一種基於片上變壓器的收發匹配網絡共用的射頻電路的製作方法
2023-10-09 20:45:59 1
一種基於片上變壓器的收發匹配網絡共用的射頻電路的製作方法
【專利摘要】一種基於片上變壓器的收發匹配網絡共用併集成TR-SW的收發機結構。該收發機用於無線通信射頻前端電路中。該收發機結構是以片上變壓器為基礎，將接收機和發射機的阻抗匹配網絡、TR_SWITCH等不易集成的電路原件均集成在晶片上，極大的提升了晶片的集成度，降低了成本；另一方面，本發明將接收機和發射機的片上阻抗網絡共用，採用開關來控制發射機和接收機的輪換導通，減少了晶片上阻抗匹配網絡的原件的數量，減小了了晶片的面積。
【專利說明】—種基於片上變壓器的收發匹配網絡共用的射頻電路
【技術領域】
[0001]本發明為射頻前端電路中一種高集成度的收發機結構，屬於射頻通信領域。
【背景技術】
[0002]最近幾十年，無線通信得到了巨大的發展。這一方面是由於無線通信能夠使人們的生活變得更加便捷，移動終端能夠保持信息的隨時交換，實時性高；另一方面，逐漸降低的成本使得可消費群體變得越來越大，無線終端擔負的功能也越來越多。性價比高的產品一直受到用戶的支持和歡迎，這樣就給硬體設計者提出了更高的要求:降低成本。
[0003]集成電路的種類可以分為模擬電路(包含射頻電路)和數字電路。數字電路的複雜度有很大差別，一般要求不高的數字晶片都會採用大尺寸的工藝來降低成本；而功能較複雜的快速數字晶片會在選定的工藝下進行算法的不斷優化，以便既可以提高晶片的工作速率，又能降低晶片的面積，達到降低成本的目的。對於模擬電路來講，在既定工藝下可以採用較為簡單的電路結構，減小版圖的面積；也可以實現某些模塊的復用，如時分復用的收發機可以將面積較大的基帶濾波器由時序開關控制分別接在發射機支路或者接收機支路上。
[0004]較為通用的射頻收發機的結構如圖1所示。當收發機處於發射狀態的時候，T/R-SffITCH的控制開關打開發射機通路，數位訊號進入發射機的模擬基帶，被濾波和放大的模擬信號通過發射機的混頻器(TX_MIXER)將有用信號變頻到射頻域，PA將射頻信號進一步放大後通過片外的匹配網絡將信號傳輸到天線上，天線再將信號輻射到傳輸介質中。當收發機處於接收狀態的時候，T/R-SWITCH的控制開關將接收通路打開，天線將接收到的信號經過接收端的片外匹配網絡後將有用信號送進片上的LNA輸入埠，LNA將有用信號放大，抑制帶外的噪聲，LNA輸出的有用射頻信號送入接收機的混頻器(RX_MIXER)，RX_MIXER將信號下變頻到模擬基帶，模擬信號進行放大和濾波處理以後通過模數轉換器(ADC)送入數字域。
[0005]這種收發機結構簡單，它將有源的電路部分都集成在晶片內，收發端的阻抗匹配網絡和T/R-SWITCH做到了 PCB板上。由於射頻電路對於寄生特別敏感，所以收發端的阻抗匹配網絡需要做的很準確。但是包括射頻電路的版圖、焊盤鍵和線、封裝管殼以及晶片輸出端在PCB板上走線等寄生很難準確的進行估計，所以阻抗匹配網絡一般都放在片外的PCB板上，這樣可以通過更換不同值的電感和電容來做收發端的阻抗匹配，儘可能的增加信號傳輸的效率。但是這種結構極大的降低了集成度，因為無論是L型匹配網絡、Pi型匹配網絡、T型匹配網絡還是更高階的匹配網絡(圖2)，每路信號都需要至少兩個元件完成匹配。當發射和接收均是單端信號的時候，阻抗匹配網絡中元件的數目至少為4個；當收發機片上輸出為差分信號的時候，則至少需要8個元件完成匹配網絡。這些元件會佔用PCB板很大的面積，使得PCB板的尺寸增大，射頻電路的地變大，既影響電路的性能，又增加了成本。
【發明內容】
[0006]針對以上問題，本發明設計出一種電路結構，集成收發機的阻抗匹配網絡到晶片上，同時在片上完成T/R-SWITCH的設計；其次，阻抗匹配網絡的結構要儘可能的簡單，儘量使用最少數目的電感和電容，減小晶片的面積，降低成本。
