CN116015342B - 一种收发天线共用的射频收发前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种收发天线共用的射频收发前端电路，包括：天线端口用于与收发天线耦合连接，输入端口将发射链路连接在输出巴伦的初级侧，所述输出巴伦的次级侧第一端作为所述天线端口，第二端通过第一射频开关接地；所述输出巴伦的次级侧的所述第二端还分别连接第一电容、的第一端和第二电容的第一端，所述第一电容的第二端作为输出端口与接收链路相连，第二电容的第二端通过第二射频开关接地；当工作于发射模式时，第一射频开关和第二射频开关均导通，当工作在接收模式时，第一射频开关和第二射频开关均断开，收发天线上的接收信号被提供给接收链路。本发明解决了发射和接收模式相互影响性能的问题，噪声系数低、可靠性高、适用频段广。

Description

一种收发天线共用的射频收发前端电路

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种收发天线共用的射频收发前端电路。

背景技术

无线收发器（Radio Transceiver），是通信电路设计的核心器件之一，与射频电路的关系比较密切，因而也容易受射频设计的影响。当前主流通信场景下，由于无线通信的频率较高，从无线收发器到天线的走线较长，采用昂贵的高频PCB不符合市场和消费端趋势，因此，将功率放大器、低噪声放大器以及收发切换开关集成为一颗射频前端芯片已经成为必然趋势。

为了节省空间及成本，时分及双工通信的无线收发机一般采用共用天线，即发射模式和接收模式共用同一个天线，在无线收发机工作在时分通信模式的时候，必然会带来一个问题：接收和发射模式相互影响性能：当工作在接收模式的时候，发射模式必须保持关闭状态且不能恶化接收链路的噪声系数，否则接收性能会受到严重影响；当工作在发射模式的时候，接收模式不能影响发射功率，否则发射性能会受到严重影响，除此之外，由于发射信号的功率比较大，如果泄露到接收链路，有可能会造成接收部分的可靠性下降，严重的时候往往会造成失效甚至击穿等功能性严重问题。

如图1所示，现有技术中提出了一种同时在单芯片上实现无线收发机发射和接收的前端电路结构，但该结构接收和发射模式的性能很大程度上依赖于电容Cc的数值，而且仅能使用在较低频率的无线收发机上，对收发时序的要求较高，还存在着较大的泄露干扰，因而也就限制了上述结构的适用范围。

因此，迫切需要对现有收发天线共用的结构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收发天线共用的射频收发前端电路，解决了时分/频分通信无线收发机中发射和接收模式相互影响性能的问题，同时保证了接收端在发射模式下的高可靠性，使得功率放大器低输出功率模式的高效率和低噪声放大器低增益模式的低噪声系数可以同时达到。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种收发天线共用的射频收发前端电路，所述前端电路包括一输入端口（IN）、一输出端口（OUT）以及一天线端口（Ant），所述天线端口用于与收发天线耦合连接；

还包括一输出巴伦（L1），第一射频开关（S1）、第二射频开关（S2），第一电容（Cc）、第二电容(Ct)；其中，所述输入端口将发射链路连接在输出巴伦的初级侧，所述输出巴伦的次级侧第一端作为所述天线端口，第二端通过第一射频开关接地；所述输出巴伦的次级侧的所述第二端还分别连接第一电容、的第一端和第二电容的第一端，所述第一电容的第二端作为所述输出端口与接收链路相连，第二电容的第二端通过第二射频开关接地；

所述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，第一射频开关和第二射频开关均导通，发射链路上的发射信号通过收发天线发出；当工作在接收模式时，第一射频开关和第二射频开关均断开，收发天线上的接收信号被提供给接收链路。

