本发明实施例涉及射频阻抗匹配技术领域，特别涉及一种宽频阻抗匹配模块及包含其的装置。
背景技术：
随着通信技术的快速发展，人们对通信速度的要求越来越高。然而随着频率的上升以及复杂通信系统所带来的系统级的设计难度，对射频芯片提出了新的挑战。譬如，在5G sub-6GHz的射频芯片设计中，由于其具有宽频的特点，需要能够对射频匹配进行宽频匹配的出来。为了实现高低阻抗之间的匹配，可以通过无源电感和电容来进行匹配设计，而宽带宽主要是通过多级网络的方式。请参考图1a至图1c所示的两级匹配，为了实现更宽的带宽，可以用更多级的匹配，请参阅图2所示的三级匹配。同时，针对不同需要，可以采用低通、高通、或者低通高通混合的方式来实现。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：多级LC的匹配方式是现在比较普遍使用的方式，尤其在无线通信的射频前端产品中。然而，由于元器件本身的寄生效应，导致了其品质因素(Q)较差，因此多级LC匹配会引起较高的损耗。同时，由于元器件的尺寸较大，因此多级匹配也会占用较大的面积，对射频设计的小型化带来挑战。另外，一旦匹配网络的设计定型，在产品中也无法根据应用场景对匹配进行需要的自动调整。请参阅图3所示的针对高频段(2.3GHz-2.7GHz)LTE(Long Term Evolution，长期演进，简称LTE)应用的砷化镓HBT(Heterojunction Bipolar Transistor，异质结双极型晶体管，简称HBT)功率放大器设计，其采用了两级匹配网络。由于频率较高且带宽较高，匹配采用了两级低通的匹配网络。然而，由于电感在高频段的品质因素较差，因此仅匹配网络的插损就接近1dB(分贝)左右。同时，该匹配模块缺少灵活性，无法在实际应用中对电路进行调整。
技术实现要素：
本发明实施方式的目的之一在于提供一种宽频阻抗匹配模块及包含其的装置，使得匹配阻抗可以根据实际需要进行调整，从而使其具有一定的通用性，有利于提高射频前端产品的开发效率。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种宽频阻抗匹配模块，用于形成阻抗匹配网络，包括：M个射频开关以及与各射频开关相连的阻抗匹配器件；M为大于或者等于1的自然数；各射频开关均用于连接控制单元，并在所述控制单元的控制下将与所述各射频开关相连的阻抗匹配器件接入或者断开所述阻抗匹配网络，以调节所述宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗。
本发明的实施方式还提供了一种宽频阻抗匹配装置，包括：控制单元以及如上所述的宽频阻抗匹配模块；所述控制单元与所述宽频阻抗匹配模块中的各射频开关相连；所述控制单元配置为能够根据当前的频率点产生多个控制信号，所述多个控制信号分别用于控制各个射频开关的通断，以使得所述宽频阻抗匹配模块提供所述当前的频率点所需的匹配阻抗。
本发明实施方式相对于现有技术而言，宽频阻抗匹配模块包括多个射频开关，以及与各射频开关相连的阻抗匹配器件，且各射频开关还连接控制单元，并在控制单元的控制下将与各射频开关相连的阻抗匹配器件接入或者断开宽频阻抗匹配模块的阻抗匹配网络，由于整个宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗会随着与各射频开关相连的阻抗匹配器件与阻抗匹配网络的连接状况的改变而改变，从而使得宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗可以根据实际需要匹配的频率点进行调节，使得宽频阻抗匹配模块具有很强的通用性，使得开发人员可以根据实际需要灵活地对宽频阻抗匹配模块进行配置，进而有利于提高射频前端产品的开发效率。
另外，与各射频开关相连的阻抗匹配器件均为电容器件，其中，所述各射频开关分别与至少一电容串联形成开关电容支路，各开关电容支路并联形成可调电容器组。
