專利名稱：單片式的高頻天線開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及開關(guān)機(jī)構(gòu)，用于有選擇性地將一個無線電收發(fā)信機(jī)的功率輸出放大器或一個低噪聲輸入放大器連接到一個天線，而特別涉及到這樣一種天線開關(guān)，其在高頻能夠工作，將一個無線電收發(fā)信機(jī)的功率輸出放大器的差示信號或一個低噪聲輸入放大器的差示信號連接到一個天線。
相關(guān)技術(shù)說明當(dāng)發(fā)射期間將一單一天線連接到一個無線電收發(fā)信機(jī)時，需要一種裝置有選擇地將收發(fā)信機(jī)輸出端連接到該天線而同時將收發(fā)信機(jī)輸入端同該天線隔離，而當(dāng)接收期間有選擇地將收發(fā)信機(jī)輸入端連接到該天線，而同時將收發(fā)信機(jī)輸出端同該天線隔離。過去，來自收發(fā)信機(jī)的輸入和輸出信號通常是用各種能利用來提供開關(guān)功能的方法在單-端接的五十歐姆的環(huán)境中加以設(shè)計的。例如，一個場效應(yīng)晶體管(FET)裝入到一個單極雙擲電路結(jié)構(gòu)中，以便根據(jù)該收發(fā)信機(jī)是處于發(fā)射還是接收狀態(tài)有選擇性地將該單端信號連接到天線。
雖然在一個單極雙擲電路結(jié)構(gòu)和其他開關(guān)裝置中的場效應(yīng)晶體管能夠同收發(fā)信機(jī)一起并到一單獨集成電路芯片上，但其工作頻率被限制得相當(dāng)?shù)?。在較高的頻率工作通常要求使用分立的PIN二極管或昂貴的砷化鎵晶體管執(zhí)行開關(guān)功能。例如一種共同熟悉的技術(shù)使用與一根1／4波長傳輸線結(jié)合的一個PIN二極管，以便有選擇性地將短路轉(zhuǎn)換到開路，以及反過來也一樣，以便有選擇性地連接和斷開天線到收發(fā)信機(jī)的功率輸出放大器或低噪聲輸入放大器。
今天，日趨要求減小無線電設(shè)備的尺度。特別是在無線電話工業(yè)中。為減小無線電設(shè)備的尺度，越來越多的功能度是并到一單獨的集成電路芯片上。然而，當(dāng)更多的功能度被集中到一單獨的集成電路上時，不同功能塊之間的相互影響將增加。為減小這種相互影響，元件間流動的信號作為差分信號而不是單端信號按規(guī)定路線發(fā)送。因此，為將天線開關(guān)“接通—芯片”(on—chip)包括進(jìn)去，需要一種裝置，用于連接功率輸出放大器的差示輸出信號對和低噪聲放大器的差示輸入信號對到該天線的單端信號。此外，天線開關(guān)需要工作在由許多當(dāng)今發(fā)現(xiàn)的和將來出現(xiàn)的無線電電話使用的相對高的無線電頻率上。這些無線電頻率可以超過2GHz。
因此，有利的是，去設(shè)計一個天線開關(guān)，用于有選擇地將一個收發(fā)信機(jī)的功率輸出放大器的差示輸出信號對和低噪聲輸入放大器的差示輸入信號對連接到一個天線的單端信號。又有利的是，對于一個收發(fā)信機(jī)，天線開關(guān)工作在約2GHz的頻率上，并能集成到一單獨的集成電路芯片上，特別是一個雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體上，再有利的是天線開關(guān)制造起來便宜。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一種天線開關(guān)，用于當(dāng)發(fā)射時有選擇性地將一輸出功率放大器的輸出差示信號對連接到天線的一單端信號，以及當(dāng)接收時有選擇地將一低噪聲輸入放大器的輸入差示信號對連接到該天線的該單端信號。一第一平衡—不平衡變換器的一單端信號電連接到天線，而該第一平衡—不平衡變換器的第一和第二差示信號電連接到一功率輸出放大器。一第二平衡—不平衡變換器的一單端信號電連接到天線，而該第二平衡—不平衡變換器的第一和第二差示信號電連接到一低噪聲放大器。當(dāng)收發(fā)信機(jī)處于接收狀態(tài)時，第一二極管有選擇地將第一平衡—不平衡變換器的第一差示信號對第二差示信號短路，由此在該第一平衡—不平衡變換器中形成開路電路。