CN101753157B - 射频收发器前端电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高集成度的射频收发器前端电路结构及其收发器芯片，所述结构可操作于传输模式与接收模式。所述射频收发器前端电路结构包含天线、阻抗匹配网络、平衡到不平衡转换器和收发器芯片。所述收发器芯片包含第一和第二传输/接收开关、接收单元和传输单元。通过将这些传输/接收开关集成于所述收发器芯片内，可降低印刷电路板的面积、备料成本且减少所述芯片的接脚输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种电路结构，尤其涉及一种具有高集成度的射频收发器前端电路结构及其收发器芯片。
背景技术
图1显示常规的射频收发器前端电路结构。如图所示，所述射频收发器前端电路结构100设置于印刷电路板上，其包含天线ANT、传输/接收（transmit/receive,T/R）开关11、第一和第二阻抗匹配网络（impedance matching network）12和13、第一和第二平衡到不平衡转换器（Balance to Unbalanced Transformer,balun）14和15、接收单元（receiver）161和传输单元（transmitter）163，其中所述接收单元161和所述传输单元163集成于收发器芯片16中。所述接收单元161包含低噪音放大器（low noise amplifier,LNA）162，借以通过所述天线ANT接收射频信号。所述传输单元163包含功率放大器（power amplifier,PA）164，借以传输射频信号到所述天线ANT。在接收模式下，所述传输/接收开关11选择性地将来自所述天线ANT的传输信号切换到所述第一阻抗匹配网络12的输入端。在传输模式下，所述传输/接收开关11选择性地将来自所述第二阻抗匹配网络13的输出端切换到所述天线ANT。
为了实现最佳性能，所述天线ANT在接收模式时，通过所述第一阻抗匹配网络12和所述第一平衡到不平衡转换器14而与所述接收单元161的输入端点阻抗匹配；所述天线ANT在传输模式时，通过所述第二阻抗匹配网络13和所述第二平衡到不平衡转换器15而与所述传输单元163的输出端点阻抗匹配。假如所述天线ANT在任一模式中，不能和所述接收单元161或所述传输单元163阻抗匹配，那么输入信号会被反射回源点，造成输入功率的损耗。图1所示的平衡到不平衡转换器14、15用于将单端（single-ended）信号转换到差动（differential）信号，或是将差动信号转换到单端信号。举例来说，所述第一平衡到不平衡转换器14被配置用于将来自所述第一阻抗匹配网络12的单端信号转换到横跨于所述低噪音放大器162的两输入端的差动信号，而所述第二平衡到不平衡转换器15被配置用于将横跨于所述功率放大器164的两输出端的差动信号转换到连接于所述第二阻抗匹配网络13的单端信号。所述低噪音放大器162和所述功率放大器164采用差动的信号传输方式以提高噪音免疫力。
图1所示的传输/接收开关11是以砷化镓(gallium-arsenide，GaAs)技术而实现。砷化镓材料的半绝缘性质可以使得寄生的基底阻值大幅降低，从而减少开关元件的插入损耗(insertion loss)。所述半绝缘性质还可用于改进开关元件的隔离度(isolation)。虽然砷化镓材料很适合高频电路的应用，此技术仍存在许多缺点。举例来说，砷化镓技术的工艺良率较低且制造成本高。同时，所述技术无法实现系统单芯片设计，因此需要额外的封装和测试成本。除此之外，所述常规结构在芯片外需要两个阻抗匹配网络12、13和两个平衡到不平衡转换器14、15以在不同的信号传输路径上实现阻抗匹配。这些组件在印刷电路板上占据了很大的空间，且增加了备料的成本。因此，有必要提出一种具有高度集成性的电路结构，以节省印刷电路板的面积和成本。