另外，所述可调电容器组包括第一可调组以及第二可调组；所述宽频阻抗匹配模块还包括第一电感；所述第一电感的输出端与所述第一可调组的第一端相连；所述第一可调组的第二端与所述第二可调组的第一端相连，所述第二可调组的第二端接地，所述第一可调组的第二端以及所述第二可调组的第一端还用于连接负载的输入端，从而通过第一电感、第一可调组以及第二可调组可形成一级阻抗匹配电路，同时通过调节第一可调组以及第二可调组使得该一级阻抗匹配电路具备二级阻抗匹配电路的阻抗匹配性能，不仅有利于降低插损，而且由于减少了电感的使用，还可避免高频条件下由于电感的品质因素变差引起的性能恶化。
另外，所述宽频阻抗匹配模块还包括第二电感以及第一电容；所述第二电感的输出端连接所述第一电感的输入端；所述第一电容的第一端与所述第二电感的输出端相连，所述第一电容的第二端接地，从而可形成两级阻抗匹配电路，并且该两级阻抗匹配电路具备三级阻抗匹配电路的性能，从而有利于降低损耗。
另外，所述宽频阻抗匹配模块还包括第二电容；所述第二电容的第一端与所述第一电感的输入端连接，所述第二电容的第二端接地，从而可形成π型两级阻抗匹配电路，并且该两级阻抗匹配电路具备三级阻抗匹配电路的匹配性能，有利于降低损耗。
另外，所述可调电容器组包括第三可调组以及第四可调组；所述宽频阻抗匹配模块包括第三电感以及第四电感；所述第三电感、第四电感以及第三可调组依次串联；所述第四可调组的第一端与所述第三电感的输出端相连，所述第四可调组的第二端接地，从而可形成两级T型阻抗匹配电路，并且该两级阻抗匹配电路具备三级阻抗匹配电路的匹配性能，有利于降低损耗。
另外，所述M个射频开关采用芯片工艺制作形成射频开关芯片，从而可以节省匹配电路面积，有利于降低产品设计复杂度。
另外，所述芯片工艺包括以下任意一种：绝缘体上的硅SOI以及赝调制掺杂异质结场效应晶体管PMENT，从而使得产品的性能以及经济性更佳。
另外，与所述射频开关相连的电容形成在所述射频开关芯片上，由于电容集成在射频开关芯片上相比无源的电容元器件寄生参数明显减小，所以有利于提升产品性能。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1a至图1c现有技术中的两级阻抗匹配电路的线路示意图；
图2是现有技术中的一种三级阻抗匹配电路的线路示意图；
图3是现有技术中具有两级阻抗匹配电路的功率放大器的线路示意图；
图4是根据本发明第一实施方式宽频阻抗匹配模块的一种线路示意图；
图5是具有图4所示的宽频阻抗匹配模块的功率放大器的线路示意图；
图6是根据本发明第二实施方式宽频阻抗匹配模块的一种线路示意图；
图7是根据本发明第三实施方式宽频阻抗匹配模块的一种线路示意图；
图8是根据本发明第四实施方式宽频阻抗匹配模块的一种线路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种宽频阻抗匹配模块，用于形成阻抗匹配网络，适用于有源以及无源等各种应用场景下的阻抗匹配，例如有源器件中的功率放大器、低噪声放大器以及混频器等，无源器件中的滤波器以及天线阻抗匹配等，应当理解，本实施方式对于其应用场景不作具体限制。该宽频阻抗匹配模块包括：M个射频开关以及与各射频开关相连的阻抗匹配器件，M为大于或者等于1的自然数，各射频开关均用于连接控制单元，并在控制单元的控制下将与各射频开关相连的阻抗匹配器件接入或者断开阻抗匹配网络，以调节宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗。本发明实施方式相对于现有技术而言，宽频阻抗匹配模块包括多个射频开关，以及与各射频开关相连的阻抗匹配器件，且各射频开关还连接控制单元，并在控制单元的控制下将与各射频开关相连的阻抗匹配器件接入或者断开宽频阻抗匹配模块的阻抗匹配网络，由于整个宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗会随着与各射频开关相连的阻抗匹配器件与阻抗匹配网络的连接状况的改变而改变，从而使得宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗可以根据实际需要匹配的频率点进行调节，使得宽频阻抗匹配模块具有很强的通用性，使得开发人员可以根据实际需要灵活地对宽频阻抗匹配模块进行配置，进而有利于提高射频前端产品的开发效率。下面对本实施方式的宽频阻抗匹配模块的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
