CN114567347B - 一种射频前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种射频前端电路，其输入端口通过依次串联连接的电感L1、电容C2连接放大管S1的控制端，放大管S1的第二端接地，放大管S1的第一端分别接电感L2的第一端和电容C5的第一端，电感L2的第二端和电容C6的第一端均连接到电源电压，电容C5的第二端与电容C6的第二端相连接后连接到开关S2的一端，开关S2的另一端连接电容C7的第一端，电容C7的第二端作为所述输出端口；所述输入端口还通过一电容C3连接到开关S3的一端，开关S3的另一端还通过电容C4连接到电感L1和电容C2之间的连接点；开关S3的一端还与开关S4的一端连接，开关S4的另一端接电容C7的第一端。本发明降低了额外的插损，提高了无线收发系统的性能。

Description

一种射频前端电路

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于砷化镓的射频前端电路。

背景技术

随着通信技术以及芯片工艺的发展，集成射频开关及放大器的射频前端已成为无线射频通信系统中的重要模块之一。而砷化镓工艺是射频前端模组里常用的工艺，因为砷化镓具备高性能的跨导及耐压能力，一直是射频前端电路设计的首选工艺。

在砷化镓工艺中存在两种比较典型的器件，一种称为增强型FET器件，一般称为E管，E管具备正的阈值开启电压，通常用在放大器电路中；另一种称为耗尽型FET器件，一般称为D管，D管具备负的开启电压，同时具备优良的低插损、高线性度及低功耗特性，通常用在开关电路中。主流的砷化镓代工厂均提供同时具备E管和D管的砷化镓工艺来进行集成开关和放大器电路的射频前端芯片开发。

但在实际应用中可以观察到，D管具备一些缺点：因为其开启阈值电压为负值，因此在单电源电压体系中，往往需要在D管两端增加并联电阻偏置来提供关断必要的条件，同时增加隔直电容来避免负电压的使用，如图1所示。结合图示，11为用于开关的D管，21和22分别为源极和漏极的隔直电容，电阻31和32为提供开关管电压偏置的电阻，当栅极处的EN为低电平时开关保持关闭状态，当EN为VDD高电平时开关为打开状态；隔直电容用于将开关的偏置电压同外界电压环境隔开。

尽管偏置电阻和隔直电容的增加可以使得D管开关可以自由地应用在单电源电压环境下，但是隔直电容也会在低频时带来较大的插损，从而使得开关的整体插损增大，无法体现砷化镓D管的低插损特性。因此，迫切需要对该问题给出更优的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种改进后的射频前端电路，结合砷化镓射频前端电路中放大器和射频开关的特性，采用了一种隔直电容复用的创新结构，有效地降低了在接收模式下隔直电容引起的额外的插损，同时可以提高接收放大器的等效噪声系数，从而提高了无线收发系统的性能。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种射频前端电路，所述射频前端电路包括一输入端口（IN）以及一输出端口（OUT），还包括：

所述输入端口通过依次串联连接的第一电感41、第二电容22连接放大管11的控制端（G），放大管S1的第二端（S）接地，放大管11的第一端（D）分别接第二电感42的第一端和第五电容25的第一端，第二电感42的第二端和第六电容26的第一端均连接到电源电压VDD，第五电容25的第二端与第六电容26的第二端相连接后连接到第二开关12的一端（source），第二开关12的另一端（drain）连接第七电容27的第一端，第七电容27的第二端作为所述输出端口；

所述输入端口还通过一第三电容23连接到第三开关13的一端（source），第三开关13的另一端（drain）还通过第四电容24连接到电感41和电容22之间的连接点；第三开关13的一端还与第四开关14的一端（drain）连接，第四开关14的另一端接第七电容27的第一端；

