无线通信单元、射频模块及调谐无线通信单元的方法
【专利摘要】本发明提供一种无线通信单元及调谐无线通信单元的方法及一射频单元，一种无线通信单元，其中所述无线通信单元包括：至少一天线端口；及发射器和接收器通过双工器可操作地耦合到所述至少一个天线端口;其中，所述双工器包括：其包括动态可重新配置的相移网络：至少一个可调射频元件；及至少一个开关，其可操作地耦合到所述可调射频元件，且为通过所述动态可重新配置的相移网络的射频信号，可控地重新配置所述动态可重新配置的相移网络，以选择性地同时支持正向和反向双工模式的操作。本发明提供的无线通信单元及调谐无线通信单元的方法及一射频单元能降低复杂度。
【专利说明】无线通信单元、射频模块及调谐无线通信单元的方法
[0001]【交叉引用】
[0002] 本申请要求申请日为2013年4月19日的美国临时申请号61/813717的优先权， 且全文引用至本申请。 【【技术领域】】
[0003] 本发明的涉及无线通信单元的射频（RF)模块，能够重新配置相移的结合，更具体 地说，涉及包括可重新配置的双工器的收发器模块。 【【背景技术】】
[0004] 无线通信单元，例如便携式收音机、电话等，通常支持在单一射频（RF)频带的操 作，即在通信系统中使用的操作频带。然而，由于移动通信的快速发展，需要支持相当数量 的各种无线电频率标准、系统和服务的频谱现在可以提供给移动用户量。此外，射频（RF)通 信系统已经发展，移动通信设备的最近的趋势是支持在多个RF频带中的通信，例如，以支 持跨越多个通信标准或地理区域的通信。目前，典型的收发器适用于支撑一个范围内的通 信，例如，第三代合作伙伴计划（3GPP?)，则可能需要支持超过10不同的频带。
[0005] -种支持宽的频率范围的方法，无线通信单元覆盖多个频带或通信标准是需要物 理性地设置许多平行的收发器电路在无线通信单元内和/或一个或多个平行的收发器电 路需要被调谐到多个频率范围内运行。无线通信单元中的这些解决方案带来一些不良影 响，包括需要更高质量的射频（RF)元件，如不易受干扰、提供更高的性能、消耗最小化的硅 面积或电路板模块面积的等。此外，为了同时在所有支持的频带满足性能要求，这些解决方 案也增加了设计的复杂性。
[0006] -种典型的移动(无线）通信单元(有时在蜂窝通信的环境下被称为移动用户单元 (MS)，或在第三代合作伙伴计划（3GPP?)通信系统中的术语为用户设备（UE))包含一天线， 常耦合到用于隔离无线通信单元内接收链和传输链的双工滤波器或天线开关。当然这些部 件在天线内或者在天线的周围，需要能够跨越很宽的频率范围工作，或者能够工作在非常 接近的可比/并行RF电路。
[0007] 此外，在这些通信标准中，所述无线接入网络通常采用一些技术，以便更方便和容 易通信，例如频分双工（FDD)技术，不同组的频带的接收频率和发射频率用于通信。另外， 可以利用时分双工（TDD)，导致在时域上分离的向外信号和返回信号。此外，不同的通信单 元之间的接入网络可以使用不同的波形、信号调制和编码方案。
[0008] 任何FDD无线电系统的一个关键部分是前端双工器组件，其主要功能是保护接收 器（Rx)不会因为发射器（Tx)噪声排放而脱敏，及发射功率泄漏损伤到通信设备的接收频 带。这种损伤可能是由于一种或多种原因引起：互调、带外拦截的交叉调制及接收器本地振 荡器的相位噪声的相互混合。
[0009] 在全双工无线电系统中，接收频率（frx)和传输频率（ftx)，通常是不同的，它们 是由一个特定的"双工频率"进行分离：（fdpx) =frx - ftx。
[0010] 在一已知的前端架构100中，例如图1所示的基于双工器150的使用SAW-个例 子，在基于双工器的SAW，为了最小化在其它双工器分支的通带频率的插入损耗，相移的概 念被用来变换在一个双工器分支的阻带频率的低阻抗陷波成天线输入的高阻电平（high-Z level)。在天线侧同时连接它们时，这提供了两个路径之间的隔离。在图1，因此，例如接收 器，天线102可操作地耦合到上方射频路径104 ;例如发射器，天线102可操作地耦合到较 低的射频路径106。一个高通（high-pass，HP)型相移网络108被引入到接收（Rx)路径，并 且被配置成变换在发射中心频率的低阻抗陷波（low-Z notch)成在天线输入端102的高阻 抗电平（high-Z level)，同样，一个低通（LP)型相移网络110被在发射（Tx)路径引入，并 且被配置来转换在接收中心频率的低阻抗陷波为在天线输入的高阻抗电平。高通（HP)相 移网络108或低通（LP)相移网络110用于具体的双工器分支是取决于在该分支侧所需的 通带频率相对于阻带频率。在相移网络的频率选择也提供远处的（far-out)阻带频率进一 步的衰减。各滤波器响应由表面声波（surface acoustic wave, SAW)滤波器112及114执 行，所述SAW滤波器具有被匹配到相应的接收器和发射器的端口 116及118。
