CN107769800B - 一种多频点太赫兹星间通信接收机 - Google Patents

一种多频点太赫兹星间通信接收机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多频点太赫兹星间通信接收机，包括太赫兹天线，太赫兹天线依次串联一号开关、三号低噪声放大器、一号混频器、二号低噪声放大器、三号混频器、四号混频器和宽带均衡器，一号开关输入端和一号混频器输出端之间并联二号开关，二号开关两端并联依次串联的三号开关、一号低噪声放大器和二号混频器；一号混频器和三号混频器均连接一号本振发生器，二号混频器连接二号本振发生器，四号混频器连接三号本振发生器。本发明能够完成四个频点的信号接收，对中频低噪声放大器、混频器等元件进行复用，通过天线开关矩阵在四个频点间进行切换，保证通信性能，并使得芯片的功耗和面积大幅降低，简化了接收端的架构设计。

Description

一种多频点太赫兹星间通信接收机
技术领域
本发明属于微波工程领域，更具体的说，是涉及一种多频点太赫兹星间通信接收机。
背景技术
射频前端是无线通信系统中最靠近天线的部分，其主要任务是完成功率放大和滤波、调制解调等功能。由于星载通信系统所处环境复杂多变，周围噪声等外界影响因素多，通信传输距离远，信号衰减较大，太赫兹射频前端对灵敏度、增益和线性度等参数指标对接收方案的结构要求较高。
现有的太赫兹接收机只能接收单一频点的信号。2016年Chen Jiang等人设计了一个320GHz接收机，带宽与功耗分别为1kHz与117mW[1]。2010年Ullrich R Pfeiffer提出一种160GHz接收机的设计，功耗为673mW[2]。2013年Hiroyuki Takahashi等人设计了一个带宽为8.4GHz的120GHz接收机[3]。
随着多频段卫星通信网络成为发展的主流趋势，仅支持单一频率接收的电路结构已不能满足应用需求。除了多模式多频点的兼容以外，轻型化、低功耗、高集成度的芯片化设计成为了研究热点。在提高星载通信射频芯片的兼容性和通信系统小型化方面，多频点射频接收机前端尤为重要。
由于目前已有的太赫兹通信系统中，接收机只能接收某个特定频点的信号，多频率的通信需由多个独立的接收电路共同完成。由于无法用单一芯片完成对多个频点信号的接收，大量的元件与模块，例如混频器、锁相环和放大器等，只能通过波导或PCB相互连接，使传输损耗大大增加。如果仅仅依靠各模块的高速接收技术而不考虑到不同模块间的连接和封装技术，会大大限制接收机的高速接收性能。不仅系统的功耗和体积较大，可接收的频段有限，限制系统灵活性，还使传输带宽和传输速率下降，不利于星间通信系统的工程化。
【参考文献】
[1]Chen,J.et al.“A Fully Integrated 320GHz Coherent ImagingTransceiver in 130nm SiGe BiCMOS”.IEEE Journal of Solid-State Circuits,volume51,issue 11,Nov.2016.
[2]Ullrich,R.P.et al.“A SiGe Quadrature Transmitter and ReceiverChipset for Emerging High
Frequency Applications at 160GHz”.Solid-State Circuits ConferenceDigest of Technical Papers(ISSCC).Feb,2010.
[3]Hiroyuki,T.et al.“120GHz-Band Fully Integrated Wireless Link UsingQSPK for Realtime 10Gb/s Transmission”.IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques,volume 61,issue 12,Dec.2013.
