專利名稱：一種單芯片gsm射頻天線開關模塊及gsm射頻前端的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路領域，尤其涉及一種單芯片GSM射頻天線開關模塊及GSM射頻前端。
背景技術：
GSM(Global System for Mobile Communication)是世界上應用最為廣泛的移動通信標準之一。GSM手持設備的出貨量，占據(jù)了目前所有移動通信設備出貨量的絕大多數(shù)， 而更小尺寸、更低成本的射頻前端模塊是GSM手機終端的發(fā)展趨勢。射頻天線開關是GSM 手機終端射頻前端模塊的重要組成部分，用于將GSM手機終端的天線接入到射頻發(fā)射通路和射頻接收通路。一個典型的用于GSM/UMTS雙模移動通信的射頻天線開關模塊如圖1所示。由圖 1可以看到，所述GSM/UMTS雙模射頻天線開關模塊101是一個單刀九擲射頻開關，其單刀射頻端口連接到了天線105，九擲分別接到了 9個射頻信號端口 GSM低頻段發(fā)射信號GSM_ TX, GSM高頻段發(fā)射信號DCS_TX，GSM第一接收信號GSM_RX1，GSM第二接收信號GSM_RX2， GSM第三接收信號GSM_RX3，GSM第四接收信號GSM_RX4，UMTS第一發(fā)射接收信號UMTS_ TRXLUMTS第二發(fā)射接收信號UMTS_TRX2，UMTS第三發(fā)射接收信號UMTS_TRX3。射頻天線開關模塊101還連接到供電電源VDD及4個控制信號Vcl、Vc2、Vc3、Vc4,并且這4個控制信號的不同邏輯組態(tài)控制射頻天線開關模塊中天線端口連接到不同射頻通路。在GSM手機終端中，射頻天線開關的GSM低頻段發(fā)射信號GSM_TX和GSM高頻段發(fā)射信號DCS_TX分別連接到了 GSM低頻段功率放大器和GSM高頻段功率放大器的輸出端。為了滿足GSM移動通信標準對于天線發(fā)射信號中諧波分量的抑制要求，如圖1所示，通常需要在GSM_TX信號、DCS_ TX信號與射頻開關端口之間分別接入低通濾波器103、104，以濾除帶外諧波信號。射頻天線開關模塊中的射頻天線開關，如圖1中所示的射頻天線開關102，通常采用半導體工藝技術制造為一顆管芯，如采用GaAs pHEMT工藝或SOI工藝等制造。理論上， 濾波器103和濾波器104也可以采用同樣的半導體工藝技術與射頻開關制造于同一顆管芯上，以提高集成度；但是由于濾波器中的電感元件會占用較大的管芯面積，將使得集成濾波器的射頻開關管芯不具備成本優(yōu)勢；并且，通常半導體工藝技術中的電感品質(zhì)因子⑴值) 較低，使得濾波器的插入損耗較大，惡化了整個射頻發(fā)射前端的性能。現(xiàn)有技術實現(xiàn)射頻天線開關模塊的方式主要有兩種。第一種為采用專用的濾波器制造工藝技術(如SAW、BAW等工藝)制造分立的濾波器，然后再將分立制造的濾波器與射頻開關管芯封裝在同一個模塊中；這種多管芯模塊的實現(xiàn)方式通常會使得射頻天線開關模塊尺寸較大，不利于GSM手機終端的小型化，如GSM單刀九擲射頻天線開關產(chǎn)品RDAES95就采用了這種實現(xiàn)方式，其外形尺寸為3. 2X4. 5mm。第二種為采用低溫共燒陶瓷(LTCC)或類似技術，在封裝基板中集成埋入其中的濾波器，然后將射頻開關管芯封裝在該基板上；這種實現(xiàn)方式可以得到小型化的射頻天線開關，如GSM單刀九擲射頻天線開關產(chǎn)品ESHS-P085C9就采用了這種實現(xiàn)方式，其外形尺寸僅為2. 5X2. 5mm ；但是由于LTCC基板造價高昂，并且通常還需要在LTCC基板上
4貼裝一些額外的表面貼裝無源器件，使得這種實現(xiàn)方式不具備成本優(yōu)勢。因此，迫切需要一種GSM射頻天線開關模塊，其具有較小的外形尺寸和較高的集成度，并且同時具有低廉的制造成本和高性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種單芯片GSM射頻天線開關模塊及射頻前端。本發(fā)明提供了一種單芯片GSM射頻天線開關模塊，包括射頻天線開關、邏輯控制器、對GSM低頻段發(fā)射信號進行濾波的第一低通濾波器以及對GSM高頻段發(fā)射信號進行濾波的第二低通濾波器；所述射頻天線開關、邏輯控制器、第一低通濾波器及第二低通濾波器集成在管芯上；所述第一低通濾波器和第二低通濾波器網(wǎng)絡中至少有一個串聯(lián)電感是由所述管芯上金屬走線及鍵合線實現(xiàn)；所述邏輯控制器中包括電平移位電路，所述邏輯控制器用于根據(jù)邏輯信號導通或斷開射頻天線開關。在一個示例中，第一低通濾波器或第二低通濾波器包括第一端口，第二端口，第一電感，第二電感，第三電感，第一電容，第二電容；第一電感連接在第一端口和第二端口之間；第一電容的一端連接第一端口，第一電容的另一端經(jīng)第二電感接地；第二電容的一端連接第二端口，第二電容的另一端經(jīng)第三電感接地。