CN1204698C - 开关装置和移动通信终端装置 - Google Patents

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Abstract

在此提供一种用于在至少第一、第二和第三频带的信号路径之间切换的小尺寸开关装置，其能够用相对较低的控制电压来处理高功率的高频信号，以及采用该开关装置的移动终端装置。天线共用器(1)的第一信号端连接到天线端Tant，第二信号端通过滤波器(2)连接到高频开关(4)。天线共用器的第三信号端通过滤波器(3)连接到高频开关(50)。高频开关(4)具有作为开关器件的PIN二极管D1和D2，并且执行GSM发射信号和GSM接收信号之间的切换。高频开关(50)具有作为开关器件三组串联多极FET(11)至(13)、(21)至(23)以及(31)至(33)，并且执行WCDMA发射/接收信号、DCS发射信号和DCS接收信号之间的切换。

Description

开关装置和移动通信终端装置
技术领域
本发明涉及一种移动通信终端装置，特别涉及一种开关装置，其用于使用多种频带和通信方案的多***的移动通信终端装置中，并且用于在至少三个频带的信号路径之间切换。
背景技术
在最近几年，移动通信得到显著的进步，在欧洲提出使用几个频带和几种通信方案的移动通信终端装置(在下文中简称为移动终端)。例如，在此有结合使用900MHz频带的GSM(全球数字移动电话***)、使用1.8GHz频带的DCS(数字蜂窝***)以及使用2GHz频带的WCDMA(宽带码分多址)的UMTS(通用移动电信***)。
由于UMTS需要作为具有不同频带和通信方案的多***的移动终端而工作，其电路变得复杂，并且增加元件的数目，导致该装置变大以及成本增加。因此，需要通过集成该电路来减小元件数目，并且主动地共用该元件。具体来说，由于促使体积较大的天线的共用，这非常有助于终端的小型化，小尺寸的开关装置的开发现在是把一个天线在***之间切换的一个重要问题。
作为一个常规例子，在此有一种开关装置，用于在集成GSM和DCS的移动终端中使用天线共用器和高频开关装置来共用天线。这种开关装置包括在未审查日本专利申请2000-183780中公开的开关装置。
该常规例子的开关装置的结构在图4中示出。与GSM和DCS的频带共振的天线连接到天线端Tant。GSM接收电路连接到GSM接收信号端Tgsmrx。GSM发射电路连接到GSM发射信号端Tgsmtx。DCS接收电路连接到DCS接收信号端Tdcsrx。DCS发射电路连接到DCS发射信号端Tdcstx。天线共用器1具有高通滤波器和低通滤波器的组合特性，并且以大约20dB的间隔把GSM和DCS信号相互分离。滤波器2使GSM发射信号的较高谐波衰减。高频开关4在GSM的发射和接收之间切换。滤波器3使DCS发射信号的较高谐波衰减。高频开关5在DCS的发射和接收之间切换。
在此，PIN二极管用于高频开关4和5。当正向偏置时，PIN二极管进入导通状态，并且阻抗下降到大约几欧姆，并且进入截止状态，具有在几百fF的量级的端子间电容。通常，在用PIN二极管处理大功率时，当它处于截止状态时，在发射过程中非常可能造成信号的失真。
在用GSM进行发射时，3V的电压被施加到控制端Tctl2和Tctl3，并且0V电压被施加到Tctl1和Tctl4。结果，PIN二极管D1和D2进入导通状态，以及D3和D4进入截止状态。因此，它在GSM发射信号端Tgsmtx和滤波器2之间导通，并且GSM发射信号通过高频开关4、滤波器2和天线共用器1发送到天线端Tant。尽管GSM发射信号的一部分到达高频开关5，由于它被GSM标准从33dB衰减20dB或更多，则仅仅有大约13dBm被施加到都处于截止状态的PIN二极管D3和D4，并且即使对于低电压的反向偏压电势也不会出现失真。在用DCS进行发射时，3V电压施加到控制端Tctl1和Tctl4，并且0V电压施加到控制端Tctl2和Tctl3，但是对该操作的说明将与GSM发射相同。
