TWI404348B - 無線通訊收發機 - Google Patents

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Description

無線通訊收發機
本發明係關於一種無線通訊收發機，特別是用於無線通訊收發機之阻抗匹配電路。
無線通訊收發機在應用時需考量與天線間之阻抗匹配。在先前技術之無線通訊收發機中，使用的放大器為雙端傳輸方式，對能量的消耗相對增加，也增加成本消耗。
例如在發明名稱為「阻抗匹配式被動無線射頻收發開關」(IMPEDANCE MATCHED PASSIVE RADIO FREQUENCY TRANSMIT/RECEIVE SWITCH)、公開號第2007/0152904 A1號之美國申請案中，係利用選定巴倫變壓器中的線圈比(ratio turns)，搭配連接在天線上的一次側線圈與連接在二次側線圈上的雙端傳輸的功率放大器及低雜訊放大器，分別達成輸出及輸入時對於天線的阻抗匹配。
又例如在發明名稱為「整合式電路之無線前端架構及其應用」(INTEGRATED CIRCUIT RADIO FRONT-END ARCHITECTURE AND APPLICATIONS THEREOF)、公開號第US 2004/0253939A1號之美國申請案中，係利用由一次側線圈與對稱多抽頭式二次側線圈(symmetrical multi-tap secondary winding)組成的多抽頭巴倫變壓器(multi-tap balun)，並且在一次側線圈與天線之間增加一輸入阻抗匹配迴路(input matching circuit)，其雙端傳輸之功率放大器及低雜訊放大器分別各自連接在對稱多抽頭式二次側線圈的第一對與第二對，藉由切換該多抽頭巴倫變壓器之模式，來分別達成輸出及輸入時對天線的阻抗匹 配。
然而以上兩項申請案皆搭配於以雙端傳輸方式之放大器，對於能量的消耗與流失相對增加。因此希望能有一種無線通訊收發機，可利用一單一變壓器搭配單端傳輸之低雜訊放大器，減少能量消耗，也可同時達成阻抗匹配，不需要額外增加元件，進而降低成本。
一種無線通訊收發機，該收發機包括：一變壓器，該變壓器具有一次側線圈以及中央抽頭式二次側線圈，該一次側線圈具有一第一端點及第二端點，該中央抽頭式二次側線圈具有一第一端點、第二端點以及第三端點；一開關，具有一閘極、一汲極以及一源極，其中該閘極可接收一控制訊號，該汲極經由一耦合電容連接至該變壓器之一次側線圈之第二端點而該源極則接地；一功率放大器，具有至少一輸出端，連接至該變壓器之中央抽頭式二次側線圈之第一端點以及第二端點；以及一低雜訊放大器，具有一輸入端連接至該變壓器之一次側線圈之第二端點。其中該開關因應於該控制訊號之第一電位而使該收發機經由一天線接收訊號至該低雜訊放大器，且因應於該控制訊號之第二電位而使訊號經由該功率放大器由該天線發射出。
在以下的實施例中，將針對此無線通訊收發機的接收及發射兩種狀態分別描述如何利用開關的關閉及開啟達成阻抗匹配。
以下對較佳實施例之詳細描述旨在說明本發明，而非對本 發明之實施方式有所限制。
第1圖係本發明無線通訊收發機1之一實施例。請參考第1圖，本無線通訊收發機1包含一變壓器12、一功率放大器(power amplifier；PA)19、一低雜訊放大器(low noise amplifier；LNA)20以及一開關16。
變壓器12包括一次側線圈13以及中央抽頭式二次側線圈14。一次側線圈13具有一第一端點131以及一第二端點132。中央抽頭式二次側線圈14則具有一第一端點141、第二端點142以及一第三端點143。
開關16可因應於來自主機2之控制訊號(control signal；CS)而為開啟或關閉狀態。在本實施例中，開關16可為一電晶體，例如是金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；MOS)，其中包含一閘極(標為”G”)、一汲極(標為”D”)以及一源極(標為”S”)。
