一种基于SOICMOS工艺的全集成宽频可配置前端的应用方法与流程

一种基于soi cmos工艺的全集成宽频可配置前端的应用方法
技术领域
1.本发明属于无线通信的射频前端技术领域，具体地说，涉及一种基于soi cmos工艺的全集成宽频可配置前端的应用方法。


背景技术：

2.随着无线通信设备被广泛应用于医疗卫生、智能家居、工程建造和安防系统等领域，无线通信技术得到了迅猛的发展，为了满足终端设备小型化的趋势，射频前端的发展日渐趋向于多功能化和集成化。
3.目前基站/手机等采用的射频前端模组（fem）如图1所示，控制电路、射频开关多采用soi cmos工艺，低噪声放大器（lna）多采用砷化镓工艺。然后通过高集成度的sip (system in package)将不同工艺的射频前端芯片集成封装到同一块电路基板上。
4.控制电路、射频开关采用soi cmos工艺和低噪声放大器采用gaas工艺的主要原因在于soi工艺的局限性。
5.相较于较为方便实现宽带低噪声放大器的gaas工艺，soi cmos工艺特性造成晶体管栅极输入阻抗为高阻态，且随着工艺节点的提升，其阻抗呈现上升趋势。与之相对应的，是随着工艺节点的提升，晶体管噪声系数呈现下降趋势。所以，在采用soi cmos工艺进行lna设计时，由于重点在于低噪声设计，优先选用高节点工艺，从而带来晶体管较大的输入阻抗，阻抗匹配网络的阻抗变化系数非常大。如果采用多级匹配网络进行宽带匹配，宽带匹配网络带来的损耗将远超过高节点工艺带来的噪声优势，所以一般只选择最简单的电路拓扑结构进行窄带匹配。
6.采用gaas工艺的宽带lna芯片与采用soi cmos工艺的宽带射频开关进行sip集成，不仅无法进一步集成化和小型化，还由于fem产品装配工艺的复杂化，导致工艺可靠性的降低，阻碍了射频前端成本的进一步下降。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术的上述缺陷，提出了一种基于soi cmos工艺的全集成宽频可配置前端的应用方法，本发明基于soi cmos工艺，将射频开关与低噪声放大器在不同频段的输出匹配网络相结合，通过可配置控制器件进行频段选通后与低噪声放大器连接，从而实现宽频带内射频开关与低噪声放大器的全集成。
8.一种基于soi cmos工艺的全集成宽频可配置前端的应用方法，包括以下步骤：步骤1：采用soi cmos工艺进行全集成宽频可配置前端的构建；所述全集成宽频可配置包括公共信号端com
1b
、耦合单元、频率检测电路fc
1b
、控制电路con
1b
、多路射频前端配置单元、低噪声放大器lna
1b
和信号输出端out
1b
；具体构建方法为：将所述公共信号端com
1b
依次与耦合单元、多路射频前端配置单元、低噪声放大器lna
1b
和信号输出端out
1b
连接；所述多路射频前端配置单元包括n路并联的可配置匹配网络；将所述控制电路
con
1b
的输出端分别连接n路可配置匹配网络，用于控制可配置匹配网络的通断；所述频率检测电路fc
1b
包括m路并联的频率检测单元；将m路所述频率检测单元的输入端与所述耦合单元连接，用于接收输入频率信号in1c；将m路所述频率检测单元的输出端out
1c
‑
out
mc
都与所述控制电路con
1b
的输入端连接；所述n和m为大于或等于1的正整数，且m≥n；步骤2：根据输入的射频信号的频段的不同，划分n个相互独立且无重叠区域的窄带区域，并将n路并联的可配置匹配网络分别与n个相互独立且无重叠区域的窄带区域相对应；步骤3：将m路并联的频率检测单元进行参数设置，通过参数设置，使得n路相互独立且无重叠区域的窄带区域都分别使得对应的唯一的频率检测单元呈现高阻状态；步骤4：进行实际的射频信号输入，采用频率检测电路fc
1b
检测通过耦合单元传输来的输入信号的工作频率，并将检测到的频率信号转化为电压信号发送到控制电路con
1b
；步骤5：控制电路con
1b