发明内容
根据本发明的射频收发器前端电路结构的一实施例包含天线、阻抗匹配单元和收发器芯片。所述天线用以接收和传输射频信号。所述阻抗匹配单元用于在接收模式下将所述射频信号转换为差动信号，或在传输模式下将差动信号转换为所述射频信号。所述收发器芯片包含接收单元、传输单元和至少一传输/接收开关，所述传输/接收开关在所述接收模式下将所述差动信号从所述阻抗匹配单元传送到所述接收单元，而在所述传输模式下将所述差动信号从所述传输单元传送到所述阻抗匹配单元。
本发明的射频收发器前端电路结构的另一实施例包含第一和第二天线、第一传输/接收开关、收发器芯片、第一阻抗匹配单元、第二阻抗匹配单元和第三阻抗匹配单元。所述第一和第二天线用以选择性地接收或传输射频信号。所述第一传输/接收开关连接于所述第一天线。所述收发器芯片包含接收单元、传输单元和至少一开关。所述第一阻抗匹配单元用于在所述第一天线的接收模式下将所述第一天线的射频信号转换为第一差动信号，并传送到所述接收单元。所述第二阻抗匹配单元用于在所述第一天线的传输模式下将所述传输单元的第二差动信号转换为所述第一天线的射频信号。所述第三阻抗匹配单元用于在所述第二天线的接收模式下将所述第二天线的射频信号转换为第三差动信号，并传送到所述至少一开关，或在所述第二天线的传输模式下将从所述至少一开关传来的第三差动信号转换为所述第二天线的射频信号。
本发明的射频收发器前端电路结构的又一实施例包含第一和第二天线、第一传输/接收开关、第一阻抗匹配网络、第二阻抗匹配网络、第三阻抗匹配网络和收发器芯片。所述第一和第二天线用以选择性地接收或传输射频信号。所述第一传输/接收开关连接于所述第一天线。所述第一阻抗匹配网络连接于所述第一传输/接收开关，用以匹配第一输出 信号。所述第二阻抗匹配网络连接于所述第一传输/接收开关，用以匹配第一输入信号。所述第三阻抗匹配网络连接于所述第二天线，用以匹配第二输入/输出信号。所述收发器芯片用以在接收模式下接收所述第一输出信号和所述第二输入/输出信号中的一者，以及在传输模式下传输所述第一输入信号和所述第二输入/输出信号中的一者。
本发明的射频收发器前端电路结构的又一实施例包含接收单元、传输单元和至少一传输/接收开关，所述传输/接收开关在接收模式下将差动信号由阻抗匹配单元传送到所述接收单元，而在传输模式下将差动信号由所述传输单元传送到所述阻抗匹配单元。
附图说明
图1是常规射频收发器前端电路结构；
图2是本发明的射频收发器前端电路结构的一实施例；
图3是本发明的射频收发器前端电路结构的另一实施例；
图4显示本发明的功率放大器的小信号增益、输入回程损耗和输出回程损耗；
图5是显示本发明的低噪音放大器的小信号增益、输入回程损耗和输出回程损耗；以及
图6是本发明的射频收发器前端电路结构的又一实施例。
具体实施方式
图2是本发明的射频收发器前端电路结构的一实施例。参照图2，所述射频收发器前端电路结构200设置于印刷电路板上，其包含天线ANT、阻抗匹配网络22、平衡到不平衡转换器23和收发器芯片24。所述收发器芯片24包含第一和第二传输/接收开关241和242、接收单元243和传输单元245。所述接收单元243包含低噪音放大器244，其接收施加于所述第一与第二输入端点INP与INN之间的差动输入信号，并产生差动输出信号。所述传输单元245包含功率放大器246，其接收差动输入信号并产生横跨于所述第一和第二输出端点OUTP和OUTN两侧的差动输出信号。所述第一和第二传输/接收开关241和242可以通过单极双投开关(single pole dual throw，SPDT)实现，其分别具有一个输入/输出端点和两个输出/输入端点。如图所示，开关241和242集成于所述芯片24中。所述阻抗匹配网络22和所述平衡到不平衡转换器23放置于所述天线ANT与所述收发器芯片24之间。所述阻抗匹配网络22可以使用变压器、电阻器、电容器或电感器来实现。所述平衡到不平衡转换器23具有第一和第二输出端点N1和N2，其分别耦合到所述开关241和242的输入端点。
