专利名称：基于时分双工的无线收发模式切换装置以及无线通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及TDD无线通信收发切换的集成电路设计技术。
背景技术：
在过去的十年里，无线通信产业经历了爆发性成长，加速了集成电路(IC)产业的发展。特别是在IC设计产业中，越来越多的无线通信芯片都被集成到CMOS技术中，随着市场竞争日益剧烈，成本和功耗因素成为芯片设计的首要考虑点，特别是对于早期成熟的时分双工(TDD)无线消费类通信芯片。典型的，在TDD无线通信系统中，单刀双掷(STOT)开关在射频(RF)发射(Tx)信号和RF接收(Rx)信号之间切换，其按时间划分系统处于发射模式和接收模式。如图1所示，为现有TDD通信系统中采用SPDT开关的RFIC电路原理图。在发射模式时，单刀双掷(SroT)开关103将Tx信号从发射机101切换到天线，并且在接收模式时，将Rx信号从天线切换到接收机102。该RF开关103根据TDD控制信号在Tx路径和Rx路径之间完成切换。这种结构适用于在具有小于IW发射功率的系统中使用。图2为CMOS工艺实现的SPDT射频开关。SPDT开关202、203采用浮体开关电路(即衬底接大电阻)，提高线性度和减小功率衰减，Rx通路低噪声放大器(LNA) 212与Tx通路功率放大器(PA) 213采用独立的匹配网络，即输入匹配网络210和输出匹配网络211。当Rx通路工作时，SPDT开关202导通，天线端201与LNA212相连，与PA213断开；当Tx通路工作时，SPDT开关203导通，天线端201与PA213相连，与LNA212断开。但由于SPDT开关202、203处于射频信号路径上，其MOS沟道电阻会影响匹配网络的Q值以及带来一定的信号衰减，从而增加Rx LNA的噪声系数(NF)，减小Tx PA的输出功率，这都会增加芯片的功耗。这对于消费类电子产品，如蓝牙(BT)、Ziggbee等TDD系统芯片，图2所示收发方案没有性能竞争优势。
发明内容
本发明解决的技术问题是提出一种基于时分双工的无线收发模式切换装置以及无线通信系统，实现低成本、低功耗的收发模式切换。本发明提出的一种基于时分双工的无线收发模式切换装置，包括:天线单元、由输入匹配网络单元和低噪声放大器构成的接收通路，以及由输出匹配网络单元和功率放大器构成的发射通路；还包括收发控制单元；所述发射通路和接收通路都通过相应的匹配网络单元连接到所述天线单元；所述收发控制单元用于根据收到的模式切换指令选通接收通路或发射通路。进一步的，所述低噪声放大器设有控制所述低噪声放大器是否工作的接收模式切换开关，所述功率放大器设有控制所述功率放大器是否工作的发射模式切换开关；所述收发控制单元用于根据收到的模式切换指令控制所述接收模式切换开关或发射模式切换开关动作，以选通对应的通路工作。进一步的，所述输入匹配网络单元还包括控制接收通路输入阻抗值在高阻抗和特性阻抗之间切换的输入阻抗切换开关，所述输出匹配网络单元还包括控制发射通路输出阻抗值在高阻抗和特性阻抗之间切换的输出阻抗切换开关；所述收发控制单元还用于根据收到的模式切换指令控制所述阻抗切换开关的动作，在选通接收通路时控制所述输入匹配网络单元的阻抗值为特征阻抗，所述输出匹配网络单元的阻抗值为高阻抗，在选通发射通路时控制所述输入匹配网络单元的阻抗值为高阻抗，所述输出匹配网络单元的阻抗值为特性阻抗。进一步的，所述的输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关为互锁开关。进一步的，所述输入匹配网络单元为Π型、L型或T型匹配网络单元；所述输出匹配网络单元为Π型、L型或T型匹配网络单元。进一步的，所述的接收模式切换开关和发射模式切换开关为MOS开关电路。进一步的，所述的输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关为MOS开关电路。进一步的，所述的输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关为浮体MOS开关电路。进一步的，所述的低噪声放大器为电感源退化共源放大器。进一步的，所述的功率放大器为共源共栅高频放大器。本发明还公开了一种基于时分双工的无线通信系统，包括发射机和接收机，其特征在于，还包括上述的无线收发模式切换装置，所述发射机与所述无线收发模式切换装置的功率放大器相连，所述接收机与所述无线收发模式切换装置的低噪声放大器相连。本发明采用不在主信号路径上设置开关，而在接收和发送通路中的放大器中设置模式切换开关，通过收发控制单元控制模式切换开关实现模式切换。本发明由于在电路设计中省去了现有技术中使用的SPDT开关，降低了芯片的成本和功耗。而且还能减少因使用SPDT开关对芯片性能带来的不良影响。本发明适用于CMOS全集成TDD无线通信芯片收发模式切换电路的设计。
