CN115776309A - 一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信集成电路技术领域，具体公开了一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，包括：建立发射电路PA的输出端口和接收电路LNA的差分输入端口；将射频放大器PA输出端通过匹配电路与天线连接，在T型低通滤波1和T型低通滤波2之间设置节点A；将节点A通过单端转差分匹配电路连接到接收电路LNA的差分输入端口。本发明利用电感电容的串并联特性，采用直连的匹配方法，结合芯片内部开关的切换，在T型低通滤波1和T型低通滤波2之间设置节点A，将芯片射频前端的发射和接收电路连接在一起，能有效隔离发射和接收信号路径之间的相互影响，实现天线开关的功能，并有效地简化了外围应用电路，节约了成本。

Description

一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法

技术领域

本发明属于通信集成电路技术领域，特别涉及一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法。

背景技术

时分双工是利用时间分隔技术，只使用一个频率来发射和接收信号。因此时分双工无线收发芯片只需一个天线，通过控制天线开关使收发芯片分时工作于发射或接收模式。无线收发芯片射频前端都包含射频功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）,分别负责发射无线信号到天线和从天线接收无线信号并放大到内部电路。根据最大功率传输要求，为有效的发射和接收无线信号，射频前端和天线之间需要阻抗匹配。无线收发芯片的传统匹配电路通过天线开关将射频前端的发射和接收电路连接在一起。

天线开关是用于切换射频信号通路的电子开关，现有匹配技术如图1所示的无线收发芯片带天线开关的匹配应用电路图。当无线收发芯片发射时，天线开关切换到TX位置，射频放大器PA，通过匹配元件Lchock,C1,L1,π型低通滤波1，天线开关，π型低通滤波2连接到天线，通过天线辐射电磁波信号。当无线收发芯片接收时，天线开关切换到RX位置，从天线接收的电磁波信号，通过π型低通滤波2，天线开关，单端转差分匹配电路输入到内部差分LNA电路。

上述天线开关插入损耗小，隔离度高，能有效隔离发射和接收路径之间的相互干扰。但是天线开关价格昂贵，外围应用复杂，因为天线开关是一个有源器件，它每个端口需要外接隔直电容来隔离直流信号，而且它需要两个逻辑控制信号来实现开关的切换，因此要占用芯片两个IO口的资源。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，包括：建立发射电路PA的输出端口TX和接收电路LNA的差分输入端口RXP、RXN，输入端包括两个NMOS开关管NMp和NMn，所述NMp和NMn的栅极由TX_en控制，源极接地，漏极分别接RXP、RXN输入端；将射频放大器PA输出端TX通过匹配电路与天线连接，包括将匹配元件Lchock、C1、T型低通滤波1、T型低通滤波2连接到天线；在所述T型低通滤波1和T型低通滤波2之间设置节点A；将所述节点A通过单端转差分匹配电路连接到接收电路LNA的差分输入端口RXP、RXN；将芯片射频前端的发射电路与接收电路连接，完成直连匹配。

进一步的，所述T型低通滤波1包括电感L1、电感L2、电容C2；所述电感L1和电感L2串联，所述电容C2连接在所述电感L1和电感L2之间。所述T型低通滤波2包括电感L3、电感L4、电容C3；所述电感L3和电感L4串联，所述电容C3连接在所述电感L3和电感L4之间。所述天线、T型低通滤波2、T型低通滤波1、C1串联连接到射频放大器PA的输出端口TX,所述输出端口TX与地之间存在寄生电容Cpar。

进一步的，所述RXP、RXN的输入端连接单端转差分匹配电路，所述单端转差分匹配电路包括三个电感L5、L6、L7和两个电容C4、C5；电感L5连接在输入端口RXP、RXN之间；电感L6连接在输入端RXP和地之间；电容C4连接在输入端RXN和地之间；电感L7连接在输入端RXN和节点A之间；电容C5连接在输入端RXP和节点A之间；在芯片处在发射模式时，TX_en="1",所述开关管NMp和NMn导通，芯片输入端口RXP、RXN被开关管连接到地，所述电感L7和电容C5形成并联谐振；当芯片处在接收模式时，TX_en="0",所述开关管NMp和NMn断开，所述LNA正常工作于接收模式。

进一步的，所述节点A位于所述电感L2和所述电感L3之间。

进一步的，所述电感L1、电容C1和寄生电容Cpar形成串联谐振，匹配时包括：

先测量TX端对地的寄生电容值Cpar，这个寄生电容和电容C1串联，再和电感L1形成串联谐振；

根据串联谐振公式：

选择合适的元器件值，使电感L1、电容C1和寄生电容Cpar串联谐振在射频工作频率。

本发明的有益效果是：本发明利用电感电容的串并联特性，采用直连的匹配方法，结合芯片内部开关的切换，在T型低通滤波1和T型低通滤波2之间设置节点A，将芯片射频前端的发射电路和接收电路连接在一起，能有效隔离发射和接收信号路径之间的相互影响，实现天线开关的功能，并有效地简化了外围应用电路，节约了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术中无线收发芯片带天线开关的匹配应用电路图；