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种多频点太赫兹星间通信接收机，电路结构能够完成四个频点的信号接收，对中频低噪声放大器、混频器等元件进行复用，设计公用模块，以达到资源的合理利用，通过天线开关矩阵在四个频点间进行切换，保证通信性能，并使得芯片的功耗和面积大幅降低，简化了接收端的架构设计。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种多频点太赫兹星间通信接收机，包括太赫兹天线，所述太赫兹天线依次串联有一号开关、三号低噪声放大器、一号混频器、二号低噪声放大器、三号混频器、四号混频器和宽带均衡器，所述一号开关输入端和一号混频器输出端之间并联有二号开关，所述二号开关两端并联有沿信号传输方向依次串联的三号开关、一号低噪声放大器和二号混频器；
所述一号混频器和三号混频器均连接一号本振发生器，所述二号混频器连接二号本振发生器，所述四号混频器连接三号本振发生器。
所述一号本振发生器发射209～210GHz的本振信号，所述二号本振发生器发射55/37GHz的本振信号，所述三号本振发生器发射79GHz的本振信号。
太赫兹天线接收340GHz太赫兹信号后，一号开关闭合，340GHz太赫兹信号下变频至130GHz频率，然后经过二号低噪声放大器放大后，再将130GHz的频率下变频到79GHz，最后下变频获得零中频信号。
太赫兹天线接收130GHz太赫兹信号后，二号开关闭合，130GHz太赫兹信号经过二号低噪声放大器放大后，再将130GHz的频率下变频到79GHz，最后下变频获得零中频信号。
太赫兹天线接收185/167GHz太赫兹信号后，三号开关闭合，185/167GHz太赫兹信号经过一号低噪声放大器放大后，再下变频至130GHz频率，然后经过二号低噪声放大器放大后，再将130GHz的频率下变频到79GHz，最后下变频获得零中频信号。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明采用了低噪声放大器与超外差结构，通过对接收到的167/185/340GHz太赫兹信号下变频至130GHz频率下，通过将130GHz的频率下变频到79GHz，并通过最后一次变频获得零中频信号，降低了多频段接收的复杂性，达到在单一芯片上实现130GHz、167GHz、185GHz和340GHz太赫兹信号的接收；
(2)本发明中兼容四个频点的信号接收，从而提高芯片的集成度，同时提升太赫兹通信系统的灵活性，可以应用于星间卫星通信系统中；
(3)本发明采用单芯片加天线开关阵列实现工作在130GHz、167GHz、185GHz与340GHz的多个频点的通信，首次提出了在单一芯片上实现四个频率的接收，复杂度低，且具有很高的集成度与灵活性；
(4)本发明可以抑制镜像频率，噪声性能较好，可提高通信系统整体的灵敏度；本发明抑制了镜像干扰，同时使得该通信系统的接收端具有小型化、轻型化、低功耗、高集成和可重构等优点。
附图说明
图1是传统的超外差接收机框图；
图2是本发明多频点太赫兹星间通信接收机的原理图。
附图标记:THZ太赫兹天线；S1一号开关；S2二号开关；S3三号开关；MIX1一号混频器；MIX2二号混频器；MIX3三号混频器；MIX4四号混频器；LNA1一号低噪声放大器；LNA2二号低噪声放大器；LNA3三号低噪声放大器；A1一号本振发生器；A2二号本振发生器；A3三号本振发生器；XG宽带均衡器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的多频点太赫兹星间通信接收机，采用单一芯片集成的130GHz、167GHz、185GHz和340GHz的接收机来实现对空间中承载高速率数据太赫兹信号的接收。为了提升星间通信系统的接收灵敏度，本发明将具有高灵敏度的低噪声放大器与超外差接收结构进行结合，用单一芯片实现对四个不同频率太赫兹信号的接收。本发明采用了噪声系数低、灵敏度高的超外差式接收机结构，如图1，提高了系统的灵敏度指标。
如图2所示，本发明的多频点太赫兹星间通信接收机，包括太赫兹天线THZ，所述太赫兹天线THZ依次串联有一号开关S1、三号低噪声放大器LNA3、一号混频器MIX1、二号低噪声放大器LNA2、三号混频器MIX3、四号混频器MIX4和宽带均衡器XG，所述一号开关S1输入端和一号混频器MIX1输出端之间并联有二号开关S2，所述二号开关S2两端之间并联有三号开关S3、一号低噪声放大器LNA1和二号混频器MIX2，所述三号开关S3、一号低噪声放大器LNA1和二号混频器MIX2沿信号传输方向依次串联设置。
所述一号混频器MIX1和三号混频器MIX3均与一号本振发生器A1相连接，所述二号混频器MIX2连接二号本振发生器A2，所述四号混频器MIX4连接三号本振发生器A3。所述一号本振发生器A1发射209～210GHz的本振信号，所述二号本振发生器A2发射55/37GHz的本振信号，所述三号本振发生器A3发射79GHz的本振信号。
