专利名称：时分双工无线通信系统收发线性开关电路和其实现方法
技术领域：
本发明属于通信领域，具体涉及时分双工无线通信系统收发大功率线性开关电路和其实现方法。
中国专利申请96110399.X“天线转换电路和无线通信系统”中公开了一种天线转换电路由具有3端的环行器部件构成，在3端中，第一端(CTX)接到发射电路、第二端(CANT)接到第一天线，和第三端(CRX)通过第一开关部件能接到终端电阻；第二开关部件能把环行器部件的第三端接到接收电路；和第三开关部件能把第二天线接到接收电路，由此，就不再需要去使用具有大插入损耗的天线收发转换开关电路，并且，除了能缩小整个结构以外，能够减小插入损耗。但该电路是用于分集接收机，没有考虑同频时分双工系统中功率放大器的可能的不稳定对低噪声放大器的影响。
一般的TDD(时分双工)系统的射频前端都是采用射频开关来控制接收信号与发射信号，但由于射频开关的开关管的非线性特性，在通信系统对发射信号的输出功率和线性要求较高时(也就是对邻道功率泄漏的要求较高时)，会导致功放输出射频信号经射频开关后，由于射频开关的线性影响导致带外频谱再生，而使邻道功率泄漏不能满足要求。这是由于功率大时进入其工作区中的非线性区造成的。
本发明提供一种时分双工无线通信系统收发大功率线性开关电路，包括功率放大器，用于将无线通信系统的发射信号放大到发射功率；环形器，其第一端口耦合到功率放大器，用于将所述功率放大器输出的功率在发射时输出给环形器的第二端口，以输出给天线发射；低噪声放大器，耦合到所述环形器的第三端口，以在接收时接收天线通过环形器第二端口输入的接收信号，以放大所述接收信号。
可选地，所述的电路还包括控制开关与控制装置，所述控制开关耦合在所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间，所述控制装置控制所述控制开关在发射信号时断开所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间的连接，在接收信号时连接所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器。
优选地，所述的电路还包括负载电阻，与所述控制开关的一个端口连接，所述控制装置控制所述控制开关在发射信号时连接所述环形器的第三端口与所述负载电阻，在接收信号时断开所述环形器的第三端口与所述负载电阻之间的连接。
优选地，所述开关控制电路还包括延迟电路，用于控制所述控制开关在发射信号前第三预定时间断开所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间的连接，在发射信号第四预定时间后连接所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器。
可选地，所述负载电阻的阻抗与天线的等效特性阻抗相同。
优选地，所述控制装置还包括功率放大器使能电路和低噪声放大器使能电路，以在接收信号时关闭功率放大器，发射信号时关闭低噪声放大器。
可选地，所述控制开关由所述控制装置通过两根控制线控制，所述两根控制线分别和所述低噪声放大器的使能控制线和所述使能控制线的反相信号线连接。
优选地，所述功率放大器使能电路和低噪声放大器使能电路包括保护电路，以在使能低噪声放大器前的第一预定时间关闭功率放大器，使能功率放大器前的第二预定时间关闭低噪声放大器。
本发明还提供一种利用如上所述的时分双工无线通信系统的收发大功率线性开关电路实现线性收发的方法，包括步骤根据所述系统的通信要求与协议，确定接收信号与发射信号的时隙；根据所述确定的接收信号与发射信号的时隙，在所述发射信号的时隙，通过环行器连接功率放大器到天线，在所述接收信号的时隙，通过环行器连接天线到低噪声放大器；其中，在所述发射信号的时隙，还包括步骤断开环行器与低噪声放大器之间的连接，在所述接收信号的时隙，还包括步骤连接环行器到低噪声放大器。
