CN103684518A - 一种基于片上变压器的收发匹配网络共用的射频电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于片上变压器的收发匹配网络共用并集成TR-SW的收发机结构。该收发机用于无线通信射频前端电路中。该收发机结构是以片上变压器为基础，将接收机和发射机的阻抗匹配网络、TR_SWITCH等不易集成的电路原件均集成在芯片上，极大的提升了芯片的集成度，降低了成本；另一方面，本发明将接收机和发射机的片上阻抗网络共用，采用开关来控制发射机和接收机的轮换导通，减少了芯片上阻抗匹配网络的原件的数量，减小了了芯片的面积。
Description
技术领域
本发明为射频前端电路中一种高集成度的收发机结构，属于射频通信领域。
背景技术
最近几十年，无线通信得到了巨大的发展。这一方面是由于无线通信能够使人们的生活变得更加便捷，移动终端能够保持信息的随时交换，实时性高；另一方面，逐渐降低的成本使得可消费群体变得越来越大，无线终端担负的功能也越来越多。性价比高的产品一直受到用户的支持和欢迎，这样就给硬件设计者提出了更高的要求：降低成本。
集成电路的种类可以分为模拟电路(包含射频电路)和数字电路。数字电路的复杂度有很大差别，一般要求不高的数字芯片都会采用大尺寸的工艺来降低成本；而功能较复杂的快速数字芯片会在选定的工艺下进行算法的不断优化，以便既可以提高芯片的工作速率，又能降低芯片的面积，达到降低成本的目的。对于模拟电路来讲，在既定工艺下可以采用较为简单的电路结构，减小版图的面积；也可以实现某些模块的复用，如时分复用的收发机可以将面积较大的基带滤波器由时序开关控制分别接在发射机支路或者接收机支路上。
较为通用的射频收发机的结构如图1所示。当收发机处于发射状态的时候，T/R-SWITCH的控制开关打开发射机通路，数字信号进入发射机的模拟基带，被滤波和放大的模拟信号通过发射机的混频器(TX_MIXER)将有用信号变频到射频域，PA将射频信号进一步放大后通过片外的匹配网络将信号传输到天线上，天线再将信号辐射到传输介质中。当收发机处于接收状态的时候，T/R-SWITCH的控制开关将接收通路打开，天线将接收到的信号经过接收端的片外匹配网络后将有用信号送进片上的LNA输入端口，LNA将有用信号放大，抑制带外的噪声，LNA输出的有用射频信号送入接收机的混频器(RX_MIXER)，RX_MIXER将信号下变频到模拟基带，模拟信号进行放大和滤波处理以后通过模数转换器(ADC)送入数字域。
这种收发机结构简单，它将有源的电路部分都集成在芯片内，收发端的阻抗匹配网络和T/R-SWITCH做到了PCB板上。由于射频电路对于寄生特别敏感，所以收发端的阻抗匹配网络需要做的很准确。但是包括射频电路的版图、焊盘键和线、封装管壳以及芯片输出端在PCB板上走线等寄生很难准确的进行估计，所以阻抗匹配网络一般都放在片外的PCB板上，这样可以通过更换不同值的电感和电容来做收发端的阻抗匹配，尽可能的增加信号传输的效率。但是这种结构极大的降低了集成度，因为无论是L型匹配网络、Pi型匹配网络、T型匹配网络还是更高阶的匹配网络(图2)，每路信号都需要至少两个元件完成匹配。当发射和接收均是单端信号的时候，阻抗匹配网络中元件的数目至少为4个；当收发机片上输出为差分信号的时候，则至少需要8个元件完成匹配网络。这些元件会占用PCB板很大的面积，使得PCB板的尺寸增大，射频电路的地变大，既影响电路的性能，又增加了成本。
发明内容
针对以上问题，本发明设计出一种电路结构，集成收发机的阻抗匹配网络到芯片上，同时在片上完成T/R-SWITCH的设计；其次，阻抗匹配网络的结构要尽可能的简单，尽量使用最少数目的电感和电容，减小芯片的面积，降低成本。
