CN1278954A - 单片式的高频天线开关 - Google Patents

Abstract

一个天线开关(101)当发射时有选择性地将一个输出功率放大器(110)的输出差示信号对(190,200)连接到天线(130)的一个单端信号(170),而当接收时有选择地将一个低噪声输入放大器(120)的输入差示信号对(210,220)连接到天线(130)的单端信号(170)。具有连接到天线(130)的一单端信号(160)的第一平衡一不平衡变换器(140)将第一(190)和第二(200)输出差示信号连接到一功率输出放大器(110)。具有连接到天线(130)的一单端信号(180)的第二平衡－不平衡变换器(150)将第一(210)和第二(220)输入差示信号连接到一低噪声输入放大器(120)。当接收时第一二极管(230)选择地将第一平衡－不平衡变换器(140)的第一输出差示信号(190)对第二输出差示信号(200)短路,而当发射时第二二极管(240)选择地将第二平衡－不平衡交换器(150)的第一输入差示信号(210)对第二输入差示信号(220)短路。

Description

单片式的高频天线开关

发明背景

本发明技术领域

本发明一般涉及开关机构，用于有选择性地将一个无线电收发信机的功率输出放大器或一个低噪声输入放大器连接到一个天线，而特别涉及到这样一种天线开关，其在高频能够工作，将一个无线电收发信机的功率输出放大器的差示信号或一个低噪声输入放大器的差示信号连接到一个天线。

相关技术说明

当发射期间将一单一天线连接到一个无线电收发信机时，需要一种装置有选择地将收发信机输出端连接到该天线而同时将收发信机输入端同该天线隔离，而当接收期间有选择地将收发信机输入端连接到该天线，而同时将收发信机输出端同该天线隔离。过去，来自收发信机的输入和输出信号通常是用各种能利用来提供开关功能的方法在单-端接的五十欧姆的环境中加以设计的。例如，一个场效应晶体管(FET)装入到一个单极双掷电路结构中，以便根据该收发信机是处于发射还是接收状态有选择性地将该单端信号连接到天线。

虽然在一个单极双掷电路结构和其他开关装置中的场效应晶体管能够同收发信机一起并到一单独集成电路芯片上，但其工作频率被限制得相当低。在较高的频率工作通常要求使用分立的PIN二极管或昂贵的砷化镓晶体管执行开关功能。例如一种共同熟悉的技术使用与一根1／4波长传输线结合的一个PIN二极管，以便有选择性地将短路转换到开路，以及反过来也一样，以便有选择性地连接和断开天线到收发信机的功率输出放大器或低噪声输入放大器。

今天，日趋要求减小无线电设备的尺度。特别是在无线电话工业中。为减小无线电设备的尺度，越来越多的功能度是并到一单独的集成电路芯片上。然而，当更多的功能度被集中到一单独的集成电路上时，不同功能块之间的相互影响将增加。为减小这种相互影响，元件间流动的信号作为差分信号而不是单端信号按规定路线发送。因此，为将天线开关“接通—芯片”(on—chip)包括进去，需要一种装置，用于连接功率输出放大器的差示输出信号对和低噪声放大器的差示输入信号对到该天线的单端信号。此外，天线开关需要工作在由许多当今发现的和将来出现的无线电电话使用的相对高的无线电频率上。这些无线电频率可以超过2GHz。

因此，有利的是，去设计一个天线开关，用于有选择地将一个收发信机的功率输出放大器的差示输出信号对和低噪声输入放大器的差示输入信号对连接到一个天线的单端信号。又有利的是，对于一个收发信机，天线开关工作在约2GHz的频率上，并能集成到一单独的集成电路芯片上，特别是一个双极互补金属氧化物半导体上，再有利的是天线开关制造起来便宜。

发明概述

本发明包括一种天线开关，用于当发射时有选择性地将一输出功率放大器的输出差示信号对连接到天线的一单端信号，以及当接收时有选择地将一低噪声输入放大器的输入差示信号对连接到该天线的该单端信号。一第一平衡—不平衡变换器的一单端信号电连接到天线，而该第一平衡—不平衡变换器的第一和第二差示信号电连接到一功率输出放大器。一第二平衡—不平衡变换器的一单端信号电连接到天线，而该第二平衡—不平衡变换器的第一和第二差示信号电连接到一低噪声放大器。当收发信机处于接收状态时，第一二极管有选择地将第一平衡—不平衡变换器的第一差示信号对第二差示信号短路，由此在该第一平衡—不平衡变换器中形成开路电路。这样，该单端信号同该第一平衡—不平衡变换器的第一和第二差示信号相隔离。同样地，当收发信机处于发射状态时，第二二极管有选择地将第二平衡—不平衡变换器的第一差示信号对第二差示信号短路，由此在该第二平衡—不平衡变换器中形成开路电路。这样，该单端信号同该第二平衡—不平衡变换器的第一和第二差示信号相隔离。在本发明中使用的二极管最好是用于在集成电路芯片上静电保护的双极互补金属氧化物半导体二极管。

