可調諧匹配網絡電路拓撲選擇的製作方法

2023-07-30 01:39:01 2

相關申請的交叉引用

本申請依照美國法典第35卷119(e)節要求下述共同待決且共同轉讓的美國臨時專利申請的權益，通過引用的方式將其併入於此：arthurs.morrisш於2008年4月25日提交、命名為「可調諧匹配網絡電路拓撲選擇」、序列號為61/047,897的臨時申請。

本發明一般涉及用於電子設備中的致動器，尤其涉及可調諧匹配網絡和用於這種網絡的電路拓撲。

背景技術：

伴隨著matthaei、young以及jones在microwavefilters,impedance-matchingnetworks,andcouplingstructures中總結的基礎性工作，固定匹配網絡的理論已經發展了幾十年。

然而，利用可調諧部件來匹配可變負載和/或優化在多個頻率處的性能的匹配網絡的文獻沒有得到很好的發展。該固網理論集中於網絡中所要求的匹配帶寬和損耗。通過僅僅要求在給定的操作頻道環境下的即時帶寬，這些要求能夠適合於可調諧的情況。為了最小化該網絡的尺寸和損耗，優選使用最小化數目的部件。為了最大化頻率上限並最小化產品的尺寸，強烈建議使用較小的電容器和電感器元件值。可調諧匹配網絡還要求最小化在匹配良好的負載情況下的插入損耗。匹配改善和電路損耗的組合可以通過可實現到指定負載的傳感器增益得到最好地表徵。

可調諧匹配網絡可用在蜂窩電話手機中，尤其是對於手機天線應用。用於匹配拓撲選擇的頂層約束是性能、成本和尺寸。與拓撲選擇相互影響的貢獻性能的關鍵技術包括可調諧元件比(可由元件獲得的最大和最小值之間的比率)、可調諧元件寄生效應(非理想元件表現)、可調諧元件密度(單位體積的電抗)、可調諧元件的q(無功存儲與能量損耗的比率)、封裝介電常數、封裝高度、封裝金屬導電性、封裝金屬厚度、封裝金屬表面光潔度和封裝設計規則。

接下來可以看到，在性能標準的技術領域中需要可調諧匹配網絡。還可以看到，在將性能標準應用到特定的拓撲以確定合適拓撲的技術領域需要由給定的元件設置和封裝技術所約束的可調諧匹配網絡的給定應用。

技術實現要素：

為了最小化現有技術中的限制，以及最小化將在閱讀和理解本說明書的基礎上而變得明顯的其它限制，本發明公開了可調諧匹配網絡拓撲。

依據本發明的一個和更多個實施例的網絡包括至少一個電感器，以及至少一個可調諧電容器，與該電感器並聯，其中，所述至少一個可調諧電容器調節該至少一個電感器的自諧振頻率。

這種網絡進一步可選地包括為旁路雙π網絡的可調諧匹配網絡，該旁路雙π網絡具有與該至少一個可調諧電感器並聯的單個可變電容器，選擇對至少一個可調諧電容器的電容分配以最大化可調諧網絡的頻率響應，從而使得該可調諧網絡在最低期望頻率(frequencyofinterest)具有最大可調諧度，選擇對至少一個可調諧電容器的電容分配以最大化該可調諧網絡的頻率響應，從而使得該可調諧網絡在最高期望頻率處獲得最大化的透明度，該可調諧網絡用在蜂窩電話系統中，且選擇對至少一個可調諧電容器的電容分配以最大化可調諧網絡的頻率響應，從而使得該可調諧網絡在最低的期望頻率處獲得電抗匹配以及在最高期望頻率處的透明度。

這種網絡進一步可選地包括為旁路雙π網絡的可調諧匹配網絡，該旁路雙π網絡具有與至少兩部分電感器並聯的單個可變電容器。期望該可調諧匹配網絡的響應提供跨越期望頻率範圍的所有角度下的大的阻抗變化。調諧狀態之一必須接近當系統不要求調諧時時理想的零損耗透明度(transparency)。在實現此功能的幅度中，兩個特定的區域提供最大的設計挑戰。可調諧匹配網絡的響應必須提供最低期望頻率處的最大可調諧度，這要求相對大的電感器和電容器的值，同時也提供最高期望頻率處的最大透明度，這要求相對小的電感器和電容器的值。