本发明公开一种基于片上变压器的收发匹配网络共用并集成TR-SW的收发机结构，用于射频信号收发机接收通路和发射通路中，该电路包括片上变压器和收发控制开关T/R-SWITCH，片上变压器和收发控制开关T/R-SWITCH集成在射频信号收发机芯片上；片上变压器作为射频信号收发机接收通路和发射通路共用的阻抗匹配网络，收发控制开关T/R-SWITCH控制射频信号收发机接收通路和发射通路的工作时序，实现射频信号接收通路和发射通路的切换。
阻抗匹配网络在片外实现的主要原因是：射频电路的寄生很难估计准确。从PCB板端口向电路内部看进去会通过PCB板的走线、金属键和线、焊盘等器件，这些器件引入的寄生会改变片上电路端口的S参数。
变压器可以将初级线圈中的信号的能量通过电磁耦合，将信号传送到变压器的次级线圈中。将初级线圈和电容并联，可以优化现实变压器的功率传输效率。当PA以变压器做负载的时候，电路结构如图4所示。实际的变压器为带通的器件，它会在一定的带通范围内将初级线圈的能量耦合到次级线圈中，但是变压器的通带范围较大，在实现窄带通信的时候，很多噪声信号也会被变压器耦合到次级线圈的负载上。为了在变压器的通带内再实现窄带的选择，可以在变压器的初级线圈L1处并联一个可变电容阵列C2。电容阵列中开关导通的越多，并联到地的电容越大，选择的变压器的通带就越靠近低频，频率选择的示意图如图5所示。电容谐振网络会将通带的增益增加，但是通带的宽度会减小。图5中虚线的范围是没有谐振电容的通带特性；实线部分为开关电容阵列决定的窄带高增益特性。
天线接收的信号会经过变压器将单端信号转换成差分信号，差分信号经过阻抗匹配网络传输到LNA的输入端口。当采用变压器作为单端信号转差分信号和阻抗匹配的核心器件的电路原理图如图6所示。此时的初级线圈为L2，次级线圈为L1，调节C2和C3决定了变压器的通带范围，其中C2和C3为可变电容阵列。次级线圈为带中间抽头差分输出，分别将相位差180度的差分信号送进LNA的正负输入端口。
可变电容C2、可变电容C3为开关电容阵列与压控电容阵列的任意组合。可变电容C3的电容值可为0。
针对PCB板的走线、金属键和线、焊盘等器件寄生的不确定性，为了完成较好的阻抗匹配，可以通过调节和初级线圈谐振的电容的大小来调节阻抗匹配的特性。只要变压器设计的带通范围能够覆盖设计需要的频点，通过电容阵列的控制，总能将通带移动到所需的频点上。变压器的该特性可以很好的克服寄生估计不准情况。
附图说明
图1传统收发机结构的***框图
图2阻抗匹配网络结构(a)L型匹配(b)Pi型匹配(c)T型匹配
图3以变压器为基础的新的收发机结构
图4以变压器做负载的PA的电路原理图
图5变压器的带通特性
图6以变压器做输入差转单和阻抗匹配的LNA电路结构示意图
图7SW1闭合，SW2打开时收发机电路的工作示意图
图8SW2闭合，SW1打开时收发机电路的工作示意图
具体实施方式
收发机结构中，电路模块的复用技术可以节省芯片的面积，有效的降低成本；同时高度集成的芯片可以减少片外的元件数目，也能在成本方面表现出较大的优势。本发明从复用和片上集成两方面改善了收发机的结构。
本发明的收发机结构如图3所示。T/R-SWITCH的功能由开关SW1和SW2控制。当SW1闭合，SW2打开的时候，发射机通路打开。此时PA的输出端口通过SW1连接到变压器的初级线圈L1上，可变电容阵列C2跨接在L1的输入端口和地之间，可变电容阵列C3跨接在L2的输入端口和地之间，通过调节C2和C3的大小，选择PA工作的频带，实现发射通路的功率匹配。L1的中间抽头此时由开关切换到了VDD PA状态，为PA供电。当去掉SW2控制的开路支路时，此时发射状态的电路图如图7所示(闭合的SW1视为导线)。
当SW2闭合，SW1打开的时候，接收机通路处于工作状态。此时变压器的初级线圈变成了L2，次级线圈变为L1，可变电容阵列C3跨接在L2的输入端口和地之间，可变电容阵列C2跨接在L1的输入端口和地之间，调节C2和C3的值，选择LNA的工作频带，实现接收通路的功率匹配。L1的中间抽头测试连接直流电位VB LNA，为LNA的输入提供了直流的偏置。L1的两个端口通过SW2连接到了LNA的输入，将接收到的信号送入了LNA。当去掉SW1控制的开路支路时，此时接收状态的电路图如图8所示(闭合的SW2视为导线)。