图1是现有技术SPDT开关电路收发模式切换的原理图；图2是现有技术中采用CMOS工艺实现的SPDT射频开关的电路图；图3是本发明实施例一的基于时分双工的无线收发模式切换装置原理图；图4是本发明实施例二的无线收发模式切换装置电路图；图5是本发明实施例二中浮体阻抗切换开关电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图，并通过具体实施例对本发明的实现进行详细说明。实施例一如图3所示的无线收发模式切换装置，包括:天线单元301、由串联的输入匹配网络单元302和低噪声放大器LNA305构成的接收通路Rx，以及由输出匹配网络单元303和功率放大器PA306构成的发射通路Tx，以及收发控制单元304。收发控制单元304可以根据收到的模式切换指令选通接收通路Rx或发射通路Τχ。本实施例中，在低噪声放大器305中设有接收模式切换开关，控制低噪声放大器305处于工作状态或不工作状态。功率放大器306设有发射模式切换开关，控制功率放大器306处于工作状态或不工作状态。收发控制单元304用于根据收到的模式切换指令控制接收模式切换开关或发射模式切换开关动作，以选通接收通路Rx或者发射通路Tx工作。在一个实施方式中，为了解决MOS开关在信号路径上影响芯片性能，需要在对输入匹配网络单元302和输出匹配网络单元303做适当修改，使二者也收发控制单元304的控制，即控制输入匹配网络单元302的阻抗值Zin和输出匹配网络单元303的阻抗值Zout在特性阻抗50ohm和高阻之间切换。详细讲，就是Rx工作模式时，输入匹配网络单元302和输出匹配网络单元303受收发控制单元304的控制配置，使得Zin = 50ohm, Zout =^ ，此时LNA305正常工作，PA306关断，LNA305接收天线单元301的RF信号；Tx工作模式时，输入匹配网络单元302和输出匹配网络单元303受收发控制单元304的控制配置，使得Zin=m，Zout = 50ohm，此时PA 306正常工作，LNA305关断，PA306输出RF信号至天线单元301。在一种实现方式中，可以采用在输入匹配网络单元302中设置输入阻抗切换开关，在输出匹配网络单元303中设置输出阻抗切换开关。收发控制单元304根据收到的模式切换指令控制阻抗切换开关的动作，在选通接收通路时控制输入匹配网络单元302的阻抗值为特征阻抗，输出匹配网络单元303的阻抗值为高阻抗，在选通发射通路时控制输入匹配网络单元302的阻抗值为高阻抗，输出匹配网络单元303的阻抗值为特性阻抗。这种实现方式由于只是将阻抗切换开关集成到匹配网络单元中，对芯片性能影响较小。进一步，在一个实施例中，还可以将输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关设计为互锁开关，一个开启，另一个则关闭。上述的输入匹配网络单元可以为Π型、L型或T型匹配网络单元；输出匹配网络单元也可以为Π型、L型或T型匹配网络单元。上述的接收模式切换开关和发射模式切换开关，以及输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关都可以为MOS开关电路，多其他形式的开关电路。其中为了减少MOS开关管中的寄生二极管的影响，可以 将输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关采用浮体MOS开关电路实现。实施例二下面再通过一个具体的电路结构对本发明的实现进行说明。如图4所示的无线收发模式切换装置电路中，包括以下组成部分:天线401、输入匹配网络402、输出匹配网络403、TDD控制信号产生器404、LNA405以及PA406。图中，输入匹配网络402、输出匹配网络403采用Π型匹配网络。LNA405为电感源退化共源放大器。PA406为共源共栅高频放大器。在匹配网络中设置有输入阻抗切换开关409和输出阻抗切换开关407。在LNA405以及PA406分别设有接收模式切换开关410和发射模式切换开关408。该电路在Rx工作模式下的工作过程为:TDD控制信号产生器404产生相应Rx工作控制信号=TxRxSW = 0，SI = 1，S2 = 0，使得LNA405处于工作状态，PA406处于关闭状态，输出阻抗切换开关407关闭，输入阻抗切换开关409断开，此时输出匹配网络402谐振产生高阻，Zout =°°,输入匹配网络403将LNA405等效输入阻抗匹配至特性阻抗，即Zin =50ohm,输出匹配网络403不会影响输入匹配网络402，天线401接收的RF信号被LNA405放大。该电路在Tx工作模式下的工作过程为:TDD控制信号产生器404产生相应Tx工作控制信号=TxRxSW = 1，SI = 0，S2 = 1，使得LNA405处于关闭状态，PA406处于工作状态，输出阻抗切换开407断开，输入阻抗切换开关409关闭，此时输入匹配网络402谐振产生高阻,Zin =°°,输出匹配网络将PA406等效输入阻抗匹配至特性阻抗，即Zout = 50ohm,输入匹配网络402不会影响输出匹配网络403，PA406放大的RF信号传输给天线401发射出去。