一种射频前端电路及其控制方法与流程

本发明实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种射频前端电路及其控制方法。

背景技术：

射频通讯技术是无线通信领域的一个重要组成部分，目前射频通讯技术广泛应用于自动识别、监控、军事、局域通信等领域。而随着物联网技术的不断发展，对射频芯片的低功耗，高增益，低噪声，小尺寸以及低成本等提出了更高的要求。

现有的射频前端电路中，lna(lownoiseamplifier,低噪声放大器)和pa(poweramplifier,功率放大器)是重要的两个用于通讯的模块。为了实现电路的低噪声以及达到最佳的传输效率，在lna和pa的负载和输入匹配等电路中，电感都发挥着重要作用。

现有的射频前端电路中通常需要采用多个电感，例如，lna和pa需要分别连接独立的负载电感以及晶体管栅极电感，且随着lna和pa级数的增加，需要的电感数量成倍增加。由于电感面积较大，例如，一个负载电感的面积可能会占lna面积的三分之二，导致包含有射频前端电路的芯片尺寸大、成本高。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种射频前端电路及其控制方法，以实现保证射频前端电路高增益和高输出功率的同时，有效减小了包含有射频前端电路的芯片尺寸。

第一方面，本发明实施例提供了一种射频前端电路，包括：

巴伦模块，包括第一电感和第二电感；

射频发射模块，用于根据后级电子设备的输出信号调节输出至天线的信号，所述射频发射模块包括第一级发射模块和第二级发射模块，所述第一级发射模块与所述第二级发射模块在射频发射阶段通过所述第一电感与所述第二电感形成耦合关系；

射频接收模块，用于根据所述天线的输入信号调节输出至所述后级电子设备的信号，所述射频接收模块包括第一级接收模块和第二级接收模块，所述第一级接收模块和所述第二级接收模块在射频接收阶段通过所述第一电感和所述第二电感形成耦合关系。

可选的，所述第一级发射模块通过第一输入端和第二输入端与所述后级电子设备电连接，所述第一级发射模块的第一输出端与所述第一电感的第一端电连接，所述第一级发射模块的第二输出端与所述第一电感的第二端电连接；

所述射频前端电路还包括：

第一开关，所述第一开关在所述射频发射阶段连通所述第二电感的第一端与所述第二级发射模块的输入端，所述第二级发射模块的输出端与所述天线电连接，所述第二电感的第二端接入地信号。

可选的，所述第一级发射模块为差分结构，所述第二级发射模块为单端结构。

可选的，所述第二级接收模块的第一输入端与所述第一电感的第一端电连接，所述第二级接收模块的第二输入端与所述第一电感的第二端电连接，所述第二级接收模块通过第一输出端和第二输出端与所述后级电子设备电连接；

所述射频前端电路还包括：

第一开关，所述第一开关在所述射频接收阶段连通所述第二电感的第一端与所述第一级接收模块的输出端，所述第一级接收模块的输入端与所述天线电连接，所述第二电感的第二端接入地信号。

可选的，射频前端电路还包括：

第二开关，所述第二级接收模块通过所述第二开关与恒定电流源电连接，所述第二开关在射频接收阶段连通所述第二级接收模块与所述恒定电流源。

可选的，所述第一级接收模块为单端结构，所述第二级接收模块为差分结构。

可选的，所述差分结构中的第一差分晶体管的栅极作为所述第二级接收模块的第一输入端，所述差分结构中的第二差分晶体管的栅极作为所述第二级接收模块的第二输入端；

所述第二级接收模块还包括第一电容和第二电容，所述射频前端电路还包括两个第三开关，所述第一电容的第一端与所述第一差分晶体管的栅极电连接，所述第一电容的第二端通过一个所述第三开关接入地信号，所述第二电容的第一端与所述第二差分晶体管的栅极电连接，所述第二电容的第二端通过一个所述第三开关接入地信号，所述第三开关在射频接收阶段导通。

