TWI803020B - 射頻切換器 - Google Patents

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TWI803020B
TWI803020B TW110138873A TW110138873A TWI803020B TW I803020 B TWI803020 B TW I803020B TW 110138873 A TW110138873 A TW 110138873A TW 110138873 A TW110138873 A TW 110138873A TW I803020 B TWI803020 B TW I803020B
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Abstract

一種射頻切換器包含天線端、用以傳遞第一射頻訊號的第一訊號端、用以傳遞第二射頻訊號的第二訊號端、用以傳遞第三射頻訊號的第三訊號端、具有第一開關的第一串聯路徑、具有第二開關的第二串聯路徑、具有第三開關的第三串聯路徑、耦接於第一訊號端與節點之間的第一並聯路徑、耦接於第二訊號端與節點之間的第二並聯路徑、耦接於節點與第一參考電壓端之間的共用路徑，以及耦接於第三訊號端與第二參考電壓端之間的第三並聯路徑。第一串聯路徑和第二串聯路徑通過共用路徑連接至共用的接地墊。

Description

射頻切換器
本發明是有關於一種射頻切換器，尤指一種其多個並聯路徑(shunt paths)共用一個接地墊(ground pad)且具有良好射頻隔離度(RF isolation)的射頻切換器。
在許多有線或是無線通信系統中，射頻(RF)切換器是很重要的功能區塊，其中射頻切換器可見於許多不同的通信裝置中，例如行動電話、無線傳呼機、和無線基礎建設、衛星通信及有線電視等無線通訊設備。此外，由於無線通訊設備在體積上有日益縮小的趨勢，而使得其射頻切換器的多個並聯路徑(shunt paths)常有共用一個接地墊(ground pad)的設計，而如何在共用一個接地墊的情況下，隔離各個並聯路徑，使其具有良好射頻隔離度(RF isolation)，則成為設計射頻切換器時的一個重要的課題。
本發明一實施例提供一種射頻切換器，其包含天線端、第一訊號端、第二訊號端、第三訊號端、第一串聯路徑、第二串聯路徑、第三串聯路徑、第一並聯路徑(shunt path)、第二並聯路徑、共用路徑及第三並聯路徑。第一訊號端用以傳遞第一射頻訊號，第二訊號端用以傳遞第二射頻訊號，而第三訊號端用 以傳遞第三射頻訊號。第一串聯路徑包含第一開關，第一開關的第一端耦接於第一訊號端，第一開關的第二端耦接於天線端。第二串聯路徑包含第二開關，第二開關的第一端耦接於第一開關的第二端以及天線端，第二開關的第二端耦接於第二訊號端。第三串聯路徑包含第三開關，第三開關的第一端耦接於天線端、第一開關以及第二開關，第三開關的第二端耦接於第三訊號端。第一並聯路徑耦接於第一訊號端與節點之間。第二並聯路徑耦接於第二訊號端與節點之間。共用路徑耦接於節點與第一參考電壓端之間。第三並聯路徑耦接於第三訊號端與第二參考電壓端之間。
10、20:射頻切換器
100:天線端
110、120、130:訊號端
140A、140B:共用路徑
150:可變電容單元
160:可變電感單元
A1、A2、A3:串聯路徑
B1、B2、B3:並聯路徑
C1、C2、C3:電容
GND1、GND2:參考電壓端
IA、IB、IC:電流
M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7:開關
N1:節點
P1、P2:接地墊
L1、L2、L3、L4、L5:電感
RF1、RF2、RF3:射頻訊號
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7:控制訊號
第1圖是本發明一實施例之射頻切換器的電路圖。
第2圖是本發明另一實施例之射頻切換器的電路圖。