附图简述

为充分理解本发明，参照结合在此的附图得到的下列详细说明，图1为本发明的一种天线开关电路的功能方块图。

实施例的详细说明

现在参照图1，在此说明用来实施一种天线开关的电路的功能方块图。收发信机100包括一个功率输出放大器110，用于发送输出信号，以及一个低噪声入放大器120，用于接收输入信号。该功率输出放大器110和低噪声输入放大器120通过一个天线开关101电连接到一个天线130。在一优选实施例中，收发信机100和天线开关101被制成一个单独集成的半导体部件102。天线开关101包括一第一平衡—不平衡变换器／40和一第二平衡—不平衡变换器150，它们分别将功率输出放大器110和低噪声输入放大器120连接到天线130。该第一平衡—不平衡变换器140的单端信号端160电连接到天线130的单端信号端170。同样，第二平衡—不平衡变换器150的单端信号端180电连接到天线130的单端信号端170。

功率输出放大器110的输出端通过包括第一输出差示信号190和第二输出差示信号200的输出差示信号对电连接到第一平衡—不平衡变换器140。同样，低噪声输入放大器120的输入端通过包括一第一输入差示信号210和一第二输入差示信号220电连接到第二平衡—不平衡变换器150。

一第一二极管230电连接在第一输出差示信号190和第二输出差示信号200之间。在本发明优选实施例中，虽然第一二极管230的任意取向能适应于施加到该二极管的阴极和阳极的适当的电压，该第一二极管230的阴极电连接到第一输出差示信号190，而该第一二极管230的阳极电连接到第二输出差示信号200。

一第二二极管240电连接在第一输入差示信号210和第二输入差示信号220之间。类似于第一二极管230，第二二极管240的任意取向是能够适应的，然而，在本发明的优选实施例中，第二二极管240的阳极电连接到第一输入差示信号210，而该第二二极管240的阴极电连接到第二输入差示信号220。

使用在本发明中的平衡—不平衡变换器140和150的结构和使用在工业中是熟悉的。作为一个例子，第一平衡-不平衡变换器140和第二平衡—不平衡变换器150包括由一第一电感300，一第一电容308，一第二电感305和一第二电容315形成的一个谐振环。中心抽头320电连接到一个适当的电压例如电源电压Vcc或接地，以产生用于偏置该第一二极管230和第二二极管240的适当的参考电压。在优选实施例中，第一平衡—不平衡变换器140的中心抽头320连接到Vcc，而第二平衡—不平衡变换器150的中心抽头320连接到地。

根据发射和接收信号要求的工作频率选择使用在平衡—不平衡变换器140和150中的元件值和电路结构。此外，其值也根据发射和接收信号所要求的工作频率进行选择的直流阻塞电容250包括阻塞直流信号。虽然本发明应用到所有工作频率，本发明的优点特别切合在高频，在那里无便宜的“接通—芯片”方案存在。

设计第一平衡—不平衡变换器140使其谐振在发射和接收信号所要求的工作频率上。在这些条件下，在第一平衡—不平衡变换器140的第一输出差示信号190和第二输出差示信号200之间的短路电路导致在单端信号端160处开路电路条件。开路电路条件将第一输出差示信号190和第二输出差示信号200同单端信号端160隔离，从而将功率输出放大器110同天线130隔离。如将描述的那样，本发明开发了平衡—不平衡变换器的性能以致于实现了天线开关。

同样，设计第二平衡—不平衡变换器150使其谐振在发射和接收信号所要求的工作频率上，以及在第二平衡—不平衡变换器150的第一输入差示信号210和第二输入差示信号220之间的短路电路导致在单端信号端180处开路电路条件。开路电路条件将第一输入差示信号210和第二输入差示信号220同单端信号端180隔离，从而将低噪声输入放大器120同天线130隔离。

