CN116232259B - 基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片 - Google Patents

基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片 Download PDF

Info

Publication number
CN116232259B
CN116232259B CN202310153682.9A CN202310153682A CN116232259B CN 116232259 B CN116232259 B CN 116232259B CN 202310153682 A CN202310153682 A CN 202310153682A CN 116232259 B CN116232259 B CN 116232259B
Authority
CN
China
Prior art keywords
radio frequency
frequency front
capacitor
power amplifier
amplifier module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310153682.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116232259A (zh
Inventor
吕关胜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhongguancun Technology Leasing Co ltd
Original Assignee
Uga Technology Beijing Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Uga Technology Beijing Co ltd filed Critical Uga Technology Beijing Co ltd
Priority to CN202310153682.9A priority Critical patent/CN116232259B/zh
Publication of CN116232259A publication Critical patent/CN116232259A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116232259B publication Critical patent/CN116232259B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/24—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片，射频前端包括功率放大器模块、低噪声功率放大器模块和单刀单掷开关，还包括后匹配网络，其中，低噪声功率放大器模块与单刀单掷开关串联，作为接收支路；单刀单掷开关包括集总参数π型网络，集总参数π型网络包括电感、第一电容和第二电容，电感两端分别连接第一电容和第二电容；功率放大器模块作为发射支路，其与单刀单掷开关中的第二电容相连接，同时连接后匹配网络。本发明通过将PA晶体管的输出电容吸收进接收支路的开关中，并引入后匹配电路，可以将发射支路的开关完全移除，从而显著改善射频前端的发射效率。