請參考第1圖，第1圖是本發明一實施例之射頻切換器10的電路圖。射頻切換器10包含天線端100、訊號端110、訊號端120、訊號端130、串聯路徑A1、串聯路徑A2、串聯路徑A3、並聯路徑(shunt path)B1、並聯路徑B2、共用路徑140A及並聯路徑B3。天線端100耦接至天線(未顯示於圖中)，用以從天線接收射頻訊號及傳送射頻訊號至天線。訊號端110用以傳遞射頻訊號RF1，訊號端120用以傳遞射頻訊號RF2，而訊號端130用以傳遞射頻訊號RF3。串聯路徑A1包含開關M1，開關M1的第一端耦接於訊號端110，開關M1的第二端耦接於天線端100，而開關M1的控制端接收控制訊號S1以控制開關M1的開啟及關閉。串聯路徑A2包含開關M2，開關M2的第一端耦接於開關M1的第二端以及天線端100， 開關M2的第二端耦接於訊號端120，而開關M2的控制端接收控制訊號S2以控制開關M2的開啟及關閉。串聯路徑A3包含開關M3，開關M3的第一端耦接於天線端100、開關M1以及開關M2，開關M3的第二端耦接於訊號端130，而開關M3的控制端接收控制訊號S3以控制開關M3的開啟及關閉。並聯路徑B1耦接於訊號端110與節點N1之間。並聯路徑B2耦接於訊號端120與節點N1之間。共用路徑140A耦接於節點N1與參考電壓端GND1之間。並聯路徑B3耦接於訊號端130與參考電壓端GND2之間。其中，參考電壓端GND1的電壓可等於參考電壓端GND2的電壓。此外，參考電壓端GND1耦接於接地墊(ground pad)P1，而參考電壓端GND2耦接於接地墊P2。由於流過並聯路徑B1的電流IA以及流過並聯路徑B2的電流IB都會通過接地墊P1，故接地墊P1是並聯路徑B1及並聯路徑B2所共用的接地墊，也就是說訊號端110以及訊號端120共用一個接地墊P1。
在本實施例中，並聯路徑B1包含彼此串聯的電感L1及開關M4，而並聯路徑B2包含彼此串聯的電感L2及開關M5，而並聯路徑B3包含彼此串聯的電感L3及開關M6。開關M4的第一端耦接於開關M1的第一端及訊號端110，開關M4的第二端耦接於電感L1的第一端，開關M5的第一端耦接於開關M2的第二端以及訊號端120，開關M5的第二端耦接於電感L2的第一端，而電感L2的第二端耦接於電感L1的第二端。開關M6的第一端耦接於開關M3的第二端以及訊號端130，開關M6的第二端耦接於電感L3的第一端，電感L3的第二端耦接於電容C3的第一端，而三電容C3的第二端耦接於參考電壓端GND2。
電感L1、電感L2和電感L3可以是實際的電感器，也可以是由射頻切換器10的導體(如：導線)所形成的等效電感。舉例來說，電感L1可以是連接開關M4的第二端與節點N1的導體所形成的等效電感；電感L2可以是連接開關 M5的第二端與節點N1的導體所形成的等效電感；而電感L3可以是連接開關M6的第二端與電容C3的導體所形成的等效電感。此外，開關M4用以控制訊號端110及節點N1之間的電性連結，開關M5用以控制訊號端120及節點N1之間的電性連結，而開關M6用以控制訊號端130及參考電壓端GND2之間的電性連結。開關M4的控制端接收控制訊號S4以控制開關M4的開啟及關閉，開關M5的控制端接收控制訊號S5以控制開關M5的開啟及關閉，而開關M6的控制端接收控制訊號S6以控制開關M6的開啟及關閉。其中，上述的控制訊號S1至S6可由射頻切換器10所在的通信裝置中的控制電路產生。
共用路徑140A包含其電容值可調的諧振電路(resonant circuit)。在本實施例中，共用路徑140A包含電容C1及可變電容單元150。電容C1的第一端耦接於節點N1，電容C1的第二端耦接於參考電壓端GND1。可變電容單元150與電容C1並聯，可變電容單元150的第一端耦接於節點N1，而可變電容單元150的第二端耦接於電容C1的第二端及接地墊P1。在本實施例中，可變電容單元150包含開關M7及電容C2，電容C2耦接於節點N1與開關M7的第一端之間，而開關M7的第二端耦接於電容C1的第二端。開關M7的控制端接收控制訊號S7，以控制開關M7的開啟及關閉。當開關M7關閉時，共用路徑140A之等效電容值等於電容C1電容值。當開關M7開啟時，電容C1與電容C2並聯，故共用路徑140A此時之等效電容值等於電容C1與電容C2的電容值的和(即：C1+C2)。因此，藉由控制開關M7的開啟及關閉，即可調整共用路徑140A的等效電容值。在本發明一實施例中，可變電容單元150的開關M7及電容C2可由數位式變容二極體(digital type varactor)或類比式變容二極體(analog type varactor)取代。
