专利名称：射频电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种RF电路，对这种RF电路进行配置，可使不平衡端口匹配成平衡端口，而且本发明对于无线电接收机、发射机、和收发两用机(其中包括实现无线电接收机的集成电路)具有特殊的应用，但不排除其它的应用。
背景技术：
在射频下工作的集成电路通常具有差分的输入端，因此对于一个放大器而言，两个输入端形成一对平衡输入端。应该为这样的输入端提供幅度相等但相位相差180°的信号。许多射频(RF)信号源(例如天线)提供的是非差分、不平衡的信号。通常的作法是使用一种连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)将来自不平衡信号源的不平衡信号转换成连接到一对平衡输入端的平衡信号，从而把这样一种信号源匹配到这样的集成电路。在这种应用中，连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)的基本功能是产生相位彼此相差180°的两种类型的源信号。
进而，在射频下工作的集成电路通常具有差分的输出端，因此差分输出级的两个输出端形成一个平衡对。这样的输出端提供幅度相等但相位相差180°的信号。许多射频(RF)负载设备(例如天线)需要的是非差分、不平衡的信号。通常的作法是使用一种连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)把平衡信号对转换成连接到不平衡负载设备的不平衡信号，从而可以将这样的负载设备匹配到这样的集成电路。在这种应用中，连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)的基本功能是通过反相一种信号并且组合这对信号将相位彼此相差180°的两种类型信号转换成一种不平衡信号。
连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)作为现成的模块是可以利用的，但这些现成的模块很昂贵，而且一般情况下损耗相当大。
还可以使用多个分立的电容器和电感器来实现这种BALUN，然而进一步还期望减小元件数目、成本、和体积。
还可以在印刷电路板上将BALUN实施为印刷元件，但在某些工作频率下，例如2.4GHz，BALUN的体积很大。
发明的公开本发明的一个目的是提供一种改进的RF电路，配置这种电路可将平衡端口匹配成不平衡端口。
按照本发明的一个方面，提供一种RF电路，配置这种电路可将不平衡端口匹配到一个平衡端口的第一和第二终端，所说的RF电路包括第一和第二分支，第一分支包括耦合不平衡端口到平衡端口的第一终端的第一路径，第二分支包括耦合不平衡端口到该平衡端口的第二终端的第二路径，第一路径包括第一电抗元件，第二路径包括第二电抗元件，其中第一电抗元件在第一谐振频率与和第一分支相关的第一寄生电抗发生谐振，其中第二电抗元件在第二谐振频率与和第二分支相关的第二寄生电抗发生谐振，其中第一谐振频率高于一个预定的工作中心频率，并且第二谐振频率低于该预定的工作中心频率，并且其中从第一和第二分支向一个负载传送的两种信号的相位彼此相差180°。
按照本发明的另一个方面，提供一种RF电路，其中平衡端口包括一个放大器，平衡端口的第一和第二终端分别包括放大器的第一和第二输入端，其中第一分支包括放大器的第一输入端，第二分支包括放大器的第二输入端，其中第一电抗元件包括具有第一电感的第一电感器，第二电抗元件包括具有第二电感的第二电感器，并且其中与第一分支相关的第一寄生电抗包括放大器第一输入端的输入电容，与第二分支相关的第二寄生电抗包括放大器第二输入端的输入电容。
在本发明的一个实施例中，有一个输入端口，用于从信号源接收不平衡信号，一个RF放大器是在一个CMOS集成电路中实施的并且有一对平衡输入端。两个电感器连接在放大器的输入端口和这两个平衡输入端之间，每一个电感器对应于一个输入端。每个电感器与放大器它的相应输入端的固有寄生输入电容一起形成一个串联调谐电路。在每个调谐电路的谐振频率，每个相应输入端的电压改变180°。两个电感器具有不同的电感值，因此在电路的工作中心频率，一个调谐电路低于谐振，另一个调谐电路高于谐振。在这种状态，在放大器的两个输入端之间有一个180°的相位差，这个电路完成了连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)的功能。
