CN103957024B - 射频收发开关及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种射频收发开关，由三线圈变压器、发射匹配网络、接收匹配网络所组成。所述三线圈变压器由发射线圈、天线线圈和接收线圈组成；天线线圈的一端接天线，另一端接地；或者发射线圈与天线线圈相互耦合，或者天线线圈与接收线圈相互耦合。所述发射匹配网络连接发射电路末级器件和发射线圈。所述接收匹配网络连接接收线圈和接收电路首级器件。本申请还公开了一种射频收发开关的工作方法。本申请射频收发开关全部由标准CMOS工艺可以制造的无源器件的组合来实现，从而具有兼容性好、易于集成、性能优良的特点。

Description

射频收发开关及其工作方法

技术领域

本申请涉及一种射频无线通信终端中的射频收发开关。

背景技术

在各种无线通信装置中，与天线直接相连的就是射频前端（RF front end）电路。一种观点认为，射频前端电路位于天线和中频（或基带）电路之间，通常包括滤波器、功率放大器、本振、混频器等器件。另一种观点认为，射频前端电路位于天线和变频电路之间，通常包括滤波器、功率放大器等器件；本振、混频器等属于变频电路。

GSM、TD-SCDMA、WIFI、蓝牙等都属于分时收发的无线通信技术，即数据有收发的双向传输、并且数据收发不是同时进行的。在这种分时收发的无线通信装置中，其射频前端电路必然包含负责接收通道和发射通道之间的相互转换的射频收发开关（RF T/R Switch）。

目前，无线通信装置中的主要器件已经可以集成到一块主芯片中。该主芯片采用标准CMOS工艺（standard CMOS technology）制造。在无线通信装置中通常还有一块印刷电路板（PCB板）作为主板，用于安装该主芯片。

对于分时收发的无线通信装置而言，由于标准CMOS工艺不是制造射频收发开关的理想选择，因此通常采用CMOS SOI工艺（CMOS SOI technology）制造一块单独的开关芯片，其上主要有射频收发开关，还可集成有射频前端电路的其他器件例如功率放大器。通过在主板上同时安装主芯片和开关芯片两种采用不同工艺制造的芯片，才能实现分时收发的无线通信装置的基本功能。额外增加的开关芯片会增加系统的复杂度，占用主板的空间，并且增加了成本。

2011年11月出版的《科学技术与工程》刊登有《一种高线性度的射频收发开关的设计》一文，其公开了一种基于锗硅CMOS工艺设计的射频收发开关。这种射频收发开关显然无法集成到采用标准CMOS工艺制造的主芯片中。

2013年4月出版的《电路与系统学报》刊登有《一种高隔离度低损耗CMOS射频收发开关设计方法》一文，其公开了一种基于CMOS工艺设计的射频收发开关。这种射频收发开关采用标准CMOS工艺以各种有源器件的组合来实现，在诸如线性度、插入损耗、噪声等关键指标上无法满足分时收发的无线通信装置的实际要求，因而无法投入商用。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种采用标准CMOS工艺进行电路设计的射频收发开关，并且在诸如线性度、插入损耗、噪声等关键指标上达到商用标准，从而可以方便地集成到主芯片或其封装电路中并去除单独的开关芯片。