該可調諧匹配網絡可以用在蜂窩電話系統中，且該可調諧匹配網絡的頻率響應被設計以在所有期望頻率處獲得寬調諧和高透明度。

依據本發明的一個或更多個實施例的另一網絡包括與第一埠和第一節點耦合的第一電感器，第二電感器，其耦合於第一節點和第二節點之間，第一電容器，其耦合於第一節點和地節點之間，第二電容器，其耦合於第二節點和地節點之間，第三電感器，其耦合於第二節點和第三節點之間，第三電容器，其耦合於第三節點和地節點之間，第四電感器，其耦合於第三節點和第二埠之間，以及第四電容器，其耦合於第一節點和第三節點之間，其中，該第四電容器為可變電容器，其中，該第四電容器調節第二和第三電感器的串聯組合的自諧振頻率。該第一和第四電感器可以由封裝中的饋電互連件(feedinterconnects)的自感應來實現。

這種網絡進一步可選地包括第二和第三電感器，該第二和第三電感器可分別由連接於第一和第二節點之間的第五可調諧電容器和連接於第二和第三節點之間的第六電容器來調諧，該可調諧匹配網絡的響應頻率被最大化以在最低的期望頻率處可調諧，該可調諧匹配網絡的響應頻率被最大化以在最高的期望頻率處獲得最大的透明度，該可調諧匹配網絡用於蜂窩電話系統中，且該可調諧匹配網絡的頻率響應被設計為在最低的期望頻率處獲得可調諧度且在最高的期望頻率處獲得透明度。

依據本發明的一個或更多個實施例的可調諧網絡包括第一電感器、第二電感器和第三電感器，其中該第一電感器、第二電感器和第三電感器串聯連接，第一電容器，其耦合於第一電感器、第二電感器的串聯連接和地之間，第二電容器，其耦合於第二電感器、第三電感器的串聯連接和地之間，以及第三電容器，其與第二電感器並聯，其中，該第三電容器調節該第二電感器的自諧振頻率。

這種網絡進一步可選地包括與第三電感器串聯地連接的第四電感器，耦合於第三電感器、第四電感器的串聯連接和地之間的第四電容器，以及第五電容器，其與第三電容器並聯地耦合，其中，該第五電容器調節第三電感器的自諧振頻率，第六電容器，其與第三電容器和第五電容器並聯地耦合，該第三電容器和第五電容器為與第二電感器和第三電感器的組合併聯地耦合的單個電容器，該可調諧網絡的頻率響應被最大化以在最低的期望頻率處可調諧，該可調諧網絡的頻率響應被最大化以在最高的期望頻率處獲得最大的透明度，且該可調諧網絡的頻率響應被設計為在最低的期望頻率處獲得電抗匹配且在最高的期望頻率處獲得透明度。

其它特徵和優勢是所公開的系統中固有的或者對於本領域的技術人員來說，其將從以下的詳細說明和其所附的附圖中變得明顯。

附圖說明

現在參考附圖，其中，自始至終相同的參考數字代表相同部分：

圖1例示了集中的電抗元件的串並聯組合；

圖2例示了與圖1的基本匹配電路相應的史密斯圓圖，且圖3和4例示了圖1和2中描繪的部分的組合的雙史密斯圓圖；

圖5例示了依據本發明的單個部分π網絡；

圖6和7例示了圖5的單π網絡分別對於高頻透明度和低頻調諧設置的響應；

圖8例示了依據本發明的雙π網絡；

圖9-10例示了圖8的雙π網絡分別對於高頻透明度和低頻調諧設置的響應；

圖11例示了依據本發明的具有旁路電容器的雙π網絡；

圖12-13例示了圖11的旁路雙π網絡分別對於高頻透明度和低頻調諧設置的響應；

圖14例示了依據本發明的具有單個串聯可調諧電容器的集中的lc傳輸線；以及

圖15-16例示了圖14的網絡分別對於高頻透明度和低頻調諧設置的響應。

具體實施方式

在以下的描述中，參考組成其一部分的所附的附圖，且通過例示的方式示出了本發明的一些實施例。將理解，在不偏離本發明的範圍的情況下，可以使用其它實施例且可以進行結構上的變化。