[0011] 典型地，在所有的第二代（2G)和第三代（3G)蜂窝FDD频段，frx>ftx及 fdpx=frx-ftx是frx和ftx的小百分比(通常〈10%)。然而，在第四代（4G)通信频带，提 供一些附加的ftx>frx的频带，用反向双工情况（reverse duplex case) 150表示(其中 fdpx〈0)。
[0012] 在3G/4G蜂窝系统，FDD频带支持的数量因应带内及带外漫游所需频带的数量增 加而增加。此外，需要支持多输入、多输出（ΜΜ0)通信为RF前端的复杂性增加更多的压 力。这些性能要求和相关的技术的复杂性和相应的电路/部件有效地限制了可以在单个无 线平台来支持双工器的数量。压缩这些双工器的数量而不影响性能是非常需要的，因为可 以直接影响在射频（RF)前端解决方案的尺寸和成本的降低。
[0013] 双工器用于无线通信单元使用两个谐振结构，表现出一个带通频率响应集中在接 收频段和发射频段的中心频率。所述中心频率通常非常接近彼此，有时通过一个相结合的 网络被连接在天线端口。双工器的接收频率带通响应有助于抑制强带外阻断并减少已知的 与附近的通信单元的信号共存问题。双工器的发射频率带通响应，有助于抑制输出时的带 外噪音的输出，发射器谐波发射（harmonic emissions)和发射信号的反向互调（reverse intermodulation)与干扰信号通过天线到达发射器。
[0014] 一几乎"开放"（即表示在另一侧（反向接收/发送）具有高阻抗（Z))的相匹配网 络保证了在天线端口的每个滤波器的阻抗完全匹配在自己的通带在滤波器的阻带频率。如 果相匹配的网络是不"开放"，相移器通常被用来旋转相位匹配网络的阻抗为等效的高'Z' (high Z)〇
[0015] 对于4G的反向情况下（代1〈打〇，顺序逆转至即/1^的相移组合器拓扑结构。因 此，可以使用一个l〇w-pass/high-pass (LP/HP)相移组合器来代替，以连接到相应的Rx和 Tx路径。
[0016] 一个可调谐双工器，需要调谐在不同的蜂窝频带(例如至少覆盖在700-1000MHZ 的范围的LTE蜂窝频带)，也需要能够处理正向和反向双工的情况，则不足以调谐相移网络 的元件，如图1所示的相移网络108及110。
[0017] 因此，一种需求存在，一种改进的射频前端架构，例如，在具有成本效益和易于管 理的复杂度的方式下支持正向和反向双工。 【
【发明内容】
】
[0018] 因此，本发明的各方面提供一种无线通信装置、无线电频率模块及所述双工器电 路，用于减轻、缓解或消除上述单独或以任何组合的一个或多个缺点。
[0019] 依据本发明的一方面，提供一种无线通信单元，所述无线通信单元包括：至少一天 线端口；及发射器和接收器通过双工器可操作地耦合到所述至少一个天线端口；其中，所 述双工器包括：其包括动态可重新配置的相移网络：至少一个可调射频元件；及至少一个 开关，其可操作地耦合到所述可调射频元件，且为通过所述动态可重新配置的相移网络的 射频信号，可控地重新配置所述动态可重新配置的相移网络，以选择性地同时支持正向和 反向双工模式的操作。
