CN112994733A - 一种基本收发单元及收发芯片 - Google Patents

Abstract

本申请属于微电子技术领域，具体公开了一种基本收发单元及收发芯片。基本收发单元包括切换开关，包括固定端和多个选择端，多个选择端分别与多个信号通路连接，切换开关用于选通信号通路；双向放大器，用于放大信号通路中的信号；衰减器，用于对信号的强度进行衰减；移相器，用于改变信号的相位；以及控制电路，用于控制切换开关的选通、双向放大器的信号方向、衰减器的衰减幅度以及移相器的相移；其中，切换开关的固定端与移相器或衰减器或双向放大器连接。本申请的优点在于通过设置切换开关可灵活调整基本收发单元的工作模式，通过模块化设计的基本收发单元可根据应用场景的不同定义不同的控制模式。

Description

一种基本收发单元及收发芯片

技术领域

本申请涉及微电子技术领域，尤其涉及了一种基本收发单元及收发芯片。

背景技术

射频前端收发（Transimit/Recieve）组件是有源阵列天线的基本组成单元，在综合射频系统、毫米波通信和相控阵雷达等领域被广泛的应用。但是，其实现的方式一直停留在组件的层面。即便偶尔有射频前端收发芯片，也基本以功能需求为导向，往往只能满足特定的波束扫描方式和通道数量。不仅开发周期长，难度大，而且应用范围受限。如果使用具有多波束扫描功能的芯片进行单波束扫描，则会造成通道的浪费。

因此，亟需设计一种灵活的集成T/R芯片，使其具有普适性，可与各种相控阵天线相互配合使用。

发明内容

为了解决上述缺陷，本申请提出了一种基本收发单元及收发芯片。

本申请提供了一种基本收发单元，包括：

切换开关，包括固定端和多个选择端，所述多个选择端分别与多个信号通路连接，所述切换开关用于选通所述信号通路；

双向放大器，用于放大所述信号通路中的信号；

衰减器，用于对所述信号的强度进行衰减；

移相器，用于改变所述信号的馈电相位；以及

控制电路，用于控制所述切换开关的选通、所述双向放大器的信号方向、所述衰减器的衰减幅度以及所述移相器的相移；

其中，所述切换开关的所述固定端与所述移相器或所述衰减器或所述双向放大器连接。

上述的基本收发单元，其中所述控制电路通过串行总线传送控制信息；所述控制信息至少部分地包括：所述切换开关的选通信息、所述双向放大器的信号方向信息、所述衰减器的衰减幅度信息以及所述移相器的相移信息。

上述的基本收发单元，其中所述切换开关中的第一选择端与天线直接连接，单波束扫描时，选通所述第一选择端；多个所述切换开关中的同名选择端通过同一功分器与天线连接，多波束扫描时，同时选通多个所述切换开关中的所述同名选择端。

与现有技术相比，本申请通过设置切换开关可灵活调整基本收发单元的工作模式（单波束扫描/多波束扫描）。通过模块化设计的基本收发单元可根据应用场景的不同定义不同的控制模式，例如单波束发射，单波束接收，多波束发射，多波束接收等。

相应的，本申请还提出了一种收发芯片，包括2个上述的基本收发单元以及片内功分器；其中，所述控制电路通过串行总线传送控制信息，所述控制信息通过第一管脚输入所述收发芯片，并依次与第一基本收发单元和第二基本收发单元电连接，所述控制信息还通过第二管脚输出所述收发芯片；所述第一基本收发单元和所述第二基本收发单元中的第一选择端直接引出至第三管脚；所述第一基本收发单元和所述第二基本收发单元中的其他同名选择端与同一所述片内功分器的分配端连接，多个所述片内功分器的汇合端分别引出至相应的功分器管脚。

上述的收发芯片，其中所述基本收发单元的射频端引出至射频收/发管脚。

上述的收发芯片，其中所述功分器的个数与所述其他同名选择端的个数相同。

上述的收发芯片，其中通过外接功分器实现多个所述收发芯片的级联使用，其中，前一级所述收发芯片的所述第二管脚与后一级所述收发芯片的所述第一管脚相连；所述外接功分器的汇合端与天线直接连接，同名的所述片内功分器的汇总端与所述外接功分器的分配端连接。

上述的收发芯片，其中多个所述收发芯片级联使用时，通过射频功分器汇合所述射频端，其中，同名的所述射频端与一个所述射频功分器的分配端连接。

与现有技术相比，本申请的收发芯片本身虽然固定只有2个基本单元，但是通过每个单元都具有的数据总线可将控制信息分发到多个收发芯片中，从而多个收发芯片可级联使用，再结合片外的功分器（网络）可以实现任意模式的波束扫描。本申请具有集成度高、体积小、重量轻、功耗低以及批产成本低等优势，为相控阵系统的低成本化提供了完美的解决方案。

附图说明

图1是根据本申请中基本收发单元的一个示意性实施例的结构框图；

图2是根据本申请中双通道收发芯片的一个示意性实施例的结构框图；

图3和图4是本申请中双通道收发芯片的两种典型的接线方式的示意图；

图5是本申请中双通道收发芯片用于双波束扫描时的连接示意图；

图6是本申请中双通道收发芯片用于四波束扫描时的连接示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。虽然本申请的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本申请的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本申请的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本申请也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本申请的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，默认为同一定义。

