CN107251505A - 用于双频带微波/毫米波收发器的单本地振荡器架构 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于双频带收发器的系统，所述双频带收发器重用低频发送器，以驱动用于高频电路的本地振荡器(LO)。消除了对要求使用高频和高功率的LO阵列的需求。低频带的输出被修改为用作高频带收发器的LO驱动。使用载波恢复环路，系统可操作以同时在两个频带中操作。所得技术方案消除了mmW双频带系统的高频带所用的高性能LO电路的设计。这显著降低了系统的总体复杂度。此外，本发明的架构降低了实现双频带电路的设计复杂度和总体成本。

Description

用于双频带微波/毫米波收发器的单本地振荡器架构
相关申请
本专利申请要求获得于2015年3月20日提交的申请号为14/664,568、名称为“用于双频带微波/毫米波收发器的单本地振荡器架构”的美国专利申请的优先权，所述申请通过引用如同全文再现并入本申请。
技术领域
本发明的实施例总体上涉及无线收发器领域。更具体地，本发明的实施例涉及双频带微波/毫米波(mmW)收发器。
背景技术
在双频带系统中，例如包括通常在27.5和31.3GHz之间操作的本地多点分配业务(LMDS)和通常在71和86GHz之间工作的E频带模式的系统，通信范围受限于高频带(例如，E频带)的线性度(例如，发射功率)。这是因为在高频下难以提供足够的线性功率，并且路径损耗相对较高。此外，本地振荡器(LO)频率也高，并且需要高LO功率来驱动E频带混频器。结果就是，LO阵列(lineup)设计类似于实现另一个高功率/频率发送器，这是非常昂贵的。
与LO阵列设计相反的是，与高mmW频带，例如E频带相比，相对容易获得高功率以用于在LMDS频带(27.5-31.3GHz)中操作的设备。被称为“滑动LO”架构的在先手段具有若干缺点，包括成像问题、频率选择受限、涉及复杂的频率规划、并且需要高功率的LO驱动。
在双频带微波/毫米波(mmW)收发器设计中，本地振荡器(LO)之所以设计困难，是因为LO频率与mmW载波频率有关。因此，驱动mmW混频器所需的功率非常高。
发明内容
本公开描述了双频带收发器设计的实施例，其将低频发送器重用于高频电路中的本地振荡器(LO)。如此可以消除要求高频和高功率的LO阵列。本发明的实施例利用较低频带输出，并修改所述输出，以有利地重用作较高频带收发器的LO驱动。使用载波恢复环路，系统可以同时在两个频带中操作。如此减少了双频带系统的功率要求，而不显著增加系统的总体复杂性。此外，所提出的新颖架构潜在地降低了实现双频带电路和系统的设计复杂度和总体成本。
根据一些实施例，公开了一种双频带发送器，其具有产生调制信号(modulatedsignal)和连续波(CW)子载波的基带电路，以及第一发送器电路。所述第一发送器电路具有第一混频器，所述第一混频器耦合到基带电路，并由本地振荡器驱动，以将所述CW子载波或调制信号上变频转换，以及耦合到所述第一混频器的第一放大器，以及具有第一极点和第二极点的开关，其中所述第一放大器放大所述调制信号以产生放大的第一信号，并且所述第一极耦合到天线以发送所述放大的第一信号。所述双频带发送器还具有第二发送器电路，所述第二发送器电路具有耦合到所述开关的第二极的无源倍频器；本地振荡滤波器，耦合到无源倍频器以滤除杂散发射；第二混频器，耦合到所述基带和所述本地振荡滤波器，以将所述调制信号上变频转换；以及第二放大器，耦合到所述第二混频器，以放大所述调制信号以产生放大的第二信号。由天线发送所述放大的调制的信号。
