專利名稱：時分雙工無線通信系統收發線性開關電路和其實現方法
技術領域：
本發明屬于通信領域，具體涉及時分雙工無線通信系統收發大功率線性開關電路和其實現方法。
中國專利申請96110399.X“天線轉換電路和無線通信系統”中公開了一種天線轉換電路由具有3端的環行器部件構成，在3端中，第一端(CTX)接到發射電路、第二端(CANT)接到第一天線，和第三端(CRX)通過第一開關部件能接到終端電阻；第二開關部件能把環行器部件的第三端接到接收電路；和第三開關部件能把第二天線接到接收電路，由此，就不再需要去使用具有大插入損耗的天線收發轉換開關電路，并且，除了能縮小整個結構以外，能夠減小插入損耗。但該電路是用于分集接收機，沒有考慮同頻時分雙工系統中功率放大器的可能的不穩定對低噪聲放大器的影響。
一般的TDD(時分雙工)系統的射頻前端都是采用射頻開關來控制接收信號與發射信號，但由于射頻開關的開關管的非線性特性，在通信系統對發射信號的輸出功率和線性要求較高時(也就是對鄰道功率泄漏的要求較高時)，會導致功放輸出射頻信號經射頻開關后，由于射頻開關的線性影響導致帶外頻譜再生，而使鄰道功率泄漏不能滿足要求。這是由于功率大時進入其工作區中的非線性區造成的。
本發明提供一種時分雙工無線通信系統收發大功率線性開關電路，包括功率放大器，用于將無線通信系統的發射信號放大到發射功率；環形器，其第一端口耦合到功率放大器，用于將所述功率放大器輸出的功率在發射時輸出給環形器的第二端口，以輸出給天線發射；低噪聲放大器，耦合到所述環形器的第三端口，以在接收時接收天線通過環形器第二端口輸入的接收信號，以放大所述接收信號。
可選地，所述的電路還包括控制開關與控制裝置，所述控制開關耦合在所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間，所述控制裝置控制所述控制開關在發射信號時斷開所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間的連接，在接收信號時連接所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器。
優選地，所述的電路還包括負載電阻，與所述控制開關的一個端口連接，所述控制裝置控制所述控制開關在發射信號時連接所述環形器的第三端口與所述負載電阻，在接收信號時斷開所述環形器的第三端口與所述負載電阻之間的連接。
優選地，所述開關控制電路還包括延遲電路，用于控制所述控制開關在發射信號前第三預定時間斷開所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間的連接，在發射信號第四預定時間后連接所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器。
可選地，所述負載電阻的阻抗與天線的等效特性阻抗相同。
優選地，所述控制裝置還包括功率放大器使能電路和低噪聲放大器使能電路，以在接收信號時關閉功率放大器，發射信號時關閉低噪聲放大器。
可選地，所述控制開關由所述控制裝置通過兩根控制線控制，所述兩根控制線分別和所述低噪聲放大器的使能控制線和所述使能控制線的反相信號線連接。
優選地，所述功率放大器使能電路和低噪聲放大器使能電路包括保護電路，以在使能低噪聲放大器前的第一預定時間關閉功率放大器，使能功率放大器前的第二預定時間關閉低噪聲放大器。
本發明還提供一種利用如上所述的時分雙工無線通信系統的收發大功率線性開關電路實現線性收發的方法，包括步驟根據所述系統的通信要求與協議，確定接收信號與發射信號的時隙；根據所述確定的接收信號與發射信號的時隙，在所述發射信號的時隙，通過環行器連接功率放大器到天線，在所述接收信號的時隙，通過環行器連接天線到低噪聲放大器；其中，在所述發射信號的時隙，還包括步驟斷開環行器與低噪聲放大器之間的連接，在所述接收信號的時隙，還包括步驟連接環行器到低噪聲放大器。
