用于RF通信的使用右手和左手传输线开关的宽带360度移相器的制作方法

本发明的实施例通常涉及用于射频(rf)电路的正交相位生成电路。更具体地，本发明的实施例涉及用于rf通信的使用右手和左手传输线开关的宽带移相器。

背景技术：

国际电信单位(itu)正在研究5g频带在24.25至43.5ghz之间的可能频带，因此24至43.5ghz的宽带对于5g发展变得重要。

正交信号已被广泛用于前端电路，例如，频率调制器、移相器等。如已知为兰格(lange)耦合器的传统的四分之一波长耦合传输线可以生成同时具有低插入损耗和良好回波损耗的正交信号。然而，耦合线需要大的芯片尺寸，这不适合于消费者电子装置设计。移相器广泛用于相控阵系统。然而，市场上缺少高效紧凑的移相器。

附图说明

在附图的图中，通过示例而非限制的方式示出本发明的实施例，在附图中，相似的附图标记指示相似的元素。

图1是示出根据本发明的一个实施例的无线通信装置的示例的框图。

图2是示出根据本发明的一个实施例的rf前端集成电路的示例的框图。

图3是示出根据本发明的另一实施例的rf前端集成电路的框图。

图4是示出根据本发明的另一实施例的rf前端集成电路的框图。

图5示出根据本发明的一个实施例的正交相位生成器电路的示例。

图6a～6c示出根据本发明的一个实施例的移相电路的示例。

图7示出根据本发明的一个实施例的相位切换逻辑的示例。

图8示出根据本发明的一个实施例的相位切换逻辑的响应曲线的图。

图9a和9b示出根据本发明一些实施例的性能曲线。

图10示出根据本发明的一个实施例的电路的示意图。

具体实施方式

将参考以下讨论的详情描述本发明的各种实施例和方面，并且附图将示出各种实施例。以下描述和附图是对本发明的说明并且不应被解释为限制本发明。描述了许多具体详情以提供对本发明的各种实施例的透彻理解。然而，在某些情况下，未描述众所周知的或常规的详情，以提供本发明的实施例的简明讨论。

说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例所描述的具体特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在本说明书中的各个地方的出现不一定全部是指相同的实施例。

根据一些实施例，rf前端ic装置包括：rf收发器，用于发送和接收rf信号；以及频率合成器，用于进行频率合成以在预定频带内工作。频率合成器向rf收发器生成本地振荡器(localoscillator，lo)信号，以使rf收发器能够发送和接收预定频带内的rf信号。该频率合成器包括正交相位生成器(quadraturephasegenerator，qpg)电路和移相电路，该正交相位生成器电路用于基于lo信号来生成相位偏移的信号，该移相电路用于基于相位偏移的信号来生成象限信号。各象限信号对应于各个象限空间中的相位的四个象限其中之一。移相电路包括多个相位开关，这些相位开关可以以协作方式操作以基于由qpg电路生成的相位偏移的信号进一步进行相位偏移，从而生成适当象限空间中的象限信号。

根据一个实施例，移相电路包括一个或多个可变增益放大器以及一个或多个移相逻辑。可变增益放大器耦合至qpg电路来以不同增益放大信号。移相逻辑耦合至可变增益放大器来以不同度的相位进行切换以生成象限信号。qpg电路生成以第一度(例如，-45度)偏移的第一信号和以第二度(例如，+45度)偏移的第二信号。

在一个实施例中，可变增益放大器包括用以放大第一信号的第一可变增益放大器和用以放大从qpg电路生成的第二信号的第二可变增益放大器。移相逻辑包括分别耦合至第一可变增益放大器和第二可变增益放大器的第一相位开关和第二相位开关。在一个实施例中，移相逻辑还包括耦合至第一相位开关和第二相位开关以组合第一和第二相位开关的输出来生成象限信号的功率组合器逻辑。

