中，第一信号通道包括第一接收通道，第二信号通道包括第二接收通道，其中，第二带通滤波器具有第一端和第二端，第二带通滤波器的第一端可操作地与所述一个或多个天线相连，所述收发机进一步包括：
位于第二带通滤波器的第二端的另一个开关，用于启用或者禁用第二信号通道。
9.根据权利要求8所述的收发机，进一步包括与所述一个或多个天线可操作地相连的不平衡转换器，以及，第一带通滤波器的第一端和第二带通滤波器的第一端都通过不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连。
10.根据权利要求9所述的收发机，其中，不平衡转换器具有不平衡转换器第一端以及不平衡转换器第二端，不平衡转换器第一端与所述一个或多个天线相连，不平衡转换器第二端与第一滤波器的第一端相连，以及其中，不平衡转换器第二端还与第二滤波器的第一端相连，该收发机进一步包括：
位于第二接收通道的第二开关，并且可操作地与第二滤波器的第二端相连。
11.根据权利要求10所述的收发机，其中
第一频段具有基本上在1805MHz与1880MHz之间的频率范围，以及
第二频段具有基本上在1930MHz与1990MHz之间的频率范围。
12.根据权利要求10所述的收发机，其中
第一频段具有基本上在869MHz与894MHz之间的频率范围，以及
第二频段具有基本上在925MHz与960MHz之间的频率范围。
13.根据权利要求12所述的收发机，进一步包括：
可操作地与所述一个或多个天线相连的匹配元件；
位于发射通道的第三带通滤波器，用于对第三频段的信号进行滤波，该第三带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与匹配元件相连；以及
位于发射通道的第三开关，并且可操作地与第三带通滤波器的第二端相连。
14.根据权利要求13所述的收发机，其中，第三频段具有基本上在824MHz与849MHz之间的频率范围。
15.根据权利要求13所述的收发机，其中，第三频段具有基本上在880MHz与905MHz之间的频率范围。
16.根据权利要求11所述的收发机，进一步包括：
可操作地与所述一个或多个天线相连的匹配元件；
位于发射通道的第三带通滤波器，用于对第三频段的信号进行滤波，该第三带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与匹配元件相连；以及
位于发射通道的第三开关，可操作地与第三带通滤波器的第二端相连。
17.根据权利要求16所述的收发机，其中，第三频段具有基本上在1710MHz与1785MHz之间的频率范围。
18.根据权利要求16所述的收发机，其中，第三频段具有基本上在1850MHz与1910MHz之间的频率范围。
19.根据权利要求16所述的收发机，进一步包括：
可操作地与所述一个或多个天线相连的另一个匹配元件；
位于另一个发射通道的第四带通滤波器，用于对第四频段的信号进行滤波，该第四带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与另一个匹配元件相连；以及
位于另一个发射通道的第四开关，并且可操作地与第四带通滤波器的第二端相连。
20.根据权利要求19所述的收发机，其中，第三频段具有基本上在1710MHz与1785MHz之间的频率范围，第四频段具有基本上在1850MHz与1910MHz之间的频率范围。
21.根据权利要求19所述的收发机，其中，第三频段具有基本上在1920MHz与1980MHz之间的频率范围，第四频段具有基本上在1710MHz与1910MHz之间的频率范围。
22.根据权利要求20所述的收发机，进一步包括：
另一个不平衡转换器；以及
位于另一个接收通道的第五带通滤波器，用于对第五频段的信号进行滤波，该第五带通滤波器可操作地通过另一个不平衡转换器与所述一个或多个天线相连，其中，第五频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的频率范围。
23.根据权利要求21所述的收发机，进一步包括：
另一个不平衡转换器；以及
位于另一个接收通道的第五带通滤波器，用于对第五频段的信号进行滤波，该第五带通滤波器可操作地通过另一个不平衡转换器与所述一个或多个天线相连；其中，第五频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的频率范围。
24.根据权利要求22所述的收发机，其中，收发机以码分多址方式工作在第一模式以及以GSM工作在第二模式，所述收发机进一步包括：