SW1和SW2是分别控制收发机的发射机支路和接收机支路的，这两个控制信号不能同时为高(有效值)，否则收发开关将同时打开，改变变压器的端口特性，还会伴有能量的泄漏。片上变压器的模型的建立，可以通过ADS或者HFSS等电磁场仿真工具来实现。收发机正常工作时，接收机接收到的频率和发射机辐射的频率会很相近甚至相同，这样就实现了用一个变压器完成发射和接收两部分的阻抗匹配特性。开关电容阵列中，开关的尺寸会很大，以便减小开关导通的电阻，减小射频信号传输时的能量损失。
Claims (6)
1.一种基于片上变压器的收发匹配网络共用的射频电路，用于射频信号收发机接收通路和发射通路中，其特征在于该电路包括片上变压器和收发控制开关T/R-SWITCH，片上变压器和收发控制开关T/R-SWITCH集成在射频信号收发机芯片上；片上变压器作为射频信号收发机接收通路和发射通路共用的阻抗匹配网络，收发控制开关T/R-SWITCH控制射频收发机接收通路和发射通路的工作时序，实现射频信号接收通路和发射通路的切换。
2.如权利要求1所述的电路，用于射频信号收发机接收通路和发射通路中，其特征在于，可变电容C2与片上变压器的线圈L1并联，可变电容C3通过开关SW3与片上变压器的线圈L2并联，开关SW1和开关SW2并联组成收发控制开关T/R-SWITCH，线圈L1中间抽头连接开关SW1和开关SW2。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，当SW1闭合，SW2打开时，射频信号发射通路处于工作状态，线圈L1变成片上变压器的初级线圈，线圈L2变成片上变压器的次级线圈，射频信号收发机中的功率放大器PA的输出端口连接到片上变压器的初级线圈L1上，可变电容C2跨接在线圈L1的输入端口和地之间，可变电容C3跨接在线圈L2的输入端口和地之间，通过调节C2和C3的大小实现发射通路的功率匹配。
4.如权利要求2所述的电路，其特征在于，当SW2闭合，SW1打开时，射频信号接收通路处于工作状态，线圈L2变成片上变压器的初级线圈，线圈L1变成片上变压器的次级线圈，射频信号收发机中的低噪声放大器LNA的输入端口连接到片上变压器的次级线圈L1上，可变电容C2跨接在线圈L1的输入端口和地之间，可变电容C3跨接在线圈L2的输入端口和地之间，通过调节C2和C3的大小实现接收通路的功率匹配。
5.如权利要求2所述的电路，其特征在于，可变电容C2、可变电容C3为开关电容阵列与压控电容阵列的任意组合。
6.如权利要求2所述的电路，其特征在于，可变电容C3的电容值可为0。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 102209 Beijing, Beiqijia, the future of science and technology in the south area of China electronic network security and information technology industry base C building, Applicant after: Beijing CEC Huada Electronic Design Co., Ltd. Address before: 100102 Beijing City, Chaoyang District Lize two Road No. 2, Wangjing science and Technology Park A block five layer Applicant before: Beijing CEC Huada Electronic Design Co., Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140326 |