本发明涉及一种射频集成电路片上匹配电路，尤其是适用恒定包络非线性调制通信方式的片上天线匹配电路。
背景技术：
现有射频电路天线的匹配电路往往是利用片外元器件（电容，电感等）在印刷电路板（PCB）上实现，对元器件的阻抗的精度及PCB的设计都提出了较高的要求，也增加了BOM（物料清单）成本。也有人尝试把匹配网络做到片上，但无法有效地滤除发射信号的高次谐波，会对其它通信频段产生干扰。
随着集成电路的发展，越来越多的电路及外围器件集成到硅片上，尤其在智能穿戴及低功耗物联网设备的应用领域，更对芯片的集成度提出了很高的要求。把天线匹配网络，以及或需的BALUN（片上实现的电感变压器，用于单端、双端转换，阻抗转换等，简称片上变压器）、收发切换开关（SWITCH）集成到片上，不仅降低了集成电路应用时的匹配难度，增加了工作的稳定性，而且极大地减少了印刷电路板上元器件的数量和体积，充分满足了智能穿戴设备和低功耗物联网设备的需求，具有极大的技术意义和市场价值。
在低功耗物联网和智能穿戴设备里，常用到一种通信调制方式是恒包络非线性调制，如高斯频移动键控（Gauss Frequency Shift Keying，GFSK），具有对发射链路实现难度低，功耗低的特点，因此被广泛采用。但也由于非线性调制，往往输出频谱含有很强的高次谐波分量，会对别的频段产生严重的干扰，必须加以滤除才能符合通信兼容规范。目前缺乏一种可以在恒定包络非线性调制通信方式下，有效滤除高次谐波分量的片上天线匹配电路。
技术实现要素：
针对上述情况，本发明提供了一种适用于恒包络非线性调制通信的片上集成电路收发匹配网络及方法，可以在集成电路硅片上设计实现，无需额外的片外匹配器件，并能够极大地滤除恒包络非线性调制信号发射时产生的大量高次谐波分量，同时在输入、输出时提供了对所需频段的带通选择，还利用片上电感形成了天然的对芯片天线端静态电荷放电保护。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种适用于恒包络非线性调制的片上集成电路收发匹配网络，其包含：片上的电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、电容C3、NMOS管的开关S1、片上变压器；片外设有天线；
片上发射电路输出用的发射端TX连接电感L2一端，电感L2的另一端在节点B连接开关S1的漏端以及电容C2的一个极板，开关关S1的源端连接到GND，开关S1通过接入其栅极的接收使能信号RXEN来控制；
电容C2的另一个极板、电容C1的一个极板和电感L1的一端，均连接到天线的端口；电容C1的另一个极板连接到GND；
电感L1的另一端在节点A连接片上变压器的初级线圈输入端，初级线圈的另一端与电容C3的一个极板连接到GND，电容C3的另一个极板连接到节点A；片上变压器的次级线圈与片上接收电路的接收端RX连接。
可选地，芯片工作在接收状态时，形成有完全直流连通的静电释放路径，其从天线端口经电感L1连接到片上变压器的初级线圈，进而连接到GND；
芯片工作在发射状态时，形成有完全直流连通的静电释放路径，其从天线端口经电感L1连接到GND。
可选地，将电感L1另一端、电容C1另一个极板的连接结构，替换为：
电感L1的另一端连接到GND，且电容C1的另一个极板在节点A连接片上变压器的初级线圈输入端；
芯片工作在接收状态时，形成有完全直流连通的静电释放路径，其从天线端口经电感L1连接到GND，以及从天线端口经片上变压器的初级线圈连接到GND；
芯片工作在发射状态时，形成有完全直流连通的静电释放路径，其从天线端口经电感L1连接到GND。
可选地，芯片工作在接收状态时，发射端TX没有输出信号，接收使能信号RXEN为高电平，电感L2通过源漏极导通的开关S1连接到GND；天线的信号通过电感L1、电容C1、电容C2、电容C3以及片上变压器形成的输入匹配网络进入片上接收电路；
