CN102281081B - 无线通信收发机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信收发机，以切换开关的方式，分别在该收发机的输出及输入状态操作时达到阻抗匹配。该收发机包括有变压器，该变压器具有一次侧线圈以及二次侧线圈，该一次侧线圈具有第一端点及第二端点，该二次侧线圈具有第一端点及第二端点；开关，具有闸极、漏极以及源极，其中该闸极可接收控制信号，该漏极连接至该变压器的一次侧线圈的第二端点而该源极则连接至该变压器的二次侧线圈的第二端点；功率放大器，具有输出端，连接至该变压器的一次侧线圈的第一端点；以及低噪声放大器，具有输入端连接至该变压器的一次侧线圈的第二端点。

Description

无线通信收发机

技术领域

本发明涉及一种无线通信收发机，尤其涉及用于无线通信收发机的阻抗匹配电路。

背景技术

无线通信收发机在应用时需考虑与天线之间的阻抗匹配。在现有技术的无线通信收发机中，使用的放大器为双端传输方式，对能量的消耗相对增加，也增加成本消耗。

例如在发明名称为“阻抗匹配式被动无线射频收发开关”(IMPEDANCEMATCHED PASSIVE RADIO FREQUENCY TRANSMIT/RECEIVE SWITCH)、公开号第2007/0152904A1号的美国申请案中，是利用选定巴伦变压器中的线圈比(ratio tums)，搭配连接在天线上的一次侧线圈与连接在二次侧线圈上的双端传输的功率放大器及低噪声放大器，分别达到输出及输入时对于天线的阻抗匹配。

又例如在发明名称为“整合式电路的无线前端架构及其应用”(INTEGRATED CIRCUIT RADIO FRONT-END ARCHITECTURE ANDAPPLICATIONS THEREOF)、公开号第US2004/0253939A1号的美国申请案中，是利用由一次侧线圈与对称多抽头式二次侧线圈(symmetrical multi-tap secondarywinding)的多抽头巴伦变压器(multi-tap balun)，并且在一次侧线圈与天线之间增加输入阻抗匹配回路(input matching circuit)，其双端传输的功率放大器及低噪声放大器分别各自连接在对称多抽头式二次侧线圈的第一对与第二对，通过切换该多头巴伦变压器的模式，来分别达到输出及输入时对天线的阻抗匹配。

然而以上两项申请案皆搭配于以双端传输方式的放大器，对于能量的消耗与流失相对增加。因此希望能有一种无线通信收发机，可搭配单端传输的放大器，减少能量消耗，也可同时达到阻抗匹配，不需要额外增加元件，进而降低成本。

发明内容

本发明涉及一种无线通信收发机，以切换开关的方式，分别在该收发机进行输出及输入信号时达到阻抗匹配。该收发机包括有变压器，该变压器具有一次侧线圈以及二次侧线圈，该一次侧线圈具有第一端点及第二端点，该二次侧线圈具有第一端点及第二端点；开关，具有闸极、漏极以及源极，其中该闸极可接收控制信号，该漏极连接至该变压器的一次侧线圈的第二端点而该源极则连接至该变压器的二次侧线圈的第二端点；功率放大器，具有输出端，连接至该变压器的一次侧线圈的第一端点；以及低噪声放大器，具有输入端连接至该变压器的一次侧线圈的第二端点。其中该开关响应该控制信号的第一电位而使该收发机通过天线接收信号至该低噪声放大器，且响应该控制信号的第二电位而使信号通过该功率放大器由该天线发射出。

在以下的实施例中，将针对此无线通信收发机的接收及发射两种状态分别描述如何利用开关的截止及导通达到阻抗匹配。

附图说明

参照附图可进一步了解本发明的上述摘要以及上文的详细说明。为达到本发明的说明目的，各附图为现属较佳的具体实施例。但是应该了解本发明并不局限于所绘示的排置方式及设备装置。

图1为本发明其中一个实施例的无线通信收发机1的示意图；

图2为本发明其中一个实施例的无线通信收发机1操作于接收状态的示意图；以及

图3为本发明其中一个实施例的无线通信收发机1操作于发射状态的示意图。

主要元件标记说明

1    无线通信收发机

2    主机

3    内部电路

31   升频电路模块

32   降频电路模块

11   天线

12   耦合电容

13   变压器

14   一次侧线圈

141  一次侧线圈第一端点

142  一次侧线圈第二端点

15   二次侧线圈

151  二次侧线圈第一端点

152  二次侧线圈第二端点

16   功率放大器(二power amplifier；PA)

