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CN100590984C - 发射机和/或接收机模块 - Google Patents

发射机和/或接收机模块 Download PDF

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CN100590984C CN03802912A CN03802912A CN100590984C CN 100590984 C CN100590984 C CN 100590984C CN 03802912 A CN03802912 A CN 03802912A CN 03802912 A CN03802912 A CN 03802912A CN 100590984 C CN100590984 C CN 100590984C
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Abstract

发射机和/或接收机模块包括：偶极子天线(28)，用于将模块的输出阻抗与天线阻抗相匹配的匹配电路(26)，用于在接收信号与发射信号之间进行切换的开关电路(24)，用于放大发射信号的功率放大器(30)，以及用于放大接收信号的低噪声接收机放大器(32)，其中匹配电路(26)和天线(28)被设计成为模块提供带通滤波器功能。差分信号从发射机功率放大器(30)被提供给天线(28)和/或从天线(28)被提供给接收机放大器(32)，而不用把差分信号变换成单端信号。

Description

发射机和/或接收机模块
本发明涉及在发射机和/或接收机模块中处理信号的方法，发射机和/或接收机模块、以及在发射机和/或接收机模块中使用的带有天线的基片。本发明还涉及消费者电子设备。
典型的收发信机前端的复杂度常常由对于接收机与发射机的隔离的要求、对于带外滤波的要求、以及对于单端和差分信号之间的变换的需要来确定。为了满足这些要求，在传统的模块中需要平衡-非平衡转换器(Balun)(即平衡-非平衡转换电路)、开关、和带通滤波器。另外，需要一个天线加匹配(antenna plus matching)网络。
图1是显示传统的前端发射机/接收机电路2、匹配电路4、被连接到匹配电路4的天线6、以及连接发射机/接收机电路与匹配电路的级联电路3的框图。发射机/接收机电路2包括用于发射机功能的功率放大器8(PA)，和用于接收机功能的低噪声放大器10(LNA)。级联电路3包括：在功率放大器8与发送/接收开关14(SW)之间的平衡-非平衡转换器电路12(BAL)，在低噪声放大器10与开关14之间的另一个平衡-非平衡转换器电路16，以及在开关14与天线6的匹配电路4之间的带通滤波器18(BPF)。
功率放大器8是被设计来传递要由天线6发送的很大的RF功率量的电子放大器。低噪声放大器10是被设计来放大由天线6接收的微弱的信号的电子放大器。平衡-非平衡转换器电路12、16把平衡信号变换成非平衡信号，以及反之亦然。平衡信号是包含两个相同的导体之间的电压差的信号。非平衡信号是包含一个导体与信号地之间的电压差的信号。发送/接收开关14在信号被发送时把接收机放大器10从发射机放大器8隔离开，或在信号被接收时把发射机放大器8从接收机放大器10隔离开。带通滤波器18滤波信号频谱，以便抑制系统的频带外面的信号。
这种方法的复杂性限制了最小的成本和占用的空间以及性能，性能受限制是由于每个功能元件引起的所有的损耗与在它们之间的接口处的失配损耗的总和所导致的。
本发明的一个目的是提供在复杂度较低的发射机和/或接收机模块中处理信号的方法，该方法导致较低的成本。
为了达到这个目的，按照本发明的方法处理要从发射机模块发送的信号和/或要从接收机模块接收的信号，其中发射机模块包括偶极子天线和用于放大发射信号的发射机功率放大器以及接收机模块包括偶极子天线和用于放大接收信号的接收机放大器，该方法包括把差分信号从发射机功率放大器提供给天线和/或从天线提供给接收机放大器而不用把差分信号变换成单端信号的步骤。本发明的主要优点在于消除了平衡-非平衡转换器。这导致发射机和/或接收机模块的体积减小、成本降低和性能增强。另外，本发明的发射机和/或接收机模块适合于以混合模块的形式来实施。这是有利的，因为组件的成本可大大地降低以及几个其他的功能元件可以集成到本发明的模块中。可以看到，接收机放大器和发射机功率放大器的所述天线可以是同一个。
