CN106921347A - 用于移动通信系统的基于自旋振荡器的上变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于移动通信系统的基于自旋振荡器的上变频器。一种上变频器包括：乘法器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端用于接收外部信号输入；自旋振荡器，连接到所述乘法器的第二输入端；以及第一高通滤波器，连接到所述乘法器的输出端，其中，所述自旋振荡器包括具有自旋注入层和设置在所述自旋注入层上的磁进动层的多层膜结构，所述自旋注入层在接收到非自旋极化的电流输入时产生自旋极化的电流输出，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而产生所述振荡信号。
Description
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种基于自旋振荡器的上变频器，其可用于移动通信系统，尤其适合于用在第五代(下面简称为“5G”)移动通信系统中。
背景技术
第四代(下面简称为“4G”)移动通信系统已经在我国得到了广泛的应用，目前5G移动通信技术正是研究的热门，许多厂商和机构投入的大量的资金和人力来开发5G技术。根据移动通信技术的更新规律，预期5G通信技术将会在2020年左右投入商用。
5G通信技术的特点在于容量更大、速度更快。容量的增大导致了对更多频谱资源的需求。预期5G通信除了使用传统技术使用的6GHz以下频谱资源以外，还会使用一些6GHz以上的频谱资源以满足容量需求。
图1示出现有技术的通信模块的示意性电路图。如图1所示，通信模块100包括基带110，基带110可以进行适于用户的语音信号与电信号之间的转换。基带110可连接到收发机120。收发机120可配置为进行数模转换和模数转换。具体而言，收发机120可以将来自基带110的数字信号转换成模拟信号以供后面进行RF发射，或者将从天线接收到的模拟RF信号转换成数字信号并且提供给基带110。收发机120输出的模拟RF信号经上变频器130调制到载波频率，然后经功率放大器(PA)140放大，由双工器150提供到天线160从而被发射。该路径也称为发射路径(Tx)。另一方面，天线160接收到的模拟RF信号经双工器150被提供到接收路径Rx(这里未详细示出)。
上变频器130一般包括用于产生载波频率的本机振荡器，其可以使用LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等。然而，这些振荡器本身产生的频率较低，例如晶体振荡器的输出一般在200MHz以下，需要设计复杂的电路来将频率提升到所期望的载波频率。因此，这些传统的上变频器已经不符合现代通信系统，例如5G通信系统的需要。
发明内容
本发明的一示范性实施例提供一种上变频器，包括：乘法器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端用于接收外部信号输入；自旋振荡器，连接到所述乘法器的第二输入端；以及第一高通滤波器，连接到所述乘法器的输出端，其中，所述自旋振荡器包括具有自旋注入层和设置在所述自旋注入层上的磁进动层的多层膜结构，所述自旋注入层在接收到非自旋极化的电流输入时产生自旋极化的电流输出，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而产生所述振荡信号。
在一些示例中，所述自旋振荡器的多层膜结构还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层。
在一些示例中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成。
在一些示例中，所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi2Se3、Bi2Te3。所述反常霍尔效应材料包括：Fe、Co、Ni，以及它们的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它们的合金。
在一些示例中，所述自旋振荡器还包括设置在所述多层膜结构的输出端的第二高通滤波器。
在一些示例中，所述上变频器还包括：设置在所述自旋振荡器与所述乘法器之间的锁相环；以及设置在所述锁相环与所述乘法器之间的第一功率放大器。
本发明另一示范性实施例提供一种移动通信系统，包括：基带，用于将来自用户的语音信号转换成数字信号；收发机，用于将来自所述基带的数字电信号转换成模拟信号；权利要求1-6中的任一项所述的上变频器，用于将来自所述收发机的模拟信号上变频至射频频率以供发射。
