發射機和/或接收機模塊的制作方法

專利名稱：發射機和/或接收機模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及在發射機和/或接收機模塊中處理信號的方法，發射機和/或接收機模塊、以及在發射機和/或接收機模塊中使用的帶有天線的基片。本發明還涉及消費者電子設備。
典型的收發信機前端的復雜度常常由對于接收機與發射機的隔離的要求、對于帶外濾波的要求、以及對于單端和差分信號之間的變換的需要來確定。為了滿足這些要求，在傳統的模塊中需要平衡-非平衡轉換器(Balun)(即平衡-非平衡轉換電路)、開關、和帶通濾波器。另外，需要一個天線加匹配(antenna plus matching)網絡。


圖1是顯示傳統的前端發射機/接收機電路2、匹配電路4、被連接到匹配電路4的天線6、以及連接發射機/接收機電路與匹配電路的級聯電路3的框圖。發射機/接收機電路2包括用于發射機功能的功率放大器8(PA)，和用于接收機功能的低噪聲放大器10(LNA)。級聯電路3包括在功率放大器8與發送/接收開關14(SW)之間的平衡-非平衡轉換器電路12(BAL)，在低噪聲放大器10與開關14之間的另一個平衡-非平衡轉換器電路16，以及在開關14與天線6的匹配電路4之間的帶通濾波器18(BPF)。
功率放大器8是被設計來傳遞要由天線6發送的很大的RF功率量的電子放大器。低噪聲放大器10是被設計來放大由天線6接收的微弱的信號的電子放大器。平衡-非平衡轉換器電路12、16把平衡信號變換成非平衡信號，以及反之亦然。平衡信號是包含兩個相同的導體之間的電壓差的信號。非平衡信號是包含一個導體與信號地之間的電壓差的信號。發送/接收開關14在信號被發送時把接收機放大器10從發射機放大器8隔離開，或在信號被接收時把發射機放大器8從接收機放大器10隔離開。帶通濾波器18濾波信號頻譜，以便抑制系統的頻帶外面的信號。
這種方法的復雜性限制了最小的成本和占用的空間以及性能，性能受限制是由于每個功能元件引起的所有的損耗與在它們之間的接口處的失配損耗的總和所導致的。
本發明的一個目的是提供在復雜度較低的發射機和/或接收機模塊中處理信號的方法，該方法導致較低的成本。
為了達到這個目的，按照本發明的方法處理要從發射機模塊發送的信號和/或要從接收機模塊接收的信號，其中發射機模塊包括偶極子天線和用于放大發射信號的發射機功率放大器以及接收機模塊包括偶極子天線和用于放大接收信號的接收機放大器，該方法包括把差分信號從發射機功率放大器提供給天線和/或從天線提供給接收機放大器而不用把差分信號變換成單端信號的步驟。本發明的主要優點在于消除了平衡-非平衡轉換器。這導致發射機和/或接收機模塊的體積減小、成本降低和性能增強。另外，本發明的發射機和/或接收機模塊適合于以混合模塊的形式來實施。這是有利的，因為組件的成本可大大地降低以及幾個其他的功能元件可以集成到本發明的模塊中。可以看到，接收機放大器和發射機功率放大器的所述天線可以是同一個。
為了達到以上目的，提供了包括偶極子天線、用于放大發射信號的發射機功率放大器、和/或用于放大接收信號的接收機放大器的發射機和/或接收機模塊，其中天線與發射機功率放大器和/或接收機放大器分別通過雙線連接而被連接，由此，差分信號從天線被提供給接收機放大器和從發射機功率放大器被提供給天線，而不用把差分信號變換成單端信號。由于消除了平衡-非平衡轉換器，發射機和/或接收機模塊具有減小的體積和較低的成本。
按照本發明的、具有用于在接收信號與發射信號之間切換的平衡的開關電路的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，天線與用于放大發射信號的發射機功率放大器和/或用于放大接收信號的接收機放大器通過雙線連接被連接到開關電路。
按照本發明的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，同一個天線被使用于發射機模塊和/或接收機模塊。這個天線是對于地平衡的。
按照本發明的、具有用于匹配天線與發射機功率放大器和/或接收機放大器的阻抗的匹配電路的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，天線包括在它們的兩個不同的節點處被連接到匹配電路的兩個天線部分。