为了达到以上目的，提供了包括偶极子天线、用于放大发射信号的发射机功率放大器、和/或用于放大接收信号的接收机放大器的发射机和/或接收机模块，其中天线与发射机功率放大器和/或接收机放大器分别通过双线连接而被连接，由此，差分信号从天线被提供给接收机放大器和从发射机功率放大器被提供给天线，而不用把差分信号变换成单端信号。由于消除了平衡-非平衡转换器，发射机和/或接收机模块具有减小的体积和较低的成本。
按照本发明的、具有用于在接收信号与发射信号之间切换的平衡的开关电路的发射机和/或接收机模块的优选实施例，天线与用于放大发射信号的发射机功率放大器和/或用于放大接收信号的接收机放大器通过双线连接被连接到开关电路。
按照本发明的发射机和/或接收机模块的优选实施例，同一个天线被使用于发射机模块和/或接收机模块。这个天线是对于地平衡的。
按照本发明的、具有用于匹配天线与发射机功率放大器和/或接收机放大器的阻抗的匹配电路的发射机和/或接收机模块的优选实施例，天线包括在它们的两个不同的节点处被连接到匹配电路的两个天线部分。
按照本发明的发射机和/或接收机模块的优选实施例，匹配电路和天线被设计成包括模块的带通滤波器。通过把带通滤波器功能集成到匹配电路设计和天线设计中，这减小复杂度。
按照本发明的发射机和/或接收机模块的优选实施例，天线是窄带天线。
按照本发明的发射机和/或接收机模块的优选实施例，匹配电路是集成的并联谐振阻抗匹配电路。匹配电路的集成有利地减小发射机和/或接收机模块的体积。
窄带天线与并联谐振的匹配网络相组合的使用是消除至今为止一直需要的带通滤波器的优选方法。
按照本发明的发射机和/或接收机模块的优选实施例，阻抗匹配电路与偶极子辐射器天线的组合形成二极点带通滤波器。这导致进一步的体积减小和改进的带外频率选择性。
按照本发明的发射机和/或接收机模块的优选实施例，天线包括阶梯阻抗印刷偶极子。阻抗阶梯导致增加的阻抗带宽和减小的容抗，从而导致减小的天线尺寸。
按照本发明的发射机和/或接收机模块的优选实施例，阶梯阻抗印刷偶极子包含引线到两个偶极子横条的两条印刷的连接线，在连接线与偶极子横条之间的线的宽度的差值形成阶梯阻抗印刷偶极子的阶梯。这样的天线相对于波长是小的，以及对地是对称的。
按照本发明的模块的优选实施例，信号频带是在2,402GHz与2,480GHz之间(
Figure C0380291200061
(蓝牙)应用)。通常，该模块适用于任何蜂窝和短距离无线TDMA(时分多址)系统，因此系统处在1-6GHz范围。
按照优选实施例，本发明的发射机和/或接收机模块是混合模块。这减小模块的体积。混合技术是不同的技术的组合。在本例中，硅集成电路被使用于RF部件，以及叠层基片和分立的表面安装器件(smd)部件被使用于模块的无源部件。这个技术导致较低的成本和具有改进的性能的小的前端，这将在下面详细地描述。
本发明的另一个目的是提供具有天线的基片，它允许制做具有较低复杂度的发射机和/或接收机模块，从而导致较低成本的产品。
为了达到以上目的，基片配备有偶极子天线，该天线包括阻抗阶梯安排。阻抗阶梯安排导致更均匀的电流分布，从而导致更多的辐射。
按照本发明的基片的优选实施例，阻抗阶梯的实现在于偶极子天线包括两个连接部分，每个部分具有连接线和偶极子横条，该偶极子横条的宽度大于连接线的宽度。本实施例的优点在于，由于加宽偶极子横条，在感兴趣的频率上可以使用较短的天线。而且，通过适当的技术，诸如溅射、印刷、汽相淀积，在基片上可以提供偶极子横条与连接线以及其他互联。此外，由两个部分构建的天线可被设计成只使用基片上最小的空间。
在再一个实施例中，存在有并联谐振阻抗匹配电路，其中天线互联的部分、匹配电路的主要的部分和天线被包含在一个导电层上。导电层优选地包括金属。本实施例的优点在于，附加的带通滤波器是不必要的。带通滤波器的功能被集成在天线加匹配电路中，所述匹配电路包括第一和第二线，它们互相平行以及在一端通过连接线和在另一端通过电容互相耦合，正如在附图和说明中进一步说明的。
