CN112825489A - 射频信号收发器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种射频信号收发器。射频信号收发器包括第一变压器、收发信号处理器、接收信号放大器以及发射信号放大器。第一变压器通过一次侧的第一端耦接至天线，第一变压器的二次侧的两端点收发差分信号对。收发信号处理器由第一变压器的二次侧接收输入差分信号对，并产生处理后差分信号对。接收信号放大器耦接收发信号处理器，用以接收并放大处理后差分信号对。发射信号放大器耦接第一变压器的二次侧，提供发射差分信号对至第一变压器的二次侧。

Description

射频信号收发器
技术领域
本发明涉及一种射频信号收发器，尤其涉及一种可提升收发信号质量和抗噪声干扰能力，且降低电路成本的射频信号收发器。
背景技术
在现有技术领域中，射频信号收发器由接收器以及发射器所组成。并可工作在信号接收模式或信号发射模式下。接收器可将天线接收的射频信号降频至基频，发射器可将基频信号升频以产生发射信号，并通过天线向外部发射。另外，现有技术的射频信号收发器通常是针对单端信号进行处理，在收发信号质量以及抗噪声干扰能力的表现上，较为不足。
在另一方面，为使射频信号收发器可分别工作在信号接收模式或信号发射模式下，必须在射频信号收发器中设置传输模式切换开关。然而，对于现有技术的射频信号收发器，发射器上需设置大尺寸的传输模式切换开关，这会产生一定程度的噪声干扰，同时由于传输模式切换开关引入的插入损耗，导致发射功率下降或造成较大的电流消耗，并且还会导致电路成本的增加。
发明内容
本发明是针对一种射频信号收发器，可提升收发信号质量和抗噪声干扰能力，且降低电路成本。
根据本发明的实施例，射频信号收发器包括第一变压器、接收信号处理器、接收信号放大器以及发射信号放大器。第一变压器通过一次侧的第一端耦接至天线，第一变压器的二次侧的两端点收发差分信号对。收发信号处理器由第一变压器的二次侧接收输入差分信号对，并产生处理后差分信号对。接收信号放大器耦接收发信号处理器，用以接收并放大处理后差分信号对。发射信号放大器耦接第一变压器的二次侧，提供发射差分信号对至第一变压器的二次侧。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，收发信号处理器用以执行接收信号放大器的输入频带的匹配动作，以及发射信号放大器的输出频带的匹配动作。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，收发信号处理器包括传输模式切换开关。传输模式切换开关耦接至传输所述处理后差分信号对的二传输端点。传输模式切换开关在信号发射模式使二传输端点短路至参考电压端，传输模式切换开关在信号接收模式使二传输端点与参考电压端断路。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，收发信号处理器包括直流解耦合电容对以及电容电感电路。直流解耦合电容对分别耦接至第一变压器的二次侧的两端点。电容电感电路耦接至直流解耦合电容对，通过直流解耦合电容对以接收输入差分信号对，并产生处理后差分信号对。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，电容电感电路包括第一电容器、第一电感器、第二电感器以及第二电容器。第一电容器耦接在直流解耦合电容对间。第一电感器具有第一端耦接至第一电容器的第一端。第二电感器具有第一端耦接至第一电容器的第二端。第二电容器耦接在第一电感器的第二端以及第二电感器的第二端间。其中，第一电感器的第二端以及第二电感器的第二端提供处理后差分信号对。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，第一电容器以及第二电容器为可变电容器，第一电感器以及第二电感器为可变电感器。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，第一电感器以及所述第二电感器形成第二变压器。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，电容电感电路用以执行接收信号放大器的输入频带的匹配动作，以及发射信号放大器的输出频带的匹配动作。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，第一变压器的一次侧的第二端耦接至参考接地端。
在根据本发明的实施例的射频信号收发器中，第一变压器的一次侧的第一端以及第二端由天线接收及发射差分信号对，第一变压器的一次侧的中央抽头端耦接至参考接地端。
基于上述，本发明的射频信号收发器在与天线的连接接口间提供第一变压器，以使射频信号收发器为全差分结构，以针对差分信号对进行处理。可有效提供优良阻抗匹配，并提升功率使用效率、收发信号质量和抗噪声干扰能力。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