所述射频前端电路具有两个工作模式分别如下：

当工作于发射模式时，13、14导通，12断开；当工作在接收模式时，开关13、14断开，开关12导通。

进一步的，所述输入端口耦接到一通信天线；所述输出端口作为前端模块的通信收发接口，耦合连接到无线收发电路的接收端口和发射端口。

此外，所述开关13和14的控制端接一收发切换控制信号CT，所述开关12的控制端接一使能信号EN；开关12-14采用D管，放大管11采用E管。

更进一步的，开关13的一端通过第一电容23连接到输入端口（IN）,另一端通过第二电容24连接到电感41的一端以及电容22的一端，电容C2的另一端与放大管11的栅极相连；开关13的两端还分别通过第一偏置电阻和第二偏置电阻上拉到电源电压VDD；开关12的两端还分别通过第三偏置电阻和第四偏置电阻上拉到电源电压VDD；还包括一模式切换控制器，用于提供控制信号至开关12-14的控制端。

本发明还提供了一种通信模块，其包括有一个或多个上述的射频前端电路。

本发明提供的技术方案，创造性地提出了一种新的隔直电容和偏置电阻复用的电路结构，可以减小输入隔直电容在接收模式下对性能的影响，降低额外的插损，同时不影响天线与放大器的隔直功能，提高了无线收发系统的性能。

相较于传统的射频前端电路，其有益效果具体例举如下：

1）发射通路的开关管没有直接连到输入端，而是连到接收并联旁路电路（23、24和开关管13）中的电容一端，这样可以消除一个接收链路的隔直电容；

2）同时发射通路的一个偏置电阻也可以同接收电路里的偏置电阻复用，进一步降低了额外的插损。

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为现有技术中的一种耗尽型FET器件的应用示意图；

图2为现有技术中一种采用砷化镓工艺实现的射频前端电路的示意图；

图3为本发明一实施例提供的改进后的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2所示，其示出了现有技术中一种采用砷化镓工艺实现的射频前端电路。该射频前端电路包括D管和E管两种器件，其中D管为开关管，提供低插损高线性度低功耗，用于发射模式；E管为放大器，提供放大器功能，用于接收模式。

在图2中，输入端口IN耦合连接天线，输出OUT耦合连接无线收发机，当发射模式时，开关管14导通，IN和OUT为连通状态，同时开关管13导通，电感41被串联电容23、24旁路掉，这样在输入端看到的阻抗为23和24以及11的输入电容的串联，用于11的输入电容一般远小于23//24，因此为高阻状态，这样可以减小放大管11对发射插损的影响，另外放大管11和开关管12为断开状态；当接收模式时，开关管13和14断开，放大管11和开关管12导通，电感41作为输入匹配电路的一部分来提供输出匹配，电感42，25和26提供放大器负载及输出匹配。电容21，22和27为隔直电容，电阻31,32,33,34和35为偏置电阻。21的作用是隔离天线和开关管14的偏置电压，22的作用是隔离放大管11偏置电压（一般为0.4V）和开关管14偏置电压（一般为电源电压）的相互影响。

上述电路中，21电容同时在发射和接收链路中，因此其带来的插损会同时影响发射插损和接收噪声系数，同时使得发射和接收性能下降，但是考虑到输入天线可能存在与地之间的低阻通路，该电容又是必须的。

如上所述，现有技术需要两个隔直电容来隔绝天线与射频前端电路，但是该隔直电容会引入额外的插损同时影响发射和接收。为了弥补上述不足，本发明对现有技术进行了改进，提出了一种改进后的射频前端电路并进行具体设计，具体是一种隔直电容和偏置电阻复用的电路结构，可以消除一个隔直电容的插损在接收模式下对性能的影响，同时不影响天线与放大器的隔直，提高了无线收发系统的性能。

图3示出了本发明实施例提供的改进后的射频前端电路的示意图，如图所示：所述射频前端电路包括一输入端口（IN）以及一输出端口（OUT），所述输入端口通过依次串联连接的第一电感41、第二电容22连接放大管11的控制端（例如栅极G），放大管11的第二端（例如源极 S）接地，放大管11的第一端（例如漏极D）分别接第二电感42的第一端和第五电容25的第一端，第二电感42的第二端和第六电容26的第一端均连接到电源电压VDD，第五电容25的第二端与第六电容26的第二端相连接后连接到第二开关12的一端（例如源极 source），第二开关12的另一端（例如漏极drain）连接第七电容27的第一端，第七电容27的第二端作为所述输出端口OUT；