綜述

設計依據

可調諧匹配電路需要特定的電路結構以使得能夠有高性能。對於匹配良好的負載，它們必須是最大化地透明且具有最小的吸收和反射。對於匹配不良的負載，它們應當充分提高對負載的能量輸送。對於在頻率接近、通過及超過帶寬的倍頻的範圍內工作良好的匹配網絡帶來很大的挑戰。同時在兩個頻率處(例如傳輸/接收對)匹配帶來了進一步的挑戰。本發明公開了一種電路拓撲類，其對抗所有的這些性能挑戰。

兩種極端的性能是在最低的期望頻率處獲得大的可調諧度，在該最低的期望頻率處需要大的電容器和電感器，且在最高的期望頻率處獲得高的透明度，在該最高的期望頻率處應當形成低損耗傳輸線。關鍵的挑戰是形成具有足夠感應係數的電感器，以使得能夠低頻調諧，同時保持該電感器的自諧振頻率大大超過最高頻率。

圖1例示了集中的電抗元件的串並聯組合。

最基本的匹配電路是「l」部分，其利用兩個集中的電抗元件，例如電感器和電容器，的串並聯組合。有8種基本的集中元件的元件組合，其能夠用於形成這些「l」部分，且每一個都能夠匹配可能的負載阻抗的子集。部分100-114例示了這八種可能的元件的組合。

圖2例示了史密斯圓圖，其示出了可以由與圖1的相應的基本匹配電路中的每一個獲得的阻抗。因此，例如，部分100具有在陰影區域的圖形200中所示出的匹配覆蓋範圍。部分102具有在陰影區域的圖202形中所示出的匹配覆蓋範圍，部分104具有在陰影區域的圖204形中所示出的匹配覆蓋範圍，部分106具有在陰影區域的圖形206中所示出的匹配覆蓋範圍，部分108和112具有在陰影區域的圖形208中所示出的匹配覆蓋範圍，且部分110和114具有在陰影區域的圖形210中所示出的匹配覆蓋範圍。

圖形208和210示出了當兩個集中的無源元件屬於一種類型(c1、c2、d1、d2)，可能的阻抗的顯著較小部分能夠得到匹配。

如可以通過分別組合圖形200和202或者圖形204和206的覆蓋區域來看到的，當部分100和102的串聯(in-line)組合或者部分104和106的串聯組合在一起使用，整個範圍的阻抗能夠得到匹配。

圖3例示了對於圖1中所描繪的部分100和102的串聯組合的特定的元件調諧範圍的史密斯圓圖的覆蓋範圍，以獲得具有所有角度的反射係數的阻抗範圍以及最大幅度。該最大幅度由元件可調諧的範圍來設置。假設在圖2、3和4中電感器和電容器均為理想的且充分可調的。圖4例示了對於圖1中所描繪的部分104和106的串聯組合的特定的元件調諧範圍的史密斯圓圖的相似覆蓋範圍。注意，圖3提供了一種沿每一部分所提供的覆蓋範圍之間的界限的更加無縫的覆蓋範圍。

下一個考慮是需要用來實現充分的匹配阻抗覆蓋範圍的元件值的範圍。該值由必須完全匹配的最大的電壓駐波比(vswr)，以及該電路的操作頻率來確定。圖3例示了在1.0ghz操作、使用部分100和102的組合、(兩個低通l部分)具有vswr＝3的調諧能力時的匹配阻抗的範圍。矩形300是通過使用部分100而被匹配的那些阻抗，且三角形302是通過使用部分102而被匹配的那些阻抗。圓304是3:1的界限。這些結果是為具有以1nh為梯級、1至10nh的電感值以及以0.125pf為梯級、0.25至4.0pf的電容值的l網絡獲得的。