为了在发射期间将该低噪声输入放大器120同天线130隔离，控制器300通过控制信号线310施加一个正向偏置电压例如电源电压Vcc至第二二极管240的阳极。该电源电压Vcc之所以是正向偏置的，因为第二二极管240的阴极通过第二平衡—不平衡变换器150的中心抽头320接地。控制线310还包括一个电流限制电阻400。虽然可以使用单独的控制信号线310向第一二极管230和第二二极管240施加各自的偏置电压，但在本发明优选实施例中使用单一的信号控制线310和单一的偏置电压。因此，控制信号线310也电连接到第一二极管230的阴极。这样，当控制器300将正向偏置电压Vcc施加到第二二极管240的阳极时，同时对第一二极管230的阴极施加了一个反向的偏置电压，因为第一二极管230的阳极通过第一平衡—不平衡变换器140的中心抽头320连接到电源电压Vcc。

第二二极管240两端的正向偏置电压导致第一输入差示信号210和第二输入差示信号200之间的短路，从而导致在该第二平衡—不平衡变换器150的单端信号端180的开路条件，由此使第一输入差示信号210和第二输入差示信号220同天线130的单端信号端170隔离。同时，控制器300施加一个反向偏置电压于第一二极管230的两端。第一二极管230两端的反向偏置电压在第一二极管230两端形成一个等效的开路电路以及第一平衡—不平衡变换器140按正常方式工作，同时输出差示信号对通过第一平衡—不平衡变换器140电连接到天线130。

在接收期间，为将功率输出放大器110同天线130隔离，按类似方式控制器300施加电压至第一二极管230的阴极，该电压将第一二极管230设置正向偏置状态。例如，通过将控制信号线310连接到地，控制器300施加一正向偏置电压到第一二极管230，因为该第一二极管230的阳极通过第一平衡—不平衡变换器140的中心抽头320连接到电源电压Vcc。第一二极管230两端的该正向偏置电压导致第一输出差示信号190和第二输出差示信号200之间短路，由此导致在第一平衡—不平衡变换器140的单端信号端160处的开路条件，从而将第一输出差示信号190和第二输出差示信号200同天线130的单端信号端170隔离。

同时，控制器300通过控制信号线310施加一个反向偏置电压于第二二极管240两端。第二二极管240两端的该反向偏置电压在该第二二极管240两端形成等效开路电路，并由此第二平衡—不平衡变换器150按正常方式工作，同时输入差示信号对通过第二平衡—不平衡变换器150电连接到天线130。

本发明的优选实施例还包括感性低通滤波器312。该感性低通滤波器是用来将第一输出差示信号190同第一输入差示信号210隔离。同样可理解，当习惯上使用电源电压Vcc和地电位正向偏置和反向偏置该第一二极管230和第二二极管240时，可以使用正反向偏置该二极管的任意电压。

为工作在更高的频率，例如在2GHz以上，第一二极管230和第二二极管240要求有特定的工作特性。用作第一和第二二极管230和240的一种理想的二极管具有如下特性：工作在正向偏置状态期间串联电阻r_s低，长度越时间1／τ以及低的反向偏置结电容C_jo。虽然可以使用昂贵的半导体器件例如砷化镓(GaS)器件来制作包括天线开关和收发信机的集成的电路芯片，但是这样的器件可能相当昂贵。

在本发明的优选实施例中，一种符合这些条件的廉价二极管是使用双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)制造过程制作的。虽然不用作一种电路开关，目前在双极互补金属氧化物半导体中用于静电放电(ESD)保护的二极管具有理想的特性。例如，在Philips Qubic 1硅芯片制造过程中，分类为DB100W的一种静电放电保护二极管具有以下特性：正向偏置状态下等于三欧姆的串联电阻r_s，等于5ns的τ以及等于126×10^—15F(法拉)的反向偏置结电容C_jo。这些值对于在300MHz的频率以上本发明的优选实施例操作是足够的。在反向偏置状态，这种二极管的结电容等于126×10^—15F。关于设计和操作这些静电放电保护二极管更多的信息能够在Philips Qubic l设计手册或其他类似的双极互补金属氧化物半导体设计手册中发现。除了工作在所要求的频率，生产此类型的双极互补金属氧化物半导体静电放电保护二极管是廉价的，并且容易同其他收发信机的功能度一起集成到一个集成电路芯片中去。虽然使用双极互补金属氧化物半导体二极管对静电放电保护是已知的，但是在工业中未曾教导过将其用作提供高速“接通—芯片”开关功能度的二极管。