按照本發明的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，匹配電路和天線被設計成包括模塊的帶通濾波器。通過把帶通濾波器功能集成到匹配電路設計和天線設計中，這減小復雜度。
按照本發明的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，天線是窄帶天線。
按照本發明的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，匹配電路是集成的并聯諧振阻抗匹配電路。匹配電路的集成有利地減小發射機和/或接收機模塊的體積。
窄帶天線與并聯諧振的匹配網絡相組合的使用是消除至今為止一直需要的帶通濾波器的優選方法。
按照本發明的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，阻抗匹配電路與偶極子輻射器天線的組合形成二極點帶通濾波器。這導致進一步的體積減小和改進的帶外頻率選擇性。
按照本發明的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，天線包括階梯阻抗印刷偶極子。阻抗階梯導致增加的阻抗帶寬和減小的容抗，從而導致減小的天線尺寸。
按照本發明的發射機和/或接收機模塊的優選實施例，階梯阻抗印刷偶極子包含引線到兩個偶極子橫條的兩條印刷的連接線，在連接線與偶極子橫條之間的線的寬度的差值形成階梯阻抗印刷偶極子的階梯。這樣的天線相對于波長是小的，以及對地是對稱的。
按照本發明的模塊的優選實施例，信號頻帶是在2,402GHz與2,480GHz之間(Bluetooth(藍牙)應用)。通常，該模塊適用于任何蜂窩和短距離無線TDMA(時分多址)系統，因此系統處在1-6GHz范圍。
按照優選實施例，本發明的發射機和/或接收機模塊是混合模塊。這減小模塊的體積。混合技術是不同的技術的組合。在本例中，硅集成電路被使用于RF部件，以及疊層基片和分立的表面安裝器件(smd)部件被使用于模塊的無源部件。這個技術導致較低的成本和具有改進的性能的小的前端，這將在下面詳細地描述。
本發明的另一個目的是提供具有天線的基片，它允許制做具有較低復雜度的發射機和/或接收機模塊，從而導致較低成本的產品。
為了達到以上目的，基片配備有偶極子天線，該天線包括阻抗階梯安排。阻抗階梯安排導致更均勻的電流分布，從而導致更多的輻射。
按照本發明的基片的優選實施例，阻抗階梯的實現在于偶極子天線包括兩個連接部分，每個部分具有連接線和偶極子橫條，該偶極子橫條的寬度大于連接線的寬度。本實施例的優點在于，由于加寬偶極子橫條，在感興趣的頻率上可以使用較短的天線。而且，通過適當的技術，諸如濺射、印刷、汽相淀積，在基片上可以提供偶極子橫條與連接線以及其他互聯。此外，由兩個部分構建的天線可被設計成只使用基片上最小的空間。
在再一個實施例中，存在有并聯諧振阻抗匹配電路，其中天線互聯的部分、匹配電路的主要的部分和天線被包含在一個導電層上。導電層優選地包括金屬。本實施例的優點在于，附加的帶通濾波器是不必要的。帶通濾波器的功能被集成在天線加匹配電路中，所述匹配電路包括第一和第二線，它們互相平行以及在一端通過連接線和在另一端通過電容互相耦合，正如在附圖和說明中進一步說明的。
本發明的基片是構建以上的發射機/接收機模塊的良好的基底，因為具有形成在其上的天線的基片可被使用來附著以上的發射機/接收機模塊的其他有源和無源部件。換句話說，開關電路和收發信機設備(可被集成在一個電路小片中)以及電容被放置在具有阻抗階梯的天線的基片上。如果想要的話，匹配電路的電容和另外的電容與無源部件可被集成為無源部件網絡。替換地，無源部件和互聯線可被集成在基片上，這個基片是多層型，在導電薄片之間具有絕緣層。雖然最好在與有源和/或無源部件相同的基片一側提供天線部件，但這些部件可被提供在相反的一側。基片還可包括一個腔體，其中可以放置任何分立元件。然而，這不是優選實施例，因為這將增加模塊的高度。
