CN111654304A - 一种射频电路及射频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频电路，包括：四个信号传输端、四个第一电感组、四个第一电容组及四个第二电感组；其中，所述四个信号传输端包括：第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端；四个第一电容组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电容组之间的节点分别连接有一个所述信号传输端及一个所述第二电感组，所述第二电感组的另一端均接地；四个第一电感组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电感组之间的节点分别与每两个相邻的第一电容组之间的节点相连。本发明实施例还公开一种射频系统，解决现有技术中射频电路穿层走线导致辐射杂散，信号完整性低的问题。

Description

一种射频电路及射频系统
技术领域
本发明涉及射频电路设计技术领域，尤其涉及一种射频电路及射频系统。
背景技术
现代射频系统与技术的快速发展，对射频电路设计提出了更高的小尺寸，低成本和易加工等要求。射频系统的集成度逐渐提高，在某些情况下，PCB板的多条走线间不得不相互交叉。一般采用过孔穿层，通过在不同的层走线，来避免走线交叉的问题。然而，在一些特殊的场合，比如单层板设计，或者某些多天线阵列的馈电网络。采用多层布线来避免交叉问题，不仅会导致辐射杂散，信号完整性低，使得电路性能降低，同时也增加了加工成本。
发明内容
本发明实施例提供一种射频电路及射频系统，能有效解决现有技术中射频电路穿层走线导致辐射杂散，信号完整性低的问题。
本发明一实施例提供一种射频电路，包括：四个信号传输端、四个第一电感组、四个第一电容组及四个第二电感组；其中，所述四个信号传输端包括：用于输入第一频段信号的第一输入端、用于输入第二频段信号的第二输入端、用于传输第二频段信号的第一输出端及用于传输第一频段信号的第二输出端；
四个第一电容组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电容组之间的节点分别连接有一个所述信号传输端及一个所述第二电感组，所述第二电感组的另一端均接地；
四个第一电感组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电感组之间的节点分别与每两个相邻的第一电容组之间的节点相连；
其中，所述第一输入端与所述第二输出端及所述第二输入端与所述第一输出端均成对角线设置，以使第一频段信号从所述第一输入端输入，经过所述第二输出端输出，第二频段信号从所述第二输入端输入，经过所述第一输出端输出。
作为上述方案的改进，根据第一频段信号的频率、第二频段信号的频率以及预设的双频交叉传输特性，确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值；
其中，所述预设的双频交叉传输特性包括：第一频段信号从所述第一输入端输入，经过所述第二输出端输出；及第二频段信号从所述第二输入端输入，经过所述第一输出端输出。
作为上述方案的改进，所述第二电感组包括：第二电容组及第三电感组；
每两个相邻的第一电容组之间的节点分别连接有所述第二电容组，所述第二电容组与第三电感组串联，并通过所述第三电感组接地。
作为上述方案的改进，所述根据第一频段信号的频率以及第二频段信号的频率以及预设的双频交叉传输特性，确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值，具体包括：
分别计算所述第一频段信号及第二频段信号下各个信号传输端的导纳；
根据各个信号传输端的导纳计算各个信号传输端的反射系数并根据所述反射系数得到S参数方程组；
根据所述预设的双频交叉传输特性对应设置各个信号传输端的S参数条件；
通过所述S参数条件、所述S参数方程组以及所述导纳确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值。
作为上述方案的改进，所述根据所述预设的双频交叉传输特性对应设置各个信号传输端的S参数条件，具体包括：
当第一频段信号从所述第一输入端输入，经过所述第二输出端输出时，则将所述第二输出端的S参数设置为1，所述第一输入端的S参数、所述第二输入端的S参数、所述第一输出端的S参数均设置为0；
当第二频段信号从所述第二输入端输入，经过所述第一输出端输出时，则将所述第一输出端的S参数设置为1，所述第一输入端的S参数、所述第二输入端的S参数、所述第二输出端的S参数均设置为0。