17   低噪声放大器(low noise amplifier；LNA)

17a  电感

18   旁路电容

19   开关

具体实施方式

以下对较佳实施例的详细描述旨在说明本发明，而非对本发明的实施方式有所限制。

图1是本发明无线通信收发机1的实施例。请参照图1，本无线通信收发机1包含变压器13、功率放大器(poweramplifier；PA)16、低噪声放大器(lownoiseamplifier；LNA)17以及开关19。

变压器13包括一次侧线圈14以及二次侧线圈15。一次侧线圈14具有第一端点141以及第二端点142。二次侧线圈15则具有第一端点151以及第二端点152。

开关19可响应来自主机2的控制信号(control signal；CS)而为导通或截止状态。在本实施例中，开关19可为晶体管，例如是金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；MOS)，其中包含闸极(标为“G”)、漏极(标为“D”)以及源极(标为“S”)。

功率放大器16具有输入端及输出端。输入端连接至收发机1的内部电路3，例如是连接至升频电路模块(up-conversion module)31。输出端则连至变压器13的一次侧线圈14的第一端点141，并通过耦合电容12连接至天线11。

低噪声放大器17具有输出端及输入端。输出端连接至收发机1的内部电路3，例如是连接至降频电路模块(down-conversion module)32。输入端则连至变压器13的一次侧线圈14的第二端点142以及开关19的漏极。

开关19的闸极连接至主机2并通过旁路电容18接地；源极连接至变压器13的二次侧线圈15的第二端点152。

变压器13的二次侧线圈15的第一端点151连接至地。

图2是根据本发明无线通信收发机1在接收状态操作时的示意图。请参照图2，低噪声放大器17另包括第一晶体管171，第二晶体管172，以及电感17a。其中第一晶体管171的闸极连接至一次侧线圈14的第二端点142；源极通过电感17a接地。第二晶体管172与第一晶体管171串接(cascode)，其源极连接至第一晶体管171的漏极；闸极与漏极则连接至电源V_DD。

无线通信收发机1可操作于第一状态，例如接收状态，以及操作于第二状态，例如发射状态。当无线通信收发机1想操作于接收状态时，开关19接收来自主机2的控制信号的第一电位而截止，使得该二次侧线圈15形成浮接。由天线11所接收的信号通过耦合电容12、一次侧线圈14及低噪声放大器17至内部电路3。

此时该无线通信收发机1的输入阻抗Z_in(r)是由该一次侧线圈14及低噪声放大器17所形成的总阻抗。

因此，设该无线通信收发机1操作于接收状态时的输入阻抗，而，可推导出以下等式：

$Z_{\mathrm{out}}=Z_1=Z_{\mathrm{in}\left(r\right)}^{*}=s(L_1+L_s)+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_{\mathrm{gs}}}+\frac{g_m{L}_s}{C_{\mathrm{gs}}},$

其中*表示共轭复数；C_gs为低噪声放大器17的晶体管171的闸极至源极(gate tosource)的寄生电容；L_s为低噪声放大器17的电感17a的电感值；s＝jw；w＝2πf，f为频率；g_m为该第一晶体管171的转移电导；

为Z_in(r)的实部，即为天线11的电阻值。

以上的参数可根据实际情形在电路中进行搭配，以达成阻抗匹配，在本发明的实施例中，以下数据可供参考：

f＝2.4兆赫(giga Herts；GHz)；

L₁＝2.6x10^-9亨利即2.6奈亨利(nano Henry；nH)；

$\frac{g_m{L}_s}{C_{\mathrm{gs}}}=50$ 欧姆(ohm；Ω)。

图3是根据本发明无线通信收发机1操作于发射状态的示意图。请参照图3，当无线通信收发机1想操作于发射状态时，开关19接收来自主机2的控制信号的第二电位而导通，使得该一次侧线圈14的第二端点142电性耦接(electricalcoupling)于二次侧线圈15的第二端点152。

此时该无线通信收发机1的输入阻抗Z_in(t)是由该变压器13的一次侧线圈14以及二次侧线圈15所形成的总阻抗。

设Z_in(t)为无线通信收发机1操作于发射状态时的输入阻抗，而Z_out为输出阻抗，Z₁为天线11的电阻值，可推导出以下等式：

Z_out＝Z₁＝Z_in(t)＝L₁+L₂+M₁₂

其中L₁为一次侧线圈14的电感值；L₂为二次侧线圈15的电感值；M₁₂为一次侧线圈14与二次侧线圈15的互感，根据互感公式而k为一次侧线圈14与二次侧线圈15的耦合系数。