根据另一种方式，公开了一种双频带接收器，具有产生连续波(CW)子载波的基带系统；以及第一接收器电路，所述第一接收器电路具有由本地振荡器驱动以对所述CW子载波进行上变频转换的第一混频器，其中所述第一混频器耦合到所述基带系统和具有第一极点和第二极点的开关；以及耦合到天线和所述开关的第一极的第一放大器，其中所述第一放大器放大所述天线接收到的信号。所述双频带接收器还具有第二接收器电路，所述第二接收器电路具有第二放大器，所述第二放大器耦合到所述开关的第二极，以将上变频转换后的所述CW子载波放大；无源倍频器，耦合到所述第二放大器；本地振荡滤波器，耦合到所述无源倍频器以滤除杂散发射；第二混频器，耦合到所述基带和所述本地振荡滤波器，以对所述接收到的信号进行下变频转换；以及第三放大器，耦合到第三混频器及所述天线，以放大由所述天线接收到的信号。
根据另一种方式，公开了一种双向双频带收发器，其具有产生调制信号和连续波(CW)子载波的基带电路；以及第一收发器电路，具有第一混频器，所述第一混频器耦合到基带，并由本地振荡器驱动，以将所述信号上变频转换或下变频转换；以及第一放大模块，具有第一放大器和第二放大器，其中使用第一开关将所述第一放大器选择性地耦合到所述第一混频器和天线，并且其中使用第二开关将所述第二放大器选择性地耦合到所述第一混频器和所述天线。所述双向双频带收发器还具有第二收发器电路，所述第二收发器电路具有耦合到基带电路以对调制信号进行下变频转换或上变频转换的第二混频器；第三开关，用于选择性地耦合所述放大模块和所述第二混频器；以及第二放大模块，包括第三放大器和第四放大器。使用第四开关将所述第三放大器选择性地耦合到所述第二混频器和所述天线，并且使用第二开关将所述第四放大器选择性地耦合到所述第二混频器和所述天线。
附图说明
包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明一起，用于解释本发明的原理：
图1A示出了根据本发明实施例的包括双频带收发器的示例性无线网络的框图。
图1B示出了根据本发明实施例的示例性双频带发送器设计的框图。
图1C描绘了如图1B所示的实施例的示例性频率规划的频率/频谱图。
图2A示出了根据本发明的实施例的示例性接收器阵列设计的框图。
图2B描绘了图2A所示实施例的示例性频率规划的频率/频谱图。
图3A示出了根据本发明实施例的示例性双向收发器设计的框图。
图3B描绘了图3A所示实施例的示例性频率规划的频率/频谱图。
图4A示出了根据本发明实施例的示例性E/V频带双频带双向收发器系统的框图。
图4B描绘了图4A所示实施例的示例性频率规划的频率/频谱图。
图5A示出了根据本发明的实施例的用于同时进行LMDS和E频带操作的示例性双频带收发器电路的框图。
图5B描绘了涉及如图5A所示各种实施例的示例性频率规划的频率/频谱图。
具体实施方式
现在将详细参考几个实施例。虽然将结合另选实施例来描述主题，但要理解的是，其意旨不在于将所要求保护的主题限于这些实施例。相反，所要求保护的主题旨在覆盖可以包括另选、修改和等同替换等包括在所附权利要求限定的所要求保护的主题的精神和范围之内。
此外，在以下详细描述中列出了许多具体细节，以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员应当认识到，即便没有这些具体细节，或通过等同替换，仍可实施各实施例。在其他情况下，公知的方法、过程、组件和电路未做详细描述，以免不必要地妨碍对主题各个方面和特征的理解。
根据一些实施例，公开了具有双频带收发器的系统，所述双频带收发器能够重用低频发送器以驱动本地振荡器(LO)用于高频电路。根据本发明的实施例，消除了需要高频和高功率驱动的LO阵列，并且将较低频带输出修改为重用作较高频带收发器的LO驱动。根据一些实施例，实现了其他元件(例如，载波恢复环路、定向耦合器和开关)，从而系统可以同时在两个频带中操作。这有益地降低了双频带系统的功率要求，而不会显著增加总体复杂度。此外，本发明的实施例潜在地降低了实现双频带电路的设计复杂性和总体成本。
关于图1A，根据本发明的实施例描绘了用于服务多个用户设备(UE)(例如，UE1-UE6)的示例性无线网络100。TP1包括双频带、单LO mmW收发器，同时在E频带和本地多点分配业务(LMDS)模式下操作，用于生成E频带和LMDS信号。虚线表示可以由所述收发器服务的覆盖区域。白色箭头表示E频带信号，黑色箭头表示LMDS信号。UE2、UE4和UE5均接收E频带信号，UE3和UE6接收LMDS信号。一些UE(例如，UE1)可以同时接收E频带和LMDS信号，或者根据网络条件在这两者之间来回轮换。