所述收发器射频前端模块200具有两个工作模式：接收模式和传输模式。在接收模 式下，所述接收单元243接收来自所述天线ANT的射频信号。因此，所述第一传输/接收开关241选择性地将所述平衡到不平衡转换器23的输入/输出端点N1切换到所述低噪音放大器244的第一输入端点INP，而所述第二传输/接收开关242选择性地将所述平衡到不平衡转换器23的第二输入/输出端N2切换到所述低噪音放大器244的第二输入端点INN。在传输模式时，所述传输单元245传输射频信号到所述天线ANT。因此，所述第一传输/接收开关241选择性地将所述平衡到不平衡转换器23的第一输入/输出端N1切换到所述功率放大器246的第一输出端OUTP，而所述第二传输/接收开关242选择性地将所述平衡到不平衡转换器23的第二输入/输出端N2切换到所述功率放大器246的第二输出端OUTN。如此一来，接收的射频信号与传输的射频信号彼此之间不会互相干扰。在本实施例中，由于所述电路结构只需要一个阻抗匹配网络和一个平衡到不平衡转换器，且这些传输/接收开关可以集成到芯片内，因此可以降低印刷电路板的面积和备料成本，还可减少芯片的接脚数。
图3是本发明的射频收发器前端电路结构的另一实施例。参照图3，所述收发器射频前端模块300设置于印刷电路板上，其包含第一天线ANT1、第二天线ANT2、第一传输/接收开关31、第一、第二和第三阻抗匹配网络32、33和34、第一、第二和第三平衡到不平衡转换器35、36和37以及收发器芯片38。所述收发器芯片38进一步包含第二和第三传输/接收开关381和382、接收单元383和传输单元385。所述接收单元383包含低噪音放大器384，其接收施加于所述第一与第二输入端点INP与INN之间的差动输入信号，并产生差动输出信号。所述传输单元385包含功率放大器386，其接收差动输入信号并产生横跨于所述第一和第二输出端点OUTP和OUTN两侧的差动输出信号。所述第一、第二和第三传输/接收开关31、381和382可以通过单极双投开关实现，其分别具有一个输入/输出端点和两个输出/输入端点。如图所示，开关381和382集成于所述芯片38中。所述第一阻抗匹配网络32和所述第一平衡到不平衡转换器35放置于所述天线ANT1与所述收发器芯片38之间，使得所述天线ANT1的阻抗可以阻抗匹配于所述收发器芯片38的输入端阻抗。所述第二阻抗匹配网络34和所述第二平衡到不平衡转换器37放置于所述天线ANT1与所述收发器芯片38之间，使得所述天线ANT1的阻抗可以阻抗匹配于所述收发器芯片38的输出端阻抗。所述第三阻抗匹配网络33和所述第三平衡到不平衡转换器36放置于所述天线ANT2与所述收发器芯片38之间。
所述射频收发器前端电路结构300具有两个工作模式：接收模式和传输模式。在接收模式下，所述接收单元383接收来自所述天线ANT1和ANT2两者中的一者的射频信 号。在传输模式下，所述传输单元385传输射频信号到所述天线ANT1或ANT2。当射频信号来自所述第一天线ANT1时，连接于所述第一天线的第一传输/接收开关31被启用，而位于所述芯片38中的所述第二和第三传输/接收开关381和382不被启用。从而，所述第一传输/接收开关31选择性地将所述天线切换到所述第一阻抗匹配网络32的输入端。同样，当来自所述功率放大器386的射频信号要从所述天线ANT1传输时，所述第一传输/接收开关31选择性地将所述第二阻抗匹配网络34的输出端切换到所述天线ANT1。如此一来，接收的射频信号与传输的射频信号彼此之间不会互相干扰。