類似地，圖4例示了對於相同的覆蓋範圍的兩個高通部分，部分104和106。矩形400例示了由部分104提供的匹配，且三角形402例示了由部分106提供的匹配。再次，圓404例示了3:1的界限。該高通電路要求以1nh為增量的6至40nh的並聯電感值，以及以0.5pf為增量的2.5至20pf的串聯電容值。甚至會要求更高的電感值，以填充在由電路104和106所提供的匹配點之間的圓404的內部所示出的空隙。

如在圖3和4中所看到的，低通網絡100和102提供了與高通網絡104和106相比從對於匹配良好的負載來說的透明度到在具有顯著較小的無源元件值的情況下調整更高的vswr的更好的性能範圍。因此，強烈優選低通網絡100和102在l部分之間。如果在低頻使用該網絡，將需要成反比的更大的元件來獲得相同的性能。相反，在可替代的情況下，期望的負載都處於高vswr處，可能高通網絡104和106會是優選的。

實際實現情況

為了實現單個網絡中的部分100和102，需要開關或者高比率的可調諧元件。假設需要高比率的元件來分別實現任一個，最優的解決方案是使用高比率的元件來實現該組合。這個組合可以在l部分的π或t組合中實現。

為了實現任一網絡，需要可調諧電感器。寬比率的電感器通常不可獲得。因此，本發明通過調節與電感器並聯的電容器實現了一種寬比率可調諧電感器，其調節電感器的自諧振頻率。當自諧振頻率降低，有效的電感增加。這可以利用物理上分離的可變電容器元件來完成，或者可以通過改變從電感器對地的旋轉間距或間距來直接調節電感器的寄生電容來實現。

當電感器實際上大於電容器，且為了調諧的目的而需要電容器時，那麼與t網絡相比，π網絡是優選的，從而創建部分100和102的組合，此時π網絡僅需要單個的可調諧電感器。另一個因素是組成π網絡的組合使得能夠利用較小範圍的元件值來達到匹配條件。

損耗

除了匹配之外，在匹配網絡中的損耗是必須考慮的。更精確地，該匹配網絡的功能是進入特定負載阻抗的轉換器增益的最大化。不完全匹配和吸收損耗都將使這種性能降低。因此，網絡中的所有元件必須是低損耗的。特定的損耗要求將依賴於應用，但是可能需要超過50的電感器和電容器的q值。q值>100將帶來額外的價值。

寄生效應

上面的分析探討了網絡中作為主要設計元件的電抗元件。然而，每個集中的元件和每個元件之間的連接還具有改變網絡的響應的寄生電抗。這些寄生電抗包括電感器調諧電容器的對地電容、電感器匝間電容、電感器對地的電容，電容器對地寄生電容以及電容器中的串聯電感。這些固定的寄生值限制了該網絡的調諧能力。這些寄生效應必須得以最小化，從而最大化網絡的性能和調諧範圍。

結果和對比

對於每個網絡，在下文中考察匹配良好情況下對於最高頻率損耗的性能以及在最低頻率處對於不良vswr情況的反射性能。如具體的示例，對於低頻情況，我們考察美國蜂窩頻段(～820mhz)的低頻端，以及對於高頻情況，我們利用umts頻段(～2200mhz)的上端。下面的描繪例示了對於典型元件值和寄生電容值來說每種網絡拓撲的表現。為了便於分析，在輸入和輸出使用20pf的可獲得的可調諧電容、每個1pf的電容每個電容器引腳0.16pf的對地寄生電容、20；1的內部電容器比率，以及1nh的饋電電感的設計值。可以在不偏離本發明的範圍的情況下使用其它的值。

單π網絡

圖5例示了依據本發明的單個部分π網絡。

對於單個部分π網絡500，使用了每一個的電感值為4.3nh電感器502-506以及6-8-6pf的可調諧電容器配置的電容器508-512，其中，電容器510為8pf電容器。如圖6中所示，對於這個網絡，設置電容器508-512的值為最小產生了高頻透明設置。注意，由於寄生效應，該高頻透明設置已經在2.2ghz發生了顯著的滾降。事實上，圖5可以被認為是具有輸入/輸出固定的饋電電感器502和506的單π可調諧網絡，或者是僅具有中心電感器504作為可調諧元件的雙t。