本发明的基片是构建以上的发射机/接收机模块的良好的基底，因为具有形成在其上的天线的基片可被使用来附着以上的发射机/接收机模块的其他有源和无源部件。换句话说，开关电路和收发信机设备(可被集成在一个电路小片中)以及电容被放置在具有阻抗阶梯的天线的基片上。如果想要的话，匹配电路的电容和另外的电容与无源部件可被集成为无源部件网络。替换地，无源部件和互联线可被集成在基片上，这个基片是多层型，在导电薄片之间具有绝缘层。虽然最好在与有源和/或无源部件相同的基片一侧提供天线部件，但这些部件可被提供在相反的一侧。基片还可包括一个腔体，其中可以放置任何分立元件。然而，这不是优选实施例，因为这将增加模块的高度。
本发明的再一个目的是给消费者电子设备配备接收机/发射机模块，它可以作为即插即用的模块供没有天线知识的制造商或消费者使用。这个目的的实现在于，消费者电子设备包括本发明的接收机/发射机模块。众所周知，现在有趋向于短距离的移动通信的趋势。这个趋势设想各种消费者电子设备可以作为一个系统进行耦合和驱动。消费者电子设备的例子包括个人计算机、个人数字助理(PALM)、笔记本电脑、遥控器和移动电话。将本发明的接收机和/或发射机模块集成到消费者电子设备提供使得在短距离上的所述通信成为可能的装置。此外，本发明的模块的集成具有这样的优点：比起具有单极子天线的模块来说，在这样的消费者电子设备中对其他功能电路的干扰或任何其他不希望的耦合是较小的。这是由于使用了偶极子天线，它在设备的接地平面内不生成电流，而单极子天线的运行依赖于这样的电流的生成。
本发明的模块集成的另一个优点在于，所有必要的功能元件被集成在一个基片上，它可放置在印刷电路板上或插入在如调制解调器/SIM卡之类的设备中。除了这种在一个基片上的集成提供了可以容易处理的模块以外，该模块是非常薄的，所以适合于很薄的或越来越薄的各种各样的便携式设备。
表征本发明的新颖性的这些和各种其他优点和特征由附于本文并构成本文的一部分的权利要求书明确地规定。然而，为了更好地了解本发明、它的优点、和通过使用它达到的目的，应当参考形成本发明的另一个部分的附图，以及伴随的说明性材料-其中说明本发明的优选实施例。
现在参照附图描述本发明的优选实施例，其中
图1是传统的发射机和/或接收机模块的方框图；
图2是本发明的实施例中的发射机和/或接收机模块的方框图；
图3是本发明的实施例中的发射机和/或接收机模块的平面图；
图4是本发明的实施例中的发射机和/或接收机模块的阻抗匹配电路的详细图；
图5是阻抗匹配电路与偶极子辐射器天线的组合的等效电路图；
图6是天线加匹配网络的测量的辐射效率的曲线图；
图7是测量的输入反射系数S11的曲线图；以及
图8是宽带传输特性的曲线图。
图2是本发明的发射机和/或接收机模块的实施例的方框图。该模块包括前端发射机/接收机电路22、开关24、和被连接到匹配电路26的偶极子天线28(ANT)。发射机/接收机电路22包括用于发射机功能的发射机功率放大器30(PA)，和用于接收机功能的接收机低噪声放大器32(LNA)。开关24被级联在发射机/接收机电路22与天线28的匹配电路26之间。
匹配电路26与开关24通过双线连接25进行连接。开关24与发射机功率放大器30通过双线连接27进行连接，以及该开关与接收机放大器32通过双线连接29进行连接。加到天线28的差分信号因此由发射机功率放大器30从天线(28)提供到接收机放大器32，而不用把差分信号变换成单端信号。所以，传统电路中必须的平衡-非平衡转换器被去除。
图3显示图2的实施例的发射机和/或接收机模块在蓝牙收发信机模块中的实施方案的例子。功率放大器30、低噪声放大器32、发射/接收开关24、天线匹配电路26和天线28被形成在叠层电路板34上。接地平面(未示出)被形成，特别是被印刷在电路板24的背面。
天线28是偶极子天线，它包括两条印刷的连接线36、38，分别从匹配电路26引到两个偶极子横条40、42。偶极子横条40，42经由连接线36、38被连接到匹配电路的两个不同的节点41、43。偶极子横条40、42一起呈现一个特性阻抗。连接线和偶极子横条的各个阻抗值取决于连接线36、38和偶极子横条40、42的线宽。在本实施例中，使用具有阶梯线宽的偶极子线，这相应于特性阻抗的阶梯。
