射频集成电路、无线通信单元、以及用于天线匹配的方法
【专利说明】射频集成电路、无线通信单元、从及用于天线匹配的方法 【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信领域，尤其设及一种用于对无线通信单元进行天线匹配的射 频集成电路及相应的方法。 【【背景技术】】
[0002] 随着新一代的手机化andset)、网关（gateway)、W及其他无线通信设备内嵌更 多的应用程序，对带宽的需求增大，因此，新的天线（antenna)系统将被要求优化链路 品质。特别地，需要更好地控制福射场（radiated field),来抑制来自非期望的收发器 (transceiver)的信号，并给期望的收发器提供更好的通信链路品质。典型地，在一个无线 通信设备正常运行时，天线处的阻抗和/或频率造成不匹配（mismatches)。
[0003] 天线为作用在导波（guided wave)和自由空间波（化ee space wave)之间的转 换设备（transition devices)(例如，一种变换器（transducer))。天线调谐器（Antenna 化ner)(或有时候被称之为：天线调谐单元（Antenna Tuning化it,ATU))为连接在一射频 发射机（和/或接收机）与一天线之间的设备，用于通过匹配所述射频发射机或射频接收 机与所述天线之间的阻抗来改善所述射频发射机或射频接收机与所述天线之间的能量传 输（power transfer)。一个天线调谐器使具有一固定阻抗（对于现在的收发器通常为50 欧姆）的一个收发器（射频发射机和接收机）（或一个发射机或一个接收机）与一负载（例 如，天线的馈线（feed line))阻抗相匹配，所述负载阻抗是未知的、复杂的或者根本与所述 射频发射机和/或所述射频接收机的输出/输入阻抗完全不匹配。在天线中，有两种调谐方 式：天线频率调谐（Ante皿a Rrequen巧Tuning,AFT)和天线阻抗调谐（Ante皿a Impedance Tuning, AIF)，其中天线阻抗调谐是通过调节馈电点来与天线福射元件（也即，天线）相匹 配。
[0004] 众所周知，运样的天线阻抗不匹配和/或频率谐振不匹配对通过天线系统进行能 量传输有严重的影响。例如，当天线在靠近反射性材料或（射频）吸收性材料时进行复位 (reposition)，或者，当天线被放置在逐渐靠近或逐渐远离用户的头部时，就可能发生运样 的不匹配。使通过天线系统传输的能量最大化是一个关键的性能指标。因此，需要智能天 线系统来解决上述的不匹配问题。 阳0化]用于固定频率匹配网络（包括宽带匹配网络）的理论W及由马伊特、杨和琼斯总 结在微波滤波器，阻抗匹配网络和禪合结构中的基础性工作，已经发展了数十年了。
[0006] 然而，对可调谐匹配网络的使用则相对比较新。大多数的可调谐匹配网络是通过 改变已知的固定频率匹配网络中的固定元件为可调谐元件而发展而来的。在实践中，天线 调谐器用于补偿天线阻抗的任意的改变，运种改变是由于对操作频率的切换而形成的，而 运样切换在类似于手机运样的小型装置中更为严重。理想状态下，天线调谐器可允许使用 一个天线覆盖一个较宽的频率范围。但是，天线调谐器所能覆盖的频率范围通常受限于集 成元件的物理约束或传输线路的结构。
[0007] 此外，长期演进(Xong Term Evolution, LTE：)高级网络和载波聚合规范（carrier aggregation specifications)正迫使射频前端性能要求更高。运通常需要额外的天线或 一个多馈天线被加入到移动通信手机，运进一步需要天线尺寸或调谐选择性。因此，设计和 制造包括可调谐设备的产品已证实非常流行于用来支持长期演进设备对增强的带宽的需 求，特别的，通过使小天线能有效跨越整个LTE带宽，也即，从700MHZ-2. 7GHz，但是更宽的 用于LTE的范围也是可能的，例如600MHZ-3. 5GHz，等。在许多情形下，使用可调谐设备有助 于节省电池电量和允许薄型的手机设计。