Description

基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片。
背景技术
功率放大器(Power Amplifier,PA)是射频收发机中的核心器件，其效率对整体功耗有很大的影响。在时分双工(Time Division Duplex,TDD)通信系统及相控阵雷达系统中，发射机和接收机工作在不同的时隙，共用同一副天线，这样就要求使用单刀双掷(Single-Pole Double-Throw,SPDT)收发开关，切换PA及低噪声放大器(Low-NoiseAmplifier，LNA)与天线的连接。PA、LNA及收发SPDT开关构成的电路通常被称为射频前端，如图1所示。传统射频前端的设计相对比较简单，独立完成PA输出匹配网络(OutputMatching Network,OMN)及LNA输入匹配网络(Input Matching Network，IMN)后，直接用SPDT将PA，LNA和天线端口连接起来即可。由于SPDT的隔离作用，发射(TX)及接收(RX)模式下的等效电路分别如图2和图3所示。
传统射频前端虽然设计简单，但是SPDT开关会引入额外的插入损耗，导致发射模式下功放的效率(后面简称发射效率)显著下降。根据图2，发射模式下PA的输出损耗将会是输出匹配网络损耗和开关损耗的级联。为了减小效率恶化，目前的主要技术方案包括非对称SPDT及收发一体化设计。非对称SPDT在第一程度上减小了发射支路的损耗，然而改善效果比较有限。收发一体化设计方案的应用最为普遍，不过这种方案更多依赖于联合优化，缺乏统一的设计方法，而且设计难度较高。
发明内容
针对传统射频前端存在的发射效率恶化问题，本发明提出了一种基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片，通过移除发射支路的开关显著改善发射效率，而且设计方法简单易行。
本发明第一方面，提供一种基于后匹配架构的射频前端，包括功率放大器模块、低噪声功率放大器模块和单刀单掷开关，还包括后匹配网络，其中，所述低噪声功率放大器模块与所述单刀单掷开关串联，作为接收支路；所述单刀单掷开关包括集总参数π型网络，所述集总参数π型网络包括电感、第一电容和第二电容，所述电感两端分别连接第一电容和第二电容；所述功率放大器模块作为发射支路，其与所述单刀单掷开关中的第二电容相连接，同时连接所述后匹配网络。
进一步，所述功率放大器模块包括第一晶体管，所述第一晶体管的漏极与所述第二电容和所述后匹配网络连接。
进一步，所述低噪声功率放大器模块包括第二晶体管和LNA输入匹配网络，所述第二晶体管的栅极与所述LNA输入匹配网络连接，所述LNA输入匹配网络的另一端连接所述单刀单掷开关。
更进一步的，所述LNA输入匹配网络包括所述单刀单掷开关。
在一些实施例中，所述单刀单掷开关包括开关元件，所述开关元件一端与所述LNA输入匹配网络连接，另一端接地；还包括一电阻和集总参数π型网络，所述电阻和所述集总参数π型网络中的第一电容均与所述开关元件并联。
更进一步的，所述集总参数π型网络等效为λ/4传输线，所述λ/4传输线的特性阻抗ZT及集总参数π型网络的串联电感LT分别为：
ZT＝1/(ω0Cout)
其中，ω0为工作角频率，Cout为第二电容的电容值。
更进一步的，所述λ/4传输线的特性阻抗ZT不大于所述功率放大器模块中第一晶体管的本征最佳负载阻抗。
进一步，所述第二电容是所述第一晶体管的输出寄生电容，所述第一电容吸收了所述开关元件的输出寄生电容。
在一些实施例中，所述射频前端中的晶体管为氮化镓晶体管、砷化镓晶体管或CMOS管。
本发明第二方面，提供一种射频前端电路，包括上述任一技术方案中所述的射频前端，所述射频前端的元件集成在同一颗Die中，或分布在不同的Die上，或同时分布在不同的Die和PCB板上。
本发明第三方面，提供一种无线通信芯片，包括上述的射频前端电路。
本发明基于后匹配架构的射频前端与现有技术相比具有显著的优势。一方面，与传统射频前端相比，基于后匹配架构的射频前端完全移除了发射支路的开关，发射效率得到了很大的提升。另一方面，与目前应用的一体化设计方案相比，基于后匹配架构的射频前端的设计更加简单，可以实现不同设计环节的解耦。此外，在基于后匹配架构的射频前端中，单刀单掷开关SPST用集总参数网络实现，而且SPST可以同时提供供电功能，这有助于减小整体射频前端电路的尺寸。因此，本发明提出的基于后匹配架构的射频前端方案在TDD系统及相控阵雷达系统中具有很好的应用前景。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为传统的射频前端电路连接图；
图2为图1的射频前端在发射模式下的等效电路；
图3为图1的射频前端在接收模式下的等效电路；
图4为本发明实施例基于后匹配架构的射频前端电路连接图；
图5为图4的射频前端在发射模式下的等效电路；
图6为图4的射频前端在接收模式下的等效电路。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明的一实施例提供一种基于后匹配架构的射频前端，如图4所示，包括功率放大器模块、低噪声功率放大器模块和单刀单掷开关(Single-Pole Single-Throw，SPST)，还包括后匹配网络(Post-Matching Network,PMN)。
其中，低噪声功率放大器模块与单刀单掷开关串联，作为接收支路；单刀单掷开关包括集总参数π型网络，所述集总参数π型网络包括电感、第一电容和第二电容，其中电感两端分别连接第一电容和第二电容。
所述功率放大器模块作为发射支路，其与单刀单掷开关中的第二电容相连接，同时连接后匹配网络。
本实施例中，功率放大器模块PA包括第一晶体管，第一晶体管的漏极与第二电容和所述后匹配网络连接。
低噪声功率放大器模块LNA包括第二晶体管和LNA输入匹配网络，第二晶体管的栅极与LNA输入匹配网络连接，LNA输入匹配网络的另一端连接单刀单掷开关。
具体的，图4中Ropt表示PA晶体管的本征最佳负载最抗，Cout表示PA晶体管的输出寄生电容。后匹配网络将图1中传统射频前端的50Ω的天线阻抗变换为Ropt，而Cout被吸收进接收支路的单刀单掷开关中。
单刀单掷开关包括开关元件，所述开关元件一端与LNA输入匹配网络连接，另一端接地；还包括一高阻值电阻和集总参数π型网络，所述高阻值电阻和集总参数π型网络中的第一电容均与开关元件并联。具体的，单刀单掷开关SPST优选的基于λ/4传输线结构，为了减小电路尺寸，λ/4传输线用集总参数π型网络(图4中的CT-LT-CT电路)等效实现。此外，开关元件S1还可以用于发射模式下PA的漏极供电，避免了额外的偏置扼流电感。由于在接收模式下，S1会处于关闭状态，因此在S1旁边并联了一个高阻值电阻，以保证接收模式下PA的漏极供电。