在一個示例中，第一低通濾波器或第二低通濾波器的第一電感由鍵合線210、610 和管芯上金屬走線220、620構成；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第二電感由鍵合線 212、612、鍵合線213、613以及鍵合區(qū)域207、607構成，鍵合線212、612連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第一電容的另一端和鍵合區(qū)域207、607之間，鍵合線213、 613連接在鍵合區(qū)域207、607和電氣接地的鍵合區(qū)域205、605之間；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第三電感由鍵合線214、614構成，鍵合線214、614連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域206、606之間。在一個示例中，第一低通濾波器或第二低通濾波器的第一電感直接制造在管芯上；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第二電感由鍵合線216、616構成，鍵合線216、616 連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第一電容的另一端和地之間；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第三電感由鍵合線219、619構成，鍵合線219、619連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域206、606之間。在一個示例中，第一低通濾波器的第一電感由鍵合線210、610和管芯上金屬走線 220,620構成；第一低通濾波器的第二電感由鍵合線212、612、鍵合線213、613以及鍵合區(qū)域207、607構成，鍵合線212、612連接在第一低通濾波器的所述第一電容的另一端和鍵合區(qū)域207、607之間，鍵合線213、613連接在鍵合區(qū)域207、607和電氣接地的鍵合區(qū)域205、 605之間；第一低通濾波器的第三電感由鍵合線214、614構成，鍵合線214、614連接在第一低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域206、606之間；第二低通濾波器的第一電感直接制造在管芯上；第二低通濾波器的第二電感由鍵合線216、616構成，鍵合線216、616連接在第二低通濾波器的所述第一電容的另一端和地之間；第二低通濾波器的第三電感由鍵合線219、619構成，鍵合線219、619連接在第二低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域206、606之間。在一個示例中，管芯貼裝在雙層封裝基板上，并且貼裝管芯的基板金屬區(qū)域在電氣上不連接到地。在一個示例中，邏輯控制器還包括邏輯編碼電路802、反相器、第三電容804、電阻 809以及場效應晶體管805;邏輯信號輸入電平移位電路801，電平移位電路801的輸出端與邏輯編碼電路802的輸入端連接，邏輯編碼電路802的一輸出端與反相器的輸入端連接， 反相器803的輸出端經(jīng)第三電容804接地，并且反相器803的輸出端還經(jīng)電阻804與場效應晶體管805的柵極連接，場效應晶體管805的漏極與射頻天線開關的一端連接，場效應晶體管806的源極與射頻天線開關的另一端連接。在一個示例中，電阻809以及場效應晶體管805由疊層串聯(lián)的多個電阻810和場效應晶體管805組成。本發(fā)明提供了一種GSM射頻前端，包括射頻功率放大器701、射頻天線開關模塊 702以及天線703，其特征在于，射頻天線開關模塊702為所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊。在一個示例中，射頻天線開關模塊702中包括射頻功率放大器701的全部或部分輸出匹配網(wǎng)絡。本發(fā)明的單芯片GSM射頻天線開關模塊外形尺寸緊湊，制造成本低廉，并且具有低插入損耗的集成濾波網(wǎng)絡。


下面結合附圖來對本發(fā)明作進一步詳細說明，其中圖1是GSM射頻天線開關模塊示意圖；圖加是集成濾波器的單芯片GSM射頻天線開關模塊的實現(xiàn)示意圖；圖2b是集成濾波器的單芯片GSM射頻天線開關模塊的原理示意圖；圖3a和圖北是Pi型低通濾波器網(wǎng)絡和T型低通濾波器網(wǎng)絡；圖如和圖4b是GSM低頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器及其頻率響應；圖如和圖4d是改進的GSM低頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器及其頻率響應；圖fe和圖恥是GSM高頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器及其頻率響應；圖5c和圖5d是改進的GSM高頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器及其頻率響應；圖6是減小寄生電容的集成濾波器單芯片GSM射頻天線開關模塊；圖7是GSM移動終端的射頻前端；圖是本發(fā)明提供的邏輯控制器示意圖；圖8b是多個場效應管及電阻疊層串聯(lián)示意圖；圖8c是反相器電路結構示意圖。
