CN112019228B - 多模多频收发电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模多频收发电路，包括：主射频感应结构和次射频感应结构；所述主射频感应结构和次射频感应结构相邻设置，射频能量能在所述主射频感应结构和次射频感应结构之间转化，主射频感应结构具有至少一个主IO通路，次射频感应结构具有至少两个次IO通路。本发明的多模多频收发电路相比现有技术结构更简单，面积更小，生产成本更低，适用范围更广。

Description

多模多频收发电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种多模多频收发电路。
背景技术
随着多模多频移动通信的发展，在射频前端集成电路设计中，对于多模多频收发电路的需求越来越多。近年来，通讯电子产品(如智慧型手机)开始朝支持多模多频传输的趋势发展，以同时适用不同国家和地区的的无线通讯技术。采用多模多频技术可让装置切换于不同的通讯模式，例如2G/3G/4G通讯模式，并支持各通讯模式下不同操作频带的信号传输。多模多频收发电路应具有尽可能低的插入损耗(Insertion Loss，IL，简称插损)、尽可能高的隔离度(Isolation)以及尽可能高的线性度指标。
第五代移动通信标准，也称第五代移动通信技术(5G)。5G系统目前分为专用网(SA)模式和非专用网(NSA)模式两种，其中NSA模式向下兼容。其中每代模式根据不同国家或者地区划分了不同的多个频段。例如：4G系统工作的频带可以划分为0.7GHz～0.9GHz以下的低频段(LB)、1.7GHz～2.0GHz的中频段(MB)和2.5GHz～2.7GHz的高频段(HB)。而5G系统目前在中国的频段有2.5GHz～2.7GHz(n41)、3.3GHz～3.6GHz(n78)和
4.4GHz～4.9GHz(n79)。对于射频前端的元件(如收发电路)而言，支持多模多频操作需支持不同工作频段并且提供多个输入/传输端。
参考图1，是第一种传统的多模多频发射电路采用多路单独的传输结构，每一路的都需要一个独立的射频放大器来实现。
参考图2所示，是第二种传统的多模多频发射电路，虽然采用了同一个射频放大器的内核和单刀三掷开关来切换射频通路，节省了一定的面积，但在输出匹配网络的地方，仍然牵涉到大量的电容电感器件。由于这些电容电感的网络，对每一个工作频段的原器件值不一样，因此最终的原器件数量仍然较多，成本也较高。大量的信号传输通路，常会使电路的布线变得复杂、电路面积增大，进而导致电路成本增加。不利于电路设计与整合，提高了生产成本。
参考图3所示，是一种传统的多模多频接收电路，采用了单刀三掷开关来切换天线到不同频段低噪声放大器(LNA)的射频通路，由于不同频段的LNA需要不同的输入匹配网络(IMN)，三个不同频道就需要三路IMN，这样芯片面积较大，成本较高，插损也随之较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于5G移动通信，与现有技术相比结构简单，具有更小面积的多模多频收发电路。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种多模多频收发电路，包括：射频感应结构和次射频感应结构；所述主射频感应结构和次射频感应结构相邻设置，射频能量能在所述主射频感应结构和次射频感应结构之间转化，主射频感应结构具有至少一个主IO通路，次射频感应结构具有至少两个次IO通路。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述主射频感应结构包括M个主IO通路和第一感应结构，所述主IO通路和第一感应结构串联，M≥1。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述主IO通路包括第一射频开关器件和第一调谐器件，所述第一射频开关器件和第一调谐器件并连在主IO通路两个IO端口之间。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述第一感应结构是电感。
进一步改进所述多模多频收发电路，每个所述主IO通路根据次IO通路工作频段数量设置调谐器件数量，所述调谐器件彼此之间并联。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述第一调谐器件包括并联的射频开关和电容。
