CN107017913A - 一种射频收发电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种射频收发电路。该电路包括：射频发射电路，所述射频发射电路的输出端与天线电连接，射频接收电路，所述射频接收电路的第一输入端通过所述第一开关模块接地，π型匹配网络，所述射频接收电路的第一输入端通过所述π型匹配网络与所述天线电连接。所述第一开关模块用于在所述射频发射电路工作时导通，在所述射频接收电路工作时关断。本发明实施例提供的技术方案，在有效隔离射频接收电路和射频发射电路的基础上，降低了射频收发电路的功耗和成本，优化了射频收发电路的性能。

Description

一种射频收发电路

技术领域

本发明实施例涉及通信技术，尤其涉及一种射频收发电路。

背景技术

在射频电路系统中，为使射频接收机和射频发射机正常工作，单天线射频收发机在射频接收机和射频发射机之间需要设置收发隔离器件。

如图1A所示，图1A是现有技术中的一种射频收发电路的电路图。该射频收发电路包括射频发射机11、射频接收机12、天线13和环形器14。射频发射机11和射频接收机12之间采用环形器14进行隔离，然而环形器的价格昂贵，使用环形器大幅增加了成本。图1B是现有技术中的一种开关选择电路，对于图1A所示的射频收发电路，也可在射频发射机11和射频接收机12之间设置图1B所示的开关选择电路，使用开关选择电路替换环形器14，其中，开关选择电路的ANT端与天线13电连接，RX端与射频接收机12电连接，TX端与射频发射机11电连接。而开关选择电路在信号通路上会引入额外的损耗，造成产品应用时性能低于其原本的设计规格。

发明内容

本发明提供一种射频收发电路，以在有效隔离射频接收电路和射频发射电路基础上，降低射频收发电路的损耗和成本，优化射频收发电路的性能。

本发明实施例提供了一种射频收发电路，该电路包括：

射频发射电路，所述射频发射电路的输出端与天线电连接；

射频接收电路，所述射频接收电路的第一输入端通过所述第一开关模块接地；

π型匹配网络，所述射频接收电路的第一输入端通过所述π型匹配网络与所述天线电连接；

所述第一开关模块用于在所述射频发射电路工作时导通，在所述射频接收电路工作时关断。

本发明实施例提供的射频收发电路，在射频发射电路工作时，第一开关模块导通，射频接收电路的第一输入端短路到地，此时输入阻抗为0Ω。然后经由π型匹配网络将0Ω转换为高阻，即π型匹配网络和0Ω阻抗共同作用，使射频接收电路呈现高阻态，此时不影响射频发射电路的阻抗匹配。在射频接收电路工作时，发射机的输出端呈现为高阻，同时第一开关模块关断，不影响射频接收电路的阻抗匹配。实现了阻抗转换，实现射频发射电路与射频接收电路的隔离，使射频发射电路与射频接收电路之间的互相干扰降到最低。π型匹配网络和第一开关模块的结构简单，降低电路结构的复杂度，而且节省成本，损耗比较低，提高了电路的性能。第一开关模块在导通和关闭时，第一开关模块不会接入信号通路(第一开关模块没有信号传输)，不会引入损耗，可达到最佳设计值，进一步降低电路的损耗。

附图说明

图1A是现有技术中的一种射频收发电路的电路图；

图1B是现有技术中的一种开关选择电路的电路图；

图2A是本发明实施例提供的一种射频收发电路的电路图；

图2B是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图；

图2C是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图；

图3A是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图；

图3B是本发明实施例提供的一种巴伦电路的电路图；

图3C是本发明实施例提供的又一种巴伦电路的电路图；

图3D是本发明实施例提供的又一种匹配电路的电路图；

图3E是本发明实施例提供的一种差分单端转换电路的电路图；

图3F是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图；

图3G是本发明实施例提供的采用L型匹配网络作为差分单端转换电路的射频收发电路的系统框图；

图3H是本发明实施例提供的一种单端输出的射频收发电路的系统框图；

图3I是本发明实施例提供的又一种单端输出的射频收发电路的系统框图；

图3J是本发明实施例提供的采用LC balun的射频收发电路的系统框图；

图4A是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图；

图4B是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图；

图5A是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图；

图5B是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图2A是本发明实施例提供的一种射频收发电路的电路图。参见图2A，该射频收发电路包括：

