CN104079317B - 无线双工收发器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线双工收发器，其包括片上变压器、接收器和发射器。片上变压器包括初级线圈和次级线圈，初级线圈包括第一初级终端、第二初级终端以及连接于第一初级终端和第二初级终端之间的初级线路；次级线圈包括第一次级终端、第二次级终端以及连接于第一次级终端和第二次级终端之间的次级线路，次级线圈还包括位于次级线路上的第一次级抽头和第二次级抽头，第一初级终端与天线相连，第二初级终端与地节点相连，第一次级终端和第二次级终端与接收器的输入端相连；第一次级抽头和第二次级抽头与发射器的输出端相连。与现有技术相比，本发明可以实现发射前端与接收前端性能的各自优化，且不会增加额外的成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种无线双工收发器。
【背景技术】
单片集成电路无线收发器通常会集成接收与发射两个射频线前端，通过片上或者片外switch(开关)实现双工工作。此外，射频集成电路通常采用差分结构，而天线一般为单端，无线系统通常会使用片外balun(巴伦，平衡-不平衡变压器)实现差分/单端的转换。无论是片外switch还是balun，都会增加系统设计复杂度，提高成本。
现有技术中，还可以采用片上变压器(transformer)实现接收前端与发射前端的切换，同时起到balun差分与单端的转换作用。但是，由于发射电路与接收电路工作方式的不同，导致发射电路与接收电路对片上变压器的指标要求也会有所不同，使得普通片上变压器难以同时做到发射前端与接收前端性能最优，这大大限制了变压器型射频前端的性能。
因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种无线双工收发器，其可以实现发射前端与接收前端性能的各自优化，且不会增加额外的成本。
为了解决上述问题，本发明提供一种无线双工收发器，其包括片上变压器、接收器和发射器。所述片上变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈包括第一初级终端、第二初级终端以及连接于第一初级终端和第二初级终端之间的初级线路，所述初级线路绕成多匝线圈；所述次级线圈包括第一次级终端、第二次级终端以及连接于第一次级终端和第二次级终端之间的次级线路，所述次级线路绕成多匝线圈，所述次级线圈还包括位于所述次级线路上的第一次级抽头和第二次级抽头，所述第一次级抽头和第二次级抽头之间连接有部分所述次级线路，所述第一初级终端与天线相连，第二初级终端与地节点相连，所述第一次级终端和第二次级终端与接收器的输入端相连；所述次级线圈的第一次级抽头和第二次级抽头与发射器的输出端相连。
进一步的，所述接收器包括第一可调增益放大器，所述第一次级终端和第二次级终端与所述第一可调增益放大器的输入端相连；所述发射器包括第二可调增益放大器，所述第一次级抽头和第二次级抽头与第二可调增益放大器的输出端相连。
进一步的，所述片上变压器还包括一晶圆基底，所述初级线圈和次级线圈生成于该晶圆基底上，所述初级线路在所述晶圆基底上形成沿一对称轴成轴对称图形的第一共面螺旋结构，所述次级线路在所述晶圆基底上形成沿所述对称轴成轴对称图形的第二共面螺旋结构，第一共面螺旋结构和第二共面螺旋结构的中心重叠，第一共面螺旋结构和第二共面螺旋结构共同形成一个共面螺旋结构体。
进一步的，第一次级终端、第二次级终端、第一次级抽头和第二次级抽头位于所述共面螺旋结构体的一侧，第一初级终端、第二初级终端位于所述绕线结构体的另一侧。
进一步的，所述第一次级抽头与第一次级终端或第二次级终端为同一个连接端。
进一步的，所述第二次级抽头与第一次级终端或第二次级终端为同一个连接端。
