时分双工无线通信系统的收发切换装置

摘要

本发明提供一种收发切换装置，用于实现TDD无线通信系统的收发切换，包括功率放大器、低噪声放大器及环行器，还包括：四分之一波长微带线，用于阻抗变换，其第一端连接到环行器的第三端口，以及其第二端连接到低噪声放大器的输入端；第一开关元件，第一开关元件的负极连接到环行器的第三端口，正极连接到电感的第一端；第二开关元件，第二开关元件的正极连接到四分之一波长微带线的第二端，负极接地；负载电阻，吸收发射信号的反射波以及环行器的泄漏信号转换为热能，负载电阻的第一端连接到第一开关元件的正极，第二端接地；以及电感，通过直流偏压而对射频起高阻的作用，从而保证低噪声放大器在任何工作时刻不会遭受大信号的损坏。

权利要求

1.一种收发切换装置，用于实现时分双工无线通信系统的收发切换，包括功率放大器、低噪声放大器、以及环行器，其特征在于，还包括：四分之一波长微带线，用于阻抗变换，其第一端连接到所述环行器的第三端口，以及其第二端连接到所述低噪声放大器的输入端；

第一开关元件，所述第一开关元件的负极连接到所述环行器的第三端口，以及所述第一开关元件的正极连接到电感的第一端；

第二开关元件，所述第二开关元件的正极连接到所述四分之一波长微带线的第二端，以及所述第二开关元件的负极接地；

负载电阻，用于吸收发射信号的反射波以及所述环行器的泄漏信号，并将其转换为热能，所述负载电阻的第一端连接到所述第一开关元件的正极，以及所述负载电阻的第二端接地；以及所述电感，用于通过直流偏压而对射频起高阻的作用，所述电感的第一端连接到所述第一开关元件的正极，第二端施加有控制信号；

其中，所述控制信号在发射时隙使所述功率放大器工作，使所述低噪声放大器关闭，以及使所述第一开关元件和所述第二开关元件导通；

所述控制信号在所述发射时隙结束后的保护时隙首先使所述功率放大器关闭，然后使所述低噪声放大器打开，以及使所述第一开关元件和所述第二开关元件截止；

所述控制信号在接收信号时隙，保持所述低噪声放大器打开，以及保持第一开关元件和所述第二开关元件截止；以及所述控制信号在所述接收信号时隙结束后的保护时隙首先使所述低噪声放大器关闭，然后使所述第一开关元件和所述第二开关元件导通，以及使所述功率放大器打开。

2.根据权利要求1所述的收发切换装置，其特征在于，还包括：第一隔直电容，用于隔离直流电压，连接在所述低噪声放大器的输入端与所述四分之一波长微带线的第二端之间；以及第二隔直电容，用于隔离直流电压，连接在所述第一开关元件的正极与所述负载电阻的第一端之间。

3.根据权利要求1所述的收发切换装置，其特征在于，还包括：第三开关元件，其负极连接到所述第一开关元件的正极，以及其正极通过第三隔直电容接地，并施加有第一电平。

4.根据权利要求3所述的收发切换装置，其特征在于，所述第一电平在所述控制信号为高电平时，使所述第三开关元件截止，而在所述控制信号为低电平时，使所述第三开关元件导通。

5.根据权利要求3或4所述的收发切换装置，其特征在于，在发射时隙，所述控制信号使所述第三开关元件截止；

在所述发射时隙结束后的保护时隙，所述控制信号使所述第三开关元件导通；

在接收信号时隙，所述控制信号保持所述第三开关元件导通；以及在所述接收信号时隙结束后的保护时隙，所述控制信号使所述第三开关元件截止。

6.根据权利要求1所述的收发切换装置，其特征在于，还包括：第三开关元件，其正极与所述第二开关元件的负极相连接，以及其负极与所述第二开关元件的正极相连接。

7.根据权利要求3或6中任一项所述的收发切换装置，其特征在于，所述第一开关元件是PIN二极管；所述第二开关元件是PIN二极管；以及所述第三开关元件是PIN二极管。

8.根据权利要求1、2、3、4或6中任一项所述的收发切换装置，其特征在于，所述电感是射频扼流电感。

9.根据权利要求1、2、3、4或6中任一项所述的收发切换装置，其特征在于，所述负载电阻的阻值与天线的等效特性阻抗相同。

说明书

时分双工无线通信系统的收发切换装置

技术领域

[0001] 本发明涉及通讯领域的时分双工无线收发系统，更具体地，涉及一种时分双工(TDD)无线通信系统的收发切换装置。

背景技术

[0002] 近年来，无线通讯系统越来越多地采用时分双工系统，并且由于采用多载波技术，对于发射链路上的器件的线性要求越来越高，同时对于接收链路的低噪声要求也越来越高。