可选的，射频前端电路还包括：

第一匹配网络模块，所述第一级发射模块与所述后级电子设备电连接，所述第二级发射模块通过所述第一匹配网络模块与所述天线电连接；

第二匹配网络模块，所述第一级接收模块通过所述第二匹配网络模块与所述天线电连接，所述第二级接收模块与所述后级电子设备电连接。

可选的，所述第一匹配网络模块包括：第四开关，所述第四开关在所述接收模块工作时闭合，所述第四开关在所述发射模块工作时断开；

所述第二匹配网络模块包括：第五开关，所述第五开关在所述发射模块工作时闭合，所述第五开关在所述接收模块工作时断开。

第二方面，本发明实施例还提供了一种射频控制方法，用于控制本发明第一方面实施例提供的射频前端电路，所述射频控制方法包括：

在射频发射阶段，控制所述第一级发射模块与所述第二级发射模块通过所述第一电感与所述第二电感形成耦合关系；

在射频接收阶段，控制所述第一级接收模块和所述第二级接收模块通过所述第一电感和所述第二电感形成耦合关系。

本发明实施例通过设置第一级发射模块与第二级发射模块在射频发射阶段通过第一电感和第二电感形成耦合关系，第一级接收模块和第二级接收模块在射频接收阶段通过第一电感和第二电感形成耦合关系，发射模块和接收模块共用第一电感和第二电感形成耦合关系传输信号，减少了射频前端电路中的电感数量，解决射频前端电路中电感数量较多，导致的包含有射频前端电路的芯片尺寸较大的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种射频前端电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种射频前端电路的具体电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种射频前端电路的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种匹配网络的具体电路结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种射频控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种射频前端电路的结构示意图，如图1所示。

射频前端电路包括：

巴伦模块30，包括第一电感31和第二电感32；

射频发射模块20，用于根据后级电子设备50的输出信号调节输出至天线40的信号，射频发射模块20包括第一级发射模块21和第二级发射模块22，第一级发射模块21与第二级发射模块22在射频发射阶段通过第一电感31与第二电感32形成耦合关系；第一级发射模块21与第一电感31两端连接，第二级发射模块22通过第一开关s1与第二电感32连接；

射频接收模块10，用于根据天线40的输入信号调节输出至后级电子设备50的信号，射频接收模块10包括第一级接收模块11和第二级接收模块12，第一级接收模块11和第二级接收模块12在射频接收阶段通过第一电感31和第二电感32形成耦合关系；第一级接收模块11通过第一开关s1与第二电感32连接，第二级接收模块12与第一电感31两端连接。

其中，巴伦模块30的第一电感31与第二电感32相对设置，形成耦合，用于第一级接收模块11与第二级接收模块12的信号传输，以及第一级发射模块21与第二级发射模块22的信号传输；接收模块10内部的信号传输和发射模块20内部的信号传输共同使用巴伦模块30的第一电感31与第二电感32完成。减少了射频前端电路中的电感数量，从而有效降低芯片尺寸。

其中，射频发射模块20是各种射频前端电路的重要组成部分。在射频前端电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的功率放大，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。示例性的，射频发射模块20可以为射频功率放大器，信号发送设备采用射频功率放大器获得足够大的射频输出功率。

其中，射频接收模块10在射频前端电路中用于将接收到的微弱信号放大输出到后级电子设备。示例性的，射频接收模块10可以为低噪声放大器，作为射频接收机的前置放大器，在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此选择噪声系数很低的低噪声放大器，以提高输出的信噪比。

在射频前端电路发射信号时，后级电子设备50输出发射信号至射频发射模块20，第一级射频发射模块21工作，将处理后的发射信号通过巴伦模块30的第一电感31与第二电感32耦合传输到第二级发射模块22，第二级发射模块22进行再次处理，然后输出发射信号至天线40，将发射信号输出。

在射频前端电路接收信号时，天线40接收外部信号，并传输给射频接收模块10，第一级接收模块11工作，将处理后的接收信号通过巴伦模块30的第二电感32与第一电感31耦合传输到第二级接收模块12，第二级接收模块12进行再次处理，然后传输到后级电子设备50，供后级电子设备50使用。

本发明实施例通过第一级发射模块与第二级发射模块在射频发射阶段通过第一电感和第二电感形成耦合关系，第一级接收模块和第二级接收模块在射频接收阶段通过第一电感和第二电感形成耦合关系，发射模块和接收模块共用第一电感和第二电感形成耦合关系传输信号，同时第一级发射模块与第二级接收模块共用第一电感，减少了射频前端电路中的电感数量，解决射频前端电路中电感数量较多，导致芯片尺寸较大的问题，实现在保证射频前端电路有高增益和高输出功率的同时有效降低芯片尺寸的效果。

图2是本发明实施例提供的一种射频前端电路的具体电路结构示意图，如图2所示，可选的，第一级发射模块21通过第一输入端t1和第二输入端t2与后级电子设备50电连接，第一级发射模块21的第一输出端t3与第一电感l1的第一端b2电连接，第一级发射模块21的第二输出端t4与第一电感l1的第二端b1电连接；