虽然本发明方法和设备的优选实施已按附图加以说明并在前面详细的说明书中加以描述，可以理解的是本发明并不限制于公开的实施例，可能有多种配置，修改，和替代，而不偏离由以下权利要求陈述和定义的本发明的精神。

Claims (11)

1．一种用于将一输出放大器同天线隔离的天线开关包括：

一个平衡—不平衡变换器，具有电连接到天线的一个单端信号和电连接到输出放大器的第一和第二输出差示信号；以及

当将该输出放大器同该天线隔离时用于选择地将该平衡—不平衡变换器的第一输出差示信号对第二输出差示信号短路的装置。

2．如权利要求1的天线开关，其中用于选择地将该平衡—不平衡变换器的第一输出差示信号对第二输出差示信号短路的装置包括：

一个二极管，电连接在该第一平衡—不平衡变换器的第一和第二输出差示信号之间；以及

一个装置，用于当将输出放大器同天线隔离时正向偏置二极管。

3．一种用于将一输入放大器同天线隔离的天线开关包括：

一个平衡—不平衡变换器，具有电连接到天线的一个单端信号和电连接到输入放大器的第一和第二输入差示信号；以及

当将输入放大器同天线隔离时用于选择地将该平衡—不平衡变换器的第一输入差示信号对第二输入差示信号短路的装置。

4．如权利要求3的天线开关，其中用于选择地将平衡—不平衡变换器的第一输入差示信号对第二输入差示信号短路的装置包括：

一个二极管，电连接在平衡—不平衡变换器的第一和第二输入差示信号之间；以及

一个装置，用于当将输入放大器同天线隔离时正向偏置二极管。

5．一种天线开关包括：

一第一平衡—不平衡变换器，具有电连接到天线的一单端信号和电连接到一功率输出放大器的第一和第二输出差示信号；

一第二平衡—不平衡变换器，具有电连接到天线的一单端信号和电连接到一低噪声输入放大器的第一和第二输入差示信号；

一个装置，用于当接收时选择地将该第一平衡—不平衡变换器的第一输出差示信号对第二输出差示信号短路；以及

一个装置，用于当发射时选择地将第二平衡—不平衡变换器的第一输入差示信号对第二输入差示信号短路。

6．如权利要求5的天线开关，其中用于选择地将第一平衡—不平衡变换器的第一输出差示信号对第二输出差示信号短路的装置包括：

一第一二极管，电连接在该第一平衡—不平衡变换器的第一和第二输出差分信号之间；以及

一装置，用于当接收时正向偏置该第一二极管和当发射时反向偏置该第一二极管；

以及其中用于选择地将第二平衡—不平衡变换器的第一输入差示信号对第二输入差示信号短路的装置包括：

一第二二极管，由连接在该第二平衡—不平衡变换器的第一和第二输入差示信号之间；以及

一装置，用于当接收时反向偏置该第二二极管和当发射时正向偏置该第二二极管。

7．如权利要求6的天线开关，其中用于偏置第一二极管的装置和用于偏置第二二极管的装置包括一个控制器，当接收时，它选择地将一正向偏置电压施加到该第一二极管的阳极，同时将一反向偏置电压施加到该第二二极管的阳极，而当发射时施加一反向偏置电压到该第一二极管的阳极，同时施加一正向偏置电压到该第二二极管的阳极。

8．如权利要求7的天线开关，其中用于偏置该第一二极管的装置还包括在第一平衡—不平衡变换器上的一中心抽头，将一直流电源电压Vcc电连接到该第一二极管的阴极，该第一平衡—不平衡变换器上的中心抽头用于将一参考电压提供到该第一二极管的阴极，以及其中用于偏置该第二二极管的装置还包括在第二平衡—不平衡变换器上的一中心抽头，将一直流接地电压电连接到该第二二极管的阴极，该第二平衡—不平衡变换器上的中心抽头用于将一参考电压提供到该第二二极管的阴极。

9．如权利要求6的天线开关，其中第一二极管和第二二极管是砷化镓晶体管。

10．如权利要求6的天线开关，其中第一二极管和第二二极管是双极互补金属氧化物半导体二极管。

11．如权利要求10的天线开关，其中第一二极管和第二二极管是双极互补金属氧化物半导体静电放电保护二极管。