CN113906685A - 用于半双工收发器的发射-接收端口 - Google Patents

用于半双工收发器的发射-接收端口 Download PDF

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CN113906685A CN202080039406.4A CN202080039406A CN113906685A CN 113906685 A CN113906685 A CN 113906685A CN 202080039406 A CN202080039406 A CN 202080039406A CN 113906685 A CN113906685 A CN 113906685A
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transmit
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Abstract

一种半双工收发器(300)包含天线(202)、耦合到所述天线的天线侧变压器绕组(210)及通过所述天线侧变压器绕组耦合到所述天线的低噪声放大器(222)。

Description

用于半双工收发器的发射-接收端口
背景技术
包含(但不限于)数字无线通信***、有线通信***及相关联应用的数个通信***利用半双工收发器实现通信目的。在典型半双工收发器中，在不同的时间段发射及接收数据。在某些半双工收发器中，各种无线传输协议(例如，802.11b/g WiFi)将收发器上的发射端口与接收端口(所得端口为“Tx-Rx端口”)组合以便释放额外引脚。Tx-Rx端口例如通过结合线耦合耦合到天线，以发射及接收无线信号。在收发器经配置以接收无线信号的时间段期间，通过功率放大器平衡-不平衡变压器的次级侧上的电容耦合，将此类所接收信号从天线发射到放大器(例如，低噪声放大器(LNA))。电容耦合用作天线与LNA之间的匹配网络的部分。然而，电容耦合增加噪声系数(或降低信噪比(SNR))，并且对结合线电感的变化敏感。
发明内容
根据本公开的至少一个实例，一种半双工收发器包含天线、耦合到天线的天线侧变压器绕组以及通过天线侧变压器绕组耦合到天线的低噪声放大器。
根据本公开的另一实例，一种半双工收发器包含天线及耦合到天线的天线侧变压器绕组。所述半双工收发器经配置以在接收模式下操作，其中低噪声放大器通过所述天线侧变压器绕组耦合到所述天线。
根据本公开的又一实例，一种操作包含耦合到天线侧变压器绕组的天线的半双工收发器的方法包含通过由所述天线侧变压器绕组将低噪声放大器耦合到所述天线来在接收模式下操作所述半双工收发器。
附图说明
针对各种实例的详细描述，现将参考附图，其中：
图1展示根据各种实例的实例通信***的框图；
图2展示根据各种实例的包含电路示意性元件的半双工收发器的框图；
图3展示根据各种实例的半双工收发器的电路示意图；
图4展示根据各种实例的示范性史密斯图；
图5展示根据各种实例的随频率变化的噪声因数及功率损耗的示范性图；及
图6展示根据各种实例的用于操作半双工收发器的方法的流程图。
具体实施方式
除通过减轻由上文解释的天线与LNA之间的电容耦合引起的增加的噪声系数来改进噪声性能之外，还期望降低半双工无线收发器的功耗。本公开的实例通过利用电感器作为天线与LNA之间的耦合来解决上述问题。在实例中，电感器是将天线的阻抗变换为针对LNA的最优源阻抗的匹配网络的至少部分。
电感器通过功率放大器平衡-不平衡变压器的次级或天线侧绕组耦合到天线。电感器还耦合到LNA。通过用电感匹配网络代替电容匹配网络，降低噪声系数。举例来说，且如下面将关于图4进一步解释，使用电感器作为天线与LNA之间的耦合导致与噪声圆相交的源阻抗值，所述噪声圆的值低于使用电容器作为耦合装置时可用的值。
在一些实例中，除将天线耦合到LNA的电感器之外，匹配网络还包含将源阻抗移到更接近Gmin(例如，最优源阻抗)的组件。当使用电感器作为天线与LNA之间的耦合时，匹配网络的额外组件能够比在使用电容器作为耦合装置时匹配网络的额外组件添加更少的额外电感以接近Gmin。此外，归因于所接收信号耦合到平衡-不平衡变压器的放大器侧绕组而导致的损耗降低，这有效地增加LNA的增益。因此，对于类似增益及噪声性能，半双工收发器电流消耗降低。半双工收发器对结合线电感的变化也较不敏感，因为此值是匹配网络的总电感的相对较小百分比，包含作为天线与LNA之间的耦合的电感器，这将在下面进一步详细解释。