這樣，該單端信號同該第一平衡—不平衡變換器的第一和第二差示信號相隔離。同樣地，當(dāng)收發(fā)信機(jī)處于發(fā)射狀態(tài)時，第二二極管有選擇地將第二平衡—不平衡變換器的第一差示信號對第二差示信號短路，由此在該第二平衡—不平衡變換器中形成開路電路。這樣，該單端信號同該第二平衡—不平衡變換器的第一和第二差示信號相隔離。在本發(fā)明中使用的二極管最好是用于在集成電路芯片上靜電保護(hù)的雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體二極管。
附圖簡述為充分理解本發(fā)明，參照結(jié)合在此的附圖得到的下列詳細(xì)說明，

圖1為本發(fā)明的一種天線開關(guān)電路的功能方塊圖。
實施例的詳細(xì)說明現(xiàn)在參照圖1，在此說明用來實施一種天線開關(guān)的電路的功能方塊圖。收發(fā)信機(jī)100包括一個功率輸出放大器110，用于發(fā)送輸出信號，以及一個低噪聲入放大器120，用于接收輸入信號。該功率輸出放大器110和低噪聲輸入放大器120通過一個天線開關(guān)101電連接到一個天線130。在一優(yōu)選實施例中，收發(fā)信機(jī)100和天線開關(guān)101被制成一個單獨集成的半導(dǎo)體部件102。天線開關(guān)101包括一第一平衡—不平衡變換器／40和一第二平衡—不平衡變換器150，它們分別將功率輸出放大器110和低噪聲輸入放大器120連接到天線130。該第一平衡—不平衡變換器140的單端信號端160電連接到天線130的單端信號端170。同樣，第二平衡—不平衡變換器150的單端信號端180電連接到天線130的單端信號端170。
功率輸出放大器110的輸出端通過包括第一輸出差示信號190和第二輸出差示信號200的輸出差示信號對電連接到第一平衡—不平衡變換器140。同樣，低噪聲輸入放大器120的輸入端通過包括一第一輸入差示信號210和一第二輸入差示信號220電連接到第二平衡—不平衡變換器150。
一第一二極管230電連接在第一輸出差示信號190和第二輸出差示信號200之間。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，雖然第一二極管230的任意取向能適應(yīng)于施加到該二極管的陰極和陽極的適當(dāng)?shù)碾妷?，該第一二極管230的陰極電連接到第一輸出差示信號190，而該第一二極管230的陽極電連接到第二輸出差示信號200。
一第二二極管240電連接在第一輸入差示信號210和第二輸入差示信號220之間。類似于第一二極管230，第二二極管240的任意取向是能夠適應(yīng)的，然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，第二二極管240的陽極電連接到第一輸入差示信號210，而該第二二極管240的陰極電連接到第二輸入差示信號220。
使用在本發(fā)明中的平衡—不平衡變換器140和150的結(jié)構(gòu)和使用在工業(yè)中是熟悉的。作為一個例子，第一平衡-不平衡變換器140和第二平衡—不平衡變換器150包括由一第一電感300，一第一電容308，一第二電感305和一第二電容315形成的一個諧振環(huán)。中心抽頭320電連接到一個適當(dāng)?shù)碾妷豪珉娫措妷篤cc或接地，以產(chǎn)生用于偏置該第一二極管230和第二二極管240的適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷?。在?yōu)選實施例中，第一平衡—不平衡變換器140的中心抽頭320連接到Vcc，而第二平衡—不平衡變換器150的中心抽頭320連接到地。
根據(jù)發(fā)射和接收信號要求的工作頻率選擇使用在平衡—不平衡變換器140和150中的元件值和電路結(jié)構(gòu)。此外，其值也根據(jù)發(fā)射和接收信號所要求的工作頻率進(jìn)行選擇的直流阻塞電容250包括阻塞直流信號。雖然本發(fā)明應(yīng)用到所有工作頻率，本發(fā)明的優(yōu)點特別切合在高頻，在那里無便宜的“接通—芯片”方案存在。
