專利名稱：射頻前端結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信裝置中的射頻前端的集成結(jié)構(gòu)。所述前端至少包括天線以及同時在發(fā)射與接收支路中的射頻放大器和濾波器。
在雙向無線裝置、如移動臺的射頻部分中需要數(shù)個濾波器。在發(fā)射支路中必須去除混頻器產(chǎn)生的附加頻率分量以及功率放大器產(chǎn)生的附加頻率分量。在接收支路中，需要濾波器以便獲得基本的選擇性、保護低噪聲前置放大器、以及衰減在接收頻帶上由發(fā)射機產(chǎn)生的噪聲。在不同發(fā)射和接收頻率的情況下，一般使用雙工濾波器來分開彼此不同的傳輸方向。在發(fā)射和接收頻率相同的系統(tǒng)中、以及在發(fā)射和接收是在不同頻率和不同時刻發(fā)生的系統(tǒng)中使用天線開關(guān)。射頻前端的其他功能單元包括前述的放大器、測量傳輸功率以便進(jìn)行功率控制的定向耦合器以及混頻器。
接連的射頻單元的集成是困難的，這主要是因為濾波器的體積相對較大。如果例如天線開關(guān)、低噪聲放大器(LNA)以及它們之間的濾波器集成在一塊芯片上，濾波器的大體積要求相對較大的連接帶，后者產(chǎn)生降低濾波器的選擇性的電雜散量和感應(yīng)耦合。因此，把濾波器和其他單元一起完全集成在各有源RF單元之間是不實際的。
使集成困難的另一事實是市場上的元件通常具有50Ω的輸入和輸出阻抗，以便使調(diào)制器設(shè)計更容易。但是，RF電路輸入和輸出阻抗的有利值通常是不同的例如，LNA的最佳輸入阻抗電平是大約100到200Ω。如果放大器具有這種輸入阻抗，那么，與前述電路的標(biāo)準(zhǔn)阻抗的匹配需要單獨的匹配電路。這會增加無線裝置的體積和成本。另外，匹配電路導(dǎo)致傳輸通路上的信號的附加損失，這反過來意味著更短的通話時間以及其他問題。
從先有技術(shù)中，已知的有大量結(jié)構(gòu)旨在得到盡可能高的RF電路的集成度。根據(jù)先有技術(shù)的無線電裝置通常包括至少一種集成元件和與它/他們相連的分立濾波器。
專利文件WO93/14573公開了一種適合于時分多址的方案，其中收發(fā)信機的所有有源元件集成在單個電路中。這種方案的缺點在于，在集成電路與其外部的濾波器之間有匹配問題。另外，集成電路不包括定向耦合器。設(shè)置在印刷電路板中的外部定向耦合器易受到電干擾的影響、在印刷電路板上需要相當(dāng)大的空間、另外導(dǎo)致發(fā)射鏈中至少0.5dB的額外損耗，這對通信裝置的電流消耗有直接影響。
從美國專利No.4792939中，已知這樣的方案，其中把雙工器、發(fā)射機和接收機集成在一塊芯片上。在該方案中，用聲表面波(SAW)技術(shù)實現(xiàn)雙工器、帶通濾波器和混頻器。這種方案的缺點在于，SAW需要的匹配電路相當(dāng)長、SAW電路本身損耗大并且與發(fā)射功率相比具有這樣低的功率容量，使得該方案不可能應(yīng)用于現(xiàn)代移動電話中。
美國專利No.5432489公開了使用傳輸線的方案，該傳輸線作為定向耦合器的一部分而屬于發(fā)射支路帶通濾波器或?qū)儆谄ヅ潆娐?。這樣，可以把定向耦合器從印刷電路板移到低耗襯底上并且在高頻濾波器的保護外殼之內(nèi)。這個方案的優(yōu)點在于，它節(jié)省了空間并且降低了對干擾的敏感性以及定向耦合器導(dǎo)致的傳輸損耗，但是缺點是在其他方面集成問題仍然存在。
從美國專利No.5903820中，已知一種方案，其中把天線濾波器AFI、天線開關(guān)ASW、定向耦合器DCO、低噪聲放大器LNA、混頻器MIX以及功率放大器PA集成為一個整體。這種整體構(gòu)成移動臺的印刷電路板上的一個元件。

圖1a示出要集成的所述整體10的框圖。圖1b示出電路10的實際實現(xiàn)的實例。在該實例中，所有元件組裝在同一個低耗襯底S上。最耗費空間的元件是同軸諧振器11和12，它們構(gòu)成天線濾波器AFI的最大部分。這些部分位于公共的保護它們免受干擾的外殼SH內(nèi)。
按照圖1的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，在放大器LNA的輸入端和放大器PA的輸出端、匹配所需的構(gòu)成元件的數(shù)目較少，因為不需要提供與50Ω阻抗電平的匹配。還有一些優(yōu)點包括寄生效應(yīng)的減少、插在通信裝置的印刷電路板上的元件數(shù)的減少、以及電路板上需要的面積的減少。該結(jié)構(gòu)的缺點是圖1a中所示的發(fā)射支路帶通濾波器20和接收支路帶通濾波器30仍然是電路板上分開的單元。天線也是分立元件。