图1描绘通信***100的框图，其中可实施各种实例。在图1的此高级别表示中，通信***100被展示为收发器，其经设计以发射及接收信号。通信***100的实例包含(但不限于)用户站、无线装置、蜂窝电话、无绳电话、手持双向无线电、会话发起协议(SIP)电话、无线本地环路(WLL)站、个人数字助理(PDA)、具有无线连接能力的手持装置、连接到无线调制解调器固定电话***的其它处理装置、具有通信能力的移动计算机或媒体播放器以及其它通信装置。通信***100包含包括发射器子***104及接收器子***106的收发器子***102以及天线110。在实例中，通信***100还包含本地振荡器(LO)子***108，其向发射器子***104及接收器子***106提供LO信号(或从LO信号导出的信号)。
在实例中，收发器子***102是半双工收发器，其包含用于发射数据的发射器子***104及用于接收数据的接收器子***106。发射器子***104及接收器子***106的一些组件可为公共组件。发射器子***104及接收器子***106经配置以分别以不同时间间隔操作以用于数据的发射及接收。举例来说，在收发器子***102的发射阶段期间，发射器子***104处于活动状态，且接收器子***106处于不活动状态。在收发器子***102的接收阶段期间，接收器子***106处于活动状态，且发射器子***104处于不活动状态。
图2进一步详细地展示包含发射器子***104及接收器子***106的半双工收发器200，其中描绘某些电路元件。发射器子***104包含耦合到功率放大器212的发射器链211。功率放大器212经配置以产生施加到平衡-不平衡变压器206的放大器侧绕组208的差分信号。平衡-不平衡变压器206还包含耦合到天线202的天线侧绕组210。当功率放大器212将差分信号施加到放大器侧绕组208时，平衡-不平衡变压器206操作以将差分信号转换为天线侧绕组210中的单端信号，其接着经由天线202发射。
接收器子***106包含耦合到低噪声放大器(LNA)222的接收器链223。本公开的实例并不将LNA 222限制于任何特定拓扑或设计；而是，LNA 222可包含各种已知拓扑，例如图3中所展示的具有源退化的公共栅极或公共源极。LNA 222耦合到匹配网络216并放大从匹配网络216接收的RF信号。图2中单独参考LNA 222及匹配网络216，以说明放大功能性(例如，由LNA 222实行)与阻抗匹配功能性(例如，由匹配网络216实行)之间的区别。然而，应了解，某些组件(例如，例如晶体管及电感器的组件，其在下面关于图3进一步描述)有助于LNA222的放大功能性及匹配网络216的阻抗匹配功能性。因此，尽管图2中单独展示LNA 222及匹配网络216，但这些功能块的子组件不一定相互排斥或相异。
匹配网络216又耦合到天线侧绕组210。发射-接收开关(Tx-Rx开关)214经配置以将天线侧绕组210与匹配网络216之间的节点215选择性地耦合到接地节点。在此实例中，Tx-Rx开关214是n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。因此，在实例中，当施加到Tx-Rx开关214的栅极的信号(EN)被断言时，Tx-Rx开关214导通并将节点215耦合到接地节点。相反，当EN信号被解除断言时，Tx-Rx开关214不导通并将节点215与接地节点隔离。
如上文解释，各种无线传输协议(例如，802.11b/g WiFi)将收发器上的发射端口与接收端口(所得端口为“Tx-Rx端口”)组合以便释放额外引脚。在图2的实例中，天线202耦合到此单个Tx-Rx端口203。本公开的实例可应用于任何半双工***。
发射器子***104在其中半双工收发器200正在发射的时间段期间是活动的。为通过天线202实现信号的发射，发射器链211包含合适逻辑、电路***及/或可执行指令以实现RF发射信号的产生。来自发射器链211的所产生RF发射信号耦合到功率放大器212的输入。功率放大器212含有合适逻辑、电路***及/或可执行指令以放大在其输入处的信号。在实例中，由天线202以高于在天线202处接收的RF信号的功率电平发射RF发射信号，且因此功率放大器212接收RF发射信号作为输入，放大RF发射信号，并将所放大RF发射信号提供到平衡-不平衡变压器206的放大器侧绕组208。放大器侧绕组208将电能传送到天线侧绕组210(例如，通过磁耦合)，天线侧绕组210又向天线202提供信号用于无线发射。
在半双工收发器200正在发射的时间段期间，EN信号被断言，且因此Tx-Rx开关214导通并将节点215耦合到接地节点。所放大RF发射信号的振幅较大，这可能例如损坏LNA222。为避免此类损坏，Tx-Rx开关214通过提供从天线侧绕组210到接地节点的连接，将天线侧绕组210与匹配网络216且因此与LNA充分解耦。
