CN109150227B - 一种多模式射频前端电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多模式射频前端电路，包括分别与天线耦接的功率放大器和低噪声放大器；功率放大器至少由第一放大级和第二放大级复合而成；第一放大级的输出通过第一开关与低噪声放大器的输出端耦合连接，形成第一附加通路；低噪声放大器的输出端还通过第二开关与其输入端连接，形成第二附加通路；模式切换控制电路用于控制第一开关、第二开关的通断状态，还控制第一放大级、第二放大级、低噪声放大器处于工作状态或禁用状态，从而使得射频前端电路处于所需要的工作模式。通过上述电路结构，简化了电路设计，使得改进后的射频前端电路能够兼具功率放大器低功率输出模式的高效率优势和低噪声放大器低增益模式下的低噪声系数。

Description

一种多模式射频前端电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及通信信号处理领域，尤其涉及一种多模式射频前端电路及其控制方法。

背景技术

图1示出了现有技术中一Wi-Fi通信产品的典型电路图，整个射频电路由五个模块组成，包括无线收发器模块、发射前端模块、收发切换器模块、低噪声放大器模块以及天线模块，如图所示，其中虚线框内为发射前端模块。无线收发器(Radio Transceiver)一般是一个设计的核心器件之一，除了与射频电路的关系比较密切以外，一般还会与CPU有关，在这里，我们只关注其与射频电路相关的一些内容。发送信号时，收发器本身会直接输出小功率的微弱的射频信号，送至功率放大器(Power Amplifier，PA)进行功率放大，然后通过收发切换器(Transmit/Receive Switch)经由天线(Antenna)辐射至空间。接收信号时，天线会感应到空间中的电磁信号，通过切换器之后送至低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)进行放大，这样，放大后的信号就可以直接送给收发器进行处理，进行解调。Wi-Fi所采用的2.4GHz频率较高，从无线收发器到天线的走线较长，采用昂贵的高频PCB不符合市场和消费端趋势，因此，将功率放大器、低噪声放大器以及收发切换开关集成为一颗射频前端芯片已经成为必然趋势。

现有技术中提出了一种同时在单芯片上实现Wi-Fi发射和接收的电路结构，如图2所示。当处于发射模式时，电容Cc右边的开关被导通，电容Cc作为发射输出端BALUN的一部分负载，且由于开关短路到地，接收端Rx的可靠性不会因此受到影响，功率放大器PA的发射效率受到电容Cc的影响较小；当处于接收模式时，PA处于关断状态，BALUN的左边为高阻状态，电容Cc右边的开关为关断状态，接收端RX的低噪声放大器正常工作，PA的寄生电容对低噪声放大器的噪声系数影响较小。

但上述结构存在着以下缺陷：

首先，由于WiFi产品的功率放大器消耗的电流较大，一般在100mA到300mA之间，因此为了节省发射功耗，当移动终端离路由器距离较近的时候，往往需要功率放大器工作在低输出功率模式，这样输出功率会较峰值功率有所降低，但功耗因此大幅降低，从而可以很大程度上节省功耗，同时也避免了过大的输出功率导致在路由器接收端出现接收功率饱和而使得接收灵敏度下降的问题。

另外一方面，由于移动终端可能会离路由器很近，因此在接收端的低噪声放大器端需要提供低增益模式，当接收到的信号强度过大时，低噪声放大器工作在低增益模式，这样在低噪声放大器的输出端不至于由于信号饱和而导致灵敏度下降。

更进一步的，当功率放大器采用差分-单端结构以及低噪声放大器采用单端-差分结构时，还会给设计多模的功率放大器和低噪声放大器提出巨大的挑战。

针对上述诸多缺陷，迫切需要一种新的收发电路结构来满足实际应用的需要。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种多模式射频前端电路，实现了功率放大器低输出功率模式和低噪声放大器的低增益模式的按需切换，简化了传统电路中的复杂设计，同时使得功率放大器低输出功率模式的高效率和噪声放大器低增益模式的低噪声系数可以同时达到。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种多模式射频前端电路，其特征在于：所述射频前端电路包括功率放大器、天线、低噪声放大器、第一开关、第二开关、模式切换控制电路；所述功率放大器的输入端接收待发射信号，输出端耦接到天线，所述低噪声放大器的输入端耦接到天线，输出端输出放大后的接收信号；所述功率放大器至少由第一放大级和第二放大级依次连接复合而成；第一放大级的输出通过第一开关与低噪声放大器的输出端耦合连接，形成第一附加通路；所述低噪声放大器的输出端还通过第二开关与其输入端连接，形成第二附加通路；

