CN103856236A

CN103856236A - 并发多频带收发器

Info

Publication number: CN103856236A
Application number: CN201310647813.5A
Authority: CN
Inventors: 安东尼斯·J·M·德格拉乌; 马库斯·范斯奇
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-06-11
Also published as: US9106314B2; EP2741424A1; US20140155001A1

Abstract

本发明涉及一种RF前端(100)，该RF前端(100)适用于在接收模式或在发射模式中运行，并且还适用于接收或发送信号，该信号分别位于在至少两个分离的频带中，RF前端包括：输入端和输出端；输入匹配电路(1)，该输入匹配电路(1)包括耦合到输入端的第一输入端；输出匹配电路(2)，该输出匹配电路(2)耦合到输出端；输入匹配电路(1)经由第一放大器(3)和第二放大器(4)分别耦合到输出匹配电路(2)；和移相器(5)，该移相器(5)在发射模式中耦合到RF前端(100)的输入端，或在接收模式中耦合到RF前端的输出端。

Description

并发多频带收发器

技术领域

本发明涉及并发多频带接收机或发射机，适用于同时在超过个的频带中接收或发送信号。

背景技术

现代的发射机和接收机经常需要能够在不同频带中工作。这可以使用不同的解决方案完成。

第一种可能性是使用并行的发射机或接收机，每个发射机/接收机被用于特定的频带。这是一种在组件数量，面积和能量消耗方面成本昂贵的解决方案。

另一种可能性是在发射机或接收机中使用可调谐元件，这些元件被调谐用于特定的频带。可调谐的元件可以使用如变容二极管，从而使发射机或接收机可以被调谐用于在不用的频段中调谐，如Chong-RuWu等人于2008年9月在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS，VOL.18，NO.9中发表的文章“A 3-5GHz Frequency-Tunable Receiver Frontend for Multiband Applications”中所述。这种解决方案需要昂贵的可调谐组件和附加的数字电路用于调谐电路到正确的频率。

另一种替代的方案，经常用于支持多频带操作，是在不同频带之间进行切换，如Atsushi Fukudaetal等人于2010年在IEEE Radio andWireless Symposium conference publications第45-48页中发表的文章“AHigh Power and Highly Efficient Multi-band Power Amplifier forMobile Terminals”中所述。这可以由电容器组和开关，或甚至通过在完整的匹配网络之间进行切换来完成。使用这种替代的方案，用于实现多频带操作的额外的电路是必需的。

在另一种替代的方案中，可以在发射机或接收机中使用宽带电路。然而，实际的构建块的最大带宽往往是有限的。此外，对于宽带接收机，其缺点是对落入接收机带宽中的不想要的输入源是敏感的。类似地，宽带发射机将放大落入发射机带宽中的不想要的输入信号。

前面给出的替代解决方案，除了最后一个，有一个共同点是发射机或接收机一次只能在一个频带中发射或接收，因此降低了系统的吞吐量，如JussiRyynanen等人于2006年第二季度在Special Issue on WirelessReconfigurable Terminals-Part II，IEEE Circuits and Systems Magazine中发表的文章“Integrated Circuits for Multi-Band Multi-ModeReceivers”中所述。

其他替代的解决方案例如从美国专利6658265和6917815可知。

美国专利6658265披露了一种双模放大器，该双模放大器能够对于一个频带在共模中操作和对于第二个频带在差模中操作。在共模中，放大器提供两个相同的信号到匹配的网络，在差模中，放大器提供两个彼此180度异相的信号到匹配的网络。该匹配的网络被配置为保持相同的输入和输出阻抗，而不管放大器是在共模或差模中操作。由于匹配网络操作两个信号，所以不论共模或差模，通常需要功率组合网络将两个信号组合成单个信号用于传输。可以看出该系统不支持并发多频带操作。

美国专利6917815披露了一种用于并发双通带高频接收机的架构。它结合了具有双频带天线的并发双通带前端子系统，双通带前置放大器滤波器和具有镜像抑制下变频器的并发双通带低噪声放大器(LNA)以提供典型的接收机功能，包括在两个离散的期望的频带中同时接收，放大和下变频信号。这里披露的系统是并发双通带接收机架构，但它不能同时进行共模和差模操作。

因此，需要一种前端，能够同时工作并提供差分和共模操作，并具有降低电路成本和电路走线的优点。

发明内容

因此，需要得到一种在多个频带中工作的前端，该前端具有降低的成本和电路走线。因此，本发明的一个目的是提供一种RF前端，该RF前端适用于在接收模式或发送模式中运行并且还适用于接收或发送信号，该信号分别位于至少两个分离的频带中，该RF前端包括：输入端和输出端，还包括输入匹配电路，该输入匹配电路包括耦合到RF前端的输入端的第一输入端，