射频前端电路还包括：

第一开关s1，第一开关s1在射频发射阶段连通第二电感l2的第一端b3与第二级发射模块22的输入端t5，第二级发射模块22的输出端t7与天线w1电连接，第二电感l2的第二端b4接入地信号。

示例性的，第一开关s1为单刀双掷开关，具体的，图3是本发明实施例提供的一种单刀双掷开关结构示意图，如图3所示，第一开关s1由一个p型mos管t1和一个n型mos管t2组成，控制信号为1.8v时，mos管t2接通，mos管t1断开，控制信号为0v时，mos管t1接通，mos管t2断开；当射频前端电路的发射模块20工作时，第一开关s1的控制信号为1.8v，第一开关s1连通第二电感l2的第一端b3与第二级发射模块22的输入端t5，后级电子设备50通过第一级发射模块21的第一输入端t1和第二输入端t2传输信号到第一级发射模块21，第一级发射模块21对输入的射频信号功率进行放大，放大后的射频信号通过巴伦模块30的第一电感l1与第二电感l2耦合传导至第二电感l2，第二电感l2通过第二级发射模块22的输入端t5将射频信号传输到第二级发射模块22，第二级发射模块22再次对射频信号进行功率放大操作，最后通过输出端t7传输至天线w1，通过天线w1发射。

可选的，如图2所示，第一级发射模块21为差分结构，第二级发射模块22为单端结构。

具体的，第一级发射模块21由两条对称的支路构成，第一发射支路的输入端t1输入射频信号，电容c8的一端与t1电连接，另一端与电阻r2的一端并联并且与晶体管v4的栅极连接；电阻r2的另一端接开关s6，发射模块20工作时，开关s6接入bias信号，接收模块10工作时，开关s6接入地信号，此时晶体管v4关断；晶体管v4的漏极与晶体管v2的源极连接，晶体管v2的栅极接第二电源信号vdd2，晶体管v2通过第一输出端t3与第一电感l1的第一端b2电连接。

第二发射支路的输入端t2输入射频信号，电容c7的一端与t2电连接，另一端与电阻r1的一端并联并且与晶体管v3的栅极连接；电阻r1的另一端接开关s7，发射模块20工作时，开关s7接入bias信号，接收模块10工作时，开关s7接入地信号，此时晶体管v3关断；晶体管v3的漏极与晶体管v1的源极连接，晶体管v1的栅极接第二电源信号vdd2，晶体管v1通过第一输出端t4与第一电感l1的第二端b1电连接。第一发射支路的晶体管v4的源极和第二发射支路的晶体管v3的源极连接，并且共同接入地信号。

可选的，第二级发射模块22的输入端t5通过第一开关s1与第二电感l2第一端b3电连接，接收第一电感l1和第二电感l2耦合传导的第一发射模块21的输出信号，电容c11的一端与t5电连接，另一端与电阻r7并联且与晶体管v11的栅极连接，电阻r7的另一端接开关s8，发射模块20工作时，开关s8接入bias信号，接收模块10工作时，开关s8接入地信号，此时晶体管v11关断；晶体管v11的源极接入地信号，晶体管v11的漏极与晶体管v12的源极连接，晶体管v12的栅极接第一电源信号vdd1，晶体管v12的漏极通过输出端t7传输放大信号至天线w1。

其中，第一电感l1作为第一级发射模块21的负载电感；第一电源信号vdd1为3.3v电源，第二电源信号vdd2为1.8v电源，bias信号可根据需求进行调节，优选为0.9v电压信号。

可选的，如图2所示，第二级接收模块12的第一输入端t3与第一电感l1的第一端b2电连接，第二级接收模块12的第二输入端t4与第一电感l1的第二端b1电连接，第二级接收模块12通过第一输出端t8和第二输出端t9与后级电子设备50电连接；第二级接收模块12的第一输入端t3与第一级发射模块21的第一输出端t3为同一个端口，第二级接收模块12的第二输入端t4与第一级发射模块21的第二输出端t4为同一个端口。射频前端电路还包括：

第一开关s1，第一开关s1在射频接收阶段连通第二电感l2的第一端b3与第一级接收模块11的输出端t6，第一级接收模块11的输入端t10与天线w1电连接，第二电感l2的第二端b4接入地信号。