可选地，所述方法还包括步骤在所述发射信号的时隙，使能功率放大器，关闭低噪声放大器；在所述接收信号的时隙，关闭功率放大器，使能低噪声放大器。
优选地，所述方法还包括步骤在所述发射信号的时隙，连接环行器在所述接收信号的时隙与低噪声放大器连接的连接端口到负载电阻。
可选地，所述关闭低噪声放大器，使能功率放大器的步骤包括发出关闭低噪声放大器控制信号第一预定时间后，发出使能功率放大器控制信号；所述关闭功率放大器，使能低噪声放大器的步骤包括发出关闭功率放大器控制信号第二预定时间后，发出使能低噪声放大器控制信号。
本发明可提高输出发射信号的线性度，避免一般普通射频开关的非线性导致的对相邻信道的干扰，同时，在同频双工通信系统，如TD-SCDMA系统中，利用使能信号和环形器与开关的结合，避免低噪声放大器的损坏。同时利用控制信号的控制时序安排，避免功率放大器和低噪声放大器不稳定对系统的影响，防止自激振荡。
图1是本发明的实施例的天线开关电路的原理图；图2是本发明的实施例的天线开关电路的控制时序图；图3是本发明的具体实施例的典型电路图；图4描述了图3的电路中实现图2的时序的电路原理图。
由于环形器是无源器件，其自身的线性非常高，而且可承受功率很大，根据设计测试，从1瓦到上百瓦。对输入信号到输出信号的非线性变化非常小。
为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图描绘本发明的实施例。
图1是本发明的实施例的天线开关电路的原理图。主要由环形器100，射频开关101，和匹配负载103组成。
环形器是一个三端口器件，对信号具有定向输出功能。也就是，如果信号按环形器设计方向前进，其损耗很小，基本所有信号功率都能通过环形器。如果信号按环形器设计方向反方向前进，其损耗很大，基本所有信号功率都不能通过环形器。
当TDD系统处于发射时隙时，从功率放大器(PA)来的射频信号经过环形器100输出到天线(未示出)，由于环形器100的在较大功率范围的线性特性非常好，因此，对放大器输出的信号的频谱结构基本没有影响，产生的非线性失真及谐波的幅度很小，因此，邻道功率泄漏比基本不会恶化，而且插入损耗小，一般小于0.3dB，对发射能量损失较小。同时，射频开关101的控制线SW1和SW2受系统控制时隙的控制，开关101将点3和点5连接，即环形器的端口3接匹配负载，这样可以保证在这个状态下到天线的射频端口驻波较小。因为环形器的一个端口接负载，就是隔离器，一般功放的输出都设计一个隔离器，以保证输出端口有较好的匹配。同时这个射频开关101还有另外的作用，保护低噪声放大器。由于与天线不可能是完全匹配，输出到天线的信号会有部分能量反射回环形器，然后从点2到点3，如果没有这个射频开关，此反射信号会直接加到低噪声放大器的输入端，有可能造成低噪声放大器(LNA)损坏，特别是如果于天线的连接不好或天线有问题时，反射的回来的信号功率会很大，更容易损坏低噪声放大器。由于射频开关101是点3和点5导通，一般射频开关的隔离可以达到20dB以上，这样泄漏到低噪声放大器输入端的信号能量会较小，不会损坏低噪声放大器。此时射频开关101和匹配负载103主要有两个作用，一是组成端接负载，提高射频输出端口的匹配。二是隔离低噪声放大器，降低到达低噪声放大器的信号功率，保护低噪声放大器不受损害。
在接收时隙时，此时射频开关101的控制线SW1和SW2受系统控制时隙，开关将点3和点4连接，从天线来的信号，由于环形器的定向作用，信号只能从环形器的点2到点3，在到点4输入到低噪声放大器，进行下行放大。由于环形器的正向插入损耗很小，一般＜0.3dB，对系统的噪声系数影响较小。