具體實施例方式為了使得射頻天線開關模塊具有緊湊的外形尺寸，GSM發(fā)射信號低通濾波器必須選擇較為簡單的拓撲結構。常用的一階低通濾波器拓撲結構包括Pi型低通濾波器網(wǎng)絡及T型低通濾波器網(wǎng)絡，如圖3a和圖北所示。由于T型低通濾波器網(wǎng)絡中包括兩個串聯(lián)電感元件，如圖北中的電感L2和電感L3，相比僅有一個電感元件的Pi型低通濾波器網(wǎng)絡(如圖3a所示)將占用更多的電路面積；并且在實際實現(xiàn)中，T型低通濾波器網(wǎng)絡中的兩個串聯(lián)電感元件之間會存在較強的電磁耦合效應，惡化濾波器的性能。因此，Pi型低通濾波器網(wǎng)絡是射頻天線開關模塊中GSM低通濾波器的優(yōu)選方案。GSM通信標準中發(fā)射信號通常有4個頻段8M-849MHz，880-915MHz， 1710-1785MHz, 1850_1910MHz，并且前兩個頻段統(tǒng)稱為GSM低頻段，后兩個頻段統(tǒng)稱為GSM
高頻段。一個GSM低頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器如圖如所示，電容Cl的一端連接到濾波器的第一端口 Portl及電感Ll的一端；電容Cl的另外一端接地；電感Ll的另外一端連接到濾波器的第二端口 Port2及電容C2的一端；電容C2的另外一端接地。電容Cl的容值為3pF，電容C2的容值為3pF，電感Ll的感值為8. SnH0在此元件值配置下，所述Pi型低通濾波器可以實現(xiàn)在GSM低頻段發(fā)射信號內(nèi)的50歐姆到50歐姆阻抗匹配。GSM低頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器的頻率響應如圖4b所示，ml點的頻率為870. 0MHz，兩端口網(wǎng)絡中2端口對于1端口的幅度-頻率響應dB (S (2，1)) = -0. 001 ；m2點的頻率為1. 740GMHz, dB(S(2,l)) = -6.671 ；m3 點的頻率為 2. 6IOGHz, dB(S(2,l)) = -17.820 ；可以看到在 GSM 低頻段發(fā)射信號內(nèi)所述Pi型低通濾波器具有很低的插入損耗，而在GSM低頻段發(fā)射信號外的高頻具有較大的衰減，可以濾除GSM低頻段發(fā)射信號的諧波信號。為了提高對諧波信號的抑制能力，基于所述GSM低頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器的一個改進的GSM低頻段發(fā)射信號Pi型濾波器如圖4c所示。電容Cl的一端連接到濾波器的第一端口 Portl及電感Ll 的一端；電容Cl的另外一端連接到電感L2的一端；電感L2的另外一端接地；電感Ll的另外一端連接到濾波器的第二端口 Port2及電容C2的一端；電容C2的另外一端連接到電感 L3的一端；電感L3的另外一端接地?？梢钥吹?，電容Cl和電感L2組成了一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，電容C2和電感L3組成了另外一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡。電容-電感
串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的諧振頻率f。與電容值C。和電感值L。的關系為/; = l/(2^x^CcXZc)，因此這
里電容Cl的容值選為2. 4pF，電容C2的容值選為2. 65pF，電感Ll的感值選為8. 8nH,電感 L2的感值選為3. 5nH,電感L3的感值選為1. 4nH,使得電容Cl和電感L2諧振于GSM低頻段發(fā)射信號的2次諧波，電容C2和電感L3諧振于GSM低頻段發(fā)射信號的3次諧波。在此元件值配置下，所述改進的GSM低頻段發(fā)射信號Pi型濾波器可以實現(xiàn)GSM低頻段發(fā)射信號內(nèi)的50歐姆到50歐姆阻抗匹配，并且所述第一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的諧振頻率為 GSM低頻段發(fā)射信號的2次諧波，所述第二個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的諧振頻率為GSM低頻段發(fā)射信號的3次諧波。所述改進的GSM低頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器的頻率響應如圖 4d 所示，ml 點的頻率為 870. 0MHz, dB(S(2,1)) = -0. 006 ；m2 點的頻率為 1. 740GMHz, dB(S(2,1)) = -57. 253 ；m3 點的頻率為 2. 610GHz,dB(S(2,1)) = -69. 489 ；可以看到在 GSM 低頻段發(fā)射信號內(nèi)所述改進的GSM低頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器具有很低的插入損耗， 而在GSM低頻段發(fā)射信號外的高頻具有較大的衰減，并且在GSM低頻段發(fā)射信號的2次諧波及3次諧波處有非常大的衰減。對比圖4b和圖4d，所述改進的GSM低頻段發(fā)射信號Pi 型濾波器中由于存在分別諧振在2次諧波和3次諧波處的電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，相比所述GSM低頻段發(fā)射信號Pi型濾波器具有更強的諧波信號抑制能力，有助于提升GSM射頻天線開關模塊的性能。