在一些示例中，所述移动通信系统还包括：连接到所述上变频器的第二功率放大器，以用于对所述上变频器输出的信号进行功率放大。
本发明又一示范性实施例提供一种基站，包括：收发机，用于产生供天线发射的发射信号或者对天线接收到的接收信号进行处理；复用器，连接在所述收发机与多个频率通道之间，用于将所述收发机产生的发射信号路由到相应的频率通道，其中，每个频率通道包括权利要求1至6中的任一项所述的上变频器和连接到所述上变频器的天线，所述上变频器用于将来自所述收发机的发射信号上变频至射频频率以供所述天线发射。
在一些示例中，每个频率通道还包括设置在所述上变频器与所述天线之间的功率放大器。
附图说明
图1示出现有技术的通信模块的示意性电路图。
图2示出根据本发明一实施例的自旋振荡器的结构示意图。
图3示出图2的自旋振荡器的操作原理。
图4示出根据本发明一实施例的通信模块的示意性电路图。
图5示出根据本发明另一实施例的通信模块的示意性电路图。
图6示出根据本发明又一实施例的通信模块的示意性电路图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。
图2示出根据本发明一实施例的自旋振荡器200。图3示出自旋振荡器200的操作原理。如图2所示，自旋振荡器200的核心部件是多层膜结构210，其可包括自旋注入层212、间隔层214和磁进动层216。
自旋注入层212由能产生自旋电流的材料产生。众所周知，电子具有自旋属性，例如可分为自旋向上的电子和自旋向下的电子。在普通电流中，自旋向上的电子和自旋向下的电子大约各占一半，因此普通电流是非极化的。当非自旋极化的电流经过自旋注入层212时，其将转变成自旋极化的电流，从而可以将自旋极化的电流注入到将在后面描述的磁进动层216中。这样的自旋注入层212可以由自旋霍尔效应(SHE)材料或反常霍尔效应(AHE)材料形成。自旋霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y、以及它们的组合之类的非磁金属材料；诸如IrMn、PtMn和AuMn之类的反铁磁材料；以及诸如Bi2Se3、Bi2Te3之类的拓扑绝缘体材料等。反常霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Fe、Co、Ni之类的铁磁金属，诸如Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er之类的稀土材料，以及这些铁磁金属和稀土材料的任意组合等。在一些优选实施例中，自旋注入层212可由诸如Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe之类的铁磁金属或合金形成。
在自旋注入层212由磁材料形成的实施例中，优选地，自旋注入层212的磁矩被固定。在一些实施例中，自旋注入层212的磁矩可以采用自钉扎方式而被固定。例如，自旋注入层212本身可以采用具有较大矫顽力的硬磁材料形成。或者，自旋注入层212的磁矩可以采用钉扎结构而被固定。例如，可以在自旋注入层212的与间隔层214相反的一侧形成反铁磁钉扎层来固定自旋注入层212的磁矩。
间隔层214可由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。当自旋注入层212由磁性材料形成时，间隔层214是必要的，其将自旋注入层212与磁进动层216彼此磁去耦。当自旋注入层212由非磁材料形成时，间隔层214是可选的。也就是说，可以在自旋注入层212和磁进动层216之间形成间隔层214，也可以在二者之间不形成任何层，使得自旋注入层212和磁进动层216彼此直接接触。
当间隔层214由非磁导电材料形成时，自旋注入层212中的自旋极化电流可经过间隔层214到达磁进动层216。为了保持自旋极化电流的自旋极化属性，间隔层214的厚度应不超过其自旋扩散长度。可用于形成间隔层214的非磁导电材料的示例包括但不限于Cu、Ru、Ag、Au、Pt、Cr、Al、Zn、Pd、Zr、Ti、Sc等。在一些实施例中，间隔层214优选由自旋扩散长度较长的材料形成，例如但不限于Cu、Ru等。当间隔层214由非磁绝缘材料形成时，自旋注入层212中的自旋极化电流可隧穿经过间隔层214而到达磁进动层216。隧穿电流不会受到非弹性散射，因而可保持其自旋极化属性。可用于形成间隔层214的非磁绝缘材料的示例包括但不限于MgO、Al2O3、AlN、Ta2O5、HfO2等等。