进一步的，所述接收器还包括第一混频器、第二混频器、第一频率选择滤波器、第二频率选择滤波器、第一模数转换器、第二模数转换器，第一混频器将第一本地时钟与第一可调增益放大器输出的射频信号混频得到I信号，第二混频器将第二本地时钟与经过增益放大的射频信号混频得到Q信号，其中第一本地时钟与第二本地时钟的相位相差90度，第一频率选择滤波器用于对混频得到的I信号进行低通滤波，第二频率选择滤波器用于对混频得到的Q信号进行低通滤波，第一模数转换器对第一频率选择滤波器输出的信号进行模数转换，第二模数转换器对第二频率选择滤波器输出的信号进行模数转换。
进一步的，所述发射器还包括第一数模转换器、第二数模转换器、第三频率选择滤波器、第四频率选择滤波器、第一调制器和第二调制器，第一数模转换器对第一输入信号进行数模转换，第二数模转换器对第二输入信号进行数模转换，第三频率选择滤波器对第一数模转换器输出的信号进行低通滤波，第四频率选择滤波器对第二数模转换器输出的信号进行低通滤波，第一调制器基于第三本地时钟与第三频率选择滤波器输出的信号得到第一调制信号并将其输出给第二可调增益放大器，第二调制器基于第四本地时钟与第四频率选择滤波器输出的信号得到第二调制信号并将其输出给第二可调增益放大器，其中，第三本地时钟与第四本地时钟的相位相差90度。
与现有技术相比，本发明通过在片上变压器的次级线圈增加一对中间抽头，并将该对中间抽头与发射器的输出端相连，将次级线圈的一对终端与接收器的输入端相连，从而实现发射前端与接收前端性能的各自优化，且不会增加额外的成本。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在一个实施例中的无线双工收发器的电路示意图；
图2为本发明在一个实施例中的片上变压器的结构示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。文中的连接、相接、串联等词可以理解为间接或者直接的连接相接、串联。
请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的无线双工收发器的电路示意图。所述无线双工收发器包括片上变压器110、接收器120和发射器130。
所述片上变压器110包括初级线圈112和次级线圈114。所述初级线圈112包括第一初级终端A、第二初级终端B以及连接于第一初级终端A和第二初级终端B之间的初级线路，所述初级线路绕成多匝线圈。所述次级线圈114包括第一次级终端C、第二次级终端D以及连接于第一次级终端C和第二次级终端D之间的次级线路，所述次级线路绕成多匝线圈。所述次级线圈112还包括位于所述次级线路上的第一次级抽头E和第二次级抽头F，所述第一次级抽头E和第二次级抽头F之间连接有部分所述次级线路。
请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的片上变压器的结构示意图。该片上变压器的初级线圈和次级线圈生成于同一晶圆基底之上，所述初级线路在所述晶圆基底上形成以X轴为对称轴图形的第一共面螺旋结构，所述次级线路在所述晶圆基底上形成以X轴为对称轴图形的第二共面螺旋结构，第一共面螺旋结构和第二共面螺旋结构的中心重叠。第一共面螺旋结构和第二共面螺旋结构共同形成一个共面螺旋结构体。第一次级终端C、第二次级终端D、第一次级抽头E和第二次级抽头F位于共面螺旋结构体的一侧，第一初级终端A、第二初级终端B位于共面螺旋结构体的另一侧。如此，在晶圆基底上布置初级线圈112和次级线圈114可减小布局(Layout)面积，节省芯片空间。优选的，第一共面螺旋结构中的线圈和第二共面螺旋结构中的线圈相互间隔排布，这样可以进一步的减少布局面积。
请继续参考图1所示，所述初级线圈112的第一初级终端A与天线Ant相连、第二初级终端B与地节点GND相连，所述天线Ant用于接收或发射射频信号。所述次级线圈114的第一次级终端C和第二次级终端D与接收器120的输入端相连。具体的，所述次级线圈114的第一次级终端C和第二次级终端D与接收器120中的第一可调增益放大器122的输入端相连。所述次级线圈114的第一次级抽头E和第二次级抽头F与发射器130的输出端相连。具体的，所述次级线圈114的第一次级抽头E和第二次级抽头F与发射器130中的第二可调增益放大器132的输出端相连。当接收器120工作时，发射器130关闭；当发射器130工作时，接收器120关闭，两者互不影响，整个射频前端只需要一个射频端口，从而实现双工。同时，当片上变压器110的初级线圈112的一端接地后，变压器又起到了balun的作用。