图2示出了本发明实施例中一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法的流程图；

图3示出了本发明实施例中无线收发芯片直连匹配应用电路图；

图4示出了本发明实施例中在发射模式时直连匹配等效应用电路图；

图5示出了本发明实施例中在接收模式时直连匹配等效应用电路图。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，一对本发明实施例中的技术方案进行清楚、一完整地说明，显然，一所描述的实施例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做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。

本发明实施例中提出的一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，主要利用电感电容的串并联特性，采用直连的匹配方法，结合芯片内部开关的切换，将芯片射频前端的发射电路和接收电路连接在一起，能有效隔离发射和接收信号路径之间的相互影响，实现天线开关的功能，并有效地简化了外围应用电路，节约了成本。

如图2所示的，具体步骤包括：

S1、建立发射电路PA的输出端口TX和接收电路LNA的差分输入端口RXP、RXN，输入端包括两个NMOS开关管NMp和NMn，所述NMp和NMn的栅极由TX_en控制，源极接地，漏极分别接RXP、RXN输入端；

S2、将射频放大器PA输出端TX通过匹配电路与天线连接，包括将匹配元件Lchock、C1、T型低通滤波1、T型低通滤波2连接到天线；

S3、在所述T型低通滤波1和T型低通滤波2之间设置节点A；

S4、将所述节点A通过单端转差分匹配电路连接到接收电路LNA的差分输入端口RXP、RXN；

S5、将芯片射频前端的发射电路与接收电路连接，完成直连匹配。

进一步的，其电路结构如图3所示的无线收发芯片直连匹配应用电路图。

芯片内部接收电路LNA的差分输入端口RXP、RXN，设计有两个NMOS开关管NMp和NMn，它们的栅极由TX_en控制，源极接地，漏极分别接RXP、RXN输入端。

RXP、RXN的输入端连接单端转差分匹配电路，单端转差分匹配电路包括电感L7和电容C5，电感L7连接在输入端RXN和节点A之间；电容C5连接在输入端RXP和节点A之间。

一、在芯片处在发射模式时，TX_en="1",开关管NMp和NMn导通，芯片端口RXP、RXN被开关管连接到地，电感L7和电容C5形成并联谐振；

二、当芯片处在接收模式时，TX_en="0",开关管NMp和NMn断开，LNA正常工作于接收模式。

无线收发芯片工作于发射模式时的匹配等效电路如图4所示。图中，天线、T型低通滤波2、T型低通滤波1、C1串联连接到射频放大器PA的输出端口TX,输出端口TX与地之间存在寄生电容Cpar。其中T型低通滤波1包括电感L1、电感L2、电容C2；电感L1和电感L2串联，电容C2连接在电感L1和电感L2之间。T型低通滤波2包括电感L3、电感L4、电容C3；电感L3和电感L4串联，电容C3连接在电感L3和电感L4之间。

当无线收发芯片发射时，射频放大器PA，通过匹配元件Lchock,C1,T型低通滤波1，T型低通滤波2连接到天线，通过天线辐射电磁波信号。

图中节点A位于电感L2和L3之间，节点A对地有一个电感L7电容C5形成的并联谐振支路，理论上它们的值并联谐振在射频工作频率，相当于开路，因电感电容元器件本身的Q值有限，图中节点A与LNA输入端口RXP、RXN之间会呈现一个高阻电阻，电感和电容元器件本身的Q值越高，则并联谐振呈现的高阻电阻越大，对发射功率的泄漏就越小。

通过上面的方法就能在芯片发射时，实现发射电路和接收电路之间的隔离。

当无线收发芯片工作在接收模式时，TX_en="0",开关管NMp和NMn断开，LNA正常工作于接收模式。观察直连匹配电路应用图，分析图中节点A到TX端口之间的支路，扼流电感Lchoke在射频工作频率表现为高阻，可忽略它的影响。

先假定电感L1和电容C1串联谐振在射频工作频率，理论上串联谐振相当于短路，那么TX端对地的寄生电容Cpar和电容C2并联，再和电感L2形成一个串联谐振支路，如果它们的值串联谐振在射频工作频率附近，那么从天线接收到的信号经过节点A将会大部分通过这条串联谐振支路旁路到地，LNA将接收不到有用的天线信号，这是直连匹配最需要注意避免的重点。

为了让节点A到TX端口间的支路呈现高阻，首先让电感L1、电容C1和寄生电容Cpar形成串联谐振。在匹配时，先测量TX端对地的寄生电容值Cpar，这个寄生电容和电容C1串联，再和电感L1形成串联谐振。根据串联谐振公式：