射频发射电路21，射频发射电路21的输出端与天线23电连接；

射频接收电路22，射频接收电路22的第一输入端通过第一开关模块24接地，即第一开关模块24的第一端与射频接收电路22的第一输入端电连接，第一开关模块24的第二端接地；

π型匹配网络25，射频接收电路22的第一输入端通过π型匹配网络25与天线23电连接；

第一开关模块24用于在射频发射电路21工作时导通，在射频接收电路22工作时关断。

在本发明实施中，射频发射电路21可使用射频发射机，射频接收电路22可使用射频接收机，射频发射机和射频接收机可由射频芯片实现。第一开关模块24可集成于射频接收电路22中，由控制电路控制第一开关模块24的导通和关断。第一开关模块可以由晶体管实现，例如第一开关模块24包括晶体管，晶体管的第一极与射频接收电路22第一输入端电连接，晶体管的第二极接地，晶体管的栅极可以电连接控制电路的控制信号输出端，由控制电路控制晶体管的导通和关断。

其中，在射频发射电路21工作时，第一开关模块24导通，射频接收电路22的第一输入端短路到地，此时射频接收电路22的输入阻抗为0Ω。然后经由π型匹配网络25将0Ω转换为高阻，即π型匹配网络25和0Ω阻抗共同作用，使射频接收电路22呈现高阻态，此时不影响射频发射电路21的阻抗匹配。在射频接收电路22工作时，第一开关模块24关断，通常射频发射电路21中集成有射频功率放大器，射频功率放大器输出为高阻，射频发射电路21输出为高阻，不影响射频接收电路22的阻抗匹配。此时π型匹配网络25成为射频接收电路22匹配网络的一部分。上述射频收发电路实现了阻抗转换，实现射频发射电路21与射频接收电路22的隔离。在本发明实施例提供的射频收发电路中，π型匹配网络25和第一开关模块24的结构简单，降低电路结构的复杂度，而且节省成本，损耗比较低。在有效隔离射频接收电路22和射频发射电路11基础上，降低射频收发电路的损耗和成本，优化射频收发电路的性能。第一开关模块24在导通和关断时，第一开关模块24不会接入信号通路(第一开关模块24上没有信号传输)，不会引入损耗，使电路性能达到最佳设计值降低电路的损耗。

图2B是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图。参见图2B，本发明实施例提供的射频收发电路，在图2A所示电路的基础上，π型匹配网络25包括：

第一电感L1、第一电容C1和第二电容C2；

第一电感L1串联于射频接收电路22的第一输入端与天线23之间；

第一电容C1的第一端与第一电感L1的第一端电连接，第一电容C1的第二端接地；

第二电容C2的第一端与第一电感L1的第二端电连接，第二电容C2的第二端接地。

在射频发射电路21工作时，第一开关模块24导通，射频接收电路22的第一输入端短路到地，此时射频接收电路22的输入阻抗为0Ω。然后经由第一电感L1、第一电容C1和第二电容C2组成的π型匹配网络25将0Ω转换为高阻。具体地，从π型匹配网络25看向射频接收电路22的输入阻抗为Z_in，则可推导

其中，L₁为第一电感L1的电感值，C₁为第一电容C1的电容值，C₂为第二电容C2的电容值，Z_L为射频接收电路22的输入阻抗，由于第一开关模块24导通，射频接收电路22的第一输入端短路到地，射频接收电路22的输入阻抗为0Ω，即Z_L＝0。所以

