基於時分雙工的無線收發模式切換裝置以及無線通信系統的製作方法
2023-06-07 01:54:46
專利名稱：基於時分雙工的無線收發模式切換裝置以及無線通信系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路設計領域，具體涉及TDD無線通信收發切換的集成電路設計技術。
背景技術：
在過去的十年裡，無線通信產業經歷了爆發性成長，加速了集成電路(IC)產業的發展。特別是在IC設計產業中，越來越多的無線通信晶片都被集成到CMOS技術中，隨著市場競爭日益劇烈，成本和功耗因素成為晶片設計的首要考慮點，特別是對於早期成熟的時分雙工(TDD)無線消費類通信晶片。典型的，在TDD無線通信系統中，單刀雙擲(STOT)開關在射頻(RF)發射(Tx)信號和RF接收(Rx)信號之間切換，其按時間劃分系統處於發射模式和接收模式。如圖1所示，為現有TDD通信系統中採用SPDT開關的RFIC電路原理圖。在發射模式時，單刀雙擲(SroT)開關103將Tx信號從發射機101切換到天線，並且在接收模式時，將Rx信號從天線切換到接收機102。該RF開關103根據TDD控制信號在Tx路徑和Rx路徑之間完成切換。這種結構適用於在具有小於IW發射功率的系統中使用。圖2為CMOS工藝實現的SPDT射頻開關。SPDT開關202、203採用浮體開關電路(即襯底接大電阻)，提高線性度和減小功率衰減，Rx通路低噪聲放大器(LNA) 212與Tx通路功率放大器(PA) 213採用獨立的匹配網絡，即輸入匹配網絡210和輸出匹配網絡211。當Rx通路工作時，SPDT開關202導通，天線端201與LNA212相連，與PA213斷開；當Tx通路工作時，SPDT開關203導通，天線端201與PA213相連，與LNA212斷開。但由於SPDT開關202、203處於射頻信號路徑上，其MOS溝道電阻會影響匹配網絡的Q值以及帶來一定的信號衰減，從而增加Rx LNA的噪聲係數(NF)，減小Tx PA的輸出功率，這都會增加晶片的功耗。這對於消費類電子產品，如藍牙(BT)、Ziggbee等TDD系統晶片，圖2所示收發方案沒有性能競爭優勢。
發明內容
本發明解決的技術問題是提出一種基於時分雙工的無線收發模式切換裝置以及無線通信系統，實現低成本、低功耗的收發模式切換。本發明提出的一種基於時分雙工的無線收發模式切換裝置，包括:天線單元、由輸入匹配網絡單元和低噪聲放大器構成的接收通路，以及由輸出匹配網絡單元和功率放大器構成的發射通路；還包括收發控制單元；所述發射通路和接收通路都通過相應的匹配網絡單元連接到所述天線單元；所述收發控制單元用於根據收到的模式切換指令選通接收通路或發射通路。進一步的，所述低噪聲放大器設有控制所述低噪聲放大器是否工作的接收模式切換開關，所述功率放大器設有控制所述功率放大器是否工作的發射模式切換開關；所述收發控制單元用於根據收到的模式切換指令控制所述接收模式切換開關或發射模式切換開關動作，以選通對應的通路工作。進一步的，所述輸入匹配網絡單元還包括控制接收通路輸入阻抗值在高阻抗和特性阻抗之間切換的輸入阻抗切換開關，所述輸出匹配網絡單元還包括控制發射通路輸出阻抗值在高阻抗和特性阻抗之間切換的輸出阻抗切換開關；所述收發控制單元還用於根據收到的模式切換指令控制所述阻抗切換開關的動作，在選通接收通路時控制所述輸入匹配網絡單元的阻抗值為特徵阻抗，所述輸出匹配網絡單元的阻抗值為高阻抗，在選通發射通路時控制所述輸入匹配網絡單元的阻抗值為高阻抗，所述輸出匹配網絡單元的阻抗值為特性阻抗。進一步的，所述的輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關為互鎖開關。進一步的，所述輸入匹配網絡單元為Π型、L型或T型匹配網絡單元；所述輸出匹配網絡單元為Π型、L型或T型匹配網絡單元。進一步的，所述的接收模式切換開關和發射模式切換開關為MOS開關電路。進一步的，所述的輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關為MOS開關電路。進一步的，所述的輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關為浮體MOS開關電路。進一步的，所述的低噪聲放大器為電感源退化共源放大器。進一步的，所述的功率放大器為共源共柵高頻放大器。本發明還公開了一種基於時分雙工的無線通信系統，包括發射機和接收機，其特徵在於，還包括上述的無線收發模式切換裝置，所述發射機與所述無線收發模式切換裝置的功率放大器相連，所述接收機與所述無線收發模式切換裝置的低噪聲放大器相連。本發明採用不在主信號路徑上設置開關，而在接收和發送通路中的放大器中設置模式切換開關，通過收發控制單元控制模式切換開關實現模式切換。本發明由於在電路設計中省去了現有技術中使用的SPDT開關，降低了晶片的成本和功耗。而且還能減少因使用SPDT開關對晶片性能帶來的不良影響。本發明適用於CMOS全集成TDD無線通信晶片收發模式切換電路的設計。
