CN109039364B - 基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，包括功分器和缓冲器，缓冲器两路输出端口分别连接发射端功率放大器和接收端功率放大器，发射端功率放大器控制端口连接一号开关，发射端功率放大器输出端口连接无源结构环形鼠笼式耦合器，无源结构环形鼠笼式耦合器连接天线；接收端功率放大器控制端口连接二号开关，接收端功率放大器输出端口连接混频器，混频器与无源结构环形鼠笼式耦合器连接。本发明利用开关控制来实现三种不同模式(发射、接收和收发)以适用不同应用场景的收发机的架构不仅可以在一次加工的基础上实现每个链路的性能测试和估算，缩短设计周期，同时还能满足不同的收发应用需求。

Description

基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构
技术领域
本发明属于微波工程领域，更具体的说，是涉及一种基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构。
背景技术
随着高速率产品(通信、成像、汽车雷达等)需求的增长和太赫兹技术的发展，具有低成本的高效高速率的收发机芯片成为未来的一大趋势。光通信可以实现很高的速率，但是其应用成本很高，无法满足日益增长的产品需求。为了同时实现低成本和高速率的需求，基于半导体工艺的太赫兹收发机芯片在未来的产品应用上的优势越来越明显。
在基于半导体工艺的太赫兹收发机芯片应用上来说，不同的场景对收发机的要求不同。在通信领域，大多需要一收一发，因此目前的通信芯片前端采用单刀双掷或者是天线开关，在测试过程中，根据收发机的工作需求不同，将收发机的配置改为接收或者发射的状态。在主动式成像雷达或者手势识别领域，需要收发机既可以发射又可以接收和处理反射回来的信号，所以这类芯片支持同时进行发射和接收信号。
在基于半导体工艺实现太赫兹收发机的过程中，因为工艺特性和太赫兹频率的特点，在设计的过程中面临着很多的问题，比如：趋肤效应、互联线、寄生参数、传输损耗大等。因此在设计基于半导体工艺的太赫兹芯片时，难度非常大，加之收发机的模块较多，在设计的过程需要进行一步步的验证，并且在测试的过程中需要对每个链路的性能进行正确的评估，若出现问题需要快速对有问题的模块进行定位。这就要求收发机不仅具有收发的功能，还需要收发机的发射和接收能够单独进行工作，从而满足测试的需求，降低测试的成本，并且可以避免因为无法单独对发射或者接收进行测试导致的再次加工的情况。
综上所述，为了降低测试的时间成本和加工成本，就必须提出一种新型的既能满足应用场景的需求又能满足测试需求的基于半导体工艺的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种适用于多种应用场景的多模工作方式切换的收发机架构，即一种基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，在基于单天线的收发机的基础上，首次提出利用开关控制来实现三种不同模式(发射、接收和收发)以适用不同应用场景的收发机的架构，利用架构优势，不仅可以在一次加工的基础上实现每个链路的性能测试和估算，缩短设计周期，同时还能满足不同的收发应用需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，包括相互连接的功分器和缓冲器，所述缓冲器的两路输出端口分别连接有发射端功率放大器和接收端功率放大器，所述发射端功率放大器的控制端口连接有一号开关，所述发射端功率放大器的输出端口连接有无源结构环形鼠笼式耦合器，所述无源结构环形鼠笼式耦合器连接有天线；所述接收端功率放大器的控制端口连接有二号开关，所述接收端功率放大器的输出端口连接有混频器，所述混频器与无源结构环形鼠笼式耦合器连接。
所述无源结构环形鼠笼式耦合器的输入端口与发射端功率放大器的输出端口连接，所述无源结构环形鼠笼式耦合器的天线端口与天线连接，所述无源结构环形鼠笼式耦合器的隔离端口经电阻接地，所述无源结构环形鼠笼式耦合器的耦合端口与混频器的射频输入口连接，所述混频器的本振输入端口与接收端功率放大器的输出端口连接。