关于图1B，根据本发明的实施例描绘了示例性单模发送器设计100B。根据图示实施例，发送器100B同一时间内在单个频带(例如，LMDS或E频带)上操作(例如，发送)。基带电路101产生调制信号和连续波(CW)信号。在LMDS频带操作过程中，在基带电路101中产生调制信号，该信号由本地振荡器103驱动的LMDS频带混频器102直接上变频转换，再由LMDS功率放大器(PA)104放大，然后传递到天线，以通过开关105进行发送。开关105可以是任何合适的开关，并且可以是双刀单掷开关，例如图1B所示。基于当前系统要求，开关105将发送器选择性地耦合(例如，来回切换)到天线进行LMDS操作或E频带操作。这些要求可能随时间而改变，使得开关切换到适当的操作模式。根据一些实施例，开关接收控制信号，使得开关在各模式之间选择性地切换。
在E频带操作过程中，在基带电路101处生成CW子载波(tone)，并且通过LMDS频带电路将其上变频转换到LMDS频带。LMDS功率放大器104的输出用于驱动无源倍频器106和E频带混频器108。无源倍频器106可以是例如3倍的倍频器。LO带通滤波器107耦合在E频带混频器108和倍频器106之间，用于滤除由LMDS频带电路和/或无源倍频器106产生的不需要的杂散发射。在E频带操作过程中，E频带混频器108将E频带基带信号上变频转换，上变频转换后的信号由E频带功率放大器109放大，再由天线发送。这样，有益地使用较低频发送器(例如，LMDS发送器)的输出来驱动高频电路(例如，E频带发送器)的混频器(例如，E频带混频器108)的LO。开关105用于在LMDS和E频带操作之间切换。
关于图1C，频率/频谱图描述了图1B中所示的发送器实施例的示例性频率规划100C。根据一个实施例，E频带频谱150具有在71GHz和76GHz之间的下频带和在81GHz和86GHz之间的上频带。28GHz LMDS频带具有1.15GHz块A 160和0.15GHz块B 170，其中块A160具有在27.5和28.35GHz之间、29.1和29.25GHz之间以及31.075和31.225GHz之间的值。块B 170具有在31.075和31.225之间的值。
关于图2A，根据本发明的实施例，描绘出了示例性接收器设计200。接收器200类似于示例性发送器100B(参见图1B)。根据图示实施例，接收器200同一时间在单个频带(例如，LMDS频带或E频带)上操作(例如，接收)。LO 203直接将LMDS频带混频器202下变频转换。在LMDS操作过程中，LMDS低噪声放大器(LNA)210将接收信号放大。在E频带操作过程中，CW由基带电路201生成，经LMDS频带混频器202进行上变频转换，再通过LMDS放大器209放大，用于驱动无源3x倍频器206，并且由LO滤波器207滤波，以驱动E频带下变频转换器208。
有益地使用了较低频接收器(例如，LMDS接收器)来驱动高频电路(例如，E频带接收器)的LO。E频带LNA 204将接收信号放大。开关205用于在LMDS和E频带操作之间切换。如上所述，开关205可以是双刀单掷，如图2A所示。
关于图2B，频率/频谱图描绘了图2A中所示实施例的示例性频率规划200B。根据一些实施例，E频带频谱250具有在71GHz和76GHz之间的较低频带和在81GHz和86GHz之间的上频带。28GHz LMDS频带具有27GHz块A 260和0.15GHz块B 270，其中块A 260具有在27.5和28.35GHz之间、29.1和29.25GHz以及31.075和31.225GHz之间的值。块B 270具有在31.075和31.225之间的值。