包括附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1示出了本发明一实施例的射频信号收发器的示意图；
图2示出了本发明另一实施例的射频信号收发器的示意图；
图3示出了本发明另一实施例的射频信号收发器的示意图；
图4示出了本发明另一实施例的射频信号收发器的示意图。
附图标号说明
100、200、300、400：射频信号收发器；
110、210、310、410：变压器；
120、220、320、420：收发信号处理器；
201、301：射频匹配滤波器；
221、321、421：电容电感电路；
401：射频信号转换匹配滤波器；
ANT：天线；
APRS1、APRS2：放大后差分信号对；
Cin1、Cin2：直流解耦合电容对；
CT1、CT2：中央抽头端；
Ctrx1、Ctrx2：电容器；
E11、E21：第一端；
E12、E22：第二端；
GND：参考接地端；
IC：芯片；
Lrx1、Lrx2：电感器；
PAD、PAD1、PAD2：焊垫；
PCB：印刷电路板；
PRS1、PRS2：处理后差分信号对；
RS1、RS2：输入差分信号对；
RXLNA：接收信号放大器；
S1：一次侧；
S2：二次侧；
SW1、SW2：开关；
TR31、TR41：变压器；
TR-SW：传输模式切换开关；
TSA1、TSA2：发射差分信号对；
TXPA：发射信号放大器；
VDDA：电源电压；
VR：参考电压端。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
请参照图1，图1示出了本发明一实施例的射频信号收发器的示意图。射频信号收发器100包括变压器110、收发信号处理器120、接收信号放大器RXLNA以及发射信号放大器TXPA。变压器110的一次侧S1的第一端E11耦接至天线ANT。变压器110的二次侧S2的两端点E21、E22收发差分信号对。收发信号处理器120的输入端耦接至变压器110的二次侧S2，用以经由二次侧S2接收输入差分信号对RS1、RS2，并输出处理后差分信号对PRS1、PRS2。接收信号放大器RXLNA耦接至收发信号处理器120的输出端，用以接收并放大处理后差分信号对PRS1、PRS2，并产生放大后差分信号对APRS1、APRS2。发射信号放大器TXPA也耦接至变压器110的二次侧S2。发射信号放大器TXPA放大所接收的差分信号对TS1、TS2，并将经放大的差分信号对TSA1、TSA2提供至变压器110的二次侧S2。
在本实施例中，变压器110作为单端信号以及差分信号对间的转换接口。在信号接收模式下，变压器110通过其一次侧S1的第一端E11接收来自于天线ANT的单端信号，并根据依据天线ANT上的单端信号在二次侧产生输入差分信号对RS1、RS2。相对的，在信号发射模式下，变压器110通过其二次侧S2的第一端E21、第二端E22接收来自发射信号放大器TXPA的发射差分信号对TSA1、TSA2，并将发射差分信号对TSA1、TSA2转换为单端信号，并通过变压器110的一次侧S1的第一端E11来传送至天线ANT。在本实施例中，变压器110的一次侧S1的第二端E12耦接至参考接地端GND。
并且，在信号发射模式下，变压器110的一次侧S1提供天线ANT匹配所需阻抗(例如50欧姆)，而变压器110的二次侧S2则提供低阻抗。通过变压器110的阻抗转换动作，不仅可提供天线ANT端的印刷电路板中的电路组件的阻抗匹配，以及谐波的滤除功能，还可以降低发射信号放大器TXPA的输出端上的阻抗，并提升功率使用效率。值得注意的是，收发信号处理器120用以执行发射信号放大器TXPA的输出频带的匹配动作。
在另一方面，在信号接收模式中，收发信号处理器120接收输入差分信号对RS1、RS2，并针对输入差分信号对RS1、RS2进行信号处理的动作来产生处理后差分信号对PRS1、PRS2。处理后差分信号对PRS1、PRS2可被提供至接收信号放大器RXLNA，并通过接收信号放大器RXLNA产生放大后差分信号对APRS1、APRS2。值得注意的，收发信号处理器120用以执行接收信号放大器RXLNA的输入频带的匹配动作。
更值得注意的，通过变压器110，本发明实施例的射频信号收发器100被实现为全差分结构，因此可降低射频信号收发器100中电路组件所需要的电源电压电平，减少功率消耗。并且，通过采用差分信号对，不仅可提升收发信号质量和抗噪声干扰能力，还可提升射频信号收发器100的工作效率。