圖1是現有技術SPDT開關電路收發模式切換的原理圖；圖2是現有技術中採用CMOS工藝實現的SPDT射頻開關的電路圖；圖3是本發明實施例一的基於時分雙工的無線收發模式切換裝置原理圖；圖4是本發明實施例二的無線收發模式切換裝置電路圖；圖5是本發明實施例二中浮體阻抗切換開關電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖，並通過具體實施例對本發明的實現進行詳細說明。實施例一如圖3所示的無線收發模式切換裝置，包括:天線單元301、由串聯的輸入匹配網絡單元302和低噪聲放大器LNA305構成的接收通路Rx，以及由輸出匹配網絡單元303和功率放大器PA306構成的發射通路Tx，以及收發控制單元304。收發控制單元304可以根據收到的模式切換指令選通接收通路Rx或發射通路Τχ。本實施例中，在低噪聲放大器305中設有接收模式切換開關，控制低噪聲放大器305處於工作狀態或不工作狀態。功率放大器306設有發射模式切換開關，控制功率放大器306處於工作狀態或不工作狀態。收發控制單元304用於根據收到的模式切換指令控制接收模式切換開關或發射模式切換開關動作，以選通接收通路Rx或者發射通路Tx工作。在一個實施方式中，為了解決MOS開關在信號路徑上影響晶片性能，需要在對輸入匹配網絡單元302和輸出匹配網絡單元303做適當修改，使二者也收發控制單元304的控制，即控制輸入匹配網絡單元302的阻抗值Zin和輸出匹配網絡單元303的阻抗值Zout在特性阻抗50ohm和高阻之間切換。詳細講，就是Rx工作模式時，輸入匹配網絡單元302和輸出匹配網絡單元303受收發控制單元304的控制配置，使得Zin = 50ohm, Zout =^ ，此時LNA305正常工作，PA306關斷，LNA305接收天線單元301的RF信號；Tx工作模式時，輸入匹配網絡單元302和輸出匹配網絡單元303受收發控制單元304的控制配置，使得Zin=m，Zout = 50ohm，此時PA 306正常工作，LNA305關斷，PA306輸出RF信號至天線單元301。在一種實現方式中，可以採用在輸入匹配網絡單元302中設置輸入阻抗切換開關，在輸出匹配網絡單元303中設置輸出阻抗切換開關。收發控制單元304根據收到的模式切換指令控制阻抗切換開關的動作，在選通接收通路時控制輸入匹配網絡單元302的阻抗值為特徵阻抗，輸出匹配網絡單元303的阻抗值為高阻抗，在選通發射通路時控制輸入匹配網絡單元302的阻抗值為高阻抗，輸出匹配網絡單元303的阻抗值為特性阻抗。這種實現方式由於只是將阻抗切換開關集成到匹配網絡單元中，對晶片性能影響較小。進一步，在一個實施例中，還可以將輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關設計為互鎖開關，一個開啟，另一個則關閉。上述的輸入匹配網絡單元可以為Π型、L型或T型匹配網絡單元；輸出匹配網絡單元也可以為Π型、L型或T型匹配網絡單元。上述的接收模式切換開關和發射模式切換開關，以及輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關都可以為MOS開關電路，多其他形式的開關電路。其中為了減少MOS開關管中的寄生二極體的影響，可以 將輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關採用浮體MOS開關電路實現。實施例二下面再通過一個具體的電路結構對本發明的實現進行說明。如圖4所示的無線收發模式切換裝置電路中，包括以下組成部分:天線401、輸入匹配網絡402、輸出匹配網絡403、TDD控制信號產生器404、LNA405以及PA406。圖中，輸入匹配網絡402、輸出匹配網絡403採用Π型匹配網絡。LNA405為電感源退化共源放大器。PA406為共源共柵高頻放大器。在匹配網絡中設置有輸入阻抗切換開關409和輸出阻抗切換開關407。在LNA405以及PA406分別設有接收模式切換開關410和發射模式切換開關408。該電路在Rx工作模式下的工作過程為:TDD控制信號產生器404產生相應Rx工作控制信號=TxRxSW = 0，SI = 1，S2 = 0，使得LNA405處於工作狀態，PA406處於關閉狀態，輸出阻抗切換開關407關閉，輸入阻抗切換開關409斷開，此時輸出匹配網絡402諧振產生高阻，Zout =°°,輸入匹配網絡403將LNA405等效輸入阻抗匹配至特性阻抗，即Zin =50ohm,輸出匹配網絡403不會影響輸入匹配網絡402，天線401接收的RF信號被LNA405放大。該電路在Tx工作模式下的工作過程為:TDD控制信號產生器404產生相應Tx工作控制信號=TxRxSW = 1，SI = 0，S2 = 1，使得LNA405處於關閉狀態，PA406處於工作狀態，輸出阻抗切換開407斷開，輸入阻抗切換開關409關閉，此時輸入匹配網絡402諧振產生高阻,Zin =°°,輸出匹配網絡將PA406等效輸入阻抗匹配至特性阻抗，即Zout = 50ohm,輸入匹配網絡402不會影響輸出匹配網絡403，PA406放大的RF信號傳輸給天線401發射出去。