[0003] 在已公开的题为“时分双工无线通讯系统收发线性开关电路和其实现方法”的第03141286.3号的中国专利中，公开了一种由三端环行器和射频开关组成的收发电路。发射期间，环行器第一端口将功率放大器送出的信号通过第二端口高线性地送到天线，同时第三端口通过射频开关连接到负载终端，吸收发射信号的反射信号，避免了损坏低噪声放大器；接收期间，连接于环行器第二端口的天线将接收信号经第三端口通过射频开关送到低噪声放大器。该电路保证了功率信号的线性，但该电路没有考虑到接收信号期间天线可能存在的大信号对低噪声放大器造成的损坏。

[0004] 因此，迫切需要一种时分双工无线通信系统的收发切换装置，以保护低噪声放大器不受损坏。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种时分双工无线通信系统的收发切换装置，其具有高线性发射信号和低噪声放大接收信号的特性，同时能够保护接收低噪声放大器在任何工作时刻都免于大信号的损坏，特别适合于TDD标准的通讯系统，例如时分同步码分多址接入TD-SCDMA系统的收发切换电路。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种收发切换装置，用于实现时分双工无线通信系统的收发切换，包括功率放大器、低噪声放大器、以及环行器，还可以包括：四分之一波长微带线，用于阻抗变换，其第一端连接到环行器的第三端口，以及其第二端连接到低噪声放大器的输入端；第一开关元件，第一开关元件的负极连接到环行器的第三端口，以及第一开关元件的正极连接到电感的第一端；第二开关元件，其正极连接到四分之一波长微带线的第二端，以及第二开关元件的负极接地；负载电阻，用于吸收发射信号的反射波以及环行器的泄漏信号，并将其转换为热能，负载电阻的第一端连接到第一开关元件的正极，以及负载电阻的第二端接地；以及电感，用于通过直流偏压而对射频起高阻的作用，电感的第一端连接到第一开关元件的正极，第二端施加有控制信号。

[0007] 根据本发明，收发切换装置还可以包括：第一隔直电容，用于隔离直流电压，连接在低噪声放大器的输入端与四分之一波长微带线的第二端之间；以及第二隔直电容，用于隔离直流电压，连接在第一开关元件的正极与负载电阻的第一端之间。

[0008] 可选地，收发切换装置还可以包括：第三开关元件，其负极连接到第一开关元件的正极，以及其正极通过第三隔直电容接地，并施加有第一电平。

[0009] 其中，第一电平在控制信号为高电平时，使第三开关元件截止，而在控制信号为低电平时，使第三开关元件导通。

[0010] 根据本发明，在发射时隙，控制信号使第三开关元件截止；在发射时隙结束后的保护时隙，控制信号使第三开关元件导通；在接收信号时隙，控制信号保持第三开关元件导通；以及在接收信号时隙结束后的保护时隙，控制信号使第三开关元件截止。

[0011] 可选地，收发切换装置还可以包括：第三开关元件，其正极与第二开关元件的负极相连接，以及其负极与第二开关元件的正极相连接。

[0012] 其中，第一开关元件可以是PIN二极管；第二开关元件可以是PIN二极管；以及第三开关元件可以是PIN二极管。

[0013] 根据本发明，控制信号可以在发射时隙使功率放大器工作，使低噪声放大器关闭，以及使第一开关元件和第二开关元件导通；控制信号可以在发射时隙结束后的保护时隙首先使功率放大器关闭，然后使低噪声放大器打开，以及使第一开关元件和第二开关元件截止；控制信号可以在接收信号时隙，保持低噪声放大器打开，以及保持第一开关元件和第二开关元件截止；以及控制信号可以在接收信号时隙结束后的保护时隙首先使低噪声放大器关闭，然后使第一开关元件和第二开关元件导通，以及使功率放大器打开。

[0014] 另外，电感可以是射频扼流电感。负载电阻的阻值可以与天线的等效特性阻抗相同。

[0015] 因此，可以看出采用本发明的收发切换装置，与现有技术相比，在保证发射信号线性的同时，利用PIN二极管的开关与限幅特性，以及1/4波长微带线的阻抗变换特性，通过收发切换信号的控制，避免了功率放大器和低噪声放大器的不稳定性对系统的影响，防止自激振荡发生，同时保证了低噪声放大器输入端在接收期间较小的插入损耗，而且保证了低噪声放大器在任何工作时刻不会遭受大信号的损坏。