选择电容和电感值，使ωC₂的值与接近或者相等，则Z_in为高阻。优选的，使则Z_in→∞，此时从π型匹配网络25看向射频接收电路22的输入阻抗为高阻，即从射频发射电路21看到的射频接收电路22的输入阻抗为高阻。因此，对于射频发射电路21来说，射频接收电路22呈现高阻态，不影响射频发射电路21的阻抗匹配。在射频接收电路22工作时，第一开关模块24关断，通常射频发射电路21中集成有射频功率放大器，射频功率放大器输出为高阻，射频发射电路21输出为高阻，不影响射频接收电路22的阻抗匹配。此时π型匹配网络25成为射频接收电路22的匹配网络的一部分，即第一电感L1、第一电容C1和第二电容C2为射频接收电路22的匹配网络的一部分。上述射频收发电路，实现了阻抗转换，实现射频发射电路21与射频接收电路22的隔离。第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2和第一开关模块24的结构简单，易于实现，降低了电路结构的复杂度，而且节省成本，损耗比较低。第一开关模块24在导通和关断时，第一开关模块24不会接入信号通路(第一开关模块24上没有信号传输)，不会引入损耗，可达到最佳设计值，降低电路的损耗。在本发明实施例中，第一开关模块24可采用晶体管实现。图2C是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图。参见图2C，本发明实施例提供的射频收发电路，在图2A所示电路的基础上，π型匹配网络25包括：

第三电容C3、第二电感L2和第三电感L3；

第三电容C3串联于射频接收电路22的第一输入端与天线23之间；

第二电感L2的第一端与第三电容C3的第一端电连接，第二电感L2的第二端接地；

第三电感L3的第一端与第三电容C3的第二端电连接，第三电感L3的第二端接地。

在射频发射电路21工作时，第一开关模块24导通，射频接收电路22的第一输入端短路到地，此时射频接收电路22的输入阻抗为0Ω。然后经由第三电容C3、第二电感L2和第三电感L3组成的π型匹配网络将0Ω转换为高阻。具体地，从π型匹配网络25看向射频接收电路22的输入阻抗为Z_in，则可推导

其中，C₃为第三电容C3的电容值，L₂为第二电感L2的电感值，L₃为第三电感L3的电感值，Z_L为射频接收电路22的输入阻抗，由于第一开关模块24导通，射频接收电路22的第一输入端短路到地，射频接收电路22的输入阻抗为0Ω，即Z_L＝0。所以

选择电容和电感值，使ωC₃的值与接近或者相等，则Z_in为高阻。优选的，使则Z_in→∞，此时从π型匹配网络25看向射频接收电路22的输入阻抗为高阻，即从射频发射电路21看到的射频接收电路22的输入阻抗为高阻。因此，对于射频发射电路21来说，射频接收电路22呈现高阻态，不影响射频发射电路21的阻抗匹配。在射频接收电路22工作时，第一开关模块24关断，通常射频发射电路21中集成有射频功率放大器，射频功率放大器输出为高阻，射频发射电路21输出为高阻，不影响射频接收电路22的阻抗匹配。此时π型匹配网络25成为射频接收电路22的匹配网络的一部分，即第三电容C3、第二电感L2和第三电感L3为射频接收电路22的匹配网络的一部分。上述射频收发电路，实现了阻抗转换，实现射频发射电路21与射频接收电路22的隔离。第三电容C3、第二电感L2、第三电感L3和第一开关模块24的结构简单，易于实现，降低了电路结构的复杂度，而且节省成本，损耗比较低。第一开关模块24在导通和关断时，第一开关模块24不会接入信号通路(第一开关模块24上没有信号传输)，不会引入损耗，可达到最佳设计值，降低电路的损耗。在本发明实施例中，第一开关模块24可采用晶体管实现。

图3A是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图。本发明实施例提供的射频收发电路，在图2A、图2B或图2C所示射频收发电路的基础上，还包括差分单端转换电路26和第二开关模块27，差分单端转换电路26包括第一输入输出端IO1、第二输入输出端IO2和第三输入输出端IO3。

