CN102570065B - 一种双工复用巴伦天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双工复用巴伦天线。该双工复用巴伦天线包括：一个E类功放的choke电感L_choke、一个E类功放的并联电容C_shunt、两个巴伦电感L₁和L₂、两个巴伦电容C₁和C₂、两个差分输入输出口N和P、一个单端输入输出口50ΩANT、一个电源电压接口vddTX。本发明将差分型功率放大器的负载部分和巴伦天线结合起来，从而节省了片外分立器件的数目。

Description

一种双工复用巴伦天线

技术领域

本发明涉及无线通信行业电子天线技术领域，尤其涉及一种双工复用巴伦天线。

背景技术

在目前的低成本的蓝牙及其他短距离无线通信的恒包络收发机系统中，由于距离很近，不需要很高的功率和线性度，所以低成本和便携性成为此种恒包络收发机系统的追求目标。

目前，已有很多种双工复用巴伦天线结构设计出来用于此种系统。图1为现有技术双工复用巴伦天线的示意图。如图1所示，经典的双工复用巴伦天线是LC巴伦电路分别连接完整的差分型功率放大器(PowerAmplifier，简称PA放大器)的输出端和差分型低噪声放大器(LOW NoiseAmplifier，简称LNA放大器)的输入端。功率放大器为提高效率，降低功耗，大都使用开关型功率放大器，如E类功率放大器，此种放大器的电感起choke作用，即提供直流电压并阻止交流电流的通过，所以其值不用很精确，只要大于某个值即可。

此外，现在常用的LC巴伦电路通过电感电容的谐振作用，将电压分成两个相隔180°相位的差分信号，但如果要和通用的50Ω天线进行阻抗匹配时，还需要额外的阻抗匹配电路。巴伦天线、PA放大器、LNA放大器，再加上阻抗匹配电路，总共至少需要5个电感和五个电容。

在实现本发明的过程中，申请人意识到现有技术双工复用巴伦天线存在如下技术缺陷：过多的电容和电感使得芯片面积和成本对于低成本应用比较难以接受；此外，阻抗匹配电路的存在使电路设计相当繁琐。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提出了一种双工复用巴伦天线，以减低电容和电感的数目，节约芯片面积和成本。

(二)技术方案

针对上述一个或多个问题，本发明提出一种双工复用巴伦天线。该双工复用巴伦天线包括：第一扼流电感、第一分路电容、第一巴伦电感、第二巴伦电感、第一巴伦电容和第二巴伦电容，其中：第一扼流电感的第一端和第一分路电容的第一端共同连接至电源电压接口，第一扼流电感的第二端和第一分路电容的第二端共同连接至第一差分输入输出端；第二巴伦电容的第一端连接至第二差分输入输出端，其第二端连接至地；第一巴伦电容的第一端和第一巴伦电感的第一端连接至所述第一差分输入输出端，第一巴伦电感的第二端和第二巴伦电感的第一端连接至第二差分输入输出端，第二巴伦电感的第二端和第一巴伦电容的第二端连接至单端输入输出端；其中，所述第一差分输入输出端和第二差分输入输出端连接至差分型功率放大器的输出端，所述第一扼流电感作为差分型功率放大器的扼流电感，所述第一分路电容作为差分型功率放大器的并联电容。