进一步的，发射电路的功率放大器输出端连接到所述输入端口；具体是，功率放大器的漏极提供发射信号到所述输出巴伦的初级侧。

进一步的，所述第一射频开关和第二射频开关的控制端由时序控制模块控制；时序控制模块的输出连接至所述第一射频开关和第二射频开关的所述控制端用于提供收发切换控制信号，同时所述时序控制模块的输出还通过一反相器连接到功率放大器的使能端，保证了射频开关先于功率放大器被接通。

进一步的，所述输出端口连接到匹配网络的输入端，所述匹配网络的输出端通过低噪声放大器实现接收信号的放大处理；所述输出巴伦的次级侧和所述第一电容Cc构成接收链路的输入匹配部分，二者被谐振在接收频段。

本发明提供了一种射频收发芯片，集成有一个或多个上述的射频收发前端电路。所述芯片中还可以进一步集成有功率放大器、低噪声放大器。

本发明所提供的技术方案，创造性地提出了一种新的高效可靠的射频收发前端电路，其有益效果具体例举如下：

本发明的电路结构，将接收链路的输入端口，从巴伦次线圈的天线端口挪动到接地一端，此时Cc不再作为天线端口的负载和接收链路的隔直之间的取舍；该电路结构可采用较大的隔直电容Cc来减小接收链路的插损，此时无需作为发射模式的负载，从而该结构不受应用频率的限制。

本发明一方面开关信号经反相后再使能功率放大器使得进一步降低了泄露风险，另一方面由于此时接收端口靠近接地端，信号幅度远远小于天线端口的信号幅度，这样大大减小了发射功率泄露到接收链路容易引起的可靠性问题。

本发明采用双开关结构，开关S1、S2实现了巴伦次线圈端口的低阻抗，开关S2进一步用来降低接收端口的信号幅度，避免可靠性问题。

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为现有技术中的一射频收发前端电路的示意图；

图2为本发明一实施例提供的改进后的射频收发前端电路的示意图；

图3为本发明射频收发前端电路的应用示意图。

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1所示，其示出了现有技术中同时在单芯片上实现无线收发机发射和接收的前端电路的示意图，该前端电路主要包括功放输出巴伦、电容Cc，射频开关。结合图1进行分析，当工作在发射模式时，电容Cc右边的射频开关导通，Cc作为发射电路输出端BALUN的一部分负载，且由于开关短路到地，接收电路的可靠性不会因此受到影响，此时发射电路中功率放大器的发射效率受到Cc的影响较小；当工作在接收模式时，发射电路中功率输出处于关断状态，BALUN的左边为高阻状态，Cc右边的开关为截止状态，接收电路的低噪声放大器正常工作，发射功率放大器的寄生电容对低噪声放大器的噪声系数影响较小。

但上述电路存在着几个缺点，具体如下：

首先，接收和发射模式的性能在很大程度上依赖于Cc的数值：当工作在接收模式时，Cc的作用是隔离前后两端的电流电平，此时需要Cc尽可能的大来减小接收通路的损耗，尽可能降低接收链路的噪声系数，最大化接收灵敏度；当工作在发射模式时，Cc下方的开关打开，Cc为天线端的电容负载，此时需要Cc尽可能的小来减少输出巴伦的损耗，提高发射功率；

除此之外，当工作在发射模式时，需要较小的Cc来提高发射功率，但是较小的Cc不但恶化了接收链路的噪声系数，同时还需要Cc下方更大的开关尺寸来保证发射模式下接收链路的可靠性，更大的开关尺寸同时会带来噪声系数的进一步恶化；如果增大Cc，则不仅发射功率恶化，且限制了电路往更高频率拓展的可能性，上述电路仅能使用在较低频率的无线收发机上；

最后，接收链路的第一级电路如果采用较先进工艺的MOS晶体管来实现更低的噪声系数，但此时第一级电路是与天线端口直连的，这样就对收发使能的时序提出了更高的要求，如果接收端开关不及时导通的话，功放发射信号会直接泄漏到第一级电路的输入端，将对MOS管工作造成破坏，引起严重的可靠性问题。