在本说明书中，多处使用了“同名端”、“同名选择端”、“同名的……”及相类似的用语。为了减少歧义，对本说明书中的词语“同名”进行定义。所谓“同名”，归根结底是指所连接的信号的同一性。在相控阵天线的应用环境中，通过同一天线可接收到多个波束（波束1、波束2……），一个基本收发单元可以从中分离出一个波束，则多个分离出同一波束的基本收发单元的射频端就称之为同名端。仍以基本收发单元为例，其切换开关往往连接到某一天线，连接到同一天线的端点即可称为同名端。而本申请中，为了便于记忆，同名的信号（源）往往连接在名称（管脚）相同连接点上。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

图1所示是本申请中一个基本收发单元10的示意性结构框图。基本收发单元10一端为微波端，与天线连接，用于收/发微波信号，另一端为射频端，与其他射频器件连接，用于收/发射频信号，其中包括：切换开关1、双向放大器2、移相器3、衰减器4和控制电路5。

切换开关1用于选择与基本收发单元10连接的微波信号（相当于天线），包括一个固定端和多个选择端。图1中示意了三个选择端m1、s和m2。三个选择端m1、s和m2可以分别与不同的天线直接或间接的连接，切换开关1受控于控制电路5给出的开关控制信号SW-ctrl而选通选择端m1、s或m2，从而接入微波信号。通常，在实际应用中，选择端s可以与天线直接连接，选通选择端s可进行单波束扫描；选择端m1和m2可以分别通过不同的功分器再连接到天线。多波束扫描时，多个选择端m1（同名选择端）连接到同一个功分器的分配端，从而相应的多个基本收发通道可以收发一个波束；多个选择端m2（另一组同名选择端）连接到另一个功分器的分配端，从而相应的多个基本收发通道可以收发另一个波束。

双向放大器2一端与切换开关1的固定端连接，另一端与移相器3连接，用于放大接入的微波信号。双向放大器2是双向器件，经过其的信号可以是来自切换开关1的，也可以是输入切换开关1的。具体的，双向放大器2的放大方向受控制电路5给出的方向控制信号AMP-ctrl的控制。在RX模式下，双向放大器2接收来自切换开关1的信号，并对其进行放大；在TX模式下，双向放大器2接收来自移相器3的信号，并对其进行放大。

移相器3用于改变信号的相位，其相移由控制电路5给出的相移控制信号PS-ctrl决定。

衰减器4用于对信号的强度进行衰减，其衰减的幅度由控制电路5给出的衰减控制信号DSA-ctrl决定。

放大器一般是具有固定增益的元件，而衰减器通常可以提供可选的衰减值（例如，6位的衰减器可以提供0-31.5dB），根据具体应用环境的需要，对基本收发单元10中的衰减器4的衰减值进行调整，可以对链路的增益进行调节。

控制电路5用于控制上述的切换开关1、双向放大器2、移相器3和衰减器4的工作状态。控制电路5包括串行数据总线，该数据总线用于接收和传递上述的开关控制信号SW-ctrl、方向控制信号AMP-ctrl、衰减控制信号DSA-ctrl、相移控制信号PS-ctrl以及其他的相关信息。例如，该串行数据总线可以是数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）。每个基本收发单元10中的控制电路5根据预先定义的控制协议从串行数据中提取本单元需要的控制信息，然后将该串行数据继续向下一个基本收发单元10发送。其中，控制电路5向下一个基本收发单元10发送的串行数据可以是与接收到的串行数据一样的数据，也可以是删除了本单元的控制信息的数据。即，控制信息在传递过程中可以一直保持不变，也可以被不断删减。前者的协议较为简单，后者在大规模使用时有利于节约时间。

值得一提的是，双向放大器2、移相器3、衰减器4的设置并没有先后顺序的差别，图1所示只是其中一种的示意，也可以按双向放大器2、衰减器4、移相器3的顺序设置，或其他顺序亦可。

图2所示是包括了2个图1所示的基本收发单元10的收发芯片20的结构框图。除了如图2所示的包括2个基本收发单元10的实施例，类似地，还可以设计包括多个基本收发单元10的实施例。但是，通过外接功分器网络，双通道的收发芯片20可以组合出多通道的收发网络，也可以组合出多波束扫描的网络，并不需要专门设计多通道的收发芯片。

图2所示的实施例包括2个基本收发单元10a、10b以及两个二分的片内功分器6a、6b。其中，基本收发单元10a、10b中的切换开关1的同名选择端连接到同一个片内功分器的分配端。例如，基本收发单元10a、10b的选择端m1分别与片内功分器6a的两个分配端连接；基本收发单元10a、10b的选择端m2分别与片内功分器6b的两个分配端连接。基本收发单元10a的串行数据输出端与基本收发单元10b的串行数据输入端相连。