在一个实施例中，各相位开关在定位于不同位置(例如，接通或关断位置)时可以在零度和180度中切换。当第一相位开关和第二相位开关这两者都以零度配置时，所生成的象限信号在第一象限空间中(例如，在零度和90度之间)。当第一相位开关以零度配置并且第二相位开关以180度配置时，所生成的象限信号在第二象限空间中(例如，在90度和180度之间)。当第一相位开关和第二相位开关这两者都以180度配置时，所生成的象限信号在第三象限空间中(例如，在180度和270度之间)。当第一相位开关以180度配置并且第二相位开关以零度配置时，所生成的象限信号是在第四象限空间中(例如，在270度和360度之间)。在一个实施例中，通过调整可变增益放大器的增益，相应象限信号的振幅和相位角可以在其相应象限空间内被调整。

图1是示出根据本发明的一个实施例的无线通信装置的示例的框图。参考图1，无线通信装置100(也简称为无线装置)包括rf前端模块101和基带处理器102等。无线装置100可以是任何类型的无线通信装置，诸如例如移动电话、膝上型计算机、平板计算机、网络设备装置(例如，物联网或iot设备装置)等。无线通信装置100可以是cpe装置。

在无线电接收器电路中，rf前端是天线直至并包括混频器级之间的所有电路的通用术语。rf前端由接收器中的用于在将原始输入射频的信号转换为较低的中频(intermediatefrequency，if)之前处理该信号的所有组件组成。在微波和卫星接收器中，rf前端通常被称为低噪声块(low-noiseblock，lnb)或低噪声下变频器(low-noisedown-converter，lnd)，并且通常位于天线处，使得来自天线的信号可以以更容易处理的中频被传送到接收器的其余部分。基带处理器是网络接口中的用于管理所有无线电功能(需要天线的所有功能)的装置(芯片或芯片的一部分)。

在一个实施例中，rf前端模块101包括rf收发器的阵列，其中各rf收发器经由多个rf天线中的一个rf天线发送和接收特定频带(例如，诸如非重叠频率范围等的特定频率范围)内的rf信号。rf前端集成电路(ic)芯片还包括耦合至rf收发器的全频带频率合成器。全频带频率合成器生成本地振荡器(lo)信号并将其提供至各rf收发器，以使rf收发器能够混频、调制和/或解调相应频带内的rf信号。rf收发器的阵列和全频带频率合成器可以集成在单个ic芯片内作为单个rf前端ic芯片或封装件。

图2是示出根据本发明一个实施例的rf前端集成电路的示例的框图。参考图2，rf前端101包括耦合至rf收发器211～213的阵列的全频带频率合成器200。收发器211～213中的各收发器被配置为经由rf天线221～223中的一个rf天线发送和接收特定频带或特定rf频率范围内的rf信号。在一个实施例中，收发器211～213中的各收发器被配置为从全频带频率合成器200接收lo信号。lo信号是针对相应频带生成的。lo信号被收发器用于混频、调制、解调，以发送和接收相应频带内的rf信号。

图3是示出根据本发明的另一实施例的rf前端集成电路的框图。参考图3，全频带频率合成器300可以表示如上所述的全频带频率合成器101。在一个实施例中，全频带频率合成器300通信地耦合至收发器的阵列，各收发器对应于多个频带之一。在该示例中，全频带频率合成器300耦合至发射器301a、接收器302a、发射器301b和接收器302b。发射器301a和接收器302a可以是在较低频带中工作的第一收发器的一部分，称为低频带(low-band，lb)发射器和lb接收器。发射器301b和接收器302b可以是在较高频带中工作的第二收发器的一部分，称为高频带(high-band，hb)发射器和hb接收器。注意，尽管如图3所示仅存在两个收发器，但是也可以如图2所示将更多的收发器耦合至全频带频率合成器300。

在一个实施例中，频率合成器300包括但不限于锁相环(phase-lockloop，pll)电路或块311、lo缓冲器312、lb同相/正交(in-phase/quadrature，iq)生成器313和lb相位旋转器314。pll是生成输出信号的控制系统，该输出信号的相位与输入信号的相位相关。虽然存在若干不同的类型，但最初容易视为由可变频率振荡器和相位检测器构成的电子电路。振荡器生成周期信号，并且相位检测器将该信号的相位与输入周期信号的相位进行比较，调整振荡器以保持相位匹配。将输出信号送回输入信号以进行比较被称为反馈环路，因为输出被“反馈”到输入从而形成环路。