为解决上述技术问题，本申请射频收发开关由三线圈变压器、发射匹配网络、接收匹配网络所组成；

所述三线圈变压器由发射线圈、天线线圈和接收线圈组成；天线线圈的一端接天线，另一端接地；或者发射线圈与天线线圈相互耦合，或者天线线圈与接收线圈相互耦合；

所述发射匹配网络连接发射电路末级器件和发射线圈；

所述接收匹配网络连接接收线圈和接收电路首级器件。

本申请射频收发开关的工作方法，包括发射模式和接收模式：

在发射模式下，调整发射匹配网络中的元件值实现阻抗匹配，即使得发射电路末级器件的输出阻抗匹配到天线的阻抗；同时调整接收匹配网络中的元件值使接收线圈的两端为高阻态；

在接收模式下，调整接收匹配网络中的元件值实现阻抗匹配，即使得接收电路首级器件的输入阻抗匹配到天线的阻抗；同时调整发射匹配网络中的元件值使发射线圈的两端为高阻态。

本申请射频收发开关全部由标准CMOS工艺可以制造的无源器件的组合来实现，从而具有兼容性好、易于集成、性能优良的特点。

附图说明

图1a、图1b是以变压器来替代开关的闭合状态、断开状态的原理示意图；

图2是本申请射频收发开关的原理示意图；

图3是本申请射频收发开关的第一实施例的示意图；

图4是本申请射频收发开关的第二实施例的示意图；

图5是可调电容的一种具体实现电路。

图中附图标记说明：

10为变压器；20为开关；30为三线圈变压器；40为发射匹配网络；50为接收匹配网络；60为发射电路末级器件；61为功率放大器；70为接收电路首级器件；71为低噪声放大器；A为天线；L1为初级线圈；L2为次级线圈；L3为发射线圈；L4为天线线圈；L5为接收线圈；L6～L11为电感；C1～C6为可调电容；K1～K2为开关；Z为负载。

具体实施方式

请参阅图1a，初级线圈L1和次级线圈L2相互耦合构成了变压器10，次级线圈L2的两端连接负载Z，电信号通过电磁场的耦合从初级线圈L1传递到次级线圈L2。通过适当调整负载Z（即调整次级线圈L2的输出阻抗Z），可以使初级线圈L1的能量最大限度地传递到次级线圈L2，此时的变压器10相当于一个闭合的开关20。

请参阅图1b，通过使次级线圈L2的两端开路，那么次级线圈L2虽然会产生感生电压但是无法产生感生电流，此时初级线圈L1的功率就没有传递到次级线圈L2，此时的变压器10相当于一个断开的开关20。

在标准CMOS工艺中，变压器是比较易于制造的，因此可以采用一种新型的变压器作为射频收发开关的一种替代器件，从而集成到标准CMOS工艺中。

请参阅图2，本申请射频收发开关由三线圈变压器30、发射匹配网络40、接收匹配网络50所组成。所述三线圈变压器30由发射线圈L3、天线线圈L4和接收线圈L5所组成。其中天线线圈L4的一端连接天线A，另一端接地。在任意时刻，或者发射线圈L3与天线线圈L4相互耦合，或者天线线圈L4与接收线圈L5相互耦合。所述发射匹配网络40连接发射电路末级器件60的两个输出端和发射线圈L3的两端。所述接收匹配网络50连接接收线圈L5的两端和接收电路首级器件70的两个输入端。

本申请射频收发开关的工作方法为：在任意时刻，天线A或者发射信号、或者接收信号，或者不工作。

在天线A发射信号时（称为发射模式），调整发射匹配网络40中的元件值实现阻抗匹配，即使得发射电路末级器件60的输出阻抗匹配到天线A的阻抗，从而使发射电路末级器件60的输出端的发射信号（如实线所示）尽可能多地通过发射线圈L3耦合到天线线圈L4，再通过天线A发射出去。此时，还调整接收匹配网络50中的元件值，使接收线圈L5的两端为高阻态，从而使天线线圈L4的发射信号尽可能少地耦合到接收线圈L5，减少对发射信号的影响，实现发射模式下的收发隔离。

在天线A接收信号时（称为接收模式），天线A将接收信号（如虚线所示）接收进来，调整接收匹配网络50中的元件值实现阻抗匹配，即使得接收电路首级器件70的输入阻抗匹配到天线A的阻抗，从而使天线线圈L4的接收信号尽可能多地通过接收线圈L5耦合并传递到接收电路首级器件70的输入端。此时，还调整发射匹配网络40中的元件值，使发射线圈L3的两端为高阻态，从而使天线线圈L4的接收信号尽可能少地耦合到发射线圈L3，减少对接收信号的影响，实现接收模式下的收发隔离。