关于图3A，根据本发明的一个实施例，描绘了示例性双向收发器设计300。对于E频带操作，使用双刀双掷开关320在发送和接收操作之间切换。CW由基带电路301产生，由LO303驱动的LMDS频带混频器302进行上变频转换，由无源3x倍频器306进行倍频，并由LO滤波器307滤波，以驱动E频带混频器(例如下变频转换器)308。
有益地使用了较低频率(例如，LMDS)来驱动高频电路(例如，E频带)的LO。开关321可以是单掷开关，并且用于在E频带和LMDS操作模式之间切换。在发送操作过程中，E频带功率放大器310将信号放大，以通过双频带天线(未示出)发送。当在接收模式下操作时，E频带低噪声放大器304将从双频带天线接收的信号放大，并且LO生成与发送操作中的LO生成是相同的。对于LMDS频带操作，使用开关320在发送和接收以及LO生成(用于E频带)操作之间切换。开关320可以是双刀双掷开关。在发送操作过程中，LMDS频带功率放大器313将信号放大，以通过双频带天线(未示出)发送。
当在接收模式下操作时，LMDS频带低噪声放大器312将从双频带天线接收的信号放大。放大器和耦合到其上的开关可以合称为放大模块。
关于图3B，频率/频谱图描绘了图3A中所示实施例的示例性频率规划300B。根据一个实施例，E频带频谱350具有在71GHz和76GHz之间的较低频带和在81GHz和86GHz之间的上频带。28GHz LMDS频带具有27GHz块A 360和0.15GHz块B 370，其中块A 360具有在27.5和28.35GHz之间、29.1和29.25GHz之间以及31.075和31.225GHz之间的值。块B 370具有在31.075和31.225之间的值。
关于图4A，根据本发明的实施例，描绘了示例性E频带和V频带双频带系统400。图示双频带系统400允许用V频带输出来驱动E频带混频器409。根据一个实施例，E频带是超外差架构。使用中频LO 407来驱动中间E频带混频器408，以将E频带信号上变频转换和/或下变频转换。RF LO为或约为61GHz，E频带基带被转换为12.5和22.5GHz之间的值。在V频带操作中，可以使用双向连接(dicon)架构。开关421用于在E频带和V频带/LO生成之间切换，并且开关420用于在发送和接收模式之间切换。在接收模式下，E频带低噪声放大器(LNA)411放大接收信号，并且在发送模式下，E频带放大器410放大要发送的信号。这样，有益地使用了较低频收发器(例如，V频带收发器)来驱动高频电路(例如，E频带收发器)的LO。在V频带操作过程中，在基带电路401中产生调制信号，并且由本地振荡器403驱动的分谐波泵混频器402进行上变频转换。V频带LNA 405在接收模式下放大接收信号，并且V频带放大器404在发送模式下放大用于传输的信号。
关于图4B，频率/频谱图描绘了图4A中所示实施例的示例性频率规划400B。根据一个实施例，E频带频谱具有在71GHz和76GHz之间的下频带440和在81GHz和86GHz之间的上频带450。V频带460具有在57GHz和66GHz之间的值。
关于图5A，公开了用于同时进行LMDS和E频带生成的示例性双模式电路500。图5A所示实施例类似于图3A所示实施例，但添加了定向耦合器506和载波恢复环路507，用于在LMDS操作过程中将调制的LMDS信号还原成载波CW信号。在E频带操作过程中，CW由基带电路501产生，由LO 503驱动的LMDS频带混频器502进行上变频转换，再由无源3x倍频器508进行倍频，并由LO滤波器509滤波，以驱动E频带混频器(例如下变频转换器)510。
在接收模式中，LMDS频带混频器513用于生成单独的CW子载波作为用于E频带下变频转换的LO，并且可以通过开关521连接。这样，有益地使用较低频发送器来驱动高频电路的LO。
根据一个实施例，定向耦合器506将传输线路介质中一定量的电磁信号功率耦合到使得信号能够在另一个电路中使用的端口。定向耦合器仅按一个方向耦合功率流。进入输入端口的功率可以耦合到耦合端口，而不耦合到隔离端口。功率在输出端口退出(exit)，且进入输出端口的能量耦合到隔离端口，而不耦合到耦合端口。功率也在输入端口退出。