选择合适的元器件值，就可以使电感L1、电容C1和寄生电容Cpar串联谐振在射频工作频率。根据电感电容串联谐振特性，那么节点B相当于短路到地，直连匹配连接节点A对地的阻抗就是电感L2的感抗。

无线收发芯片工作于接收模式时的匹配等效电路如图5所示。图中，天线、T型低通滤波2、单端转差分匹配电路串联连接到LNA差分输入端口RXP和RXN。其中，单端转差分匹配电路包括三个电感L5、L6、L7和两个电容C4、C5；电感L5连接在输入端口RXP、RXN之间；电感L6连接在输入端RXP和地之间；电容C4连接在输入端RXN和地之间；电感L7连接在输入端RXN和节点A之间；电容C5连接在输入端RXP和节点A之间。

当无线收发芯片工作在接收模式时，从天线接收的电磁波信号，经过T型低通滤波2，单端转差分匹配电路输入到端口RXP、RXN，进入LNA进行信号放大。

如图5所示，电感L1、电容C1和寄生电容Cpar形成串联谐振，使节点B短路到地，那么节点A对地的感抗为：

它会分流掉一部分接收到的天线信号。

为了使分流掉的这部分信号尽可能小，在设计T型低通滤波器1的匹配参数时，电感L2尽量采用大的电感值，使节点A对地的感抗更大；同时在设计T型低通滤波器2时，在进行阻抗转换时，将节点A的阻抗设计的比较小，在射频工作频率远低于电感L2的感抗。那么从天线接收到的无线信号，将会大部分从节点A通过单端转差分电路进入LNA。通过上面方式就能在芯片接收时，完成接收电路和发射电路之间的隔离。

本发明实例的直连匹配方法在发射模式时，通过开关将接收输入端口接地，利用电感电容并联谐振的特性，使节点A对地呈现高阻，实现发射电路和接收电路的隔离；在接收模式时，通过计算选择合适的元器件值，利用电感电容串联谐振的特性，使节点B短路到地，从而节点A对地也呈现高阻，实现接收电路和发射电路的隔离。从而实现了天线开关的功能，有效地简化了外围应用电路，节约了成本。

尽管参照前述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精神和范围。

Claims (7)

1.一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，其特征在于，包括：

建立发射电路PA的输出端口TX和接收电路LNA的差分输入端口RXP、RXN，包括两个NMOS开关管NMp和NMn，所述NMp和NMn的栅极由TX_en控制，源极接地，漏极分别接RXP、RXN输入端；

将射频放大器PA的输出端TX通过匹配电路与天线连接，包括将匹配元件Lchock、C1、T型低通滤波1、T型低通滤波2连接到天线；

在所述T型低通滤波1和T型低通滤波2之间设置节点A；

将所述节点A通过单端转差分匹配电路连接到接收电路LNA差分输入端口RXP、RXN；

将芯片射频前端的发射电路与接收电路连接，完成直连匹配。

2.根据权利要求1所述的一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，其特征在于，所述T型低通滤波1包括电感L1、电感L2、电容C2；所述电感L1和电感L2串联，所述电容C2连接在所述电感L1和电感L2之间。

3.根据权利要求2所述的一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，其特征在于，所述T型低通滤波2包括电感L3、电感L4、电容C3；所述电感L3和电感L4串联，所述电容C3连接在所述电感L3和电感L4之间。

4.根据权利要求3所述的一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，其特征在于，所述天线、T型低通滤波2、T型低通滤波1、C1串联连接到射频放大器PA的输出端口TX，所述输出端口TX与地之间存在寄生电容Cpar。

5.根据权利要求4所述的一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，其特征在于，所述RXP、RXN的输入端连接单端转差分匹配电路，所述单端转差分匹配电路包括三个电感L5、L6、L7和两个电容C4、C5；电感L5连接在输入端口RXP、RXN之间；电感L6连接在输入端RXP和地之间；电容C4连接在输入端RXN和地之间；电感L7连接在输入端RXN和节点A之间；电容C5连接在输入端RXP和节点A之间；

在芯片处在发射模式时，TX_en="1",所述开关管NMp和NMn导通，芯片输入端口RXP、RXN被开关管连接到地，所述电感L7和电容C5形成并联谐振；

当芯片处在接收模式时，TX_en="0",所述开关管NMp和NMn断开，所述LNA正常工作于接收模式。

6.根据权利要求4所述的一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，其特征在于，所述节点A位于所述电感L2和所述电感L3之间。

7.根据权利要求6所述的一种时分双工无线收发芯片的直连匹配方法，其特征在于，所述电感L1、电容C1和寄生电容Cpar形成串联谐振，匹配时包括：

先测量TX端对地的寄生电容值Cpar，这个寄生电容和电容C1串联，再和电感L1形成串联谐振；

根据串联谐振公式：

选择合适的元器件值，使电感L1、电容C1和寄生电容Cpar串联谐振在射频工作频率。

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