[0020] 可选的以下特征为：所述至少一个开关依赖于操作的频率，选择性地耦合所述至 少一个天线端口与所述可调谐射频元件之间的至少二路径中的一个，以支持正向或反向的 双工模式操作。所述至少一个开关包括两个开关，其可操作地串联到相应的电感，且配置为 被关闭以支持在所述发射器或者所述接收器中的低通频率模式的操作。所述无线通信单元 进一步包括至少一可调电容位于连接到与至少两个开关中每一个平行的路径。第一可调电 容被配置用于支持所述发射器或所述接收器中其中一个的可调的高通频率响应模式操作 和第二可调电容被配置用于支持与在所述接收器或所述发射器中另一个的相应电感平行 的可调的低通频率响应模式操作。所述至少一个开关包括至少两个开关：至少两个开关的 第一开关配置成用于耦合所述天线端口和发射器及所述天线端口和接收器之间的第一路 径，用于配置所述发射器和所述接收器的正向双工模式操作；并且所述至少两个开关的第 二开关被配置为耦合所述天线端口和所述发射器及所述天线端口和接收器之间的第二路 径，配置发射器和接收器的反向双工模式操作。所述至少一个开关包括至少一个单极多掷 的天线开关、至少一个多极多掷的天线开关中的至少一个。其中所述动态可重新配置的相 移网络包括可调相位响应，形成下述两个部分：发射器相移网络和可调发射射频元件；和 通过接收器相移网络的接收器和可调接收射频元件。所述无线通信单元进一步包括：控制 器，其可操作地耦合到所述发射器和接收器，其中，可调谐的高通频率响应和可调谐的低通 频率响应是由所述控制器控制，分别配置用于结合串联的可调谐发射射频元件调谐第一可 调谐电容，及结合相应的另一串联的可调谐接收射频元件调谐第二可调谐电容。所述至少 一个可调射频元件包括可调带通滤波器及可调陷波滤波器中的至少一个。
[0021] 本发明的另一方面提供一射频模块，所述射频模块包括双工器，所述双工器包括 动态可重新配置的相移网络：至少一个可调谐的射频元件；及至少一个开关，其可操作地 耦合到所述可调谐的射频元件，及可控的重新配置可动态可重新配置的相移网络，为通过 所述可动态可重新配置的相移网络的射频信号，选择性地支持双工模式的正向和反向操作
[0022] 可选地以下特征为：所述至少一个开关依赖于操作的频率，选择性地耦合所述至 少一个天线端口与所述可调谐射频元件之间的至少二路径中的一个，以支持正向或反向的 双工模式操作。所述至少一个开关包括两个开关，其可操作地串联到相应的电感，且配置为 被关闭以支持在所述发射器或者所述接收器中的低通频率模式的操作。所述射频模块进一 步包括至少一可调电容位于连接到与至少两个开关中每一个平行的路径。第一可调电容被 配置用于支持所述发射器或所述接收器中其中一个的可调的高通频率响应模式操作和第 二可调电容被配置用于支持与在所述接收器或所述发射器中另一个的相应电感平行的可 调的低通频率响应模式操作。所述至少一个开关包括至少两个开关：至少两个开关的第一 开关配置成用于耦合所述天线端口和发射器及所述天线端口和接收器之间的第一路径，用 于配置所述发射器和所述接收器的正向双工模式操作；并且所述至少两个开关的第二开关 被配置为耦合所述天线端口和所述发射器及所述天线端口和接收器之间的第二路径，配置 发射器和接收器的反向双工模式操作。所述至少一个开关包括至少一个单极多掷的天线开 关、至少一个多极多掷的天线开关中的至少一个。其中所述动态可重新配置的相移网络包 括可调相位响应，形成下述两个部分：发射器相移网络和可调发射射频元件；和通过接收 器相移网络的接收器和可调接收射频元件。
[0023] 本发明的另一方面提供一种调谐无线通信单元的方法，其特征在于，所述通信单 元包括至少一个天线端口、发射器和接收器，所述发射器及接收器通过双工器可操作地耦 合到所述至少一个天线端口，其中，所述双工器包括动态可重新配置的相移网络，所述方法 包括：为发射器和接收器确定操作的频率模式；根据操作的确定的频率模式，动态地配置 至少一个开关中的至少一个路径，以可操作地连接至少一个天线端口至发射器或接收器； 调谐所述发射器和所述接收器中的至少一可调谐的射频元件；进一步调谐在所述至少一发 射器和接收器中的至少一个另外的集总元件，连通所述至少一可调谐的射频元件，从而动 态地重新配置所述动态可重新配置的相移网络，为通过所述动态可重新配置的相移网络的 射频信号，选择性地支持正向和反向双工模式的操作。
[0024] 上述发明的目的在本领域的普通技术人员阅读本申请的优选实施例后可以毫无 疑义得到，下面将结合图示对上述优选的技术方案进行详细说明。 【【专利附图】
【附图说明】】
[0025] 图1示出一个已知的前端结构采用SAW滤波器和相位匹配电路。
[0026] 图2示出适于支持本发明的示例实施例的无线通信单元的一个例子。
[0027] 图3示出图2的无线通信单元的重新配置的双工系结构的第一例。
[0028] 图4示出图21的无线通信单元的可重新配置的/可调谐双工结构的第二个例子。