在天线A不工作时，发射匹配网络40中的元件值、接收匹配网络50中的元件值可以任意设置。

请参阅图3，这是本申请射频收发开关的第一实施例。其中，发射匹配网络40是与发射线圈L3并联的第一可调电容C1，发射线圈L3的两端分别连接发射电路末级器件60的两个输出端。接收匹配网络50由第六电感L6、第七电感L7和第二可调电容C2组成；第六电感L6的第一端、第七电感L7的第一端分别连接接收线圈L5的两端；第六电感L6的第二端、第七电感L7的第二端分别连接接收电路首级器件70的两个输入端；第六电感L6的第二端和第七电感L7的第二端之间由第二可调电容C2相连。发射电路末级器件60为功率放大器（PA）61，并且该功率放大器61的输出阻抗可以被设为高阻态。接收电路首级器件70为低噪声放大器（LNA）71，并且该低噪声放大器71的输入阻抗可以被设为高阻态。所述各个可调电容C1、C2均可在不同电容值和开路状态之间进行调整。

图3所示的射频收发开关的第一实施例的工作方法为：

在发射模式下，调整第一可调电容C1以使第一可调电容C1与发射线圈L3组成的谐振电路的谐振频率等于发射信号频率。此时功率放大器61的输出阻抗匹配到天线A的阻抗，发射线圈L3传递到天线线圈L4的功率达到最大值，发射线圈L3和天线线圈L4之间等效于闭合的开关。还调整第二可调电容C2使其开路，同时将低噪声放大器71的输入阻抗设为高阻态。此时接收线圈L5的两端开路，天线线圈L4和接收线圈L5之间等效于断开的开关。

在接收模式下，调整第二可调电容C2以使接收匹配网络50将低噪声放大器71的输入阻抗匹配到天线A的阻抗。此时天线线圈L4传递到接收线圈L5的功率达到最大值，天线线圈L4和接收线圈L5之间等效于闭合的开关。还调整第一可调电容C1使其开路，同时将功率放大器61的输出阻抗设为高阻态。此时发射线圈L3的两端开路，天线线圈L4和发射线圈L3之间等效于断开的开关。

在第一实施例中，要求发射电路末级器件的输出阻抗可以被设为高阻态，还要求接收电路首级器件的输入阻抗可以被设为高阻态。如果满足这两个条件，则发射匹配网络、接收匹配网络都可以为简单的电路形式。然而即使不满足这两个条件，本申请也可以重新设计发射匹配网络、接收匹配网络的电路形式，如第二实施例所示。

请参阅图4，这是本申请射频收发开关的第二实施例。其中，发射匹配网络40由第三可调电容C3、第四可调电容C4、第八电感L8、第九电感L9和第一开关K1所组成。第八电感L8的第一端、第九电感L9的第一端分别连接发射电路末级器件60的两个输出端。第八电感L8的第二端、第九电感L9的第二端分别连接发射线圈L3的两端。第八电感L8的第一端和第九电感L9的第一端之间连接有第一开关K1和第三可调电容C3。第八电感L8的第二端和第九电感L9的第二端之间连接有第四可调电容C4。接收匹配网络50由第五可调电容C5、第六可调电容C6、第十电感L10、第十一电感L11和第二开关K2所组成。第十电感L10的第一端、第十一电感L11的第一端分别连接接收线圈L5的两端。第十电感L10的第二端、第十一电感L11的第二端分别连接接收电路首级器件70的两个输入端。第十电感L10的第一端和第十一电感L11的第一端之间连接有第五可调电容C5。第十电感L10的第二端和第十一电感L11的第二端之间连接有第六可调电容C6和第二开关K2。发射电路末级器件60为功率放大器61，该功率放大器61的输出阻抗可以不具有高阻态。接收电路首级器件70为低噪声放大器71，该低噪声放大器71的输入阻抗可以不具有高阻态。所述各个可调电容C3～C6均可在不同电容值和开路状态之间进行调整。