因此，常规例子的开关装置通过用天线共用器把GSM和DCS的发射信号相互分离而避免在截止状态的PIN二极管出现失真。可以说，这是可以通过利用频率分离较远的事实而用小尺寸的天线共用器来实现的结构，GSM在900MHz频带以及DCS在1.8GHz频带。
但是，除了GSM和DCS之外，为了能够在WCDMA之间切换，由于WCDMA处于2GHz频带并且DCS处于1.8GHz频带，以及该频率相互接近，出现的问题是这两种信号不能够用小尺寸的天线共用器而分离。
尽管还可以设计通过把高电压的反向偏压电势施加到PIN二极管而抑制失真的出现的方法，但是需要提供一种变压器装置，例如DC-DC转换器，并且出现元件数目和成本增加的问题。因此，该方法不适用于小尺寸的移动终端。
另外，例如使用PIN二极管的高频开关适合物这样的高频开关具有一个问题，即，它们的结构难以扩大到用于在三个或更多***的信号之间的切换。
本发明为了解决该问题，其目的是提供一种能够用相对较低的控制电压处理高功率的高频信号的小尺寸开关装置，其在至少第一、第二和第三频带的信号路径之间切换，以及使用该开关装置的移动终端装置。
发明内容
根据本发明的一种开关装置是用于在至少第一、第二和第三频带的信号路径之间切换的开关装置，并且包括：天线共用器，其具有作为上述至少第一、第二和第三频带的信号所共用的发射/接收信号端的第一信号端、用于输出从所接收信号分离的第一频带的信号的第二信号端、以及用于在上述第一频带的信号被分离之后输出剩余信号的第三信号端，其中要被输入到上述第一信号端的所接收信号被在上述第二和第三信号端之间分离，并且输入到上述第二和第三信号端的发射信号被组合并且输出到第一信号端；连接到该天线共用器的上述第二信号端的第一高频开关；以及连接到该天线共用器的上述第三信号端的第二高频开关，其中上述第一高频开关具有分别由二极管所构成的多个开关器件，并且构造为使得两个信号端被有选择地切换和连接到该天线共用器的上述第二信号端，以及该第二高频开关具有至少三个分别由FET所构成的开关器件，并且构造为使得至少三个信号端被有选择地切换和连接到上述天线共用器的第三信号端；所述第二高频开关的每个开关器件包括多个串联的FET；所述第一、第二和第三频带的所述信号分别为GSM、WCDMA和DCS信号。
如上文所述，在处理至少三个频带的信号中，首先，一个频带的信号和另一个频带的信号被分离，并且几个频带共存的信号由第二高频开关中的至少三个开关装置所处理，而不增加天线共用器的尺寸。第二高频开关包括至少三个开关装置，其可以通过用FET取代二极管，采用相对较少数目的元件而制成一个简单的电路结构。
另外，通过把串联并且在多级中的第二高频开关的每个开关装置相连接，即使当没有衰减地施加不通过第二高频开关中的天线共用器的不同频带的发射信号时，甚至用较低的反向偏压电势也不会使处于截止状态的FET导通，并且可以避免出现失真。
另一方向，通过使第一高频开关包括二极管，当在两个信号端之间切换时，两个二极管在信号发射时同时导通。(两个二极管在信号接收时同时截止。)因此，在第一高频开关中的信号发射时不会出现在开关器件的截止状态过程中的失真问题。对于与第二高频开关的关系，由于天线共用器置于它们之间，因此也不会出现失真的问题。
在上述开关装置中，第一、第二和第三频带的信号例如分别为GSM、WCDMA、以及DCS信号。
根据本发明的移动通信终端可以通过如下方式而构造，即，把具有上述结构的开关装置的天线共用器的第一信号端连接到该天线，把用于上述第一频带的信号的发射/接收电路连接到上述第一高频开关的两个信号端，以及把用于上述第二和第三频带的信号的发射/接收电路连接到上述第二高频开关的至少三个信号端。
附图简述
图1为示出作为用于执行本发明的一种模式的开关装置的结构的方框图；
图2为示出图1的开关装置的每个开关设备的控制信号的状态和相应开关状态的表格的示意图；
图3为示出用于执行本发明的第二模式的开关装置的结构的方框图；以及
图4为示出常规例子的开关装置的结构的方框图。
具体实施方式
