射頻集成電路、無(wú)線通信單元、以及用于天線匹配的方法
【專利說(shuō)明】射頻集成電路、無(wú)線通信單元、從及用于天線匹配的方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種用于對(duì)無(wú)線通信單元進(jìn)行天線匹配的射 頻集成電路及相應(yīng)的方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 隨著新一代的手機(jī)化andset)、網(wǎng)關(guān)（gateway)、W及其他無(wú)線通信設(shè)備內(nèi)嵌更 多的應(yīng)用程序，對(duì)帶寬的需求增大，因此，新的天線（antenna)系統(tǒng)將被要求優(yōu)化鏈路 品質(zhì)。特別地，需要更好地控制福射場(chǎng)（radiated field),來(lái)抑制來(lái)自非期望的收發(fā)器 (transceiver)的信號(hào)，并給期望的收發(fā)器提供更好的通信鏈路品質(zhì)。典型地，在一個(gè)無(wú)線 通信設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，天線處的阻抗和/或頻率造成不匹配（mismatches)。
[0003] 天線為作用在導(dǎo)波（guided wave)和自由空間波（化ee space wave)之間的轉(zhuǎn) 換設(shè)備（transition devices)(例如，一種變換器（transducer))。天線調(diào)諧器（Antenna 化ner)(或有時(shí)候被稱之為：天線調(diào)諧單元（Antenna Tuning化it,ATU))為連接在一射頻 發(fā)射機(jī)（和/或接收機(jī)）與一天線之間的設(shè)備，用于通過(guò)匹配所述射頻發(fā)射機(jī)或射頻接收 機(jī)與所述天線之間的阻抗來(lái)改善所述射頻發(fā)射機(jī)或射頻接收機(jī)與所述天線之間的能量傳 輸（power transfer)。一個(gè)天線調(diào)諧器使具有一固定阻抗（對(duì)于現(xiàn)在的收發(fā)器通常為50 歐姆）的一個(gè)收發(fā)器（射頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）（或一個(gè)發(fā)射機(jī)或一個(gè)接收機(jī)）與一負(fù)載（例 如，天線的饋線（feed line))阻抗相匹配，所述負(fù)載阻抗是未知的、復(fù)雜的或者根本與所述 射頻發(fā)射機(jī)和/或所述射頻接收機(jī)的輸出/輸入阻抗完全不匹配。在天線中，有兩種調(diào)諧方 式：天線頻率調(diào)諧（Ante皿a Rrequen巧Tuning,AFT)和天線阻抗調(diào)諧（Ante皿a Impedance Tuning, AIF)，其中天線阻抗調(diào)諧是通過(guò)調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)來(lái)與天線福射元件（也即，天線）相匹 配。
[0004] 眾所周知，運(yùn)樣的天線阻抗不匹配和/或頻率諧振不匹配對(duì)通過(guò)天線系統(tǒng)進(jìn)行能 量傳輸有嚴(yán)重的影響。例如，當(dāng)天線在靠近反射性材料或（射頻）吸收性材料時(shí)進(jìn)行復(fù)位 (reposition)，或者，當(dāng)天線被放置在逐漸靠近或逐漸遠(yuǎn)離用戶的頭部時(shí)，就可能發(fā)生運(yùn)樣 的不匹配。使通過(guò)天線系統(tǒng)傳輸?shù)哪芰孔畲蠡且粋€(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)。因此，需要智能天 線系統(tǒng)來(lái)解決上述的不匹配問(wèn)題。 陽(yáng)0化]用于固定頻率匹配網(wǎng)絡(luò)（包括寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)）的理論W及由馬伊特、楊和瓊斯總 結(jié)在微波濾波器，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和禪合結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)性工作，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年了。
[0006] 然而，對(duì)可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的使用則相對(duì)比較新。大多數(shù)的可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)是通過(guò) 改變已知的固定頻率匹配網(wǎng)絡(luò)中的固定元件為可調(diào)諧元件而發(fā)展而來(lái)的。在實(shí)踐中，天線 調(diào)諧器用于補(bǔ)償天線阻抗的任意的改變，運(yùn)種改變是由于對(duì)操作頻率的切換而形成的，而 運(yùn)樣切換在類似于手機(jī)運(yùn)樣的小型裝置中更為嚴(yán)重。理想狀態(tài)下，天線調(diào)諧器可允許使用 一個(gè)天線覆蓋一個(gè)較寬的頻率范圍。但是，天線調(diào)諧器所能覆蓋的頻率范圍通常受限于集 成元件的物理約束或傳輸線路的結(jié)構(gòu)。
[0007] 此外，長(zhǎng)期演進(jìn)(Xong Term Evolution, LTE：)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)和載波聚合規(guī)范（carrier aggregation specifications)正迫使射頻前端性能要求更高。運(yùn)通常需要額外的天線或 一個(gè)多饋天線被加入到移動(dòng)通信手機(jī)，運(yùn)進(jìn)一步需要天線尺寸或調(diào)諧選擇性。因此，設(shè)計(jì)和 制造包括可調(diào)諧設(shè)備的產(chǎn)品已證實(shí)非常流行于用來(lái)支持長(zhǎng)期演進(jìn)設(shè)備對(duì)增強(qiáng)的帶寬的需 求，特別的，通過(guò)使小天線能有效跨越整個(gè)LTE帶寬，也即，從700MHZ-2. 7GHz，但是更寬的 用于LTE的范圍也是可能的，例如600MHZ-3. 5GHz，等。在許多情形下，使用可調(diào)諧設(shè)備有助 于節(jié)省電池電量和允許薄型的手機(jī)設(shè)計(jì)。