本發(fā)明提供的一個GSM高頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器如圖fe所示，電容Cl的一端連接到濾波器的第一端口 Portl及電感Ll的一端；電容Cl的另外一端接地；電感Ll 的另外一端連接到濾波器的第二端口 Port2及電容C2的一端；電容C2的另外一端接地。 電容Cl的容值為1. 44pF，電容C2的容值為1. 44pF，電感Ll的感值為4. 25nH。在此元件值配置下，所述Pi型低通濾波器可以實現(xiàn)在GSM高頻段發(fā)射信號內(nèi)的50歐姆到50歐姆阻抗匹配。所述GSM高頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器的頻率響應如圖恥所示，ml點的頻率為 1. 810GHz, dB(S(2,1)) = -0. 001 ；m2 點的頻率為 3. 620GHz, dB(S(2,1)) = -6. 714 ；m3 點的頻率為5. 430GHz, dB(S(2,1)) = -17. 820 ；可以看到在GSM高頻段發(fā)射信號內(nèi)所述Pi型低通濾波器具有很低的插入損耗，而在GSM高頻段發(fā)射信號外的高頻具有較大的衰減，可以濾除GSM高頻段發(fā)射信號的諧波信號。為了提高對諧波信號的抑制能力，基于所述GSM高頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器的一個改進的GSM高頻段發(fā)射信號Pi型濾波器如圖5c所示。電容Cl的一端連接到濾波器的第一端口 Portl及電感Ll的一端；電容Cl的另外一端連接到電感L2的一端；電感L2 的另外一端接地；電感Ll的另外一端連接到濾波器的第二端口 Port2及電容C2的一端； 電容C2的另外一端連接到電感L3的一端；電感L3的另外一端接地?？梢钥吹?，電容Cl和電感L2組成了一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，電容C2和電感L3組成了另外一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡。電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的諧振頻率f。與電容值C。和電感值L。的關系
為/; = /[lny.^Ccy.Lc)，因此這里電容Cl的容值選為1. 38pF，電容C2的容值選為1. 3pF，
電感Ll的感值選為4. 25nH,電感L2的感值選為1. 4nH,電感L3的感值選為0. 66nH。在此元件值配置下，所述改進的GSM高頻段發(fā)射信號Pi型濾波器可以實現(xiàn)GSM高頻段發(fā)射信號內(nèi)的50歐姆到50歐姆阻抗匹配，并且所述第一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的諧振頻率為 GSM低頻段發(fā)射信號的2次諧波，所述第二個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的諧振頻率為GSM低頻段發(fā)射信號的3次諧波。所述改進的GSM高頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器的頻率響應如圖 5d 所示，ml 點的頻率為 1.810GHz, dB(S(2,l)) = -0.052 ；m2 點的頻率為 3. 620GHz, dB(S(2,l)) = -77. 157 ；m3 點的頻率為 5. 430GHz, dB (S (2,1)) = -75. 807 ；可以看到在 GSM 高頻段發(fā)射信號內(nèi)所述改進的GSM高頻段發(fā)射信號Pi型低通濾波器具有很低的插入損耗， 而在GSM高頻段發(fā)射信號外的高頻具有較大的衰減，并且在GSM高頻段發(fā)射信號的2次諧波及3次諧波處有非常大的衰減。對比圖恥和圖5d，所述改進的GSM高頻段發(fā)射信號Pi 型濾波器中由于存在分別諧振在2次諧波和3次諧波處的電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，相比所述GSM高頻段發(fā)射信號Pi型濾波器具有更強的諧波信號抑制能力，有助于提升GSM射頻天線開關模塊的性能。本發(fā)明所提出的技術方案采用了如圖如和圖5c所示的GSM低頻段發(fā)射信號和 GSM高頻段發(fā)射信號低通濾波器的拓撲結構。需要說明的是，前文所述濾波器中電容、電感的元件值僅作為示例，而不是對于本發(fā)明的限制，實際濾波器實現(xiàn)中的元件值需要根據(jù)電路的具體情況來設定，例如在具體實現(xiàn)中還需要考慮到天線及射頻開關對濾波器端口阻抗的影響從而需要對濾波器的元件值進行調(diào)整。本發(fā)明所提出的單芯片GSM射頻天線開關模塊如圖加和圖2b所示，圖加為其實現(xiàn)示意圖，圖2(b)所示為其原理示意圖。單芯片GSM射頻天線開關模塊201包括了雙層基板200以及貼裝在雙層基板200上的射頻天線開關管芯202，貼裝管芯202的區(qū)域203在電氣上是接地的?；迳蠈拥逆I合區(qū)域206、205和206與區(qū)域203相連，因此在電氣上也是接地的。