本发明的工作原理：
若太赫兹天线THZ接收340GHz太赫兹信号，一号开关S1闭合，340GHz太赫兹信号经三号低噪声放大器LNA3放大后，与209～210GHz的本振信号混频，340GHz太赫兹信号下变频至130GHz频率，然后经过130GHz的二号低噪声放大器LNA2实现对信号的高灵敏度的放大，再将130GHz的频率与209～210GHz的本振信号混频，130GHz的频率下变频到79GHz，最后79GH的频率与79GH的本振信号混频，获得零中频信号。
若太赫兹天线THZ接收130GHz太赫兹信号后，二号开关S2闭合，130GHz太赫兹信号经过130GHz的二号低噪声放大器LNA2实现对信号的高灵敏度的放大，再将130GHz的频率与209～210GHz的本振信号混频，130GHz的频率下变频到79GHz，最后79GH的频率与79GH的本振信号混频，获得零中频信号。
若太赫兹天线THZ接收185/167GHz太赫兹信号后，三号开关S3闭合，185/167GHz太赫兹信号经过一号低噪声放大器LNA1放大后，再与55/37GHz的本振信号混频，185/167GHz太赫兹信号下变频至130GHz频率，然后经过130GHz的二号低噪声放大器LNA2实现对信号的高灵敏度的放大，再将130GHz的频率与209～210GHz的本振信号混频，130GHz的频率下变频到79GHz，最后79GH的频率与79GH的本振信号混频，获得零中频信号。其中，在实现185/167GHz下变频至130GHz时，需要提供55GHz/37GHz的本振，拟采用中心频率在45GHz与调谐范围为10GHz的频率综合器进行混频，通过频率综合器中的频率选通器分别提供上述所需求的55GHz和37GHz的本振。
以上三种情况最后获得零中频信号经宽带均衡器XG后，作为基带信号。其中，宽带均衡器XG起到的作用是对信号在信道中传输而产生的损耗进行补偿。在超外差接收机结构中，对于经过混频得到的信号就称作中频信号，这个所谓的“中”是相对于混频之前的较高频率的信号而言的。
本发明选择超外差结构的原因是由于其良好的噪声性能。接收机带宽越宽，进入接收机而不能被滤出的干扰和噪声越多，噪声性能越差。对于多信道接收机而言，接收机接收的无线电信号带宽很宽，如果仅对其进行滤波，则接收机的带宽为多个信道带宽之和。但采用固定中频之后，可以在中频对信号进行滤波，而中频滤波的带宽仅需为单个信道带宽，这样，接收机的带宽即为单个信道的带宽。由于超外差接收机的固定中频减小了接收机的带宽，因此超外差结构的噪声性能较零中频结构更好。此外，此结构可抑制镜像频率，进一步提升了通信系统的灵敏度。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种多频点太赫兹星间通信接收机，包括太赫兹天线(THZ)，其特征在于，所述太赫兹天线(THZ)依次串联有一号开关(S1)、三号低噪声放大器(LNA3)、一号混频器(MIX1)、二号低噪声放大器(LNA2)、三号混频器(MIX3)、四号混频器(MIX4)和宽带均衡器(XG)，所述一号开关(S1)输入端和一号混频器(MIX1)输出端之间并联有二号开关(S2)，所述二号开关(S2)两端并联有沿信号传输方向依次串联的三号开关(S3)、一号低噪声放大器(LNA1)和二号混频器(MIX2)；
所述一号混频器(MIX1)和三号混频器(MIX3)均连接一号本振发生器(A1)，所述二号混频器(MIX2)连接二号本振发生器(A2)，所述四号混频器(MIX4)连接三号本振发生器(A3)；
所述太赫兹天线(THZ)接收340GHz太赫兹信号后，一号开关(S1)闭合，340GHz太赫兹信号下变频至130GHz频率，然后经过二号低噪声放大器(LNA2)放大后，再将130GHz的频率下变频到79GHz，最后下变频获得零中频信号；
所述太赫兹天线(THZ)接收130GHz太赫兹信号后，二号开关(S2)闭合，130GHz太赫兹信号经过二号低噪声放大器(LNA2)放大后，再将130GHz的频率下变频到79GHz，最后下变频获得零中频信号；
所述太赫兹天线(THZ)接收185/167GHz太赫兹信号后，三号开关(S3)闭合，185/167GHz太赫兹信号经过一号低噪声放大器(LNA1)放大后，再下变频至130GHz频率，然后经过二号低噪声放大器(LNA2)放大后，再将130GHz的频率下变频到79GHz，最后下变频获得零中频信号。
2.根据权利要求1所述的多频点太赫兹星间通信接收机，其特征在于，所述一号本振发生器(A1)发射209～210GHz的本振信号，所述二号本振发生器(A2)发射55/37GHz的本振信号，所述三号本振发生器(A3)发射79GHz的本振信号。
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