-输出匹配电路，该输出匹配电路耦合到RF前端的输出端；

-输入匹配电路经由第一放大器和第二放大器分别耦合到输出匹配电路；和

-移相器，该移相器在发射模式中耦合到RF前端的输入端，或在接收模式中耦合到RF前端的输出端。

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定优选实施例。

移相器包括延迟线或集总的无源或有源滤波器。如何选择取决于输入信号的频率范围。对于较低频率集总元件方案可能更适合实施。对位于GHz范围或毫米波范围内的较高频率，即十分之一或几百个GHz，可能更适合使用传输线实施。

移相器在其输出端提供信号的180度相移的奇数倍，该信号位于输入到其输入端的第一频带中。

移相器在其输出端提供信号的180度相移的偶数倍，该信号位于输入到其输入端的第二频带中。

输入匹配电路可以包括T型滤波器，该T型滤波器包括电感器。输出匹配电路可以包括T型滤波器，该T型滤波器包括电感器。优选地，两个电路具有相同的拓扑和可能的最简单的实现方式是使用电感器。然而，两个电路相同不是必需的。如何选择取决于电路用于什么应用中。

输入匹配在第一频带中执行源阻抗和组合放大器的共模输入阻抗之间的阻抗匹配，和在第二频带中执行源阻抗和组合放大器的差模输入阻抗之间的阻抗匹配。

输出匹配电路对输出侧起到了类似的作用。

第一放大器和第二放大器是单端或差分放大器。第一放大器和第二放大器可以是跨导放大器。在非常简单的形式中，放大器可以是在任何技术，例如，双极型，砷化镓(GaAs)或，在一般情况下，III-V族化合物，CMOS等中制造的晶体管。然而，根据不同的应用，放大器可以是跨阻放大器和比较普遍的任何类型的受控源。

在实际应用中，如雷达，高频通信如汽车到汽车通信，使用IEEE802.11/p标准或它们的组合，优选地，可以具有发射机，该发射机包括耦合到前述任何实施例中信号组合器，RF前端被耦合双模多频带天线。

在上面的应用中，优选地，可以具有接收机，该接收机包括耦合到前述RF前端的信号分离器。

在本发明的一个实施例中，通信设备被安装在车辆上，如汽车。

附图说明

上述和其它优点在相关附图示出的实施例中是明显的，其中：

图1示出了根据本发明的被配置为发射机的RF前端；

图2更详细地示出了根据本发明的被配置为发射机的RF前端；

图3示出了根据本发明的RF前端的功率增益；

图4示出了根据本发明的RF前端的另一实施例；

图5示出了使用根据本发明的RF前端的雷达系统；

图6示出了根据本发明的具有双模多频带天线的雷达系统；

图7示出了雷达和无线通信系统；

图8示出了根据本发明的雷达和无线通信系统；

图9示出了根据本发明的雷达和无线接收机；

图10示出了双频带多模天线；和

图11示出了根据本发明的基于传输线的移相器的布图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的RF前端，该RF前端用于发射机。RF前端100适用于发送信号，该信号分布在至少两个分离的频带中，该RF前端包括：输入端和输出端，并且还包括耦合到RF前端100的输入端的移相器5。RF前端还包括输出匹配电路2。移相器5分别通过第一放大器3和第二放大器4被耦合到输出匹配电路2。

RF前端100，还包括输入匹配电路1，输入匹配电路1包括耦合到RF前端100的输入端的第一输入端和耦合到移相器5的第二输入端，输入匹配电路1还包括耦合到第一放大器电路3的输入端的第一输出端和耦合到第二放大器电路4的输入端的第二输出端。RF前端100还包括输出匹配电路2，输出匹配电路2包括耦合到第一放大器电路3的输出端的第三输入端，和耦合到第二放大器电路4的输出端的第四输入端。优选地，输入匹配电路1具有与输出匹配电路2相同的结构。这意味着，各电路的拓扑可以是相同的，但各个设备所用的值不必要是相同的。

本发明能够提供在多个频带中的信号的放大，而不需要开关或调谐元件。RF前端可以被设计为在多个频带中提供放大，并在布置不同的工作频率上具有很高的自由度。此外，本发明支持在不同的频带中同时操作。例如，可以设计一种多频带接收机，其中单个低噪声放大器(LNA)在不同的通信频带中用于同时放大信号。第二个例子可以是一种基站发射机，其中，功率放大器被用于同时放大两个不同的频带，从而导致更高的系统效率和更低的硬件成本。另一个例子可以是在雷达系统中的使用。