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收发前端电路并进行具体设计，通过创新的结构设计，使得电容Cc不再作为天线端口的负载和接收链路的隔直，从而避免了Cc取值上存在的制约性，提高了无线收发系统的性能。

图2示出了本发明实施例提供的改进后的射频收发前端电路的示意图，如图所示：

所述射频前端电路包括一输入端口（IN）、一输出端口（OUT）以及一天线端口（Ant），一输出巴伦L1，第一射频开关S1、第二射频开关S2，第一电容Cc、第二电容Ct，其中，所述输入端口将发射链路连接在输出巴伦的初级侧，所述输出巴伦L1的次级侧第一端作为天线端口Ant，第二端通过第一射频开关S1接地；所述天线端口Ant用于与收发天线耦合连接；所述输出巴伦L1的次级侧的所述第二端还分别连接第一电容Cc的第一端和第二电容Ct的第一端，所述第一电容Cc的第二端作为所述输出端口同接收链路相连，第二电容Ct的第二端通过第二射频开关接地。

优选地，发射电路的功率放大器PA输出端连接到所述输入端口，具体是功率放大器的漏极部分提供发射信号Tx到巴伦L1的初级侧。

优选地，所述输出端口连接到接收电路的输入端用于提供接收信号Rx，具体是连接到匹配网络的输入端，所述匹配网络的输出端通过低噪声放大器LNA实现接收信号的放大处理。

所述低噪声放大器包括依次串联连接的负载电阻RL、晶体管T1以及晶体管T2，负载RL和晶体管T1（例如漏极）的连接点输出放大后的接收信号。

优选地，所述输出巴伦T1的次级侧还具有一中间抽头，用于作为反馈信号输出端，提供给检测模块，用于收发功率监视。

所述开关S1和S2的控制端由时序控制电路控制，具体地，将时序控制电路的输出连接至开关S1和S2的控制端，同时将输出通过一反相器取反后使能功率放大器输出信号；其中，反相处理所需要的时间进一步保证了开关S1、S2优先于放大器被接通，避免发射信号的泄露，提高了可靠性。

所述射频前端电路具有两个工作模式分别如下：当工作在发射模式时，开关S1和S2均导通，等效电路如图2之中的右上图所示。此时输出巴伦次级侧的一端连接天线，另一端通过开关S1连接到地，开关S2与电容Ct作为接地短路通路，进一步降低开关S1导通电阻对巴伦插损的影响，Cc作为隔直电容，可以取较大的数值来减小接收链路的插损，且由于开关S1短路到地使得接收链路的可靠性不会因此受到影响；

当工作在接收模式时，发射电路的功率放大器PA处于关断状态（例如通过使能端EN实现禁能），巴伦的主线圈部分为高阻状态，次级侧线圈此时作为接收链路第一级放大级的串联电感，将这一电感在设计中纳入到输入匹配电路中（作为输入匹配的一部分），开关S1和S2均为关断状态，此时开关的寄生电容对接收链路的插损影响极小。

优选地，接收链路的输入匹配可直接由巴伦的次级侧线圈和电容Cc谐振构成，二者被谐振在接收频段。

优选地，所述电容Cc的取值范围为0.1pF~10pF，取决于无线收发机工作频率。

所述发射频段和接收频段可以相同也可以不同。

更进一步的，本发明的射频收发前端电路被集成在单个收发切换器IC中。

如图3所示，本发明的射频收发前端电路可以作为收发切换器应用于无线通信电路中。结合图3所示，无线通信电路主要由五大部分组成，包括无线收发器、虚线框内的发射处理部分、低噪声放大器、收发切换器、天线。发送信号时，收发器输出小功率的射频信号，送至功率放大器PA进行功率放大，然后通过收发切换器经由天线辐射至空间；接收信号时，天线会感应到空间中的电磁信号，通过收发切换器之后送至低噪声放大器进行放大，这样，放大后的信号就可以直接送给无线收发器进行处理，进行解调。