进一步改进所述多模多频收发电路，主IO通路连接天线作为IO源时，该天线连接在主IO通路的IO端口其中之一，并且第一感应结构连接地。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述次射频感应结构包括N个次IO通路和第二感应结构；所述N个次IO通路与第二感应结构串联，N≥2。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述次射频感应结构的N个次IO通路工作在相同频段；
或，所述次射频感应结构的N个次IO通路工作在不同的频段。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述第二感应结构是电感。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述次IO通路包括第二射频开关器件和第二调谐器件；所述第二射频开关器件和第二调谐器件并联在次IO通路的两IO端口之间。
进一步改进所述多模多频收发电路，次IO通路连接天线作为IO源时，该天线连接在次IO通路的IO端口其中之一，并且第二感应结构连接地。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述第二调谐器件包括并联的射频开关和电容。
进一步改进所述多模多频收发电路，所述第一感应结构和第二感应结构形成互感耦合。
上述任意方案中的所述主IO通路、次IO通路的两IO端口均可以连接IO源，所述IO源可以是接收器、发射器或者天线。
本发明的多模多频收发电路工作在某一个频段的时候，可以将不工作的频段/功能的电路关掉，使得射频信号和能量只传递到希望使用的工作频段/功能电路上，减少射频电路的射频能量损失，提高工作效率。
传统的多模多频收发电路工作原理，都是通过射频开关将不需要工作的电路部分关掉(turn OFF)。但是，射频开关毕竟在高频下呈现出的阻抗不是理想的开路，在功率较大的时候，甚至还会面临被重新打开的问题。譬如，由RF SOI或是RF CMOS器件组成的射频开关，在单个晶体管工作时，只能承载25-27dBm左右的射频功率。为了提高射频开关的功率承载能力，必须对晶体管进行堆叠(stacking)，这样在SOI工艺下，能够承载36dBm以上，即4W的功率，已经没有问题。但是这样的方案，芯片面积较大。
另外，传统的多模多频方案，就算最新的方案，也需要将为不同频段所专门优化的电感电容器件一一布局在电路基板上，通过RFSOI或者pHEMT的射频开关来在它们当中切换原器件，以达到工作在不同频率的目的。这样，芯片面积仍然较大，尤其是不同频率下需要的电感面积。
本发明利用了差分电路的特性，使用了变压器和射频开关的反向逻辑，使得多个射频频段只需要一套射频收发电路和一个阻抗变化网络(即主/次射频感应结构)，不仅巧妙地规避了射频开关处理大功率的困难，而且用一个射频电感的面积，代替了将整个阻抗变换网络的面积，对芯片面积的减少起了巨大的作用。因此，本申请相比现有技术结构更简单，面积更小，生产成本更低，适用范围更广。
参考图5和图6所示，这里简单解释工作原理：
假设工作频段一共有两个，即M＝1，N＝2，频段分为高频(HB)和中频(MB)，则主感应结构中包括两个调谐器件1.1.2，分别在这两个频率上和变压器线圈进行匹配谐振：
A.主IO通路1.1内的IO源1.1.1是功率放大器的情况，即发射(TX)情况(图5所示)。
比如，需要工作的是高频，即HB。此时，开关器件1.1.3和2.1.3关闭(turn OFF)，而开关器件2.2.3打开(turn ON)。则能量从放大器1.1.1输出后，由第一调谐器件1.1.2与第一感应结构1.2组成的的变压器的主级线圈，感应到由第二感应结构2.3和第二调谐器件2.1.2组成的次级线圈。
B.主IO通路1.1内的IO源1.1.1是低噪声放大器的情况，即接收(RX)情况(图6)。
比方说，需要工作的是中频，即MB。此时，开关器件1.1.3和2.2.3关闭(turn OFF)，而开关器件2.1.3打开(turn ON)。则能量从天线端2.2.1进来，由第二感应结构2.3和第二调谐器件2.2.2组成的次级线圈，感应到由第一调谐器件1.1.2与第一感应结构1.2组成的的变压器的主级线圈，最终传到低噪声放大器1.1.1的输入端。
