CN102882546B - 一种基于片上系统的射频装置 - Google Patents

Abstract

一种基于片上系统的射频装置包括：片上系统单元、低噪声放大与功放模块、电磁复合材料天线以及给片上系统单元供电的电源模块，片上系统单元的通讯端经低噪声放大与功放模块与电磁复合材料天线相连。本发明基于片上系统的射频装置极大地减少了整体空间需求，降低了电能的消耗，应用片上系统提高了射频的功放效率，降低了功耗；应用的电磁复合材料天线体积小，吸收的能量少，损耗低，提高了天线的转换效率；本发明射频装置制造成本低，实用性强，能够适用于多种场合。

Description

一种基于片上系统的射频装置

技术领域

本发明属于无线通讯领域，涉及一种射频装置。

背景技术

在无线通讯领域，第三代和第四代无线宽带技术正在逐步的得到发展，其有效提供的系统容量至原有系统的10倍以上，而系统的建置成本需降至原有1/10以下，随之对原有设备尤其是射频装置无论是成本还是装置性能上都提出了更高的要求。

传统的射频装置功放效率低，非线形化从而使得射频单元无法获得良好的性能。同时，传统天线设计吸收较多的能量，产生较大的回波，因而使得天线转换效率低和体积较大，由此可见在第三代和第四代无线宽带系统中射频装置起到了关键性的作用。然而，射频装置存在的系统大，功耗大，维护和更新等问题，严重阻碍了无线宽带通信的发展，同时还极大增加了运营商的运营成本，这些与业界提出的绿色能源、低功耗等需求以及发展的趋势产生了严重抵触。因此，急需一种射频装置既能够满足未来通讯技术对设备的性能要求，而且该装置能够适用于多种场合，即射频装置需小型化，这已成为通讯领域极为迫切需要解决的问题。

发明内容

为了解决现有的射频装置中存在的问题，本发明提供了一种基于片上系统(System on Chip，SOC)的射频装置，通过SOC技术和电磁复合材料天线实现该装置的小型化和良好的通讯效果，为了实现上述发明目的，采用以下技术方案：

一种基于片上系统的射频装置，包括：片上系统单元、低噪声放大与功放模块、电磁复合材料天线以及给所述片上系统单元供电的电源模块，所述片上系统单元的通讯端经低噪声放大与功放模块与所述电磁复合材料天线相连；

所述电磁复合材料天线包括介质基板、馈线、附着在介质基板一表面的金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上镂空有微槽结构以在金属片上形成金属走线，所述电磁复合材料天线预设有供电子元件嵌入的空间；

所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻；

所述空间设置在馈线、馈线与金属片之间及金属片这三个位置的至少一个上，其中设置在所述金属片位置具体包括：

在所述金属走线上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间；或

在所述微槽结构上预留有嵌入容性电子元件的空间，并且所述空间连接两侧的金属走线。

进一步地，所述片上系统单元包括核处理器和存储器以及内置于所述存储器的DSP软件。

进一步地，所述存储器中存储有通讯协议软件信息。

进一步地，所述片上系统单元还包括作为所述片上系统单元通讯端的双工器以及用于数据处理的上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块和锁相环。

进一步地，所述射频装置还包括设置于所述低噪声放大与功放模块和所述电磁复合材料天线之间的衰减模块。

进一步地，所述电磁复合材料天线为双极化天线或多极化天线。

进一步地，所述电源模块为太阳能电池模组。

本发明基于SOC的射频装置极大地减少了整体空间需求，降低了电能的消耗，应用SOC提高了射频的功放效率，降低了功耗；应用的电磁复合材料天线体积小，吸收的能量少，损耗低，提高了天线的转换效率；本发明射频装置制造成本低，实用性强，能够适用于多种场合。