所述模式切换控制电路用于控制第一开关、第二开关处于导通状态或者截止状态，还控制第一放大级、第二放大级、低噪声放大器处于工作状态或禁用状态，从而使得射频前端电路处于所需要的工作模式。

进一步的，所述功率放大器由三级放大单元复合组成：第一放大级包括依次连接的输入级和中间级，第二放大级包括输出级。进一步的，输入级和中间结包括连接其输入和输出的可选的旁路开关。

进一步的，所述功率放大器为全差分结构，第一放大级的输入端接收待发射的差分信号，第二放大级的输出端通过第一巴伦连接天线，第一巴伦将功率放大器的差分输出转换为单端输出传输到天线上。

进一步的，所述低噪声放大器为单端输入单端输出结构，其输出端连接第二巴伦，第二巴伦在接收作业时将低噪放放大器的单端输出转换为差分输出传输到后级接收电路；第一放大级的差分输出端具体是通过第一开关连接到第二巴伦的差分输出端，第二巴伦在第一附加通路导通时用于将其输出端接收到的差分信号转换成单端信号传递到低噪声放大器的输出端。

进一步的，所述第一附加通路包括差分的两个路径，所述第一开关包括位于每个路径的一个开关单元，每一开关单元包括第一电容、第二电容、接地开关；其中，第一放大级的输出端连接第一电容的第一端，第一电容的第二端连接第二电容的第一端，第二电容的第二端连接第二巴伦差分输出端的一端，接地开关连接在第一电容的第二端与地之间；当接地开关导通时，第一附加通路截止；当接地开关截止时，第一附加通路导通。

此外，所述第二巴伦的匝数比可设置为N∶1。

此外，本发明还提供了一种基于上述射频前端电路的控制方法，其特征在于，通过模式切换控制电路执行多个模式切换，具体如下：1)当低功率输出模式能够满足通信需求时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级处于工作状态、第二放大级和低噪声放大器处于禁用状态，控制第一开关、第二开关处于导通状态，从而实现功率放大器工作在低功率输出模式；2)当低增益接收模式能够满足接收需求时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级、第二放大级、低噪声放大器均处于禁用状态，控制第一开关处于截止状态，而第二开关处于处于导通状态，从而实现射频前端电路工作在低增益接收模式时。

进一步的，可切换的模式还包括全功率输出模式和正常接收模式，具体如下：3)当射频前端电路处于全功率输出模式时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级和第二放大级处于工作状态、低噪声放大器处于禁用状态，控制第一开关、第二开关均处于截止状态；4)当射频前端电路处于正常接收模式时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级和第二放大级处于禁用状态、低噪声放大器处于工作状态，控制第一开关、第二开关均处于截止状态。

进一步的，所述射频前端电路配置有距离检测电路，所述距离检测电路用于检测本机与对端通信设备之间的距离；所述模式切换控制电路根据距离检测电路的检测结果自适应地进行模式切换：

1)当检测到距离小于第一阈值D1时，模式切换控制电路控制射频前端电路采用低功率输出模式进行发射作业、采用低增益接收模式进行接收作业，从而能够节省发射功耗、避免接收过饱和；

2)当检测到距离大于第二阈值D2时，模式切换控制电路控制射频前端电路退出低功率输出模式和低增益接收模式，确保长距离情景下的通信，其中 D1＜D2；

3)当检测到距离落在迟滞区间[D1，D2]时，射频前端电路维持原有工作状态工作，避免了在阈值边界移动时产生频繁切换，能够维持通信作业的稳定。

本发明采用了一种创新的射频前端电路结构，相比传统开关电容结构，在不影响功率放大器的差分-单端转换和低噪声放大器的单端-差分转换情况下，同时实现了功率放大器低功率输出模式和低噪声放大器的低增益模式，简化了传统电路中的复杂设计，从而使得功率放大器低输出功率模式的高效率和低噪声放大器低增益模式的低噪声系数可以同时达到。

此外，功率放大器低功率输出模式下，其中间级到低噪声放大器输出巴伦的通路开关可以被串联电容和并联开关所代替，从而通路线性度大大提高，插损大幅减小。更进一步的，低噪声放大器的输出巴伦可以设计为N：1的结构，这样既有利于提高功率放大器低输出功率模式的效率，同时也有助于提高低噪声放大器的线性度指标，不至于输出信号过大导致后级电路饱和。