下面详细描述用于执行本发明的模式。
图1示出用于执行本发明的一种模式的开关装置的结构。在该图中，图4中所示的相同元件由相同的参考标号所表示。与WCDMA、DCS和GSM共振的天线连接到天线端Tant。GSM接收电路连接到GSM接收信号端Tgsmrx。GSM发射电路连接到GSM发射信号端Tgsmtx。DCS接收电路连接到DCS接收信号端Tdcsrx。DCS发射电路连接到DCS发射信号端。WCDMA发射/接收电路连接到WCDMA发射/接收信号端Twcdma。仅仅WCDMA发射/接收的原因是由于WCDMA的双工操作方案是FDD(频域双工)因此同时执行发射和接收。
如上文所述，天线共用器1具有高通滤波器和低通滤波器的组合特性。在图1的结构中，天线共用器1具有连接到天线端Tant的第一信号端、连接到滤波器2的第二信号端、以及连接到滤波器3的第三信号端。WCDMA和DCS信号通过天线共用器1的高通滤波器，GSM信号通过天线共用器1的低通信号，两个信号由一个大约20dB的间隔相互分离。滤波器2衰减GSM发射信号的较高谐波。滤波器3衰减WCDMA和DCS发射信号的较高谐波。高频开关4被控制，使得它导通GSM发射信号和接收信号之一。高频开关50被控制，使得它导通DCS发射信号、接收信号和WCDMA发射/接收信号之一。
在此所用的高频开关4具有与图4中所示的高频开关4相同的结构，并且使用PIN二极管作为开关设备。如上文所述，当PIN二极管被正向偏置时，阻抗下降到大约几欧姆，并且进入导通状态，以及当被反向偏压时，它们进入高阻抗的截止状态，具有在几百fF量级的端子间电容。
另一方面，对于高频开关5，场效应晶体管FET，在该情况中具体为GaAs(砷化镓)FET，被用作为该开关器件。换句话说，串联的FET31、32和33、串联的FET21、22和23以及串联的FET11、12和13分别***在滤波器3与WCDMA发送/接收信号端Twcdma、DCS发射信号端Tdcstx和DCS接收信号端Tdcsrx的每个信号端之间。控制电压从控制端Tctl5通过电阻Rg施加到每个FET31、32和33。控制电压从控制端Tctl4通过电阻Rg施加到每个FET21、22和23。类似地，控制电压从控制端Tctl3通过电阻Rg施加到每个FET11、12和13。另外，偏置电压端Tbias通过电阻R5、R4和R3连接到在它们的发射/接收电路侧上的每个FET33、23和13的端子(源极或漏极)。另外，该偏置电压端Tbias通过电阻Rb连接到在滤波器3的FET31、21和11的端子(漏极或源极)。
在不饱和区域中的FET类似于一个电阻，并且利用其阻值随着栅极电压而改变的事实。在导通电压Vf附近，阻抗下降到大约为几欧姆，并且进入导通状态，接着处于或低于截止电压Vp，它进入高阻抗的截止状态，具有几百fF的电容。尽管当处于截止状态时在用FET处理大功率容易出现失真，但是通过如图中所示多级串联几个FET，可以与电路级的数目的平方成正比地扩大处理功率。
顺便提及，在PIN二极管的情况中，当在多电路级中连接时，一个反相偏置电势被分压，因此不增加处理功率。二极管与FET之间的主要差别在于FET是三端子的器件，二极管是二端子的器件，并且用于导通/截止控制的棚极电压被施加到FET。通过在多电路级中连接FET，因为输入信号电压可以在几个FET之间分压，而另一方面可以对每个FET保持与使用单个FET的情况相同的棚极电压，可以增加处理功率而不对反向偏置电压进行分压。因此，FET的优点在于它们能够被多级连接，使得处理功率可以增加。
顺便提及，尽管高频开关4可以具有与高频开关50相类似的FET结构，由于目前需要5V的控制电压用与高频开关50相类似的FET结构来处理GSM信号(比其它信号更高的功率)，在当前模式中，采用可以通过3V的控制电压处理GSM信号的二极管结构。另外，在高频开关4中的二极管D1和D2在发射GSM信号时导通，如下文所述，因此在信号发射过程中不出现失真问题。