(三)有益效果

本发明双工复用巴伦天线分别在RX和TX模式下完成了差单信号转换功能，相比传统双工复用巴伦天线，具有以下有益效果：

(1)本发明双工复用巴伦天线将功率放大器的一部分作为巴伦电路，从而与传统巴伦天线结构相比至少少用了两个电感和一个电容；

(2)本发明双工复用巴伦天线加入了阻抗匹配的功能，不需要额外的匹配电路，从而又节省了两个电感和两个电容。

可见，本发明双工复用巴伦天线节省了分立器件的数目，降低了成本，适用于低成本便携蓝牙及其他短距离无线通信系统收发机的应用。

附图说明

图1是传统双工复用巴伦天线的电路原理图；

图2是本发明实施例双工复用巴伦天线的电路原理图；

图3是本发明实施例双工复用巴伦天线在RX模式下与LNA放大器相连时的等效电路原理图；

图4为本发明实施例双工复用巴伦天线在RX模式下的输入输出仿真图；

图5是本发明实施例双工复用巴伦天线在TX模式下与E类功率放大器相连时的等效电路原理图；

图6为本发明实施例双工复用巴伦天线在TX模式下的输入输出仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明双工复用巴伦天线中，将巴伦电路、差分型功率放大器的负载部分和阻抗匹配电路结合起来，从而使得三种功能结合成一简单电路，以此来节约芯片面积，节省成本。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种双工复用巴伦天线。图2为本发明实施例双工复用巴伦天线的结构示意图。参照图2，本发明优选实施例双工复用巴伦天线包括：第一扼流电感L_choke、第一分路电容C_shunt、第一巴伦电感L₁、第二巴伦电感L₂、第一巴伦电容C₁和第二巴伦电容C₂。其中，第一扼流电感L_choke的第一端和第一分路电容C_shunt的第一端共同连接至电源电压接口vddTX，第一扼流电感L_choke的第二端和第一分路电容C_shunt的第二端共同连接至第一差分输入输出端-P；第一巴伦电容C₁的第一端和第一巴伦电感L₁的第一端连接至所述第一差分输入输出端-P，第一巴伦电感L₁的第二端和第二巴伦电感L₂的第一端连接至第二差分输入输出端-N，第二巴伦电感L₂的第二端和第一巴伦电容C₁的第二端连接至单端输入输出端-ANT端；第二巴伦电容C₂的第一端连接至第二差分输入输出端-N，其第二端连接至地。其中，第一扼流电感L_choke为差分型功率放大器的扼流电感，第一分路电容C_shunt为差分型功率放大器的并联电容。

本发明在具体实施时，分为TX和RX两种模式。在上述两种模式下，本发明实施例双工复用巴伦天线均连接差分型功率放大器和差分型低噪声放大器。在TX下，只有功率放大器电源开启起作用，低噪声放大器电源关闭，RX模式下相反。以下分别对两种模式进行详细说明。

在RX模式下，本发明实施例双工复用巴伦天线将单端输入输出端接收的单端信号转换为差分信号，传输到差分型LNA的差分输入端-N和P，简称：单转差。

图3为本发明实施例双工复用巴伦天线在RX模式下的结构示意图。如图3所示，在差分型LNA处于使能状态，差分型PA的供电关闭时，本发明实施例双工复用巴伦天线的两个差分输入输出端-N和P，分别连接差分型LNA的两输入端；单端输入输出端-ANT端连接至50Ω的单端天线；电源电压接口-vddTX在RX模式时电源电压没有电压值，处于高阻态。

如图3所示，差分型LNA的输入端可以等效为C_lna和R_lna，此时第一分路电容C_shunt和第一扼流电感L_choke可以等效为一个电容C_eff。在此模式下，根据实际测量的差分型LNA的参数和需要的工作频率，可以计算本发明实施例双工复用巴伦天线各电感和电容的数值。下文以射频微电子学中通用的50Ω单端天线为例进行说明，本领域技术人员应当清楚，单端天线的阻抗也可以为其他值，只要按照下文的方法进行计算即可。

本发明实施例双工复用巴伦天线中的电感和电容的数值必须能同时满足两个条件：(1)总阻抗与50Ω的单端天线匹配；(2)完成差转单功能，即第二巴伦电容C₂处的电压要为单端天线处的1/2，也就是第二巴伦电容C₂的阻抗为总阻抗的1/2。具体原理如下：L1为并联的两部分L_lna和LM，其中L_lna和C_lna谐振在工作频率，这样就只剩下了R_lna，其与第一巴伦电容C₁串联后与L₂第三电感并联，再与第二巴伦电容C₂串联，其总阻抗要与50Ω匹配；同时根据条件2，列出一系列如公式一至公式六的方程，即可得各分立器件的数值大小，具体计算公式如下：

$L_2=\frac{\sqrt{50*R_{\ln a}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}}$     公式一