如图1所示，除了第一可调增益放大器122，所述接收器120还包括第一混频器124、第二混频器126、第一频率选择滤波器RxFilter1、第二频率选择滤波器RxFilter2、第一模数转换器ADC1、第二模数转换器ADC2。第一混频器124将第一本地时钟LO_I与第一可调增益放大器122输出的射频信号混频得到I信号，第二混频器126将第二本地时钟LO_Q与经过第一可调增益放大器122输出的射频信号混频得到Q信号，其中第一本地时钟LO_I与第二本地时钟LO_Q的相位相差90度，第一频率选择滤波器RxFilter1用于对混频得到的I信号进行低通滤波，第二频率选择滤波器RxFilter2用于对混频得到的Q信号进行低通滤波，第一模数转换器ADC1对第一频率选择滤波器RxFilter1输出的信号进行模数转换，第二模数转换器ADC2对第二频率选择滤波器RxFilter2输出的信号进行模数转换。
如图1所示，除了第二可调增益放大器132，所述发射器130还包括第一数模转换器DAC1、第二数模转换器DAC2、第三频率选择滤波器TXLPF1、第四频率选择滤波器TXLPF2、第一调制器134和第二调制器136。第一数模转换器DAC1对第一输入信号TXI进行数模转换，第二数模转换器DAC2对第二输入信号TXQ进行数模转换，第三频率选择滤波器TXLPF1对第一数模转换器DAC1输出的信号进行低通滤波，第四频率选择滤波器TXLPF2对第二数模转换器DAC2输出的信号进行低通滤波，第一调制器134基于第三本地时钟LO_I与第三频率选择滤波器TXLPF1输出的信号得到第一调制信号并将其输出给第二可调增益放大器132，第二调制器136基于第四本地时钟LO_Q与第四频率选择滤波器TXLPF2输出的信号得到第二调制信号并将其输出给第二可调增益放大器132，其中第三本地时钟LO_I与第四本地时钟LO_Q的相位相差90度。
为了便于理解本发明，以下结合图1具体介绍本发明的设计原理。
其中，片上变压器110由互相耦合的初级线圈112和次级线圈114组成，两个线圈之间通过磁耦合产生能量的交换。次级线圈与初级线圈的匝数比是标称变压器的重要参数，不同的匝数比产生不同的电压增益和阻抗变换比。由于无线芯片中的接收器120和发射器130的工作方式不同，导致接收器120和发射器130对与其相连的片上变压器的匝数比有着不同的要求，接收器130通常需要较大的匝数比以实现更大的前端增益，以提高接收端的灵敏度；发射器140需要较小的匝数比以实现较小的阻抗变换比，以提高发射端的性能。
本发明中，在片上变压器110的次级线圈114中增加了一对中间抽头，即第一次级抽头E和第二次级抽头F，并将所述次级线圈114的第一次级抽头E和第二次级抽头F与发射器130的输出端相连，将所述次级线圈114的第一次级终端C和第二次级终端D与接收器120的输入端相连。这样，与发射器130对应的等效变压器的匝数比(其等于所述次级线圈114的第一次级抽头E和第二次级抽头F之间的线圈匝数与初级线圈114的线圈匝数之比)将小于接收器120对应的等效变压器的匝数比(其等于所述次级线圈114的线圈匝数与初级线圈114的线圈匝数之比)。由此，接收器120就可以通过匝数比较大的等效变压器实现更大的前端增益，以提高接收端的灵敏度；同时发射器130也可以通过匝数比较小的等效变压器实现较小的阻抗变换比，以提高发射端的输出线性度，从而实现发射前端与接收前端性能的各自优化，且不会增加额外的成本。
需要特别说明的是，所述第一次级抽头E可以与第一次级终端C或第二次级终端D为同一个连接端。例如，所述第一次级抽头E与第一次级终端C为同一个连接端，即所述第二次级线圈114实际只有第一次级终端C、第二次级终端D和位于次级线路中的第二次级抽头F。这样，所述次级线圈114的第一次级终端C(其可视为第一次级抽头E)和第二次级抽头F与发射器130的输出端相连，从而在实现与图1中的片上变压器相同功能的前提下，可在所述第二次级线圈114上减少一个次级抽头的设置。同理，所述第二次级抽头F也可以与第一次级终端C或第二次级终端D为同一个连接端。