图2是本发明的实施例的天线开关电路的控制时序图。其中，收发控制信号RX与开关控制信号SW1和SW2同相或反相，在实施例中，开关控制信号SW1连接到低噪声放大器使能信号LNA_EN，同时开关控制信号SW2连接到/LNA_EN，/LNA_EN是LNA_EN的反相差分信号。LNA_EN，PA_EN是基于系统的收发控制转换信号，通过一定的逻辑转换和延迟电路构成的控制装置产生，本领域一般技术人员根据这个时序图，可以以逻辑电路或其它电路实现这个时序。下文将详细描绘本发明的实施例中实现这些时序的具体电路图。而PA_EN和LNA_EN的信号转换的完成必须是在系统规定的保护时隙GT0和GT1内完成。在LNA_EN由高电平转化低电平后，即关断低噪声放大器LNA，经过t0的时间延迟后，PA_EN才由低电平转化为高电平后，制即打开功率放大器PA，以上过程是在保护时隙GT0内完成，同样在PA_EN由高电平转化低电平后，即关断功率放大器PA，经过t1的时间延迟后，LNA_EN才由低电平转化为高电平后，即打开低噪声放大器LNA，以上过程是在保护时隙GT1内完成，以防止电路产生自激振荡，造成PA或LNA损坏。在本发明的实施例中，控制装置(未示出)产生的开关控制信号SW1和SW2控制控制开关在发射信号时断开所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间的连接，在本发明的实施例中，开关控制信号SW1高，开关控制信号SW2低，可断开开关101到LNA的连接。在接收信号时连接环形器的第三端口与所述低噪声放大器，这里不详细描述。这个控制装置还包括功率放大器使能电路和低噪声放大器使能电路，以通过产生如图2所述的LNA_EN和PA_EN信号，在接收信号时关闭功率放大器，发射信号时关闭低噪声放大器。虽然实施例中使用的是两个开关控制信号采用差分方式控制，应知道，可以仅用一个控制信号，增加一个反相电路，产生另一个差分信号，控制两个状态。在实施例中，为了保护低噪声放大器，功率放大器和低噪声放大器的使能信号满足一定的关系，功率放大器被关闭一定时间后才打开低噪声放大器，这是为了防止功率放大器的电路中的功率信号没有完全消失就打开低噪声放大器而损害低噪声放大器，如调谐放大器的谐振回路的功率要完全消耗需要一定的时间，我们称为PA关闭时间，通常为几个微妙，这与电路参数如Q值有关。另外，由于任何电路均不是理想电路，为了防止低噪声放大器尚未完全关闭且开关也未打到负载电阻时，功率放大器就输出功率损害低噪声放大器，低噪声放大器也需要关闭一定时间后使能功率放大器，这个时间我们称为LNA关闭时间。通常，PA关闭时间大于LNA关闭时间。虽然实施例中使用使能信号控制安全时序，实际上，可以通过控制开关信号SW1和SW2来实现使能信号的相同功能，如关闭功率放大器一定时间后，开关才接通低噪声放大器，开关断开低噪声放大器一定时间后，才打开(使能)功率放大器。也可以采用使能信号与开关控制信号均有保护时序的方法和装置，这些均应包括在本发明的权利要求中。
图3是本发明的具体实施例的典型电路图。射频开关101的控制线SW1和SW2分别和低噪声放大器的使能控制线LNA_EN和反相控制线/LNA_EN连接。以保证射频开关101的开关导向和低噪声放大器104的开启和关闭是同步的。由于功率放大器(PA)110和LNA104电路的相应关断与控制信号有一定的延迟，也就是控制信号到达后的PA和LNA电路不能立即就完全关闭，大概会有几个微秒以上的延迟才能完全关闭，所以PA和LNA的控制使能信号在系统的保护时隙内，必须有一定的提前和滞后量，以保证PA完全关断的后LNA才打开，同样也要保证LNA完全关断的后PA才打开。
输出SW1和SW2信号的开关控制电路(未示出)还包括延迟电路(未示出)，用于控制开关在发射信号前第三预定时间断开所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间的连接，在发射信号第四预定时间后连接所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器。