本实施方式中，与各射频开关相连的阻抗匹配器件均为电容器件，且各射频开关分别与至少一电容串联形成开关电容支路，各开关电容支路并联形成可调电容器组。在一些例子中，与射频开关相连的阻抗匹配器件也可以为电感器件，例如，将如图1b或者1c所示的两级阻抗匹配电路中的电感与射频开关串联后接地，本实施方式对于与射频开关相连的阻抗匹配器件的类型不作具体限制。
在实际应用中，可以将上述可调电容器组分为第一可调组以及第二可调组，并可通过第一可调组、第二可调组以及宽频阻抗匹配模块中的其他阻抗匹配器件搭建一级阻抗匹配电路。具体地，请参阅图4，可调电容器组包括第一可调组11以及第二可调组12。第一可调组11以及第二可调组12均包括多个开关电容支路，且各开关电容支路均包括：阻抗匹配电容Cs以及与该Cs串联的射频开关K。本实施方式中，宽频阻抗匹配模块1例如还包括第一电感L1，该第一电感L1的输入端与信号源的输出端相连，第一电感L1的输出端与第一可调组L1的第一端相连，第一可调组11的第二端与第二可调组12的第一端相连，第二可调组12的第二端接地，第一可调组11的第二端以及第二可调组12的第一端还用于连接负载的输入端。这样，第一电感L1、第一可调组11以及第二可调组12即可形成一级阻抗匹配电路。需要说明的是，第一可调组11与第二可调组12的结构可以完全相同，即第一可调组11的开关电容支路的数量以及结构与第二可调组12的开关电容支路的数量以及结构相同。在一些例子中，第一可调组与第二可调组亦可以采用不同的结构，例如，第一可调组11的开关电容支路的数量与第二可调组12不同，本实施方式对此不作具体限制。需要说明的是，第一可调组11以及第二可调组12中的开关电容支路的数量越多，则第一可调组11以及第二可调组12能够提供的阻抗调节范围越大，从而有利于实现更多频率点的阻抗的优化匹配，本实施方式对于第一可调组以及第二可调组的开关电容支路的数量不作具体限制。
本实施方式中，第一电感L1以及第一可调组11串联构成等效电感，通过调节第一可调组11接入至阻抗匹配网络的电容器件即可调节等效电感，而第二可调组12亦为可变电容，因此，通过调节等效电感以及第二可调组12即可实现不同频率点的阻抗匹配，从而使得设计所需的频率点都可以达到更优的匹配，随着可优化匹配的频率点的增多，还实现了宽频匹配的效果。举例而言，现有技术中，3欧姆到50欧姆的阻抗匹配电路一般采用多级匹配，例如先匹配到中间阻抗，再匹配到最终所需的阻抗，现有多级匹配存在损耗高的问题。而采用本实施方式的宽频阻抗匹配模块，则可以通过调节第一可调组11以及第二可调组12改变等效电感以及与等效电感连接的可变电容的阻抗，直接实现3欧姆到50欧姆之间的任意阻抗匹配，即本实施方式的宽频阻抗匹配模块所实现的一级阻抗匹配电路能够代替现有的两级阻抗匹配电路，并且，匹配性能更佳且损耗更低。
请参阅图5所示的应用了前述具有一级阻抗匹配电路的宽频阻抗匹配模块1的功率放大器的线路示意图，其中，C12为去耦电容，L11(RF_Choke)为射频扼流圈，BJT为NPN型射频功率放大管，C11为隔直电容，射频功率放大电路的实现方式为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
另外，在一些例子中，可调电容器组亦可以作为一个整体替代现有的阻抗匹配电路中的一个电容器件。
本实施方式中，射频开关可以采用高速硅PIN二极管以及砷化镓PHENT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，赝调制掺杂异质结场效应晶体管，简称PHEMT)等本领域技术人员熟知的方式实现，本实施方式对于射频开关的实现方式不作具体限制。