，根据接收到的电压信号控制n路并联的可配置匹配网络中的对应支路的联通，构成与输入的射频信号频段对应的射频前端结构进行信号的处理和传输。
9.为了更好地实现本发明，进一步地，每路所述可配置匹配网络包括第一开关sw
i1b
、第一电感l
i1b
第一电容c
i1b
、第二开关sw
i2b
；所述下标i=1、2、3、...、n；将所述第一开关sw
i1b
的输入端与所述耦合单元的输出端连接，将所述第一开关sw
i1b
的输出端依次与第一电感l
i1b
、第二开关sw
i2b
、低噪声放大器lna
1b
连接；将所述第一电容c
i1b
接地后搭接在所述第一电感l
i1b
和第二开关sw
i2b
之间。
10.为了更好地实现本发明，进一步地，每路所述频率检测单元包括带通滤波器和检波器；将所述带通滤波器的输入端与所述耦合单元连接，将所述带通滤波器的输出端连接检波器；所述检波器的输出端为频率检测单元的输出端。
11.为了更好地实现本发明，进一步地，所述耦合单元和所述n路并联的可配置匹配网络之间，还设置有单刀双掷射频开关spdt
1b
；将所述单刀双掷射频开关spdt
1b
的输入端连接耦合单元，将单刀双掷射频开关关spdt
1b
的一个输出端与n路并联的可配置匹配网络连接。
12.为了更好地实现本发明，进一步地，所述耦合单元采用耦合器coupler
1b
。
13.本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：（1）本发明通过将低噪声放大器在不同工作频段下的输入匹配网络与射频开关相结合，构成可配置匹配网络单元后与低噪声放大器输入端连接。频率检测电路检测输入信号的工作频率，并将检测到的频率信号转化为电压信号提供给控制电路，控制电路为整个全集成宽频可配置射频前端提供在不同工作频段下进行支路切换的控制信号，从而克服了采用soi cmos工艺制造的低噪声放大器由于其自身栅极输入阻抗过大，造成无法进行宽带50欧姆匹配的缺陷。
14.（2）本发明实现了控制电路、频率检测电路、低噪声放大器和可配置匹配网络单元在soi cmos工艺平台上的统一，完成了宽频可配置射频前端在soi cmos工艺的全集成。其不仅可以借助soi cmos工艺的特点实现射频前端的高集成度、高可靠性和低成本，更有利
于射频前端的集成化和小型化发展。
附图说明
15.图1为传统射频前端模组；图2为本发明的全集成宽频可配置射频前端的原理示意图；图3为本发明的频率检测电路的原理示意图；图4为本发明与传统射频前端模组输入回波损耗对比示意图；图5为本发明与传统射频前端模组噪声系数对比示意图。
具体实施方式
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.实施例1：本实施例提出了一种基于soi cmos工艺的全集成宽频可配置射频前端，如图2、图3所示，包括基本的控制电路、频率检测电路、低噪声放大器和可配置匹配网络单元，其中，所述控制电路为控制电路con1b。频率检测电路信号输出端out1c、信号输出端out2c直至信号输出端outmc与控制电路con1b输入端连接，控制电路con1b输出端与可配置匹配网络单元连接，为其提供支路切换控制信号和射频开关控制信号；所述频率检测电路包括带通滤波器bp1c、带通滤波器bp2c、直至带通滤波器bpmc，检波器det1c、检波器det2c、直至检波器detmc。带通滤波器bp1c输入端与信号输入端in1c连接，带通滤波器bp1c输出端与检波器det1c输入端连接，检波器det1c输出端与信号输出端out1c连接；带通滤波器bp2c输入端与与信号输入端in1c连接，带通滤波器bp2c输出端与检波器det2c输入端连接，检波器det2c输出端与信号输出端out2c连接；直至带通滤波器bpmc输入端与与信号输入端in1c连接，带通滤波器bpmc输出端与检波器detmc输入端连接，检波器detmc输出端与信号输出端outmc连接；m为大于或等于1的正整数；所述低噪声放大器为lna1b，低噪声放大器lna1b输入端与可配置匹配网络单元输出端连接，低噪声放大器lna1b输出端与信号输出端out1b连接；所述可配置匹配网络单元包括耦合器coupler1b，单刀双掷射频开关spdt1b，射频开关sw11b、射频开关sw21b、直至射频开关swn1b，电感l11b、电感l21b直至电感ln1b，电容c11b、电容c21b直至电容cn1b，射频开关sw12b、射频开关sw22b、直至射频开关swn2b。