GSM低頻段發(fā)射信號GSM_TX由基板管腳及鍵合線連接到管芯202上的鍵合焊盤， 并且連接到GSM低頻段發(fā)射信號低通濾波器的電容208(該電容制造在管芯上)的第一極板；電容208的第二極板通過鍵合線212連接到基板上層的鍵合區(qū)域207 ；另外一個鍵合線 213從鍵合區(qū)域207連接到電氣接地的鍵合區(qū)域205。電容208的第一極板還連接到了由管芯202上金屬走線220、鍵合焊盤209及鍵合線210構成的電感的第一端口 ；所述電感的第二端口連接到制造在管芯上的電容211的第一極板；電容211的第二極板通過鍵合線214 連接到電氣接地的基板上層鍵合區(qū)域206。對照圖加及圖2b，以及如前所述的圖如，可以看到，GSM低頻段發(fā)射信號低通濾波器中的第一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容208、鍵合線212、鍵合區(qū)域207、鍵合線213以及鍵合區(qū)域205構成；濾波器中的串聯(lián)電感由管芯 202上金屬走線220、鍵合焊盤209及鍵合線210構成；濾波器中的第二個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容211、鍵合線214以及鍵合區(qū)域206構成。由于GSM低頻段發(fā)射信號頻率相對較低，其濾波器中所需的電感值較大，例如其中串聯(lián)電感的值通常都大于5nH，諧振網(wǎng)絡中的到地電感通常大于InH。本發(fā)明所提出的技術方案中，GSM低頻段發(fā)射信號低通濾波器中串聯(lián)電感由管芯上金屬走線、鍵合線及基板上的鍵合區(qū)域共同組成，諧振網(wǎng)絡中的到地電感由鍵合線構成，這顯然使得整個射頻天線開關模塊的尺寸非常緊湊；并且，鍵合線電感的高Q值也使得濾波器具有較低的插入損耗。需要說明的是，為了得到所需的電感值，GSM 低頻段發(fā)射信號低通濾波器中串聯(lián)電感可以通過調(diào)整管芯202上金屬走線220的長度、寬度、數(shù)目以及相應調(diào)整鍵合線210的長度、高度、數(shù)目來實現(xiàn)。另外需要說明的是，由于采用了具有較強調(diào)節(jié)能力的鍵合線來實現(xiàn)濾波器中的電感元件，也使得濾波器具有較強的調(diào)節(jié)能力，增強了整個射頻天線開關模塊對制造工藝容差的容忍度，提高其制造良率。GSM高頻段發(fā)射信號DCS_TX由基板管腳及鍵合線連接到管芯202上的鍵合焊盤， 并且連接到GSM高頻段發(fā)射信號低通濾波器的電容215(該電容制造在管芯上)的第一極板；電容215的第二極板通過鍵合線216連接到基板接地管腳GND。電容215的第一極板還連接到了管芯202上制造的平面螺旋電感217的第一端口 ；所述電感217的第二端口連接到制造在管芯上的電容218的第一極板；電容218的第二極板通過鍵合線219連接到電氣接地的基板上層鍵合區(qū)域206。對照圖加及圖2b，以及如前所述的圖5c，可以看到，GSM 高頻段發(fā)射信號低通濾波器中的第一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容215、鍵合線216構成；濾波器中的串聯(lián)電感由管芯202上制造的電感217構成；濾波器中的第二個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容218、鍵合線219構成。由于GSM高頻段發(fā)射信號頻率相對較高，其濾波器中所需的電感值相對GSM低頻段發(fā)射信號來說較小，例如其中串聯(lián)電感的值通常小于5nH，因此可以在管芯上以較小的芯片面積實現(xiàn)；當然，所述串聯(lián)電感也可以采用鍵合線方式來實現(xiàn)，這里采用管芯上制造的電感實現(xiàn)并不是對本發(fā)明的限制。本發(fā)明所提出的技術方案中，GSM高頻段發(fā)射信號低通濾波器中諧振網(wǎng)絡的到地電感由鍵合線構成，使得整個射頻天線開關模塊的尺寸非常緊湊，并且，鍵合線電感的高Q值也使得濾波器具有較低的插入損耗。另外需要說明的是，由于采用了具有較強調(diào)節(jié)能力的鍵合線來實現(xiàn)濾波器中的電感元件，也使得濾波器具有較強的調(diào)節(jié)能力，增強了整個射頻天線開關模塊對制造工藝容差的容忍度，提高其制造良率。單芯片GSM射頻天線開關模塊201的外形尺寸不大于 2.5X2. 5mm，并且不需要采用昂貴的LTCC等特殊制造工藝，僅需在半導體封裝中常用的雙層基板即可實現(xiàn)。本發(fā)明的另外一個實施例如圖6所示。與圖2所示技術方案不同的是，單芯片GSM 射頻天線開關模塊601中雙層基板606上貼裝射頻開關管芯602的管芯貼裝區(qū)域603并不是電氣接地的，鍵合區(qū)域606、605、606分別各自獨立電氣接地。在射頻開關電路中，尤其是擲數(shù)較多的射頻開關電路，無論是采用GaAs pHEMT工藝、SOI工藝還是其他半導體工藝，都會用到較大面積的晶體管，使得這些晶體管具有較大的對地寄生電容，會惡化射頻天線開關的性能。本實施例中，管芯貼裝區(qū)域603在電氣上不連接到地，相當于增大了管芯上晶體管到電氣地平面的距離，有效降低了管芯上晶體管的對地寄生電容。例如，通常所用的雙層基板的厚度為100Um-300Um，這些額外增加的晶體管到電氣地平面的距離，可以使得晶體管的到地寄生電容通常可以忽略不計。單芯片GSM射頻天線開關模塊601的外形尺寸不大于 2.5X2. 