具体的，如图2和图3所示，当射频前端电路的接收模块10工作时，第一开关s1的控制信号为0v，第一开关s1连通第二电感l2的第一端b3与第一级接收模块11的输出端t6，天线w1接收外部信号并通过第一级接收模块11的输入端t10传输至第一级接收模块11，第一级接收模块11对输入的微弱的信号进行放大，放大后的信号通过巴伦模块30的第二电感l2与第一电感l1耦合传输至第一电感l1，第一电感l1通过第二级接收模块12的第一输入端t3和第二输入端t4将放大的信号传输至第二级接收模块12，第二级接收模块12再次对信号进行放大，最后通过第一输出端t8和第二输出端t9输出至后级电子设备50，供后级电子设备50使用。

可选的，如图2所示，第二开关s2，第二级接收模块12通过第二开关s2与恒定电流源g电连接，第二开关s2在射频接收阶段连通第二级接收模块12与恒定电流源g。

具体的，在射频接收阶段，第二级接收模块12工作时，第二开关s2接通恒定电流源g；在射频发射阶段，第二级接收模块12不工作时，第二开关s2断开恒定电流g，使得第二接收模块不对射频发射模块的工作造成影响。

可选的，第一级接收模块11为单端结构，第二级接收模块12为差分结构。

具体的，第一级接收模块11通过输入端t10输入天线w1接收的信号，电容c9和电容c10并联，第一端共同连接到输入端t10，电容c9的另一端与晶体管v10的栅极和电阻r5的第一端共同连接，晶体管v10与电阻r5并联，晶体管v10的源极接入第二电源信号vdd2，电阻r5的另一端与晶体管v10的漏极连接，晶体管v10的漏极与晶体管v9的漏极连接，电容c10的另一端与晶体管v9的栅极和电阻r6的第一端共同连接，电阻r6的另一端接开关s9，接收模块10工作时，开关s9接入bias信号，发射模块20工作时，开关s9接入地信号，此时晶体管v9关断；晶体管v9的源极接入地信号。晶体管v10的漏极与晶体管v9的漏极共同与电容c8的第一端连接，电容c8的第二端与第一级接收模块11的输出端t6连接，第一级接收模块11通过输出端t6将放大的信号传输至第二电感l2。

第二级接收模块12由两条对称的支路构成，第一接收支路的输入端t3与第一电感l1的第一端b2电连接，接收第一电感l1和第二电感l2耦合传导的第一接收模块11的输出信号，电容c3的一端与第一输入端t3电连接，另一端与电阻r3并联且与晶体管v6的栅极连接；电阻r3的另一端接开关s10，接收模块10工作时，开关s10接入bias信号，发射模块20工作时，开关s10接入地信号，此时晶体管v6关断；晶体管v6的漏极与晶体管v8的源极相连，晶体管v8的栅极连接第二电源信号vdd2，电容c6与电感l3并联，并联的第一端与晶体管v8的漏极连接，并联的第二端接入第二电源信号vdd2。

第二接收支路的输入端t4与第一电感l1的第二端b1电连接，接收第一电感l1和第二电感l2耦合传导的第一接收模块11的输出信号，电容c4的一端与第二输入端t4电连接，另一端与电阻r4并联且与晶体管v5的栅极连接，电阻r4的另一端接开关s11，接收模块10工作时，开关s11接入bias信号，发射模块20工作时，开关s11接入地信号，此时晶体管v5关断；晶体管v5的漏极与晶体管v7的源极相连，晶体管v7的栅极连接第二电源信号vdd2，电容c5与电感l4并联，并联的第一端与晶体管v7的漏极连接，并联的第二端接入第二电源信号vdd2。第一接收支路的晶体管v6的源极和第二接收支路的晶体管v5的源极连接，并且共同与恒定电流源g电连接。

可选的，差分结构中的第一差分晶体管v6的栅极作为第二级接收模块12的第一输入端，差分结构中的第二差分晶体管v5的栅极作为第二级接收模块12的第二输入端；

第二级接收模块12还包括第一电容c1和第二电容c2，射频前端电路还包括两个第三开关s3，第一电容c1的第一端与第一差分晶体管v6的栅极电连接，第一电容c1的第二端通过一个第三开关s3接入地信号，第二电容c2的第一端与第二差分晶体管v5的栅极电连接，第二电容c2的第二端通过一个第三开关s3接入地信号，第三开关在射频接收阶段导通。

具体的，在射频接收阶段，第二级接收模块12工作时，第三开关s3接通第一电容c1和第二电容c2；在射频发射阶段，第二级接收模块12不工作时，第三开关s3断开第一电容c1和第二电容c2，避免第一电容c1和第二电容c2与第一电感l1发生谐振，使得第二接收模块不会对射频发射模块的工作造成影响。