在该无线通信收发机1操作于发射状态时，一次侧线圈14与二次侧线圈15形成高频扼流圈(Radio frequency Choker；RFC)，可使功率放大器16的信号传送至天线11并且避免该信号进入低噪声放大器17而造成装置毁损。以上参数同样可依据实际情形在电路中进行搭配以达到阻抗匹配。在本发明的实施例中，以下数据可供参考：

f＝2.4兆赫(giga Hertz；GHz)；

L₁＝2.6x10^-9亨利即2.6奈亨利(nano Henry；nH)；

L₂＝1.3x10^-9亨利即1.3奈亨利(nano Henry；nH)；

k＝0.7；

M₁₂＝1.3x10^-9亨利即1.3奈亨利(nano Henry；nH)；

Claims (9)

1.一种无线通信收发机，该收发机包括：

变压器，该变压器具有一次侧线圈以及二次侧线圈，该一次侧线圈具有第一端点及第二端点，该二次侧线圈具有第一端点及第二端点，其中该一次侧线圈的第一端点通过耦合电容连接至天线，且该二次侧线圈的第一端点接地；

开关，具有闸极、漏极以及源极，其中该闸极可接收控制信号，该漏极连接至该变压器的一次侧线圈的第二端点而该源极则连接至该变压器的二次侧线圈的第二端点；

功率放大器，具有输出端，连接至该变压器的一次侧线圈的第一端点；以及

低噪声放大器，具有输入端连接至该变压器的一次侧线圈的第二端点；

其中该开关响应该控制信号的第一电位而使该收发机通过该天线接收信号至该低噪声放大器，且响应该控制信号的第二电位而使信号通过该功率放大器由该天线发射出。

2.根据权利要求1所述的无线通信收发机，其特征是该开关响应该控制信号的第一电位而截止，使得该变压器的二次侧线圈浮接。

3.根据权利要求1所述的无线通信收发机，其特征是该开关的闸极通过旁路电容接地。

4.根据权利要求1所述的无线通信收发机，其特征是该低噪声放大器包括电感、第一晶体管及第二晶体管，其中该第一晶体管的闸极连接至该一次侧线圈的第二端点，而其源极通过该电感接地，该第二晶体管的源极连接至该第一晶体管的漏极。

5.根据权利要求4所述的无线通信收发机，其特征是该天线的阻抗根据如下等式匹配于该变压器的一次侧线圈的阻抗以及该低噪声放大器的阻抗所形成的总阻抗：

$Z_{\mathrm{out}}=Z_{\mathrm{in}\left(r\right)}^{*}=s(L_1+L_s)+\frac{1}{s{C}_{\mathrm{gs}}}+\frac{g_m{l}_s}{C_{\mathrm{gs}}},$

其中Z_out为输出阻抗即该天线的阻抗，Z_in(r)是由该一次侧线圈及该低噪声放大器所形成的总阻抗，*表示共轭复数，C_gs为该低噪声放大器中该第一晶体管的闸极至源极的寄生电容，L_s为低噪声放大器中该电感的电感值，s＝jw，w＝2πf，f为频率，g_m为该低噪声放大器中该第一晶体管的转移电导，L₁为该变压器的一次侧线圈的电感值。

6.根据权利要求1所述的无线通信收发机，其特征是该功率放大器的输入端与升频电路模块相连，该低噪声放大器的输出端与降频电路模块相连。

7.根据权利要求1所述的无线通信收发机，其中该开关响应该控制信号的第二电位而导通，使得该变压器的一次侧线圈的第二端点电性耦接于二次侧线圈的第二端点。

8.根据权利要求7所述的无线通信收发机，其特征是该变压器的一次侧线圈以及二次侧线圈形成高频扼流圈。

9.根据权利要求8所述的无线通信收发机，其特征是该天线的阻抗根据如下等式匹配于该变压器的一次侧线圈、二次侧线圈所形成的总阻抗：

Z_out＝Z_in(t)＝L₁+L₂+M₁₂

其中Z_out为输出阻抗即该天线的阻抗，Z_in(t)是由该变压器的一次侧线圈以及二次侧线圈所形成的总阻抗，L₁为该变压器的一次侧线圈的电感值，L₂为该变压器的二次侧线圈的电感值，M₁₂为该变压器的一次侧线圈与二次侧线圈的互感，且

而k为该变压器一次侧线圈与二次侧线圈的耦合系数。

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