芯片工作在发射状态时，片上变压器处于短路连接到GND的状态；电感L1和电容C1形成谐振腔；接收使能信号RXEN为低电平，开关S1关断，电感L2和电容C2形成所需频段的带通滤波结构；发射端TX输出的信号通过电感L2、电感L1、电容C1、电容C2和电容C5形成的结构匹配到天线端口，其中电容C5为开关S1关断时其漏极到GND的寄生电容。
可选地，将电容C2另一个极板、电感L1另一端、电容C3两个极板的连接结构，替换为：
电容C2的另一个极板和电感L1的另一端，均在节点C连接电容C3的一个极板；电容C3的另一个极板在节点A连接片上变压器的初级线圈输入端；
芯片工作在接收状态或发射状态时，分别形成有完全直流连通的静电释放路径，其从天线端口连接到电感L1，进而连接到GND。
可选地，芯片工作在接收状态时，发射端TX没有输出信号，接收使能信号RXEN为高电平，电感L2通过源漏极导通的开关S1连接到GND；电感L1、电容C1、电容C2形成输入π型匹配网络，天线的信号通过电容C3以及片上变压器形成的片上输入端口进入片上接收电路；
芯片工作在发射状态时，片上变压器处于短路连接到GND的状态；接收使能信号RXEN为低电平，开关S1关断，电感L2和电容C2形成所需频段的带通滤波结构；电容C3在节点A这一侧的极板处于连接到GND的状态，使电容C3和电感L1、电容C1形成所需频段的发射π型匹配网络；发射端TX输出的信号通过电感L2、电感L1、电容C1、电容C2和电容C3形成的结构匹配到天线端口。
可选地，片上集成电路收发匹配网络进一步设置有NMOS管的开关S2，使开关S2的漏端连接到节点A，开关S2的源端连接到GND，开关S2通过接入其栅极的发射使能信号TXEN来控制；
或者，芯片工作在发射状态时，片上变压器的次级线圈能够实现短路到地的，则不设置所述开关S2。
可选地，芯片工作在接收状态时，发射使能信号TXEN为零电平，开关S2关断，节点A经由开关S2关断时其漏端到GND形成的寄生电容C4连接到GND；
芯片工作在发射状态时，发射使能信号TXEN为高电平，开关S2的源漏极导通，节点A经由该开关S2连接到GND。
可选地，所述连接到GND，表示连接到地，或连接到芯片射频输入输出口的负端，或连接到天线的负端。
本发明的另一个技术方案是提供一种适用于恒包络非线性调制的片上集成电路收发匹配方法，使用上述任意一种适用于恒包络非线性调制的片上集成电路收发匹配网络；
其中，以集成电路工艺实现的，使用恒包络非线性调制通信方式的收发电路中，片上发射电路的发射端TX通过输出带通滤波网络连接片外天线的端口；所述输出带通滤波网络设有可连接到GND的第一切换开关；
片上接收电路的接收端RX通过片上变压器连接天线匹配网络；所述天线匹配网络连接片外天线的端口，并设有可连接到GND的第二切换开关；
芯片工作在接收状态时，所述第一切换开关闭合，使发射端TX到天线端口之间没有信号连通，且所述第二切换开关关断，天线端口的信号通过天线匹配网络、片上变压器送至接收端RX；
芯片工作在发射状态时，所述第一切换开关关断，使发射端TX的信号通过输出带通滤波网络送到天线端口，且所述第二切换开关闭合，使片上变压器处于短路连接到GND的状态。
本发明揭示了一种适于以集成电路工艺（CMOS，砷化镓，SOI等）实现，针对恒定包络非线性调制通信方式（BPSK，GFSK，GMSK等）的收发电路片上匹配网络，包含了收发开关、片上变压器（BALUN）以及匹配元件。不仅可以方便地在集成电路硅片上设计实现，而且无需额外片外匹配器件，并能够极大地滤除恒包络非线性调制信号发射时产生的大量高次谐波分量，同时在输入、输出时提供了对所需频段的带通选择，还利用片上电感形成了天然的对芯片天线端静态电荷放电（Electro-Static Discharge，ESD）保护。
现有的大部分射频电路的匹配网络是在片外即非集成电路上实现的，而且通常的匹配网络，只是为了完成电路的阻抗到天线上的阻抗的转换、匹配，以使电路的收发在功率传输性能上最佳。
