射頻前端結構的製作方法
2023-07-31 05:35:41 1
專利名稱：射頻前端結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信裝置中的射頻前端的集成結構。所述前端至少包括天線以及同時在發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個濾波器。在發射支路中必須去除混頻器產生的附加頻率分量以及功率放大器產生的附加頻率分量。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射機產生的噪聲。在不同發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。在發射和接收頻率相同的系統中、以及在發射和接收是在不同頻率和不同時刻發生的系統中使用天線開關。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、低噪聲放大器(LNA)以及它們之間的濾波器集成在一塊晶片上，濾波器的大體積要求相對較大的連接帶，後者產生降低濾波器的選擇性的電雜散量和感應耦合。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，以便使調製器設計更容易。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，那麼，與前述電路的標準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。
從先有技術中，已知的有大量結構旨在得到儘可能高的RF電路的集成度。根據先有技術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公開了一種適合於時分多址的方案，其中收發信機的所有有源元件集成在單個電路中。這種方案的缺點在於，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。設置在印刷電路板中的外部定向耦合器易受到電幹擾的影響、在印刷電路板上需要相當大的空間、另外導致發射鏈中至少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、發射機和接收機集成在一塊晶片上。在該方案中，用聲表面波(SAW)技術實現雙工器、帶通濾波器和混頻器。這種方案的缺點在於，SAW需要的匹配電路相當長、SAW電路本身損耗大並且與發射功率相比具有這樣低的功率容量，使得該方案不可能應用於現代行動電話中。
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於發射支路帶通濾波器或屬於匹配電路。這樣，可以把定向耦合器從印刷電路板移到低耗襯底上並且在高頻濾波器的保護外殼之內。這個方案的優點在於，它節省了空間並且降低了對幹擾的敏感性以及定向耦合器導致的傳輸損耗，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，它們構成天線濾波器AFI的最大部分。這些部分位於公共的保護它們免受幹擾的外殼SH內。
按照圖1的結構的優點在於，在放大器LNA的輸入端和放大器PA的輸出端、匹配所需的構成元件的數目較少，因為不需要提供與50Ω阻抗電平的匹配。還有一些優點包括寄生效應的減少、插在通信裝置的印刷電路板上的元件數的減少、以及電路板上需要的面積的減少。該結構的缺點是圖1a中所示的發射支路帶通濾波器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。
本發明的一個目的是減少先有技術的上述缺點。按照本發明的結構的特徵在於獨立權利要求中所表達的。在其他權利要求中公開了本發明的最佳實施例。
本發明的基本思路如下通信裝置的天線構造在印刷電路板上。在天線電路板上、在其接地層一側，藉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，採用從電工作的觀點來看、適當的阻抗級。所有所述部分一起構成位於通信裝置的外殼內部的固態元件。
本發明的一個優點是，在RF部分之間用於匹配所需的構成元件的數目比先有技術結構中的少。本發明的另一優點是，使得接收機有可能比先有技術結構更靈敏。藉助於例如內部最優化可以提高接收支路的噪聲指數和靈敏度。本發明另一個優點是，使得發射機中損耗有可能比先有技術結構更低。例如，把功率放大器PA的輸入阻抗從50Ω改變為2Ω，使得功率放大器的設計相當容易，同時提高了功率放大器的效率。本發明還有另一個優點是，提供了包括具有天線的整個射頻前端的單個元件。這導致通信裝置更小並且簡化了設計。
現在詳細描述本發明。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的先有技術的前端的實際實現的實例，圖2以框圖形式表示通信裝置的前端的第二實例，
圖3a表示按照本發明的天線電路板的實例，圖3b表示按照本發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明的前端的實例。
已經聯繫先有技術的描述討論了圖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中的雙向天線埠。雙工濾波器的接收埠連接到放大器230的輸入端，並且放大器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的發射埠。
下面描述如何根據本發明、把按照圖2的前端200集成為單個元件。
圖3a示出按照本發明的天線結構的實例。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，後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電區312、313和314。導電區312和313是平面的，並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)。導電區314包括曲折圖案的導體。可以使它或者在PIFA頻率範圍或者在某個第三頻率範圍上輻射。示於圖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設置在板321上。這些標號對應於圖2中的標號。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的。在圖中指明一個諧振器325。圖3b示出柱狀導體323，其功能是提供板321與天線板310之間的連接。導體323的下端通過導電帶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示出向下延伸的導體420，它是元件400與通信裝置的其他部分之間的一個導體。圖4中所示部分在機械上是結實的，並且緊緊地互相結合在一起，使得所形成的元件400緊湊。實際上它比圖中的小得多。
以上描述了根據本發明的方案。本發明不限制天線板上的元件的數目或尺寸。本發明也不限制前端中的RF單元的數目或者特性或內部實現。本發明也不限於任何特定的應用。它可以用在各種應用場合中的收發信機中，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。按照本發明的配置可以用在具有分立或集成天線的基於數字時分多址的系統[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。在獨立權利要求所定義的範圍之內，可以通過許多方式來應用本發明的思想。
權利要求
1.一種射頻前端的結構，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，其特徵在於它包括天線電路板，在其第一表面上有至少一個輻射元件並且在其第二表面上有導電板；所述濾波器和放大器是由其中一個表面導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於與所述前端的任何工作頻率對應的波長的四分之一。
2.如權利要求1所述的結構，它包括發射支路和接收支路，其特徵在於雙工濾波器、接收濾波器之後的低噪聲放大器、功率放大器之後的發射濾波器以及定向耦合器是所述功能單元。
3.如權利要求1所述的結構，它包括發射支路和接收支路，其特徵在於天線濾波器和天線開關、接收濾波器之後的低噪聲放大器、功率放大器之後的發射濾波器以及定向耦合器是所述功能單元。
4.如權利要求2或3所述的結構，其特徵在於至少還有發射和接收支路混頻器、調製器、解調器以及與這些相關的濾波器是所述功能單元。
5.如權利要求1所述的結構，其特徵在於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，其特徵在於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並且在其第二表面上有導電板；在所述前端中的其他功能單元是由其中一個表面導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電的第二表面以及所述第二電路板的所述導電錶面構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於與所述前端的任何工作頻率對應的波長的四分之一；以及所述元件完全在所述通信裝置的外殼之內。
全文摘要
本發明涉及通信裝置的射頻前端的集成結構。所述通信裝置的天線構造在印刷電路板上。在此天線電路板(310)上,在其接地層一側,藉助固定保護框架(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的阻抗級。所有所述部分一起構成位於所述通信裝置的外殼內的集成元件(400)。本發明的優點在於,它需要較少的用於RF部分之間匹配的元件數目,並且使得與先有技術結構相比,接收機的靈敏度和發射效率有可能更高。
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 優先權日1999年7月14日
發明者P·哈格斯特倫 申請人:菲爾特朗尼克Lk有限公司