[0008] 如图1中已知的通信单元100所示，在用于无线通信的移动终端（例如，手机） 中，越来越多地使用自适应匹配电路（adaptive matching circuit)来调谐天线。通信 单元100包括一天线105禪接于一接口 110,所述接口 110通过一调谐器115禪接至一信 号源（发射机或接收机）120。所述调谐器115 W-种普通的双端口网络形式的散射参数 (S-Parameter)为例进行说明，因此设及对流经所述调谐器的信号的测量W及对反馈回所 述调谐器115的不匹配信号的测量。使用调谐电路，例如调谐器115的目的在于确保通信 单元100始终具有最佳的天线匹配。尤其当所述通信单元100为一个移动终端，所述移动 终端运行在电话环境改变状态而影响到所述天线105的阻抗表现时，使用调谐电路特别有 帮助。一个禪合器（coupler)(未图示）提取传输信号的一部分并将提取的信号发送给一 控制器来判断由于阻抗不匹配而来自天线105的反射功率的数量。所述控制器可基于该阻 抗不匹配的测量，进一步判断需要调谐所述调谐器115到怎样的程度来改善匹配和减少反 射（和被浪费的）功率。轮流执行上述步骤，通过节省传输功率和改善接收品质来改善移 动终端的传输（和接收）操作。
[0009] 阻抗匹配通常被用于一个有限的射频调谐范围上的好的射频调谐。阻抗匹配通 常调谐天线元件到整个射频或天线系统，从而在天线输入端构建了一个已调谐的网络。如 图2所示，由于阻抗匹配易于通过廉价的适用于分流（shunt)或串联结构的频率选择性元 件（例如，电感器和电容器）实现，其很受欢迎。例如，图2示出了一系列的窄带固定频率 "L"型配置方案200 ;例如，一分流电容器后跟着串联电感器205, 一分流电感器后跟着串联 电容器210, 一分流电感器后跟着串联电感器215, 一个分流电容器后跟着串联电容器220， 一串联电感器后跟着一个分流电容器225, 一串联电容器后跟着分流电感器230, 一串联电 感器后跟着分流电感器235, 一串联电容器后跟着分流电容器240。
[0010] 在"L"型配置方案之后，另一种已知的阻抗匹配形式使用阶梯形的网络，广泛采用 可调谐元件，例如，如图3所示的阻抗匹配/调谐电路300。阻抗调谐电路300包括一用于 接收一射频输入信号305的输入端和一禪接于一天线340的输出端。一主要射频路径320 包括一输入分流电感器310和一输出分流电感器335,主要用于静电释放巧Iectrostatic Discharge, ESD)和传授（imparting) -些调谐效应。所述主要射频路径320还包括串联 电感器315和330,它们均禪接于一阶梯网络325,如图所示，所述阶梯网络325包括多个变 容二极管（varactor)。所述变容二极管被调整W调节/匹配所述天线340和所述射频输入 信号305之间的阻抗。
[0011] 美国专利US8115572披露了带有桥结构的支持宽调谐范围的此类阶梯网络。
[0012] 另一种已知的阻抗匹配方式是采用可调谐的元件，所述可调谐的元件的容性需部 小于零（imag狂i) <0)，感性需部大于零（imag狂i)〉0)，或者可将电感效应转换为电容效应。 例如，运可通过包括有可变电容器（变容二极管或者数字可调谐电容）的串联电感电容网 络或者并联电感电容网络来实现。
[0013] 如图4所示，由J. Costa等人所著的标题为"4G可调谐天线的SOI开关电容的进 展"（于2014在弗罗里达举办的IE邸会议"I邸E IMS 2014"中被公开）的论文所述，需要 特别注意的是，在没有重大的性能损耗前提下，大多数甚至所有的已知的天线调谐机制均 不能支持电感被集成到忍片中。图4示出了一种已知的可开关控制的电感器排列400用于 天线的阻抗匹配，其中所述可开关控制的电感器410设置在忍片外（Off-Chip)，也即，所述 电感器410彼此离散地被提供，因此不位于一射频集成电路420上。片上开关405允许射 频信号通过所述可开关控制的电感器410,因此，所述射频信号可被不