在具有均匀阻抗(无阻抗阶梯)的偶极子中，电流从中间的最大值减小到天线末端的零。只有流过RF电流的这些部分的天线28才对辐射有贡献。在馈电点处给定某个电流后，阻抗阶梯导致更均匀的电流分布，从而导致更多的辐射。这改进天线28的阻抗带宽。而且，对于给定的天线尺寸，天线的宽线(低阻抗)段(即，偶极子横条40、42)降低谐振频率。这意味着，在感兴趣的频率上可以使用较短的天线。
如果天线28的输入阻抗等于放大器30的所设计的数值，功率放大器30只能传递想要的RF功率到天线28。同样地，如果低噪声放大器32的输入阻抗等于天线28的输出阻抗，则天线28只能传递所有接收的功率到低噪声放大器32。实际上，阻抗值不必相等，而只需要匹配到某个程度。匹配电路26在系统的通带上改进这个匹配。
以上实施例的发射机和/或接收机模块对于频率是选择性的，这意味着，它可以鉴别频率。这可以衰减系统设计频带以外的不想要的信号，而通过想要频带(即，所谓的通带)的信号。
图4是具有以上的功能元件的阻抗匹配电路26的详细图。根据等效电路，它包括并联电容50(C_2)，这是与阻抗匹配电路26的输入端相并联的smd(表面安装)元件。并联电容50的每一端分别连接到串联电感52、54(L_3a，L_3b)，串联电感52、54的另一端通过并联电感56(L_2)互联，该并联电感叉并联到阻抗匹配电路26的输出端。电感52、54、56的数值取决于印刷线的宽度和长度。电感52、54、56的数值和电容50的数值由通带的频带确定。
并联电容50，串联电感52、54，和并联电感56形成并联谐振电路，它是电容器与电感器的并联组合。在本例中，电感器被分成三个部分，以便为天线提供适当的阻抗值。匹配电路26的两个不同的节点41、43位于并联电感56的两个末端。
图5是阻抗匹配电路与偶极子辐射器天线的组合的等效电路图。阻抗匹配电路的输出端被连接到偶极子辐射器天线28，根据等效电路，天线28包括第一损耗电阻60(R_2a)、第一电感62(L_1a)、第一电容64(C_1a)、辐射电阻66(R_1)、第二电容68(C_1b)、第二电感70(L_1b)和第二损耗电阻器72(R_2b)的串联电路。
第一电感62、第一电容64、辐射电阻66、第二电容68、第二电感70和第二电阻器72形成串联谐振电路。由于天线的平衡特性，电路被分成两个部分。
电路包括两个谐振器：并联谐振器和串联谐振器。并联谐振器包括并联电容50、串联电感52、54和并联电感56。串联谐振器包括第一电感62、第二电感70、第一电容64和第二电容68。
模块的电路拓扑显示，偶极子天线加匹配电路的组合等效于经典的二极点带通滤波器。换句话说，带通滤波器的功能被组合或被集成到匹配电路26与天线28中，从而导致复杂度降低的一个小的构建块。
在集成的并联谐振阻抗匹配电路的实施例中，并联谐振是由电容器50与两条线52、54相并联的结果。
模块的集成也涉及到天线电路28、匹配电路26、开关电路和收发信机31、32在同一个(叠层)基片34上的集成。
图6是本发明的以上实施例的发射机和/或接收机模块的天线加匹配网络对于蓝牙应用所测量的辐射效率的曲线图。图7是本发明的以上实施例的发射机和/或接收机模块对于蓝牙应用所测量的输入反射系数S11的曲线图。
辐射效率是辐射功率与实际进入天线端的功率的比值。反射系数S11是设备对于它的标称值的输入阻抗匹配的质量的度量。反射系数S11被定义为在二端口网络的端口2被端接成无反射时，在端口1处的反射波与入射波的比值。-10dB的所谓的回波损耗值相应于电压驻波比(VSWR)＜2∶1。这意味着，该阻抗与它的标称值(典型地50欧姆)的偏差不大于2倍。2∶1的VSWR是对于移动电话的天线的典型值，以及相关的失配损耗(0.5dB)是对于这种失配水平刚能接受的。
图6涉及阶梯阻抗印刷偶极天线的实施例，以及显示了与经典偶极子的比较结果，该经典偶极子是沿长度具有均匀截面的、不带有阻抗阶梯的天线。图6的效率曲线图不单与天线的辐射效率有关，而且也与整体的模块有关。由于匹配电路和天线是对于损耗的关键部件，该效率证明，虽然没有平衡-非平衡转换器，但在发射机/接收机与天线之间的信号传输将是适当的。
图6和7也显示在4％的带宽范围内达到大于40％的辐射效率与优于-10dB的回波损耗水平的组合。这是对于具有相同的尺寸的经典的印刷偶极子的重大的改进，经典的印刷偶极子在-10dB的回波损耗水平下只提供1％的阻抗带宽。