仍然关于图5A，在发送操作过程中，E频带功率放大器512将用于通过双频带天线(未示出)传输的信号进行放大。当在接收模式下操作时，E频带低噪声放大器511将从双频带天线接收的信号放大。对于LMDS频带操作，开关520可以是双刀双掷开关，用于在发送和接收操作以及(用于E频带的)LO生成之间切换。在发送操作过程中，LMDS频带功率放大器505将信号放大，以通过双频带天线(未示出)传输。当在接收模式下操作时，LMDS频带低噪声放大器504放大从双频带天线接收的信号。所述放大器和耦合到其中的开关可以合称为放大模块。
关于图5B，频率/频谱图描绘了图5A中所示实施例的示例性频率规划500B。根据一些实施例，E频带频谱具有在71GHz和76GHz之间的下频带540和在81GHz和86GHz之间的上频带550。根据一个实施例，28GHz LMDS频带具有27GHz块A 560和0.15GHz块B 570，其中块A560具有在27.5和28.35GHz之间、29.1和29.25GHz之间以及31.075和31.225GHz之间的值。块B 570具有在31.075和31.225之间的值。
至此，描述了本发明的实施例。虽然已经在特定实施例中描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不应被解释为受这些实施例的限制，而是根据所附权利要求来进行解读。

Claims (19)

1.一种双频带发送器，包括：
基带电路，可操作以生成调制信号和连续波CW子载波；
第一发送器电路，包括第一混频器，所述第一混频器耦合到所述基带电路，并由本地振荡器驱动，以对所述CW子载波和所述调制信号进行上变频转换；
第二发送器电路，包括第二混频器，所述第二混频器耦合到天线和所述基带电路，并且可操作以对所述调制信号进行上变频转换；以及
开关，耦合到所述第一发送器电路，其中所述开关选择性地将所述第一发送器电路耦合到所述天线以在低频模式下操作，以及选择性地将所述第一发送器电路耦合到所述第二混频器以在高频模式下操作，其中所述上变频转换后的CW子载波信号可操作以驱动所述第二混频器。
2.根据权利要求1所述的双频带发送器，其中所述第一发送器电路还包括第一放大器，所述第一放大器耦合到所述第一混频器，并可操作以放大所述上变频转换后的调制信号以生成放大的第一信号，所述第二发送器电路还包括：
第二放大器，其耦合到所述第二混频器，并可操作以放大所述上变频转换后的调制信号以生成放大的第二信号；
无源倍频器，其耦合到所述开关；以及
本地振荡滤波器，其耦合到所述无源倍频器和所述第二混频器，并可操作以滤除杂散发射，并且
其中所述放大的第一和第二信号还可操作以由所述天线发送。
3.根据权利要求2所述的双频带发送器，其中所述无源倍频器可操作以生成毫米波mmW输出频率。
4.根据权利要求2所述的双频带接收器，其中所述第一发送器电路是LMDS接收器电路，所述第一混频器是LMDS频带混频器，所述第二发送器电路是E频带接收器电路，并且所述第二混频器是E频带混频器。
5.一种双频带接收器，包括：
基带电路，可操作以生成连续波CW子载波；
第一接收器电路，包括第一混频器，所述第一混频器耦合到所述基带电路，并由本机振荡器驱动，以对所述CW子载波进行上变频转换；
第二接收器电路，包括第二混频器，其耦合到所述基带电路和天线，并可操作以将所述CW子载波下变频转换；以及
开关，耦合到所述第一混频器，并包括第一极和第二极，其中连接到所述第一极的所述开关将所述第一接收器电路耦合到所述天线以在低频模式下操作，并且连接到所述第二极的所述开关将所述第一接收器电路耦合到所述第二混频器以在高频模式下操作，在所述高频模式下，所述CW子载波可操作以驱动所述第二混频器。
6.根据权利要求5所述的双频带接收器，其中所述第一接收器电路还包括第一放大器，所述第一放大器耦合到天线，并可操作以放大所述天线接收到的信号，并且所述第二接收器电路还包括：