本發(fā)明的一個目的是減少先有技術(shù)的上述缺點。按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的特征在于獨立權(quán)利要求中所表達(dá)的。在其他權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的最佳實施例。
本發(fā)明的基本思路如下通信裝置的天線構(gòu)造在印刷電路板上。在天線電路板上、在其接地層一側(cè)，借助固定保護框架裝上第二印刷電路板，所述第二電路板包括射頻前端的其他部分。在各部分之間，采用從電工作的觀點來看、適當(dāng)?shù)淖杩辜墶Ｋ兴霾糠忠黄饦?gòu)成位于通信裝置的外殼內(nèi)部的固態(tài)元件。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，在RF部分之間用于匹配所需的構(gòu)成元件的數(shù)目比先有技術(shù)結(jié)構(gòu)中的少。本發(fā)明的另一優(yōu)點是，使得接收機有可能比先有技術(shù)結(jié)構(gòu)更靈敏。借助于例如內(nèi)部最優(yōu)化可以提高接收支路的噪聲指數(shù)和靈敏度。本發(fā)明另一個優(yōu)點是，使得發(fā)射機中損耗有可能比先有技術(shù)結(jié)構(gòu)更低。例如，把功率放大器PA的輸入阻抗從50Ω改變?yōu)?Ω，使得功率放大器的設(shè)計相當(dāng)容易，同時提高了功率放大器的效率。本發(fā)明還有另一個優(yōu)點是，提供了包括具有天線的整個射頻前端的單個元件。這導(dǎo)致通信裝置更小并且簡化了設(shè)計。
現(xiàn)在詳細(xì)描述本發(fā)明。參照以下附圖圖1a以框圖形式表示通信裝置的前端的實例，圖1b表示按照圖1a的先有技術(shù)的前端的實際實現(xiàn)的實例，圖2以框圖形式表示通信裝置的前端的第二實例，
圖3a表示按照本發(fā)明的天線電路板的實例，圖3b表示按照本發(fā)明的功能模塊的替換的實例，以及圖4以元件的形式表示按照本發(fā)明的前端的實例。
已經(jīng)聯(lián)系先有技術(shù)的描述討論了圖1a和1b。
圖2表示通信裝置的可能的射頻前端的框圖。前端200包括天線210、雙工濾波器220、低噪聲放大器230、帶通濾波器241和242以及功率放大器250。天線連接到雙工濾波器220中的雙向天線端口。雙工濾波器的接收端口連接到放大器230的輸入端，并且放大器230的輸出端連接到帶通濾波器241的輸入端。濾波器241的輸出端連接到接收支路混頻器，而濾波器242的輸入端連接到發(fā)射支路混頻器。濾波器242的輸出端連接到放大器250的輸入端，而放大器250的輸出端連接到雙工濾波器220的發(fā)射端口。
下面描述如何根據(jù)本發(fā)明、把按照圖2的前端200集成為單個元件。
圖3a示出按照本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)的實例。必不可少的是，作為元件的天線是板狀的。圖3a示出一種天線電路板310，在其從圖3a中不可見的下表面或第二表面上有接地層311，后者基本上覆蓋了該表面的整個面。在電路板310的上表面或第一表面上，有在此實例中的三個輻射元件導(dǎo)電區(qū)312、313和314。導(dǎo)電區(qū)312和313是平面的，并且如果除了具有公共饋線之外，它們還短路到地，則它們形成雙頻平面倒F天線(PIFA)。導(dǎo)電區(qū)314包括曲折圖案的導(dǎo)體?？梢允顾蛘咴赑IFA頻率范圍或者在某個第三頻率范圍上輻射。示于圖3a中的電路板310比其實際體積大得多。
圖3b說明組裝RF前端的其他功能單元的方法。圖3b中所示為可能是印刷電路板的板狀件321。四個模塊220、230、240和250設(shè)置在板321上。這些標(biāo)號對應(yīng)于圖2中的標(biāo)號。模塊220包括雙工濾波器，模塊230是低噪聲放大器LNA，模塊240是帶通濾波器241和242，而模塊250包括功率放大器PA。在此實例中，濾波器是用同軸諧振器來實現(xiàn)的。在圖中指明一個諧振器325。圖3b示出柱狀導(dǎo)體323，其功能是提供板321與天線板310之間的連接。導(dǎo)體323的下端通過導(dǎo)電帶322連接到濾波器220。板321上的其他連接未示出。板321的在圖3b中不可見的下表面是導(dǎo)電的。電路板321及其上的模塊都畫得比其實際樣子大得多。
圖4表示把前端組裝成單個元件的實例。元件400包括天線電路板310、模塊組件320和剛性機械框架410。框架410支撐天線電路板和電路板321。從而為濾波器和放大器提供了保護殼。圖4示出向下延伸的導(dǎo)體420，它是元件400與通信裝置的其他部分之間的一個導(dǎo)體。圖4中所示部分在機械上是結(jié)實的，并且緊緊地互相結(jié)合在一起，使得所形成的元件400緊湊。實際上它比圖中的小得多。