所述一号开关和二号开关均采用CMOS晶体管。
当一号开关、二号开关均处于“开”的状态，收发机工作在收发模式，收发机既能通过发射链路进行信号的发射，同时能够通过接收链路实现信号的接收；当一号开关处于“开”的状态，二号开关处于“关”的状态，收发机工作在发射模式，只有发射链路进行工作，收发机为外部提供信号源；当一号开关处于“关”的状态，二号开关处于“开”的状态，收发机工作在接收模式，只有接收链路进行工作，收发机只能接收和处理从外部的芯片上发射出来的信号。
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)本发明中采用阵列开关实现收发机在发射、接收和收发这三种模式之间的切换，支持芯片在不同模式下的测试工作，降低收发机的设计风险。
(2)本发明不同的模式支持不同模块的测试验证(缩短设计周期)，满足通信、成像等不同场景的应用需求，大大提高收发机的应用范围。
(3)本发明中收发机前端采用单天线+无源结构环形鼠笼式耦合器可以减小收发机芯片的面积并结合不同模式的切换提高芯片面积的利用率。单个天线的使用大大减小了收发机的面积，同时既满足收发的需求，又给收发之间提供了一定的隔离度，保证在不同的模式下或不同场景应用切换的状态下提高对芯片电路的利用率。
(4)本发明结构不仅支持了不同模式的切换和不同应用场景的需求，同时使得该收发机具有小型化、轻型化、高集成和可重构等优点；降低测试的时间成本和加工成本。
附图说明
图1是工作在收发模式下的太赫兹收发机架构的示意图；
图2是工作在发射模式下的太赫兹收发机架构的示意图；
图3是工作在接收模式下的太赫兹收发机架构的示意图。
附图标记:1功分器，2缓冲器，3发射端功率放大器，4接收端功率放大器，5无源结构环形鼠笼式耦合器，6天线，7混频器，8一号开关，9二号开关，GND地，R电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，包括相互连接的功分器1和缓冲器2，其中，功分器1为一路输入两路输出，其输入端作为本振输入端口，其中一路输出端作为本振输出端口，另一路输出端与缓冲器2的输入端连接。所述缓冲器2的两路输出端口分别连接有发射端功率放大器3和接收端功率放大器4。所述发射端功率放大器3的控制端口连接有一号开关8，所述发射端功率放大器3的输出端口连接有无源结构环形鼠笼式耦合器5(Rat Race)，所述无源结构环形鼠笼式耦合器5连接有天线6。所述接收端功率放大器4的控制端口连接有二号开关9，所述接收端功率放大器4的输出端口连接有混频器7，所述混频器7与无源结构环形鼠笼式耦合器5连接。所述一号开关8和二号开关9均采用CMOS晶体管。其中，发射端功率放大器3、无源结构环形鼠笼式耦合器5和天线6所在的支路作为发射链路，接收端功率放大器4和混频器7所在的支路作为接收链路。
所述无源结构环形鼠笼式耦合器5的输入端口与发射端功率放大器3的输出端口连接，所述无源结构环形鼠笼式耦合器5的天线端口与天线6连接，所述无源结构环形鼠笼式耦合器5的隔离端口经电阻R接地GND，所述无源结构环形鼠笼式耦合器5的耦合端口与混频器7的射频输入口连接，所述混频器7的本振输入端口与接收端功率放大器4的输出端口连接，混频器7的输出端输出中频。
本发明首次提出利用单一芯片集成的通过开关控制支持发射、接收和收发这三种不同工作模式以适用于不同的应用场景的太赫兹收发机架构设计。为了实现不同模式的切换并能够有效利用芯片的面积，本发明在天线部分采用单个天线+无源结构环形鼠笼式耦合器(Rat Race)实现太赫兹收发机的前端设计，单个天线的使用大大减小了收发机的面积，同时既满足收发的需求，又给收发之间提供了一定的隔离度，保证在不同的模式下或不同场景应用切换的状态下提高对芯片电路的利用率。同时，分别在发射端和接收端的功率放大器的部分加入一组开关，通过控制开关的工作状态从而实现对不同工作模式的选择。此结构不仅支持了不同模式的切换和不同应用场景的需求，同时使得该收发机具有小型化、轻型化、高集成和可重构等优点。