在其中半双工发射器200正在接收的时间段期间，EN信号被解除断言，且因此Tx-Rx开关214不导通并将节点215与接地节点隔离。因此，天线侧绕组210耦合到匹配网络216，且又耦合到LNA 222。因此，天线侧绕组210用作电感信号耦合，因为天线202通过天线侧绕组210耦合到LNA 222。RF信号在天线202处接收并通过天线侧绕组210及匹配网络216传送到LNA 222。LNA 222放大所接收RF信号，并且在LNA222的输出处将所放大接收RF信号提供到接收器链223。接收器链223包含合适逻辑、电路***及/或可执行指令以实现对所接收到RF信号的处理。
匹配网络216经配置以将所接收RF信号从天线202传送到LNA 222，同时将天线202的阻抗转换为LNA 222的最优源阻抗。期望设计匹配网络216以便降低接收器子***106的噪声因数及电流消耗。进一步希望降低对结合线电感变化的灵敏度。这些因素将在下面关于图3进行进一步详细论述。
图3展示半双工收发器300的实例电路示意图。与图2的半双工收发器200类似，半双工收发器300也包含发射器子***104及接收器子***106。在图3中，具有与关于图2描述的编号相同的编号的元件以相似方式起作用，包含发射器链211、功率放大器212、平衡-不平衡变压器206(及其绕组208、210)、天线202、Tx-Rx端口203、Tx-Rx开关214、LNA 222及接收器链223。
半双工收发器300进一步演示结合线电感的存在，由耦合到天线202的电感器304及平衡-不平衡变压器206的天线侧绕组210表示。偏置电压源318及偏置电阻器320耦合到LNA 222的输入，并且经配置以在LNA 222的输入处提供直流(DC)电压，以允许适当放大所接收RF信号。在此实例中，LNA 222包含第一n型MOSFET 322及第二n型MOSFET 323，其各自具有栅极、源极及漏极。第一n型MOSFET 322的源极耦合到源极退化电感器324，其又耦合到接地节点。第一n型MOSFET 322的栅极耦合到栅极电感器321并用作LNA 222的输入，而第一n型MOSFET 322的漏极耦合到第二n型MOSFET 323的源极。第二n型MOSFET 323的栅极耦合到电压源，所述电压源为简单起见未展示，但提供电压Vb以偏置第二n型MOSFET 323的栅极。第二n型MOSFET 323的漏极耦合到接收器链223，并将所放大接收RF信号提供到接收器链223用于额外处理。第二n型MOSFET 323的漏极还耦合到负载电感器325，其又耦合到供应电压节点，在此实例中由VDD表示。如上文关于图2解释，LNA 222的组件也可有助于接收器子***106的阻抗匹配功能性。举例来说，栅极电感器321及源极退化电感器324除作为LNA222拓扑的部分之外还提供阻抗匹配功能性。类似地，除作为LNA 222拓扑的部分之外，n型MOSFET 322、323还提供阻抗匹配功能性。
第一n型MOSFET 322提供与其跨导及匹配网络216的质量因数成比例的电流，匹配网络216在此实例中由栅极电感器321及源极退化电感器324表示。此所放大电流流过第二n型MOSFET 323并流入负载电感器325，从而导致相对于n型MOSFET 322的栅极处的信号电压的Vout处的电压增益，其由接收器链223接收及处理。因此，LNA 222的增益受到匹配网络216(例如，栅极电感器321及源极退化电感器324)及负载电感器325的质量因数以及n型MOSFET 322的跨导的影响。如上文解释，由于当使用充当电感器的天线侧绕组210作为信号耦合元件时，由匹配网络216为实现Gmin而需要提供的电感比使用电容耦合元件时低，因此LNA 222的增益也得以改进。
根据实例，从天线202到LNA 222的信号耦合由充当电感器的天线侧绕组210提供。特定来说，天线侧绕组210耦合到LNA 222的输入(例如，通过栅极电感器321耦合到第一n型MOSFET 322的栅极)且耦合到天线202。
如上文解释，结合线可用于将天线202耦合到平衡-不平衡变压器206的天线侧绕组210。此结合线耦合具有其自己的电感组件304，其可随工艺公差而变化，从而影响接收器子***106的噪声性能。然而，天线侧绕组210及栅极电感器321的总和值远大于结合线电感器304。因此，通过使用天线侧绕组210作为从天线202到LNA 222的输入的信号耦合，结合线电感304的变化对接收器子***106的噪声性能的影响减小。在一个实例中，天线侧绕组210及电感器316可具有大约4nH的电感，而结合线电感304大约为1nH，并且基于所接收RF信号的频率变化高达+/-10％(0.1nH)。因此，从天线202到LNA 222的信号路径中的总电感从大约4.9到5.1nH变化，其仅为2％的变动。由于结合线电感304的变化的影响减小，接收器子***106的总噪声性能在结合线电感304的变动范围内得以改进。