在锁步(lockstep)中保持输入和输出相位还意味着将输入和输出频率保持相同。因此，除了同步信号之外，锁相环可以跟踪输入频率，或者可以生成作为输入频率的倍数的频率。这些属性用于计算机时钟同步、解调和频率合成。锁相环广泛用于无线电、电信、计算机和其它电子应用中。它们可以用于解调信号、从有噪声的通信信道恢复信号、以输入频率的倍数生成稳定频率(频率合成)、或在数字逻辑电路(诸如微处理器等)中分配精确定时的时钟脉冲。

返回参考图3，pll块311用于接收时钟参考信号并且锁定时钟参考信号的频率以生成第一lo信号，即，低频带lo信号或lblo信号。第一lo信号可以可选地由lo缓冲器312缓冲。基于lblo信号，lbiq生成器313生成适合于对rf信号的同相和正交分量进行混频、调制和解调的iq信号。iq信号可以通过lb相位旋转器314旋转预定角度或延迟。然后将旋转后的iq信号提供至lb发射器301a和接收器302a。具体地，iq信号可以包括要提供至lb发射器301a的发送iq(txiq)信号321a和要提供至lb接收器302a的同相和正交接收iq(rxiq)信号322a。

在一个实施例中，频率合成器300还包括变频器315、注入锁定振荡器(injectionlockedoscillator)316、hbiq生成器317和hb相位旋转器318。变频器315将从pll块311生成的第一lo信号变频为具有较高频率(例如，在较高频带内)的信号。在一个实施例中，变频器315包括用以将第一lo信号的频率加倍的倍频器(frequencydoubler)。注入锁定振荡器316要锁定从变频器315接收到的倍频信号以生成第二lo信号，该第二lo信号具有约为第一lo频率的两倍的第二lo频率。注意，在该示例中，第二lo频率是第一lo频率的两倍。然而，变频器315可以变频并生成任何频率范围内的频率。如果rf前端装置内要集成更多的频带，可以使用更多的变频器将基准频率变频成多个其它更低或更高的频率。

注入锁定和注入拉动是在谐波振荡器被在附近频率处操作的第二振荡器干扰时可能发生的频率效应。当耦合足够强且频率足够接近时，第二振荡器可以捕获第一振荡器，从而使第一振荡器具有与第二振荡器基本上相同的频率。这是注入锁定(injectionlocking)。当第二振荡器仅干扰第一振荡器但不捕获第一振荡器时，该效应被称为注入拉动(injectionpulling)。在许多类型的物理系统中观察到注入锁定和拉动效应，然而这些术语最经常与电子振荡器或激光谐振器相关联。

返回参考图3，hbiq生成器317生成适于对高频带频率范围内的rf信号的同相和正交分量进行混频、调制和解调的iq信号。在电气工程中，具有角度调制的正弦波可以被分解成两个调幅正弦波或者从两个调幅正弦波合成，这两个调幅正弦波在相位上偏移四分之一周期(号。在弧度)。所有三个功能具有相同的频率。调幅正弦波已知为同相和正交分量。一些人发现通过这些术语仅提及调幅(基带)本身是更方便的。

iq信号可以被hb相位旋转器318旋转预定角度或延迟。然后将旋转后的iq信号提供至hb发射器301b和接收器302b。具体地，iq信号可以包括要提供至hb发射器301b的发送iq(txiq)信号321b以及要提供至hb接收器302b的同相和正交接收iq(rxiq)信号322b。由此，组件312～314被配置为生成用于lb发射器301a和lb接收器302a的txiq和rxiq信号，而组件315～318被配置为生成用于hb发射器301b和hb接收器302b的txiq和rxiq信号。如果存在涉及更多频带的更多发射器和接收器，则频率合成器300可以维护更多组的组件312～314和/或组件315～318，以生成用于附加频带的必要的txiq和rxiq信号。