5mm，并且不需要采用昂貴的LTCC等特殊制造工藝，僅需在半導體封裝中常用的雙層基板即可實現(xiàn)。GSM低頻段發(fā)射信號GSM_TX由基板管腳及鍵合線連接到管芯602上的鍵合焊盤， 并且連接到GSM低頻段發(fā)射信號低通濾波器的電容608(該電容制造在管芯上)的第一極板；電容608的第二極板通過鍵合線612連接到基板上層的鍵合區(qū)域607 ；另外一個鍵合線 613從鍵合區(qū)域607連接到電氣接地的鍵合區(qū)域605。電容608的第一極板還連接到了由管芯602上金屬走線620、鍵合焊盤609及鍵合線610構成的電感的第一端口 ；所述電感的第二端口連接到制造在管芯上的電容611的第一極板；電容611的第二極板通過鍵合線614 連接到電氣接地的基板上層鍵合區(qū)域206。對照圖加及圖2b，以及如前所述的圖4c，可以看到，GSM低頻段發(fā)射信號低通濾波器中的第一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容608、鍵合線612、鍵合區(qū)域607、鍵合線613以及鍵合區(qū)域605構成；濾波器中的串聯(lián)電感由管芯 602上金屬走線620、鍵合焊盤609及鍵合線610構成；濾波器中的第二個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容611、鍵合線614以及鍵合區(qū)域606構成。由于GSM低頻段發(fā)射信號頻率相對較低，其濾波器中所需的電感值較大，例如其中串聯(lián)電感的值通常都大于5nH，諧振網(wǎng)絡中的到地電感通常大于InH。本發(fā)明所提出的技術方案中，GSM低頻段發(fā)射信號低通濾波器中串聯(lián)電感由管芯上金屬走線、鍵合線及基板上鍵合區(qū)域共同組成，諧振網(wǎng)絡中的到地電感由鍵合線構成，這顯然使得整個射頻天線開關模塊的尺寸非常緊湊；并且，鍵合線電感的高Q值也使得濾波器具有較低的插入損耗。需要說明的是，為了得到所需的電感值，GSM低頻段發(fā)射信號低通濾波器中串聯(lián)電感可以通過調(diào)整管芯602上金屬走線620的長度、寬度、 數(shù)目以及相應調(diào)整鍵合線610的長度、高度、數(shù)目來實現(xiàn)。另外需要說明的是，由于采用了具有較強調(diào)節(jié)能力的鍵合線來實現(xiàn)濾波器中的電感元件，也使得濾波器具有較強的調(diào)節(jié)能力，增強了整個射頻天線開關模塊對制造工藝容差的容忍度，提高其制造良率。GSM高頻段發(fā)射信號DCS_TX由基板管腳及鍵合線連接到管芯602上的鍵合焊盤， 并且連接到GSM高頻段發(fā)射信號低通濾波器的電容615(該電容制造在管芯上)的第一極板；電容615的第二極板通過鍵合線616連接到基板接地管腳GND。電容615的第一極板還連接到了管芯602上制造的電感617的第一端口 ；所述電感617的第二端口連接到制造在管芯上的電容618的第一極板；電容618的第二極板通過鍵合線619連接到電氣接地的基板上層鍵合區(qū)域206。對照圖加及圖2b，以及如前所述的圖5c，可以看到，GSM高頻段發(fā)射信號低通濾波器中的第一個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容615、鍵合線616構成；濾波器中的串聯(lián)電感由管芯602上制造的電感617構成；濾波器中的第二個電容-電感串聯(lián)諧振網(wǎng)絡由電容618、鍵合線619構成。由于GSM高頻段發(fā)射信號頻率相對較高，其濾波器中所需的電感值相對GSM低頻段來說較小，例如其中串聯(lián)電感的值通常小于5nH，因此可以在管芯上以較小的芯片面積實現(xiàn)；當然，所述串聯(lián)電感也可以采用鍵合線方式來實現(xiàn)，這里采用管芯上制造的電感實現(xiàn)并不是對本發(fā)明的限制。本發(fā)明所提出的技術方案中，GSM高頻段發(fā)射信號低通濾波器中諧振網(wǎng)絡的到地電感由鍵合線構成，使得整個射頻天線開關模塊的尺寸非常緊湊，并且，鍵合線電感的高Q值也使得濾波器具有較低的插入損耗。另外需要說明的是，由于采用了具有較強調(diào)節(jié)能力的鍵合線來實現(xiàn)濾波器中的電感元件，也使得濾波器具有較強的調(diào)節(jié)能力，增強了整個射頻天線開關模塊對制造工藝容差的容忍度，提高其制造良率。單芯片GSM射頻天線開關模塊601的外形尺寸不大于2. 5 X 2. 5mm，并且不需要采用昂貴的LTCC等特殊制造工藝，僅需在半導體封裝中常用的雙層基板即可實現(xiàn)。如上所述，通過濾波器拓撲結構的優(yōu)化及采用管芯上金屬走線、元件與鍵合線結合的方式實現(xiàn)電感元件，提供了一種集成濾波器的GSM射頻天線開關，具有緊湊的外形尺寸、低廉的制造成本及低插入損耗的集成濾波網(wǎng)絡。本發(fā)明所提出的單芯片GSM射頻天線開關模塊中的管芯上集成了邏輯控制器，用于將輸入的邏輯信號進行邏輯編碼以控制射頻開關天線端口連接到不同射頻通路。邏輯控制器的示意圖如圖8a所示，單芯片GSM射頻天線開關模塊外部輸入的4個邏輯信號Vcl、 Vc2、Vc3、Vc4首先經(jīng)過邏輯控制器中的電平移位電路801處理。電平移位電路801使得輸入邏輯信號的邏輯低和邏輯高所對應的電壓范圍得到擴展，如當輸入邏輯信號電壓為 0V-0. 