更进一步的，基于距离检测的切换实现了自适应控制，基于双门限阈值的控制在满足自适应控制的同时避免了不必要的频繁跳变，更大程度上节约了功耗、提高了通信的可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为现有技术中一典型的Wi-Fi通信电路图；

图2为现有技术中一Wi-Fi单芯片上的收发电路图；

图3为本发明一实施例提供的射频前端的基础电路结构图；

图4为本发明一实施例提供的改进后的多模射频前端电路的示意图；

图5为本发明改进后的多模射频前端电路处于低增益接收模式下的示意图；

图6为本发明一实施例提供的另一改进后的多模射频前端电路的示意图。

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，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图3所示，其示出了本发明射频前端电路的基础电路结构，其中功率放大器PA由三级放大单元复合组成：输入级STAGE 1，中间级STAGE 2和输出级STAGE3，所述PA为全差分结构。PA的输入端接收来自上游发射电路的差分信号。上游发射电路可以包括依次连接的基带控制器、数字或者模拟变频器；还包括与变频器配合的本地振荡信号发生器；以及穿插在信号路径上的各类滤波器、放大器、可变放大器、AGC放大器等，按需配置。PA的输出端通过输出巴伦Balun1将放大器的差分输出转换为单端输出，将待发射的信号传输到天线ANT上。

低噪声放大器LNA由低噪声放大级和输出匹配组成，其中低噪声为单端输入结构，而接收端采用差分结构来提高射频模拟电路对共模信号的抑制，因此在低噪声放大器的输出端采用巴伦Balun2进行单端-差分转换。所述天线ANT还将接收到的射频信号耦合到低噪声放大器LNA的输入端，低噪声放大器的输出端通过巴伦将单端输出转换为差分输出，并传递到后级接收电路。后级接收电路包括依次连接的变频器、数字或者模拟基带控制器；同样还包括与变频器配合的本地振荡信号发生器；以及穿插在信号路径上的各类滤波器、放大器等。

为了实现多模式的可切换，本发明对上述基础电路进行了创造性的改进，如图4所示，其示出了改进后的多模射频前端电路：功率放大器PA和低噪声放大器LNA的基本结构保持不变；而在功率放大器PA的第二级中间级STAGE2 和第三级输出级STAGE3之间的差分输出信号OUT_S2还通过一第一开关K1与低噪声放大器LNA的输出端相连，形成第一附加路径；LNA的输入端还通过一第二开关K2连接到LNA的输出端，形成第二附加路径。

此外，还包括模式切换控制电路，用于根据所需的工作模式，控制第一开关、第二开关的导通(ON)或者截止(OFF)，还控制各个放大级的工作(ON)或禁用(OFF)。优选地，控制电路通过使能信号ON或者OFF来控制放大级的工作状态，使能信号可以施加于相对应的使能端enable。

附加路径的实现可以有多种方式，所有能将第一附加路径和第二附加路径相互联通的变换方式均可以，包括但不局限于以下作为例举的方式：

1)差分输出信号OUT_S2所在的中间级的输出端通过第一开关K1与接收侧输出巴伦Balun2的信号输出端相连，Balun2将信号输出端接收到的差分信号OUTs2转换成单端信号传递到LNA的输出端，LNA的输出端经由第二开关K2可以旁路到其输入端。这种方式中利用了已经存在的Balun2实现所需的单端信号转换，可以大大缩小电路体积、节约电路成本。相对应的，第一开关K1由分别串接于两个差分支路上的两个子开关构成。

2)中间级的输出端通过第一开关K1、第三巴伦Balun3(未进行图示)与LNA的单端输出端相连，LNA的输出端经由第二开关K2可以旁路到其输入端，其中Balun3实现差分输出信号OUT_S2转换为单端输出信号。这种方式能够保证收发两侧的隔离度，减少电路串扰、信号泄漏效应。相对应地，第一开关K1可以实施为串联在中间级的差分输出端与Balun3的差分输入端之间的双路开关；或者也可以实施为串联在Balun3的单端输出与LNA的输出端之间的单路开关。

以第1)方式为例，对改进后的多模射频前端电路的工作原理说明如下：

当功率放大器PA工作在低功率输出模式时，第一级输入级和第二级中间级保持功率工作状态ON，第一开关K1为导通状态ON，第二级中间级的差分输出信号经第一开关K1输出到低噪声放大器LNA所连接的输出巴伦Balun2的差分输出端；此时低噪声放大器LNA为关闭状态OFF，第二开关K2为导通状态ON，输出端口的差分信号经输出巴伦转变为单端信号，再经过第二开关K2馈入到天线端口。PA的第三级输出级为禁用状态OFF，PA输出端的巴伦Balun1由于第三级的输出端口为高阻状态，因此不工作。