请参照图2，图2示出了本发明另一实施例的射频信号收发器的示意图。射频信号收发器200包括变压器210、收发信号处理器220、接收信号放大器RXLNA以及发射信号放大器TXPA。在本实施例中，收发信号处理器220包括直流解耦合电容对Cin1、Cin2、传输模式切换开关TR-SW以及电容电感电路221。直流解耦合电容对Cin1、Cin2的第一端分别耦接至变压器210的二次侧S2的两端点E21、E22，其第二端耦接至电容电感电路221。直流解耦合电容对Cin1、Cin2分别滤除第一端E21、第二端E22上信号(输入差分信号对RS1、RS2)中的直流电平，并将输入差分信号对RS1、RS2中的交流电平传送至电容电感电路221。通过直流解耦合电容对Cin1、Cin2可以使电容电感电路221、传输模式切换开关TR-SW以及接收信号放大器RXLNA不用工作在相对高的电压电平下，有效降低功率消耗，并能避免接收信号放大器RXLNA中高频低压器件的击穿。
电容电感电路221包括电感器Lrx1、Lrx2以及电容器Ctrx1、Ctrx2。电容器Ctrx1耦接在直流解耦合电容对Cin1、Cin2的第二端间，电感器Lrx1的第一端耦接至电容器Ctrx1的第一端，电感器Lrx2的第一端耦接至电容器Ctrx1的第二端，电感器Lrx1的第二端耦接至电容器Ctrx2的第一端，电感器Lrx2的第二端耦接至电容器Ctrx2的第二端，电容器Ctrx2的两端还耦接至传输模式切换开关TR-SW。
电容器Ctrx2与传输模式切换开关TR-SW耦接的两端点另耦接至接收信号放大器RXLNA的二输入端。电容器Ctrx2与传输模式切换开关TR-SW耦接的两端点提供处理后差分信号对PRS1、PRS2至接收信号放大器RXLNA。传输模式切换开关TR-SW在信号发射模式下被接通，使电容器Ctrx2两端短路至参考电压端VR。在另一方面，传输模式切换开关TR-SW在信号接收模式下断开，则使参考电压端VR断开与电容器Ctrx2和信号放大器RXLNA之间的连接。具体而言，在信号发射模式中，传输模式切换开关TR-SW使电容器Ctrx2两端共同被短路至参考电压端VR，并使接收信号放大器RXLNA的两个输入端接收相同电平的输入电压(等于参考电压端VR上的电压电平)。参考电压端VR可以例如为参考接地端，则其电压为参考接地电压(例如为0伏特)，但本申请不限于此，参考电压端的电压也可以为其他合适的值。在这种情况下，接收信号放大器RXLNA可以不工作，且发射信号放大器TXPA输出的信号在收发信号处理器220中被有效衰减，可避免接收信号放大器RXLNA中高频低压器件的击穿。
相对的，在信号接收模式下，传输模式切换开关TR-SW则使上述的二传输端点与参考电压端VR断路。在这种情况下，处理后差分信号对PRS1、PRS2可以顺利的被传送至接收信号放大器RXLNA的两个输入端，并有效产生放大后差分信号对APRS1、APRS2。在信号接收模式中，发射信号放大器TXPA被关闭，发射信号放大器TXPA的输出端呈现高阻抗的状态。
具体地，传输模式切换开关TR-SW可以由两个开关SW1、SW2来构成。开关SW1耦接在电容器Ctrx2的第一端与参考电压端VR间。开关SW2则耦接在参考电压端VR与电容器Ctrx2的第二端间。开关SW1、SW2可根据射频信号收发器200是工作在信号接收模式下还是工作在信号发射模式下而被导通或切断。
在本实施例中，电容器Ctrx1以及Ctrx2为可编程的可变电容器。在信号接收模式下，可通过改变电容器Ctrx1以及Ctrx2的电容值，搭配电感器Lrx1、Lrx2以及接收信号放大器RXLNA的输入阻抗，执行接收信号放大器RXLNA的输入频带的匹配动作。以及在信号发射模式下，可通过改变电容器Ctrx1以及Ctrx2的电容值，搭配电感器Lrx1、Lrx2以及发射信号放大器TXPA的输出阻抗，执行发射信号放大器TXPA输出频带的匹配动作。
与图1实施例不相同的，天线ANT以及变压器210间可设置有射频匹配滤波器201。射频匹配滤波器201耦接至天线ANT，并耦接至变压器210一次侧S1的第一端E11。另外，变压器210的二次侧S2的中央抽头端CT2可连接电源电压VDDA。
值得一提的是，本实施例中，接收信号放大器RXLNA可以为可变增益的低噪声放大器，以及发射信号放大器TXPA可以为可变增益的放大器。另外，电容器Ctrx1、Ctrx2的电容值可以是相同的，电感器Lrx1、Lrx2的电感值也可以是相同的。另外，变压器210的一次侧S1与二次侧S2间的电压转换比可以是n:1，n可以为任意实数。
本实施例的射频信号收发器200可设置在集成电路芯片IC中，天线ANT以及射频匹配滤波器201可设置在印刷电路板PCB上。射频信号收发器200与射频匹配滤波器201可通过芯片IC上的焊垫PAD相耦接。
请参照图3，图3示出了本发明另一实施例的射频信号收发器的示意图。射频信号收发器300包括变压器310、收发信号处理器320、接收信号放大器RXLNA以及发射信号放大器TXPA。变压器310的一次侧S1经由射频匹配滤波器301耦接至天线ANT。
与图2实施例不相同之处在于，收发信号处理器320中所包括的电容电感电路321中，电感器的功能由变压器TR31提供。通过利用变压器TR31来代替电感器，可有效降低射频信号收发器300的电路布局面积，降低产品的成本。在本实施例中，变压器TR31的电压转换比可以为1:1。