[0007]本發明公開一種基於片上變壓器的收發匹配網絡共用併集成TR-SW的收發機結構，用於射頻信號收發機接收通路和發射通路中，該電路包括片上變壓器和收發控制開關T/R-SWITCH，片上變壓器和收發控制開關T/R-SWITCH集成在射頻信號收發機晶片上；片上變壓器作為射頻信號收發機接收通路和發射通路共用的阻抗匹配網絡，收發控制開關T/R-SffITCH控制射頻信號收發機接收通路和發射通路的工作時序，實現射頻信號接收通路和發射通路的切換。
[0008]阻抗匹配網絡在片外實現的主要原因是:射頻電路的寄生很難估計準確。從PCB板埠向電路內部看進去會通過PCB板的走線、金屬鍵和線、焊盤等器件，這些器件引入的寄生會改變片上電路埠的S參數。
[0009]變壓器可以將初級線圈中的信號的能量通過電磁耦合，將信號傳送到變壓器的次級線圈中。將初級線圈和電容並聯，可以優化現實變壓器的功率傳輸效率。當PA以變壓器做負載的時候，電路結構如圖4所示。實際的變壓器為帶通的器件，它會在一定的帶通範圍內將初級線圈的能量耦合到次級線圈中，但是變壓器的通帶範圍較大，在實現窄帶通信的時候，很多噪聲信號也會被變壓器耦合到次級線圈的負載上。為了在變壓器的通帶內再實現窄帶的選擇，可以在變壓器的初級線圈LI處並聯一個可變電容陣列C2。電容陣列中開關導通的越多，並聯到地的電容越大，選擇的變壓器的通帶就越靠近低頻，頻率選擇的示意圖如圖5所示。電容諧振網絡會將通帶的增益增加，但是通帶的寬度會減小。圖5中虛線的範圍是沒有諧振電容的通帶特性；實線部分為開關電容陣列決定的窄帶高增益特性。
[0010]天線接收的信號會經過變壓器將單端信號轉換成差分信號，差分信號經過阻抗匹配網絡傳輸到LNA的輸入埠。當採用變壓器作為單端信號轉差分信號和阻抗匹配的核心器件的電路原理圖如圖6所示。此時的初級線圈為L2，次級線圈為LI，調節C2和C3決定了變壓器的通帶範圍，其中C2和C3為可變電容陣列。次級線圈為帶中間抽頭差分輸出，分別將相位差180度的差分信號送進LNA的正負輸入埠。
[0011]可變電容C2、可變電容C3為開關電容陣列與壓控電容陣列的任意組合。可變電容C3的電容值可為O。
[0012]針對PCB板的走線、金屬鍵和線、焊盤等器件寄生的不確定性，為了完成較好的阻抗匹配，可以通過調節和初級線圈諧振的電容的大小來調節阻抗匹配的特性。只要變壓器設計的帶通範圍能夠覆蓋設計需要的頻點，通過電容陣列的控制，總能將通帶移動到所需的頻點上。變壓器的該特性可以很好的克服寄生估計不準情況。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1傳統收發機結構的系統框圖
[0014]圖2阻抗匹配網絡結構(a) L型匹配(b)Pi型匹配(c) T型匹配
[0015]圖3以變壓器為基礎的新的收發機結構
[0016]圖4以變壓器做負載的PA的電路原理圖
[0017]圖5變壓器的帶通特性[0018]圖6以變壓器做輸入差轉單和阻抗匹配的LNA電路結構示意圖
[0019]圖7SW1閉合，SW2打開時收發機電路的工作示意圖
[0020]圖8SW2閉合，Sffl打開時收發機電路的工作示意圖
【具體實施方式】
[0021]收發機結構中，電路模塊的復用技術可以節省晶片的面積，有效的降低成本；同時高度集成的晶片可以減少片外的元件數目，也能在成本方面表現出較大的優勢。本發明從復用和片上集成兩方面改善了收發機的結構。