所述输入端口IN还通过一第三电容23连接到第三开关13的一端（例如源极source），第三开关13的另一端（例如漏极drain）还通过第四电容24连接到电感41和电容22之间的连接点；第三开关S3的一端还与第四开关14的一端（例如漏极drain）连接，第四开关14的另一端接第七电容27的第一端；

其中，所述开关13和14的控制端接一收发切换控制信号CT，所述开关12的控制端接一使能信号EN；开关12-14采用D管，放大管11采用E管。并且，开关管13的两端还分别通过第一偏置电阻31和第二偏置电阻32上拉到电源电压VDD；开关管12的两端还分别通过第三偏置电阻34和第四偏置电阻35上拉到电源电压VDD。

所述射频前端电路具有两个工作模式分别如下：当工作于发射模式时，13、14导通，12断开；当工作在接收模式时，开关13、14断开，开关12导通。

通过上述结构，开关14连接天线的一端取自电容23，电容21被移除，与此同时偏置电阻33也被移除。当射频前端电路工作在发射模式时，输入信号经23、14和27到达输出端；在接收模式时，输入信号经电感41，电容22进入放大管11的输入端。改进后，由于21被移除，接收端由此额外受到的插损影响也被消除，于此同时，天线同射频前端电路的隔离并没有受到影响，IN端看到的仍然是直流高频。

基于上述射频前端电路，可以根据实际需要，将上述射频前端电路应用于各类通信模块、通信装置、通信系统中。所述输入端口耦接到一通信天线；所述输出端口作为前端模块的通信收发接口，耦合连接到无线收发电路的接收端口和发射端口。进一步，还可以额包括一模式切换控制器，用于提供控制信号至开关12-14的控制端，以进行收发模式切换。

本发明为了克服传统射频前端电路的缺陷，结合砷化镓射频前端电路中放大器和射频开关的特性，创造性地设计了一种隔直电容复用的创新电路架构，从而有效地转移了隔直电容所造成的插入损耗，同时可以提高接收放大器的等效噪声系数，改善了通信系统的收发性能。

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 (5)

1.一种射频前端电路，所述射频前端电路包括一输入端口（IN）以及一输出端口（OUT），其特征在于：

所述输入端口通过依次串联连接的第一电感L1、第二电容C2连接放大管S1的控制端（G），放大管S1的第二端（S）接地，放大管S1的第一端（D）分别接第二电感L2的第一端和第五电容C5的第一端，第二电感L2的第二端和第六电容C6的第一端均连接到电源电压VDD，第五电容C5的第二端与第六电容C6的第二端相连接后连接到第二开关S2的一端（source），第二开关S2的另一端（drain）连接第七电容C7的第一端，第七电容C7的第二端作为所述输出端口；

所述输入端口还通过一第三电容C3连接到第三开关S3的一端（source），第三开关S3的另一端（drain）还通过第四电容C4连接到电感L1和电容C2之间的连接点；第三开关S3的一端还与第四开关S4的一端（drain）连接，第四开关S4的另一端接第七电容C7的第一端；

所述射频前端电路具有两个工作模式分别如下：

当工作于发射模式时，S3、S4导通，S2断开；当工作在接收模式时，开关S3、S4断开，开关S2导通。

2.如权利要求1所述的射频前端电路，其特征在于，所述开关S3和S4的控制端接一收发切换控制信号CT，所述开关S2的控制端接一使能信号EN。

3.如权利要求1所述的射频前端电路，其特征在于，开关S3的一端通过第三电容C3连接到输入端口（IN）,另一端通过第二电容C2连接到电感L1的一端以及电容C2的一端，电容C2的另一端与放大管S1的栅极相连；开关S3的两端还分别通过第一偏置电阻和第二偏置电阻上拉到电源电压VDD；开关S2的两端还分别通过第三偏置电阻和第四偏置电阻上拉到电源电压VDD。

4.如权利要求1-3任一项所述的射频前端电路，其特征在于，还包括一模式切换控制器，用于提供控制信号至开关S2-S4的控制端。

5.一种通信模块，其包括有一个或多个如权利要求1-3任一项所述的射频前端电路。

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