所述耦合器coupler1b输入端与公共信号端com1b连接，耦合器coupler1b直通端与单刀双掷射
频开关spdt1b输入端连接、耦合器coupler1b耦合端与频率检测电路信号输入端in1c连接、单刀双掷射频开关spdt1b的第一输出端与输出端out2b连接，射频开关sw11b的第一端与单刀双掷射频开关spdt1b的第二输出端连接，射频开关sw11b的第二端与电感l11b的第一端连接，电感l11b的第二端与电容c11b的第一端和射频开关sw12b第一端连接，射频开关sw12b的第二端与低噪声放大器lna1b输入端连接；射频开关sw21b的第一端与单刀双掷射频开关spdt1b的第二输出端连接，射频开关sw21b的第二端与电感l21b的第一端连接，电感l21b的第二端与电容c21b的第一端和射频开关sw22b第一端连接，射频开关sw22b的第二端与低噪声放大器lna1b输入端连接；直至射频开关swn1b的第一端与单刀双掷射频开关spdt1b的第二输出端连接，射频开关swn1b的第二端与电感ln1b的第一端连接，电感ln1b的第二端与电容cn1b的第一端和射频开关swn2b第一端连接，射频开关swn2b的第二端与低噪声放大器lna1b输入端连接，n为大于或等于1的正整数，m≥n。
19.本发明提供的一种基于soi cmos工艺的全集成宽频可配置射频前端，通过将低噪声放大器在不同工作频段下的输入匹配网络与射频开关相结合，构成可配置匹配网络单元后与低噪声放大器输入端连接。频率检测电路检测输入信号的工作频率，并将检测到的频率信号转化为电压信号提供给控制电路，控制电路为整个全集成宽频可配置射频前端提供在不同工作频段下进行支路切换的控制信号，从而在克服了采用soi cmos工艺制造的低噪声放大器由于其自身栅极输入阻抗过大，造成无法进行宽带50欧姆匹配的缺陷。实现了控制电路，低噪声放大器和可配置匹配网络单元在soi cmos工艺平台上的统一，完成了宽频可配置射频前端在soi cmos工艺的全集成。其不仅可以借助soi cmos工艺的特点实现射频前端的高集成度、高可靠性和低成本，更有利于射频前端的集成化和小型化发展。
20.实施例2：本实施例提出了一种基于soi cmos工艺的全集成宽频可配置前端的应用方法，如图2、图3所示，包括以下步骤：步骤1：采用soi cmos工艺进行全集成宽频可配置前端的构建；所述全集成宽频可配置包括公共信号端com
1b
、耦合单元、频率检测电路fc
1b
、控制电路con
1b
、多路射频前端配置单元、低噪声放大器lna
1b
和信号输出端out
1b
；具体构建方法为：将所述公共信号端com
1b
依次与耦合单元、多路射频前端配置单元、低噪声放大器lna
1b
和信号输出端out
1b
连接；所述多路射频前端配置单元包括n路并联的可配置匹配网络；将所述控制电路con
1b
的输出端分别连接n路可配置匹配网络，用于控制可配置匹配网络的通断；所述频率检测电路fc
1b
包括m路并联的频率检测单元；将m路所述频率检测单元的输入端与所述耦合单元连接，用于接收输入频率信号in1c；将m路所述频率检测单元的输出端out
1c
‑
out
mc
都与所述控制电路con
1b
的输入端连接；所述n和m为大于或等于1的正整数，且m≥n；步骤2：根据输入的射频信号的频段的不同，划分n个相互独立且无重叠区域的窄带区域，并将n路并联的可配置匹配网络分别与n个相互独立且无重叠区域的窄带区域相对应；步骤3：将m路并联的频率检测单元进行参数设置，通过参数设置，使得n路相互独立且无重叠区域的窄带区域都分别使得对应的唯一的频率检测单元呈现高阻状态；