[0022]本發明的收發機結構如圖3所示。T/R-SWITCH的功能由開關SWl和SW2控制。當Sffl閉合，SW2打開的時候，發射機通路打開。此時PA的輸出埠通過SWl連接到變壓器的初級線圈LI上，可變電容陣列C2跨接在LI的輸入埠和地之間，可變電容陣列C3跨接在L2的輸入埠和地之間，通過調節C2和C3的大小，選擇PA工作的頻帶，實現發射通路的功率匹配。LI的中間抽頭此時由開關切換到了 VDD PA狀態，為PA供電。當去掉SW2控制的開路支路時，此時發射狀態的電路圖如圖7所示(閉合的SWl視為導線)。
[0023]當SW2閉合，SWl打開的時候，接收機通路處於工作狀態。此時變壓器的初級線圈變成了 L2，次級線圈變為LI，可變電容陣列C3跨接在L2的輸入埠和地之間，可變電容陣列C2跨接在LI的輸入埠和地之間，調節C2和C3的值，選擇LNA的工作頻帶，實現接收通路的功率匹配。LI的中間抽頭測試連接直流電位VB LNA，為LNA的輸入提供了直流的偏置。LI的兩個埠通過SW2連接到了 LNA的輸入，將接收到的信號送入了 LNA。當去掉SWl控制的開路支路時，此時接收狀態的電路圖如圖8所示(閉合的SW2視為導線)。
[0024]Sffl和SW2是分別控制收發機的發射機支路和接收機支路的，這兩個控制信號不能同時為高(有效值)，否則收發開關將同時打開，改變變壓器的埠特性，還會伴有能量的洩漏。片上變壓器的模型的建立，可以通過ADS或者HFSS等電磁場仿真工具來實現。收發機正常工作時，接收機接收到的頻率和發射機輻射的頻率會很相近甚至相同，這樣就實現了用一個變壓器完成發射和接收兩部分的阻抗匹配特性。開關電容陣列中，開關的尺寸會很大，以便減小開關導通的電阻，減小射頻信號傳輸時的能量損失。
【權利要求】
1.一種基於片上變壓器的收發匹配網絡共用的射頻電路，用於射頻信號收發機接收通路和發射通路中，其特徵在於該電路包括片上變壓器和收發控制開關T/R-SWITCH，片上變壓器和收發控制開關T/R-SWITCH集成在射頻信號收發機晶片上；片上變壓器作為射頻信號收發機接收通路和發射通路共用的阻抗匹配網絡，收發控制開關T/R-SWITCH控制射頻收發機接收通路和發射通路的工作時序，實現射頻信號接收通路和發射通路的切換。
2.如權利要求1所述的電路，用於射頻信號收發機接收通路和發射通路中，其特徵在於，可變電容C2與片上變壓器的線圈LI並聯，可變電容C3通過開關SW3與片上變壓器的線圈L2並聯，開關SWl和開關SW2並聯組成收發控制開關T/R-SWITCH，線圈LI中間抽頭連接開關SWl和開關SW2。
3.如權利要求2所述的電路，其特徵在於，當SWl閉合，SW2打開時，射頻信號發射通路處於工作狀態，線圈LI變成片上變壓器的初級線圈，線圈L2變成片上變壓器的次級線圈，射頻信號收發機中的功率放大器PA的輸出埠連接到片上變壓器的初級線圈LI上，可變電容C2跨接在線圈LI的輸入埠和地之間，可變電容C3跨接在線圈L2的輸入埠和地之間，通過調節C2和C3的大小實現發射通路的功率匹配。
4.如權利要求2所述的電路，其特徵在於，當SW2閉合，SWl打開時，射頻信號接收通路處於工作狀態，線圈L2變成片上變壓器的初級線圈，線圈LI變成片上變壓器的次級線圈，射頻信號收發機中的低噪聲放大器LNA的輸入埠連接到片上變壓器的次級線圈LI上，可變電容C2跨接在線圈LI的輸入埠和地之間，可變電容C3跨接在線圈L2的輸入埠和地之間，通過調節C2和C3的大小實現接收通路的功率匹配。
5.如權利要求2所述的電路，其特徵在於，可變電容C2、可變電容C3為開關電容陣列與壓控電容陣列的任意組合。
6.如權利要求2所述的電路，其特徵在於，可變電容C3的電容值可為O。
【文檔編號】H04B1/44GK103684518SQ201210351428
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月18日 優先權日:2012年9月18日
【發明者】孫志剛, 李羅生 申請人:北京中電華大電子設計有限責任公司