图4是本发明实施例提供的另一种射频前端电路的结构示意图，如图4所示，在前述实施例的基础上，一种射频前端电路还包括：第一匹配网络模块60，第一级发射模块21与后级电子设备50电连接，第二级发射模块22通过第一匹配网络模块60与天线40电连接；

第二匹配网络模块70，第一级接收模块11通过第二匹配网络模块70与天线40电连接，第二级接收模块12与后级电子设备50电连接。

其中，在射频前端电路的发射模块20工作时，第一匹配网络60用于使输出阻抗匹配至能得到最佳的输出功率时的阻抗。

在射频前端电路的接收模块10工作时，第二匹配网络70用于将射频信号传输至负载点，减弱信号的反射，提升传输效果，当匹配后的输入阻抗与天线内阻相等时，达到最佳的传输效率。

图5是本发明实施例提供的一种匹配网络的具体电路结构示意图，如图5所示，可选的，第一匹配网络模块60包括：第四开关s4，所述第四开关s4在接收模块10工作时闭合，第四开关s4在发射模块20工作时断开；

所述第二匹配网络模块70包括：第五开关s5，第五开关s5在发射模块20工作时闭合，第五开关s5在接收模块10工作时断开。

具体的，第一匹配网络模块60通过信号输入节点t7连接于第二级发射模块22，第二匹配网络模块70通过信号输出节点t10连接于第一级接收模块11，第一匹配网络模块的输出与第二匹配网络的输入共用节点t11与天线电连接。第一匹配网络模块60由两个电感、两个电容和一个开关组成，电感l5与电容c12并联，电容c12的一端和电感l5的一端共同接信号输入节点，电容c12的另一端接地信号，电感l5的另一端接两条支路；一条支路通过开关s4接入地信号，一条支路包括电感l6，电感l6的另一端与输出节点t11连接，同时与电容c13连接，电容c13的一端与电感l6共同连接到输出节点t11，电容c13的另一端接地信号。在接收模块10工作时，第一匹配网络60的开关s4闭合，在发射模块20工作时，第一匹配网络60的开关s4断开。开关s4闭合后，电感l6和电容c13形成并联谐振，提供一个非常高的阻抗，从而保证了发射模块20不会影响接收模块10的工作。

如图5所示，可选的，第二匹配网络模块70由两个电感、两个电容和一个开关组成，电感l7与电容c14并联，电容c14的一端和电感l7的一端共同接信号输出节点，电容c14的另一端接地信号，电感l7的另一端接两条支路；一条支路通过开关s5接入地信号，一条支路包括电感l8，电感l8的另一端与输入节点t11连接，同时与电容c15连接，电容c15的一端与电感l8共同连接到输入节点t11，电容c15的另一端接地信号。在发射模块20工作时，第二匹配网络70的开关s5闭合，在接收模块10工作时，第二匹配网路70的开关s5断开。开关s5闭合后，电感l8和电容c15形成并联谐振，提供一个非常高的阻抗，从而保证了接收模块10不会影响发射模块20的工作。

本发明实施例还提供了一种射频控制方法，用于控制前述实施例所述的射频前端电路。

图6是本发明实施例提供的一种射频控制方法的流程图，如图6所示，射频控制方法包括：

s610、在射频发射阶段，控制第一级发射模块与第二级发射模块通过第一电感与第二电感形成耦合关系；

其中，第一级发射模块的第一输出端与第一电感的第一端电连接，第一级发射模块的第二输出端与第一电感的第二端电连接，第二级发射模块的输入端与第二电感的第一端电连接，第二电感的第二端接入地信号。

s620、在射频接收阶段，控制第一级接收模块和第二级接收模块通过第一电感和第二电感形成耦合关系；

其中，第二级接收模块的第一输入端与第一电感的第一端电连接，第二级发射模块的第二输入端与第一电感的第二端电连接，第一级接收模块的输出端与第二电感的第一端电连接，第二电感的第二端接入地信号。

本发明实施例通过发射模块与接收模块共用巴伦模块的电感，第一级发射模块与第二级发射模块通过巴伦模块的电感形成耦合关系，第一级接收模块和第二级接收模块通过巴伦模块的电感形成耦合关系，减少了射频前端电路中的电感数量，解决射频前端电路中电感数量较多，导致芯片尺寸较大的问题，实现在保证射频前端电路有高增益和高输出功率的同时有效降低芯片尺寸的效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。