在本實施例中，射頻切換器10是一個單刀三擲(Single pole three throw；簡稱SP3T)的射頻切換器，但本發明並不以此為限。本發明的射頻切換器也可適用於四擲(4T)或更多擲的架構。此外，射頻切換器10的天線端100同一時間只會與訊號端110、訊號端120及訊號端130當中的一個訊號端建立電性連接。當射頻訊號RF1在天線端100及訊號端110之間傳遞時，開關M1開啟，開關M2關閉，開關M3關閉，開關M4關閉，開關M5開啟，開關M6開啟，而開關M7關閉。當射頻訊號RF2在天線端100以及訊號端120之間傳遞時，開關M1關閉，開關M2開啟，開關M3關閉，開關M4開啟，開關M5關閉，開關M6開啟，而開關M7關閉。此時，電感L1與共用路徑140A具有第一共振頻率(resonance frequency)。倘若上述的第一共振頻率以f1表示，則第一共振頻率f1可以以下列方程式(1)表示：
Figure 110138873-A0305-02-0007-1
其中L4代表接地墊P1與參考電壓端GND1之間的等效電感，其可由接地墊P1與參考電壓端GND1之間的導體(如：銅柱或銲球)所形成。
此外，當射頻訊號RF3在天線端100及訊號端130之間傳遞時，開關M1關閉，開關M2關閉，開關M3開啟，開關M4開啟，開關M5開啟，開關M6關閉，而開關M7開啟。電感L1、電感L2與共用路徑140A具有第二共振頻率。假設電感L1等於電感L2，且流過電感L1的電流IA等於流過電感L2的電流IB，則流過共用路徑140A的電流IC等於電流IA的兩倍或電流IB的兩倍，即IC=2IA=2IB。倘若上述的第二共振頻率以f2表示，則第二共振頻率f2可以以下列方程式(2)表示：
Figure 110138873-A0305-02-0007-2
依據上述方程式(1)和(2)，藉由電容C2的補償，第二共振頻率f2可被調整而等於第一共振頻率f1。如此一來，一方面當射頻訊號RF3在天線端100及訊號端130之間傳遞時，此時開關M3開啟，射頻切換器10可將訊號端130與訊號端110及訊號端120順利隔離，以避免訊號端110及訊號端120受到射頻訊號RF3的影響。另一方面，當射頻訊號RF2在天線端100以及訊號端120之間傳遞時，此時開關M2開啟，射頻切換器10可將訊號端120與訊號端110順利隔離，以避免訊號端110受到射頻訊號RF2的影響。
此外，當射頻訊號RF1在天線端100及訊號端110之間傳遞時，電感L2與共用路徑140A具有第三共振頻率。倘若上述的第三共振頻率以f3表示，則第三共振頻率f3可以以下列方程式(3)表示：
Figure 110138873-A0305-02-0008-3
其中，當電感L2等於電感L1時，第三共振頻率f3即等於第一共振頻率f1。此外，由於第一共振頻率f1可等於第二共振頻率f2，故第三共振頻率f3也可以等於第二共振頻率f2。換句話說，第一共振頻率f1、第二共振頻率f2及第三共振頻率f3可彼此相等。此外，在本發明另一實施例中，電感L2不等於電感L1，然而透過調整可變電容單元150的電容值，也可以使第三共振頻率f3等於第一共振頻率f1及第二共振頻率f2。如此一來，射頻切換器10即可有良好射頻隔離度(RF isolation)。
相較於第1圖中的共用路徑140A包含了其電容值可調的諧振電路，在本發明的其他實施例中，共用路徑可包含其電感值可調的諧振電路。請參考第2 圖，第2圖是本發明另一實施例之射頻切換器20的電路圖。射頻切換器20與射頻切換器10之間主要的不同點在於：射頻切換器10的共用路徑140A被射頻切換器20的共用路徑140B所取代。除此之外，射頻切換器20的其他部分可與射頻切換器10相同，故不再重複說明。共用路徑140B包含電容C1及可變電感單元160。電容C1的第一端耦接於節點N1。可變電感單元160用以提供可變的電感值，可變電感單元160的第一端耦接於電容C1的第二端，而可變電感單元160的第二端耦接於參考電壓端GND1。可變電感單元160可包含開關M7及電感L5，開關M7的第一端與電感L5的第一端耦接於電容C1的第二端，開關M7的第二端與電感L5的第二端耦接於電感L4的第一端，而電感L4的第二端耦接於參考電壓端GND1。藉由控制開關M7的開啟及關閉，可使得可變電感單元160的等效電感值在L5與零之間切換，進而對射頻切換器20相應的諧振頻率進行調整，而使射頻切換器20有良好射頻隔離度。