本发明整体采用两个开关，分别位于发射端功率放大器3和接收端功率放大器4的位置，来实现发射、接收和收发这三种模式之间的切换。同时，还可以根据不同的应用场景的需求选择合适的收发机的模式。
此收发机整体框架在信号源部分采用功分器+缓冲电路(buffer)的结构实现分别给发射链路和接收链路提供信号源的作用，在天线部分采用单天线和无源结构环形鼠笼式耦合器的结合满足发射、接收和收发这三种模式对于天线的需求。当一号开关8、二号开关9均处于“开”的状态的时候，收发机工作在收发模式(如图1)，此时该收发机既能通过发射链路进行信号的发射，同时能够通过接收链路实现信号的接收。此时，无源结构环形鼠笼式耦合器5因为不同的端口之间存在着一定的隔离度，因此可以减小发射链路的信号串扰的接收链路，大大提高了发射和接收之间的隔离度。在发射端的一号开关8处于“开”的状态，接收端的二号开关9处于“关”的状态，收发机工作在发射模式(如图2)。此时，只有发射链路进行工作，接收链路中的接收端功率放大器4和混频器7不进行工作，收发机为外部提供信号源。相反，当发射端的一号开关8和接收端的二号开关9分别处于“关”和“开”的状态时，此收发机工作在接收的模式(如图3)，此时只有收发机的接收链路进行工作，发射链路中的发射端功率放大器不工作，收发机只能接收和处理从外部的芯片上发射出来的信号。
此结构的选用不仅支持了发射、接收和收发三种模式的切换以及满足了多个应用场景的需求，同时采用单天线也大大减小了芯片的面积，降低了芯片的成本，克服了天线开关不能实现收发同时工作的缺点，极大满足了目前各种应用场景对芯片的需求。
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 (4)

1.一种基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，包括相互连接的功分器(1)和缓冲器(2)，其特征在于，所述缓冲器(2)的两路输出端口分别连接有发射端功率放大器(3)和接收端功率放大器(4)，所述发射端功率放大器(3)的控制端口连接有一号开关(8)，所述发射端功率放大器(3)的输出端口连接有无源结构环形鼠笼式耦合器(5)，所述无源结构环形鼠笼式耦合器(5)连接有天线(6)；所述接收端功率放大器(4)的控制端口连接有二号开关(9)，所述接收端功率放大器(4)的输出端口连接有混频器(7)，所述混频器(7)与无源结构环形鼠笼式耦合器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，其特征在于，所述无源结构环形鼠笼式耦合器(5)的输入端口与发射端功率放大器(3)的输出端口连接，所述无源结构环形鼠笼式耦合器(5)的天线端口与天线(6)连接，所述无源结构环形鼠笼式耦合器(5)的隔离端口经电阻(R)接地(GND)，所述无源结构环形鼠笼式耦合器(5)的耦合端口与混频器(7)的射频输入口连接，所述混频器(7)的本振输入端口与接收端功率放大器(4)的输出端口连接。
3.根据权利要求1所述的基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，其特征在于，所述一号开关(8)和二号开关(9)均采用CMOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的基于开关控制的多模式多应用场景的太赫兹收发机架构，其特征在于，当一号开关(8)、二号开关(9)均处于“开”的状态，收发机工作在收发模式，收发机既能通过发射链路进行信号的发射，同时能够通过接收链路实现信号的接收；当一号开关(8)处于“开”的状态，二号开关(9)处于“关”的状态，收发机工作在发射模式，只有发射链路进行工作，收发机为外部提供信号源；当一号开关(8)处于“关”的状态，二号开关(9)处于“开”的状态，收发机工作在接收模式，只有接收链路进行工作，收发机只能接收和处理从外部的芯片上发射出来的信号。
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