另一方面，当射频信号来自第二天线ANT2时，位于所述芯片38中的所述第二和第三传输/接收开关381和382被启用，而连接于所述第一天线ANT1的第一传输/接收开关31不被启用。因此，所述第二传输/接收开关381选择性地将所述第三平衡到不平衡转换器36的输出端点N3切换到所述低噪音放大器384的第一输入端INP，且所述第三传输/接收开关382选择性地将所述低噪音放大器384的第二输入端INN切换到所述第三平衡到不平衡转换器36的输出端点N4。同样，当来自所述功率放大器386的射频信号要从所述天线ANT2传输时，所述第二传输/接收开关381选择性地将所述功率放大器386的第一输出端OUTP切换到所述第三平衡到不平衡转换器36的输入/输出端点N3，且所述第三传输/接收开关382选择性地将所述功率放大器386的第二输出端OUTN切换到所述第三平衡到不平衡转换器36的输入/输出端点N4。如此一来，接收的射频信号与传输的射频信号彼此之间不会互相干扰。图4显示在传输模式下，所述功率放大器386在2.5GHz时的测量结果，其小信号增益(small signal gain)等于13dB、输入回程损耗(input returnloss)等于-19.3dB且输出回程损耗(output return loss)等于-17.3dB。图5显示在接收模式下，所述低噪音放大器384在2.5GHz时的测量结果，其小信号增益等于29.4dB、输入回程损耗等于3dB且输出回程损耗等于-10.2dB。
在本实施例中，其结合所述常规结构与所述第一实施例，以两个天线ANT1、ANT2为例，借此说明信号的传输方式。然而，实际使用的天线并不限定于所述两个天线。依照相同原理，天线可以为两个以上，其基于上述实施例的修改和变化。
图6是本发明的射频收发器前端电路结构的又一实施例。如图所示，所述射频收发器前端模块600近似于图3中的所述收发器射频前端模块300。在本实施例中，第一平衡到不平衡转换器651、第二平衡到不平衡转换器652和第三平衡到不平衡转换器653设置于收发器芯片65内。所述收发器芯片65进一步包含第二和第三传输/接收开关654和655、接收单元656和传输单元658。所述接收单元656包含低噪音放大器657，其接 收施加于所述第一与第二输入端点INP与INN之间的差动输入信号，并产生差动输出信号。所述传输单元658包含功率放大器659，其接收差动输入信号并产生横跨于所述第一和第二输出信号OUTP和OUTN两侧的差动输出信号。
上文已揭示本发明的技术内容和技术特点，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作出种种不背离本发明精神的替换和修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而是应包含各种不背离本发明的替换和修改，并为所附权利要求书所涵盖。
Claims (7)
1.一种射频收发器前端电路，其特征在于其包含：
第一和第二天线，其用以选择性地接收或传输射频信号；
第一传输/接收开关，其连接于所述第一天线；
收发器芯片，其包含接收单元、传输单元和至少一开关；所述至少一开关包括：
第二传输/接收开关以及第三传输/接收开关；
第一阻抗匹配单元，其选择性地连接于该第一传输/接收开关，用于在所述第一天线的接收模式下将所述第一天线的射频信号转换为第一差动信号，并传送到所述接收单元；
第二阻抗匹配单元，其选择性地连接于该第一传输/接收开关，用于在所述第一天线的传输模式下将所述传输单元的第二差动信号转换为所述第一天线的射频信号；以及