步骤4：进行实际的射频信号输入，采用频率检测电路fc
1b
检测通过耦合单元传输来的输入信号的工作频率，并将检测到的频率信号转化为电压信号发送到控制电路con
1b
；步骤5：控制电路con
1b
，根据接收到的电压信号控制n路并联的可配置匹配网络中的对应支路的联通，构成与输入的射频信号频段对应的射频前端结构进行信号的处理和传输。
21.工作原理：通过将低噪声放大器在不同工作频段下的输入匹配网络与射频开关相结合，构成可配置匹配网络单元后与低噪声放大器输入端连接。频率检测电路检测输入信号的工作频率，并将检测到的频率信号转化为电压信号提供给控制电路，控制电路为整个全集成宽频可配置射频前端提供在不同工作频段下进行支路切换的控制信号，从而在克服了采用soi cmos工艺制造的低噪声放大器由于其自身栅极输入阻抗过大，造成无法进行宽带50欧姆匹配的缺陷。实现了控制电路，低噪声放大器和可配置匹配网络单元在soi cmos工艺平台上的统一，完成了宽频可配置射频前端在soi cmos工艺的全集成。其不仅可以借助soi cmos工艺的特点实现射频前端的高集成度、高可靠性和低成本，更有利于射频前端的集成化和小型化发展。
22.本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
23.实施例3：本实施例在上述实施例1
‑
2任一项的基础上，如图2、图3、图4、图5所示，更好的理解本发明，以下将对其工作原理进行详细说明：根据3gpp对无线网络频带的划分，无线网络在宽频内实际被划分为许多个相互独立，无重叠区域的窄带区域，比如5g/nr频段规定的fr1频率范围为410mhz～7125mhz，而fr1频率范围是由n1、n2
…
n86、n90共38个窄带频段构成的，比如n78频段频率范围为3.3ghz～3.8ghz,n79频段频率范围为4.4ghz～5ghz等。由于射频信号工作频率在宽频带内分布的非连续性，使本发明中的宽带匹配提供了可能。
24.当需要处理的射频信号为接收信号，由外部提供输入使能信号给控制电路con1b，此时控制电路con1b输出控制信号，控制单刀双掷射频开关spdt1b的输入端与单刀双掷射频开关spdt1b的第二输出端之间为导通态，单刀双掷射频开关spdt1b的输入端与单刀双掷射频开关spdt1b的第一输出端之间为关断态;工作频段为fn的射频信号通过com1b进入射频前端后，首先进入耦合器coupler1b的输入端:通过耦合器coupler1b耦合端的信号进入频率检测电路，由于需要处理的宽带信号频段是已知的，若整个频带内所包含的子频段个数为m，只需要设置m个带通滤波器便可以对信号频率进行鉴别，若带通滤波器bp1c、带通滤波器bp2c、直至带通滤波器bpmc中与信号工作频段一致的带通滤波器为bpmc，bpmc对信号呈现为低阻，同时带通滤波器bp1c、带通滤波器bp2c、直至带通滤波器bp（m
‑
1）c对信号呈现为高阻。所以信号通过带通滤波器为bpmc后进入检波器detmc，检波器detmc对信号进行检波后输出电压信号，由信号输出端outmc输出给控制电路con1b。
25.在可配置匹配网络单元中，同样由于宽带内所包含的子频段个数是已知的，所以只需要在可配置匹配网络单元中设置n（检测通道数量大于实际频带内子频带数量，m≥n）个匹配支路，每个匹配支路对应一个窄带频率，在该支路上采用soi cmos工艺可实现的简
单匹配拓扑结构，即可实现在窄带范围内的良好匹配。n个预置子频段匹配网络支路构成的可配置匹配网络单元，可实现宽带内对射频信号频率范围的全覆盖。
