CN113364482B - 一种射频收发前端 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射频收发前端，该射频收发前端包括天线、发射端电路、接收端电路、射频开关以及隔直电容，该射频开关分别连接到该发射端电路和该接收端电路，该天线通过隔直电容分别连接到该射频开关的两端，该发射端电路用于放大待发射的射频信号的功率，该接收端电路用于减少系统的噪声干扰并放大接收到的射频信号，该发射端电路和该接收端电路集成在一个封装内。通过将射频开关串联在射频收发前端的发射端电路上并将发射端电路和接收端电路集成在一起，该射频收发前端的体积得以显著减小，从而提升了射频收发前端的便携性与广泛适用性。

Description

一种射频收发前端

技术领域

本发明涉及射频收发领域，涉及一种射频收发前端。

背景技术

无线通信为人类通讯和控制通信带来了极大的便利。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，通信系统的小型化是一个重要的研究方向。

在现有技术中，大功率TDD射频系统通过采用环形器和开关的组合来实现收发隔离和发射驻波保护。由于大功率射频开关不容易实现，常常将射频开关放接收端而不串联在发射输出端，相反地，传统做法是在发射输出端口接环形器，从而起到驻波保护功能和收发隔离功能，防止发射时大信号损坏接收低噪放。

但是，现有技术仍然存在如下缺点：1.受环形器影响，现有射频前端的面积和质量往往都偏大，不利于通信设备的便携以及质量敏感的设备使用；2.在射频收发前端采用的功率放大器、低噪声放大器以及射频开关都是独立的元器件，单独封装再集成会导致布板面积较大。

因此，当前迫切需要一种射频收发前端，从而解决现有技术存在的上述问题。

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前端，该射频收发前端将射频开关、功率放大器以及低噪声放大器集成到一个封装内，减少了射频收发前端的体积并提升了射频收发前端的便携性。

本发明提供了一种射频收发前端，该射频收发前端包括天线、发射端电路、接收端电路、射频开关以及隔直电容，该射频开关分别连接到该发射端电路和该接收端电路，该天线通过隔直电容分别连接到该射频开关的两端，该发射端电路用于放大待发射的射频信号的功率，该接收端电路用于减少系统的噪声干扰并放大接收到的射频信号，该发射端电路和该接收端电路集成在一个封装内。

在一个实施例中，该射频开关为单刀双掷开关，该单刀双掷开关包括第一氮化镓器件、第二氮化镓器件、第一匹配电路以及第二匹配电路。

在一个实施例中，该第一氮化镓器件具有第一控制输入端，该第二氮化镓器件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，该发射端电路包括功率放大器以及第一隔直电容，该接收端电路包括低噪声放大器以及第二隔直电容，该功率放大器由第一输入匹配网络、第一晶体管和第一输出匹配网络构成，该低噪声放大器由第二输入匹配网络、第二晶体管和第二输出匹配网络构成，其中，该第一输入匹配网络连接到该第一晶体管，该第一晶体管通过该第一输出匹配网络、第一隔直电容和第一匹配电路连接到第一氮化镓器件；该第二氮化镓器件通过第二匹配电路、第二隔直电容和第二输入匹配网络后再连接该第二晶体管，该第二晶体管连接到该第二输出匹配网络。

在一个实施例中，该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。

在一个实施例中，根据该功率放大器、该第一氮化镓器件、该第二氮化镓器件以及该低噪声放大器的输入、输出阻抗，计算该第一输入匹配网络、该第一输出匹配网络、该第二输入匹配网络、该第二输出匹配网络、所述第一匹配电路以及所述第二匹配电路中各个匹配电容和各个匹配电感的值，从而将该功率放大器、该第一氮化镓器件、该第二氮化镓器件以及该低噪声放大器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，该功率放大器、该低噪声放大器以及该射频开关均为以Si C为衬底的氮化镓器件。

在一个实施例中，该功率放大器、该低噪声放大器以及该射频开关均为以Si为衬底的氮化镓器件。

在一个实施例中，该功率放大器为LDMOS或GaAS器件，该低噪声放大器为GaAs或GaN器件，该射频开关为氮化镓器件、该各个匹配电容采用陶瓷电容或MOS电容，该各个匹配电感采用金线电感或微带绕线电感。