请参照图4，图4示出了本发明另一实施例的射频信号收发器的示意图。射频信号收发器400包括变压器410、收发信号处理器420、接收信号放大器RXLNA以及发射信号放大器TXPA。收发信号处理器420包括直流解耦合电容对Cin1、Cin2、传输模式切换开关TR-SW以及电容电感电路421，电容电感电路421则包括电容器Ctrx1、Ctrx2以及变压器TR41。
与图2、3的实施例不相同之处在于，射频信号收发器400中，变压器410的一次侧S1的两端E11、E12，分别通过芯片IC的焊垫PAD1、PAD2耦接至射频信号转换匹配滤波器401的一端。射频信号转换匹配滤波器401的另一端耦接至天线ANT。在本实施例中，天线ANT上的单端信号与射频信号收发器400上的差分信号对，是通过射频信号转换匹配滤波器401来进行格式转换的。射频信号转换匹配滤波器401可与天线ANT共同设置在印刷电路板PCB上。
此外，变压器410一次侧S1的中央抽头端CT1可耦接至芯片IC上的参考接地端GND。如此一来，来自于芯片IC以及印刷电路板PCB上的共同模式(common mode)的噪声以及杂散频谱，可以因本申请实现的全差分信号的输入/输出(在印刷电路板PCB以及芯片IC间)，而更有效的被排除。而具有低寄生电容的焊垫PAD1、PAD2，即便在没有设置静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)防护组件的条件下，仍可以被设置在芯片IC上，并具有相对大的频带宽，且易于实现宽频带匹配，提升射频信号收发器400的性能。此外，通过耦接至芯片IC上的参考接地端GND的中央抽头端CT1，焊垫PAD1、PAD2与参考接地端GND间具有相对低的阻抗，可提供优秀的静电放电防护能力。
综上所述，本发明的射频信号收发器通过变压器的电压转换动作，使射频信号收发器为全差分结构。可有效降低功率消耗，提升收发信号质量和抗噪声干扰能力，易于实现宽频带匹配及优秀的静电放电防护，并有效降低电路成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种射频信号收发器，其特征在于，包括：
第一变压器，通过一次侧的第一端耦接至天线，所述第一变压器的二次侧的两端点收发差分信号对；
收发信号处理器，接收所述第一变压器的所述二次侧的输入差分信号对，并产生处理后差分信号对；
接收信号放大器，耦接所述收发信号处理器，用以接收并放大所述处理后差分信号对；以及
发射信号放大器，耦接所述第一变压器的所述二次侧，提供发射差分信号对至所述第一变压器的所述二次侧。
2.根据权利要求1所述的射频信号收发器，其特征在于，所述收发信号处理器用以执行所述接收信号放大器的输入频带的匹配动作以及所述发射信号放大器的输出频带的匹配动作。
3.根据权利要求1所述的射频信号收发器，其特征在于，所述收发信号处理器包括：
传输模式切换开关，耦接至传输所述处理后差分信号对的二传输端点，
所述传输模式切换开关在信号发射模式使所述二传输端点短路至参考电压端，所述传输模式切换开关在信号接收模式使所述二传输端点与所述参考电压端断路。
4.根据权利要求1所述的射频信号收发器，其特征在于，所述收发信号处理器包括：
直流解耦合电容对，分别耦接至所述第一变压器的二次侧的两端点；以及
电容电感电路，耦接至所述直流解耦合电容对，通过所述直流解耦合电容对以接收所述输入差分信号对，并产生所述处理后差分信号对。
5.根据权利要求1所述的射频信号收发器，其特征在于，所述电容电感电路包括：
第一电容器，耦接在所述直流解耦合电容对间；
第一电感器，具有第一端耦接至所述第一电容器的第一端；
第二电感器，具有第一端耦接至所述第一电容器的第二端；以及
第二电容器，耦接在所述第一电感器的第二端以及所述第二电感器的第二端间，
其中，所述第一电感器的所述第二端以及所述第二电感器的所述第二端提供所述处理后差分信号对。
6.根据权利要求5所述的射频信号收发器，其特征在于，所述第一电容器以及所述第二电容器为可变电容器。
7.根据权利要求5所述的射频信号收发器，其特征在于，所述第一电感器以及所述第二电感器形成第二变压器。
8.根据权利要求4所述的射频信号收发器，其特征在于，所述电容电感电路用以执行所述接收信号放大器的输入频带的匹配动作以及所述发射信号放大器的输出频带的匹配动作。
9.根据权利要求1所述的射频信号收发器，其特征在于，所述第一变压器的所述一次侧的第二端耦接至参考接地端。
10.根据权利要求1所述的射频信号收发器，其特征在于，所述第一变压器的所述一次侧的所述第一端以及第二端由所述天线接收及发射差分信号对，所述第一变压器的所述一次侧的中央抽头端耦接至参考接地端。
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