設(shè)計第一平衡—不平衡變換器140使其諧振在發(fā)射和接收信號所要求的工作頻率上。在這些條件下，在第一平衡—不平衡變換器140的第一輸出差示信號190和第二輸出差示信號200之間的短路電路導(dǎo)致在單端信號端160處開路電路條件。開路電路條件將第一輸出差示信號190和第二輸出差示信號200同單端信號端160隔離，從而將功率輸出放大器110同天線130隔離。如將描述的那樣，本發(fā)明開發(fā)了平衡—不平衡變換器的性能以致于實現(xiàn)了天線開關(guān)。
同樣，設(shè)計第二平衡—不平衡變換器150使其諧振在發(fā)射和接收信號所要求的工作頻率上，以及在第二平衡—不平衡變換器150的第一輸入差示信號210和第二輸入差示信號220之間的短路電路導(dǎo)致在單端信號端180處開路電路條件。開路電路條件將第一輸入差示信號210和第二輸入差示信號220同單端信號端180隔離，從而將低噪聲輸入放大器120同天線130隔離。
為了在發(fā)射期間將該低噪聲輸入放大器120同天線130隔離，控制器300通過控制信號線310施加一個正向偏置電壓例如電源電壓Vcc至第二二極管240的陽極。該電源電壓Vcc之所以是正向偏置的，因為第二二極管240的陰極通過第二平衡—不平衡變換器150的中心抽頭320接地?？刂凭€310還包括一個電流限制電阻400。雖然可以使用單獨的控制信號線310向第一二極管230和第二二極管240施加各自的偏置電壓，但在本發(fā)明優(yōu)選實施例中使用單一的信號控制線310和單一的偏置電壓。因此，控制信號線310也電連接到第一二極管230的陰極。這樣，當(dāng)控制器300將正向偏置電壓Vcc施加到第二二極管240的陽極時，同時對第一二極管230的陰極施加了一個反向的偏置電壓，因為第一二極管230的陽極通過第一平衡—不平衡變換器140的中心抽頭320連接到電源電壓Vcc。
第二二極管240兩端的正向偏置電壓導(dǎo)致第一輸入差示信號210和第二輸入差示信號200之間的短路，從而導(dǎo)致在該第二平衡—不平衡變換器150的單端信號端180的開路條件，由此使第一輸入差示信號210和第二輸入差示信號220同天線130的單端信號端170隔離。同時，控制器300施加一個反向偏置電壓于第一二極管230的兩端。第一二極管230兩端的反向偏置電壓在第一二極管230兩端形成一個等效的開路電路以及第一平衡—不平衡變換器140按正常方式工作，同時輸出差示信號對通過第一平衡—不平衡變換器140電連接到天線130。
在接收期間，為將功率輸出放大器110同天線130隔離，按類似方式控制器300施加電壓至第一二極管230的陰極，該電壓將第一二極管230設(shè)置正向偏置狀態(tài)。例如，通過將控制信號線310連接到地，控制器300施加一正向偏置電壓到第一二極管230，因為該第一二極管230的陽極通過第一平衡—不平衡變換器140的中心抽頭320連接到電源電壓Vcc。第一二極管230兩端的該正向偏置電壓導(dǎo)致第一輸出差示信號190和第二輸出差示信號200之間短路，由此導(dǎo)致在第一平衡—不平衡變換器140的單端信號端160處的開路條件，從而將第一輸出差示信號190和第二輸出差示信號200同天線130的單端信號端170隔離。
同時，控制器300通過控制信號線310施加一個反向偏置電壓于第二二極管240兩端。第二二極管240兩端的該反向偏置電壓在該第二二極管240兩端形成等效開路電路，并由此第二平衡—不平衡變換器150按正常方式工作，同時輸入差示信號對通過第二平衡—不平衡變換器150電連接到天線130。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例還包括感性低通濾波器312。該感性低通濾波器是用來將第一輸出差示信號190同第一輸入差示信號210隔離。同樣可理解，當(dāng)習(xí)慣上使用電源電壓Vcc和地電位正向偏置和反向偏置該第一二極管230和第二二極管240時，可以使用正反向偏置該二極管的任意電壓。