本實施例中，輸入阻抗切換開關409和輸出阻抗切換開關407，以及接收模式切換開關410和發射模式切換開關408可以採用簡單的MOS開關電路。其中輸入阻抗切換開關409和輸出阻抗切換開關407，可以採用浮體MOS開關電路。即如圖5所示的MOS開關連接方式，MOS開關501的柵極、襯底通過大電阻502、503連接到相應電位上，這種連接方式可以減少各級間的寄生二極體的影響。此外將發射機與本發明的無線收發模式切換裝置的功率放大器相連，接收機與本發明的無線收發模式切換裝置的低噪聲放大器相連，就構成一種基於時分雙工的無線通信系統，該系統同樣具有本發明無線收發模式切換裝置的相應的特點，在此就不再贅述。以上所述實施例，僅為本發明的較佳實例而已，並非用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於時分雙工的無線收發模式切換裝置，包括:天線單元、由輸入匹配網絡單元和低噪聲放大器構成的接收通路，以及由輸出匹配網絡單元和功率放大器構成的發射通路，其特徵在於，還包括收發控制單元；所述發射通路和接收通路都通過相應的匹配網絡單元連接到所述天線單元；所述收發控制單元用於根據收到的模式切換指令選通接收通路或發射通路。
2.根據權利要求1所述的基於時分雙工的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述低噪聲放大器設有控制所述低噪聲放大器是否工作的接收模式切換開關，所述功率放大器設有控制所述功率放大器是否工作的發射模式切換開關；所述收發控制單元用於根據收到的模式切換指令控制所述接收模式切換開關或發射模式切換開關動作，以選通對應的通路工作。
3.根據權利要求1或2所述的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述輸入匹配網絡單元還包括控制接收通路輸入阻抗值在高阻抗和特性阻抗之間切換的輸入阻抗切換開關，所述輸出匹配網絡單元還包括控制發射通路輸出阻抗值在高阻抗和特性阻抗之間切換的輸出阻抗切換開關；所述收發控制單元還用於根據收到的模式切換指令控制所述阻抗切換開關的動作，在選通接收通路時控制所述輸入匹配網絡單元的阻抗值為特徵阻抗，所述輸出匹配網絡單元的阻抗值為高阻抗，在選通發射通路時控制所述輸入匹配網絡單元的阻抗值為高阻抗，所述輸出匹配網絡單元的阻抗值為特性阻抗。
4.根據權利要求3所述的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述的輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關為互鎖開關。
5.根據權利要求1或2所述的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述輸入匹配網絡單元為Π型、L型或T型匹配網絡單元；所述輸出匹配網絡單元為Π型、L型或T型匹配網絡單元。
6.根據權利要求2所述的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述的接收模式切換開關和發射模式切換開關為MOS開關電路。
7.根據權利要求3所述的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述的輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關為MOS開關電路。
8.根據權利要求7所述的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述的輸入阻抗切換開關和輸出阻抗切換開關為浮體MOS開關電路。
9.根據權利要求1或2所述的無線收發模式切換裝置，其特徵在於，所述的低噪聲放大器為電感源退化共源放大器；所述的功率放大器為共源共柵高頻放大器。
10.一種基於時分雙工的無線通信系統，包括發射機和接收機，其特徵在於，還包括如權利要求1-9任一項所述的無線收發模式切換裝置，所述發射機與所述無線收發模式切換裝置的功率放大器相連，所述接收機與所述無線收發模式切換裝置的低噪聲放大器相連。
全文摘要
本發明公開了一種基於時分雙工的無線收發模式切換裝置以及無線通信系統，通過收發控制單元選通接收通路或發射通路，在實現時可以不在主信號路徑上設置開關，而在接收和發送通路中的放大器中設置模式切換開關，通過收發控制單元控制模式切換開關實現模式切換。本發明由於在電路設計中省去了現有技術中使用的SPDT開關，降低了晶片的成本和功耗。而且還能減少因使用SPDT開關對晶片性能帶來的不良影響。本發明適用於CMOS全集成TDD無線通信晶片收發模式切換電路的設計。
文檔編號H04B1/44GK103187987SQ20111044758
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者蔡新午, 張立國, 趙騫, 潘文杰, 周建波 申請人:國民技術股份有限公司