CN113225098A - 一种射频收发模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频收发模块，该射频收发模块包括天线、发射端电路、接收端电路以及隔直电容；所述发射端电路用于放大待发射的射频信号的功率，所述接收端电路用于放大接收到的射频信号；所述发射端电路包括发射端射频开关以及功率放大器，所述接收端电路包括接收端射频开关以及低噪声放大器；所述天线通过隔直电容分别连接到所述发射端射频开关以及所述接收端射频开关；所述发射端射频开关和所述接收端射频开关均由FBAR部件组成。该射频收发模块结构简单、集成度高，同时具备低成本优势。

Description

一种射频收发模块

技术领域

本发明涉半导体、集成电路及无线通讯领域，尤其涉及一种射频收发模块。

背景技术

无线通信是当前人类信息交换的最重要的手段，已经成为人类不可或缺的必要元素。无线通讯包括各种固定式、移动式和便携式应用，例如双向无线电、手机、个人数码助理及无线网络，其他无线电无线通讯的例子还有GPS、车库门遥控器、无线鼠标等。在无线通信技术飞速发展的时代，通信模块的小型化是一个及其重要的研究方向。

在现有技术中，大功率TDD射频模块需要环形器，实现收发隔离。当模块发射大功率的时候，接收端处于隔离状态，确保大功率不会泄露到接收端，从而保证接收模块的安全性。

但是，现有技术仍然存在如下缺点：环形器的存在导致模块复制，集成度不高。加之环形器的成本比较高，导致整个模块成本昂贵。

因此，当前迫切需要一种射频收发模块，从而解决现有技术存在的上述难题。

发明内容

针对现存的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种射频收发模块，该射频收发模块使用FBAR部件构成的射频开关，从而提升了射频收发模块中的射频开关的结构的简洁性，从而进一步简化了射频收发模块结构、减小了射频收发模块体积并优化了射频收发模块内部电路稳定性。

本发明提供了一种射频收发模块，该射频收发模块包括发射端电路、接收端电路以及隔直电容；其中，该发射端电路用于放大待发射的射频信号的功率，该接收端电路用于放大接收到的射频信号；该发射端电路包括依次连接的发射端射频开关、第一隔直电容以及功率放大器，该接收端电路包括依次连接的接收端射频开关、第二隔直电容以及低噪声放大器；该天线通过隔直电容分别连接到该发射端射频开关以及该接收端射频开关；其中，该发射端射频开关和该接收端射频开关均由FBAR部件组成。

在一个实施例中，该发射端射频开关和该接收端射频开关是由多个FBAR部件构成的T型开关或Pi型开关。

在一个实施例中，该发射端射频开关和该接收端射频开关包括T型开关或Pi型开关或T型开关与Pi型开关的组合。

在一个实施例中，该功率放大器、该低噪声放大器、该发射端射频开关以及该接收端射频开关直接集成在一个单片集成芯片上。

在一个实施例中，该功率放大器、该低噪声放大器、该发射端射频开关以及该接收端射频开关分别制作成单片微波电路芯片，且各个单片微波电路芯片封装在一个封装内。

在一个实施例中，该单片集成芯片是Si集成电路、GaAs集成电路或GaN集成电路。

在一个实施例中，该发射端射频开关具有第一控制输入端，该接收端射频开关具有第二控制输入端，该第一控制输入端用于控制发射端电路的通断，该第二控制输入端用于控制接收端电路的通断。

在一个实施例中，该射频收发模块还包括用于模块驻波保护的微带耦合检波器。

在一个实施例中，该发射端射频开关和该接收端射频开关由铁电材料制备而成。

在一个实施例中，该铁电材料是钛酸锶钡薄膜材料。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供了一种射频收发模块，通过选用基于BST FBAR设计的射频开关以及单片集成或混合集成的集成方式，该射频收发模块简化了用于射频收发模块中的射频开关的电路结构，进一步简化了整个射频收发模块的结构，减小了体积，从而提升了应用该射频收发模块的通信设备的便携性，提升了该射频收发模块对于体积、质量敏感的设备的适用性，并降低了成本。

进一步地，本发明提供的射频收发模块还通过外置微带耦合检波器来对模块进行驻波保护，从而使得当检测到端口驻波异常时，关闭功率放大器或关闭信号的输入。

附图说明

下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：

图1示出了根据本发明的一种射频收发模块的一个实施例的电路图；

图2示出了根据本发明的一种射频收发模块的一个实施例的结构图；

图3示出了根据本发明的射频开关的一个实施例的电路结构图；

图4示出了根据本发明的射频开关的另一实施例的电路结构图；

图5示出了根据本发明的射频开关随施加电压条件而变化的开关特性的曲线图；

图6示出了根据本发明的以混合集成方式集成的一种射频收发模块的一个实施例的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种射频收发模块1，图1示出了根据本发明的一种射频收发模块的一个实施例的电路图，其结构如图2所示。