26.在收到频率检测电路输出端outmc给出的控制信号后，控制电路con1b对信号进行电平位移，译码等操作后，给出可配置匹配网络单元中射频支路的选通信号，使射频信号通过与其频率对应的预置匹配网络支路。若可配置匹配网络单元中,与该射频信号工作频段fn对应的预置匹配网络支路为n，此时控制电路con1b为可配置匹配网络单元中提供支路选通信号，则射频开关swn1b导通, 射频开关swn2b导通;第一支路中的射频开关sw11b关断、射频开关sw12b关断；第二支路中的射频开关sw21b关断、射频开关sw22b关断；直至n
‑
1支路中的射频开关sw(n
‑
1)1b关断、射频开关sw(n
‑
1)2b关断,确保除与射频信号工作频段fn对应的射频支路n以外的各支路为高阻态。
27.通过耦合器coupler1b直通端的信号进入单刀双掷射频开关spdt1b的输入端，由于此时单刀双掷射频开关spdt1b的输入端与单刀双掷射频开关spdt1b的第一输出端之间为关断态，单刀双掷射频开关spdt1b的输入端与单刀双掷射频开关spdt1b的第二输出端之间为导通态，射频信号通过单刀双掷射频开关spdt1b的输入端、单刀双掷射频开关spdt1b的第二输出端后到达可配置匹配网络单元。此时除与射频信号工作频段fn对应的射频支路n以外的各支路为高阻态，所以射频信号依次通过射频开关swn1b、串联电感ln1b、并联电容cn1b、射频开关swn2b后进入低噪声放大器lna1b，经过低噪声放大器lna1b将信号进行放大后，由信号输出端out1b输出。
28.通过控制电路con1b在不同工作频段下，对可配置匹配网络单元中对应匹配支路进行切换控制，可实现全集成可配置射频前端在宽频带内的良好适配性。
29.图4为本发明与传统射频前端模组输入回波损耗对比示意图。设定的工作频段包括2.3ghz～2.7ghz、3.4ghz～3.8ghz、4.5ghz～4.9ghz共三个频段，所以本发明中可配置匹配网络单元支路数n值此时为3。
○
为传统射频前端模组输入回波损耗与频率之间的关系曲线，
△
为本发明输入回波损耗与频率之间的关系曲线，切换至与2.3ghz～2.7ghz频段对应匹配支路时的回波损耗与频率之间的关系曲线为31支路、切换至与3.4ghz～3.8ghz频段对应匹配支路时的回波损耗与频率之间的关系曲线为32支路、切换至与4.5ghz～4.9ghz频段对应匹配支路时的回波损耗与频率之间的关系曲线为33支路。从图3可以看出，本发明提供的可配置射频前端与传统射频前端模组相比较，在对应的2.3ghz～2.7ghz、3.4ghz～3.8ghz、4.5ghz～4.9ghz工作频段内，不仅可以实现宽频段正常工作，还因为每个可配置匹配网络支路只需对窄带进行匹配，从而相较于需要进行宽带输入阻抗匹配的传统射频前端模组，在特定工作频段内，可以得到更好的输入回波损耗曲线。
30.图5为本发明与传统射频前端模组噪声系数对比示意图。设定的工作频段包括2.3ghz～2.7ghz、3.4ghz～3.8ghz、4.5ghz～4.9ghz共三个频段，所以本发明中可配置匹配网络单元支路数n值此时为3。
○
为传统射频前端模组噪声系数与频率之间的关系曲线，
△
为本发明噪声系数与频率之间的关系曲线，切换至与2.3ghz～2.7ghz频段对应匹配支路时的噪声系数与频率之间的关系曲线为31支路、切换至与3.4ghz～3.8ghz频段对应匹配支路时的噪声系数与频率之间的关系曲线为32支路、切换至与4.5ghz～4.9ghz频段对应匹配支路时的噪声系数与频率之间的关系曲线为33支路。从图4可以看出，本发明提供的可配置射频前端与传统射频前端模组相比较，在对应的2.3ghz～2.7ghz、3.4ghz～3.8ghz、4.5ghz～
4.9ghz工作频段内，不仅可以实现宽频段正常工作，还因为每个可配置匹配网络支路只需对窄带进行匹配，从而相较于需要进行宽带噪声匹配的传统射频前端模组，在特定工作频段内，可以得到更好的噪声系数曲线。
31.本实施例的其他部分与上述实施例1
‑
2任一项相同，故不再赘述。
32.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。