$C_1=\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}}^2{L}_2}$     公式二

C₂＝2*C₁       公式三

$L_{\ln a}=\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}}^2{C}_{\ln a}}$     公式四

L_M＝2*L₂    公式五

$L_1=\frac{L_{\ln a}{L}_M}{L_{\ln a}+L_M}$     公式六

其中，R_lna和C_lna为LNA的等效电阻和等效电容，ω_RF为工作频率，其他为图中所表示。如在500Mhz的工作频率下，差分型LNA的等效参数R_lna和C_lna分别为200Ω和2pF，即ω_RF＝2π*500Mhz，R_lna＝200Ω，C_lna＝2pF，则根据上述公式计算可得，L₁＝28nH，L₂＝32nH，C₁＝3.16pF，C₂＝6.32pF。

如图3所示，双工复用巴伦天线在RX模式下，将单端天线接收到的单端信号转换成差分信号传送到LNA的差分输入端，图4为本发明实施例双工复用巴伦天线在RX模式下的仿真图，仿真工作频率为2.4GHZ。其中图4a为本发明实施例双工复用巴伦天线在50欧姆天线处的单端接收信号的波形图，图4b为本发明实施例双工复用巴伦天线在两个差分输入输出端-N和P的接收差分信号的波形图。由图4a和图4b可以看出，本发明实施例双工复用巴伦天线在RX模式时，将接收到的单端信号转换成了差分信号，完成了单转差的功能。

在TX模式下，本发明实施例双工复用巴伦天线充当E类功率放大器的负载，同时把差分信号转换为单端信号传输到单端输入输出端-ANT端，简称：差转单。

图5是本发明实施例双工复用巴伦天线在TX模式下与E类功率放大器相连时的等效电路原理图。如图5所示，双工复用巴伦天线在TX模式下，将差分型PA输入的差分信号传输到单端天线，即差分型PA处于使能状态，差分型LNA的供电关闭时，本发明实施例双工复用巴伦天线的两个差分输入输出端-N和P，连接一个伪差分E类功率放大器的输出端，一个单端输入输出端-ANT接50Ω的单端天线；电源电压接口-vddTX连接至电源电压，差分型PA的两个输入管等效于两个差分开关。此时，对于差分输入输出端N连接的那一路PA，第一分路电容C_shunt作为此路的并联电容，第一扼流电感L_choke作为此路的扼流电感，其他部分作为阻抗变换，由于在低成本恒包络蓝牙及其他短距离无线通信中，对发射功率要求不高，所以阻抗匹配以差分型LNA为主，E类功率放大器的效率本身很高，在不是很好的阻抗匹配下也能达到系统要求的功率值。如果系统以功率为主要参考值，相应的LNA信号功率要求不是很高，则可以在后面再串接阻抗匹配网络。对于差分输入输出端P连接的那一路差分型PA，第二巴伦电容C₂作为其并联电容，L₁第二电感和第一扼流电感L_choke共同作为此路的扼流电感。两路差分型PA产生的两路电流在天线处相加，形成单端信号传输到50Ω的负载。

图6为本发明实施例双工复用巴伦天线在TX模式下的输入输出仿真图，仿真工作频率为2.4GHZ。其中图6a为本发明实施例双工复用巴伦天线在两个差分输入输出端-N和P的发射差分信号，图6b为本发明实施例双工复用巴伦天线在50欧姆天线处的单端接收信号。两个差分输入输出端-N和P的发射差分信号幅度由于负载的不同而有所差异，两者相加后为50欧姆天线处的单端接收信号。由图6可以看出，本发明实施例双工复用巴伦电路在TX模式下将输入的差分信号转换成了单端信号，完成了差转单功能。