除减少对结合线电感304的变动的性能依赖性之外，使用电感器312作为从天线侧绕组210到LNA 222的输入的信号耦合还改进LNA 222的噪声因数以及接收器子***106的电流消耗，如关于图4及5进一步解释。图4展示具有分别对应于2、2.5、3及3.5dB的LNA 222噪声系数的噪声系数圆402、404、406、408的史密斯图400。史密斯图400包含随频率(例如，2.3到2.5GHz)变化的阻抗曲线410，其对应于针对LNA 222的“Gmin”。史密斯图400还包含随频率变化的阻抗曲线412，其对应于利用天线侧绕组210作为天线202与LNA 222的输入之间的信号耦合。最后，史密斯图400包含随频率变化的阻抗曲线414，其对应于利用电容器作为天线202与LNA 222的输入之间的信号耦合。
如可看出，就噪声系数来说，对应于充当电感信号耦合的天线侧绕组210的阻抗曲线412比对应于电容信号耦合的阻抗曲线414大约好1dB。此外，距离噪声系数圆402(其表示针对LNA 222的最优源阻抗)越远的阻抗曲线需要更多电感来将阻抗曲线旋转到噪声系数圆402中。在实例中，增加匹配网络中的电感向通过匹配网络传播的RF信号引入额外噪声。因此，为实现针对LNA 222的最优源阻抗，与使用天线侧绕组210的电感信号耦合的匹配网络相比，使用电容信号耦合的匹配网络需要更多电感，并且引入更多噪声。
除通过在天线202与LNA 222的输入之间使用天线侧绕组210的电感信号耦合而实现的改进的噪声性能之外，还降低接收器子***106的电流消耗。图5展示一组波形500，其演示随频率变化的噪声因数及功率损耗，其由使用电容信号耦合及使用天线侧绕组210的电容信号耦合引起。波形500包含展示当使用电容信号耦合时随频率变化的噪声因数的波形502及展示随针对电感信号耦合(例如如上文解释的天线侧绕组210的电感信号耦合)的随频率变化的噪声因数的波形504。波形500还包含波形506，其展示针对电感信号耦合(例如如上文解释的天线侧绕组210的电感信号耦合)的随频率变化的归因于到平衡-不平衡变压器206的放大器侧绕组210的所接收信号耦合而导致的功率损耗。波形500进一步包含波形508，其展示针对电容信号耦合的随频率变化的归因于到平衡-不平衡变压器206的放大器侧绕组210的所接收信号耦合而导致的功率损耗。
如在图5中展示，对于2.4GHz(例如，波形502、504的交叉点)处的近似等效噪声系数性能，由波形506展示的电感信号耦合的功率损耗小于由波形508展示的电容信号耦合的功率损耗。归因于电感信号耦合提供改进的噪声性能，如图4中演示及上文解释，LNA 222电流消耗(及因此半双工收发器300电流消耗)降低，同时仍然提供与使用电容信号耦合的半双工收发器相当的噪声性能。
图6展示用于操作半双工收发器(例如，上文描述的半双工收发器300)的方法600。半双工收发器300包含耦合到天线侧变压器绕组210的天线202。方法600在框602中开始，其中通过由天线侧变压器绕组210将低噪声放大器(例如，LNA 222)耦合到天线202来在接收模式下操作半双工收发器300。以此方式，在天线202与LNA 222之间提供电感信号耦合，其改进如上文解释的半双工收发器300的性能。方法600在框604中任选地继续，其中通过使低噪声放大器(例如，LNA 222)与天线侧变压器绕组210解耦合来在发射模式下操作半双工收发器300。如上文解释，发射-接收开关214可促进在此类发射及接收模式下的操作。举例来说，在接收模式期间，控制发射接收开关214以便使其不导通，从而将天线侧变压器绕组210耦合到LNA 222。在发射模式期间，控制发射-接收开关214以便使其导通，这将天线侧变压器绕组210与LNA 222之间的节点215耦合到接地节点，从而有效地使LNA 222与天线侧变压器绕组210解耦合。
在先前论述及权利要求书中，术语“包含”及“包括”以开放式方式使用，且因此应解释为意指“包含(但不限于)……”。此外，术语“耦合”希望意指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。类似地，在第一组件或位置与第二组件或位置之间耦合的装置可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。“经配置以”执行任务或功能的元件或特征可在制造商制造时配置(例如，编程或结构设计)以执行所述功能及/或可在制造后由用户可配置(或可重新配置)以执行所述功能及/或其它额外或替代功能。配置可通过装置的固件及/或软件编程，通过装置的硬件组件及互连的构造及/或布局，或其组合。另外，前述论述中短语“接地”或类似者的使用希望包含底板接地、地表接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、公共接地及/或适用于或适合于本公开的教示的任何其它形式的接地连接。除非另有说明，在值之前的“约”、“大约”或“大体上”意指所陈述值的+/-10％。