该射频收发模块1包括天线11、发射端电路12、接收端电路13以及隔直电容14，发射端电路12和接收端电路13集成在一个单片集成电路上。

发射端电路12包括发射端射频开关121、第一隔直电容以及功率放大器122，从而用于放大待发射的射频信号的功率，接收端电路13包括接收端射频开关131、第二隔直电容以及低噪声放大器132，从而用于放大接收到的射频信号。天线11通过隔直电容14分别连接到发射端射频开关121以及接收端射频开关131。

其中，发射端射频开关121和接收端射频开关131均由FBAR部件100组成。在一个实施例中，FBAR部件100是由钛酸锶钡(BST)材料制作而成的BST FBAR部件。通常情况下，BST铁电材料为中心对称结构，不具有压电特性。但在外加偏置电压的作用下，电致伸缩效应破坏了薄膜的中心对称结构，从而诱导出很强的压点特性。因此，基于BST铁电簿膜的这种性质可以制备出薄膜体声波谐振器(FBAR)具有高性能的电调射频开关。此外，基于铁电薄膜钛酸锶钡BST制备的电调FBAR设计的电调开关具有优异的特性，主要体现在以下几个方面：一、FBAR电调开关可以获得非常高的Q值，可以有效降低RF信号损坏；二、多个FBAR形成的T型或Pi开关具备具有带通滤波特性，能够实现高带宽、低插损和优异的带外抑制。从而确保整个收发模块的高质量通信需求。

在一个实施例中，发射端射频开关121和接收端射频开关131是由一个或多个FBAR部件100构成的T型开关或Pi型开关。发射端射频开关121和接收端射频开关131包括T型开关或Pi型开关或T型开关与Pi型开关的组合，即，发射端射频开关121或接收端射频开关131分别可以是T型开关或Pi型开关中的其中一种。图3和图4分别示出了根据本发明的发射端射频开关或接收端射频开关的两个实施例的电路结构图。如图3所示，基于BST FBAR设计的T型开关由3个BST FBAR和3个扼流圈构成，其中，BST FBAR为开关的核心元器件，扼流圈将RF信号与电源和地之间隔离。基于BST FBAR设计的Pi型开关如图4所示。另外，如前所述的多个T型开关和Pi型开关的组合也能够形成射频开关，而且性能更佳。

同时，发射端射频开关121具有第一控制输入端，接收端射频开关131具有第二控制输入端，第一控制输入端用于控制发射端电路的通断，第二控制输入端用于控制接收端电路的通断。具体地，参考图3和图4中的射频开关的电路结构图，以及图5中的射频开关随施加电压条件而变化的开关特性的曲线图，当第一控制输入端施加有与预设电压值对应的第一电压时，BST FBAR射频开关打开，RF in和RF out之间实现射频通路，同理，当第二控制输入端施加有与预设电压值对应的第一电压时，BST FBAR射频开关打开，RF in和RF out之间实现射频通路；相反地，当第一控制输入端没有被施加电压时，BST FBAR停止工作，则发射端射频开关121断开，发射端电路12也随之断开，当第二控制输入端没有被施加电压时，BST FBAR停止工作，则接收端射频开关131断开，接收端电路13也随之断开。

如图2所示，当射频收发模块1发射时，发射端射频开关121打开，接收端射频开关131关闭时，能够确保发射端电路12输出的大功率信号不会泄露到接收端电路13，从而保护接收端电路13不受损坏；当射频收发模块1接收时，发射端射频开关121关闭，接收端射频开关131打开时，能够确保接收到的信号不泄露到发射端电路12，从而能够提高射频收发模块1的接收效果。

在本实施例中，当处于发射模式时，向第一控制输入端施加第一电压并且不向第二控制输入端施加电压，从而使得发射端电路12导通，接收端电路13断开，进而避免发射端电路12中放大的待发射信号损坏接收端电路13中的低噪声放大器132；而当处于接收模式时，向第二控制输入端施加第一电压并且不向第一控制输入端施加电压，从而使得发射端电路12断开，接收端电路13导通，进而使得接收端电路13正常接收来自天线11的信号。

功率放大器122由第一晶体管、第一输入匹配网络以及第一输出匹配网络构成，所述低噪声放大器132由第二晶体管、第二输入匹配网络和第二输出匹配网络构成，其中，第一输入匹配网络连接到所述第一晶体管，所述第一晶体管通过所述第一输出匹配网络连接到发射端射频开关121；接收端射频开关131通过第二输入匹配网络连接第二晶体管，第二晶体管连接到第二输出匹配网络。

第一输入匹配网络包括第一匹配电容和第一匹配电感，第一输出匹配网络包括第二匹配电容和第二匹配电感，第二输入匹配网络包括第三匹配电容和第三匹配电感，第二输出匹配网络包括第四匹配电容和第四匹配电感。