本發明的再一個目的是給消費者電子設備配備接收機/發射機模塊，它可以作為即插即用的模塊供沒有天線知識的制造商或消費者使用。這個目的的實現在于，消費者電子設備包括本發明的接收機/發射機模塊。眾所周知，現在有趨向于短距離的移動通信的趨勢。這個趨勢設想各種消費者電子設備可以作為一個系統進行耦合和驅動。消費者電子設備的例子包括個人計算機、個人數字助理(PALM)、筆記本電腦、遙控器和移動電話。將本發明的接收機和/或發射機模塊集成到消費者電子設備提供使得在短距離上的所述通信成為可能的裝置。此外，本發明的模塊的集成具有這樣的優點比起具有單極子天線的模塊來說，在這樣的消費者電子設備中對其他功能電路的干擾或任何其他不希望的耦合是較小的。這是由于使用了偶極子天線，它在設備的接地平面內不生成電流，而單極子天線的運行依賴于這樣的電流的生成。
本發明的模塊集成的另一個優點在于，所有必要的功能元件被集成在一個基片上，它可放置在印刷電路板上或插入在如調制解調器/SIM卡之類的設備中。除了這種在一個基片上的集成提供了可以容易處理的模塊以外，該模塊是非常薄的，所以適合于很薄的或越來越薄的各種各樣的便攜式設備。
表征本發明的新穎性的這些和各種其他優點和特征由附于本文并構成本文的一部分的權利要求書明確地規定。然而，為了更好地了解本發明、它的優點、和通過使用它達到的目的，應當參考形成本發明的另一個部分的附圖，以及伴隨的說明性材料-其中說明本發明的優選現在參照附圖描述本發明的優選實施例，其中圖1是傳統的發射機和/或接收機模塊的方框圖；圖2是本發明的實施例中的發射機和/或接收機模塊的方框圖；圖3是本發明的實施例中的發射機和/或接收機模塊的平面圖；圖4是本發明的實施例中的發射機和/或接收機模塊的阻抗匹配電路的詳細圖；圖5是阻抗匹配電路與偶極子輻射器天線的組合的等效電路圖；圖6是天線加匹配網絡的測量的輻射效率的曲線圖；圖7是測量的輸入反射系數S11的曲線圖；以及圖8是寬帶傳輸特性的曲線圖。
圖2是本發明的發射機和/或接收機模塊的實施例的方框圖。該模塊包括前端發射機/接收機電路22、開關24、和被連接到匹配電路26的偶極子天線28(ANT)。發射機/接收機電路22包括用于發射機功能的發射機功率放大器30(PA)，和用于接收機功能的接收機低噪聲放大器32(LNA)。開關24被級聯在發射機/接收機電路22與天線28的匹配電路26之間。
匹配電路26與開關24通過雙線連接25進行連接。開關24與發射機功率放大器30通過雙線連接27進行連接，以及該開關與接收機放大器32通過雙線連接29進行連接。加到天線28的差分信號因此由發射機功率放大器30從天線(28)提供到接收機放大器32，而不用把差分信號變換成單端信號。所以，傳統電路中必須的平衡-非平衡轉換器被去除。
圖3顯示圖2的實施例的發射機和/或接收機模塊在藍牙收發信機模塊中的實施方案的例子。功率放大器30、低噪聲放大器32、發射/接收開關24、天線匹配電路26和天線28被形成在疊層電路板34上。接地平面(未示出)被形成，特別是被印刷在電路板24的背面。
天線28是偶極子天線，它包括兩條印刷的連接線36、38，分別從匹配電路26引到兩個偶極子橫條40、42。偶極子橫條40，42經由連接線36、38被連接到匹配電路的兩個不同的節點41、43。偶極子橫條40、42一起呈現一個特性阻抗。連接線和偶極子橫條的各個阻抗值取決于連接線36、38和偶極子橫條40、42的線寬。在本實施例中，使用具有階梯線寬的偶極子線，這相應于特性阻抗的階梯。
在具有均勻阻抗(無阻抗階梯)的偶極子中，電流從中間的最大值減小到天線末端的零。只有流過RF電流的這些部分的天線28才對輻射有貢獻。在饋電點處給定某個電流后，阻抗階梯導致更均勻的電流分布，從而導致更多的輻射。這改進天線28的阻抗帶寬。而且，對于給定的天線尺寸，天線的寬線(低阻抗)段(即，偶極子橫條40、42)降低諧振頻率。這意味著，在感興趣的頻率上可以使用較短的天線。
如果天線28的輸入阻抗等于放大器30的所設計的數值，功率放大器30只能傳遞想要的RF功率到天線28。同樣地，如果低噪聲放大器32的輸入阻抗等于天線28的輸出阻抗，則天線28只能傳遞所有接收的功率到低噪聲放大器32。實際上，阻抗值不必相等，而只需要匹配到某個程度。匹配電路26在系統的通帶上改進這個匹配。
以上實施例的發射機和/或接收機模塊對于頻率是選擇性的，這意味著，它可以鑒別頻率。這可以衰減系統設計頻帶以外的不想要的信號，而通過想要頻帶(即，所謂的通帶)的信號。