在一个实施例中，该射频收发前端还包括用于系统驻波保护的微带耦合检波器。

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前端，通过将射频开关串联在射频收发前端的发射端电路上并将发射端电路和接收端电路集成在一起，该射频收发前端的体积得以显著减小，从而提升了射频收发前端的便携性与广泛适用性。

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前端的一种实施例的电路图；

图2示出了根据本发明的一种射频收发前端的另一实施例的电路图；

图3示出了根据本发明的一种射频收发前端的一种实施例的结构图；

图4示出了根据本发明的一种射频收发前端的另一实施例的结构图。

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。

具体实施例一

本实施例提供了一种射频收发前端1。图1示出了根据本发明的一种射频收发前端的一种实施例的电路图。图3示出了根据本发明的一种射频收发前端的一种实施例的结构图。如图1和图3所示，该射频收发前端1包括天线11、发射端电路12、接收端电路13、射频开关14以及隔直电容15。

具体地，发射端电路12包括功率放大器121以及第一隔直电容122，接收端电路13包括低噪声放大器131以及第二隔直电容132。其中，功率放大器121由第一输入匹配网络、第一晶体管和第一输出匹配网络构成，低噪声放大器131由第二输入匹配网络、第二晶体管和第二输出匹配网络构成。射频开关14分别连接到发射端电路12和接收端电路13，天线11通过隔直电容15分别连接到射频开关14的两端，发射端电路12用于通过功率放大器121放大待发射的射频信号的功率，接收端电路13用于通过低噪声放大器131放大接收到的射频信号并降低系统噪声，提高系统信噪比。在一个实施例中，功率放大器121、低噪声放大器131以及射频开关14均为以SiC衬底的氮化镓器件。在另一个实施例中，功率放大器121、低噪声放大器131以及射频开关14均为以Si为衬底的氮化镓器件。

射频开关14为单刀双掷开关，包括第一氮化镓器件141、第二氮化镓器件142、第一匹配电路以及第二匹配电路。

第一氮化镓器件141具有第一控制输入端，第二氮化镓器件142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12的通断，第二控制输入端用于控制接收端电路13的通断。具体地，当需要控制发射端电路12和接收端电路13的通断时，第一控制输入端和第二控制输入端根据第一控制输入端和第二控制输入端处施加的电压对射频开关14的断开和闭合进行控制。

在一个实施例中，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，进而使得发射端电路12输出放大的待输出信号，同时，这样的设定使得发射端电路12与接收端电路13在发射模式时被隔开，从而避免了放大的待输出信号损坏接收端电路13中的低噪声放大器131；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正常接收并放大来自天线11的信号。

匹配电路能实现射频开关14与天线11之间的阻抗匹配，避免射频开关14的输出阻抗与天线11的输入阻抗存在的差异导致的效率低或质量不佳的问题，从而使得系统效率和最终由天线发射的无线信号的通信距离达到最优平衡。

在射频收发前端1中，具体地，第一输入匹配网络连接到第一晶体管，第一晶体管通过第一输出匹配网络、第一隔直电容122和第一匹配电路连接到第一氮化镓器件141；第二氮化镓器件142通过第二匹配电路、第二隔直电容132和第二输入匹配网络连接到第二晶体管，第二晶体管连接到第二输出匹配网络；第一氮化镓器件141通过第一匹配电路和隔直电容15连接到天线11，第二氮化镓器件142通过第二匹配电路和隔直电容15连接到天线11。

各个输入、输出匹配网络、匹配电路的作用是使得系统中前后级的阻抗相匹配，从而使得系统获得最大的能量传递效率。因此，此处需根据功率放大器121、第一氮化镓器件141、第二氮化镓器件142以及低噪声放大器131的输入、输出阻抗，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、第二输出匹配网络、第一匹配电路以及第二匹配电路中各个匹配电容和各个匹配电感的值，从而将功率放大器121、第一氮化镓器件141、第二氮化镓器件142以及低噪声放大器131的输入阻抗和输出阻抗到预设的阻抗值上。在本实施例中，各个匹配电容和匹配电感的值通过Smith圆图匹配工具进行计算。在一个实施例中，预设的阻抗值为50Ω。

其中，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。

具有上述结构的发射端电路12和接收端电路13集成在一个封装内。在本实施例中，通过将整个射频收发前端做成SiC衬底的氮化镓单片微波集成电路，采用单片集成方式集成。在另一个实施例中，通过将整个射频收发前端做成Si衬底的氮化镓单片微波集成电路，采用单片集成方式集成。