综上所述，本发明双工复用巴伦天线分别在RX和TX模式下完成了差单信号转换功能，相比传统双工复用巴伦天线，具有以下有益效果：

(1)本发明双工复用巴伦天线将功率放大器的一部分作为巴伦电路，从而与传统巴伦天线结构相比至少少用了两个电感和一个电容；

(2)本发明双工复用巴伦天线加入了阻抗匹配的功能，不需要额外的匹配电路，从而又节省了两个电感和两个电容。

可见，本发明双工复用巴伦天线节省了分立器件的数目，降低了成本，适用于低成本便携蓝牙及其他短距离无线通信系统收发机的应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双工复用巴伦天线，包括：第一扼流电感(L_choke)、第一分路电容(C_shunt)、第一巴伦电感(L₁)、第二巴伦电感(L₂)、第一巴伦电容(C₁)和第二巴伦电容(C₂)，其中：

第一扼流电感(L_choke)的第一端和第一分路电容(C_shunt)的第一端共同连接至电源电压接口(vddTX)，第一扼流电感(L_choke)的第二端和第一分路电容(C_shunt)的第二端共同连接至第一差分输入输出端(P)；

第二巴伦电容(C₂)的第一端连接至第二差分输入输出端(N)，其第二端连接至地；

第一巴伦电容(C₁)的第一端和第一巴伦电感(L₁)的第一端连接至所述第一差分输入输出端(P)，第一巴伦电感(L₁)的第二端和第二巴伦电感(L₂)的第一端连接至第二差分输入输出端(N)，第二巴伦电感(L₂)的第二端和第一巴伦电容(C₁)的第二端连接至单端输入输出端(ANT)；

其中，所述第一差分输入输出端(P)和第二差分输入输出端(N)连接至差分型功率放大器的输出端，所述第一扼流电感(L_choke)作为差分型功率放大器的扼流电感，所述第一分路电容(C_shunt)作为差分型功率放大器的并联电容。

2.根据权利要求1所述的双工复用巴伦天线，其中：

在RX模式下，所述双工复用巴伦天线将从所述单端输入输出端(ANT)接收的单端信号转换为差分信号，分别传输所述第一差分输入输出端(P)和第二差分输入输出端(N)；或

在TX模式下，所述双工复用巴伦天线充当差分型功率放大器的负载，同时把从所述第一差分输入输出端(P)和第二差分输入输出端(N)输入的差分信号转换为单端信号传输到所述单端输入输出端(ANT)。

3.根据权利要求2所述的双工复用巴伦天线，在RX模式下：

所述单端输入输出端(ANT)连接至单端天线；

所述第一差分输入输出端(P)和第二差分输入输出端(N)分别连接至差分型低噪声放大器的两输入端；

所述电源电压接口(vddTX)处于高阻态，没有电压值。

4.根据权利要求3所述的双工复用巴伦天线，其中，所述单端天线的阻抗值为50Ω。

5.根据权利要求4所述的双工复用巴伦天线，其中，所述第一巴伦电容(C₁)的电容值C₁、第二巴伦电容(C₂)的电容值C₂、第一巴伦电感(L₁)的电感值L₁和第二巴伦电感(L₂)的电感值L₂由下列公式确定：

$L_2=\frac{\sqrt{50*R_{\ln a}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}}$      公式一

$C_1=\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}}^2{L}_2}$     公式二

C₂＝2*C₁          公式三

$L_{\ln a}=\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}}^2{C}_{\ln a}}$     公式四

L_M＝2*L₂    公式五

$L_1=\frac{L_{\ln a}{L}_M}{L_{\ln a}+L_M}$     公式六

其中，R_lna和C_lna为差分型低噪声放大器的等效电阻(R_lna)的电阻值和等效电容(C_lna)的电容值，ω_RF为所述双工复用巴伦天线的工作频率，L_lna和LM为第一巴伦电感(L₁)等效的并联两部分，其中L_lna和差分型低噪声放大器等效电容(C_lna)谐振在工作频率，L_lna和L_M为L_lna和LM对应的电感值。

6.根据权利要求2所述的双工复用巴伦天线，在TX模式下：

所述第一差分输入输出端(P)和第二差分输入输出端(N)共同连接至差分型功率放大器的输出端；

所述单端输入输出端(ANT)连接至单端天线；

所述电源电压接口(vddTX)连接电源电压。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的双工复用巴伦天线，其中，所述差分型功率放大器为E类功率放大器。