图4所示的射频收发开关的第二实施例的工作方法为：

在发射模式下，将第一开关K1断开，同时调整第三可调电容C3、第四可调电容C4以使发射匹配网络40将功率放大器61的输出阻抗匹配到天线A的阻抗。此时发射线圈L3传递到天线线圈L4的功率达到最大值，发射线圈L3和天线线圈L4之间等效于闭合的开关。还将第二开关K2闭合，同时调整第五可调电容C5以使第五可调电容C5和第十电感L10、第十一电感L11所组成的谐振电路的谐振频率等于发射信号频率。此时，接收匹配网络50中，第六可调电容C6被第二开关K2短路掉而不起作用，第十电感L10和第十一电感L11通过第二开关K2串联相当于一个电感，该串联电感与第五可调电容C5的并联谐振呈现高阻态，接收线圈L5的两端开路，天线线圈L4和接收线圈L5之间等效于断开的开关。

在接收模式下，将第二开关K2断开，同时调整第五可调电容C5、第六可调电容C6以使接收匹配网络50将低噪声放大器71的输入阻抗匹配到天线A的阻抗。此时天线线圈L4传递到接收线圈L5的功率达到最大值，天线线圈L4和接收线圈L5之间等效于闭合的开关。还将第一开关K1闭合，同时调整第四可调电容C4以使第四可调电容C4和第八电感L8、第九电感L9所组成的谐振电路的谐振频率等于接收信号频率。此时，发射匹配网络40中，第三可调电容C3被第一开关K1短路掉而不起作用，第八电感L8和第九电感L9通过第一开关K1串联相当于一个电感，该串联电感与第四可调电容C4的并联谐振呈现高阻态，发射线圈L3的两端开路，天线线圈L4和发射线圈L3之间等效于断开的开关。

上述两个实施例中的可调电容，均可用图5所示的电路加以替换。图5显示了多条并联支路，每条并联支路上为串联的一个开关和一个固定值的电容。如果所有并联支路上的开关都断开，就相当于可调电容为开路；通过闭合部分或全部的并联支路上的开关，就可以得到不同的电容值，相当于调整可调电容的电容值。

标准CMOS工艺中的晶体管开关由于性能问题无法直接当作射频收发开关使用，但是用在图3～图5所示的发射匹配网络和接收匹配网络中是没有问题的，因为这些开关都不在发射或者接收的射频信号的直接通路上因而可以满足性能要求。

上述两个实施例中，变压器、电感、电容和开关元件都可以采用标准CMOS工艺制造，因而可以集成到分时收发的无线通信装置的主芯片或其封装电路中，而省略单独的开关芯片。相应地，分时收发的无线通信装置的主板仅用于安装主芯片，因而可以大大减小体积、降低系统的复杂度、减少成本。

本申请的射频收发开关采用标准CMOS工艺以各种无源器件的组合来实现，从而在诸如线性度、插入损耗、噪声等关键指标上大大优于以各种有源器件的组合来实现的电路形式，可以满足分时收发的无线通信装置的实际要求并真正投入商业使用。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种射频收发开关，其特征是，由三线圈变压器、发射匹配网络、接收匹配网络所组成；