[0029] 图5示出图2的无线通信单元的可重新配置的/可调谐双工结构的第三个例子。
[0030] 图6示出图1的无线通信单元的可重新配置的/可调谐双工结构的第四示例。
[0031] 图7示出通过一个可重新配置的/可调谐相移网络调谐包括一个发射器和一个接 收器可操作地耦合到所述至少一个天线端口的通信单元的收发器的方法的示例流程图。 【【具体实施方式】】
[0032] 本发明实施例将用无线通信单元的术语进行描述，比如用户设备，其包括一个天 线端口，其可操作地耦合于至少一个收发器到天线。然而，本领域技术人员可以理解，在此 描述本发明的概念可实施在任何类型的无线通信单元，可以包括一个收发器，例如基站。本 发明的实施例中用术语描述的无线通信单元，其能够重新配置的相移结合，更具体地说，RF 收发器模块包括一个可重新配置(例如，可调谐)的双工器。在这种方式中，在执行一个可重 新配置的双工器，双工器可以简化前端设计和减少的一些RF元件的性能要求，因为能够调 整某个频带或多个频带到所需的窄带信道。在一些实例中，可重新配置的双工器是能够覆 盖正想和反向的双工情况。
[0033] 此外，本发明的实施例描述的无线通信单元，包括：一个发射器和一个接收器、至 少一个天线端口和一个可重新配置的相移网络，所述可重新配置的相移网络可操作地耦合 所述至少一个天线端口至发送器和接收器，且配置用于动态地重新配置两个中的至少一个 相位：从发射器输出的信号及输入到接收器的信号。
[0034] 首先参考图2,根据本发明的一个实施例，无线通信单元(有时在蜂窝通信的情况 下或在用户设备（UE)在第三代合作伙伴计划（3GPP?)通信系统中的术语为移动用户单元 (MS))的框图如图2所示。
[0035] 无线通信单元200包含收发器，所述收发器具有耦合到一个重新配置或可重新配 置的双工器204的天线202,在一个示例中，可重新配置的双工器204包括一个简单的集总 兀件网络（simple lumped component network)，配置为执行低 Z (low-Z)到高 Z (high-Z) 变换。例如，使用四分之一波长λ/4传输线等效的J型反相器，其次是可调谐RF组件。λ/4 传输线的等效集总元件的版本是一个31型-90度相移器（π-type-90° phase shifter), 所述η型-90度相移器可以以一个低通或高通的拓扑结构来实现相移器，如下述图3-6所 /_J、1 〇
【权利要求】
1. 一种无线通信单元，其特征在于，所述无线通信单元包括： 至少一天线端口；及 发射器和接收器通过双工器可操作地耦合到所述至少一个天线端口； 其中，所述双工器包括：其包括动态可重新配置的相移网络： 至少一个可调射频元件；及 至少一个开关，其可操作地耦合到所述可调射频元件，且为通过所述动态可重新配置 的相移网络的射频信号，可控地重新配置所述动态可重新配置的相移网络，以选择性地同 时支持正向和反向双工模式的操作。
2. 如权利要求1所述的无线通信单元，其特征在于，所述至少一个开关依赖于操作的 频率，选择性地耦合所述至少一个天线端口与所述可调谐射频元件之间的至少二路径中的 一个，以支持正向或反向的双工模式操作。
3. 如权利要求1所述的无线通信单元，其特征在于，所述至少一个开关包括两个开关， 其可操作地串联到相应的电感，且配置为被关闭以支持在所述发射器或者所述接收器中的 低通频率模式的操作。
4. 如权利要求3所述的无线通信单元，其特征在于，所述无线通信单元进一步包括至 少一可调电容位于连接到与至少两个开关的每一个平行的路径。
5. 如权利要求4所述的无线通信单元，其特征在于，第一可调电容被配置用于支持所 述发射器或所述接收器中其中一个的可调的高通频率响应模式操作和第二可调电容被配 置用于支持与在所述接收器或所述发射器中另一个的相应电感平行的可调的低通频率响 应模式操作。
6. 如权利要求1所述的无线通信单元，其特征在于，所述至少一个开关包括至少两个 开关：所述至少两个开关的第一开关配置成用于耦合所述天线端口和发射器及所述天线端 口和接收器之间的第一路径，用于配置所述发射器和所述接收器的正向双工模式操作；并 且所述至少两个开关的第二开关被配置为耦合所述天线端口和所述发射器及所述天线端 口和接收器之间的第二路径，配置发射器和接收器的反向双工模式操作。