第三阻抗匹配单元，连接于所述第二天线，其用于在所述第二天线的接收模式下将所述第二天线的射频信号转换为第三差动信号，并传送到所述至少一开关；或在所述第二天线的传输模式下将从所述至少一开关传来的第三差动信号转换为所述第二天线的射频信号；
在所述第二天线的接收模式下，所述第二传输/接收开关和所述第三传输/接收开关分别选择性地将所述第三阻抗匹配单元的第三差动信号切换到所述接收单元的第一输入端和第二输入端；而在所述第二天线的传输模式下，所述第二传输/接收开关和所述第三传输/接收开关分别选择性地将所述传输单元的第一输出端和第二输出端的第三差动信号切换到所述第三阻抗匹配单元。
2.根据权利要求1所述的射频收发器前端电路，其特征在于其中当所述射频信号来自所述第一天线时，在接收模式下，所述第一传输/接收开关选择性地将所述第一天线切换到所述第一阻抗匹配单元的输入端，而在传输模式下，所述第一传输/接收开关选择性地将所述第二阻抗匹配单元的输出端切换到所述第一天线。
3.根据权利要求1所述的射频收发器前端电路，其特征在于其中所述阻抗匹配单元包含阻抗匹配网络和平衡到不平衡转换器。
4.一种射频收发器前端电路，其特征在于其包含：
第一和第二天线，其用以选择性地接收或传输射频信号；
第一传输/接收开关，其连接于所述第一天线；
第一阻抗匹配网络，其选择性地连接于所述第一传输/接收开关，用以匹配第一输入信号；
第二阻抗匹配网络，其选择性地连接于所述第一传输/接收开关，用以匹配第一输出信号；
第三阻抗匹配网络，其连接于所述第二天线，用以匹配第二输入/输出信号；以及
收发器芯片，包含与所述第三阻抗匹配网络连接的第二传输/接收开关以及第三传输/接收开关，所述收发器芯片用以在接收模式下通过所述第一阻抗匹配网络接收所述第一输入信号或通过所述第二传输/接收开关以及第三传输/接收开关接收所述第二输入信号，以及在传输模式下通过所述第二阻抗匹配网络传输所述第一输出信号或通过所述第二传输/接收开关以及第三传输/接收开关传输所述第二输出信号；
其中，该第一阻抗匹配网络与该第二阻抗匹配网络通过该第一传输/接收开关与该第一天线连接。
5.根据权利要求4所述的射频收发器前端电路，其特征在于其中所述收发器芯片包含接收单元、传输单元、第一平衡到不平衡转换器、第二平衡到不平衡转换器和第三平衡到不平衡转换器；
其中所述接收单元具有第一和第二输入端，所述传输单元具有第一和第二输出端，所述接收单元的第一输入端和所述传输单元的第一输出端连接到所述第二传输/接收开关，而所述接收单元的第二输入端和所述传输单元的第二输出端连接到所述第三传输/接收开关；
其中所述第一平衡到不平衡转换器连接到所述第一阻抗匹配网络和所述接收单元，所述第二平衡到不平衡转换器连接到所述第二阻抗匹配网络和所述传输单元，而所述第三平衡到不平衡转换器连接到所述第三阻抗匹配网络和所述第二和第三传输/接收开关。
6.根据权利要求5所述的射频收发器前端电路，其特征在于其中当所述射频信号来自所述第一天线时，在接收模式下，所述第一传输/接收开关选择性地将所述第一天线切换到所述第一阻抗匹配网络的输入端，而在传输模式下，所述第一传输/接收开关选择性地将所述第二阻抗匹配网络的输出端切换到所述第一天线；当所述射频信号来自所述第二天线时，在接收模式下，所述第二传输/接收开关和所述第三传输/接收开关选择性地将所述第三阻抗匹配网络的差动信号切换到所述接收单元的第一输入端和第二输入端，而在传输模式下，所述第二传输/接收开关和所述第三传输/接收开关选择性地将所述传输单元的第一输出端和第二输出端的差动信号切换到所述第三阻抗匹配网络。
7.根据权利要求4所述的射频收发器前端电路，其特征在于其中所述阻抗匹配网络为变压器、电阻器、电容器或电感器。
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