其中，无线收发器还提供收发控制信号用于控制开关S1、S2，以及功率放大器的使能或禁用。

优选的，收发切换器、功率放大器、低噪声放大器可以集成为单芯片。

通过上述创新的设计结构，本发明大大克服了现有射频收发前端电路的缺陷和局限性，既拓展了使用场景，又改善了通信系统的收发性能。本发明创造性地将接收链路的输入端口，从巴伦次级侧线圈的天线端口挪动到接地一端，此时Cc不再需要进行天线端口的负载和接收链路的隔直之间的取舍，当工作在接收模式下，Cc可以取较大的数值保证接收链路的插损足够的小，当工作在发射模式下，S1打开，此时Ct的数值足够大来保证S1开关的一端阻抗足够低，此时功放的巴伦插损足够小以满足正常的发射模式；

除此之外，由于电路无需选择适中的Cc来满足发射和接收模式的折中，因此该结构可以用在更高频率的收发射频前端电路中，大大拓展了电路的适用范围；

最后，当工作在发射模式时，一方面开关信号经反相后再使能功率放大器使得进一步降低了泄露风险，另一方面由于此时接收端口靠近接地端，信号幅度远远小于天线端口的信号幅度，这样大大减小了发射功率泄露到接收链路容易引起的可靠性问题。

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 (10)

1.一种收发天线共用的射频收发前端电路，所述前端电路包括一输入端口（IN）、一输出端口（OUT）以及一天线端口（Ant），所述天线端口用于与收发天线耦合连接，其特征在于：

还包括一输出巴伦（L1），第一射频开关（S1）、第二射频开关（S2），第一电容（Cc）、第二电容(Ct)；

其中，所述输入端口将发射链路连接在输出巴伦的初级侧，所述输出巴伦的次级侧第一端作为所述天线端口，第二端通过第一射频开关接地；

所述输出巴伦的次级侧的所述第二端还分别连接第一电容的第一端和第二电容的第一端，所述第一电容的第二端作为所述输出端口与接收链路相连，第二电容的第二端通过第二射频开关接地；

所述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，第一射频开关和第二射频开关均导通，发射链路上的发射信号通过收发天线发出；当工作在接收模式时，第一射频开关和第二射频开关均断开，收发天线上的接收信号被提供给接收链路。

2.如权利要求1所述的射频收发前端电路，其特征在于，发射电路的功率放大器输出端连接到所述输入端口。

3.如权利要求2所述的射频收发前端电路，其特征在于，功率放大器的漏极提供发射信号到所述输出巴伦的初级侧。

4.如权利要求2或3所述的射频收发前端电路，其特征在于，所述第一射频开关和第二射频开关的控制端由时序控制模块控制。

5.如权利要求4所述的射频收发前端电路，其特征在于，时序控制模块的输出连接至所述第一射频开关和第二射频开关的所述控制端用于提供收发切换控制信号，同时所述输出还通过一反相器连接到功率放大器的使能端，保证了射频开关先于功率放大器被接通。

6.如权利要求1所述的射频收发前端电路，其特征在于，所述输出端口连接到匹配网络的输入端，所述匹配网络的输出端通过低噪声放大器实现接收信号的放大处理。

7.如权利要求1所述的射频收发前端电路，其特征在于，所述输出巴伦的次级侧和所述第一电容（Cc）构成接收链路的输入匹配部分，二者被谐振在接收频段。

8.如权利要求6或7所述的射频收发前端电路，其特征在于，所述输出巴伦的次级侧还具有一中间抽头，用于作为反馈信号输出端，提供给功率检测模块。

9.一种射频收发芯片，其特征在于，集成有一个或多个如权利要求1-8任一项所述的射频收发前端电路。

10.如权利要求9所述的射频收发芯片，其特征在于，所述芯片中还集成有功率放大器、低噪声放大器。

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