射频接收电路22通过差分单端转换电路26与π型匹配网络25电连接，射频接收电路22还包括第二输入端，其中，π型匹配网络25与差分单端转换电路26的第一输入输出端IO1电连接，射频接收电路22的第一输入端与差分单端转换电路26的第二输入输出端IO2电连接，射频接收电路22的第二输入端与差分单端转换电路26的第三输入输出端IO3电连接；第一输入输出端IO1为差分单端转换电路26的单端；第二输入输出端IO2和第三输入输出端IO3为差分单端转换电路26的差分端。

差分单端转换电路26的第一输入输出端IO1与第二输入输出端IO2在差分单端转换电路26内部电连接；

射频接收电路22的第二输入端通过第二开关模块27接地。

为了获得更好的性能，电路设计中的许多应用采用差分结构。系统中通常既包含差分结构，也包括单端器件比如天线，因此实际应用中需要采用匹配电路，通常是巴伦电路(balun)来实现差分和单端电路的互相转换。本发明实施例中的差分单端转换电路26，差分端的一路采用电路进行匹配，另一路直接连接单端(差分单端转换电路26的第一输入输出端IO1与第二输入输出端IO2在差分单端转换电路26内部电连接)，即差分端其中的一路直接与单端电连接，节约了成本，缩小了电路尺寸。图3B是本发明实施例提供的一种巴伦电路的电路图，图3B所示的巴伦电路为变压器balun，变压器balun能够获得好的性能，但是其价格高，增加了产品的成本。出于成本的考虑，balun可由集总元器件实现。图3C是本发明实施例提供的又一种巴伦电路的电路图，图3C中所示的balun由两个相同的电容C和电感L构成，也称LC balun。单端信号Ui分别通过低通L型网络、高通L型网络得到反相的Uo+和Uo-(平衡端)。

电路平衡端Uo+和Uo-始终有180°的相差，从而实现差分和单端的转换。最简单的LC balun需要4个元器件，增加了产品的材料成本和尺寸，此外器件参数变化可能会导致其性能变差。对于某些追求低成本的应用，变压器Balun以及LC balun并不是最佳的方案。图3D是本发明实施例提供的一种连接单端与差分电路的匹配网络。图3D所示的匹配网络通过电感L31、电容C31和电容C32将匹配网络的阻抗匹配到需要的值。电感L32，电感L33和电容C33实现电路差分端Uo+和Uo-的180°相差，其中电容C33是电路芯片中的寄生电容。图3D的匹配网络结构复杂，且仅能应用于窄带匹配。此外，由于电感L32和电感L33必须维持一定的比例才能实现180°相移，必然限制了电路的性能。例如采用该匹配网络连接射频收发电路中的功率放大器和印刷电路板的天线，由于电感L33无法选用功率放大器需要的最佳值，射频收发电路损失了部分输出功率。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种新型的差分单端转换电路。具体地，参见图3E，图3E是本发明实施例提供的一种差分单端转换电路的电路图，该电路包括：第四电感L4和第四电容C4。第四电容C4串联于差分单端转换电路的第一输入输出端和第二输入输出端之间，第四电感L4的第一端与差分单端转换电路的第二输入输出端电连接，第四电感L4的第二端接地。差分单端转换电路的第三输入输出端与第一输入输出端电连接，第二输入输出端和第三输入输出端接收或者发送差分信号。其中，Ui表示第一输入输出端的电压，为单端电压；Uo+表示第二输入输出端的电压，Uo-表示第三输入输出端的电压，为差分电压。

推导可得差分电压和单端电压的关系：

Uo-＝Ui

其中，L₄为第四电感L4的电感值，C₄为第四电容C4的电容值。

通过以上两式可得，当满足时，Uo+与Ui反相，也即Uo+与Uo-反相，电路的平衡端电压Uo+和Uo-有180°的相差，可实现差分和单端的转换。此外，当时，Uo+＝-Uo-，理论上此时转换效果最好。