磁进动层216由磁性导电材料形成，其可以具有面内磁化，也可以具有垂直磁化。当来自自旋注入层212的自旋极化电流进入磁进动层216时，如图3所示，其将对磁进动层216的磁矩施加一个自旋转移力矩。如果这个自旋转移力矩不足以使磁进动层216的磁矩发生翻转，则在该自旋转移力矩和矫顽力的作用下，磁进动层216的磁矩将绕原磁化方向产生进动。磁进动层216的进动频率f可以由下面的公式1确定：
其中γ是回磁比，H是外磁场，Han是磁晶各向异性场，Hd是退磁场，Meff是有效饱和磁化强度。由于多层膜结构210的电阻大体上与磁进动层216的磁化方向角度的余弦成比例，因此，随着磁进动层216的磁矩的进动，多层膜结构210的电阻也将发生振荡变化。特别地，当磁进动层216的磁矩进动半圈，即180度时，多层膜结构210的电阻就变化一个周期。所以，多层膜结构210输出的振荡信号的频率是磁进动层216的磁矩进动频率的2倍。
返回参照图2，如上所述，当向多层膜结构210施加一个直流电流Idc时，其将在输出端子OUT上输出一个高频振荡信号。在输出端子OUT与多层膜结构210之间还可以连接有一个高通滤波器220，例如其可以是电容器滤波器，以滤除输出信号的直流成分，而输出交流成分。
根据上面的公式1，多层膜结构210的输出频率可因磁进动层216的材料而有所不同。一般而言，当磁进动层216由软磁材料形成时，多层膜结构210的输出频率可以容易地达到1GHz以上，甚至能达到数十GHz的水平。当磁进动层216由硬磁材料形成时，由于硬磁材料比软磁材料具有更大的磁晶各向异性场，因此能容易地实现10GHz以上的输出频率，甚至能输出高达50GHz频率的信号。也就是说，多层膜结构210可以直接产生微波频率水平的振荡信号输出，远远高于常规的晶体振荡器的输出频率。
因此，本发明将参照图2和3描述的自旋振荡器应用于移动通信系统的上变频器中，图4示出这样的实施例。具体而言，图4示出根据本发明一实施例的通信模块300的示意性电路图。在图4所示的通信模块300中，与图1所示的通信模块100相同的部件用相同的附图标记指示，此处不再对其重复描述。
参照图4，本发明的通信模块300与图1所示的常规通信模块100相比，用上变频器310代替了常规的上变频器130。上变频器310包括乘法器312、滤波器314和自旋振荡器316。乘法器312的一个输入端接收来自收发机120的中频信号，例如对于GSM通信而言，其大约为70MHz左右。乘法器312的另一个输入端可接收来自自旋振荡器316的射频(RF)信号，自旋振荡器316可以是上面参照图2和3描述的自旋振荡器中的任意一种。来自收发机120的信号可表示为V1cosω1t，来自自旋振荡器316的信号可表示为V2cosω2t，则乘法器312的输出可表示为V1V2[cos(ω1+ω2)t+cos(ω1-ω2)t]/2，其中(ω1+ω2)项一般称为和频项，其为高频项，(ω1-ω2)项一般称为差频项，其为低频项。
乘法器312的输出端连接到滤波器314，其一般为高通滤波器。因此，滤波器314可以将乘法器312的输出中的低频项滤除，而使高频项通过。进而，该高频信号在由功率放大器140放大之后，经由双工器150送至天线160而被发射。
在本实施例中，由于采用了自旋振荡器316，其可以直接产生较高频率的信号，例如6GHz以上的信号，因此与采用常规振荡器例如晶体振荡器作为本机振荡器的上变频器而言，可以省略复杂的频率提升电路，而以更简单的电路实现适用于5G通信的载频信号。另一方面，本发明的自旋振荡器316可制作得非常小，其平面尺寸可以在微米的量级，其中每个层的厚度可以在纳米的量级，因此其体积远小于例如常规的晶体振荡器。因此，本发明的上变频器可以实现进一步的小型化，利于集成在大规模集成电路或芯片中。
图5示出根据本发明另一实施例的通信模块400的电路图。在图5所示的通信模块400中，与图4所示的通信模块300相同的部件用相同的附图标记指示，此处将省略对其的重复描述。
如图5所示，通信模块400中的上变频器410还包括设置在自旋振荡器316与乘法器312之间的锁相环412和功率放大器414。自旋振荡器316的输出信号在频域上可能具有一定的频率范围，在经锁相环412后，可以锁定到预定频率，从而去除不期望的频率，提高信号的信噪比。另一方面，虽然自旋振荡器316可以直接实现较高的频率输出，但是其输出信号的功率一般比较小，在微瓦和毫瓦量级之间。因此在一优选实施例中，还可以在锁相环412与乘法器312之间设置功率放大器414来实现合适的功率输出。