在输入端口呈现给信号源的输入阻抗是通过两个电感器的电感值再结合电感器的内部寄生电阻和放大器的输入端的寄生电容确定的，因此通过选择两个串联调谐电路的谐振频率可以设定这个输入阻抗。
在一般情况下，信号源呈现的输出阻抗是一个实数，不是复数，并需要与一个实数的负载阻抗相匹配。为了保证在输入端口呈现给信号源的输入阻抗大体上是一个实数，要进一步选择电感器的电感值，以使工作中心频率基本上位于两个串联调谐电路的谐振频率的中间。
通过选择两个电感器的电感值之间的差，并且因此通过选择谐振频率距工作中心频率的间距，就可以调节输入端口的输入阻抗值，实现与信号源的输出阻抗的匹配。
以此方式，只使用两个电感器，同时结合固有寄生特征，就可实现不平衡信号源与集成放大器的一对平衡输入端的匹配，从而可以实现低元件数目、低元件成本、和低元件体积。
按照本发明的下一个方面，提供一种RF电路，其中平衡端口包括一个集成电路芯片，平衡端口的第一和第二终端分别包括在该集成电路芯片的相应于第一和第二连接区上的一个微分信号源的第一和第二输出端，其中第一分支包括集成电路芯片的第一输出端，第二分支包括集成电路芯片的第二输出端，其中第一电抗元件包括具有第一电容的第一电容器，第二电抗元件包括具有第二电容的第二电容器，并且其中与第一分支相关的第一寄生电抗包括第一寄生电感，与第二分支相关的第二寄生电抗包括第二寄生电感。
在本发明的第二实施例中，有一个输出端口，用于向一个负载器件传送不平衡信号，一个CMOS或一个双极性的集成电路芯片在一对连接区上提供微分信号源的一对平衡输出端。一对连接区中的每个区都通过一根接线耦合到集成电路组件的一个相应的连接脚上。在每个连接脚和输出端口之间都耦合一个电容器。每个电容器与在相应分支的相互连接固有的寄生电感一起形成一个串联调谐电路；这些相互连接包括集成电路芯片到连接脚、连接脚到电容器、以及电容器到输出端口的连接。在每个调谐电路的谐振频率，每个相应调谐电路的电压改变180°。选择两个电容器，以使在信号源的工作中心频率，一个调谐电路低于谐振，另一个调谐电路高于谐振。在这种状态，在两个调谐电路中的信号之间有一个180°的相位差，该调谐电路对完成了连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)的功能。
在本发明的第三实施例中，对于每个分支中的上述三个相互连接中的任何一个或两个相互连接进行配置，以便没有明显的寄生电感产生。例如，将输出端口物理上靠近电容器放置，就可以有效地消除电容器的输出端口一侧的寄生电感。作为另一个例子，集成电路可以安装成无包装的裸芯片，或者可以将集成电路安装在一个组件内但要使组件内的寄生电感量可以忽略。在此第二实施例中，每个调谐电路包括电容器和在相应分支的相互连接处存在的寄生电感。
提供给微分信号源输出端的负载阻抗是由两个电容器的电容值再加上相互连接的相应寄生电感确定的，因此通过选择两个串联调谐电路的谐振频率，可以使提供给微分信号源的每个输出端的负载阻抗相等，并且使这个负载阻抗相对于负荷设备的阻抗来说是小的。
以此方式，只使用电容器再结合固有的寄生特征，就可以实现微分信号源和不平衡的负荷设备的匹配，导致低元件数、低元件成本、和低元件体积。
附图的简要说明现在参照附图借助于实例描述本发明，其中
图1是说明电路的第一实施例的一个方块示意图，图2是图1中的电路实施例的示意电路图，图3是在放大器输入端的电压相位曲线图，图4是说明电路的第二实施例的方块示意图，图5是图4中的电路实施例的示意电路图，以及图6是在调谐电路中的电压相位曲线图。
附图中使用相同的标号表示对应的元部件。
发明的实施方式现在参照附图1和2，图1和2表示的是第一实施例，其中有一个信号源10，信号源10例如可以是一个天线，它耦合到输入端口4。输入端口4耦合到第一电感器20和第二电感器30。第一电感器20的输出提供给包含在CMOS射频集成电路40中的一个放大器7(在图2中)的第一输入端1；第二电感器30的输出提供给放大器7的第二输入端2，这里可将放大器的第一和第二输入端1和2配置成一个平衡对。集成电路40包括该放大器，并且例如可以是一个集成的无线电接收机、或是一个无线电接收机的集成的前端。
现在参照附图2，信号源10由一个电压发生器5和例如50Ω的一个内部电阻6表示。第一电感器20由一个与一个内部电阻R1串联的电感L1表示。第二电感器30由一个与一个内部电阻R2串联的电感L2表示。
在集成电路40内部，在第一输入端1和地线之间存在寄生电容C1，在第二输入端2和地线之间存在寄生电容C2。在图2中没有表示出集成电路40的其它内部电路，这是因为这些内部电路对于理解本发明并不重要。图中也没有表示出集成电路40的其它输入端和输出端，它们对于理解本发明也是不重要的。