附图说明

图1是本发明基于SOC的射频装置的第一实施例的结构示意图；

图2是本发明基于SOC的射频装置的SOC单元的一种结构示意图；

图3是本发明基于SOC的射频装置中电磁复合材料天线一种结构示意图；

图4是本发明基于SOC的射频装置中电磁复合材料天线的另一种结构示意图；

图5是图4的另一视角的结构示意图；

图6是图4结构的一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明基于SOC的射频装置的第一实施例，该射频装置包括电源模块1、SOC单元2、低噪声放大与功放模块4以及电磁复合材料天线3，电源模块1为SOC单元2提供电能，该电源模块1可以是干电池组，也可以是太阳能电池模组，由于SOC单元2高度集成化，能够延长电源模块1的持续供电时间。低噪声放大与功放模块4位于SOC单元2与电磁复合材料天线3之间，电磁复合材料天线3接收外界的数据经低噪声放大与功放模块4低噪声放大输出给SOC单元2，电磁复合材料天线3还接收SOC单元2输出的经低噪声放大与功放模块4功放后的数据，并将该数据发射出去，在低噪声放大与功放模块4和电磁复合材料天线3之间还可以增加衰减模块51、52，分别对应SOC单元2数据的输出与输入。

低噪声放大与功放模块4在SOC单元2之前对数据进行处理，增大了SOC单元2的数据处理范围和处理能力，衰减模块51、52的设置有效地降低了由于数据功率过大造成的器件超负荷工作引起的损坏等问题。本发明使用的电磁复合材料天线3，相对与普通天线，有效地减小了天线的体积，并且提高了转化效率，降低了损耗。

如图2所示为本发明基于SOC的射频装置的SOC单元的一种结构，该SOC单元2包括核处理器21和存储器22，存储器22中内置DSP软件，存储器22中还存储通讯协议软件信息，该通讯协议可以是ZigBee协议、蓝牙协议等。该SOC单元2还包括双工器、上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块和锁相环，双工器作为SOC单元2数据输入与输出的通讯端，上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块在核处理器21及DSP软件的控制下对数据进行处理。在应用中相同的数据处理模块如数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块在处理数据不是很大的情况下可以只有一个，通过核处理器21分配来对输入与输出的数据进行处理。

在应用时，SOC单元2得到供电后，加载位于存储器22内置的DSP软件，数据经双工器传入，核处理器21和DSP软件控制相应处理模块依次对数据进行低噪放大、模数转换、滤波、数模转换、下变频处理，并将结果输出到存储器22；SOC单元2数据需要对外输出时，核处理器21和DSP软件控制相应处理模块依次对数据进行低噪放大、模数转换、滤波、数模转换、上变频处理，经双工器输出，核处理器21控制锁相环使得数据频率和相位均与输入数据保持确定关系，提高抗干扰能力。

图3所示为本发明中的电磁复合材料天线3的结构，该电磁复合材料天线3是单极天线，采用了透视图画法，在图中未画出其接线脚。电磁复合材料天线3包括介质基板31、馈线32、附着在介质基板31一表面的金属片34，馈线32通过耦合方式馈入金属片34，金属片34上镂空有微槽结构341和在金属片34上形成的金属走线342，电磁复合材料天线3上预设有供电子元件嵌入的空间，图3中351为预设的电子元件嵌入的空间，363、365、366、367为预设的空间已嵌入电子元件。馈线32围绕金属片34设置实现耦合，金属片34与馈线32可以接触，也可以不接触。当金属片34与馈线32接触时，馈线32与金属片34之间感性耦合；当金属片34与馈线32不接触时，馈线32与金属片34之间容性耦合。

在馈线32与金属片34之间预设有嵌入容性电子元件的空间363，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是馈线32与金属片34之间的任意位置。馈线32与金属片34之间本身具有一定的电容，这里通过嵌入容性电子元件调节馈线与金属片34之间的信号耦合，运用公式：可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电容或感性电子元件实现。加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着电磁复合材料天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。当然，也可以在馈线32与金属片34之间预设多个空间。同样，在未连接有电子元件的空间中，采用导线短接。

在金属片的金属走线342上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间，嵌入电子元件的空间不仅仅局限于图中给出的365和366，其他位置只要满足条件均可。此处嵌入感性电子元件的目的是增加金属片内部谐振结构的电感值，从而对电磁复合材料天线的谐振频率及工作带宽起到调节的作用；此处嵌入电阻的目的是改善电磁复合材料天线的辐射电阻。至于是嵌入感性电子元件还是电阻，则根据需要而定。另外在未嵌入电子元件的空间中，采用导线短接。

