[發明專利]一種射頻前端電路結構

有效

• 申請號: 201110102585.4
• 申請日: 2011-04-22
• 公開（公告）號: CN102170296A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 劉軍華;聶楠;李琛;廖懷林
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H04B1/40
• 分類號: H04B1/40
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明屬于射頻集成電路領域，具體涉及一種射頻前端電路結構。

背景技術

近十年來，射頻集成電路(RFIC)的開發和研究得到了迅猛的發展，這主要緣于無線通信市場的繁榮。這些無線應用包括尋呼機、無繩電話、射頻認證(RFID)、數字蜂窩移動電話(GSM，CDMA)和全球定位系統(GPS)等。

市場對無線產品的性能要求越來越高，在新興的電子消費類產品中，尤其要滿足低成本、低功耗、小體積、高性能的要求，提高收發機的集成度無疑是滿足上述需求的重要途徑。

無線收發機(發射-接收機)提供信息源與通信信道(空氣)之間進行信息交換的接口，包括發射機和接收機兩個部分來完成發射和接收功能。

在收發機中，射頻前端所采用的系統結構對其性能有決定性的影響，它是每個收發機與外界通訊必不可少的核心模塊。射頻前端包括接收機射頻前端和發射機射頻前端。接收機射頻前端主要操作是：對從天線來的信號做去噪處理后進行放大并將放大后的信號下變頻到較低的頻率，因此，其第一個模塊為具備放大功能的低噪聲放大器(LNA)。發射機射頻前端的主要操作是：將處理過的信號上變頻到高頻頻段并發射出去，因此，其最后一個模塊為高發射效率的功率放大器(PA)。

圖1為LNA的示意結構。這種結構為源簡并電感型LNA，具有噪聲系數低、增益高、線性度好并可以實現輸入阻抗匹配等優點，在目前無線收發機系統中應用最為廣泛。其中，MOS管M11為放大管，實現LNA最基本的放大功能；L13為負載電感，為放大器提供諧振負載。另外，LNA作為接收鏈路的第一個模塊，為了達到功率的最大傳輸，輸入級要與射頻天線的等效阻抗(Z)50Ω匹配，即輸入級的等效阻抗Zin(如圖1中所示)也為50Ω。電感L11與電容C_couple1組成輸入阻抗匹配網絡，來實現此功能，電感L11為片外電感，面積較大。等效阻抗由實部Re(Zin)和虛部Im(Zin)組成，即Zin＝Re(Zin)+Im(Zin)。源簡并電感L12提供輸入阻抗Zin的實部，L11與C_couple1提供Zin的虛部，設計中使L11與C_couple1諧振，虛部為0，使得Zin＝Re(Zin)，設計L12的值，即可使得Zin＝50Ω，從而實現阻抗匹配。射頻功率放大器(PA)通常是無線發射機中的最后一個模塊，要求輸出大功率給外部負載。

功率放大器的效率用來衡量放大器將電源消耗的功耗轉化為射頻輸出功率的能力，它是衡量功率放大器性能的一個主要參數。為了降低功耗，延長電池壽命，效率越高越好。為了提高功率附加效率(Power-added?effiency)，一般采用開關模式功率放大器(包括D類、E類和F類等)。如圖2所示為射頻前端電路中的D類PA的結構示意圖。如圖3所示為射頻前端電路中的E類PA的結構示意圖。PA作為發射機的最后一級，為了達到功率的最大傳輸，輸出也要與射頻天線的等效阻抗(Z)50Ω匹配。因此，需要設計阻抗匹配網絡，如圖2中的L21和C_couple2，使得PA的輸出阻抗Zout＝50Ω，其中電感L21同圖1中的L11為片外電感，面積較大。

在一般傳統的收發機中，信號的接收與發射不同時，那么天線下來第一個模塊必定是雙工器(T/R?Switch)。如圖4所示，接收機和發射機通過雙工器連接到一個共用的天線上，因此，雙工器又稱天線共用器，既要能將從天線上接收到的微弱信號耦合進來，又要能將較大的發射功率饋送到天線上去。雙工器由兩組不同頻率的阻帶濾波器組成，控制收發機與天線的銜接處于接收狀態還是處于發射狀態，將發射和接收訊號相隔離，保證接收和發射都能正常工作。為了和天線、收發機做到阻抗匹配，要求雙工器的阻抗也是50Ω。如圖4所示，在傳統的射頻收發機系統架構中，雙工器模塊是無法省略的，這是因為無論接收機中LNA的輸入阻抗Zin，還是向發射機中PA的輸出阻抗Zout，都是50Ω。因此，天線、接收機、發射機之間必須用該雙工器進行隔離控制，否則在作為接收機使用的時候，發射機PA的阻抗匹配網絡會影響到接收機中LNA的輸入阻抗Zin，使其不為50Ω，LNA就不能做到阻抗匹配，嚴重影響信號的接收；反之在作為發射機使用時，接收機中LNA的阻抗匹配網絡會影響到發射機中PA的輸出阻抗Zout，使其不再是50Ω，亦不能做到阻抗匹配。此外，從圖4中我們還看到，這樣的系統不僅需要雙工器的存在，而且還累贅地需要用到兩個片外電感(L11和L21)，增加了整個芯片的成本開銷。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題，本發明的目的是提供一種低成本、小體積的射頻前端結構。