7. 如权利要求1所述的无线通信单元，其特征在于，所述至少一个开关包括至少一个 单极多掷的天线开关、至少一个多极多掷的天线开关中的至少一个。
8. 如权利要求1所述的无线通信单元，其特征在于，其中所述动态可重新配置的相移 网络包括可调相位响应，形成下述两个部分： 发射器相移网络和可调发射射频元件；和 通过接收器相移网络的接收器和可调接收射频元件。
9. 如权利要求8所述的无线通信单元，其特征在于，该可调相移网络之一部份包括一 集总元件部分及驻留在所述可调射频元件内的部分。
10. 如权利要求9所述的无线通信单元，其特征在于，所述无线通信单元进一步包括： 控制器，其可操作地耦合到所述发射器和接收器，其中，可调谐的高通频率响应和可调谐的 低通频率响应是由所述控制器控制，分别配置用于结合串联的可调谐发射射频元件调谐第 一可调谐电容，及结合相应的另一串联的可调谐接收射频元件调谐第二可调谐电容。
11. 如权利要求1所述的无线通信单元，其特征在于，所述至少一个可调射频元件包括 可调带通滤波器及可调陷波滤波器中的至少一个。
12. -射频模块，其特征在于：包括双工器，所述双工器包括动态可重新配置的相移网 络： 至少一个可调谐的射频元件；及 至少一个开关，其可操作地耦合到所述可调谐的射频元件，及可控的重新配置可动态 可重新配置的相移网络，为通过所述可动态可重新配置的相移网络的射频信号，选择性地 支持双工模式的正向和反向操作。
13. 如权利要求12所述的射频模块，其特征在于，所述至少一个开关依赖于操作的频 率，选择性地耦合所述至少一个天线端口与所述可调谐射频元件之间的至少二路径中的一 个，以支持一个正向或反向的双工模式操作。
14. 如权利要求12所述的射频模块，其特征在于，所述至少一个开关包括两个开关，其 可操作地串联到相应的电感，且配置为被关闭以支持在所述发射器或者所述接收器中的低 通频率模式的操作。
15. 如权利要求14所述的射频模块，其特征在于，所述无线通信单元进一步包括至少 一可调电容位于连接到至少两个开关中每一个平行的路径。
16. 如权利要求15所述的射频模块，其特征在于，第一可调电容被配置用于支持所述 发射器或所述接收器中其中一个的可调的高通频率响应模式操作和第二可调电容被配置 用于支持与在所述接收器或所述发射器中另一个相应的电感平行的可调的低通频率响应 模式操作。
17. 如权利要求12所述的射频模块，其特征在于，所述至少一个开关包括至少两个开 关：至少两个开关的第一开关配置成用于耦合所述天线端口和发射器及所述天线端口和接 收器之间的第一路径，用于配置所述发射器和所述接收器的正向双工模式操作；并且所述 至少两个开关的第二开关被配置为耦合所述天线端口和所述发射器及所述天线端口和接 收器之间的第二路径，配置发射器和接收器的反向双工模式操作。
18. 如权利要求12所述的射频模块，其特征在于，所述动态可重新配置的相移网络包 括可调相位响应，形成下述两个部分： 发射器相移网络和可调发射射频元件；和 通过接收器相移网络的接收器和可调接收射频元件。
19. 如权利要求18所述的射频模块，其特征在于，该可调相移网络之一部份包括一集 总元件部分及驻留在所述可调射频元件内的部分。
20. -种调谐无线通信单元的方法，其特征在于，所述通信单元包括至少一个天线端 口、发射器和接收器，所述发射器及接收器通过双工器可操作地耦合到所述至少一个天线 端口，其中，所述双工器包括动态可重新配置的相移网络，所述方法包括： 为发射器和接收器确定操作的频率模式； 根据操作的确定的频率模式，动态地配置至少一个开关中的至少一个路径，以可操作 地连接至少一个天线端口至发射器或接收器； 调谐所述发射器和所述接收器中的至少一可调谐的射频元件； 进一步调谐在所述至少一发射器和接收器中的至少一个另外的集总元件，连通所述至 少一可调谐的射频元件，从而动态地重新配置所述动态可重新配置的相移网络，为通过所 述动态可重新配置的相移网络的射频信号，选择性地支持正向和反向双工模式的操作。
【文档编号】H04B1/38GK104113356SQ201410158165
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2013年4月19日
【发明者】瓦利德·尤瑟夫·阿里-阿罕穆德 申请人:联发科技（新加坡）私人有限公司