5V范圍時電平移位電路輸出都可以保持有效的邏輯低信號，當輸入邏輯信號電壓為 1. 6V-VDD時電平移位電路輸出都可以保持有效的邏輯高信號。電平移位電路顯然可以使得本發(fā)明所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊的可靠性得到提升。電平移位電路的輸出信號輸入到邏輯編碼電路802中，邏輯編碼電路802對電平移位電路的輸出信號進行邏輯編碼。 邏輯編碼電路802的輸出信號輸入到反相器803，反相器803的輸出端連接到一個電容804 的一端，電容804的另一端連接到地；反相器803的輸出端還連接到電阻809的一端，電阻 809的另外一端連接到作為射頻開關器件的場效應晶體管805的柵極(G)。場效應晶體管 805的漏極(D)和源極( 分別連接到兩個射頻信號端口 Port3及Port4，當場效應晶體管 805的柵極電壓為高電平時，場效應晶體管805導通，射頻信號端口 Port3及Port4之間形成導通射頻通路；當場效應晶體管805的柵極電壓為低電平時，場效應晶體管805截止，射頻信號端口 Port3及Port4之間沒有射頻通路。如圖8b所示，作為射頻開關器件的場效應晶體管805可以是多個場效應晶體管806及電阻810的疊層串聯(lián)，具體需要多少個場效應晶體管806疊層串聯(lián)則需要根據(jù)電路具體情況來選擇，本發(fā)明不對其進行限定說明。如圖 8c所示為反相器803的原理圖，包括一個P型場效應晶體管807及一個N型場效應晶體管 808 ；場效應晶體管807的柵極連接到場效應晶體管808的柵極并連接到反相器的輸入信號 IN ；場效應晶體管807的漏極連接到場效應晶體管808的漏極并連接到反相器的輸出信號 OUT ；場效應晶體管807的源極連接到電源電壓VDD ；場效應晶體管808的源極連接到地。如圖8a所示，反相器803的輸出端連接有電容804，電容804的存在使得反相器803的輸出阻
11抗為低阻，增大了反相器803的驅(qū)動能力，同時也減弱了射頻信號對邏輯電路的干擾。
在前述實施例中，本發(fā)明所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊中集成了用于濾除 GSM低頻段發(fā)射信號以及高頻段發(fā)射信號的諧波信號的濾波器，其發(fā)射信號端口 GSM_TX和 DCS_TX都阻抗匹配到了 50歐姆。事實上，本發(fā)明所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊中集成的濾波器的端口阻抗也可以匹配到50歐姆外的別的阻抗。例如單芯片GSM射頻天線開關模塊中集成的濾波器網(wǎng)絡可以構成射頻功率放大器所需要的輸出匹配網(wǎng)絡的一部分或者全部，其端口阻抗匹配到射頻功率放大器工作所需要的負載阻抗，這對于本專業(yè)領域的人員是易于理解的。如圖7所示，射頻功率放大器701的輸出信號輸入到射頻天線開關模塊702，射頻天線開關模塊702的天線信號端連接到了天線703。射頻功率放大器工作所需要的輸出匹配網(wǎng)絡在實現(xiàn)形式上既可以全部包含在射頻功率放大器701內(nèi)部，也可以全部包含在射頻天線開關模塊702內(nèi)部，或者部分在射頻功率放大器701、部分在射頻天線開關702實現(xiàn)。優(yōu)選地，射頻功率放大器701及射頻天線開關模塊702可以集成于一個射頻前端模塊中，可以有效減小移動終端中射頻前端的尺寸。
權利要求
1.一種單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，包括射頻天線開關、邏輯控制器、 對GSM低頻段發(fā)射信號進行濾波的第一低通濾波器以及對GSM高頻段發(fā)射信號進行濾波的第二低通濾波器；所述射頻天線開關、邏輯控制器、第一低通濾波器及第二低通濾波器集成在一顆管芯上；所述第一低通濾波器和第二低通濾波器網(wǎng)絡中至少有一個串聯(lián)電感是由所述管芯上金屬走線及鍵合線實現(xiàn)；所述邏輯控制器中包括電平移位電路，所述邏輯控制器用于根據(jù)邏輯信號導通或斷開射頻天線開關。
2.如權利要求1所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，第一低通濾波器或第二低通濾波器包括第一端口，第二端口，第一電感，第二電感，第三電感，第一電容，第二電容；第一電感連接在第一端口和第二端口之間；第一電容的一端連接第一端口，第一電容的另一端經(jīng)第二電感接地；第二電容的一端連接第二端口，第二電容的另一端經(jīng)第三電感接地。
3.如權利要求2所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，第一低通濾波器或第二低通濾波器的第一電感由鍵合線(210、610)和管芯上金屬走線(220、620)構成；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第二電感由鍵合線012、612)、鍵合線013、613)以及鍵合區(qū)域(207、607)構成，鍵合線(212、612)連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第一電容的另一端和鍵合區(qū)域(207、607)之間，鍵合線(213、61；3)連接在鍵合區(qū)域(207、 607)和電氣接地的鍵合區(qū)域(205、60幻之間；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第三電感由鍵合線(214、614)構成，鍵合線(214、614)連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域(206、606)之間。