移相器5的相移取决于频率。对于频率f_{0_cm}，在发射模式中，移相器5的相移是180度的奇数倍。因此，对于该频率，在输入参考面处的两个分支中的放大器输入电压是同相的，从而导致用第一和第二放大器3，4实现的差分放大器用于在共模中操作。对于该频率，在输出电压参考面处的输出电压也是同相的。对于频率f_{0_dm}，移相器5的相移是180度的偶数倍。对于该频率，输入电压在输入参考面处是180度异相，和由第一和第二放大器3，4形成的放大器在差模中操作。在此频率下，在输出参考面处的电压也具有180度的相位差。

可以看出，RF前端可以同时在多个频带中操作，即使它不包括可调谐的设备或开关。在接收模式中，这意味着包括共模部分和差模部分的源信号被放大器放大。放大器的输出信号包括共模部分和差模部分。放大器之一的输出信号然后被移相器5移相。

如果移相器5被实现为插入相位在不同频率下是180度的奇数倍，则在相同频率下可以是共模操作，假设对于共模，放大器在这些频率上是阻抗匹配的。这可以通过设计输入和输出匹配网络1、2以在这些频率下提供正确的共模阻抗变换来实现。

如果移相器5的插入相位在不同频率下是180度的偶数倍，则差模操作在这些相同频率下是可行的，假设通过匹配网络，在这些相同的频率下差分输入和输出阻抗是阻抗匹配的。

图2示出了更为详细的RF前端。它包含两个放大器3、4，用于共模输入阻抗和差模输入阻抗的输入匹配网络1，用于共模和差模输出阻抗的输出匹配网络2，以及实现为传输线的移相器5。移相器5可以以多种方法实现，例如，用集总元件，无源全通滤波器等。传输线5的电长度β1在f_{0_cm}处等于180度，以及在f_{0_dm}处为360度的电长度。如果在差模中放大器的输入和输出阻抗在f_{0_dm}处匹配和放大器共模输入和输出阻抗在f_{0_cm}处匹配，则功率增益可以如图3所示。

可以证明，需要满足两组要求使在频率f_{0_cm}和f_{0_dm}处具有功率增益：

1.移相器5的相移在频率f_{0_cm}处必须是180度的奇数倍，在频率f_{0_dm}处是180度的偶数倍；

2.共模输入和输出阻抗必须在频率f_{0_cm}处匹配。差模输入和输出阻抗必须在频率f_{0_dm}处匹配。

第一和第二个上述要求甚至可以在两个以上的频率处得到满足，从而导致多频带收发器。在本实施例中，第一个要求在多个频率下是自然满足的，因为传输线的自然相位特性与频率相应。在本实施例中，具有对共模和差模输入和输出阻抗的阻抗匹配的第二个要求，只有在各自的f_{0_cm}和f_{0_dm}处得到满足。这是匹配网络复杂性度较低的结果，匹配网络表示为由电感器组成的T型结构。图2中的匹配网络元件L1，L2，L3和L4可以通过使用下面的公式选择。

f_{0, dm} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{1} C_{in}}}

f_{0, dm} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{3} C_{out}}}

f_{0, cm} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{1} C_{in} + 2 L_{2} C_{in}}}

f_{0, cm} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{3} C_{out} + 2 L_{4} C_{out}}}

上述实施例仅仅是许多实现选择之一。移相器5和匹配网络1、2，可以在多个可选择的方法中实现。例如，可以增加匹配网络的复杂性，以允许多频带的阻抗匹配。匹配网络1、2也可以使用分散元件而不是集总元件或它们的组合来实现。移相器5也可以以不同的方式实现。在某些情况下，例如，在低频率下，使用集总元件的移相器的使用可以节省面积。也可以使用有源移相器。相移是180度的偶数倍或奇数倍是非常重要的，对于共模，阻抗匹配频率与频率相应，移相器的相移是180度的奇数倍；而对于差模，放大器是阻抗匹配的，移相器的相移在频率处是180度的偶数倍。

图4示出了根据本发明的RF前端的另一实施例。可以看出，如已经在图1或2中所示，放大器3、4中的每一个可以是单端或差分。第一放大器和第二放大器可以是跨导放大器。在非常简单的形式中，放大器可以是以任何技术，例如，双极型，砷化镓(GaAs)或，在一般情况下，一个III-V族化合物，CMOS等技术中制造的晶体管。然而，根据不同的应用，放大器可以是跨阻放大器和比较普遍的任何类型的受控源。