现在参照附图3，在由第一电感器20和第一输入电容C1形成的第一串联调谐电路中的电压的相位φ1取决于信号源10的频率，从+90°变到-90°，在第一调谐电路的谐振频率F1处穿过零点。类似地，由第二电感器30和第二输入电容C2形成的第二调谐电路中的电压的相位φ2取决于信号源10的频率，从+90°变到-90°，在第二调谐电路的谐振频率F2处穿过零点。对电感器的电感值进行选择，以使谐振频率F1和F2分别高于和低于电路的期望的工作中心频率F0，并且使得期望的工作中心频率F0处，在每个串联谐振电路中的电压的相位相差180°。工作中心频率例如可以是2.4GHz左右。
为了使不平衡信号源10的实数阻抗6而不是复数阻抗匹配平衡的放大器输入端1和2，有两个要求。首先，第一和第二电感器20和30再加上放大器的第一和第二输入端1和2的寄生电容C1和C2应该向信号源提供一个实数的阻抗；其次，必须可以调节该阻抗值以使其近似地匹配信号源阻抗。下面，再通过参照图2所示电路的数学表达式来进一步考虑这两个要求。
为了清楚说明，进行如下的近似。假定第一和第二电感器20和30的内部电阻相等，即R1＝R2＝R。实践中，这些值可以不同，并且可通过测量确定。此外还要假定，放大器的第一和第二输入端1和2的寄生电容相等，即C1＝C2＝C。在实践中，这些值是集成电路制造过程的特性，这两个值几乎是相等的，并且在一般情况下是从集成电路厂商那里得到的。
包括第一和第二电感器20和30以及寄生电容C1和C2在内的这个电路在输入端口4并在频率ω的输入阻抗Zin由下式给出[R+j(ωL1-1ωC)][R+j(ωL2-1ωC)]2R+j[ω(L1+L2)-2ωC]]]>重新安排这个方程，给出如下的输入阻抗ZinR2-(ωL1-1ωC)(ωL2-1ωC)+jR[ω(L1+L2)-2ωC]2R+j[ω(L1+L2)-2ωC]]]>当ω(L1+L2)2=1ωC]]>即ω2C[L1+L22]=1]]>则通过检查可知输入阻抗Zin是实数。
设定LΣ=L1+L22]]>则输入阻抗Zin是实数的条件是
ω2L∑C＝1通过选择第一和第二电感L1和L2的值可使输入阻抗Zin在期望的工作中心频率F0是实数，可使具有第一和第二电感值的平均值的寄生电容C的谐振频率等于工作中心频率F0。这等于说，在工作中心频率F0处要得到实数的输入阻抗Zin，应选择第一和第二电感L1和L2的值，以使工作中心频率F0距具有放大器第一输入端1的寄生电容C1的电感器L1的谐振频率F1和具有放大器第二输入端2的寄生电容C2的第二电感器L2的谐振频率F2分开的距离相等。
设定LΔ=L1-L22]]>则可以看出，在工作中心频率F0，输入阻抗Zin由下式给出R2(1+ω2LΔ2R2)]]>内部电阻在一般情况下是由电感器分量预先确定的，但通过改变两个电感值L1和L2之间的差可以调节输入阻抗Zin。例如，为了匹配内部电阻6为50Ω的信号源10，可以选择电感值L1和L2，使输入阻抗Zin为50Ω，由此可在维持期望的工作中心频率F0不变的情况下调节了谐振频率F1和F2。
还可以用数学方法将串联调谐电路的相位进行如下的描述。从基本电路分析出发，相对于通过信号源10传递到输出端口4的电压Vin来说，在放大器第一输入端1的电压V1是V1Vin=1jωCR+jωL1+1jωC]]>类似地，相对于通过信号源10传递到输出端口4的电压Vin来说，在放大器第二输入端2的电压V2是V2Vin=1jωCR+jωL2+1jωC]]>使用以上导出的条件ω2L∑C＝1，给出V1Vin=-jωLΔR+jωLΔ]]>和V2Vin=-jωLΔR-jωLΔ]]>当ωLΔ＞＞R，在第一和第二放大器输入端1、2的电压V1和V2相差180°。如果内部电阻R变得较大，则平衡的精确度下降。
以上的数学分析基于假设第一和第二电感器20和30的内部电阻相等，即R1＝R2＝R。在实践中，在这些内部电阻值之间可能存在微小的差别。一个微小的差别可能引起最佳化相位差和最佳化阻抗所要求电感L1和L2的值的一个微小的差别。可以通过标准电路模拟和/或元件替换技术来进行元件值的优化。
现在参照附图4和5，它们表示的是本发明的第二实施例，其中表示的是具有第一和第二输出连接脚11和12的一个集成电路140。该集成电路例如可以是一个无线电发射机。第一输出连接脚11耦合到第一电容器120，第一电容器120的输出耦合到输出端口14。第二输出连接脚12耦合到第二电容器130，第二电容器130的输出耦合到输出端口14。负载设备110连接在输出端口14和地电平之间。