又参考图9所示，本发明不仅能够实现多频段之间的切换，还能提供不同模式之间的切换，这里解释一下工作原理：
此例仍然是M＝1，N＝2，但是次射频感应端的两个IO通路分别为发射和接收功能。
主IO通路1.1中的IO源是天线(和接地)，次IO通路2.1中的IO源2.1.1是低噪声放大器LNA，次射频感应IO通路2.2中的IO源2.2.1是功率放大器PA。
A.发射(TX)情况。
此时，开关器件1.1.3和2.2.3关闭(turn OFF)，而开关器件2.1.2打开(turn ON)。则能量从功率放大器2.2.1输出后，由第二调谐器件2.2.2与第二感应结构2.3组成的的变压器的次级线圈，感应到由第一感应结构1.2和第一调谐器件1.1.2组成的主级线圈，再由IO源1.1.1即天线发射出去。
B.接收(RX)情况。
此时，开关器件1.1.3和2.1.3关闭(turn OFF)，而开关器件2.2.3打开(turn ON)。则能量从IO源1.1.1即天线接收进来后，由第一调谐器件1.1.2与第一感应结构1.2组成的的变压器的主级线圈，感应到由第二感应结构2.3和第二调谐器件2.1.2组成的次级线圈，进入低噪声放大器2.1.1的输入端。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是第一种现有多模多频发射电路结构示意图。
图2是第二种现有多模多频发射电路结构示意图。
图3是一种现有多模多频接收电路结构示意图。
图4是本发明第一实施例的结构示意图。
图5和图6是本发明第二实施例的结构示意图。
图7和8是本发明第三实施例的结构示意图。
图9是本发明第四实施例的结构示意图。
附图标记说明
A是可调谐信号源
A1～A3是不同信号源
OMN1～OMN3是不同输出匹配网络
IMN1～IMN3是不同输入匹配网络
SP3T是开关网络
S1～S3是不同频段开关(band switch)
HB、MB、LB是不同频段天线
主射频感应结构1
主IO通路1.1
第一IO源1.1.1
第一调谐器件1.1.2
第一射频开关器件1.1.3
第一感应结构1.2
次射频感应结构2
第一次IO通路2.1
第一次IO通路的IO源2.1.1
第一次IO通路的第二调谐器件2.1.2
第一次IO通路的第二射频开关器件2.1.3
第二次IO通路2.2
第二次IO通路的IO源2.2.1
第二次IO通路的第二调谐器件2.2.2
第二次IO通路的第二射频开关器件2.1.3
第N个次射频感应IO通路2.N
第N个次射频感应通路里面的IO源2.N.1
第N个次射频感应通路里面的第二调谐器件2.N.2
第N个次射频感应通路里面的开关器件2.N.3
第二感应结构2.3。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图4所示，本发明提供的一种多模多频收发电路第一实施例，包括：主射频感应结构1和次射频感应结构2；所述主射频感应结构1和次射频感应结构2相邻设置，射频能量能在所述主射频感应结构1和次射频感应结构2之间转化，次射频感应结构2具有至少两路IO通路。即高频段HB和低频段LB，所述高频段HB和低频段LB根据需求划分。
如图5和图6所示，本发明提供的一种多模多频发射电路第二实施例，包括：主射频感应结构1包括主IO通路1.1和第一感应结构1.2；主IO通路1.1和第一感应结构1.2串联。所述主IO通路1.1包括第一调谐器件1.1.2和第一射频开关器件1.1.3，所述第一调谐器件1.1.2和第一射频开关器件1.1.3并联在第一IO源(接收器/发射器)1.1.1两IO端口之间。
本实施例中，每个主IO通路1.1设有N个第一调谐器件，这N个第一调谐器件1.1.2并联。第一IO源(接收器/发射器)1.1.1在本实施例采用功率放大器，所述第一感应结构1.2是电感，所述第一调谐器件1.1.2是调谐电容。根据频段需求设置相应第一调谐器件1.1.2数量，不仅限于两个第一调谐器件1.1.2。本实施例，设计两个输出频段，因此设置两个调谐电容CPHB和CPLB分别对应次射频感应结构2的第一次IO通路2.1和第二次IO通路2.2；次射频感应第一IO通路2.1即高频段输出单元HB和次射频感应第二IO通路2.2即低频段输出单元LB。本实施例中次射频感应的第一次IO通路2.1和次射频感应的第二次IO通路2.2结构相同。
对上述第二实施例进一步改进，将次级射频感应结构2中的次IO通路数量扩大为N个，则次级射频感应结构具有第一次IO通路2.1、第二次IO通路2.2……第N个次IO通路2.N；