本实施例的射频前端在发射模式下，LNA关闭，开关S1打开，S1呈现的短路状态经过λ/4传输线变换后，可以使得接收支路在合路点处呈现开路，因此射频前端的等效电路如图5所示。
在接收模式下，PA关闭，开关S1关闭，由于PA晶体管的输出寄生电容已经被吸收进收发开关单元中，而且其本征输出阻抗呈现高阻状态，因此射频前端的等效电路如图6所示。对比图2和图5可以发现，基于后匹配架构的射频前端完全移除了发射支路的开关，因此发射模式下PA的输出损耗可以得到显著降低，发射效率会有明显改善。对比图3和图6可以发现，基于后匹配架构的射频前端在接收模式下的等效电路会额外级联一个后匹配网络PMN，因此LNA的噪声系数可能会有一定程度的恶化。不过由于PMN是用于实现实阻到实阻的变换，在Ropt不是很小的情况下，其损耗通常较低，因此对LNA的噪声系数恶化较小。另外，接收支路的单刀单掷开关是基于λ/4传输线结构，这种结构具有低损耗的优点，有助于进一步优化LNA的噪声系数。
为了充分吸收PA晶体管的输出寄生电容，π型网络的并联电容CT应该不小于Cout，本实施例中假设CT等于Cout，如果有额外引入的并联电容，可以被视为等效Cout的一部分。假设工作角频率为ω0，那么λ/4传输线的特性阻抗ZT及集总参数π型网络的串联电感LT为
ZT＝1/(ω0Cout) (1)
图4中ZLNA表示LNA的源阻抗，其阻抗值可以计算为
本实施例提出的基于后匹配架构的射频前端具有简单易行的优点，不同环节的设计可以实现解耦，具体设计部署如下：
第一步，根据发射功率要求选择合适的PA晶体管，并提取Ropt和Cout。
第二步，应用公式(1)和公式(2)计算ZT和LT。如果ZT显著高于Ropt，λ/4传输线的高阻抗变换比会导致接收模式下的带宽出现恶化，此时就需要在第一晶体管的漏极并联额外的电容，提高等效Cout。然后，基于更新后的Cout重新计算ZT和LT。
第三步，选择合适的开关器件作为图4中的S1。考虑到S1会用于PA的漏极供电，开关器件的饱和电流应该大于PA晶体管的饱和电流。此外，开关器件的输出寄生电容需要被吸收到集总参数π型网络中，作为并联电容CT的一部分。
第四步，应用公式(3)计算ZLNA，然后设计LNA的输入匹配网络IMN_LNA。为了实现更好的匹配带宽，单刀单掷开关也可以被作为LNA输入匹配网络的一部分。
最后，设计后匹配网络PMN。
本实施例通过将PA晶体管的输出电容吸收进接收支路的单刀单掷开关中，并引入后匹配电路，可以将发射支路的开关完全移除，从而显著改善了射频前端的发射效率。
需要说明的是，基于后匹配架构的射频前端方案是与频率及工艺无关的，理论上可以基于任何工艺的晶体管，比如砷化镓GaAs、氮化镓GaN、CMOS等进行实现，也可以设计在任何频率。
方案实现后的形态即射频前端电路，可以是单片集成电路(MMIC)，即所有元件在同一颗Die上，也可以是混合集成电路，即元件分布在不同的Die甚至PCB板上。为了降低损耗，图4中的LT可以用传输线或Bonding线实现。当Ropt刚好是50Ω时，PMN不需要提供阻抗变换功能，可以是简单的隔直电容。
需要说明的是，以上提到的电阻、电感、电容并不实指一个电子器件，还可以是经过并联、串联或其他方式搭建的电路等效而成的电阻、电感和电容。
本发明还提供一种无线通信芯片，包括上述的射频前端电路。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于后匹配架构的射频前端，其特征在于，包括功率放大器模块、低噪声功率放大器模块和单刀单掷开关，还包括后匹配网络，其中，
所述低噪声功率放大器模块与所述单刀单掷开关串联，作为接收支路；
所述低噪声功率放大器模块包括第二晶体管和LNA输入匹配网络，所述第二晶体管的栅极与所述LNA输入匹配网络连接，所述LNA输入匹配网络的另一端连接所述单刀单掷开关；
所述单刀单掷开关包括集总参数π型网络，所述集总参数π型网络包括电感、第一电容和第二电容，所述电感两端分别连接第一电容和第二电容；所述单刀单掷开关还包括开关元件，所述开关元件一端与所述LNA输入匹配网络连接，另一端接地；还包括一电阻，
所述电阻和所述集总参数π型网络中的第一电容均与所述开关元件并联；
所述功率放大器模块作为发射支路，其与所述单刀单掷开关中的第二电容相连接，同时连接所述后匹配网络。
2.根据权利要求1所述的射频前端，其特征在于，所述功率放大器模块包括第一晶体管，所述第一晶体管的漏极与所述第二电容和所述后匹配网络连接。
3.根据权利要求1所述的射频前端，其特征在于，所述LNA输入匹配网络包括所述单刀单掷开关。
4.根据权利要求1所述的射频前端，其特征在于，所述集总参数π型网络等效为λ/4传输线，所述λ/4传输线的特性阻抗ZT及集总参数π型网络的串联电感LT分别为：
ZT＝1/(ω0Cout)
其中，ω0为工作角频率，Cout为第二电容的电容值。
5.根据权利要求4所述的射频前端，其特征在于，所述λ/4传输线的特性阻抗ZT不大于所述功率放大器模块中第一晶体管的本征最佳负载阻抗。
6.根据权利要求2所述的射频前端，其特征在于，所述第二电容是所述第一晶体管的输出寄生电容，所述第一电容吸收了所述开关元件的输出寄生电容。
7.根据权利要求1～6任一项所述的射频前端，其特征在于，所述射频前端中的晶体管为氮化镓晶体管、砷化镓晶体管或CMOS管。
8.一种射频前端电路，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的射频前端，所述射频前端的元件集成在同一颗Die中，或分布在不同的Die上，或同时分布在不同的Die和PCB板上。
9.一种无线通信芯片，其特征在于，包括权利要求8所述的射频前端电路。
CN202310153682.9A 2023-02-13 2023-02-13 基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片 Active CN116232259B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310153682.9A CN116232259B (zh) 2023-02-13 2023-02-13 基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310153682.9A CN116232259B (zh) 2023-02-13 2023-02-13 基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116232259A CN116232259A (zh) 2023-06-06
CN116232259B true CN116232259B (zh) 2023-08-11