在微槽结构341上预留有嵌入容性电子元件的空间，并且所述空间连接两侧的金属走线342。嵌入电子元件的空间不仅仅局限于图3中给出的367，其他位置只要满足条件均可。嵌入容性电子元件可以改变金属片的谐振性能，最终改善电磁复合材料天线的Q值及谐振工作点。作为公知常识，我们知道，通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW＝wo/Q，此式表明，Q越大则通频带越窄，Q越小则通频带越宽。另有：Q＝wL/R＝1/wRC，其中，Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串的电阻；C是电容，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过加入容性电子元件来减小Q值，使通频带变宽。

本发明中的电磁复合材料天线3上的空间预留位置不限于上述几种形式，空间只要设置在电磁复合材料天线上即可，例如，空间还可以设置在介质基板上。

本发明中电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。在电磁复合材料天线的预留空间中加入此类电子元件后，可以改善电磁复合材料天线的各种性能。并且通过加入不同参数的电子元件，可以实现电磁复合材料天线性能参数的可调。因此，本发明的电磁复合材料天线在不加入任何元件之前可以是一样的结构，只是通过在不同位置加入不同的电子元件，以及电子元件的参数(电感值、电阻值、电容值)，来实现不同电磁复合材料天线的性能参数。即实现了通用性。可以大幅降低生产成本。

本发明的空间可以是焊盘，也可以是一个空缺。焊盘的结构可以参见普通的电路板上的焊盘。当然，其尺寸的设计根据不同的需要会有所不同。

另外，本发明中，介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。金属片为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。馈线选用与金属片同样的材料制成。优选为铜。

本发明中，关于电磁复合材料天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，当然，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造也能满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成电磁复合材料天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。

图4、图5是本发明中电磁复合材料天线3的另一种结构示意图，该图中所示电磁复合材料天线为一种双极化天线，同样采用了透视画法，在图中未画出接线脚。电磁复合材料天线3包括介质基板31、附着在介质基板31相对两表面的第一金属片34及第二金属片37，围绕第一金属片34设置有第一馈线32、第二馈线33，围绕第二金属片37设置有第三馈线38、第四馈线39，所述第一馈线32及第二馈线33均通过耦合方式馈入所述第一金属片34，所述第三馈线38及第四馈线39均通过耦合方式馈入所述第二金属片37，所述第一金属片34上镂空有第一微槽结构341以在第一金属片上形成第一金属走线342，所述第二金属片37上镂空有第二微槽结构371以在第二金属片上形成第二金属走线372，所述第一馈线32与第三馈线38电连接，所述第二馈线33与第四馈线39电连接，所述电磁复合材料天线3预设有供电子元件嵌入的空间36。此种设计等效于电磁复合材料增加了天线物理长度(实际长度尺寸不增加)，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限。

第一馈线32与第三馈线38通过在介质基板31上开的金属化通孔310电连接，所述第二馈线33与第四馈线39通过在介质基板31上开的金属化通孔320电连接。

图4所示为本发明的电磁复合材料天线的结构示意图，图5为图4所示的另一视角图。综合两个图可以看出，介质基板的a表面及b表面上附着的结构相同。即第一馈线、第二馈线、第一金属片在b表面的投影分别与第三馈线、第四馈线、第二金属片重合。当然，这只是一个优选的方案，a表面与b表面的结构根据需要也可以不同。

第一馈线32与第二馈线33均围绕第一金属片34设置以实现信号耦合。另外第一金属片34与第一馈线32与第二馈线33可以接触，也可以不接触。当第一金属片34与第一馈线32接触时，第一馈线32与第一金属片34之间感性耦合；当第一金属片34与第一馈线32不接触时，第一馈线32与金属片34之间容性耦合。同样，当第一金属片34与第二馈线33接触时，第二馈线33与第一金属片34之间感性耦合；当第一金属片34与第二馈线33不接触时，第二馈线33与第一金属片34之间容性耦合。