本发明实施例提供的差分单端转换电路，平衡端的其中一路采用了高通L型匹配，另一路直接接入不平衡端，与图3C所示的巴伦电路相比，省去了LCbalun中的低通L型网络，电路结构简单，减小了电路的占用面积。

实际应用中，根据对性能以及应用的不同要求，可同时采用本发明的π型匹配网络25、开关模块(第一开关模块24，第二开关模块27)和差分单端转换电路26。具体地，图3F是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图。在图3A所示射频收发电路的基础上，差分单端转换电路26包括第四电感L4和第四电容C4；第四电感L4的第一端与第一输入输出端和第二输入输出端电连接，第四电感L4的第二端以及第四电容C4的第一端与第三输入输出端电连接，第四电容C4的第二端接地。该射频收发电路成本低廉。在工作过程中，第一开关模块24和第二开关模块27不会接入信号通路，不会引入损耗，可使电路性能达到最佳设计值。并且差分单端转换电路仅需要一个电容和一个电感，易于实现。电路实现了balun的功能，实现差分端180°相差的同时，差分到单端具有3dB增益。

具体地，在射频发射电路21工作时，第一开关模块24和第二开关模块27导通，从差分单端转换电路26看向射频接收电路的阻抗为0Ω。可以配置π型匹配网络25的参数，使从π型匹配网络25看向射频接收电路22的阻抗为高阻，此时不影响射频发射电路21的阻抗匹配。射频接收电路22工作时，第一开关模块24和第二开关模块27关断，通常射频发射电路21中集成有射频功率放大器，射频功率放大器输出为高阻，射频发射电路21输出为高阻，不影响射频接收电路22的阻抗匹配。此时，π型匹配网络25作为射频接收电路22匹配网络一部分工作，差分单端转换电路26将单端信号转换为差分信号传输至射频接收电路22。

图3A或3F所示的电路中，射频发射电路21为单端输出，射频接收电路22为差分输入，因此射频接收电路22的差分信号经由差分单端转换电路26(L型LC匹配网络)转换为单端信号，然后通过π型匹配网络25进行阻抗转换后与射频发射电路21和天线23电连接。在本发明的其他实施方式中，射频发射电路21可为差分输出，射频接收电路22为单端输入，射频发射电路21可通过差分单端转换电路26与天线23电连接，射频接收电路22通过π型匹配网络25与天线23电连接。具体地，射频发射电路21的两个输出端与差分单端转换电路26的两个平衡端电连接，差分单端转换电路26的非平衡端与天线23电连接。或者，射频发射电路21和射频接收电路21都采用差分方式，即射频接收电路22为差分输入，射频发射电路21为差分输出。

图3G是本发明实施例提供的采用L型匹配网络作为差分单端转换电路的射频收发电路的系统框图。图3H和图3I是本发明实施提供的单端输出的射频收发电路的系统框图。图3J是本发明实施例提供的采用LC balun的射频收发电路的系统框图。参见图3G-3J，各射频收发电路均包括印刷电路板30，设置于印刷电路板30上的射频收发机芯片31和天线33，射频收发机芯片31包括射频发射机311和射频接收机322。在图3G中，射频发射机311和射频接收机322通过图3E所示的差分单端转换电路与天线33电连接。在图3J中，射频发射机311和射频接收机322通过图3C所示巴伦电路与天线33电连接。射频接收机322工作时，天线33接收的信号通过各个电路中的差分单端转换电路转换为差分信号，传输至射频接收机322。在发射信号时，射频发射机311输出的差分信号通过巴伦电路转换为单端信号，并传输至天线33。在中心频率2.402GHz和2.483GHz，测试图3G-3I所示电路的接收灵敏度和最大输出功率。接收灵敏度测试要求误码率小于0.1％，测试结果见表1。