综上所述，本发明采用片上变压器实现接收前端与发射前端的切换，以及差分/单端转换功能，可以简化电路板级设计的复杂度，降低成本，并且在片上变压器110的次级线圈114中增加了第一次级抽头E和第二次级抽头F，并将所述次级线圈114的第一次级抽头E和第二次级抽头F与发射器130的输出端相连，这样可兼顾接收器灵敏度和发射器线性度的双重要求，从而实现发射前端与接收前端性能的各自优化，且不会增加额外的成本。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (3)
1.一种无线双工收发器，其特征在于，其包括片上变压器、接收器和发射器，
所述片上变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈包括第一初级终端、第二初级终端以及连接于第一初级终端和第二初级终端之间的初级线路，所述初级线路绕成多匝线圈；所述次级线圈包括第一次级终端、第二次级终端以及连接于第一次级终端和第二次级终端之间的次级线路，所述次级线路绕成多匝线圈，所述次级线圈还包括位于所述次级线路上的第一次级抽头和第二次级抽头，所述第一次级抽头和第二次级抽头之间连接有部分所述次级线路，
所述第一初级终端与天线相连，第二初级终端与地节点相连，所述第一次级终端和第二次级终端与接收器的输入端相连；所述次级线圈的第一次级抽头和第二次级抽头与发射器的输出端相连，
所述第一次级抽头与第一次级终端或第二次级终端为同一个连接端，
所述接收器包括第一可调增益放大器，所述第一次级终端和第二次级终端与所述第一可调增益放大器的输入端相连；
所述发射器包括第二可调增益放大器，所述第一次级抽头和第二次级抽头与第二可调增益放大器的输出端相连，
所述接收器还包括第一混频器、第二混频器、第一频率选择滤波器、第二频率选择滤波器、第一模数转换器、第二模数转换器，
第一混频器将第一本地时钟与第一可调增益放大器输出的射频信号混频得到I信号，第二混频器将第二本地时钟与经过增益放大的射频信号混频得到Q信号，其中第一本地时钟与第二本地时钟的相位相差90度，第一频率选择滤波器用于对混频得到的I信号进行低通滤波，第二频率选择滤波器用于对混频得到的Q信号进行低通滤波，
第一模数转换器对第一频率选择滤波器输出的信号进行模数转换，
第二模数转换器对第二频率选择滤波器输出的信号进行模数转换，
所述发射器还包括第一数模转换器、第二数模转换器、第三频率选择滤波器、第四频率选择滤波器、第一调制器和第二调制器，
第一数模转换器对第一输入信号进行数模转换，
第二数模转换器对第二输入信号进行数模转换，
第三频率选择滤波器对第一数模转换器输出的信号进行低通滤波，
第四频率选择滤波器对第二数模转换器输出的信号进行低通滤波，
第一调制器基于第三本地时钟与第三频率选择滤波器输出的信号得到第一调制信号并将其输出给第二可调增益放大器，第二调制器基于第四本地时钟与第四频率选择滤波器输出的信号得到第二调制信号并将其输出给第二可调增益放大器，其中，第三本地时钟与第四本地时钟的相位相差90度。
2.根据权利要求1所述的无线双工收发器，其特征在于，
所述片上变压器还包括一晶圆基底，所述初级线圈和次级线圈生成于该晶圆基底上，
所述初级线路在所述晶圆基底上形成沿一对称轴成轴对称图形的第一共面螺旋结构，所述次级线路在所述晶圆基底上形成沿所述对称轴成轴对称图形的第二共面螺旋结构，第一共面螺旋结构和第二共面螺旋结构的中心重叠，第一共面螺旋结构和第二共面螺旋结构共同形成一个共面螺旋结构体。
3.根据权利要求2所述的无线双工收发器，其特征在于，
第一次级终端、第二次级终端、第一次级抽头和第二次级抽头位于所述共面螺旋结构体的一侧，第一初级终端、第二初级终端位于所述共面螺旋结构体的另一侧。
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