圖4是具有以上的功能元件的阻抗匹配電路26的詳細圖。根據等效電路，它包括并聯電容50(C_2)，這是與阻抗匹配電路26的輸入端相并聯的smd(表面安裝)元件。并聯電容50的每一端分別連接到串聯電感52、54(L_3a，L_3b)，串聯電感52、54的另一端通過并聯電感56(L_2)互聯，該并聯電感又并聯到阻抗匹配電路26的輸出端。電感52、54、56的數值取決于印刷線的寬度和長度。電感52、54、56的數值和電容50的數值由通帶的頻帶確定。
并聯電容50，串聯電感52、54，和并聯電感56形成并聯諧振電路，它是電容器與電感器的并聯組合。在本例中，電感器被分成三個部分，以便為天線提供適當的阻抗值。匹配電路26的兩個不同的節點41、43位于并聯電感56的兩個末端。
圖5是阻抗匹配電路與偶極子輻射器天線的組合的等效電路圖。阻抗匹配電路的輸出端被連接到偶極子輻射器天線28，根據等效電路，天線28包括第一損耗電阻60(R_2a)、第一電感62(L_1a)、第一電容64(C_1a)、輻射電阻66(R_1)、第二電容68(C_1b)、第二電感70(L_1b)和第二損耗電阻器72(R_2b)的串聯電路。
第一電感62、第一電容64、輻射電阻66、第二電容68、第二電感70和第二電阻器72形成串聯諧振電路。由于天線的平衡特性，電路被分成兩個部分。
電路包括兩個諧振器并聯諧振器和串聯諧振器。并聯諧振器包括并聯電容50、串聯電感52、54和并聯電感56。串聯諧振器包括第一電感62、第二電感70、第一電容64和第二電容68。
模塊的電路拓撲顯示，偶極子天線加匹配電路的組合等效于經典的二極點帶通濾波器。換句話說，帶通濾波器的功能被組合或被集成到匹配電路26與天線28中，從而導致復雜度降低的一個小的構建塊。
在集成的并聯諧振阻抗匹配電路的實施例中，并聯諧振是由電容器50與兩條線52、54相并聯的結果。
模塊的集成也涉及到天線電路28、匹配電路26、開關電路和收發信機31、32在同一個(疊層)基片34上的集成。
圖6是本發明的以上實施例的發射機和/或接收機模塊的天線加匹配網絡對于藍牙應用所測量的輻射效率的曲線圖。圖7是本發明的以上實施例的發射機和/或接收機模塊對于藍牙應用所測量的輸入反射系數S11的曲線圖。
輻射效率是輻射功率與實際進入天線端的功率的比值。反射系數S11是設備對于它的標稱值的輸入阻抗匹配的質量的度量。反射系數S11被定義為在二端口網絡的端口2被端接成無反射時，在端口1處的反射波與入射波的比值。-10dB的所謂的回波損耗值相應于電壓駐波比(VSWR)＜2∶1。這意味著，該阻抗與它的標稱值(典型地50歐姆)的偏差不大于2倍。2∶1的VSWR是對于移動電話的天線的典型值，以及相關的失配損耗(0.5dB)是對于這種失配水平剛能接受的。
圖6涉及階梯阻抗印刷偶極天線的實施例，以及顯示了與經典偶極子的比較結果，該經典偶極子是沿長度具有均勻截面的、不帶有阻抗階梯的天線。圖6的效率曲線圖不單與天線的輻射效率有關，而且也與整體的模塊有關。由于匹配電路和天線是對于損耗的關鍵部件，該效率證明，雖然沒有平衡-非平衡轉換器，但在發射機/接收機與天線之間的信號傳輸將是適當的。
圖6和7也顯示在4％的帶寬范圍內達到大于40％的輻射效率與優于-10dB的回波損耗水平的組合。這是對于具有相同的尺寸的經典的印刷偶極子的重大的改進，經典的印刷偶極子在-10dB的回波損耗水平下只提供1％的阻抗帶寬。
阻抗帶寬是天線阻抗與標稱值的偏差小于一定的數值的頻率范圍(帶寬)。標稱值典型地是50歐姆。帶寬常常是對于2∶1的VSWR值規定的，這意味著，實際的天線阻抗偏差不大于2倍。
另外，圖7顯示在大約2350MHz與2550MHz之間達到優于10dB的回波損耗，也就是以2450MHz的藍牙中心頻率為中心的200MHz的范圍。大的阻抗帶寬的優點是，天線不容易受環境的干擾。由于環境的變化引起的、天線的小的頻率移位不會導致嚴重的阻抗失配和相應的信號損耗。
圖8是藍牙的寬帶傳輸特性的曲線圖，圖上具體地顯示在本發明的階梯阻抗印刷偶極子中帶通濾波器的選擇性。可以看到，天線附加地提供帶外信號的很大的衰減。衰減的最小值位于藍牙的頻帶內。在2.4GHz和2.5GHz頻率上的衰減大約等于在P3和P4處的-3.4dB和-3.3dB。對于900MHz頻率的衰減等于-35dBc和對于1800MHz頻率的衰減等于-25dBc。單位dBc表示相對于載波的信號電平。在本例中，載波是通帶中的信號電平。