甚至，当它们可以被实现为单管放大器时，它们也可能被连接成共基极(栅极)或发射极(源极)输出器。

图5示出了使用根据本发明的RF前端的雷达系统。更精确地，本实施例涉及一种低成本的多频带雷达收发器。

该系统包含雷达发射机和接收机，能够在具有带宽BW1和BW2的两个频带F1和F2中发送和接收一系列的连续波频率啁啾或脉冲。

发射机和接收机模块被连接到雷达信号控制器/处理器模块。该模块从飞行的时间和反射信号的相位关系生成雷达脉冲/啁啾和导出多个目标的范围，速度和角度。

当根据本发明的RF前端被用于多频带雷达中时，相比传统的单频带雷达系统，它具有以下优点：

与检测要求相应，频率和带宽可以被优化。

-长距离，中等分辨率：低频，窄带宽。

-短距离，高分辨率：高频，大带宽

根据ΔR＝c/(2.BW)，距离分辨率和带宽有关。其中c是光速和BW是频率带宽。角度分辨率取决于根据波长的天线孔径的尺寸并改进频率用于给定的天线孔径尺寸。范围和频率/带宽之间的关系是复杂的，频率越高，带宽越大，检测范围降低。

并发多频带操作，所检测的目标的平滑频率转换取决于它们之间的距离和所需的分辨率。

在多个频带中的并发操作增加来自目标的信息被检测到的速度，因此减少了系统的响应时间。

根据本申请的多频带操作，通过收发器和天线硬件的再使用节约系统的成本。

图6示出了具有根据本发明的双模多频带天线的一个例子。发射机同时产生两个频率啁啾：一个啁啾在76-81GHz频带，具有有限的带宽0.5GHz，用于有限的分辨率的远距离检测；另一啁啾在115-125GHz频带，具有5GHz的带宽，用于有限的范围内的高分辨率检测。

信号在信号组合器200中的多频带放大器的输入端被组合，然后被发送到RF前端，如上所述。来自RF前端的输出端的信号被送到双模多频带天线中，该双模多频带天线被设计为对于模式一在频带一中传播功率，对于模式二在频带二中传播功率。两种模式应是正交的；一种可能是共模用于频带一和差模用于频带二的结合。

多频带接收机包括和发射机相同的主要构件模块，顺序不同，并且它使用信号分离器而不是信号组合器。根据本发明的双频带雷达接收机可以同时接收两个频率啁啾，一个啁啾在76-81GHz频带，具有有限的带宽0.5GHz，用于有限的分辨率的远距离检测；另一啁啾在115-125GHz频带，具有5GHz的带宽，用于有限的范围内的高分辨率检测。

信号由双模多频带天线接收，该天线被设计为在至少两个频带中接收功率，这样，不再需要在输入端的信号组合器和移相器。

在本发明的另一实施例中，RF前端可用于低成本的雷达和点对点通信系统，如图7所示。该系统包括发射机和接收机，能够在具有带宽BW1的频带F1和具有带宽BW2的频带F2中发送和接收一系列连续波频率啁啾或脉冲。

发射机和接收机模块被连接到雷达和通信信号控制器/处理器模块。该模块从反射信号的飞行时间和相位关系生成雷达脉冲/啁啾和导出多个目标的范围，速度和角度，并且生成并检测通信信号。

这种结合的雷达/通信系统相比传统的雷达和点对点通讯系统，具有以下优点：

-它在特定的角度方向可同时检测和传输到目标。一个例子是汽车雷达/智能交通系统(ITS)通信系统，其中使用点对点通信在汽车之间交换ITS信号，在雷达系统测量的特定的空间方向发送和接收数据。这种频谱的空间再利用的形式，避免了传统的非定向ITS通信系统的系统容量有限的问题。

-根据本发明结合雷达和通信功能，通过收发器和天线硬件的再使用节约系统的成本。

图8示出了根据本发明的雷达和无线发射机。该发射机同时产生雷达信号和通信信号：具有1GHz带宽的在76-81GHz频带中的啁啾用于雷达和具有5GHz带宽的在115-125GHz频率中的(复杂的)调制过的载波频率用于通信。信号在放大器的输入端的信号组合器中被组合。在放大器的输出端处的信号被送到一个双模多频带天线中，该天线被设计为对模式一在频带一中传播功率和对模式二在频带二中传播功率。两种模式都应是正交的；一种可能是使用共模用于频带一和差模用于频带二的结合。