与现有技术相比，本发明实施例公开的射频电路，通过平面交叉结构，使得上述射频电路可以进行双频工作，能实现不同频段间的信号在同层相互交叉传输，避免了穿层走线，避免辐射杂散，保证了信号的完整性，从而提高了电路的性能。而且所述射频电路的结构采用全集总元件设计，尺寸小，易于集成，同时避免了加工成本的增加。
本发明另一实施例对应提供了一种射频系统，包括如发明实施例所述的射频电路。
与现有技术相比，本发明实施例公开的射频系统由于采用了上述射频电路，使得射频系统能实现不同频段间的信号在同层相互交叉传输，避免穿层走线带来的问题，避免辐射杂散，保证了信号的完整性，从而提高了电路的性能。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种射频电路的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种射频电路中单频传输的示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种射频电路中双频传输的示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种射频电路中的奇偶模分析法的示意图；
图5是本发明一实施例提供的具体实施例仿真结果的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明一实施例提供的一种射频电路的结构示意图。
本发明一实施例提供一种射频电路，包括：四个信号传输端、四个第一电感组、四个第一电容组及四个第二电感组；其中，所述四个信号传输端包括：用于输入第一频段信号的第一输入端Port1、用于输入第二频段信号的第二输入端Port2、用于传输第二频段信号的第一输出端Port4及用于传输第一频段信号的第二输出端Port3。可以理解的是，第一电感组包括至少一个电感，第一电容组包括至少一个电容。电感和电容的数量是可以根据需要进行设置的。需要说明的是，第一频段信号与第二频段信号的频率不同，上述射频电路可以设计工作在任意可实现的双频段，在此不对射频电路的工作频段进行限定。
四个第一电容组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电容组之间的节点分别连接有一个所述信号传输端及一个所述第二电感组，所述第二电感组的另一端均接地。四个第一电感组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电感组之间的节点分别与每两个相邻的第一电容组之间的节点相连。
其中，所述第一输入端Port1与所述第二输出端Port3及所述第二输入端Port2与所述第一输出端Port4均成对角线设置，以使第一频段信号从所述第一输入端Port1输入，经过所述第二输出端Port3输出，第二频段信号从所述第二输入端Port2输入，经过所述第一输出端Port4输出。
在本实施例中，四个第一电容组首尾相连，以形成正方形的封闭回路，四个第一电感组首尾相连，以形成正方形的封闭回路，还可以为其它形状的闭合回路，可以理解的是，每一个第一电感组并联在每一个第一电容组的两端。使得整个射频电路是对称式的全新结构，生产方便。
综上所述，由于射频电路上述的连接方式，使得射频电路可以同时适应单频信号传输和双频信号传输。参见图2，当单频传输时，可以通过第一输入端Port1和第二输入端Port2任意一个作为信号输入端，由于第一输入端Port1与第二输出端Port3及第二输入端Port2与第一输出端Port4均成对角线设置，信号从所述第一输入端Port1输入，经过所述第二输出端Port3输出，信号从所述第二输入端Port2输入，经过所述第一输出端Port4输出。参见图3，当双频信号进行传输时，第一频段信号从所述第一输入端Port1输入，经过所述第二输出端Port3输出，第二频段信号从所述第二输入端Port2输入，经过所述第一输出端Port4输出。从而实现不同频段间的信号在同层相互交叉传输，避免了穿层走线，避免辐射杂散，保证了信号的完整性，从而提高了电路的性能。而且所述射频电路的结构采用全集总元件设计，尺寸小，易于集成，同时避免了加工成本的增加。
作为上述方案的改进，所述第二电感组包括：第二电容组及第三电感组；
每两个相邻的第一电容组之间的节点分别连接有所述第二电容组，所述第二电容组与第三电感组串联，并通过所述第三电感组接地。
具体地，第三电感组包括至少一个电感、第二电容组包括至少一个电容，在本实施例中，第二电感组为一个电容与一个电感串联组成。