第1圖的實施例是對共用路徑140A的調諧振電路的電容值進行調整，而第2圖的實施例則是對共用路徑140B的調諧振電路的電感值進行調整。此外，在本發明另一實施例中，可對共用路徑的調諧振電路的電容值及電感值同時地調整，以調整射頻切換器相應的諧振頻率，進而使射頻切換器有良好射頻隔離度。
在本發明一實施例中，上述的射頻訊號RF1、射頻訊號RF2及射頻訊號RF3的頻率相等，例如可以都是2.4吉赫(GHz)或都等於某特定頻率。在本發明另一實施例中，射頻訊號RF1與射頻訊號RF2具有相同的頻帶，而射頻訊號RF3的頻帶與射頻訊號RF1及射頻訊號RF2的頻帶不同。例如：射頻訊號RF1與射頻訊號RF2為5G的頻帶，而射頻訊號RF3為4G的頻帶。在本發明另一實施例中，射 頻訊號RF1、射頻訊號RF2及射頻訊號RF3的頻帶彼此相異。
在本發明一實施例中，訊號端130與天線端100之間的距離，小於訊號端110與天線端100之間的距離，及/或小於訊號端120與天線端100之間的距離，而使得訊號端130相較於訊號端110及/或訊號端120有更好的諧波過濾(hormonic filtering)的功效。
根據上述實施例，本發明的射頻切換器的兩並聯路徑共用同一個接地墊，而藉由調整共同路徑的電容值及/或電感值，即可調整射頻切換器相應的諧振頻率，進而使射頻切換器有良好射頻隔離度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:射頻切換器
100:天線端
110、120、130:訊號端
140A:共用路徑
150:可變電容單元
A1、A2、A3:串聯路徑
B1、B2、B3:並聯路徑
C1、C2、C3:電容
GND1、GND2:參考電壓端
IA、IB、IC:電流
M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7:開關
N1:節點
P1、P2:接地墊
L1、L2、L3、L4:電感
RF1、RF2、RF3:射頻訊號
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7:控制訊號

Claims (20)

  1. 一種射頻切換器，包含：一天線端；一第一訊號端，用以傳遞一第一射頻訊號；一第二訊號端，用以傳遞一第二射頻訊號；一第三訊號端，用以傳遞一第三射頻訊號；一第一串聯路徑，包含一第一開關，該第一開關的一第一端耦接於該第一訊號端，該第一開關的一第二端耦接於該天線端；一第二串聯路徑，包含一第二開關，該第二開關的一第一端耦接於該第一開關的該第二端以及該天線端，該第二開關的一第二端耦接於該第二訊號端；一第三串聯路徑，包含一第三開關，該第三開關的一第一端耦接於該天線端、該第一開關以及該第二開關，該第三開關的一第二端耦接於該第三訊號端；一第一並聯路徑(shunt path)，耦接於該第一訊號端與一節點之間；一第二並聯路徑，耦接於該第二訊號端與該節點之間；一共用路徑，耦接於該節點與一第一參考電壓端之間；以及一第三並聯路徑，耦接於該第三訊號端與一第二參考電壓端之間。
  2. 如請求項1所述之射頻切換器，其中該共用路徑包含一可調諧振電路。
  3. 如請求項2所述之射頻切換器，其中該可調諧振電路具有可調的電容值及/或可調的電感值。
  4. 如請求項1所述之射頻切換器，其中當該第一射頻訊號在該天線端及該第一訊號端之間傳遞時，該共用路徑具有一第一電容值；其中當該第二射頻訊號在該天線端及該第二訊號端之間傳遞時，該共用路徑具有一第二電容值；其中當該第三射頻訊號在該天線端及該第三訊號端之間傳遞時，該共用路徑具有一第三電容值；及其中該第三電容值相異於該第一電容值及該第二電容值。