第一放大器，用于在第一模式放大信号；
第二放大器，用于在第二模式放大信号；以及
一组其它开关，包括第一、第二、第三和第四其它开关，每个具有第一端和第二端，其中
第一其它开关的第一端可操作地与发射通道相连，第一其它开关的第二端可操作地与第一放大器相连；
第二其它开关的第一端可操作地与发射通道相连，第二其它开关的第二端可操作地与第二放大器相连；
第三其它开关的第一端可操作地与另一个发射通道相连，第三其它开关的第二端可操作地与第一放大器相连；以及
第四其它开关的第一端可操作地与另一个发射通道相连，第四其它开关的第二端可操作地与第二放大器相连。
25.根据权利要求9所述的收发机，进一步包括：
位于所述一个或多个天线和不平衡转换器之间的匹配元件，该匹配元件具有与所述一个或多个天线相连的第一匹配元件端以及与不平衡转换器相连的第二匹配元件端；以及
位于匹配元件和第二带通滤波器之间的另一个不平衡转换器，该另一个不平衡转换器具有与第二匹配元件端相连的第一不平衡转换器端以及与第二带通滤波器相连的第二不平衡转换器端。
26.根据权利要求25所述的收发机，其中，第一频段具有基本上在1930MHz与1990MHz之间的频率范围，第二频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的频率范围。
27.根据权利要求25所述的收发机，进一步包括：
第二匹配元件；
第三带通滤波器，位于发射通道，用于对第三频段的信号进行滤波，该第三带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地通过第二匹配元件与所述一个或多个天线相连；以及
与第三带通滤波器的第二端相连的第二开关。
28.根据权利要求27所述的收发机，进一步包括：
第三匹配元件；
第四带通滤波器，位于另一个发射通道，用于对第四频段的信号进行滤波，该第四带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地通过第三匹配元件与所述一个或多个天线相连；以及
与第四带通滤波器的第二端相连的第二开关。
29.根据权利要求27所述的收发机，其中
第一频段具有基本上在1930MHz与1990MHz之间的第一频率范围；
第二频段具有基本上在2110MHz与2170MHz之间的第二频率范围；
第三频段具有基本上在1710MHz与1785MHz之间的第三频率范围；以及
第四频段具有基本上在1850MHz与1910MHz之间的第四频率范围。
30.一种通信设备，包括：
一个或多个天线，用于传送射频信号；以及
收发机，收发机包括：
第一带通滤波器，位于第一信号通道上，用于对第一频段的信号进行滤波，该第一带通滤波器具有第一端和第二端，该第一端可操作地与所述一个或多个天线相连；
第二带通滤波器，位于第二信号通道上，用于对与第一频段不同的第二频段信号进行滤波；该第二带通滤波器可操作地与所述一个或多个天线相连；以及
位于独立于第二信号通道的第一带通滤波器第二端的开关，用于启用或者禁用第一信号通道。
31.根据权利要求30所述的通信设备，该收发机进一步包括：
位于第一带通滤波器的第一端与所述一个或多个天线之间的匹配元件。
32.根据权利要求31所述的通信设备，其中，第一信号通道包括发射通道，第二信号通道包括接收通道。
33.根据权利要求30所述的通信设备，其中，第一信号通道包括第一接收通道，第二信号通道包括第二接收通道，以及其中，第二带通滤波器具有第一端和第二端，该第二带通滤波器的第一端可操作地与所述一个或多个天线相连，该收发机进一步包括：
另一个开关，位于第二带通滤波器的第二端，用于启用或者禁用第二信号通道。
34.根据权利要求33所述的通信设备，该收发机进一步包括：
可操作地与所述一个或多个天线相连的不平衡转换器，该第一带通滤波器的第一端和第二带通滤波器的第一端都通过不平衡转换器可操作地与所述一个或多个天线相连。
35.根据权利要求34所述的通信设备，其中，不平衡转换器具有不平衡转换器第一端以及不平衡转换器第二端，不平衡转换器第一端与所述一个或多个天线相连，不平衡转换器第二端与第一滤波器的第一端相连，其中，不平衡转换器第二端还与第二滤波器的第一端相连，该收发机进一步包括：
位于第二接收通道的第二开关，可操作地与第二滤波器的第二端相连。
36.根据权利要求30所述的通信设备，包括移动终端。
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