图4描述了图3的电路中实现图2的时序的原理图。这主要是利用延迟电路实现的，也可以有其他的实现方法，在此不一一列举。逻辑电路300可以采用几个独立的逻辑电路芯片实现，也可以采用可编程逻辑门阵列(EPLD)等集成芯片实现。收发控制转换信号通过一个缓冲器121，再经过缓冲器126，到电阻133，二极管134，电容135组成的延迟电路后，和另外的电阻130，二极管131，电容132组成的延迟电路后经反相器127的信号共同输入到与非门128，再经过反相器129输出，产生PA_EN信号。其基本工作原理是，当收发控制转换信号为高时，缓冲器126的输出也为高，通过电阻133对电容135充电，二极管134处于反相状态，基本对电容135充电没有贡献。当电容135充电电压达到逻辑门的翻转电压时，与非门128输出变为低电平，反相器129输出变为高电平。当收发控制转换信号变为低时，缓冲器126的输出也为低，通过二极管134和电阻133对电容135放电，二极管134处于正相导通状态，导通电阻较小，使电容135放电很快。当电容135充电电压降到逻辑门的翻转电压时，与非门128输出变为高电平，反相器129输出变为低电平。反相器127是保证，无论出现何种状态，当LNA_EN为高时，PA_EN一定为低。在这个电路中，可以通过改变电阻133和电容135的值改变延迟时间。
同样，收发控制转换信号通过一个缓冲器121，再经过缓冲器122，到电阻130，二极管131，电容132组成的延迟电路后，和另外的电阻133，二极管134，电容135组成的延迟电路后经反相器123的信号共同输入到与非门124，再经过反相器125输出，产生LNA_EN信号。非门124输出连接到SW1，LNA_EN连接到SW2。其工作原理和PA_EN的产生情况一样，在此不与详细描述。在这个电路中，可以通过改变电阻130和电容132的值改变延迟时间。
通过这样的电路，可以产生图2所示的时序图。
射频开关101的控制线SW1和SW2由系统单独直接控制，可以实现一些特殊的时序功能要求。
虽然本发明以同频收发为实施例，但本领域一般技术人员知道，本发明可用于非同频收发电路，以提高系统可靠性，特别是保护LNA。
本发明的实施例中，一种利用如上文所述的收发大功率线性开关电路实现线性收发的方法，首先，根据所述系统的通信要求与协议，如GSM，IS-95CDMA或TDS-CDMA系统，根据系统时钟和用户请求，可以确定系统对每个用户接收信号与发射信号的时隙；然后，根据所述确定的接收信号与发射信号的时隙，在所述发射信号的时隙，通过环行器连接功率放大器到天线，在所述接收信号的时隙，通过环行器连接天线到低噪声放大器；
另外，在所述发射信号的时隙，还断开环行器与低噪声放大器之间的连接，在所述接收信号的时隙，还连接环行器到低噪声放大器。
为了更加可靠地隔离功率放大器与低噪声放大器间的干扰和保护低噪声放大器间，本发明中，还在所述发射信号的时隙，使能功率放大器，关闭低噪声放大器；并且，在所述接收信号的时隙，关闭功率放大器，使能低噪声放大器。
为了增加系统发射时的稳定性，减少天线与功率放大器不完全匹配的影响在所述发射信号的时隙，连接环行器在所述接收信号的时隙与低噪声放大器连接的连接端口到负载电阻。
在实施例中，输出关闭低噪声放大器的控制信号第一预定时间后，输出使能功率放大器控制信号；这个第一预定时间通常保证低噪声放大器完全关闭，不会受到功率放大器输出功率的损害。输出关闭功率放大器的控制信号第二预定时间后，输出使能低噪声放大器控制信号；这个第二预定时间通常保证功率放大器完全关闭。
虽然非同频信号收发可以通过滤波器实现隔离，要求滤波器达到一定的隔离度，因此，这个方法仍可用于非同频信号收发，以提高隔离度。
虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。
权利要求
1.一种时分双工无线通信系统收发大功率线性开关电路，包括功率放大器，用于将无线通信系统的发射信号放大到发射功率；环形器，其第一端口耦合到功率放大器，用于将所述功率放大器输出的功率在发射时输出给环形器的第二端口，以输出给天线发射；低噪声放大器，耦合到所述环形器的第三端口，以在接收时接收天线通过环形器第二端口输入的接收信号，以放大所述接收信号；控制装置，包括功率放大器使能电路和低噪声放大器使能电路，以在接收信号时关闭功率放大器，发射信号时关闭低噪声放大器。