圖7例示了為低頻調諧而設置的圖5的單π網絡500的響應。注意，由於低頻調諧已經到達臨界，因此元件的值不可能降低到減小相關的寄生效應以提高高頻響應。電感值和可調電容分配的變化可以用於提高低頻或高頻響應中的任一個，但限於不能損害對方的程度。

雙π網絡

圖8例示了一種依據本發明的雙π網絡。

雙π網絡800是串聯連接的兩個單π。因此共享的中心電容器，即電容器802和804的組合，有效地使穿過電感器的電容加倍。如果我們在每個電容＝4.3nh，4pf的串聯可調諧電容以及4pf的每個π的並聯可調諧電容的情況下，使用與單π中相同的基值，該網絡可以描述為4-4-4-4-4結構。當為了高頻透明而進行此設置，獲得了圖9中所示的頻率響應。注意，高頻滾降僅僅在imt2000頻帶以上發生。儘管在電路中出現總電感的兩倍，但是由於每個電感器上具有較小的電容性負載，寄生效應小得多。

如果在最多有兩個串聯電容器802和804且最多有末端的並聯電容器之一的情況下，測試美國蜂窩頻率的大力調諧情況，那麼頻率響應如圖10中所示。注意，不可能在美國蜂窩頻率的底部實現大力調諧，因為每個部分都沒有足夠的電容來將電感器諧振頻率向下拉得足夠遠以至提供足夠的調諧。這可以通過增加更多的可調諧電容來得到改善，但是這會直接影響模具成本(diecost)且會增加更多的寄生效應，從而會不可接受地降低邊緣的高頻性能。而且，注意，這種方法要求與單個部分相同的封裝包中電感的兩倍，且可能導致非計劃中的耦合以及不可接受的尺寸和成本。

具有旁路的雙π網絡

在雙π旁路拓撲中，減小兩個串聯電容器寄生的以及更好地利用它們的調諧能力的方法是增加在圖11中所示的跨接在兩個電感器之間的調諧電容器1100。這個電容器調節兩個電感器的串聯組合，且因此能夠實現相同可變電容的更大的調諧。如果我們考慮這樣一種使用每個電感器僅2.15nh的網絡(即，該串聯組合與單π網絡相同)且電容器分配為4-2-2-2-4_6(兩個末端並聯電容器每個4pf，中心並聯電容器和與電感器直接並聯連接的兩個電容器每個2pf且跨接兩個電感器的為6pf)，對於高頻透明情況，我們獲得圖12中所示的響應。注意，該響應比前面的電路更寬頻。

對這種透明設置的調諧具有調諧為非零值的中心並聯電容器，該非零值補償在末端節點的其它電容器的寄生負載以形成更均勻的傳輸線。在前面的情況中，最透明的設置是所有的可調諧電容器設置為最小。因此，除了性能之外，該方法帶來了在前面的拓撲中未見到的水平的靈活性。

當在低頻點設置最大的調諧，得到圖13中的電路的頻率響應。注意，可獲得的調諧不足，且還存在雜散的更高的頻率響應。然而，如果我們使用在高頻環境下獲得的邊緣來提高低頻響應，這明顯會需要更大的電容(具有增加的成本和尺寸)或者一些元件可能接近零。這讓我們得到了最終的電路。

組合的電容器方法

圖14例示了依據本發明的具有與兩個電感器的串聯組合併聯的單個串聯電容器的集中的lc傳輸線。

圖14示出了跨越每個電感器的多個電容器，該多個電容器被組合成為一個單個的電容器以調整整個電感器結構。這形成了從輸入到輸出的具有可變電容性並聯負載以及旁路電容器的分布式lc傳輸線。對於特定的示例，兩個電感器為如上所述的2.15nh，且使用如上所述的相同的編碼將電容器分布為4-0-4-0-4-8，其中電容器1400為8pf電容器，且電容器1402-1406為4pf電容器。當設置為這種透明情況，頻率響應如圖15中所示。

注意，此響應與具有顯著頻率邊緣但是具有甚至更低的損耗的旁路雙π類似。這是由於中心可調諧並聯電容器的改善，該改善是由於移除了前面結構中的串聯的電容器連接而使中心節點處具有更小的寄生效應，因此釋放了能夠分配為用於調諧的並聯電容的電容的可用性。