表1测试结果比较

由表1的测试结果可见，相比采用LC balun和单端输出的射频收发电路的情况，本发明实施例中，采用新型的L型匹配网络(差分单端转换电路)的射频收发电路的射频接收机接收灵敏度有所提高，射频发射机的输出功率增强，并且简化了匹配，提高了电路的性能。

图4A是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的电路图。参见图4A，在本发明任意实施例提供的射频收发电路的基础上，该射频收发电路还包括第一匹配网络28；

射频发射电路21的输出端通过第一匹配网络28与天线电连接。

为了使射频收发电路具有较好的输入输出匹配，设置第一匹配网络28将射频收发电路中射频发射电路21和/或射频接收电路22的阻抗和天线的阻抗匹配。在实际操作过程中，主要是将射频发射电路21和天线23的阻抗匹配，因此优先设置第一匹配网络28的参数，使其和射频发射电路21的阻抗匹配。

具体地，参见图4B，图4B是本发明实施例提供的又一种射频收发电路的结构示意图。在图4A所示射频收发电路的基础上，第一匹配网络28包括：

第五电感L5和第五电容C5；

第五电容C5串联于射频发射电路21的输出端与天线23之间；

第五电感L5的第一端与天线23电连接，第五电感L5的第二端接地。

图5A和图5B分别是本发明实施例提供的两种射频收发电路的电路图。电路中各个模块的功能和效果具备上述各实施例中模块的功能和效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种射频收发电路，其特征在于，包括：

射频发射电路，所述射频发射电路的输出端与天线电连接；

射频接收电路，所述射频接收电路的第一输入端通过所述第一开关模块接地；

π型匹配网络，所述射频接收电路的第一输入端通过所述π型匹配网络与所述天线电连接；

所述第一开关模块用于在所述射频发射电路工作时导通，在所述射频接收电路工作时关断。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述π型匹配网络包括：

第一电感、第一电容和第二电容；

所述第一电感串联于所述射频接收电路的第一输入端与所述天线之间；

所述第一电容的第一端与第一电感的第一端电连接，所述第一电容的第二端接地；

所述第二电容的第一端与所述第一电感的第二端电连接，所述第二电容的第二端接地。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述π型匹配网络包括：

第三电容、第二电感和第三电感；

所述第三电容串联于所述射频接收电路的第一输入端与所述天线之间；

所述第二电感的第一端与第三电容的第一端电连接，所述第二电感的第二端接地；

所述第三电感的第一端与所述第三电容的第二端电连接，所述第三电感的第二端接地。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括差分单端转换电路以及第二开关模块，所述差分单端转换电路包括第一输入输出端、第二输入输出端和第三输入输出端；

所述射频接收电路通过所述差分单端转换电路与所述π型匹配网络电连接，所述射频接收电路还包括第二输入端，其中，所述π型匹配网络与所述差分单端转换电路的第一输入输出端电连接，所述射频接收电路的第一输入端与所述差分单端转换电路的第二输入输出端电连接，所述射频接收电路的第二输入端与所述差分单端转换电路的第三输入输出端电连接；

所述差分单端转换电路的第一输入输出端与第二输入输出端在所述差分单端转换电路内部电连接；

所述射频接收电路的第二输入端通过第二开关模块接地。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述差分单端转换电路包括：

第四电感和第四电容；所述第四电容的第一端与所述第一输入输出端和所述第二输入输出端电连接，所述第四电容的第二端和所述第四电感的第一端与所述第三输入输出端电连接，所述第四电感的第二端接地。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述第四电感与所述第四电容满足以下条件：

其中，L为所述第四电感的电感值，C为所述第四电容的电容值。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：第一匹配网络；

所述射频发射电路的输出端通过所述第一匹配网络与所述天线电连接。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述第一匹配网络包括：

第五电感和第五电容；

所述第五电容串联于所述射频发射电路的输出端与所述天线之间；

所述第五电感的第一端与所述天线电连接，所述第五电感的第二端接地。

10.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块集成于所述射频接收电路中。