2.如权利要求1所述的电路，其中，所述功率放大器使能电路和低噪声放大器使能电路包括保护延迟电路，以在使能低噪声放大器前的第一预定时间关闭功率放大器，使能功率放大器前的第二预定时间关闭低噪声放大器。
3.如权利要求1或2所述的电路，其中，还包括控制开关，所述控制开关耦合在所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间，所述控制装置还包括开关控制电路，用于控制所述控制开关在发射信号时断开所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间的连接，在接收信号时连接所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器。
4.如权利要求3所述的电路，其中，还包括负载电阻，与所述控制开关的一个端口连接，所述控制装置控制所述控制开关在发射信号时连接所述环形器的第三端口与所述负载电阻，在接收信号时断开所述环形器的第三端口与所述负载电阻之间的连接。
5.如权利要求3所述的电路，其中，所述开关控制电路还包括延迟电路，用于控制所述控制开关在发射信号前第三预定时间断开所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器之间的连接，在发射信号后第四预定时间连接所述环形器的第三端口与所述低噪声放大器。
6.如权利要求3所述的电路，其中，所述控制开关由所述控制装置通过两根控制线控制，所述两根控制线分别和所述低噪声放大器的使能控制线和所述使能控制线的反相信号线连接。
7.一种利用如权利要求1的时分双工无线通信系统的收发大功率线性开关电路实现线性收发的方法，包括步骤根据所述系统的通信要求与协议，确定接收信号与发射信号的时隙；根据所述确定的接收信号与发射信号的时隙，控制功率放大器、天线、低噪声放大器和环行器之间的连接，控制功率放大器和低噪声放大器的使能。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述关闭低噪声放大器，使能功率放大器的步骤包括发出关闭低噪声放大器控制信号第一预定时间后，发出使能功率放大器信号；所述关闭功率放大器，使能低噪声放大器的步骤包括发出关闭功率放大器控制信号第二预定时间后，发出使能低噪声放大器信号。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中，所述控制功率放大器、天线、低噪声放大器和环行器之间的连接，控制功率放大器和低噪声放大器的使能的步骤包括在所述发射信号的时隙通过环行器连接功率放大器到天线；断开环行器与低噪声放大器之间的连接；关闭低噪声放大器，使能功率放大器；在所述接收信号的时隙通过环行器连接天线到低噪声放大器；关闭功率放大器，使能低噪声放大器。
10.如权利要求7所述的方法，还包括步骤在所述发射信号的时隙，连接环行器在所述接收信号的时隙与低噪声放大器连接的连接端口到负载电阻。
全文摘要
本发明提供了一种时分双工无线通信系统收发大功率线性开关电路，包括功率放大器，用于将无线通信系统的发射信号放大到发射功率；环形器，其第一端口耦合到功率放大器，用于将所述功率放大器输出的功率在发射时输出给环形器的第二端口，以输出给天线发射；低噪声放大器，耦合到所述环形器的第三端口，以在接收时接收天线通过环形器第二端口输入的接收信号，以放大所述接收信号；控制装置，包括功率放大器使能电路和低噪声放大器使能电路，以在接收信号时关闭功率放大器，发射信号时关闭低噪声放大器。本发明可提高输出发射信号的线性度，避免一般普通射频开关的非线性导致的对相邻信道的干扰。
文档编号H04J3/00GK1476188SQ0314628
公开日2004年2月18日 申请日期2003年7月8日 优先权日2003年7月8日
发明者滔 段, 段滔 申请人:大唐移动通信设备有限公司