而当射频前端工作在低增益接收模式时，其工作原理如图5所示：功率放大器PA的三级都处于禁用状态OFF，中间级输出到低噪声放大器输出的第一开关K1也处于关闭状态OFF；而在接收端，低噪声放大器LNA处于关闭状态ON，第二开关K1处于导通状态ON，天线端口的信号直接通过开关K1到放大器的单端输出端口，再经过巴伦Balun2变成差分信号输出。

此外，低噪声放大器LNA的输出巴伦Balun2可以设计为N：1的结构，这样既有利于提高功率放大器低功率输出模式的效率，同时也有助于提高低噪声放大器的线性度指标，不至于输出信号过大导致后级电路饱和。

路径开关K1、K2的实施可由一个电容和开关管组成，例如图2所示的开关。

由于中间级STAGE2输出到低噪声放大器LNA输出的这一路径有大信号经过，采用串联输入-输出的普通开关会引起较大的非线性。考虑到两端的信号都是在巴伦的输出端，因此可以采用如图6所示的结构来减小串联开关的插损。通过采用串联电容和并联开关可以有效的提高线性度和降低插损：当第一附加路径形成的通路欲导通时，两个接地的并联开关分别断开，射频信号经过无源的电容耦合传输，其线性度很高，插损很低；当通路欲断开时，相应的两个并联开关导通，开关左右两侧的两个电容分别作为中间级和低噪声放大器的负载电容而被巴伦的感性部分吸收掉，能够实现低损耗的匹配传输。

此外，根据通信需要，可切换的模式还包括全功率输出模式和正常接收模式，具体如下：当射频前端电路处于全功率输出模式时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制功率放大器PA的三级均处于工作状态、低噪声放大器处于禁用状态，并且第一开关、第二开关均处于截止状态；当射频前端电路处于正常接收模式时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制功率放大器PA的三级均处于禁用状态、低噪声放大器处于工作状态，并且第一开关、第二开关均处于截止状态。

进一步地，功率放大器PA的每一级具有不同的增益系数。并且，第一级和第二级也可以配置连接其输入与输出的旁路开关，与第二开关旁路LNA相似的方式，通过第一级和第二级的选择性旁路来实现更多功率输出模式。例如：在全功率输出模式的基础上旁路第一级实现第一功率输出模式，在全功率输出模式的基础上旁路第二级实现第二功率输出模式，在全功率输出模式的基础上旁路第一级和第二级实现第三功率输出模式。

更进一步地，为了实现模式的自适应切换，还配置有距离检测电路，所述距离检测电路用于检测本机(例如移动终端)与对端通信设备(例如路由器)之间的距离。所述模式切换控制电路根据距离检测电路的检测结果进行模式的切换。

当检测到距离小于第一阈值D1时，判定移动终端离路由器很近，此时采用低功率输出模式进行发射作业、采用低增益接收模式进行接收作业，从而能够节省发射功耗、避免接收过饱和；当检测到距离大于第二阈值D2时，退出低功率输出模式和低增益接收模式，从而确保长距离情景下的通信。其中D1＜D2，当检测结果位于区间[D1，D2]时，属于迟滞区间，维持原有工作状态不进行模式切换，避免了在阈值边界移动时产生频繁切换，能够维持通信作业的稳定。

本发明基于传统的功率放大器、低噪声放大器和开关的集成方案的基础上，采用了一种创新的电路结构：1)增加了功率放大器中间级输出到低噪声放大器输出的信号通路；2)增加了低噪声放大器输入到输出的信号通路。通过上述结构，在不影响功率放大器的差分-单端转换结构和低噪声放大器的单端-差分转换结构的情况下，同时实现了功率放大器低输出功率模式和低噪声放大器的低增益模式，简化了传统电路中的复杂设计，使得改进后的射频前端电路能够兼具功率放大器低功率输出模式的高效率优势和低噪声放大器低增益模式下的低噪声系数。并且，低噪放的输出巴伦被1)中的通路所复用，进一步减小了芯片面积，节约了制造成本。

此外，功率放大器低功率输出模式下，其中间级到低噪声放大器输出巴伦的通路开关可以被串联电容和并联开关所代替，从而通路线性度大大提高，插损大幅减小。更进一步的，低噪声放大器的输出巴伦可以设计为N∶1的结构，这样既有利于提高功率放大器低输出功率模式的效率，同时也有助于提高低噪声放大器的线性度指标，不至于输出信号过大导致后级电路饱和。