以上描述了根據(jù)本發(fā)明的方案。本發(fā)明不限制天線板上的元件的數(shù)目或尺寸。本發(fā)明也不限制前端中的RF單元的數(shù)目或者特性或內(nèi)部實現(xiàn)。本發(fā)明也不限于任何特定的應(yīng)用。它可以用在各種應(yīng)用場合中的收發(fā)信機中，而且可用在不同頻率和不同的多址方式下，最好是在射頻如UHF(特高頻)和VHF(甚高頻)下使用。按照本發(fā)明的配置可以用在具有分立或集成天線的基于數(shù)字時分多址的系統(tǒng)[TDMA/FDMA(時分多址/頻分多址)、TDMA/FDD(時分多址/頻分雙工)或者TDMA/TDD(時分多址/時分雙工)]的用戶裝置中、車載電話中和手持電話中。在獨立權(quán)利要求所定義的范圍之內(nèi)，可以通過許多方式來應(yīng)用本發(fā)明的思想。
權(quán)利要求
1.一種射頻前端的結(jié)構(gòu)，它包括作為功能單元的天線、至少一個帶通濾波器和至少一個放大器，其中前端有源和無源元件部分已被集成，其特征在于它包括天線電路板，在其第一表面上有至少一個輻射元件并且在其第二表面上有導(dǎo)電板；所述濾波器和放大器是由其中一個表面導(dǎo)電的第二電路板支撐的；它還包括保護框架，使得所述保護框架、天線電路板和所述第二電路板構(gòu)成基本上閉合的空間；所述天線電路板、帶有所安裝的單元的所述第二電路板以及所述保護框架構(gòu)成單個固體元件；以及在所述元件中，所述第二印刷電路板與天線電路板之間的距離顯著地小于與所述前端的任何工作頻率對應(yīng)的波長的四分之一。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，它包括發(fā)射支路和接收支路，其特征在于雙工濾波器、接收濾波器之后的低噪聲放大器、功率放大器之后的發(fā)射濾波器以及定向耦合器是所述功能單元。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，它包括發(fā)射支路和接收支路，其特征在于天線濾波器和天線開關(guān)、接收濾波器之后的低噪聲放大器、功率放大器之后的發(fā)射濾波器以及定向耦合器是所述功能單元。
4.如權(quán)利要求2或3所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于至少還有發(fā)射和接收支路混頻器、調(diào)制器、解調(diào)器以及與這些相關(guān)的濾波器是所述功能單元。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電路板天線是包括至少兩個輻射元件的多頻天線。
6.一種包括射頻前端的通信裝置，其特征在于所述前端包括天線電路板，在該天線電路板的第一表面上有所述通信裝置的所述天線的輻射元件并且在其第二表面上有導(dǎo)電板；在所述前端中的其他功能單元是由其中一個表面導(dǎo)電的第二電路板支撐的；所述前端還包括保護框架，使得所述保護框架、所述天線電路板的所述導(dǎo)電的第二表面以及所述第二電路板的所述導(dǎo)電表面構(gòu)成基本上閉合的空間；所述天線電路板、帶有所安裝的單元的所述第二電路板以及所述保護框架構(gòu)成單個固體元件；在所述元件中，所述第二電路板與天線電路板之間的距離顯著地小于與所述前端的任何工作頻率對應(yīng)的波長的四分之一；以及所述元件完全在所述通信裝置的外殼之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信裝置的射頻前端的集成結(jié)構(gòu)。所述通信裝置的天線構(gòu)造在印刷電路板上。在此天線電路板(310)上,在其接地層一側(cè),借助固定保護框架(410)安裝第二電路板(321),該第二電路板包括射頻前端的其他部件。在各部件之間,使用從電操作的觀點來看適當(dāng)?shù)淖杩辜?。所有所述部分一起?gòu)成位于所述通信裝置的外殼內(nèi)的集成元件(400)。本發(fā)明的優(yōu)點在于,它需要較少的用于RF部分之間匹配的元件數(shù)目,并且使得與先有技術(shù)結(jié)構(gòu)相比,接收機的靈敏度和發(fā)射效率有可能更高。
文檔編號H01Q23/00GK1360760SQ00810239
公開日2002年7月24日 申請日期2000年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月14日
發(fā)明者P·哈格斯特倫 申請人:菲爾特朗尼克Lk有限公司