图9示出了根据本发明的雷达和无线接收机。接收机同时接收两种信号：具有1GHz带宽的在76-81GHz频带中的啁啾和具有5GHz带宽的在115-125GHz频率中的通信信号。该信号由双模多频带天线接收，该天线被设计为在两种频带中接收功率。信号通过信号分离器在放大器的输出端被分离并被送到两个单频带接收机中用于进一步的信号处理。

图10示出了适用于以上描述的多频带雷达和通信系统中的双模多频带天线概念。

该天线可以在两种模式和多个频带中操作：

-在频带中的共模操作，其中电长度L_CM是四分之一波长的倍数。如图10b所示，该共模共振以水平极化的方式传播波。

-在频带中的差模操作，其中电长度L_DM是二分之一波长的倍数。如图10c所示，该差模共振以垂直极化的方式传播波。

图11示出了根据本发明的基于传输线的移相器的布图。该网络由两个分离的单端的传输线组成，这两个传输线具有不同的长度。图中移相器5的连接点与布图描述相对应。进一步来说，对于确定相移，总的电长度是很重要的，但实际的几何形状是不太重要的。

需要指出的是，本发明保护的范围并不限于本文所描述的实施例。本发明的保护范围也不受权利要求中的附图标记的限制。词语“包括”并不排除在权利要求中提到的部分以外的部分。形成本发明的一部分的单元，可以以专用硬件的形式实现，或以已编程的目标处理器的形式实现。本发明在于每个新的特征或特征的组合。

Claims

1.一种RF前端(100)，其特征在于，该RF前端(100)适用于在接收模式或在发射模式中运行，并且还适用于接收或发送信号，该信号分别位于至少两个分离的频带中，RF前端包括：

输入端和输出端；

输入匹配电路(1)，该输入匹配电路(1)包括耦合到输入端的第一输入端；

输出匹配电路(2)，该输出匹配电路(2)耦合到输出端；

输入匹配电路(1)经由第一放大器(3)和第二放大器(4)分别耦合到输出匹配电路(2)；和

移相器(5)，该移相器(5)在发射模式中耦合到RF前端(100)的输入端，或在接收模式中耦合到RF前端(100)的输出端；

其中，移相器(5)在其输出端提供信号的180度相移的奇数倍，该信号位于输入到其输入端的第一频带中，和

其中，移相器(5)在其输出端提供信号的180度相移的偶数倍，该信号位于输入到其输入端的第二频带中。

2.根据权利要求1所述的RF前端(100)，其特征在于，输入匹配电路(2)包括第三输入端和第四输入端，该第三输入端耦合到第一放大器(3)的输出端，该第四输入端耦合到第二放大器(4)的输出端。

3.根据权利要求1或2所述的RF前端(100)，其特征在于，输入匹配电路(1)具有与输出匹配电路(2)相同的结构。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的RF前端(100)，其特征在于，移相器(5)包括延迟线或集总的无源或有源滤波器。

5.根据前述任一项权利要求所述的RF前端(100)，其特征在于，输入匹配电路(1)包括T型滤波器，该T型滤波器包括电感器。

6.根据前述任一项权利要求所述的RF前端(100)，其特征在于，输出匹配电路(2)包括T型滤波器，该T型滤波器包括电感器。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的RF前端(100)，其特征在于，第一放大器(3)和第二放大器(4)是单端或差分放大器。

8.一种发射机，其特征在于，包括信号组合器(200)，该信号组合器(200)耦合到根据前述任一项权利要求所述的RF前端(100)，RF前端(100)被耦合到双模多频带天线(410)。

9.一种接收机，其特征在于，包括双模多频带天线(410)，该双模多频带天线耦合到如权利要求1至7中任一项所述的RF前端(100)，RF前端(100)被耦合到信号分离器(300)。

10.一种通信系统，其特征在于，包括至少一对通信设备，每个该通信设备都包括如权利要求8所述的发射机和/或如权利要求9所述的接收机。

11.一种通信系统，其特征在于，包括发射机(510)，该发射机包括功率组合器，该功率组合器耦合到如权利要求1-7中任一项所述的RF前端(100)，RF前端(100)耦合到双模多频带天线。

12.一种通信系统，其特征在于，包括接收机(515)，该接收机包括双模多频带天线，该双模多频带天线耦合到如权利要求1-7中任一项所述的RF前端(100)，RF前端(100)耦合到信号分离器。

13.一种雷达系统，其特征在于，包括如权利要求10-12任一项所述的通信系统。

14.一种汽车，其特征在于，包括如权利要求13所述的雷达系统。