[0008] 如圖1中已知的通信單元100所示，在用于無(wú)線通信的移動(dòng)終端（例如，手機(jī)） 中，越來(lái)越多地使用自適應(yīng)匹配電路（adaptive matching circuit)來(lái)調(diào)諧天線。通信 單元100包括一天線105禪接于一接口 110,所述接口 110通過(guò)一調(diào)諧器115禪接至一信 號(hào)源（發(fā)射機(jī)或接收機(jī)）120。所述調(diào)諧器115 W-種普通的雙端口網(wǎng)絡(luò)形式的散射參數(shù) (S-Parameter)為例進(jìn)行說(shuō)明，因此設(shè)及對(duì)流經(jīng)所述調(diào)諧器的信號(hào)的測(cè)量W及對(duì)反饋回所 述調(diào)諧器115的不匹配信號(hào)的測(cè)量。使用調(diào)諧電路，例如調(diào)諧器115的目的在于確保通信 單元100始終具有最佳的天線匹配。尤其當(dāng)所述通信單元100為一個(gè)移動(dòng)終端，所述移動(dòng) 終端運(yùn)行在電話環(huán)境改變狀態(tài)而影響到所述天線105的阻抗表現(xiàn)時(shí)，使用調(diào)諧電路特別有 幫助。一個(gè)禪合器（coupler)(未圖示）提取傳輸信號(hào)的一部分并將提取的信號(hào)發(fā)送給一 控制器來(lái)判斷由于阻抗不匹配而來(lái)自天線105的反射功率的數(shù)量。所述控制器可基于該阻 抗不匹配的測(cè)量，進(jìn)一步判斷需要調(diào)諧所述調(diào)諧器115到怎樣的程度來(lái)改善匹配和減少反 射（和被浪費(fèi)的）功率。輪流執(zhí)行上述步驟，通過(guò)節(jié)省傳輸功率和改善接收品質(zhì)來(lái)改善移 動(dòng)終端的傳輸（和接收）操作。
[0009] 阻抗匹配通常被用于一個(gè)有限的射頻調(diào)諧范圍上的好的射頻調(diào)諧。阻抗匹配通 常調(diào)諧天線元件到整個(gè)射頻或天線系統(tǒng)，從而在天線輸入端構(gòu)建了一個(gè)已調(diào)諧的網(wǎng)絡(luò)。如 圖2所示，由于阻抗匹配易于通過(guò)廉價(jià)的適用于分流（shunt)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)的頻率選擇性元 件（例如，電感器和電容器）實(shí)現(xiàn)，其很受歡迎。例如，圖2示出了一系列的窄帶固定頻率 "L"型配置方案200 ;例如，一分流電容器后跟著串聯(lián)電感器205, 一分流電感器后跟著串聯(lián) 電容器210, 一分流電感器后跟著串聯(lián)電感器215, 一個(gè)分流電容器后跟著串聯(lián)電容器220， 一串聯(lián)電感器后跟著一個(gè)分流電容器225, 一串聯(lián)電容器后跟著分流電感器230, 一串聯(lián)電 感器后跟著分流電感器235, 一串聯(lián)電容器后跟著分流電容器240。
[0010] 在"L"型配置方案之后，另一種已知的阻抗匹配形式使用階梯形的網(wǎng)絡(luò)，廣泛采用 可調(diào)諧元件，例如，如圖3所示的阻抗匹配/調(diào)諧電路300。阻抗調(diào)諧電路300包括一用于 接收一射頻輸入信號(hào)305的輸入端和一禪接于一天線340的輸出端。一主要射頻路徑320 包括一輸入分流電感器310和一輸出分流電感器335,主要用于靜電釋放巧Iectrostatic Discharge, ESD)和傳授（imparting) -些調(diào)諧效應(yīng)。所述主要射頻路徑320還包括串聯(lián) 電感器315和330,它們均禪接于一階梯網(wǎng)絡(luò)325,如圖所示，所述階梯網(wǎng)絡(luò)325包括多個(gè)變 容二極管（varactor)。所述變?nèi)荻O管被調(diào)整W調(diào)節(jié)/匹配所述天線340和所述射頻輸入 信號(hào)305之間的阻抗。
[0011] 美國(guó)專利US8115572披露了帶有橋結(jié)構(gòu)的支持寬調(diào)諧范圍的此類階梯網(wǎng)絡(luò)。
[0012] 另一種已知的阻抗匹配方式是采用可調(diào)諧的元件，所述可調(diào)諧的元件的容性需部 小于零（imag狂i) <0)，感性需部大于零（imag狂i)〉0)，或者可將電感效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電容效應(yīng)。 例如，運(yùn)可通過(guò)包括有可變電容器（變?nèi)荻O管或者數(shù)字可調(diào)諧電容）的串聯(lián)電感電容網(wǎng) 絡(luò)或者并聯(lián)電感電容網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0013] 如圖4所示，由J. Costa等人所著的標(biāo)題為"4G可調(diào)諧天線的SOI開(kāi)關(guān)電容的進(jìn) 展"（于2014在弗羅里達(dá)舉辦的IE邸會(huì)議"I邸E IMS 2014"中被公開(kāi)）的論文所述，需要 特別注意的是，在沒(méi)有重大的性能損耗前提下，大多數(shù)甚至所有的已知的天線調(diào)諧機(jī)制均 不能支持電感被集成到忍片中。圖4示出了一種已知的可開(kāi)關(guān)控制的電感器排列400用于 天線的阻抗匹配，其中所述可開(kāi)關(guān)控制的電感器410設(shè)置在忍片外（Off-Chip)，也即，所述 電感器410彼此離散地被提供，因此不位于一射頻集成電路420上。片上開(kāi)關(guān)405允許射 頻信號(hào)通過(guò)所述可開(kāi)關(guān)控制的電感器410,因此，所述射頻信號(hào)可被不