各个输入、输出匹配网络的作用是使得模块中前后级的阻抗相匹配，从而使得模块获得最大的能量传递效率。具体地，输入匹配网络的作用是：将第一或第二晶体管输入阻抗匹配到预设的阻抗值，从而实现模块前级功率(或者是输入功率)无损耗的传输到第一或第二晶体管(如果没有输入匹配网络，由于晶体管与模块前级不匹配，将会造成输入信号反射回前级)。输出匹配网络的作用是为第一或第二晶体管提供一个合适的匹配网络，确保功放的频段、功率、效率、增益及线性度，进而实现信号的放大。因此，需根据功率放大器122、发射端射频开关121、接收端射频开关131以及低噪声放大器132的输入、输出阻抗，通过Smith圆图匹配工具计算第一输入匹配网络、第一输出匹配网络、第二输入匹配网络以及第二输出匹配网络中各个匹配电容和各个匹配电感的值，从而将功率放大器122、发射端射频开关121、接收端射频开关131以及低噪声放大器132的输入阻抗和输出阻抗匹配到预设的阻抗值上。在一个实施例中，预设的阻抗值为50Ω。

在一个实施例中，为了使得射频收发模块体积更适于便携并更适用于质量敏感的设配，可以通过单片集成的方式，将天线11、发射端电路12、接收端电路13以及隔直电容14集成在一起以构成该射频收发模块1，从而减小射频收发模块的体积。具体地，在一个实施例中，统一采用SiC基氮化镓材料、Si基氮化镓材料或GaAs基材料制作功率放大器122、低噪声放大器132、发射端射频开关121以及接收端射频开关131，并将上述器件以单片集成的方式直接集成在一个单片集成芯片上。

在另一实施例中，如图6所示，，还可以通过混合集成的方式，在分别将功率放大器、低噪声放大器、发射端射频开关以及接收端射频开关制作成单片微波电路芯片后，将各个单片微波电路芯片封装在一起以构成射频收发模块，从而减小射频收发模块的体积。具体地，在本实施例中，功率放大器122可以是GaN HEMT、GaAs HBT、GaAs HEMT或Si基LDMOS的集成电路；低噪声放大器LNA132可以是采用GaAs、Si的SOI制作而成的单片集成电路；发射端射频开关121以及接收端射频开关131可以是基于Si基材料，通过微机械加工(MEMS)技术制备而成的FBAR开关。FBAR可以由铁电薄膜材料钛酸锶钡制备而成的单片集成电路。将上述集成模块封装在一个封装内，从而实现混合集成。

射频收发模块1还包括用于模块驻波保护的微带耦合检波器15。微带耦合检波器15用于计算检测射频收发模块1的输出端口的驻波，并在驻波过大时关闭功率放大器122或关闭信号的输入。

本实施例提供了一种射频收发模块，通过选用基于BST FBAR设计的射频开关以及各个单片微波电路芯片混合集成的集成方式，该射频收发模块简化了用于射频收发模块中的射频开关的电路结构，进一步简化了整个射频收发模块的结构，减小了体积，从而提升了应用该射频收发模块的通信设备的便携性，并提升了该射频收发模块对于体积、质量敏感的设备的适用性；进一步地，还通过外置微带耦合检波器来对模块进行驻波保护，从而使得当检测到端口驻波异常时，关闭功率放大器或关闭信号的输入。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射频收发模块，其特征在于，所述射频收发模块包括发射端电路、接收端电路以及隔直电容；其中，所述发射端电路用于放大待发射的射频信号的功率，所述接收端电路用于放大接收到的射频信号；所述发射端电路包括依次连接的发射端射频开关、第一隔直电容以及功率放大器，所述接收端电路包括依次连接的接收端射频开关、第二隔直电容以及低噪声放大器；所述天线通过隔直电容分别连接到所述发射端射频开关以及所述接收端射频开关；其中，所述发射端射频开关和所述接收端射频开关均由FBAR部件组成。

2.根据权利要求1所述的射频收发模块，其特征在于，所述发射端射频开关和所述接收端射频开关是由一个或多个FBAR部件构成的T型开关或Pi型开关。

3.根据权利要求2所述的射频收发模块，其特征在于，所述发射端射频开关和所述接收端射频开关包括T型开关或Pi型开关或T型开关与Pi型开关的组合。

4.根据权利要求3所述的射频收发模块，其特征在于，所述功率放大器、所述低噪声放大器、所述发射端射频开关以及所述接收端射频开关直接集成在一个单片集成芯片上。

5.根据权利要求3所述的射频收发模块，其特征在于，所述功率放大器、所述低噪声放大器、所述发射端射频开关以及所述接收端射频开关分别制作成单片微波电路芯片，且各个单片微波电路芯片封装在一个封装内。

6.根据权利要求4或5所述的射频收发模块，其特征在于，所述单片集成芯片是Si集成电路、GaAs集成电路或GaN集成电路。

7.根据权利要求6所述的射频收发模块，其特征在于，所述发射端射频开关具有第一控制输入端，所述接收端射频开关具有第二控制输入端，所述第一控制输入端用于控制发射端电路的通断，所述第二控制输入端用于控制接收端电路的通断。

8.根据权利要求7所述的射频收发模块，其特征在于，所述射频收发模块还包括用于模块驻波保护的微带耦合检波器。

9.根据权利要求8所述的射频收发模块，其特征在于，所述发射端射频开关和所述接收端射频开关由铁电材料制备而成。

10.根据权利要求9所述的射频收发模块，其特征在于，所述铁电材料是钛酸锶钡薄膜材料。

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