更进一步的，基于距离检测的切换实现了自适应控制，基于双门限阈值的控制在满足自适应控制的同时避免了不必要的频繁跳变，更大程度上节约了功耗、提高了通信的可靠性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种多模式射频前端电路，其特征在于：所述射频前端电路包括功率放大器、天线、低噪声放大器、第一开关、第二开关、模式切换控制电路；所述功率放大器的输入端接收待发射信号，输出端耦接到天线，所述低噪声放大器的输入端耦接到天线，输出端输出放大后的接收信号；

所述功率放大器至少由第一放大级和第二放大级依次连接复合而成；第一放大级的输出通过第一开关与低噪声放大器的输出端耦合连接，形成第一附加通路；所述低噪声放大器的输出端还通过第二开关与其输入端连接，形成第二附加通路；

所述模式切换控制电路用于控制第一开关、第二开关处于导通状态或者截止状态，还控制第一放大级、第二放大级、低噪声放大器处于工作状态或禁用状态，从而使得射频前端电路处于所需要的工作模式；所述功率放大器由三级放大单元复合组成：第一放大级包括依次连接的输入级和中间级，第二放大级包括输出级；

所述功率放大器为全差分结构，第一放大级的输入端接收待发射的差分信号，第二放大级的输出端通过第一巴伦连接天线，第一巴伦将功率放大器的差分输出转换为单端输出传输到天线上；

所述低噪声放大器为单端输入单端输出结构，其输出端连接第二巴伦，第二巴伦在接收作业时将低噪声放大器的单端输出转换为差分输出传输到后级接收电路；第一放大级的差分输出端具体是通过第一开关连接到第二巴伦的差分输出端，第二巴伦在第一附加通路导通时用于将其输出端接收到的差分信号转换成单端信号传递到低噪声放大器的输出端。

2.如权利要求1所述的射频前端电路，所述第一附加通路包括差分的两个路径，所述第一开关包括位于每个路径的一个开关单元，每一开关单元包括第一电容、第二电容、接地开关；其中，第一放大级的输出端连接第一电容的第一端，第一电容的第二端连接第二电容的第一端，第二电容的第二端连接第二巴伦差分输出端的一端，接地开关连接在第一电容的第二端与地之间；当接地开关导通时，第一附加通路截止；当接地开关截止时，第一附加通路导通。

3.如权利要求1或2所述的射频前端电路，所述第二巴伦的匝数比设置为N∶1。

4.一种基于上述权利要求1-3任一项所述的射频前端电路的控制方法，其特征在于：通过模式切换控制电路执行多个模式切换，具体如下：

1)当低功率输出模式能够满足通信需求时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级处于工作状态、第二放大级和低噪声放大器处于禁用状态，控制第一开关、第二开关处于导通状态，从而实现功率放大器工作在低功率输出模式；

2)当低增益接收模式能够满足接收需求时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级、第二放大级、低噪声放大器均处于禁用状态，控制第一开关处于截止状态，而第二开关处于导通状态，从而实现射频前端电路工作在低增益接收模式。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：可切换的模式还包括全功率输出模式和正常接收模式，具体如下：

3)当射频前端电路处于全功率输出模式时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级和第二放大级处于工作状态、低噪声放大器处于禁用状态，控制第一开关、第二开关均处于截止状态；

4)当射频前端电路处于正常接收模式时，模式切换控制电路输出相应的控制指令，控制第一放大级和第二放大级处于禁用状态、低噪声放大器处于工作状态，控制第一开关、第二开关均处于截止状态。

6.如权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于：所述射频前端电路配置有距离检测电路，所述距离检测电路用于检测本机与对端通信设备之间的距离；所述模式切换控制电路根据距离检测电路的检测结果自适应地进行模式切换。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述模式切换控制电路根据距离检测电路的检测结果自适应地进行模式切换包括：

a)当检测到距离小于第一阈值D1时，模式切换控制电路控制射频前端电路采用低功率输出模式进行发射作业、采用低增益接收模式进行接收作业，从而能够节省发射功耗、避免接收过饱和；

b)当检测到距离大于第二阈值D2时，模式切换控制电路控制射频前端电路退出低功率输出模式和低增益接收模式，确保长距离情景下的通信，其中D1＜D2；

c)当检测到距离落在迟滞区间[D1，D2]时，射频前端电路维持原有工作状态工作，避免了在阈值边界移动时产生频繁切换，能够维持通信作业的稳定。

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