為工作在更高的頻率，例如在2GHz以上，第一二極管230和第二二極管240要求有特定的工作特性。用作第一和第二二極管230和240的一種理想的二極管具有如下特性工作在正向偏置狀態(tài)期間串聯(lián)電阻rs低，長度越時間1／τ以及低的反向偏置結(jié)電容Cjo。雖然可以使用昂貴的半導(dǎo)體器件例如砷化鎵(GaS)器件來制作包括天線開關(guān)和收發(fā)信機(jī)的集成的電路芯片，但是這樣的器件可能相當(dāng)昂貴。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，一種符合這些條件的廉價二極管是使用雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)制造過程制作的。雖然不用作一種電路開關(guān)，目前在雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體中用于靜電放電(ESD)保護(hù)的二極管具有理想的特性。例如，在Philips Qubic 1硅芯片制造過程中，分類為DB100W的一種靜電放電保護(hù)二極管具有以下特性正向偏置狀態(tài)下等于三歐姆的串聯(lián)電阻rs，等于5ns的τ以及等于126×10—15F(法拉)的反向偏置結(jié)電容Cjo。這些值對于在300MHz的頻率以上本發(fā)明的優(yōu)選實施例操作是足夠的。在反向偏置狀態(tài)，這種二極管的結(jié)電容等于126×10—15F。關(guān)于設(shè)計和操作這些靜電放電保護(hù)二極管更多的信息能夠在Philips Qubic l設(shè)計手冊或其他類似的雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體設(shè)計手冊中發(fā)現(xiàn)。除了工作在所要求的頻率，生產(chǎn)此類型的雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體靜電放電保護(hù)二極管是廉價的，并且容易同其他收發(fā)信機(jī)的功能度一起集成到一個集成電路芯片中去。雖然使用雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體二極管對靜電放電保護(hù)是已知的，但是在工業(yè)中未曾教導(dǎo)過將其用作提供高速“接通—芯片”開關(guān)功能度的二極管。
雖然本發(fā)明方法和設(shè)備的優(yōu)選實施已按附圖加以說明并在前面詳細(xì)的說明書中加以描述，可以理解的是本發(fā)明并不限制于公開的實施例，可能有多種配置，修改，和替代，而不偏離由以下權(quán)利要求陳述和定義的本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1．一種用于將一輸出放大器同天線隔離的天線開關(guān)包括一個平衡—不平衡變換器，具有電連接到天線的一個單端信號和電連接到輸出放大器的第一和第二輸出差示信號；以及當(dāng)將該輸出放大器同該天線隔離時用于選擇地將該平衡—不平衡變換器的第一輸出差示信號對第二輸出差示信號短路的裝置。
2．如權(quán)利要求1的天線開關(guān)，其中用于選擇地將該平衡—不平衡變換器的第一輸出差示信號對第二輸出差示信號短路的裝置包括一個二極管，電連接在該第一平衡—不平衡變換器的第一和第二輸出差示信號之間；以及一個裝置，用于當(dāng)將輸出放大器同天線隔離時正向偏置二極管。
3．一種用于將一輸入放大器同天線隔離的天線開關(guān)包括一個平衡—不平衡變換器，具有電連接到天線的一個單端信號和電連接到輸入放大器的第一和第二輸入差示信號；以及當(dāng)將輸入放大器同天線隔離時用于選擇地將該平衡—不平衡變換器的第一輸入差示信號對第二輸入差示信號短路的裝置。
4．如權(quán)利要求3的天線開關(guān)，其中用于選擇地將平衡—不平衡變換器的第一輸入差示信號對第二輸入差示信號短路的裝置包括一個二極管，電連接在平衡—不平衡變換器的第一和第二輸入差示信號之間；以及一個裝置，用于當(dāng)將輸入放大器同天線隔離時正向偏置二極管。