本实施例中，输入阻抗切换开关409和输出阻抗切换开关407，以及接收模式切换开关410和发射模式切换开关408可以采用简单的MOS开关电路。其中输入阻抗切换开关409和输出阻抗切换开关407，可以采用浮体MOS开关电路。即如图5所示的MOS开关连接方式，MOS开关501的栅极、衬底通过大电阻502、503连接到相应电位上，这种连接方式可以减少各级间的寄生二极管的影响。此外将发射机与本发明的无线收发模式切换装置的功率放大器相连，接收机与本发明的无线收发模式切换装置的低噪声放大器相连，就构成一种基于时分双工的无线通信系统，该系统同样具有本发明无线收发模式切换装置的相应的特点，在此就不再赘述。以上所述实施例，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于时分双工的无线收发模式切换装置，包括:天线单元、由输入匹配网络单元和低噪声放大器构成的接收通路，以及由输出匹配网络单元和功率放大器构成的发射通路，其特征在于，还包括收发控制单元；所述发射通路和接收通路都通过相应的匹配网络单元连接到所述天线单元；所述收发控制单元用于根据收到的模式切换指令选通接收通路或发射通路。
2.根据权利要求1所述的基于时分双工的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述低噪声放大器设有控制所述低噪声放大器是否工作的接收模式切换开关，所述功率放大器设有控制所述功率放大器是否工作的发射模式切换开关；所述收发控制单元用于根据收到的模式切换指令控制所述接收模式切换开关或发射模式切换开关动作，以选通对应的通路工作。
3.根据权利要求1或2所述的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述输入匹配网络单元还包括控制接收通路输入阻抗值在高阻抗和特性阻抗之间切换的输入阻抗切换开关，所述输出匹配网络单元还包括控制发射通路输出阻抗值在高阻抗和特性阻抗之间切换的输出阻抗切换开关；所述收发控制单元还用于根据收到的模式切换指令控制所述阻抗切换开关的动作，在选通接收通路时控制所述输入匹配网络单元的阻抗值为特征阻抗，所述输出匹配网络单元的阻抗值为高阻抗，在选通发射通路时控制所述输入匹配网络单元的阻抗值为高阻抗，所述输出匹配网络单元的阻抗值为特性阻抗。
4.根据权利要求3所述的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述的输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关为互锁开关。
5.根据权利要求1或2所述的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述输入匹配网络单元为Π型、L型或T型匹配网络单元；所述输出匹配网络单元为Π型、L型或T型匹配网络单元。
6.根据权利要求2所述的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述的接收模式切换开关和发射模式切换开关为MOS开关电路。
7.根据权利要求3所述的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述的输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关为MOS开关电路。
8.根据权利要求7所述的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述的输入阻抗切换开关和输出阻抗切换开关为浮体MOS开关电路。
9.根据权利要求1或2所述的无线收发模式切换装置，其特征在于，所述的低噪声放大器为电感源退化共源放大器；所述的功率放大器为共源共栅高频放大器。
10.一种基于时分双工的无线通信系统，包括发射机和接收机，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的无线收发模式切换装置，所述发射机与所述无线收发模式切换装置的功率放大器相连，所述接收机与所述无线收发模式切换装置的低噪声放大器相连。
全文摘要
本发明公开了一种基于时分双工的无线收发模式切换装置以及无线通信系统，通过收发控制单元选通接收通路或发射通路，在实现时可以不在主信号路径上设置开关，而在接收和发送通路中的放大器中设置模式切换开关，通过收发控制单元控制模式切换开关实现模式切换。本发明由于在电路设计中省去了现有技术中使用的SPDT开关，降低了芯片的成本和功耗。而且还能减少因使用SPDT开关对芯片性能带来的不良影响。本发明适用于CMOS全集成TDD无线通信芯片收发模式切换电路的设计。
文档编号H04B1/44GK103187987SQ20111044758
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者蔡新午, 张立国, 赵骞, 潘文杰, 周建波 申请人:国民技术股份有限公司