作为上述方案的改进，根据第一频段信号的频率、第二频段信号的频率以及预设的双频交叉传输特性，确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值。
其中，所述预设的双频交叉传输特性包括：第一频段信号从所述第一输入端Port1输入，经过所述第二输出端Port3输出；及第二频段信号从所述第二输入端Port2输入，经过所述第一输出端Port4输出。
参见图4，作为上述方案的改进，所述根据第一频段信号的频率以及第二频段信号的频率以及预设的双频交叉传输特性，确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值，具体包括：
分别计算所述第一频段信号及第二频段信号下各个信号传输端的导纳。
在本实施例中，第一频段信号为f1,第二频段信号为f2，第一电容组C1,第一电感组L1、第三电感组L2、第二电容组C2。串联L2、C2的阻抗可用等效电感
Figure BDA0002450060810000061
表示，用于调节信号传输端的输入阻抗和端口反射系数。
具体地，采用奇偶模分析法，仅分析电路结构的四分之一，即可得到整个电路的特性。在偶-偶，偶-奇，奇-奇，奇-偶四种模式下，输入导纳Yee，Yeo，Yoo，Yoe。
Yee＝1/[1/(1j*w*C2)+(1j*w*L2)]
Yoe＝(4j*w*C1)+4/(1j*w*L1)+1/[1/(1j*w*C2)+(1j*w*L2)]
Yoo＝(2j*w*C1)+2/(1j*w*L1)+1/[1/(1j*w*C2)+(1j*w*L2)]Yeo
＝(2j*w*C1)+2/(1j*w*L1)+1/[1/(1j*w*C2)+(1j*w*L2)]
由于需要满足预设的双频交叉传输特性，则两个频段的中心频率处的导纳相等：
Yee(f1)＝Yee(f2)
Yeo(f1)＝Yeo(f2)
Yoe(f1)＝Yoe(f2)
Yoo(f1)＝Yoo(f2)
根据各个信号传输端的导纳计算各个信号传输端的反射系数并根据所述反射系数得到S参数方程组。
具体地，反射系数Γee＝(1-Yee)/(1+Yee)，Yee为归一化导纳，Γee表示偶-偶模激励下的反射系数，Γeo＝(1-Yeo)/(1+Yeo)，Γoe＝(1-Yoe)/(1+Yoe)，Γoo＝(1-Yoo)/(1+Yoo)。
S参数方程组:
S11＝(Γee+Γeo+Γoe+Γoo)/4
S21＝(Γee+Γeo-Γoe-Γoo)/4
S31＝(Γee-Γeo+Γoe-Γoo)/4
S41＝(Γee-Γeo-Γoe+Γoo)/4
根据所述预设的双频交叉传输特性对应设置各个信号传输端的S参数条件。
其中，具体包括：
当第一频段信号从所述第一输入端Port1输入，经过所述第二输出端Port3输出时，则将所述第二输出端Port3的S参数设置为1，所述第一输入端Port1的S参数、所述第二输入端Port2的S参数、所述第一输出端Port4的S参数均设置为0。
具体地，第一输入端Port1为信号输入端，即要求第二输入端Port2，第一输出端Port4为隔离端，第二输出端Port3为直通端。
S11(带内)＝0
S21(带内)＝0
S31(带内)＝1
S41(带内)＝0
当第二频段信号从所述第二输入端Port2输入，经过所述第一输出端Port4输出时，则将所述第一输出端Port4的S参数设置为1，所述第一输入端Port1的S参数、所述第二输入端Port2的S参数、所述第二输出端Port3的S参数均设置为0。
具体地，
S12(带内)＝0
S22(带内)＝0
S32(带内)＝0
S42(带内)＝1
通过所述S参数条件、所述S参数方程组以及所述导纳确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值。
具体地，
Figure BDA0002450060810000081
Figure BDA0002450060810000082
Figure BDA0002450060810000083
其中，Z0为负载阻抗，ω为中心频率对应的角频率，
Figure BDA0002450060810000084
ω1和ω2分别为第一中心频率对应的角频率和第二中心频率对应的角频率。需要说明的是，第一中心频率为第一频段的中心频率f1，第二中心频率为第二频段的中心频率f2。
为了方便理解，以下举例进行说明：