Family

ID=86586902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310153682.9A Active CN116232259B (zh) 2023-02-13 2023-02-13 基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116232259B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9559747B1 (en) * 2015-10-13 2017-01-31 International Business Machines Corporation Efficient transmit and receive switches
US10419060B1 (en) * 2018-04-26 2019-09-17 National Chi Nan University Radio-frequency transceiver front-end circuit
CN113572466A (zh) * 2021-07-01 2021-10-29 陈力生 基于功率分配和阻抗变换网络技术的对称单刀双掷开关

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7702296B2 (en) * 2007-08-01 2010-04-20 Mediatek Usa Inc. Transmit/receive switch
US9065542B2 (en) * 2011-08-05 2015-06-23 Ralink Technology Corporation Radio frequency front end system with an integrated transmit/receive switch
US9031517B2 (en) * 2011-09-28 2015-05-12 Mediatek Transmit-receive front end
EP2587676B1 (en) * 2011-10-24 2014-06-11 ST-Ericsson SA RX-TX switch with two power amplifiers

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9559747B1 (en) * 2015-10-13 2017-01-31 International Business Machines Corporation Efficient transmit and receive switches
US10419060B1 (en) * 2018-04-26 2019-09-17 National Chi Nan University Radio-frequency transceiver front-end circuit
CN113572466A (zh) * 2021-07-01 2021-10-29 陈力生 基于功率分配和阻抗变换网络技术的对称单刀双掷开关

Also Published As

Publication number Publication date
CN116232259A (zh) 2023-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7233775B2 (en) Transmit and receive antenna switch
US7092691B2 (en) Switchless multi-resonant, multi-band power amplifier
CN1871780B (zh) 通信系统中使用的方法、通信装置、收发信机前端及模块
US20060261911A1 (en) Matching circuit
US20070232241A1 (en) RF transceiver switching system
CN110474657B (zh) 一种高频收发开关集成电路及其方法
CN108336976B (zh) 一种多频段低噪声放大器及放大方法
JP2008522533A (ja) 分散型ダイプレクサ
CN114095049B (zh) 一种射频收发开关电路、射频前端电路及射频收发机
EP1532745A1 (en) High frequency module
CN108540164B (zh) 一种射频前端系统
CN110858771B (zh) Rf切换
Datta et al. Fully concurrent dual-band LNA operating in 900 MHz/2.4 GHz bands for multi-standard wireless receiver with sub-2dB noise figure
US10511344B1 (en) Transceiver resonant receive switch
CN113972926B (zh) 一种射频收发开关电路、射频前端电路及射频收发机
CN116232259B (zh) 基于后匹配架构的射频前端、射频电路和芯片
WO2005093897A1 (en) Antenna device
CN213783252U (zh) 低噪声放大电路与电子设备
WO2003026156A1 (en) Rf signal switch for a wireless communication device
KR20090056789A (ko) 다중대역 저잡음 증폭기
CN116155316B (zh) 基于g类功放架构的射频前端
CN118199665A (zh) 收发匹配网络和射频前端电路、芯片
KR100900762B1 (ko) Ｒｆ 무선 송수신장치
CN220139556U (zh) 一种射频收发电路及射频前端电路
KR100679055B1 (ko) 고출력 무선통신 시스템의 스위치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240530

Address after: 100089, 5th Floor, Building 7, Courtyard A2, West Third Ring North Road, Haidian District, Beijing

Patentee after: Zhongguancun Technology Leasing Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: Room 704, floor 7, building 4, No. 1, Desheng South Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing 100176

Patentee before: UGA Technology (Beijing) Co.,Ltd.

Country or region before: China

TR01 Transfer of patent right