进一步地，在一个例子中，还可以将宽频阻抗匹配模块中的所有射频开关采用芯片工艺实现，即将所有射频开关制作在射频开关芯片中。其中，芯片工艺可以采用以下任意一种：绝缘体上的硅SOI(Silicon-On-Insulator，简称SOI)以及PMENT，本实施方式对于芯片工艺不作具体限制。通过将宽频阻抗匹配模块中的多个射频开关制作成射频开关芯片，使得匹配电路的面积更小、成本更低、且性能更佳。
更进一步地，与射频开关相连的电容也可以形成在射频开关芯片上，即将宽频阻抗匹配模块中的可调电容器组均制作在射频开关芯片上，例如将第一可调组以及第二可调组中的各器件均制作在射频开关芯片上。由于集成在射频开关芯片上的电容的寄生参数与无源的电容器件相比更小，所以可以进一步提升阻抗匹配性能。
本实施方式与现有技术相比，通过宽频阻抗匹配模块中的射频开关的通断可以改变接入阻抗匹配网络的阻抗匹配器件，从而可以调节宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗，因此本实施方式的宽频阻抗匹配模块可以根据具体应用场景进行调整，进而能够提高产品开发设计的灵活性，提高开发效率。同时由于宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗可以灵活调节，从而可以优化每个频率点的匹配，且能够通过较少级的阻抗匹配电路实现现有的较多级的阻抗匹配电路才能达到的宽频匹配效果，从而可以进一步降低损耗，并且能够在降低损耗的同时获得更宽的带宽。另外，由于本实施方式的宽频阻抗匹配模块中的可调电容器组中的全部器件均形成在射频开关芯片上，因此可以进一步减少匹配电路的面积，降低射频产品设计的复杂度。
本发明的第二实施方式涉及一种宽频阻抗匹配模块。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，宽频阻抗匹配模块可作为一种基于射频开关的可重构一级阻抗匹配电路结构。而在本发明第二实施方式中，宽频阻抗匹配模块可作为一种可重构二级阻抗匹配电路，从而丰富了本发明的实施方式。
请参阅图6，本实施方式的宽频阻抗匹配模块包括多个射频开关K以及与各射频开关K相连的阻抗匹配器件(即阻抗匹配电容Cs)。其中，各阻抗匹配电容Cs与各射频开关K串联形成开关电容支路，各开关电容支路并联形成可调电容器组。具体地，可调电容器组包括第一可调组11以及第二可调组12。宽频阻抗匹配模块还包括：第一电感L1、第二电感L2以及第一电容C1，其中，第二电感L2、第一电感L1以及第一可调组11依次串联连接，第一电容C1的第一端连接第二电感L2的输出端，第一电容C1的第二端接地，第二可调组11的第一端连接第一可调组11的第二端，第二可调组12的第二端接地，第一可调组11的第二端以及第二可调组12的第一端均连接负载的输入端。各射频开关K均连接控制单元(图未示)，并在控制单元的控制下将与各射频开关K相连的阻抗匹配电容Cs接入或者断开阻抗匹配网络，以调节宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗。
本实施方式中，第二电感L2以及第一电容C1形成宽频阻抗匹配模块的第一级阻抗匹配电路，第一电感L1、第一可调组11以及第二可调组12形成第二级阻抗匹配电路。由于第二级阻抗匹配电路可替代现有的两级阻抗匹配电路，因此，本实施方式的宽频阻抗匹配模块虽然在形式上为二级阻抗匹配电路，但是实质上能够实现现有三级阻抗匹配电路的宽频阻抗匹配性能，例如可达到如图2所示的三级阻抗匹配电路的匹配能力。
本实施方式与现有技术相比，提供了一种两级可重构宽频阻抗匹配电路，其可达到现有三级阻抗匹配电路的匹配效果，而且性能更佳且损耗更低。
本发明的第三实施方式涉及一种宽频阻抗匹配模块。第三实施方式提供了一种与第二实施方式并列的一种二级阻抗匹配电路，从而进一步丰富了本发明的实施方式。