5．一種天線開關(guān)包括一第一平衡—不平衡變換器，具有電連接到天線的一單端信號和電連接到一功率輸出放大器的第一和第二輸出差示信號；一第二平衡—不平衡變換器，具有電連接到天線的一單端信號和電連接到一低噪聲輸入放大器的第一和第二輸入差示信號；一個裝置，用于當(dāng)接收時選擇地將該第一平衡—不平衡變換器的第一輸出差示信號對第二輸出差示信號短路；以及一個裝置，用于當(dāng)發(fā)射時選擇地將第二平衡—不平衡變換器的第一輸入差示信號對第二輸入差示信號短路。
6．如權(quán)利要求5的天線開關(guān)，其中用于選擇地將第一平衡—不平衡變換器的第一輸出差示信號對第二輸出差示信號短路的裝置包括一第一二極管，電連接在該第一平衡—不平衡變換器的第一和第二輸出差分信號之間；以及一裝置，用于當(dāng)接收時正向偏置該第一二極管和當(dāng)發(fā)射時反向偏置該第一二極管；以及其中用于選擇地將第二平衡—不平衡變換器的第一輸入差示信號對第二輸入差示信號短路的裝置包括一第二二極管，由連接在該第二平衡—不平衡變換器的第一和第二輸入差示信號之間；以及一裝置，用于當(dāng)接收時反向偏置該第二二極管和當(dāng)發(fā)射時正向偏置該第二二極管。
7．如權(quán)利要求6的天線開關(guān)，其中用于偏置第一二極管的裝置和用于偏置第二二極管的裝置包括一個控制器，當(dāng)接收時，它選擇地將一正向偏置電壓施加到該第一二極管的陽極，同時將一反向偏置電壓施加到該第二二極管的陽極，而當(dāng)發(fā)射時施加一反向偏置電壓到該第一二極管的陽極，同時施加一正向偏置電壓到該第二二極管的陽極。
8．如權(quán)利要求7的天線開關(guān)，其中用于偏置該第一二極管的裝置還包括在第一平衡—不平衡變換器上的一中心抽頭，將一直流電源電壓Vcc電連接到該第一二極管的陰極，該第一平衡—不平衡變換器上的中心抽頭用于將一參考電壓提供到該第一二極管的陰極，以及其中用于偏置該第二二極管的裝置還包括在第二平衡—不平衡變換器上的一中心抽頭，將一直流接地電壓電連接到該第二二極管的陰極，該第二平衡—不平衡變換器上的中心抽頭用于將一參考電壓提供到該第二二極管的陰極。
9．如權(quán)利要求6的天線開關(guān)，其中第一二極管和第二二極管是砷化鎵晶體管。
10．如權(quán)利要求6的天線開關(guān)，其中第一二極管和第二二極管是雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體二極管。
11．如權(quán)利要求10的天線開關(guān)，其中第一二極管和第二二極管是雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體靜電放電保護(hù)二極管。
全文摘要
一個天線開關(guān)(101)當(dāng)發(fā)射時有選擇性地將一個輸出功率放大器(110)的輸出差示信號對(190,200)連接到天線(130)的一個單端信號(170),而當(dāng)接收時有選擇地將一個低噪聲輸入放大器(120)的輸入差示信號對(210,220)連接到天線(130)的單端信號(170)。具有連接到天線(130)的一單端信號(160)的第一平衡一不平衡變換器(140)將第一(190)和第二(200)輸出差示信號連接到一功率輸出放大器(110)。具有連接到天線(130)的一單端信號(180)的第二平衡－不平衡變換器(150)將第一(210)和第二(220)輸入差示信號連接到一低噪聲輸入放大器(120)。當(dāng)接收時第一二極管(230)選擇地將第一平衡－不平衡變換器(140)的第一輸出差示信號(190)對第二輸出差示信號(200)短路,而當(dāng)發(fā)射時第二二極管(240)選擇地將第二平衡－不平衡交換器(150)的第一輸入差示信號(210)對第二輸入差示信號(220)短路。
文檔編號H01P1/15GK1278954SQ9881116
公開日2001年1月3日 申請日期1998年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月17日
發(fā)明者C·比約克, M·蘭茨, S·馬蒂松 申請人:艾利森電話股份有限公司