在一个实施例中，射频收发前端1还包括用于系统驻波保护的微带耦合检波器16。微带耦合检波器16用于计算检测射频收发前端1的输出端口的驻波，并在驻波过大时关闭功率放大器121或关闭信号的输入。

本实施例提供了一种射频收发前端，通过将射频开关串联在射频收发前端的发射端电路上，并将发射端电路和接收端电路通过单片集成的方式集成在一起，该射频收发前端的体积得以显著减小，从而提升了射频收发前端的便携性与广泛适用性。

具体实施例二

本实施例提供了一种射频收发前端2。图2示出了根据本发明的一种射频收发前端的另一实施例的电路图。如图所示，该射频收发前端2包括天线21、发射端电路22、接收端电路23、射频开关24以及隔直电容25。

具体地，发射端电路22包括功率放大器221以及第一隔直电容222，接收端电路23包括低噪声放大器231以及第二隔直电容232。其中，功率放大器221由第一输入匹配网络、第一晶体管和第一输出匹配网络构成，低噪声放大器231由第二输入匹配网络、第二晶体管和第二输出匹配网络构成。射频开关24分别连接到发射端电路22和接收端电路23，天线21通过隔直电容25分别连接到射频开关24的两端，发射端电路22用于通过功率放大器221放大待发射的射频信号的功率，接收端电路23用于通过低噪声放大器231放大接收到的射频信号并降低系统噪声，提高系统信噪比。

在一个实施例中，功率放大器221为LDMOS或GaAS器件，该低噪声放大器231为GaAs或GaN器件，该射频开关24为氮化镓器件、该各个匹配电容采用陶瓷电容或MOS电容，该各个匹配电感采用金线电感或微带绕线电感。

射频开关24为单刀双掷开关，包括第一氮化镓器件241、第二氮化镓器件242、第一匹配电路以及第二匹配电路。

第一氮化镓器件241具有第一控制输入端，第二氮化镓器件242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22的通断，第二控制输入端用于控制接收端电路23的通断。具体地，当需要控制发射端电路22和接收端电路23的通断时，第一控制输入端和第二控制输入端根据第一控制输入端和第二控制输入端处施加的电压对射频开关24的断开和闭合进行控制。

在一个实施例中，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22导通，接收端电路23断开，进而使得发射端电路22输出放大的待输出信号，同时，这样的设定使得发射端电路22与接收端电路23在发射模式时被隔开，从而避免了放大的待输出信号损坏接收端电路23中的低噪声放大器231；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22断开，接收端电路23导通，进而使得接收端电路23正常接收并放大来自天线21的信号。

匹配电路能实现第一氮化镓器件241以及第二氮化镓器件242与天线21之间的阻抗匹配，避免第一氮化镓器件241以及第二氮化镓器件242的输出阻抗与天线21的输入阻抗存在的差异导致的效率低或质量不佳的问题，从而使得系统效率和最终由天线21发射的无线信号的通信距离达到最优平衡。

在射频收发前端2中，具体地，第一输入匹配网络连接到第一晶体管，第一晶体管通过第一输出匹配网络、第一隔直电容222、第一匹配电路连接到第一氮化镓器件241；第二氮化镓器件242通过第二匹配电路、第二隔直电容232、第二输入匹配网络连接到第二晶体管，第二晶体管连接到第二输出匹配网络；第一氮化镓器件241依次通过第一匹配电路和隔直电容25连接到天线21，第二氮化镓器件242依次通过第二匹配电路和隔直电容25连接到天线21。

各个输入、输出匹配网络以及匹配电路的作用是使得系统中前后级的阻抗相匹配，从而使得系统获得最大的能量传递效率。因此，此处需根据功率放大器221、第一氮化镓器件241、第二氮化镓器件242以及低噪声放大器231的输入、输出阻抗，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、第二输出匹配网络以及匹配电路中各个匹配电容和各个匹配电感的值，从而将功率放大器221、第一氮化镓器件241、第二氮化镓器件242以及低噪声放大器231的输入阻抗和输出阻抗匹配到预设的阻抗值上。在本实施例中，各个匹配电容和匹配电感的值通过Smith圆图匹配工具进行计算。在一个实施例中，预设的阻抗值为50Ω。