可選地，所述方法還包括步驟在所述發射信號的時隙，使能功率放大器，關閉低噪聲放大器；在所述接收信號的時隙，關閉功率放大器，使能低噪聲放大器。
優選地，所述方法還包括步驟在所述發射信號的時隙，連接環行器在所述接收信號的時隙與低噪聲放大器連接的連接端口到負載電阻。
可選地，所述關閉低噪聲放大器，使能功率放大器的步驟包括發出關閉低噪聲放大器控制信號第一預定時間后，發出使能功率放大器控制信號；所述關閉功率放大器，使能低噪聲放大器的步驟包括發出關閉功率放大器控制信號第二預定時間后，發出使能低噪聲放大器控制信號。
本發明可提高輸出發射信號的線性度，避免一般普通射頻開關的非線性導致的對相鄰信道的干擾，同時，在同頻雙工通信系統，如TD-SCDMA系統中，利用使能信號和環形器與開關的結合，避免低噪聲放大器的損壞。同時利用控制信號的控制時序安排，避免功率放大器和低噪聲放大器不穩定對系統的影響，防止自激振蕩。
圖1是本發明的實施例的天線開關電路的原理圖；圖2是本發明的實施例的天線開關電路的控制時序圖；圖3是本發明的具體實施例的典型電路圖；圖4描述了圖3的電路中實現圖2的時序的電路原理圖。
由于環形器是無源器件，其自身的線性非常高，而且可承受功率很大，根據設計測試，從1瓦到上百瓦。對輸入信號到輸出信號的非線性變化非常小。
為了便于本領域一般技術人員理解和實現本發明，現結合附圖描繪本發明的實施例。
圖1是本發明的實施例的天線開關電路的原理圖。主要由環形器100，射頻開關101，和匹配負載103組成。
環形器是一個三端口器件，對信號具有定向輸出功能。也就是，如果信號按環形器設計方向前進，其損耗很小，基本所有信號功率都能通過環形器。如果信號按環形器設計方向反方向前進，其損耗很大，基本所有信號功率都不能通過環形器。
當TDD系統處于發射時隙時，從功率放大器(PA)來的射頻信號經過環形器100輸出到天線(未示出)，由于環形器100的在較大功率范圍的線性特性非常好，因此，對放大器輸出的信號的頻譜結構基本沒有影響，產生的非線性失真及諧波的幅度很小，因此，鄰道功率泄漏比基本不會惡化，而且插入損耗小，一般小于0.3dB，對發射能量損失較小。同時，射頻開關101的控制線SW1和SW2受系統控制時隙的控制，開關101將點3和點5連接，即環形器的端口3接匹配負載，這樣可以保證在這個狀態下到天線的射頻端口駐波較小。因為環形器的一個端口接負載，就是隔離器，一般功放的輸出都設計一個隔離器，以保證輸出端口有較好的匹配。同時這個射頻開關101還有另外的作用，保護低噪聲放大器。由于與天線不可能是完全匹配，輸出到天線的信號會有部分能量反射回環形器，然后從點2到點3，如果沒有這個射頻開關，此反射信號會直接加到低噪聲放大器的輸入端，有可能造成低噪聲放大器(LNA)損壞，特別是如果于天線的連接不好或天線有問題時，反射的回來的信號功率會很大，更容易損壞低噪聲放大器。由于射頻開關101是點3和點5導通，一般射頻開關的隔離可以達到20dB以上，這樣泄漏到低噪聲放大器輸入端的信號能量會較小，不會損壞低噪聲放大器。此時射頻開關101和匹配負載103主要有兩個作用，一是組成端接負載，提高射頻輸出端口的匹配。二是隔離低噪聲放大器，降低到達低噪聲放大器的信號功率，保護低噪聲放大器不受損害。
在接收時隙時，此時射頻開關101的控制線SW1和SW2受系統控制時隙，開關將點3和點4連接，從天線來的信號，由于環形器的定向作用，信號只能從環形器的點2到點3，在到點4輸入到低噪聲放大器，進行下行放大。由于環形器的正向插入損耗很小，一般＜0.3dB，對系統的噪聲系數影響較小。