第二放大器，耦合到所述开关，且可操作以放大上变频转换后的所述CW子载波；
第三放大器，耦合到所述第二混频器和所述天线，且可操作以放大所述天线接收到的信号；以及
无源倍频器，耦合到所述第二放大器和本地振荡滤波器，并且
其中所述本地振荡器滤波器还耦合到所述第二混频器，且可操作以滤除杂散发射。
7.根据权利要求6所述的双频带接收器，其中所述天线包括双频带天线。
8.根据权利要求6所述的双频带接收器，其中所述第一接收器电路包括LMDS接收器电路，所述第一混频器是LMDS频带混频器，所述第二接收器电路是E频带接收器电路，并且所述第二混频器是E频带混频器。
9.根据权利要求6所述的双频带接收器，其中所述第一放大器是低噪声放大器，所述第二放大器是功率放大器，并且所述第三放大器是低噪声放大器。
10.一种双向双频带收发器，包括：
基带电路，产生调制信号和连续波CW子载波；
第一收发器电路，包括：
第一混频器，耦合到所述基带电路，且由本机振荡器驱动，以将信号选择性地上变频转换和下变频转换；以及
第一放大模块，包括第一放大器和第二放大器，其中使用第一开关将所述第一放大器选择性地耦合到所述第一混频器和天线，并且使用第二开关将所述第二放大器选择性地耦合到所述第一混频器和所述天线；以及
第二收发器电路，包括：
第二混频器，耦合到所述基带电路，且可操作以将所述调制信号选择性地下变频转换和上变频转换；
第三开关，选择性地耦合所述放大模块和所述第二混频器；以及
第二放大模块，包括第三放大器和第四放大器，其中使用第四开关将所述第三放大器选择性地耦合到所述第二混频器和所述天线，并且使用第二开关将所述第四放大器选择性地耦合到所述第二混频器和所述天线。
11.根据权利要求10所述的收发器，其中所述第一、第二、第四和第五开关是双刀双掷开关，并且所述第三开关是单掷开关。
12.根据权利要求10所述的收发器，还包括无源倍频器，其耦合在所述第三开关和本地振荡滤波器之间，其中所述本地振荡器滤波器耦合到所述无源倍频器和所述第二混频器，且可操作以驱动所述第二混频器，并且其中所述第三开关断开引起在第一频带模式下操作，并且所述第三开关闭合引起在第二频带模式下操作，在所述第二频带模式下，所述第一放大器生成的信号用于驱动所述第二混频器。
13.根据权利要求12所述的收发器，其中所述第一、第二、第四和第五开关被选择性地切换，引起选择性的接收模式和发送模式操作。
14.根据权利要求10所述的收发器，还包括中频本地振荡器，其可操作以驱动第三混频器，其中所述第三混频器耦合在所述基带电路和所述第二混频器之间，且可操作以将所述基带电路输出上变频或下变频转换到12.5和22.5GHz之间的中间频率，并且其中进一步的，所述第一收发器电路是V频带电路，并且所述第一混频器是V频带混频器。
15.根据权利要求14所述的收发器，其中所述第三开关断开引起在第一频带模式中操作，并且所述第三开关闭合引起在第二频带模式中操作，在所述第二频带模式下，第一放大器生成的信号可操作以驱动所述第二混频器。
16.根据权利要求12所述的收发器，还包括定向耦合器，其耦合到载波恢复环路，所述载波恢复环路耦合在所述第一放大模块和所述无源倍频器之间，其中所述定向耦合器和所述载波恢复环路可操作以在所述第二模式下操作时，将经调制的LMDS信号恢复为载波CW信号。
17.根据权利要求16所述的收发器，还包括第三混频器，其耦合到所述基带电路和第四开关，其中所述第四开关将所述第一放大模块选择性地耦合到所述第一混频器和所述第三混频器中的一个。
18.根据权利要求17所述的收发器，其中所述第三混频器可在接收模式中操作以生成用于将本地振荡器下变频转换的CW子载波。
19.根据权利要求18所述的收发器，其中所述第一或第四开关闭合导致引起在发送模式中操作，并且所述第二或第五开关闭合导致引起在接收模式中操作。
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