请参阅图7，本实施方式的宽频阻抗匹配模块包括多个射频开关K以及与各射频开关K相连的阻抗匹配器件(即阻抗匹配电容Cs)。其中，各阻抗匹配电容Cs与各射频开关K串联形成开关电容支路，各开关电容支路并联形成可调电容器组。具体地，可调电容器组包括第三可调组13以及第二可调组14。宽频阻抗匹配模块还包括：第三电感L13以及第四电感L4。第三电感L3、第四电感L4以及第三可调组13依次串联，第四可调组14的第一端与第三电感L3的输出端相连，第四可调组14的第二端接地。各射频开关K均用于连接控制单元(图未示)，并在控制单元的控制下将与各射频开关K相连的阻抗匹配电容Cs接入或者断开阻抗匹配网络，以调节宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗。
本实施方式中，第三电感L3、第四电感L4、第三可调组13以及第四可调组14形成一种两级可重构T型阻抗匹配电路，该T型阻抗匹配电路可替代现有的三级阻抗匹配电路，例如可实现如图2所示的三级阻抗匹配电路的匹配。
本实施方式与现有技术相比，提供了一种两级可重构T型宽频阻抗匹配电路，其可达到现有三级阻抗匹配电路的匹配效果，而且性能更佳且损耗更低。
本发明的第四实施方式涉及一种宽频阻抗匹配模块。第四实施方式提供了一种与第二以及第三实施方式并列的一种二级阻抗匹配电路，从而进一步丰富了本发明的实施方式。
请参阅图8，本实施方式的宽频阻抗匹配模块包括多个射频开关K以及与各射频开关K相连的阻抗匹配器件(即阻抗匹配电容Cs)。其中，各阻抗匹配电容Cs与各射频开关K串联形成开关电容支路，各开关电容支路并联形成可调电容器组。具体地，可调电容器组包括第一可调组11以及第二可调组12。宽频阻抗匹配模块还包括：第一电感L1以及第二电容C2。其中，第二电容C2的第一端与第一电感L1的输入端连接，第二电容C2的第二端接地，第一电感L1的输出端与第一可调组11的第一连接，第一可调组11的第二端与第二可调组12的第一端连接，第二可调组12的第二端接地，第一可调组11的第二端以及第二可调组12的第一端均连接负载的输入端。各射频开关K均用于连接控制单元(图未示)，并在控制单元的控制下将与各射频开关K相连的阻抗匹配电容Cs接入或者断开阻抗匹配网络，以调节宽频阻抗匹配模块的匹配阻抗。
本实施方式中，第二电容C2、第一电感L1、第一可调组11以及第二可调组12形成了一种可重构两级π型阻抗匹配电路，该π型阻抗匹配电路可替代如图2所示的三级阻抗匹配电路。
需要说明的是，在实际应用中，本领域技术人员还可以将可调电容器组与其他阻抗匹配器件(即电容和/或电感)灵活组合，从而使得本实施方式的宽频阻抗匹配模块实现更多级阻抗匹配，本发明对于宽频阻抗匹配模块的具体结构不做限制。
本实施方式与现有技术相比，提供了一种两级可重构π型宽频阻抗匹配电路，其可达到现有三级阻抗匹配电路的匹配效果，而且性能更佳且损耗更低。
本发明第五实施方式涉及一种宽频阻抗匹配装置，包括：控制单元以及如第一、第二、第三或者第四实施方式所述的宽频阻抗匹配模块。控制单元与宽频阻抗匹配模块中的各射频开关相连，控制单元配置为能够根据当前的频率点产生多个控制信号，多个控制信号分别用于控制各个射频开关的通断，以使得宽频阻抗匹配模块提供当前的频率点所需的匹配阻抗。具体地，控制单元例如是射频电子装置中的基带芯片，本实施方式对于控制单元的类型不作具体限制。
在一些例子中，宽频阻抗匹配模块中的部分或者全部射频开关以及与各射频开关形成开关电容支路的电容器件均可以与控制单元形成在一颗射频芯片上，从而可以进一步提高集成度，有利于降低射频产品设计复杂度。
本实施方式与现有技术相比，通过控制单元控制射频开关的通断可以改变接入阻抗匹配网络的阻抗匹配器件，从而可以调节匹配阻抗，因此本实施方式的宽频阻抗匹配装置可以根据具体应用场景进行调整，进而能够提高产品开发设计的灵活性，提高开发效率。同时由于宽频阻抗匹配装置的匹配阻抗可以灵活调节，从而可以优化每个频率点的匹配，且能够通过较少级的匹配电路实现现有较多级的匹配电路才能达到的宽频匹配效果，从而可以进一步降低损耗，并且能够在降低损耗的同时获得更宽的带宽。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。