本发明的特点，第一是片上实现（由CMOS管子开关，可片上实现的电容、电感构成），第二是不仅可以完成阻抗的转换和匹配，而且针对非线性调制通信可以片上实现发射信号高次谐波的滤除网络，第三是同时实现了静电保护功能。
因为恒定包络非线性调试方式，具有传输效率高的特点，越来越多地被应用在各种通信调制方式里，但这种方式的一个缺点就是发射信号的频谱会产生大量的非本信道内的高次谐波，对临近信道甚至别的通信频段产生干扰。本发明尤其是针对这种通信方式的缺点加以优化，在片上阻抗匹配设计之外，还特地加上片上输出带通滤波网络，从而把该种调制方式特有的高次谐波滤除，使发射频谱限制在自己特定的频段内，从而省却片外的滤波网络，同时做到阻抗的匹配。如果不是应用在非线性的调制方式下，则发射端的信号本身的频谱不太产生高次谐波，发射端的输出带通滤波网络可以不需要。
本发明对同样属于恒定包络非线性调制通信的BPSK，GFSK，GMSK等方式，可以根据电路本身工作最佳的阻抗、传输的功率要求和信道频段等的不同，在后文的具体实施方式中，适应调整诸如管子的大小，偏置电压及开关电压，电容、电感的参数值和网络的复杂度也会不一样。
为了体现ESD保护，在本发明揭示的多种实施方式中，除了片外天线ANT在片外，其余电路都是片上实现的，而片外天线ANT的端口是一个芯片需要静电保护的引脚；芯片的引脚必须有一定的静电保护能力，否则会被静电打坏，导致引脚失效、无法使用。无论是发射状态还是接收状态，本发明总有一条从片外天线ANT的端口到GND地的完全直流连通的路径，即总有一条静电放电的通路可以把片外天线ANT的端口的静电释放到GND上去。
附图说明
图1是本发明所述片上匹配网络的拓扑结构示意图；
图2是本发明所述片上匹配网络在第一实施例中的结构示意图；
图3是第一实施例中芯片工作在接收状态时的原理示意图；
图4是第一实施例中芯片工作在发射状态时的原理示意图；
图5是本发明所述片上匹配网络在第二实施例中的结构示意图；
图6是第二实施例中芯片工作在接收状态时的原理示意图；
图7是第二实施例中芯片工作在发射状态时的原理示意图；
图8是本发明所述片上匹配网络在第三实施例中的结构示意图；
图9是第三实施例中芯片工作在接收状态时的原理示意图；
图10是第三实施例中芯片工作在发射状态时的原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种新型的片上匹配网络，其拓扑结构包含：输出带通滤波网络、天线匹配网络、片上变压器B1、开关S1和开关S2。图中的片外天线ANT是集成电路片外的元件，其它均为片上实现。
图2示出本发明所述片上匹配网络的第一种实施例：
集成电路里发射端TX的输出连接片上的电感L2一端，电感L2的另一端在节点B连接NMOS管的开关S1的漏端以及片上的电容C2的一个极板，开关S1的源端连接GND，其栅极通过接收使能信号RXEN来控制。电容C2的另一个极板与片上的电容C1的一个极板连在一起，连接到片外天线ANT，并连接片上的电感L1的一端；电容C1的另一个极板连接GND。
电感L1的另一端在节点A连接片上变压器B1的初级线圈输入端以及NMOS管的开关S2的漏端，片上变压器B1的初级线圈的另一端连接GND，片上变压器B1同时和电容C3并联。NMOS管的开关S2的源端连接GND，其栅极连接发射使能信号TXEN。片上变压器B1的次级线圈连接接收端RX。在此，一律用连接GND，来代表连接到地、芯片射频输入输出口的负端或天线的负端的三种情况。
如图3所示，当芯片工作在接收状态时，发射端TX没有输出信号，此时不妨设接收使能信号RXEN为高电平，使开关S1源漏极导通，这样使得电感L2和电容C2连接的这一端节点B导通到GND，发射端TX输出只看到电感L2的电感性负载，而电容C2实际并入电容C1成为接收匹配的一部分；此时，电容C1和电容C2并联，它们一侧的极板连接到片外天线ANT的端口以及片上的电感L1一端，另一侧分别连接到GND和通过开关S1连接到GND。