在本实施例中，第一频段信号为2.45GHz频段信号，第二频段信号为5.2GHz频段信号。假定负载阻抗Z0＝50Ω，根据上述公式计算得到C1＝5.78pF,C2＝6.88pF,L1＝0.34nH,L2＝0.29nH。经过仿真软件可知，参见图5(S21与S41的仿真曲线相同)，在2.45GHz处，隔离端S21和S41衰减大于20dB，直通端插损S31仅为0.1dB；在5.20GHz处，隔离端S21和S41衰减大于20dB，直通端插损S31仅为0.09dB，可见双频交叉结电路性能表现优异。通过平面交叉结构，使得上述射频电路可以进行双频工作，能实现不同频段间的信号在同层相互交叉传输，避免了穿层走线，保证了信号的完整性。而且所述射频电路的结构采用全集总元件设计，尺寸小，易于集成，同时避免了加工成本的增加。
本发明另一实施例对应提供了一种射频系统，包括如发明实施例所述的射频电路。
与现有技术相比，本发明实施例公开的射频系统由于采用了上述射频电路，使得射频系统能实现不同频段间的信号在同层相互交叉传输，避免穿层走线带来的问题，避免辐射杂散，保证了信号的完整性，从而提高了电路的性能。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种射频电路，其特征在于，包括：四个信号传输端、四个第一电感组、四个第一电容组及四个第二电感组；其中，所述四个信号传输端包括：用于输入第一频段信号的第一输入端、用于输入第二频段信号的第二输入端、用于传输第二频段信号的第一输出端及用于传输第一频段信号的第二输出端；
四个第一电容组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电容组之间的节点分别连接有一个所述信号传输端及一个所述第二电感组，所述第二电感组的另一端均接地；
四个第一电感组首尾相连，以形成封闭回路，每两个相邻的第一电感组之间的节点分别与每两个相邻的第一电容组之间的节点相连；
其中，所述第一输入端与所述第二输出端及所述第二输入端与所述第一输出端均成对角线设置，以使第一频段信号从所述第一输入端输入，经过所述第二输出端输出，第二频段信号从所述第二输入端输入，经过所述第一输出端输出。
2.如权利要求1所述的射频电路，其特征在于，
根据第一频段信号的频率、第二频段信号的频率以及预设的双频交叉传输特性，确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值；
其中，所述预设的双频交叉传输特性包括：第一频段信号从所述第一输入端输入，经过所述第二输出端输出；及第二频段信号从所述第二输入端输入，经过所述第一输出端输出。
3.如权利要求2所述的射频电路，其特征在于，所述第二电感组包括：第二电容组及第三电感组；
每两个相邻的第一电容组之间的节点分别连接有所述第二电容组，所述第二电容组与第三电感组串联，并通过所述第三电感组接地。
4.如权利要求2所述的射频电路，其特征在于，所述根据第一频段信号的频率以及第二频段信号的频率以及预设的双频交叉传输特性，确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值，具体包括：
分别计算所述第一频段信号及第二频段信号下各个信号传输端的导纳；
根据各个信号传输端的导纳计算各个信号传输端的反射系数并根据所述反射系数得到S参数方程组；
根据所述预设的双频交叉传输特性对应设置各个信号传输端的S参数条件；
通过所述S参数条件、所述S参数方程组以及所述导纳确定所述第一电容组的电容值、所述第一电感组的电感值以及所述第二电感组的电感值。
5.如权利要求4所述的射频电路，其特征在于，所述根据所述预设的双频交叉传输特性对应设置各个信号传输端的S参数条件，具体包括：
当第一频段信号从所述第一输入端输入，经过所述第二输出端输出时，则将所述第二输出端的S参数设置为1，所述第一输入端的S参数、所述第二输入端的S参数、所述第一输出端的S参数均设置为0；
当第二频段信号从所述第二输入端输入，经过所述第一输出端输出时，则将所述第一输出端的S参数设置为1，所述第一输入端的S参数、所述第二输入端的S参数、所述第二输出端的S参数均设置为0。
6.一种射频系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项所述的射频电路。
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吴婷: "任意耦合度集总宽带正交定向耦合器的研究", 《微波学报》 *
左劲风: "一种任意阻抗变换比集总宽带正交定向耦合器的分析方法", 《合肥工业大学学报》 *

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CN111654304B (zh) 2021-11-12

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