最大限度地調節的頻率響應如圖16中所示，其中，在低頻處顯示出了高電抗表現。因此該旁路結構提供了所有拓撲的高頻透明度和低頻調諧以及最高性能的最優組合。

本發明可以延伸到n-π拓撲，其中單個串聯調諧電容器與n個部分的串聯組合併聯，每一個具有串聯電感器和並聯可調諧電容器。這種較大拓撲的關鍵在於使總電感總計為對於低頻響應和給定的高頻響應的合適值，儘管以電路更複雜、成本更高為代價，但是更大數量的部分將進一步提高拓撲的高頻響應，每個部分具有總的電感的一部分。進一步，電感器可以在電路中磁性耦合以使得電路中的各個電感器可以根據需要為被抽頭(taps)分開的單個線圈，或者分離的結構。

總結

公開了可調諧匹配網絡拓撲。依據本發明的一個或更多個實施例的網絡包括至少一個可調諧電感器，以及至少一個可調諧電容器，與該電感器並聯，其中，該至少一個可調諧電容器調節該至少一個可調諧電感器的自諧振頻率。

這種網絡進一步可選擇地包括為一旁路雙π網絡的可調諧匹配網絡，所述旁路雙π網絡具有與所述至少一個可調諧電容器並聯的單個可變電容器，該可調諧網絡用於蜂窩電話系統中，且選擇對至少一個可調諧電容器的電容分配以及電感器的值使得對於各種調諧設置，該可調諧網絡在最低期望頻率處具有最大化的可調諧度且在最高期望頻率處具有最大化的透明度。

依據本發明的一個或更多個實施例的另一網絡包括與第一埠和第一節點耦合的第一電感器，第二電感器，其耦合於第一節點和第二節點之間，第一電容器，其耦合於第一節點和地節點之間，第二電容器，其耦合於第二節點和地節點之間，第三電感器，其耦合於第二節點和第三節點之間，第三電容器，其耦合於第三節點和地節點之間，第四電感器，其耦合於第三節點和第二埠之間，以及第四電容器，其耦合於第一節點和第三節點之間，其中，該第四電容器為可變電容器，其中，該第四電容器調節第二電感器的自諧振頻率。

這種網絡進一步可選地包括為可變電感器的第二電感器，該可調諧匹配網絡用於蜂窩電話系統中，且選擇對至少一個可調諧電容器的電容分配以及電感器的值使得對於各種調諧設置，該可調諧網絡在最低的期望頻率處具有最大化的可調諧度且在最高的期望頻率處具有最大化的透明度。

依據本發明的一個或更多個實施例的可調諧網絡包括第一電感器、第二電感器和第三電感器，其中該第一電感器、第二電感器和第三電感器串聯連接，第一電容器，其耦合於第一電感器、第二電感器的串聯連接和地之間，第二電容器，其耦合於第二電感器、第三電感器的串聯連接和地之間，以及第三電容器，其與第二電感器並聯，其中，該第三電容器調節該第二電感器的自諧振頻率。

這種網絡進一步可選地包括與第三電感器串聯地連接的第四電感器，耦合於第三電感器、第四電感器的串聯連接之間和地的第四電容器，以及第五電容器，其與第三電容器並聯地耦合，其中，該第五電容器調節第三電感器的自諧振頻率，第六電容器，其與第三電容器和第五電容器並聯地耦合，該第三電容器和第五電容器為與第二電感器和第三電感器的組合併聯地耦合的單個電容器，且選擇對至少一個可調諧電容器的電容分配和電感器的值使得對於各種調諧設置，該可調諧網絡在最低的期望頻率處具有最大化的可調諧度且在最高的期望頻率處具有最大化的透明度。

為了例示和說明的目的，已經呈現了對本發明的優選實施例的前面的描述。其目的不是為了詳盡或限制本發明至所公開的確切形式。按照前面教導，可以做出一些修改和變型。目的在於本發明的範圍不是由在此的詳細描述所限制，而是由此處所附的權利要求以及權利要求的等同物的全部範圍所限制。