在接收时，发射使能信号TXEN不妨设为零电平，开关S2关断，C4为开关S2关断时其漏端到GND的寄生电容。片外天线ANT的信号只能通过电感L1、电容C1、电容C2、电容C3、寄生电容C4以及片上变压器B1构成的∏型匹配网络进入片上接收电路，而发射端TX由于电感L2连接到GND，故没有信号能进入片外天线ANT的端口。
如图4所示，在发射时，发射使能信号TXEN不妨设为高电平，开关S2导通，电感L1的节点A经由开关S2连接到GND，同时片上变压器B1初级线圈及电容C3的两侧分别连接到GND和经由导通的开关S2连接到GND，此时电感L1和电容C1形成并联谐振腔；而开关S1的栅极上的RXEN不妨设为零电平，开关S1关断，发射端TX信号经由电感L2和与电感L2在节点B连接的电容C2通往片外天线ANT的端口，其中电容C5为开关S1关断时其漏极到GND的寄生电容。
发射时，发射端TX信号通过电感L2、电感L1、电容C1、电容C2和电容C5输出到片外天线ANT的端口，而接收片上变压器B1处于短路连接到GND状态，收不到来自片外天线ANT的信号。由于发射时电感L2和电容C2的连接状态形成了在所需频段上的带通滤波特性，可以有效地消除输出信号的高次谐波分量；同时电感L1和电容C1形成的谐振腔可以进一步提高所需频段上输出阻抗，进一步提升了输出信噪比。如果发射时，片上接收部分的片上变压器B1次级线圈能够实现短路到地的话，也可以不用开关S2来实现发射时的功能，因为片上变压器B1的特性能保证达到有开关S2实现的功能。因此，上述的图2中开关S2用虚线框加以提示。
图5示出本发明所述片上匹配网络的第二种实施例，其与第一实施例的主要区别在于：电感L1和电容C1互换了位置。
发射电路的输出端（发射端TX）连接到电感L2一端，电感L2的另一端在节点B连接电容C2的一个极板，同时节点B还与NMOS管的开关S1的漏端连接，电容C2的另一个极板连接到片外天线ANT的端口，其中开关S1的栅极连接接收使能信号RXEN，控制开关S1闭合或关断，开关S1的源极连接到GND（在此，一律用连接到GND表示连接到地、芯片射频输入输出口的负端或天线的负端这三种情况）。
片外天线ANT的端口还分别连接了电感L1的一端和电容C1的一个极板，电感L1的另一端连接到GND，而电容C1的另一极板连接到节点A，并与片上变压器B1的初级线圈输入端相连，节点A还连接NMOS管的开关S2的漏端以及电容C3的一个极板，片上变压器B1输入初级线圈的另一端和电容C3的另一端相连并连接到GND，而开关S2的栅极连接发射使能信号TXEN，以控制开关S2的闭合或关断，开关S2的源极连接到GND。
如图6所示，在接收时，不妨设TXEN为零电平而RXEN为高电平，这样开关S1闭合使节点B经由开关S1连接到GND，而此时使开关S2关断。发射端TX此时没有信号输出，同时经由电感L2连接到GND，无法到达片外天线ANT的端口。电感L1和电容C1、电容C2并联形成片外天线ANT的输入匹配网络，片外天线ANT的信号同时送入片上变压器B1和电容C3形成的片上输入端口，C4是开关S2关断时，开关S2漏极相对GND的寄生电容。
如图7所示，在发射时，不妨设TXEN为高电平而RXEN为低电平，这样开关S2闭合使节点A经由开关S2连接到GND，而此时使开关S1关断。由于开关S2闭合使节点A短路到GND，因此片上变压器B1和电容C3实际不起作用，而电容C1的一侧极板经由开关S2连接到GND，和电感L1形成所需频段的谐振腔，提高发射的负载阻抗，增加发射信噪比。此时，片外天线ANT的端口还通过电容C2和电感L2连接到发射端TX，TX处的发射信号经由图7所示的结构匹配到片外天线ANT，很好地滤除了恒包络非线性调制信号的高次谐波分量。如果发射时，片上接收部分的片上变压器B1次级线圈能够实现短路到地的话，也可以不用开关S2来实现发射时的功能，因为片上变压器B1的特性能保证达到有开关S2实现的功能。因此，上述图5中开关S2用虚线框加以提示。