功率放大器19具有一輸入端及至少一輸出端。輸入端連接至收發機1之內部電路3，例如是連接至升頻電路模組(up-conversion module)31。輸出端則連至變壓器12之中央抽頭式二次側線圈14的第一端點141及第二端點142。
低雜訊放大器20具有一輸出端及一輸入端。輸出端連接至收發機1之內部電路3，例如是連接至降頻電路模組(down-conversion module)32。輸入端則經由一耦合電容15連至變壓器12之一次側線圈13的第二端點132。
開關16之閘極連接至一主機2並經由一旁路電容17接地；汲極連接至低雜訊放大器20之輸入端並且與該耦合電容15相連；源極則接地。
變壓器12之一次側線圈13的第一端點131連接至一天線11；中央抽頭式二次側線圈14的第三端點143接收一來自功率 放大器19之偏壓電路的偏壓信號(PA Bias)，並且透過一旁路電容18接地。
第2圖是根據本發明無線通訊收發機1操作於接收狀態之示意圖。請參閱第2圖，低雜訊放大器20另包括一第一電晶體201，一第二電晶體202，以及一電感20a。其中第一電晶體201之閘極連接至一次側線圈13之第二端點132；源極經過電感20a接地。第二電晶體202與第一電晶體201疊接(cascode)，其源極連接至第一電晶體201之汲極；閘極與汲極則連接至電源VDD。
無線通訊收發機1可操作於一第一狀態，例如接收狀態，以及一第二狀態，例如發射狀態。當無線通訊收發機1欲操作於接收狀態時，開關16接收來自主機2之控制訊號的一第一電位而關閉。由天線11所接收之訊號經由一次側線圈13、耦合電容15及低雜訊放大器20至內部電路3。
此時該無線通訊收發機1之輸入阻抗Zin(r)係由一次側線圈13及低雜訊放大器20所形成之總阻抗。
因此，設Zin(r)為該無線通訊收發機1操作於接收狀態時之輸入阻抗，而Zout為其輸出阻抗，Z1為天線11之電阻值，可推導出以下等式： 其中*表共軛複數；Cgs為低雜訊放大器20之第一電晶體201的閘極至源極(gate to source)的寄生電容；Ls為低雜訊放大器20的電感20a之電感值；s=jw；w=2πf，f為頻率；gm為 第一電晶體201的轉移電導；為Zin(r)之實部，即為天線11 之電阻值。
以上之參數可依據實際情形在電路中進行搭配，以達成阻抗匹配，在本發明之一實施例中，以下數據可供參考：f=2.4兆赫(giga Herts；GHz)； L1=2.6x10-9亨利即2.6奈亨利(nano Henry；nH)；=50歐姆(ohm；Ω)。
第3圖是根據本發明無線通訊收發機1操作於發射狀態之示意圖。請參閱第3圖，當無線通訊收發機1欲操作於發射狀態時，開關16接收來自主機2之控制訊號的一第二電位而開啟，使得一次側線圈13之第二端點132經由該耦合電容15接地。此接地線可避免來自功率放大器19的能量傳送到低雜訊放大器20而造成裝置毀損。來自功率放大器19之訊號經由變壓器12傳送至天線11。該變壓器12即可做為一巴倫變壓器(balun)，其中該中央抽頭式二次側線圈14的第三端點143經由一旁路電容18接地，主要用於射頻交流耦合接地(RF AC coupling ground)，使得該變壓器12中間抽頭處接近於接地電位。由於該第三端點143接收一來自於功率放大器19之偏壓訊號(例如是Vcc=1.2伏特)，因此需要該旁路電容18來達成交流訊號接地，從而平衡功率放大器19之輸出並且改善二次諧波失真(2nd harmonic distortion)。
1‧‧‧無線通訊收發機
2‧‧‧主機
3‧‧‧內部電路
31‧‧‧升頻電路模組
32‧‧‧降頻電路模組
11‧‧‧天線
12‧‧‧變壓器
13‧‧‧一次側線圈
131‧‧‧一次側線圈第一端點
132‧‧‧一次側線圈第二端點
14‧‧‧中央抽頭式二次側線圈
141‧‧‧中央抽頭式二次側線圈第一端點
142‧‧‧中央抽頭式二次側線圈第二端點
143‧‧‧中央抽頭式二次側線圈第三端點
15‧‧‧耦合電容
16‧‧‧開關
17‧‧‧旁路電容
18‧‧‧旁路電容
19‧‧‧功率放大器(power amplifier；PA)