第三馈线38与第四馈线39均围绕第二金属片37设置以实现信号耦合。另外第二金属片37与第三馈线38、第四馈线39可以接触，也可以不接触。当第二金属片37与第三馈线38接触时，第三馈线38与第二金属片37之间感性耦合；当第二金属片37与第三馈线38不接触时，第三馈线38与金属片37之间容性耦合。同样，当第二金属片37与第四馈线39接触时，第三馈线38与二金属片37之间感性耦合；当二金属片37与第四馈线39不接触时，第四馈线39与第二金属片37之间容性耦合。

本发明中，所述介质基板两相对表面的第一金属片与第二金属片可以连接，也可以不连接。在第一金属片与第二金属片不连接的情况下，所述第一金属片与第二金属片之间通过容性耦合的方式馈电；此种情况下，通过改变介质基板的厚度可以实现第一金属片与第二金属片的谐振。在第一金属片与第二金属片电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，所述第一金属片与第二金属片之间通过感性耦合的方式馈电。

通过改变馈线的馈电位置可以得到不同极化方式的电磁复合材料天线，因此，通过改变第一馈线与第三馈线、第二馈线与第四馈线馈电位置的不同可以得到双极化电磁复合材料天线。优选地，第一馈线与第三馈线的馈电方式为水平极化，第二馈线与第四馈线的馈电方式为垂直极化，每种极化方式根据不同的需要实现以下几种情况：

(1)水平极化与垂直极化中的一种极化方式只用于接收电磁波，另一种极化方式用于发射电磁波。

(2)水平极化与垂直极化中的一种极化方式只用于接收电磁波，另一种极化方式用于发射和接收电磁波。

(3)水平极化与垂直极化中的两种极化方式均用于发射和接收电磁波。

图6所示为图4和图5中电磁复合材料天线的一种进一步实施方式，图6中351为预设的电子元件嵌入的空间，362、363、364、365、366、367为预设的空间已嵌入电子元件。图6中各位置嵌入电子元件与图3中对应空间嵌入电子元件所起的作用相同，在此不作展开叙述。其中嵌入电子元件的空间位置、介质基板材质、金属片材质以及电磁复合材料天线的制造方法等均可与图3所示电磁复合材料天线相同。

图3-图6所示的电磁复合材料天线，也就是超材料天线，不仅保证了射频装置的功能，而且也极大地减小了天线的体积。

以上仅是对本发明的实施例的描述，不能构成本发明的限制，在不脱离本发明宗旨的情况的衍变均处于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于片上系统的射频装置，其特征在于，包括：片上系统单元、低噪声放大与功放模块、电磁复合材料天线以及给所述片上系统单元供电的电源模块，所述片上系统单元的通讯端经所述低噪声放大与功放模块与所述电磁复合材料天线相连；

所述电磁复合材料天线包括介质基板、馈线、附着在介质基板一表面的金属片，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片，所述金属片上镂空有微槽结构以在金属片上形成金属走线，所述电磁复合材料天线预设有供电子元件嵌入的空间；

所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻；

所述空间设置在馈线、馈线与金属片之间及金属片这三个位置的至少一个上，其中设置在所述金属片位置具体包括：

在所述金属走线上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间；或

在所述微槽结构上预留有嵌入容性电子元件的空间，并且所述空间连接两侧的金属走线。

2.根据权利要求1所述的射频装置，其特征在于，所述片上系统单元包括核处理器和存储器以及内置于所述存储器的DSP软件。

3.根据权利要求2所述的射频装置，其特征在于，所述存储器中存储有通讯协议软件信息。

4.根据权利要求1所述的射频装置，其特征在于，所述片上系统单元还包括作为所述片上系统单元通讯端的双工器以及用于数据处理的上变频模块、下变频模块、数模转换模块、滤波模块、模数转换模块、低噪放大模块和锁相环。

5.根据权利要求1所述的射频装置，其特征在于，所述射频装置还包括设置于所述低噪声放大与功放模块和所述电磁复合材料天线之间的衰减模块。

6.根据权利要求1-5任一项所述的射频装置，其特征在于，所述电磁复合材料天线为双极化天线或多极化天线。

7.根据权利要求1-5任一项所述的射频装置，其特征在于，所述电源模块为太阳能电池模组。