圖6、7和8上顯示的曲線是藍牙應用中發射機和/或接收機模塊的特性。對于GSM應用，例如在1710MHz和1880MHz之間(GSM 1800)和在1850MHz和1990MHz之間(GSM 1900)的特性頻段中得到類似的結果。這些圖的不同點僅僅在于，其他頻率可應用于信號頻帶。顯然，天線的偶極子橫條也可以是不同的。
在以上的說明中闡述了由本文件覆蓋的本發明的新的特征和優點。然而，應當看到，本公開內容在許多方面僅僅是說明性的。在不背離本發明范圍的前提下，可以在細節上，特別是在部件的形狀、尺寸和安排方面作出改變。當然，本發明的范圍由表述所附權利要求書的各條款來規定。
權利要求
1.一種處理從發射機模塊發射的信號和/或由接收機模塊接收的信號的方法，該發射機模塊包括偶極子天線和用于放大發射信號的發射機功率放大器，該接收機模塊包括偶極子天線和用于放大接收信號的接收機放大器，所述方法包括這樣一個步驟把差分信號從發射機功率放大器提供給天線和/或從天線提供給接收機放大器，而不用把差分信號變換成單端信號。
2.如權利要求1中要求的方法，其中同一個平衡天線被使用于所述發射機模塊和/或接收機模塊。
3.一個發射機和/或接收機模塊包括偶極子天線(28)，用于放大發射信號的發射機功率放大器(30)，和/或用于放大接收信號的接收機放大器(32)，其中天線(28)和發射機功率放大器(30)和/或接收機放大器(32)通過雙線連接(25，27；25，29)分別進行互聯，由此差分信號從天線被提供給接收機放大器(32)以及從發射機功率放大器(30)被提供給天線(28)，而不用把差分信號變換成單端信號。
4.如權利要求3中要求的模塊，具有用于在接收信號與發射信號之間進行切換的平衡的開關電路(24)，其中天線(28)和用于放大發射信號的發射機功率放大器(30)和/或用于放大接收信號的接收機放大器(32)通過雙線互聯連接(25，27，29)被連接到開關電路(24)。
5.如權利要求3或4中要求的模塊，具有用來匹配天線(28)和發射機功率放大器(30)和/或接收機放大器(32)的輸出阻抗的匹配電路(26)，其中天線(28)包括兩個天線部分(40，42)，所述天線部分(40，42)在它們的兩個不同的節點(41，43)處連接到匹配電路(26)。
6.如權利要求5中要求的模塊，其中匹配電路(26)和天線(28)被設計成為所述模塊提供帶通濾波器功能。
7.如權利要求3中要求的模塊，其中匹配電路(26)是集成的并聯諧振阻抗匹配電路。
8.如權利要求3到7的任一項中要求的模塊，其中阻抗匹配電路(26)和偶極子輻射器天線(28)的組合形成二極帶通濾波器。
9.如權利要求3到8的任一項中要求的模塊，其中天線(28)包括階梯阻抗印刷偶極子。
10.裝配有偶極子天線的基片，所述天線包括阻抗階梯配置。
11.如權利要求10中要求的基片，其中所述阻抗階梯的實現在于所述偶極子天線包括兩個連接的部分，每個部分具有連接線和偶極子橫條，該偶極子橫條比起所述連接線具有更大的寬度。
12.如權利要求11中要求的基片，其特征在于，在所述天線各部分的互連處存在有匹配電路，所述匹配電路的主要部分和天線被實現在一個導電層上。
13.包括如權利要求1到9的任一項中要求的模塊的消費者電子設備。
全文摘要
發射機和/或接收機模塊包括偶極子天線(28)，用于將模塊的輸出阻抗與天線阻抗相匹配的匹配電路(26)，用于在接收信號與發射信號之間進行切換的開關電路(24)，用于放大發射信號的功率放大器(30)，以及用于放大接收信號的低噪聲接收機放大器(32)，其中匹配電路(26)和天線(28)被設計成為模塊提供帶通濾波器功能。差分信號從發射機功率放大器(30)被提供給天線(28)和/或從天線(28)被提供給接收機放大器(32)，而不用把差分信號變換成單端信號。
文檔編號H03H7/075GK1625844SQ03802912
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月17日 優先權日2002年1月31日
發明者A·J·M·德格拉奧 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司