20‧‧‧低雜訊放大器(low noise amplifier；LNA)
本發明之前揭摘要以及上文詳細說明在參閱隨附圖式而閱覽時即可更佳瞭解。為達本發明之說明目的，各圖式所圖繪者為現屬較佳之具體實施例。然應瞭解本發明並不限於所繪之排置方式及設備裝置。
在本圖式中：第1圖為本發明其中一範例之無線通訊收發機1之示意圖；第2圖為本發明其中一範例之無線通訊收發機1操作於接收狀態之示意圖；以及第3圖為本發明其中一範例之無線通訊收發機1操作於發 射狀態之示意圖。
1‧‧‧無線通訊收發機
2‧‧‧主機
3‧‧‧內部電路
31‧‧‧升頻電路模組
32‧‧‧降頻電路模組
11‧‧‧天線
12‧‧‧變壓器
13‧‧‧一次側線圈
131‧‧‧一次側線圈第一端點
132‧‧‧一次側線圈第二端點
14‧‧‧中央抽頭式二次側線圈
141‧‧‧中央抽頭式二次側線圈第一端點
142‧‧‧中央抽頭式二次側線圈第二端點
143‧‧‧中央抽頭式二次側線圈第三端點
15‧‧‧耦合電容
16‧‧‧開關
17‧‧‧旁路電容
18‧‧‧旁路電容
19‧‧‧功率放大器(power amplifier；PA)
20‧‧‧低雜訊放大器(low noise amplifier；LNA)

Claims (10)

  1. 一種無線通訊收發機，該收發機包括：一變壓器，該變壓器具有一次側線圈以及中央抽頭式二次側線圈，該一次側線圈具有一第一端點及第二端點，該中央抽頭式二次側線圈具有一第一端點、第二端點及第三端點；一開關，具有一閘極、一汲極以及一源極，其中該閘極可接收一控制訊號，該汲極經由一耦合電容連接至該變壓器之一次側線圈之第二端點而該源極則接地；一功率放大器，具有至少一輸出端，連接至該變壓器之中央抽頭式二次側線圈之第一端點以及第二端點，並提供一偏壓信號至中央抽頭式二次側線圈之第三端點；以及一低雜訊放大器，具有一輸入端連接至該變壓器之一次側線圈之第二端點；其中該開關因應於該控制訊號之第一電位而使該收發機經由一天線接收訊號至低雜訊放大器，且因應於該控制訊號之第二電位而使訊號經由該功率放大器由該天線發射出。
  2. 如申請專利範圍第1項之無線通訊收發機，其中該開關因應於該控制訊號之第一電位而關閉。
  3. 如申請專利範圍第1項之無線通訊收發機，其中該開關之閘極經由一旁路電容接地。
  4. 如申請專利範圍第1項之無線通訊收發機，其中該低雜訊放大器包括一電感、一第一電晶體及一第二電晶體，其中該第一電晶體之閘極經由該耦合電容連接至該一次側線圈之第二端點，而其源極經過該電感接地，該第二電晶體之源極連接至該第一 電晶體之汲極。
  5. 如申請專利範圍第4項之無線通訊收發機，其中該變壓器之一次側線圈的第一端點連接至該天線。
  6. 如申請專利範圍第5項之無線通訊收發機，其中該天線之阻抗依如下等式匹配於該變壓器之一次側線圈之阻抗以及該低雜訊放大器之阻抗所形成的總阻抗： 其中Zout為輸出阻抗即該天線之阻抗，Zin(r)係由該一次側線圈及該低雜訊放大器所形成之總阻抗，*表共軛複數，Cgs為該低雜訊放大器中該第一電晶體的閘極至源極的寄生電容，Ls為低雜訊放大器中該電感的電感值，s=jw，w=2πf，f為頻率，gm為該低雜訊放大器中該第一電晶體的轉移電導。
  7. 如申請專利範圍第1項之無線通訊收發機，其中該功率放大器之輸入端與一升頻電路模組相連，該低雜訊放大器之輸出端與一降頻電路模組相連。
  8. 如申請專利範圍第1項之無線通訊收發機，其中該開關因應於該控制訊號之第二電位而開啟，使得該變壓器之一次側線圈的第二端點經由該耦合電容接地。
  9. 如申請專利範圍第8項之無線通訊收發機，其中該變壓器之中央抽頭式二次側線圈接收來自於該功率放大器之訊號，該訊號經由該變壓器之一次側線圈傳送至該天線而發射出。
  10. 如申請專利範圍第8項之無線通訊收發機，其中該變壓器之中央抽頭式二次側線圈的第三端點經由一旁路電容接地。
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