4.如權利要求2所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，第一低通濾波器或第二低通濾波器的第一電感直接制造在管芯上；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第二電感由鍵合線(216、616)構成，鍵合線(216、616)連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第一電容的另一端和地之間；第一低通濾波器或第二低通濾波器的第三電感由鍵合線(219、619)構成，鍵合線(219、619)連接在第一低通濾波器或第二低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域(206、606)之間。
5.如權利要求2所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，第一低通濾波器的第一電感由鍵合線(210、610)和管芯上金屬走線(220、620)構成；第一低通濾波器的第二電感由鍵合線012、612)、鍵合線013、613)以及鍵合區(qū)域(207、607)構成，鍵合線(212、 612)連接在第一低通濾波器的所述第一電容的另一端和鍵合區(qū)域(207、607)之間，鍵合線 (213,613)連接在鍵合區(qū)域(207,607)和電氣接地的鍵合區(qū)域(205,605)之間；第一低通濾波器的第三電感由鍵合線(214、614)構成，鍵合線(214、614)連接在第一低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域(206、606)之間；第二低通濾波器的第一電感直接制造在管芯上；第二低通濾波器的第二電感由鍵合線 (216,616)構成，鍵合線(216、616)連接在第二低通濾波器的所述第一電容的另一端和地之間；第二低通濾波器的第三電感由鍵合線(219、619)構成，鍵合線(219、619)連接在第二低通濾波器的所述第二電容的另一端和電氣接地的鍵合區(qū)域(206、606)之間。
6.如權利要求1所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，管芯貼裝在雙層封裝基板上，并且貼裝管芯的基板金屬區(qū)域在電氣上不連接到地。
7.如權利要求1所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，邏輯控制器還包括邏輯編碼電路(802)、反相器、第三電容(804)、電阻(809)以及場效應晶體管(805)；邏輯信號輸入電平移位電路(801)，電平移位電路(801)的輸出端與邏輯編碼電路(80 的輸入端連接，邏輯編碼電路(80 的一輸出端與反相器的輸入端連接，反相器(80 的輸出端經(jīng)第三電容(804)接地，并且反相器(803)的輸出端還經(jīng)電阻(804)與場效應晶體管(805) 的柵極連接，場效應晶體管(805)的漏極與射頻天線開關的一端連接，場效應晶體管(806) 的源極與射頻天線開關的另一端連接。
8.如權利要求7所述的單芯片GSM射頻天線開關模塊，其特征在于，電阻(809)以及場效應晶體管(805)由疊層串聯(lián)的多個電阻(810)和場效應晶體管(80 組成。
9.一種GSM射頻前端，包括射頻功率放大器(701)、射頻天線開關模塊(702)以及天線 (703)，其特征在于，射頻天線開關模塊(702)為如權利要求1-8任意一項所述的單芯片GSM 射頻天線開關模塊。
10.如權利要求9所述的GSM射頻前端，其特征在于，射頻天線開關模塊(702)中包括射頻功率放大器(701)的全部或部分輸出匹配網(wǎng)絡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單芯片GSM射頻天線開關模塊及GSM射頻前端。該單芯片GSM射頻天線開關模塊包括射頻天線開關、邏輯控制器、對GSM低頻段發(fā)射信號進行濾波的第一低通濾波器以及對GSM高頻段發(fā)射信號進行濾波的第二低通濾波器；所述射頻天線開關、邏輯控制器、第一低通濾波器及第二低通濾波器集成在射頻天線開關管芯上；所述第一低通濾波器和第二低通濾波器網(wǎng)絡中至少有一個串聯(lián)電感是由所述管芯上金屬走線及鍵合線實現(xiàn)；所述邏輯控制器中包括電平移位電路，所述邏輯控制器用于根據(jù)邏輯信號導通或斷開射頻天線開關。本發(fā)明的單芯片GSM射頻天線開關模塊外形尺寸緊湊，制造成本低廉。
文檔編號H03H7/38GK102355223SQ20111022839
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權日2011年8月10日
發(fā)明者王宇晨, 陳高鵬 申請人:銳迪科創(chuàng)微電子(北京)有限公司