在图2中，图1的开关装置的每个开关器件的控制信号的状态和相应开关状态一同在表格中示出。从该表格可知，当在高频开关4侧上发射GSM信号时，3V电压施加到控制端Tctl2，并且0V电压施加到Tctl1。结果，PIN二极管D1和D2都进入导通状态。因此，现在它在GSM发射信号端Tgsmtx和滤波器2之间导通，并且GSM发射信号通过高频开关4、滤波器2和天线共用器1发射到天线端Tant。顺便提及，在高频开关50侧上，当不执行发射时，通过把3V电压施加到控制端Tbias以及通过把0V电压施加到Tctl3、Tctl4和Tctl5，所有FET可以被截止。在这一点，尽管GSM发射信号的一部分到达高频开关50，由于它在天线共用器1被衰减到大约13dBm，因此在截止状态的FET不会导致失真。
当在高频开关50侧用DCS发射时，3V电压被施加到控制端Tbias、Tctl1和Tctl4，以及0V电压被施加到Tctl2、Tctl3和Tctl5。结果，FET21、22和23进入导通状态，并且其它FET进入截止状态。当不与DCS同时执行GSM发射时，PIN二极管D1和D2也进入截止状态。在这一点，它在DCS发射信号端Tdcstx和滤波器3之间导通，并且DCS发射信号通过高频开关50、滤波器3和天线共用器1发射到天线端Tant。由于DCS最大发射功率假设为30dBm，因此该信号可以无衰减地施加到其它FET11、12和13，以及在高频开关5中的FET31、32和33。因此，尽管可以预料在开关器件处出现失真，由于在上述的当前模式中所处理功率被多级连接的FET所扩大，因此可以抑制失真的出现。顺便提及，尽管部分的DCS发射信号到达高频开关4，由于它在天线共用器1处被衰减20dB或更多，因此即使当二极管处于截止状态时，仅仅大约10dBm的信号被施加到PIN二极管D1和D2，并且即使对于低电压的反相偏置电势(在当前模式中为3V或更小)也不会出现失真。
当在高频开关50侧用WCDMA进行发射时，3V电压被施加到控制端Tbias、Tctl1和Tctl5，以及0V电压被施加到控制端Tctl2、Tctl3和Tctl4。结果，FET31、32和33进入导通状态，并且其它FET进入截止状态。如果GSM不同时工作，PIN二极管D1和D2也进入截止状态。因此，它在WCDMA发射/接收信号端Twcdma和滤波器3之间导通，并且WCDMA发射信号通过高频开关50、滤波器3和天线共用器1发射到天线端Tant。在这种情况中，尽管可以预料在FET11、12和13以及FET21、22和23处出现失真，由于WCDMA的最大发射功率假设为24dBm，因为如上文所述通过多级连接的FET扩大处理功率，因此可以抑制失真的出现。另外，尽管部分WCDMA发射信号到达高频开关4，由于它在天线共用器1处被衰减20dB或更多，因此仅仅大约4dBm的信号被施加到截止状态的PIN二极管D1和D2，并且即使对于低电压的反相偏置电势也不会出现失真。
当在高频开关4侧上接收GSM时，3V电压被施加到控制端Tctl1，并且0V电压被施加到Tctl2。结果，PIN二极管D1和D2进入截止状态。因此，它在GSM接收信号端Tgsmrx和滤波器2之间导通，并且从天线端Tant进入的GSM接收信号被通过天线共用器1、滤波器2和高频开关4发射到GSM接收信号端Tgsmrx。
当在高频开关50侧上接收DCS时，3V电压被施加到控制端Tbias和Tctl3，并且0V电压被施加到控制端Tctl4和Tctl5。结果，FET11、12和23进入导通状态。因此，它在DCS接收信号端Tdcsrx和滤波器3之间导通，并且从天线端Tant进入的DCS接收信号被通过天线共用器1、滤波器3和高频开关50发射到DCS接收信号端Tdcsrx。
当在高频开关50侧上接收WCDMA时，3V电压被施加到控制端Tbias和Tctl5，并且0V电压被施加到Tctl3和Tctl4。结果，FET31、32和33进入导通状态。因此，它在WCDMA发射/接收信号端Twcdma和滤波器3之间导通，并且从天线端Tant进入的WCDMA接收信号被通过天线共用器1、滤波器3和高频开关50发射到WCDMA发射/接收信号端Twcdma。