5G通信的一个重要关键技术是大规模MIMO，其基本特征在于：在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线，较4G系统中的4或8根天线数增加一个量级以上，这些天线以大规模阵列的方式集中放置。这样可带来的好处是：首先，基站覆盖范围内的多个用户可在同一时频资源上与基站同时进行通信，充分利用大规模天线配置带来的空间自由度，提升频谱效率；其次，利用大规模天线带来的分集增益和阵列增益，还可提升用户与基站通信的功率效率。图6示出本发明的上变频器在大规模MIMO系统中的应用。
如图6所示，通信模块500包括收发机120，其可产生用于发射的信号，并且将该信号提供给复用器510。复用器510例如可以包括开关网络，其将来自收发机120的电信号路由到适当的频率通道，每个频率通道适用于相应的预定频率，并且任意两个频率通道的预定频率可以相同，也可以不同。虽然图6示意性示出了三个频率通道，但是通信模块500可包括更少或更多频率通道，例如两个至上百个频率通道。
继续参照图6，每个频率通道可包括上变频器520，其可以是前面描述的包括自旋振荡器的上变频器中的任意一种。上变频器520将来自收发机120的中频信号上变频为可用于发射的射频信号。在上变频器520之后，每个频率通道还可包括功率放大器140，其对射频信号进行功率放大，然后射频信号通过天线160来发射。
可以理解的是，上面描述的通信模块可用于移动通信系统中的移动终端(例如手机)侧，也可以用于固定终端(例如基站)一侧。本发明的范围涵盖应用了上述上变频器的这些手机和基站等。
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于这些特定实施例。本领域技术人员在阅读了本公开之后将会容易地意识到，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物来定义。
Claims (10)
1.一种上变频器，包括：
乘法器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端用于接收外部信号输入；
自旋振荡器，连接到所述乘法器的第二输入端；以及
第一高通滤波器，连接到所述乘法器的输出端，
其中，所述自旋振荡器包括具有自旋注入层和设置在所述自旋注入层上的磁进动层的多层膜结构，所述自旋注入层在接收到非自旋极化的电流输入时产生自旋极化的电流输出，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而产生所述振荡信号。
2.如权利要求1所述的上变频器，其中，所述自旋振荡器的多层膜结构还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层。
3.如权利要求1所述的上变频器，其中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成。
4.如权利要求3所述的上变频器，其中，所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi2Se3、Bi2Te3，且
其中，所述反常霍尔效应材料包括：Fe、Co、Ni，以及它们的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它们的合金。
5.如权利要求1所述的上变频器，其中，所述自旋振荡器还包括设置在所述多层膜结构的输出端的第二高通滤波器。
6.如权利要求1所述的上变频器，还包括：
设置在所述自旋振荡器与所述乘法器之间的锁相环；以及
设置在所述锁相环与所述乘法器之间的第一功率放大器。
7.一种移动通信系统，包括：
基带，用于将来自用户的语音信号转换成数字信号；
收发机，用于将来自所述基带的数字电信号转换成模拟信号；
权利要求1-6中的任一项所述的上变频器，用于将来自所述收发机的模拟信号上变频至射频频率以供发射。
8.如权利要求7所述的移动通信系统，还包括：
连接到所述上变频器的第二功率放大器，以用于对所述上变频器输出的信号进行功率放大。
9.一种基站，包括：
收发机，用于产生供天线发射的发射信号或者对天线接收到的接收信号进行处理；
复用器，连接在所述收发机与多个频率通道之间，用于将所述收发机产生的发射信号路由到相应的频率通道，
其中，每个频率通道包括权利要求1至6中的任一项所述的上变频器和连接到所述上变频器的天线，所述上变频器用于将来自所述收发机的发射信号上变频至射频频率以供所述天线发射。
10.如权利要求9所述的基站，其中，每个频率通道还包括设置在所述上变频器与所述天线之间的功率放大器。
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