在一个实施例中，lb发射器301a包括滤波器303a、混频器304a和放大器305a。滤波器303a可以为低通(lp)滤波器，其接收要发射到目的地的lb发射(lbtx)信号，其中lbtx信号可以从基带处理器(诸如基带处理器102等)提供。混频器301a(也称为上变频混频器或lb上变频混频器)被配置为基于由lb相位旋转器314提供的txiq信号将lbtx信号混频和调制到载波频率信号上。然后通过放大器305a对调制后的信号(例如，低频带rf或lbrf信号)进行放大，并且然后经由天线310a将放大后的信号发射到远程接收器。

在一个实施例中，lb接收器302a包括放大器306a、混频器307a和滤波器308a。放大器306a经由天线310a从远程发射器接收lbrf信号并放大所接收到的rf信号。然后通过混频器307a(也称为下变频混频器或lb下变频混频器)基于从lb相位旋转器314接收到的rxiq信号来对放大后的rf信号进行解调。然后通过滤波器308a处理解调后的信号，滤波器308a可以为低通滤波器。在一个实施例中，lb发射器301a和lb接收器302a经由发射和接收(t/r)开关309a来共用天线310a。t/r开关309a被配置为在lb发射器301a与接收器302a之间切换以在特定时间点将天线310a耦合至lb发射器301a或lb接收器302a。

类似地，hb发射器301b包括滤波器303b、混频器304b(也称为hb上变频混频器)和放大器305b，这些分别具有类似于lb发射器301a的滤波器303a、混频器304a和放大器305a的功能以用于处理高频带发射(hbtx)信号。hb接收器302b包括滤波器306b、混频器307b(也称为hb下变频混频器)和滤波器308b，这些分别具有类似于lb接收器302a的放大器306a、混频器307a和滤波器308a的功能以用于处理高频带接收(hbrx)信号。hb发射器301b和hb接收器302b经由t/r开关309b耦合至天线310b，类似于lb发射器301a和接收器302a的结构。天线310a～310b可以表示图2的天线221～223中的任何一个或多个，其不是rf前端电路的一部分。

图4是示出根据本发明另一实施例的rf前端集成电路的示例的框图。参考图4，在该实施例中，lb发射器301a、lb接收器302a、hb发射器301b和hb接收器302b各自包括两个路径：1)用于处理同相分量信号的i路径；以及2)用于处理正交分量信号的q路径。在一个实施例中，lb发射器301a包括用以接收i路径基带信号的i路径低通滤波器(例如，可调谐低通滤波器)和用以混频和调制i路径基带信号的i路径上变频混频器。lb发射器301a包括用以接收q路径基带信号的q路径低通滤波器(例如，可调谐低通滤波器)和用以混频和调制q路径基带信号的q路径上变频混频器。lb发射器301a还包括可调谐频带选择滤波器和放大器。频带选择滤波器(例如，带通滤波器)要选择相应频带以去除相应频带外的噪声。放大器对调制后的rf信号进行放大，以经由天线310a将调制后的rf信号发射到远程装置。hb发射器301b包括与lb发射器301a的组件类似的组件以用于处理较高频带中的信号。

类似地，根据一个实施例，lb接收器302a包括用以经由天线310a从远程装置接收lbrf信号的放大器(例如，低噪声放大器或lna)和频带选择滤波器(例如，带通滤波器)。lb接收器302a还包括用以将rf信号混频并解调到i路径基带信号和q路径基带信号中的i路径下变频混频器和q路径下变频混频器。lb接收器302a还包括用以处理i路径基带信号和q路径基带信号的i路径低通滤波器和q路径低通滤波器，然后可以将信号提供至基带处理器。hb接收器302b包括与lb接收器302a的组件类似的组件以用于处理较高频带中的信号。

在一个实施例中，频率合成器300包括pll块，该pll块包括具有相位频率检测器的电荷泵、环路滤波器、可编程分频器、压控振荡器。如上面关于图3所述，频率合成器300还包括倍频器和注入锁定振荡器。