现在参照附图5，第一电容器120有一个电容值C3，第二电容器130有一个电容值C4，负载设备110由一数值为R’的阻抗表示。在集成电路140的内部有一个芯片，包括一个微分信号源17，微分信号源17有配置成一个平衡对并分别向第一和第二焊垫15和16提供的第一和第二输出端，并且分别提供第一和第二电压V3和V4。第一接线18将第一焊垫15耦合到第一输出连接脚11，第二接线19将第二焊垫16耦合到第二输出连接脚12。第一和第二接线18和19每一个都有一个固有的寄生电感，这个寄生电感在图5中分别用数值为L3和L4的电感器表示，并且分别连接在每个焊垫15、16和相应的输出连接11和12之间。在图5中没有表示出集成电路140的其它内部电路，因为其它内部电路对于理解本发明不是主要的。图5中也没有表示出集成电路140的其它输入端和输出端，它们对于理解本发明也不是主要的。
第二实施例的第一调谐电路由第一接线电感L3和第一电容器120的组合形成并且在频率F3处谐振，第二实施例的第二调谐电路由第二接线电感L4和第二电容器130的组合形成并且在频率F4处谐振。在第一、第二输出连接脚11、12和第一、第二电容器120、130之间的相互连接的寄生电感以及在第一、第二电容器120、130和输出端口14之间的相互连接的寄生电感是可以忽略的。
现在参照附图6，第一调谐电路中的电压相位φ3取决于信号源17的频率，从+90°变到-90°，并在谐振频率F3处通过零点。类似地，第二调谐电路中的电压相位φ4取决于信号源17的频率，从+90°变到-90°，并在谐振频率F4处通过零点。选择第一和第二电容器值C2和C4，使谐振频率F2和F4分别高于和低于该信号源的一个期望的工作中心频率F0，并且使在期望的工作中心频率F0处每个串联谐振电路中的电压相位相差180°。该工作中心频率例如可以是约2.4GHz左右。
此外，可以选择第一和第二电容器值C3和C4，以便向微分信号源的第一和第二输出提供期望的阻抗。
下面参照图5所示的电路的数学表达式说明第一和第二电容器值的选择标准。
在频率ω，第一调谐电路的阻抗是jωL3+1jωC3=+jX]]>在工作中心频率，第二调谐电路的阻抗相对于第一调谐电路相位相差180°，即，jωL4+1jωC4=-jX]]>在这种情况下，可以看出在输出端口14的电压V0是V0=-jR′X(V3-V4)]]>并且该电路完成连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)的功能，对第一微分信号源输出电压V3和反相的第二微分信号源输出电压V4求和。
还有，可以看出，在工作中心频率，在第一焊垫15呈现给信号源第一输出端的阻抗为jX1+j2R′/X]]>并且，在工作中心频率，在第二焊垫16呈现给信号源第二输出端的阻抗为jX-1+j2R′/X]]>如果R’＞＞X，则呈现给微分信号源17的每个输出端的阻抗是X2/2R’，信号源17的两个输出端表现出极小的并且相等的阻抗。当例如集成电路是一个功率放大器并且负载设备是一个天线时，上述这些特征可能是有益的。
本发明的另一个特征是，通过第一和第二调谐电路过滤掉由信号源17传递的信号的高次谐波。
寄生电感L3和L4的数值可从集成电路厂家提供的数据得到，或者使用标准的电路模拟和测量技术确定。通过标准的电路计算、模拟、和/或测量技术可以完成对第一和第二电容器值C3和C4的选择。
在上述实施例中，寄生电感的唯一源泉是集成电路组件内的接线。在本发明的其它实施例中，在微分信号源17的输出端和输出端口14之间还可能有寄生电感的其它来源，例如印刷电路板跟踪传递信号至电容器120、130或者至输出端口14。还有，借助于不同类型的集成电路组件或者使用裸芯片，可以有效地消除集成电路组件内部的寄生电感。在这些情况下，在设计计算中可以选择第一和第二寄生电感L3和L4的值以便计及微分信号源17和输出端口14之间的寄生电感的所有来源。
在本发明的说明书和权利要求书中，在一个元件之前加上词“一个”，并不排除可以是多个这样的元件。进而，词“包括”并不排除存在所列的元件或步骤之外的其它的元件或步骤。
阅读了本发明的公开文本后，其它的改进对于本领域的普通技术人员来说都将是显而易见的。这样一些改进可能涉及在RF工程和电路设计领域中已经公知的其它的一些特征，使用中或者将这些其它的特征附加到这里已经描述过的特征上，或者用其它的这些特征代替这里已经描述过的特征。
工业实用性无线电接收机、无线电发射机、无线电收发两用机、以及用于实现无线电设备的集成电路。
权利要求