通过上述相对简单的开关装置，可以实现在3个或更多***的信号之间执行切换并且能够用相对较低的控制电压处理高功率的高频信号的小尺寸开关装置。另外，由于一个天线可以在例如GSM、DCS和WCDMA这样的3个或更多的不同通信方案之间共用，因此可以构造一个小尺寸的移动终端装置。另外，在每个通信方案GSM、DCS和WCDMA中，由于PIN二极管D1和D2在接收过程中处于截止状态，因此可以实现电流消耗的减小。
图3示出用于执行本发明的另一种模式。这是图1中所示的开关装置，其中高频开关50被高频开关51所代替。高频开关51是把串联的FET41至FET43添加在Tdcsrx信号端和地线之间作为短路装置的高频开关50。串联FET41至FET43的一端连接到Tdcsrx信号端，以及另一端通过电阻R6连接到电阻Rb和R3之间的连接点，并且通过电容器C4接地。仅仅在DCS发射过程中通过电阻Rg把3V电压施加到FET41至FET43的栅极，并且把0V电压施加到其它晶体管而提高绝缘性。
在上文描述用于执行本发明的优选模式，但是，除了上文所述之外还可以由其它各种变型和改变。例如，施加到各个控制端的0V和3V的控制电压不一定限于这些数值。另外，串联的FET的级数不限于3级，并且连接FET的方法不限于图中所示。
根据本发明，能够用相对较低的控制电压处理高功率高频率信号并且在至少第一、第二和第三频带的信号路径之间切换的小尺寸开关装置可以用相对简单的电路结构来实现，而不增加天线共用器的尺寸。另外，由于天线可以在例如GSM、DCS和WCDMA的三种或多种不同通信方案之间共用，因此可以构造小尺寸的移动终端装置。另外，可以同时操作由天线共用器所分割的两侧(例如，GSM和WCDMA或DCS和GSM)，因此可以容纳多种***操作。

Claims (4)

1.一种开关装置，用于在至少第一、第二和第三频带的信号路径之间切换，所述开关装置的特征在于包括：
天线共用器，其具有作为至少所述第一、第二和第三频带的信号所共用的发射/接收信号端的第一信号端、用于输出从所接收信号分离的第一频带的信号的第二信号端、以及用于在所述第一频带的信号被分离之后输出剩余信号的第三信号端，其中要被输入到所述第一信号端的所接收信号被在所述第二和第三信号端之间分离，并且输入到所述第二和第三信号端的发射信号被组合并且输出到所述第一信号端；
连接到所述天线共用器的所述第二信号端的第一高频开关；以及
连接到所述天线共用器的所述第三信号端的第二高频开关，其中
所述第一高频开关具有分别由二极管所构成的多个开关器件，并且使两个信号端被有选择地切换和连接到所述天线共用器的所述第二信号端；以及
所述第二高频开关具有至少三个分别由FET所构成的开关器件，并且使至少三个信号端被有选择地切换和连接到所述天线共用器的所述第三信号端；
所述第二高频开关的每个开关器件包括多个串联的FET；
所述第一、第二和第三频带的所述信号分别为GSM、WCDMA和DCS信号。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，所述第一高频开关具有作为所述开关器件的PIN二极管并且执行GSM发射信号和GSM接收信号之间的切换，以及所述第二高频开关具有三组串联的多级FET作为所述开关器件，并且执行WCDMA发射/接收信号、DCS发射信号和DCS接收信号之间的切换。
3.根据权利要求2所述的开关装置，其特征在于，所述第二高频开关还包括一组串联的多级FET作为短路装置。
4.根据权利要求3所述的开关装置，其中所述天线共用器的所述第一信号端连接到一个天线，用于所述第一频带的所述信号的发射/接收电路连接到所述第一高频开关的所述两个信号端，以及用于所述第二和第三频带的所述信号的发射/接收电路连接到所述第二高频开关的至少三个信号端。
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