  5. 如請求項4所述之射頻切換器，其中該第一並聯路徑包含一第一電感，而該第二並聯路徑包含一第二電感；其中當該第二訊號流經天線端及該第二訊號端時，該第一電感與該共用路徑具有一第一共振頻率(resonance frequency)；及其中當該第三訊號流經該天線端以及該第三訊號端時，該第一電感、該第二電感與該共用路徑具有一第二共振頻率，而該第二共振頻率等於該第一共振頻率。
  6. 如請求項5所述之射頻切換器，其中該第一並聯路徑另包含一第四開關，該第二並聯路徑另包含一第五開關，該第四開關與該第一電感串聯，該第五開關與該第二電感串聯，該第四開關的一第一端耦接於該第一開關的該第一端以及該第一訊號端，該第四開關的一第二端耦接於該第一電感的一第一端，該第五開關的一第一端耦接於該第二開關的該第二端以及該第二訊號端，該第五開關的一第二端耦接於該第二電感的一第一端，而該第一電感的一第二端耦接於該第二電感的一第二端。
  7. 如請求項5所述之射頻切換器，其中當該第一射頻訊號在該天線端及該第一訊號端之間傳遞時，該第二電感與該共用路徑具有一第三共振頻率，而該第三共振頻率等於該第一共振頻率及該第二共振頻率。
  8. 如請求項4所述之射頻切換器，其中該共用路徑包含：一第一電容，該第一電容的一第一端耦接於該節點，該第一電容的一第二端耦接於該第一參考電壓端；以及一可變電容單元，與該第一電容並聯，該可變電容單元的一第一端耦接於該節點，該可變電容單元的一第二端耦接於該第一電容的該第二端。
  9. 如請求項8所述之射頻切換器，其中該可變電容單元係選自由數位式變容二極體(digital type varactor)及類比式變容二極體(analog type varactor)所組成的群組。
  10. 如請求項8所述之射頻切換器，其中該可變電容單元包含一開關及一第二電容，該第二電容耦接於該節點與該開關的一第一端之間，而該開關的一第二端耦接於該第一電容的該第二端。
  11. 如請求項1所述之射頻切換器，其中該第一並聯路徑包含用以控制該第一訊號端及該節點之間的電性連結的一第四開關，該第二並聯路徑包含用以控制該第二訊號端及該節點之間的電性連結的一第五開關，而該第三並聯路徑包含用以控制該第三訊號端及該第二參考電壓端之間的電性連結的一第六開關。
  12. 如請求項11所述之射頻切換器，其中當該第一射頻訊號在該天線端及該第一訊號端之間傳遞時，該第一開關開啟，該第二開關關閉，該第三開關關閉，該第四開關關閉，該第五開關開啟，且該第六開關開啟。
  13. 如請求項11所述之射頻切換器，其中當該第二射頻訊號在該天線端以及該第二訊號端之間傳遞時，該第一開關關閉，該第二開關開啟，該第三開關關閉，該第四開關開啟，該第五開關關閉，且該第六開關開啟。
  14. 如請求項11所述之射頻切換器，其中當該第三射頻訊號在該天線端及該第三訊號端之間傳遞時，該第一開關關閉，該第二開關關閉，該第三開關開啟，該第四開關開啟，該第五開關開啟，且該第六開關關閉。
  15. 如請求項1所述之射頻切換器，其中該第一射頻訊號、該第二射頻訊號及該第三射頻訊號的頻率相等。
  16. 如請求項1所述之射頻切換器，其中該第一射頻訊號與該第二射頻訊號具有相同的頻帶，而該第三射頻訊號的頻帶與該第一射頻訊號及該第二射頻訊號的頻帶不同。
  17. 如請求項1所述之射頻切換器，其中該第一射頻訊號、該第二射頻訊號及該第三射頻訊號的頻帶彼此相異。
  18. 如請求項1所述之射頻切換器，其中該共用路徑包含： 一第一電容，該第一電容的一第一端耦接於該節點；以及一可變電感單元，該可變電感單元的一第一端耦接於該第一電容的一第二端，該可變電感單元的一第二端耦接於該第一參考電壓端。
  19. 如請求項18所述之射頻切換器，其中該可變電感單元包含一開關及一第三電感，該開關的一第一端與該第三電感的一第一端耦接於該第一電容的該第二端，該開關的一第二端與該第三電感的一第二端耦接於一第四電感的一第一端，而該第三電感的一第二端耦接於該第一參考電壓端。
  20. 如請求項1所述之射頻切換器，其中該第一參考電壓端和該第二參考電壓端的電壓相同。
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