圖2是本發明的實施例的天線開關電路的控制時序圖。其中，收發控制信號RX與開關控制信號SW1和SW2同相或反相，在實施例中，開關控制信號SW1連接到低噪聲放大器使能信號LNA_EN，同時開關控制信號SW2連接到/LNA_EN，/LNA_EN是LNA_EN的反相差分信號。LNA_EN，PA_EN是基于系統的收發控制轉換信號，通過一定的邏輯轉換和延遲電路構成的控制裝置產生，本領域一般技術人員根據這個時序圖，可以以邏輯電路或其它電路實現這個時序。下文將詳細描繪本發明的實施例中實現這些時序的具體電路圖。而PA_EN和LNA_EN的信號轉換的完成必須是在系統規定的保護時隙GT0和GT1內完成。在LNA_EN由高電平轉化低電平后，即關斷低噪聲放大器LNA，經過t0的時間延遲后，PA_EN才由低電平轉化為高電平后，制即打開功率放大器PA，以上過程是在保護時隙GT0內完成，同樣在PA_EN由高電平轉化低電平后，即關斷功率放大器PA，經過t1的時間延遲后，LNA_EN才由低電平轉化為高電平后，即打開低噪聲放大器LNA，以上過程是在保護時隙GT1內完成，以防止電路產生自激振蕩，造成PA或LNA損壞。在本發明的實施例中，控制裝置(未示出)產生的開關控制信號SW1和SW2控制控制開關在發射信號時斷開所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間的連接，在本發明的實施例中，開關控制信號SW1高，開關控制信號SW2低，可斷開開關101到LNA的連接。在接收信號時連接環形器的第三端口與所述低噪聲放大器，這里不詳細描述。這個控制裝置還包括功率放大器使能電路和低噪聲放大器使能電路，以通過產生如圖2所述的LNA_EN和PA_EN信號，在接收信號時關閉功率放大器，發射信號時關閉低噪聲放大器。雖然實施例中使用的是兩個開關控制信號采用差分方式控制，應知道，可以僅用一個控制信號，增加一個反相電路，產生另一個差分信號，控制兩個狀態。在實施例中，為了保護低噪聲放大器，功率放大器和低噪聲放大器的使能信號滿足一定的關系，功率放大器被關閉一定時間后才打開低噪聲放大器，這是為了防止功率放大器的電路中的功率信號沒有完全消失就打開低噪聲放大器而損害低噪聲放大器，如調諧放大器的諧振回路的功率要完全消耗需要一定的時間，我們稱為PA關閉時間，通常為幾個微妙，這與電路參數如Q值有關。另外，由于任何電路均不是理想電路，為了防止低噪聲放大器尚未完全關閉且開關也未打到負載電阻時，功率放大器就輸出功率損害低噪聲放大器，低噪聲放大器也需要關閉一定時間后使能功率放大器，這個時間我們稱為LNA關閉時間。通常，PA關閉時間大于LNA關閉時間。雖然實施例中使用使能信號控制安全時序，實際上，可以通過控制開關信號SW1和SW2來實現使能信號的相同功能，如關閉功率放大器一定時間后，開關才接通低噪聲放大器，開關斷開低噪聲放大器一定時間后，才打開(使能)功率放大器。也可以采用使能信號與開關控制信號均有保護時序的方法和裝置，這些均應包括在本發明的權利要求中。
圖3是本發明的具體實施例的典型電路圖。射頻開關101的控制線SW1和SW2分別和低噪聲放大器的使能控制線LNA_EN和反相控制線/LNA_EN連接。以保證射頻開關101的開關導向和低噪聲放大器104的開啟和關閉是同步的。由于功率放大器(PA)110和LNA104電路的相應關斷與控制信號有一定的延遲，也就是控制信號到達后的PA和LNA電路不能立即就完全關閉，大概會有幾個微秒以上的延遲才能完全關閉，所以PA和LNA的控制使能信號在系統的保護時隙內，必須有一定的提前和滯后量，以保證PA完全關斷的后LNA才打開，同樣也要保證LNA完全關斷的后PA才打開。
輸出SW1和SW2信號的開關控制電路(未示出)還包括延遲電路(未示出)，用于控制開關在發射信號前第三預定時間斷開所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間的連接，在發射信號第四預定時間后連接所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器。