阻抗带宽是天线阻抗与标称值的偏差小于一定的数值的频率范围(带宽)。标称值典型地是50欧姆。带宽常常是对于2∶1的VSWR值规定的，这意味着，实际的天线阻抗偏差不大于2倍。
另外，图7显示在大约2350MHz与2550MHz之间达到优于10dB的回波损耗，也就是以2450MHz的蓝牙中心频率为中心的200MHz的范围。大的阻抗带宽的优点是，天线不容易受环境的干扰。由于环境的变化引起的、天线的小的频率移位不会导致严重的阻抗失配和相应的信号损耗。
图8是蓝牙的宽带传输特性的曲线图，图上具体地显示在本发明的阶梯阻抗印刷偶极子中带通滤波器的选择性。可以看到，天线附加地提供带外信号的很大的衰减。衰减的最小值位于蓝牙的频带内。在2.4GHz和2.5GHz频率上的衰减大约等于在P3和P4处的-3.4dB和-3.3dB。对于900MHz频率的衰减等于-35dBc和对于1800MHz频率的衰减等于-25dBc。单位dBc表示相对于载波的信号电平。在本例中，载波是通带中的信号电平。
图6、7和8上显示的曲线是蓝牙应用中发射机和/或接收机模块的特性。对于GSM应用，例如在1710MHz和1880MHz之间(GSM 1800)和在1850MHz和1990MHz之间(GSM 1900)的特性频段中得到类似的结果。这些图的不同点仅仅在于，其他频率可应用于信号频带。显然，天线的偶极子横条也可以是不同的。
在以上的说明中阐述了由本文件覆盖的本发明的新的特征和优点。然而，应当看到，本公开内容在许多方面仅仅是说明性的。在不背离本发明范围的前提下，可以在细节上，特别是在部件的形状、尺寸和安排方面作出改变。当然，本发明的范围由表述所附权利要求书的各条款来规定。

Claims (8)

1.一种发射机和接收机模块，包括：
偶极子天线(28)，包括两个天线部分(40，42)；
发射机功率放大器(30)，用于放大发射信号；
接收机放大器(32)，用于放大接收信号，
其中，天线(28)和发射机功率放大器(30)通过相应的双线连接进行互连，以及天线(28)和接收机放大器(32)通过相应的双线连接进行互连，由此差分信号被从天线提供给接收机放大器和/或从发射机功率放大器(30)提供给天线(28)，而不用把差分信号转换为单端信号，
在(i)天线与(ii)接收机放大器和发射机功率放大器之间存在匹配电路(26)，用于匹配天线(28)和发射机功率放大器(30)和/或接收机放大器(32)的输出阻抗，并且两个天线部分(40，42)在它们的两个不同的节点(41，43)处连接到匹配电路(26)，其中匹配电路(26)是集成的并联谐振阻抗匹配网络，该并联谐振阻抗匹配网络包括并联电容、并联电感和串联电感，所述两个不同的节点位于并联电感的两个末端，并且所述匹配电路(26)和天线(28)的组合形成二极点带通滤波器。
2.如权利要求1所述的发射机和接收机模块，其中偶极子天线包括阻抗阶梯安排。
3.如权利要求2所述的发射机和接收机模块，其中阻抗阶梯安排以天线部分中线宽的阶梯来实现。
4.如权利要求2或3所述的发射机和接收机模块，其中偶极子天线是阶梯阻抗印刷偶极子。
5.如权利要求1所述的发射机和接收机模块，其中匹配电路(26)和天线(28)包括并联谐振器和串联谐振器。
6.如权利要求1或5所述的发射机和接收机模块，其中匹配电路(26)和天线(28)被设计成为所述模块提供带通滤波器功能。
7.如权利要求1所述的发射机和接收机模块，具有用于在接收信号与发射信号之间进行切换的平衡开关电路(24)，其中天线(28)和发射机功率放大器(30)以及接收机放大器(32)通过双线互连连接到开关电路(24)。
8.一种处理从发射机模块发射的信号和/或由接收机模块接收的信号的方法，该发射机模块包括偶极子天线和用于放大发射信号的发射机功率放大器，该接收机模块包括偶极子天线和用于放大接收信号的接收机放大器，该方法包括如下步骤：把差分信号从发射机功率放大器提供给天线和/或从天线提供给接收机放大器，而不用把差分信号转换为单端信号，
其中，使用前述任一项权利要求所述的发射机和接收机模块作为所述发射机模块或接收机模块。
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