另外，频率合成器300包括同相发射(txi)相位旋转器314a、正交发射(txq)相位旋转器314b、同相接收(rxi)相位旋转器314c和正交接收(rxq)相位旋转器314d，这些具体被配置为进行相位旋转以生成用于lb发射器301a和lb接收器302a的同相lo信号和正交lo信号。具体地，txi相位旋转器314a耦合至lb发射器301a的i路径上变频混频器，并且txq相位旋转器314b耦合至lb发射器301a的q路径上变频混频器，以使得i路径和q路径基带信号能够在相应频带内被混频和调制。rxi相位旋转器314c耦合至lb接收器302a的i路径下变频混频器，并且rxq相位旋转器314d耦合至lb接收器302a的q路径下变频混频器以使得i路径和q路径基带信号能够在相应频带内被混频和解调。

在一个实施例中，频率合成器300包括同相发射(txi)相位旋转器318a、正交发射(txq)相位旋转器318b、同相接收(rxi)相位旋转器318c以及正交接收(rxq)相位旋转器318d，这些具体地被配置为进行相位旋转，以生成针对hb发射器301b和hb接收器302b的同相lo信号和正交lo信号。具体地，txi相位旋转器318a耦合至hb发射器301b的i路径上变频混频器，并且txq相位旋转器318b耦合至hb发射器301b的q路径上变频混频器，以使得i路径和q路径基带信号能够在相应频带内被混频和调制。rxi相位旋转器318c耦合至hb接收器302a的i路径下变频混频器，并且rxq相位旋转器318d耦合至hb接收器302b的q路径下变频混频器，以使得i路径和q路径基带信号能够在相应频带内被混频和解调。

再次，在如图4所示的该示例中，存在由频率合成器300覆盖的两个频带。然而，在集成rf前端内可以实现更多的频带。如果有更多频带要实现，则可能需要更多组的txi、txq、rxi和rxq相位旋转器。

图5是示出根据本发明一个实施例的基于变压器的正交信号生成器的框图。正交信号生成器500(也称为qpg生成器)可以被实现为图3的iq生成器313和317以及/或者相位旋转器314和318的一部分。参考图5，在该实施例中，qpg生成器500包括彼此串联耦合的第一变压器511和第二变压器512，形成输入端子501、经由终端电阻器(例如，50欧姆)的接地端子502、第一输出端子503和第二输出端子504。在一个实施例中，qpg生成器500从输入端子501接收lo信号，在输出端子503处产生以第一相位偏移或延迟(诸如+45度的相位偏移)的第一正交信号，以及在输出端子504处产生以第二相位偏移或延迟(诸如-45度的相位偏移)的第二正交信号。

在一个实施例中，变压器511～512被实现为cmos工艺的一部分。在一个实施例中，各变压器的初级绕组(例如，第一绕组)和次级绕组(例如，第二绕组)设置在ic的不同基板层上。在该示例中，变压器511的第一或初级绕组521设置在基板层513上，而变压器511的第二或次级绕组522设置在基板层514上。绕组521和绕组522设置在电介质材料550的相反侧上。类似地，变压器512的第一或初级绕组523设置在基板层513上，而变压器512的第二或次级绕组524设置在基板层514上。绕组523和绕组524设置在电介质材料550的相反侧上。绕组521与绕组523串联连接，而绕组522与绕组524串联连接。

在一个实施例中，变压器的绕组是使用以螺旋形状设置在基板层上的一组导电迹线(electricallyconductivetrace)或微带(microstrip)来实现的。螺旋形状可以是矩形螺旋形状，诸如圆形、椭圆形或方形螺旋形状等的其它形状也可以是适用的。在一个实施例中，表示变压器511的初级绕组521的第一组导电迹线设置在ic的第一基板层(诸如基板层513)上。表示变压器511的次级绕组522的第二组导电迹线设置在ic的第二基板层(诸如基板层514)上。输入端子501耦合至第一基板层上的第一组的导电迹线的中心接片(centertab)。第一输出端子503耦合至第二基板层上的第二组的导电迹线的中心接片。