圖4描述了圖3的電路中實現圖2的時序的原理圖。這主要是利用延遲電路實現的，也可以有其他的實現方法，在此不一一列舉。邏輯電路300可以采用幾個獨立的邏輯電路芯片實現，也可以采用可編程邏輯門陣列(EPLD)等集成芯片實現。收發控制轉換信號通過一個緩沖器121，再經過緩沖器126，到電阻133，二極管134，電容135組成的延遲電路后，和另外的電阻130，二極管131，電容132組成的延遲電路后經反相器127的信號共同輸入到與非門128，再經過反相器129輸出，產生PA_EN信號。其基本工作原理是，當收發控制轉換信號為高時，緩沖器126的輸出也為高，通過電阻133對電容135充電，二極管134處于反相狀態，基本對電容135充電沒有貢獻。當電容135充電電壓達到邏輯門的翻轉電壓時，與非門128輸出變為低電平，反相器129輸出變為高電平。當收發控制轉換信號變為低時，緩沖器126的輸出也為低，通過二極管134和電阻133對電容135放電，二極管134處于正相導通狀態，導通電阻較小，使電容135放電很快。當電容135充電電壓降到邏輯門的翻轉電壓時，與非門128輸出變為高電平，反相器129輸出變為低電平。反相器127是保證，無論出現何種狀態，當LNA_EN為高時，PA_EN一定為低。在這個電路中，可以通過改變電阻133和電容135的值改變延遲時間。
同樣，收發控制轉換信號通過一個緩沖器121，再經過緩沖器122，到電阻130，二極管131，電容132組成的延遲電路后，和另外的電阻133，二極管134，電容135組成的延遲電路后經反相器123的信號共同輸入到與非門124，再經過反相器125輸出，產生LNA_EN信號。非門124輸出連接到SW1，LNA_EN連接到SW2。其工作原理和PA_EN的產生情況一樣，在此不與詳細描述。在這個電路中，可以通過改變電阻130和電容132的值改變延遲時間。
通過這樣的電路，可以產生圖2所示的時序圖。
射頻開關101的控制線SW1和SW2由系統單獨直接控制，可以實現一些特殊的時序功能要求。
雖然本發明以同頻收發為實施例，但本領域一般技術人員知道，本發明可用于非同頻收發電路，以提高系統可靠性，特別是保護LNA。
本發明的實施例中，一種利用如上文所述的收發大功率線性開關電路實現線性收發的方法，首先，根據所述系統的通信要求與協議，如GSM，IS-95CDMA或TDS-CDMA系統，根據系統時鐘和用戶請求，可以確定系統對每個用戶接收信號與發射信號的時隙；然后，根據所述確定的接收信號與發射信號的時隙，在所述發射信號的時隙，通過環行器連接功率放大器到天線，在所述接收信號的時隙，通過環行器連接天線到低噪聲放大器；
另外，在所述發射信號的時隙，還斷開環行器與低噪聲放大器之間的連接，在所述接收信號的時隙，還連接環行器到低噪聲放大器。
為了更加可靠地隔離功率放大器與低噪聲放大器間的干擾和保護低噪聲放大器間，本發明中，還在所述發射信號的時隙，使能功率放大器，關閉低噪聲放大器；并且，在所述接收信號的時隙，關閉功率放大器，使能低噪聲放大器。
為了增加系統發射時的穩定性，減少天線與功率放大器不完全匹配的影響在所述發射信號的時隙，連接環行器在所述接收信號的時隙與低噪聲放大器連接的連接端口到負載電阻。
在實施例中，輸出關閉低噪聲放大器的控制信號第一預定時間后，輸出使能功率放大器控制信號；這個第一預定時間通常保證低噪聲放大器完全關閉，不會受到功率放大器輸出功率的損害。輸出關閉功率放大器的控制信號第二預定時間后，輸出使能低噪聲放大器控制信號；這個第二預定時間通常保證功率放大器完全關閉。
雖然非同頻信號收發可以通過濾波器實現隔離，要求濾波器達到一定的隔離度，因此，這個方法仍可用于非同頻信號收發，以提高隔離度。
雖然通過實施例描繪了本發明，本領域普通技術人員知道，本發明有許多變形和變化而不脫離本發明的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本發明的精神。
權利要求
1.一種時分雙工無線通信系統收發大功率線性開關電路，包括功率放大器，用于將無線通信系統的發射信號放大到發射功率；環形器，其第一端口耦合到功率放大器，用于將所述功率放大器輸出的功率在發射時輸出給環形器的第二端口，以輸出給天線發射；低噪聲放大器，耦合到所述環形器的第三端口，以在接收時接收天線通過環形器第二端口輸入的接收信號，以放大所述接收信號；控制裝置，包括功率放大器使能電路和低噪聲放大器使能電路，以在接收信號時關閉功率放大器，發射信號時關閉低噪聲放大器。