[0016] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0017] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

[0018] 图1是示出了根据本发明的收发切换电路装置的连接示意图；

[0019] 图2是示出了根据本发明实施例的收发切换电路装置的原理图；

[0020] 图3是示出了根据本发明实施例的收发切换信号的控制时序图；

[0021] 图4是示出了根据本发明实施例的收发切换电路装置的另一种接法的原理图；

[0022] 图5是示出了根据本发明实施例的装置发射期间等效原理图；以及[0023] 图6是示出了根据本发明实施例的装置接收期间等效原理图。

具体实施方式

[0024] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0025] 图1是示出了根据本发明的收发切换电路装置100的连接示意图。参考图1，收发切换装置100包括功率放大器116、低噪声放大器102、以及环行器106，其中，功率放大器116用于将无线通讯系统的发射信号放大到所需功率，低噪声放大器102用于放大天线耦合的接收信号，以及环行器106用于射频信号的定向传输，其第一端口连接于功率放大器116的输出端，第二端口连接于收发天线，第三端口通过1/4波长微带线104连接于低噪声放大器102。

[0026] 如图1所示，收发切换电路装置100还包括：四分之一波长微带线104，用于阻抗变换，其第一端连接到环行器106的第三端口，以及其第二端连接到低噪声放大器102的输入端；第一开关元件108，其负极连接到环行器106的第三端口，以及正极连接到电感112的第一端；第二开关元件110，其正极连接到四分之一波长微带线104的第二端，以及第二开关元件110的负极接地；负载电阻114，用于吸收发射信号的反射波以及环行器106的泄漏信号，并将其转换为热能，负载电阻114的第一端连接到第一开关元件108的正极，以及负载电阻114的第二端接地；以及电感112，用于通过直流偏压而对射频起高阻的作用，其第一端连接到第一开关元件108的正极，第二端施加有控制信号。

[0027] 收发切换电路装置100还包括：第一隔直电容，用于隔离直流电压，连接在低噪声放大器102的输入端与四分之一波长微带线104的第二端之间；以及第二隔直电容，用于隔离直流电压，连接在第一开关元件108的正极与负载电阻114的第一端之间。

[0028] 另外，收发切换电路装置100还包括：第三开关元件，其负极连接到第一开关元件108的正极，以及其正极通过第三隔直电容接地，并施加有第一电平。

[0029] 其中，第一电平在控制信号为高电平时，使第三开关元件截止，而在控制信号为低电平时，使第三开关元件导通。

[0030] 另外，在发射时隙，控制信号使第三开关元件截止；在发射时隙结束后的保护时隙，控制信号使第三开关元件导通；在接收信号时隙，控制信号保持第三开关元件导通；以及在接收信号时隙结束后的保护时隙，控制信号使第三开关元件截止。

[0031] 可选地，收发切换电路装置100还包括：第三开关元件，其正极连接至第二开关元件110的负极，以及负极连接至第二开关元件110的正极。

[0032] 另外，第一开关元件是PIN二极管；第二开关元件是PIN二极管；以及第三开关元件是PIN二极管。

[0033] 另外，控制信号在发射时隙使功率放大器116工作，使低噪声放大器102关闭，以及使第一开关元件108和第二开关元件110导通；控制信号在发射时隙结束后的保护时隙首先使功率放大器116关闭，然后使低噪声放大器102打开，以及使第一开关元件108和第二开关元件110截止；控制信号在接收信号时隙，保持低噪声放大器102打开，以及保持第一开关元件108和第二开关元件110截止；以及控制信号在接收信号时隙结束后的保护时隙首先使低噪声放大器102关闭，然后使功率放大器116打开，以及使第一开关元件108和第二开关元件110导通。其中，电感112是射频扼流电感，以及负载电阻114的阻值与天线的等效特性阻抗相同。

[0034] 图2是示出了根据本发明实施例的收发切换电路装置的原理图，图3是示出了根据本发明实施例的收发切换信号的控制时序图，图4是示出了根据本发明实施例的收发切换电路装置的另一种接法的原理图，图5是示出了根据本发明实施例的装置发射期间等效原理图；以及图6是示出了根据本发明实施例的装置接收期间等效原理图，以下将结合图2至图6详细描述根据本发明的实施例。