所述三线圈变压器由发射线圈、天线线圈和接收线圈组成；天线线圈的一端接天线，另一端接地；发射线圈与天线线圈相互耦合，或者天线线圈与接收线圈相互耦合；

所述发射匹配网络连接发射电路末级器件和发射线圈；

所述接收匹配网络连接接收线圈和接收电路首级器件；

在发射模式下，调整发射匹配网络中的元件值实现阻抗匹配，即使得发射电路末级器件的输出阻抗匹配到天线的阻抗；同时调整接收匹配网络中的元件值使接收线圈的两端为高阻态；

在接收模式下，调整接收匹配网络中的元件值实现阻抗匹配，即使得接收电路首级器件的输入阻抗匹配到天线的阻抗；同时调整发射匹配网络中的元件值使发射线圈的两端为高阻态；

(一)所述发射匹配网络是与发射线圈并联的第一可调电容，发射线圈的两端分别连接发射电路末级器件的两个输出端；

所述接收匹配网络由第六电感、第七电感和第二可调电容组成；第六电感的第一端、第七电感的第一端分别连接接收线圈的两端；第六电感的第二端、第七电感的第二端分别连接接收电路首级器件的两个输入端；第六电感的第二端和第七电感的第二端之间由第二可调电容相连；

所述发射电路末级器件为功率放大器，且其输出阻抗具有高阻态；

所述接收电路首级器件为低噪声放大器，且其输入阻抗具有高阻态；

所述可调电容均具有开路状态；

在发射模式下，调整第一可调电容以使第一可调电容与发射线圈组成的谐振电路的谐振频率等于发射信号频率，此时功率放大器的输出阻抗匹配到天线的阻抗；还调整第二可调电容使其开路，同时将低噪声放大器的输入阻抗设为高阻态，此时接收线圈的两端开路；

在接收模式下，调整第二可调电容以使接收匹配网络将低噪声放大器的输入阻抗匹配到天线的阻抗；还调整第一可调电容使其开路，同时将功率放大器的输出阻抗设为高阻态，此时发射线圈的两端开路；

或者，

(二)所述发射匹配网络由第三可调电容、第四可调电容、第八电感、第九电感和第一开关所组成；第八电感的第一端、第九电感的第一端分别连接发射电路末级器件的两个输出端；第八电感的第二端、第九电感的第二端分别连接发射线圈的两端；发射电路末级器件的两个输出端之间并联连接有第一开关和第三可调电容；发射线圈的两端之间连接有第四可调电容；

所述接收匹配网络由第五可调电容、第六可调电容、第十电感、第十一电感和第二开关所组成；第十电感的第一端、第十一电感的第一端分别连接接收线圈的两端；第十电感的第二端、第十一电感的第二端分别连接接收电路首级器件的两个输入端；接收线圈的两端之间连接有第五可调电容；接收电路首级器件的两个输入端之间并联连接有第六可调电容和第二开关；

所述发射电路末级器件为功率放大器；

所述接收电路首级器件为低噪声放大器；

所述可调电容均具有开路状态；

在发射模式下，将第一开关断开，同时调整第三可调电容、第四可调电容以使发射匹配网络将功率放大器的输出阻抗匹配到天线的阻抗；还将第二开关闭合，同时调整第五可调电容以使第五可调电容和第十电感、第十一电感所组成的谐振电路的谐振频率等于发射信号频率，此时接收匹配网络的并联谐振呈现高阻态，接收线圈的两端开路；

在接收模式下，将第二开关断开，同时调整第五可调电容、第六可调电容以使接收匹配网络将低噪声放大器的输入阻抗匹配到天线的阻抗；还将第一开关闭合，同时调整第四可调电容以使第四可调电容和第八电感、第九电感所组成的谐振电路的谐振频率等于接收信号频率，此时发射匹配网络的并联谐振呈现高阻态，发射线圈的两端开路。

2.根据权利要求1所述的射频收发开关，其特征是：所述可调电容替换为多条并联支路，每条并联支路上为串联的一个开关和一个固定值的电容；当所有并联支路上的开关都断开，就相当于可调电容为开路；通过闭合部分或全部的并联支路上的开关，得到不同的电容值，相当于调整可调电容的电容值。

3.根据权利要求1所述的射频收发开关，其特征是：

在发射模式下，发射线圈和天线线圈之间等效于闭合的开关，天线线圈和接收线圈之间等效于断开的开关；

在接收模式下，天线线圈和接收线圈之间等效于闭合的开关，天线线圈和发射线圈之间等效于断开的开关。