1.一种RF电路，配置这种电路将不平衡端口匹配到一个平衡端口的第一和第二终端，所说的RF电路包括第一和第二分支，第一分支包括耦合该不平衡端口到该平衡端口的该第一终端的第一路径，第二分支包括耦合该不平衡端口到该平衡端口的该第二终端的第二路径，该第一路径包括第一电抗元件，第二路径包括第二电抗元件，其中该第一电抗元件在第一谐振频率与和该第一分支相关的第一寄生电抗发生谐振，其中该第二电抗元件在第二谐振频率与和该第二分支相关的第二寄生电抗发生谐振，其中该第一谐振频率高于一个预定的工作中心频率，并且该第二谐振频率低于该预定的工作中心频率，并且其中从第一和第二分支向一个负载传送的两种信号的相位彼此相差180°。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于平衡端口包括一个放大器，平衡端口的第一和第二终端分别包括放大器的第一和第二输入端，其中第一分支包括放大器的第一输入端，第二分支包括放大器的第二输入端，其中第一电抗元件包括具有第一电感的第一电感器，第二电抗元件包括具有第二电感的第二电感器，并且其中与第一分支相关的第一寄生电抗包括放大器第一输入端的输入电容，与第二分支相关的第二寄生电抗包括放大器第二输入端的输入电容。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于选择第一和第二电感，使得在不平衡端口的输入阻抗基本上等于信号源的输出阻抗。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于选择第一和第二电感，使得在不平衡端口的输入阻抗基本上等于50Ω。
5.根据权利要求2、3、或4所述的电路，其特征在于放大器是用CMOS实现的。
6.一种无线电接收机，它包括根据权利要求1、2、3或4中任何一个所述的电路。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于平衡端口包括一个集成电路芯片，平衡端口的第一和第二终端分别包括在该集成电路芯片的相应于第一和第二连接区上的一个微分信号源的第一和第二输出端，其中第一分支包括集成电路芯片的第一输出端，第二分支包括集成电路芯片的第二输出端，其中第一电抗元件包括具有第一电容的第一电容器，第二电抗元件包括具有第二电容的第二电容器，并且其中与第一分支相关的第一寄生电抗包括第一寄生电感，与第二分支相关的第二寄生电抗包括第二寄生电感。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于第一和第二寄生电感至少部分地分别发生在第一和第二电容器的不平衡端口一侧。
9.根据权利要求7所述的电路，其特征在于第一和第二寄生电感至少部分地分别发生在第一和第二电容器的集成电路一侧。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于第一和第二寄生电感至少部分地发生在一个集成电路组件的内部。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于第一和第二寄生电感至少部分地来源于集成电路的接线。
12.根据权利要求9所述的电路，其特征在于第一和第二寄生电感至少部分地发生在集成电路组件的外部。
13.根据权利要求7-12中任何一个所述的电路，其特征在于呈现给微分信号源的第一和第二输出端这两者的阻抗基本上相等。
14.一种包括根据权利要求1、7、8、9、10、11、12或13中任何一个所述电路的无线电发射机。
全文摘要
一种RF电路,通过模拟所谓连接在平衡和不平衡线路之间的变压器(BALUN)的功能,可将其配置成能够连系一个平衡端口(1、2、11、12)和一个不平衡端口(4、14)。在一个平衡电路的两个分支中的电抗元件(20、30、120、130)通过与寄生电抗谐振形成两个谐振电路。在预定的工作中心频率,两个谐振电路之一高于谐振,另一个电路低于谐振,从而在两个分支传递的信号之间产生180°的相位差。当用于连系一个不平衡信号源(10)和一个平衡负载(40)时,通过选择电抗元件(20、30)的数值可将输入阻抗设定成一个实数的数值,与该信号源的输出阻抗匹配。
文档编号H03H7/42GK1386322SQ01802145
公开日2002年12月18日 申请日期2001年5月11日 优先权日2000年6月1日
发明者A·D·萨耶斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司