其中，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。

具有上述结构的发射端电路22和接收端电路23集成在一个封装内。在本实施例中，功率放大器221为LDMOS或GaAS器件，低噪声放大器231为GaAs或GaN器件，射频开关24为氮化镓器件、各个匹配电容采用陶瓷电容或MOS电容，各个匹配电感采用金线电感或微带绕线电感，通过将整个射频收发前端的各个器件采用混合集成方式集成在一个封装内。与分立元件电路相比，混合集成的电路具有组装密度大、可靠性高、电性能好等特点；相对于单片集成电路，它设计灵活，工艺方便，便于多品种小批量生产；并且，其元件参数范围宽、精度高、稳定性好，可以承受较高电压和较大功率。

除上述外，图4示出了根据本发明的一种射频收发前端的另一实施例的结构图。如图4所示，射频收发前端2还包括用于系统驻波保护的微带耦合检波器26。微带耦合检波器26用于计算检测射频收发前端2的输出端口的驻波，并在驻波过大时关闭功率放大器221或关闭信号的输入。

本实施例提供了一种射频收发前端，通过将射频开关串联在射频收发前端的发射端电路上，并将发射端电路和接收端电路通过混合集成的方式集成在一起，该射频收发前端的体积得以显著减小，从而提升了射频收发前端的便携性与广泛适用性。

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 (8)

1.一种射频收发前端，其特征在于，所述射频收发前端包括天线、发射端电路、接收端电路、射频开关以及隔直电容，所述射频开关分别连接到所述发射端电路和所述接收端电路，所述天线通过隔直电容分别连接到所述射频开关的两端，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减少系统的噪声干扰并放大接收到的射频信号，所述发射端电路和所述接收端电路集成在一个封装内；所述射频开关为单刀双掷开关，所述单刀双掷开关包括第一氮化镓器件、第二氮化镓器件、第一匹配电路以及第二匹配电路；所述第一氮化镓器件具有第一控制输入端，所述第二氮化镓器件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；所述射频收发前端做成SiC衬底或Si衬底的氮化镓单片微波集成电路，采用单片集成方式集成。

2.根据权利要求1所述的射频收发前端，其特征在于，所述发射端电路包括功率放大器以及第一隔直电容，所述接收端电路包括低噪声放大器以及第二隔直电容，所述功率放大器由第一输入匹配网络、第一晶体管和第一输出匹配网络构成，所述低噪声放大器由第二输入匹配网络、第二晶体管和第二输出匹配网络构成，其中，所述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、所述第一隔直电容和所述第一匹配电路连接到所述第一氮化镓器件；所述第二氮化镓器件通过所述第二匹配电路、所述第二隔直电容和第二输入匹配网络连接所述第二晶体管，所述第二晶体管连接到所述第二输出匹配网络。

3.根据权利要求2所述的射频收发前端，其特征在于，所述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。

4.根据权利要求3所述的射频收发前端，其特征在于，根据所述功率放大器、所述第一氮化镓器件、所述第二氮化镓器件以及所述低噪声放大器的输入、输出阻抗，计算所述第一输入匹配网络、所述第一输出匹配网络、所述第二输入匹配网络、所述第二输出匹配网络、所述第一匹配电路以及所述第二匹配电路中各个匹配电容和各个匹配电感的值，从而将所述功率放大器、所述第一氮化镓器件、所述第二氮化镓器件以及所述低噪声放大器的输入阻抗和输出阻抗匹配到预设的阻抗值上。

5.根据权利要求4所述的射频收发前端，其特征在于，所述功率放大器、所述低噪声放大器以及所述射频开关均为以SiC为衬底的氮化镓器件。

6.根据权利要求4所述的射频收发前端，其特征在于，所述功率放大器、所述低噪声放大器以及所述射频开关均为以Si为衬底的氮化镓器件。

7.根据权利要求4所述的射频收发前端，其特征在于，所述功率放大器为LDMOS或GaAS器件，所述低噪声放大器为GaAs或GaN器件，所述射频开关为氮化镓器件、所述各个匹配电容采用陶瓷电容或MOS电容，所述各个匹配电感采用金线电感或微带绕线电感。

8.根据权利要求1-7任一项所述的射频收发前端，其特征在于，所述射频收发前端还包括用于系统驻波保护的微带耦合检波器。

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