以上论述意在说明本公开的原理及各种实施例。一旦完全了解上文公开内容，众多变化及修改对于所属领域的技术人员将变得显而易见。希望将所附权利要求书解释为涵盖所有此变化及修改。

Claims (18)

1.一种半双工收发器，其包括：
天线；
天线侧变压器绕组，其耦合到所述天线；及
低噪声放大器，其通过所述天线侧变压器绕组耦合到所述天线。
2.根据权利要求1所述的半双工收发器，其进一步包括：
功率放大器；及
放大器侧变压器绕组，其耦合到所述功率放大器；
其中所述放大器侧变压器绕组磁耦合到所述天线侧变压器绕组。
3.根据权利要求2所述的半双工收发器，其进一步包括：
发射-接收开关，其耦合到所述天线侧变压器绕组与所述低噪声放大器之间的节点，且耦合到接地节点；
其中所述半双工收发器经配置以在发射模式及接收模式下操作；且
其中所述发射-接收开关经配置以在所述发射模式下导通，并且经配置以在所述接收模式下不导通。
4.根据权利要求3所述的半双工收发器，其中所述发射-接收开关包括n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
5.根据权利要求1所述的半双工收发器，其中所述低噪声放大器包括n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)及耦合到所述n型MOSFET的栅极且耦合到所述天线侧变压器绕组的电感器。
6.根据权利要求5所述的半双工收发器，其进一步包括：
偏置电压源；及
偏置电阻器，其耦合到所述偏置电压源、所述电感器及所述n型MOSFET的的所述栅极。
7.一种半双工收发器，其包括：
天线；及
天线侧变压器绕组，其耦合到所述天线；
其中所述半双工收发器经配置以在接收模式下操作，其中低噪声放大器通过所述天线侧变压器绕组耦合到所述天线。
8.根据权利要求7所述的半双工收发器，其进一步包括耦合到在所述天线侧变压器绕组与所述低噪声放大器之间的节点且耦合到接地节点的发射-接收开关，其中所述发射-接收开关经配置以在所述接收模式下不导通。
9.根据权利要求7所述的半双工收发器，其中所述半双工收发器经配置以在发射模式下操作，其中所述低噪声放大器与所述天线侧变压器绕组解耦合。
10.根据权利要求9所述的半双工收发器，其进一步包括耦合到在所述天线侧变压器绕组与所述低噪声放大器之间的节点且耦合到接地节点的发射-接收开关，其中所述发射-接收开关经配置以在所述发射模式下导通。
11.根据权利要求10所述的半双工收发器，其中所述发射-接收开关包括n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
12.根据权利要求7所述的半双工收发器，其进一步包括：
功率放大器；及
放大器侧变压器绕组，其耦合到所述功率放大器；
其中所述放大器侧变压器绕组磁耦合到所述天线侧变压器绕组。
13.根据权利要求8所述的半双工收发器，其中所述低噪声放大器包括n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)且电感器耦合到所述n型MOSFET的栅极且耦合到所述天线侧变压器绕组。
14.根据权利要求13所述的半双工收发器，其进一步包括：
偏置电压源；及
偏置电阻器，其耦合到所述偏置电压源、所述电感器及所述n型MOSFET的所述栅极。
15.一种操作包括耦合到天线侧变压器绕组的天线的半双工收发器的方法，所述方法包括：
通过由所述天线侧变压器绕组将低噪声放大器耦合到所述天线来在接收模式下操作所述半双工收发器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述半双工收发器进一步包括耦合到在所述天线侧变压器绕组与所述低噪声放大器之间的节点且耦合到接地节点的发射-接收开关，且其中耦合进一步包括致使所述发射-接收开关不导通。
17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括通过使所述低噪声放大器与所述天线侧变压器绕组解耦合来在发射模式下操作所述半双工收发器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述半双工收发器进一步包括耦合到在所述天线侧变压器绕组与所述低噪声放大器之间的节点且耦合到接地节点的发射-接收开关，且其中解耦合进一步包括致使所述发射-接收开关导通。
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