2.如權利要求1所述的電路，其中，所述功率放大器使能電路和低噪聲放大器使能電路包括保護延遲電路，以在使能低噪聲放大器前的第一預定時間關閉功率放大器，使能功率放大器前的第二預定時間關閉低噪聲放大器。
3.如權利要求1或2所述的電路，其中，還包括控制開關，所述控制開關耦合在所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間，所述控制裝置還包括開關控制電路，用于控制所述控制開關在發射信號時斷開所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間的連接，在接收信號時連接所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器。
4.如權利要求3所述的電路，其中，還包括負載電阻，與所述控制開關的一個端口連接，所述控制裝置控制所述控制開關在發射信號時連接所述環形器的第三端口與所述負載電阻，在接收信號時斷開所述環形器的第三端口與所述負載電阻之間的連接。
5.如權利要求3所述的電路，其中，所述開關控制電路還包括延遲電路，用于控制所述控制開關在發射信號前第三預定時間斷開所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器之間的連接，在發射信號后第四預定時間連接所述環形器的第三端口與所述低噪聲放大器。
6.如權利要求3所述的電路，其中，所述控制開關由所述控制裝置通過兩根控制線控制，所述兩根控制線分別和所述低噪聲放大器的使能控制線和所述使能控制線的反相信號線連接。
7.一種利用如權利要求1的時分雙工無線通信系統的收發大功率線性開關電路實現線性收發的方法，包括步驟根據所述系統的通信要求與協議，確定接收信號與發射信號的時隙；根據所述確定的接收信號與發射信號的時隙，控制功率放大器、天線、低噪聲放大器和環行器之間的連接，控制功率放大器和低噪聲放大器的使能。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述關閉低噪聲放大器，使能功率放大器的步驟包括發出關閉低噪聲放大器控制信號第一預定時間后，發出使能功率放大器信號；所述關閉功率放大器，使能低噪聲放大器的步驟包括發出關閉功率放大器控制信號第二預定時間后，發出使能低噪聲放大器信號。
9.如權利要求7或8所述的方法，其中，所述控制功率放大器、天線、低噪聲放大器和環行器之間的連接，控制功率放大器和低噪聲放大器的使能的步驟包括在所述發射信號的時隙通過環行器連接功率放大器到天線；斷開環行器與低噪聲放大器之間的連接；關閉低噪聲放大器，使能功率放大器；在所述接收信號的時隙通過環行器連接天線到低噪聲放大器；關閉功率放大器，使能低噪聲放大器。
10.如權利要求7所述的方法，還包括步驟在所述發射信號的時隙，連接環行器在所述接收信號的時隙與低噪聲放大器連接的連接端口到負載電阻。
全文摘要
本發明提供了一種時分雙工無線通信系統收發大功率線性開關電路，包括功率放大器，用于將無線通信系統的發射信號放大到發射功率；環形器，其第一端口耦合到功率放大器，用于將所述功率放大器輸出的功率在發射時輸出給環形器的第二端口，以輸出給天線發射；低噪聲放大器，耦合到所述環形器的第三端口，以在接收時接收天線通過環形器第二端口輸入的接收信號，以放大所述接收信號；控制裝置，包括功率放大器使能電路和低噪聲放大器使能電路，以在接收信號時關閉功率放大器，發射信號時關閉低噪聲放大器。本發明可提高輸出發射信號的線性度，避免一般普通射頻開關的非線性導致的對相鄰信道的干擾。
文檔編號H04J3/00GK1476188SQ0314628
公開日2004年2月18日 申請日期2003年7月8日 優先權日2003年7月8日
發明者滔 段, 段滔 申請人:大唐移動通信設備有限公司