图8示出本发明所述片上匹配网络的第三种实施例，其与第一实施例的主要区别在于：电容C2的一个极板不直接连接片外天线ANT，而是与A点相连。
发射电路的输出端（发射端TX）连接到电感L2，电感L2的另一端在节点B连接电容C2的一个极板，同时节点B还连接NMOS管的开关S1的漏端，电容C2的另一个极板连接到节点C，其中开关S1的栅极连接接收使能信号RXEN，控制开关S1闭合或关断，开关S1的源极连接到GND（在此，一律用连接到GND表示连接到地、芯片射频输入输出口的负端或天线的负端这三种情况）。节点C还连接电感L1的一端，电感L1的另一端和电容C1的一个极板相连并一起连接到片外天线ANT，电容C1的另一极板连接到GND。节点C还连接电容C3的一个极板，电容C3的另一极板在节点A与NMOS管的开关S2的漏端及片上变压器B1输入初级线圈的一端相连。开关S2的栅极连接发射使能信号TXEN，以控制开关S2的闭合或关断，开关S2的源极连接到GND。
如图9所示，在接收时，不妨设TXEN为零电平而RXEN为高电平，这样开关S1闭合使节点B经由开关S1连接到GND，而此时使开关S2关断。发射端TX此时没有信号输出，同时经由电感L2连接到GND，无法到达片外天线ANT的端口。电感L1和电容C1、电容C2形成片外天线ANT的输入π型匹配网络，片外天线ANT的信号端同时送入片上变压器B1和电容C3形成的片上输入端口，C4是开关S2关断时，开关S2漏极相对GND的寄生电容。
如图10所示，在发射时，不妨设TXEN为高电平而RXEN为低电平，这样开关S2闭合使节点A经由开关S2连接到GND，而此时使开关S1关断。由于开关S2闭合使节点A短路到GND，因此片上变压器B1实际不起作用，而电容C3的一侧极板经由开关S2连接到GND，和电感L1、电容C1形成所需频段的发射π型匹配网络。此时，还通过电容C2和电感L2连接到TX输出端，形成所需频段上的带通滤波网络，TX发射信号经由如图10所示的结构匹配到片外天线ANT的端口，很好地滤除了恒包络非线性调制信号的高次谐波分量，又提供了足够的功率传输匹配增益。如果发射时，片上接收部分的片上变压器B1次级线圈能够实现短路到地的话，也可以不用开关S2来实现发射时的功能，因为片上变压器B1的特性能保证达到有开关S2实现的功能。因此，上述图8中开关S2用虚线框加以提示。
本发明提供的一种适用于恒包络非线性调制通信的片上集成电路收发匹配网络，可以在集成电路硅片上设计实现，无需额外的片外匹配器件，并能够极大地滤除恒包络非线性调制信号发射时产生的大量高次谐波分量，同时在输入、输出时提供了对所需频段的带通选择，还利用片上电感形成了天然的对芯片天线端静态电荷放电（ESD）保护。
无论是发射状态还是接收状态，本发明的三种具体实现方式里，总有一条从片外天线ANT的端口到GND地的完全直流连通的路径，即总有一条静电放电的通路可以把片外天线ANT的端口的静电释放到GND上去，从而实现对芯片天线端静态电荷放电保护：
例如，图2、图3和图4对应的第一实施例中，在接收状态时，从片外天线ANT的端口开始的静电释放路径是片外天线ANT到电感L1到片上变压器B1的初级线圈，再到GND；而发射状态时，从片外天线ANT的端口到电感L1，再到GND。图5、图6和图7对应的第二实施例中，在接收状态时，静电释放路径是从片外天线ANT到电感L1以及从片外天线ANT到片上变压器B1的初级线圈，再到GND；发射状态时，静电释放路径是片外天线ANT到电感L1，再到GND。图8、图9和图10对应的第三实施例中，无论接收状态或发射状态，总有一个静电释放路径是从片外天线ANT到电感L1，再到GND。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。