[0035] 如图2所示，收发切换电路装置主要由功率放大器PA、低噪声放大器LNA、环行器、PIN二极管、1/4波长微带线等组成。当TDD系统处于发射时隙时，从功率放大器PA出来的射频信号经过环行器输出到天线。

[0036] 由于环行器在较大范围内的线性特性非常好，因此对功率放大器PA输出的射频信号的频谱结构没有影响，产生的非线性失真和谐波幅度很小，因此，邻道泄漏功率比(ACPR)基本不会恶化。同时由于环行器的插入损耗一般不超过0.3dB，因此发射能量损失很小。

[0037] 与此同时，PIN管PIN1和PIN2受到系统控制信号LNA_SW的高电平的控制，正电压的偏置使得两个二极管正向导通而成为低阻状态。并且，PIN1的导通将环行器的第三端口连接到负载电阻上，PIN2导通相当于1/4波长终端短路，因此对于环行器的第三端口相当于接收通道被断开，从而使环行器相当于隔离器的作用，如图5所示。发射端口产生的反射信号被负载电阻吸收，保证了该端口的良好匹配。另一方面，由于此时低噪声放大器LNA的输入端对地短路，泄漏到低噪放输入端口的能量很小，保护了低噪声放大器LNA不受损坏。

[0038] 在接收信号时隙，系统的控制信号LNA_SW转换为低电平。这样，PIN二极管成为因为截至而呈现为高阻状态。由于环行器的定向作用，天线信号经由环行器的第二端口进入，通过第三端输出到低噪声放大器LNA的输入端。由于PIN管为高阻状态，因此插损很小。环行器及PIN管对于接收通道的噪声影响非常小。另一方面，如果接收到的天线信号如果因某种原因超过一定的电平后，则引起PIN二极管部分导通或者导通引起阻抗的减少，起到射频信号的电平限幅作用，如图6所示。从而有效的保护了低噪声放大器LNA不受损坏。

[0039] 图2中还提供了另一只PIN二极管PIN3。它的作用是在接收信号期间提供信号正负两个方向相同的限幅电平。其原理是在PIN3的正极保持一个固定点压V0，该电压电平应该能够使得当LNA_SW为高电平时，PIN3截至，而当LNA_SW为低电平时PIN3导通。图2的PIN3可以省略，或者采用其它变形接法。例如图4所示，将PIN3与PIN2反向并联，这两个二极管在物理上可以封装在一起。

[0040] 图3是示出了根据本发明实施例的收发切换信号的控制时序图。其中TRX为与信号同步的收发控制信号，根据需要它可以比射频信号的收发转换点有一定的提前量。PA_SW、LNA_SW是基于TRX的收发控制转换信号，PA_SW、LNA_SW通过一定的逻辑转换和延迟电路构成的装置例如FPGA等来产生。本领域的一般技术人员可以根据该时序图，采用相关逻辑电路来实现。PA_SW和LNA_SW在系统规定的保护时隙内完成电平转换，二者满足一定的时间延迟关系，以保证在功率放大器PA完全关闭后才打开低噪声放大器LNA，或者在低噪声放大器LNA完全关闭后才打开功率放大器PA。

[0041] 利用本发明装置实现收发切换的方法是：根据通讯协议确定接收和发射的时隙。在发射时隙，控制信号使能功率放大器PA，关闭低噪声放大器LNA，同时PIN二极管PIN1、PIN2由于施加高电平信号而导通，而PIN3截至。在发射时隙完毕后的保护时隙控制信号首先关闭功率放大器PA，之后再打开低噪声放大器LNA，PIN二极管PIN1、PIN2由于施加低电平而截至，而PIN3导通，在接收信号时隙保持这种状态。同样，在接收信号完毕后的保护时隙，控制信号首先关闭低噪声放大器LNA，之后再打开功率放大器PA。

[0042] 本发明利用了环行器的定向特性，对无线信号的流向进行控制，保证了发射信号的高线性。同时利用PIN二极管的射频开关特性及功率限幅特性，以及1/4波长微带线的阻抗变换特性，对进入低噪声放大器LNA的信号流向及电平进行控制，在发射时隙，PIN管断开环行器与低噪声放大器LNA的连接，将反射信号接入到负载电阻上。而在接收时隙，提供给链路较低插入损耗的同时，PIN管限制超出一定电平的信号进入低噪声放大器LNA，从而保护了低噪声放大器LNA不被损坏。

[0043] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。