类似地，表示变压器512的初级绕组523的第一组导电迹线设置在ic的第一基板层(诸如基板层513)上。表示变压器512的次级绕组524的第二组导电迹线设置在ic的第二基板层(诸如基板层514)上。接地端子502经由第一基板层上的终端电阻器530(例如，50欧姆)耦合至第一组的导电迹线的中心接片。第二输出端子504耦合至第二基板层上的第二组的导电迹线的中心接片。第一变压器511的导电迹线的外环的终端耦合至第二变压器512的在同一基板层上的导电迹线的外环的终端，使得变压器511与变压器512串联耦合。在一个实施例中，形成各绕组的螺旋形状的导电迹线的长度约等于与qpg生成器的工作频率相关联的波长的四分之一。两个导电迹线(或迹线、线或条带)之间的空间期望尽可能接近。

图6a～6c是示出根据本发明一个实施例的移相器电路的框图。移相器电路的示例包括一个或多个可变增益放大器以及一个或多个移相逻辑。可变增益放大器(vga)耦合至qpg电路来以不同增益放大信号。移相逻辑耦合至可变增益放大器来以不同度的相位进行切换以生成象限信号。qpg电路生成以第一度(例如，-45度)偏移的第一信号和以第二度(例如，+45度)偏移的第二信号。

在一个实施例中，参考图6a，移相器电路600包括qpg电路601、第一可变增益放大器602、第二可变增益放大器603、第一相位开关604、第二相位开关605和功率组合器逻辑606。qpg电路601用以生成以第一度(例如，-45度)偏移的第一信号以及以第二度(例如，+45度)偏移的第二信号。第一可变增益放大器602用以对从qpg电路601接收到的第一信号进行放大。第二可变增益放大器603用以对从qpg电路生成的第二信号进行放大。第一相位开关604和第二相位开关605分别耦合至第一可变增益放大器602和第二可变增益放大器603。功率组合器逻辑606耦合至第一相位开关604和第二相位开关605以组合第一相位开关604和第二相位开关605的输出以生成象限信号，该象限信号可被发射到诸如图3的收发器305a～305b等的收发器。

在一个实施例中，相位开关604～605中的各相位开关在定位于不同位置(例如，接通或关断位置)时可以在零度和180度中切换。当第一相位开关和第二相位开关这两者都以零度配置时，如图6b所示，所生成的象限信号在第一象限空间中(例如，在零度和90度之间)。当第一相位开关以零度配置并且第二相位开关以180度配置时，所生成的象限信号在第二象限空间中(例如，在90度和180度之间)。当第一相位开关和第二相位开关这两者都以180度配置时，如图6c所示，所生成的象限信号在第三象限空间中(例如，在180度和270度之间)。当第一相位开关以180度配置并且第二相位开关以零度配置时，所生成的象限信号在第四象限空间中(例如，在270度和360度之间)。在一个实施例中，通过调整可变增益放大器的增益，相应象限信号的振幅和相位角可以在其相应象限空间内被调整。

图7是示出根据一个实施例的相位开关电路的示例的框图。相位开关电路700可被实现为相位开关电路604或605的一部分。参考图7，相位开关电路700包括作为右手传输线的第一传输线701以及作为左手传输线的第二传输线702。传输线701～702中的各传输线可以经由一个或多个选择逻辑被单独地接通或关断。尽管针对各传输线存在一对选择逻辑，但是单个选择逻辑可能足以接通或关断传输线。在该示例中，在任何时间点可以仅接通传输线701～702中的一个传输线。当传输线701接通时，输出和输入的相位相同(例如，零度相位偏移)。当传输线702接通时，输入和输出的相位相差180度。在一个实施例中，传输线701可以仅包括微带，而传输线702包括一对或多对电感-电容(lc)电路。

图8中示出来自右手传输线和左手传输线的s21相位响应，其中，可以通过对两个相位曲线进行相减来获得宽带相位差。在图9a中呈现了右/左手传输线180度切换的设计结果。回波损耗优于-10db，插入损耗差小于0.3db。从23ghz至43ghz的相位差示出具有+/-5度变化的180度，这适用于如图9b中所示的5g应用。图10示出说明图6a～6c中所示的电路的特定实施例的示例的示意图。

在前述说明书中，已经参考本发明的具体典型实施例描述了本发明的实施例。显然，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛的精神和范围的情况下，可以对其进行不同修改。因此，说明书和附图应被视为说明性意义而非限制性意义。