所述次射频感应结构的N个次IO通路和第二感应结构2.3串联。
以次射频感应结构的第一次IO通路2.1为例说明次IO通路的结构，次射频感应结构的第二次IO通路2.2～第N个次IO通路2.N与第一次IO通路2.1结构相同不再赘述。
次射频感应结构的第一次IO通路2.1包括第一次级IO通路的第二调谐器件2.1.2和第一次级IO通路的第二射频开关器件2.1.3；第一次级IO通路的第二调谐器件2.1.2和第一次级IO通路的第二射频开关器件2.1.3并联在第一次IO通路2.1两IO端口之间。所述第二感应结构2.3是电感，所述第二调谐器件2.1.2是电容。本第二实施例中，当第一次IO通路的IO源是天线时，该天线连接在第一次IO通路的第一IO端口，并且第二感应结构连接地。
如图7和图8所示，图7、图8分别显示第一IO源是接收器/发射器的情形。本发明提供的一种多模多频收发电路第三实施例，其与本发明专利第二实施例的差别在于，设有两个主射频感应结构1，可以用于发射电路中功率合成的情况。两个主射频感应结构1的具体结构与第二实施例中主射频感应结构1相同，次射频感应结构2也与第二实施例中的次射频感应结构2结构相同，不再赘述。
如图9所示，本发明提供的一种多模多频收发电路第四实施例，本实施例的两个次射频感应结构的第一IO通路2.1和第二IO通路2.2分别使用了接收功能和发射功能。本实施例，主IO通路1.1的IO源1.1.1是天线，该天线连接在主IO通路1.1的第一IO端口，第一感应结构连接地。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多模多频收发电路，其特征在于，包括：主射频感应结构和次射频感应结构；所述主射频感应结构和次射频感应结构相邻设置，射频能量能在所述主射频感应结构和次射频感应结构之间转化，主射频感应结构具有至少一个主IO通路，次射频感应结构具有至少两个次IO通路；
所述主射频感应结构包括M个主IO通路和一个第一感应结构组成，所述主IO通路和第一感应结构串联，M≥1，所述主IO通路包括第一射频开关器件和第一调谐器件，所述第一射频开关器件和第一调谐器件并联在主IO通路的两个IO端口之间；
所述次射频感应结构包括N个次IO通路和一个第二感应结构组成；所述N个次IO通路与第二感应结构串联，N≥2，所述次IO通路包括第二射频开关器件和第二调谐器件；所述第二射频开关器件和第二调谐器件并联在次IO通路两IO端口之间。
2.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：所述第一感应结构是电感。
3.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：每个所述主IO通路根据次IO通路工作频段数量设置调谐器数量，所述调谐器彼此之间并联。
4.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：所述第一调谐器件包括并联的射频开关和电容。
5.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：主IO通路连接天线作为IO源时，该天线连接在主IO通路的IO端口其中之一，并且第一感应结构连接地。
6.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：所述次射频感应结构的N个次IO通路工作在相同频段；
或，所述次射频感应结构的N个次IO通路工作在不同的频段。
7.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：所述第二感应结构是电感。
8.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：次IO通路连接天线作为IO源时，该天线连接在次IO通路的IO端口其中之一，并且第二感应结构连接地。
9.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：所述第二调谐器件包括并联的射频开关和电容。
10.如权利要求1所述多模多频收发电路，其特征在于：所述第一感应结构和第二感应结构形成互感耦合。
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