收发芯片20的对外管脚包括：选择管脚S1、S2、M1和M2，射频管脚RF1和RF2以及串行输入管脚IN（包括时钟）和串行输出管脚OUT（包括时钟）。其中，选择管脚S1与基本收发单元10a的选择端s连接，选择管脚S2与基本收发单元10b的选择端s连接，选择管脚M1与基本收发单元10a、10b的选择端m1（同名选择端）连接，选择管脚M2与基本收发单元10a、10b的选择端m2（另一组同名选择端）连接，射频管脚RF1与基本收发单元10a的射频端连接，射频管脚RF2与基本收发单元10b的射频端连接，串行输入管脚IN与基本收发单元10a的串行输入端连接，串行输出管脚OUT与基本收发单元10b的串行输出端连接。

图3和图4是收发芯片20的两种接线方式的示意图（省略部分内部结构示意）。根据之前的说明可知，收发芯片20是一种并不具有方向性的芯片，在单波束扫描的应用场景下，天线可连接在选择开关1的这一端（如图3所示），也可连接在衰减器4的这一端（如图4所示），两种接线方式的效果略有不同，可以适应不同系统的需求。在射频端都需要通过一个射频功分器8（也可以是合路器）将各基本收发单元的射频信号汇合成一路信号。

图5和图6是收发芯片20的示例性应用电路图。

图5是本申请中双通道的收发芯片20用于双波束扫描时的连接示意图；图6是本申请中双通道的收发芯片20用于四波束扫描时的连接示意图。

如图5所示，当本申请中的收发芯片20应用于双波束扫描时，不需要进行通道的扩展，直接对应于天线阵中天线的数量相应增加收发芯片20的数量即可。图5中示意了3片收发芯片20的连接关系。其中收发芯片20a的串行输入管脚IN接收来自控制系统的控制指令数据包，其串行输出管脚OUT与收发芯片20b的串行输入管脚IN连接，从而将所述控制指令数据包依次向后一级收发芯片20传递。类似的，收发芯片20b的串行输出管脚OUT与收发芯片20c的串行输入管脚IN连接，收发芯片20c的串行输出管脚OUT继续与下一级收发芯片20的串行输入管脚IN连接。

当混合有不同相位的微波信号，例如波束1和波束2，被天线M1接收到后，该微波信号首先经片内功分器6a分成两路信号，分别输入到基本收发单元10a和10b。基本收发单元10a收到的相移控制信号PS-ctrl规定了通过基本收发单元10a的信号的相位偏移量，基本收发单元10b收到的相移控制信号PS-ctrl规定了通过基本收发单元10b的信号的相位偏移量，经过不同的相移后，射频输出管脚RF1和RF2输出的是分别对应于波束1和波束2的射频信号，多个收发芯片20输出的多个RF1和RF2分别经射频功分器8a和8b的汇合后，得到汇总的射频信号RF1’和RF2’，可供后续的其他射频器件进行处理。

根据选择开关1的使用状态可知，天线M1和M2是二选一的连接关系，也就是说，在一个时间点上，只能选择天线M1或选择天线M2，本发明将一个芯片设计为可以与两组天线连接的目的在于保证电路的对称性，同时也为利用多个收发芯片20进行通道拓展提供了可能性。或者，再配合相应的控制逻辑，收发芯片20还可以“分时”使用，例如，在A时间段内切换开关1选通选择端m1，而在B时间段内，切换开关1选通选择端m2。如图6所示，当本申请中的收发芯片20应用于多波束（例如四波束）扫描时，首先需要对通道数进行扩展。也就是说，首先需要通过外接功分器网络将若干个（例如两个）双通道的收发芯片20固定组合在一起，形成一个新的“多通道芯片”，然后再将该“多通道芯片”按天线数量进行级联。图6（省略了部分芯片内部的结构）给出了将双通道芯片扩展成“四通道芯片”的示意。如图，来自天线的微波信号通过外接功分器7a分配到2个收发芯片20的选择管脚M1（同名端），并继续通过收发芯片20内的功分器6a分配到2个基本收发单元10的选择管脚M1（同名端）。以上，通过一分二的外接功分器7a和片内功分器6a组成一个小型功分器网络，实现将一路信号分为4路信号的功能。本领域技术人员可知，外接功分器7a和片内功分器6a的组合相当于一个一分四的功分器，即外接功分器7a和片内功分器6a可以用一个一分四的功分器来代替。微波信号被分为四路后，分别由四个基本收发单元处理，每个基本收发单元接收到的相移控制信号PS-ctrl各不相同（控制指令线的连接同图5，此处不赘述），从而将混合的信号分离为四路分离的射频信号RF1’、 RF2’、RF3’以及RF4’。根据天线阵中天线的个数复制多个上述“四通道芯片”从而实现四波束扫描的应用。其中，每个“四通道芯片”的射频管脚RF1（同名端）都连接到射频功分器8的分配端，由该射频功分器8的汇合端向后一级的射频器件提供汇合的射频信号RF1’。同理，射频管脚RF2~RF4分别经一个射频功分器8汇合后，得到射频信号RF2’~ RF4’。

综上，本申请针对现有的收发芯片缺乏灵活性的缺点提出了一种解决方案，以基本收发单元为最小模块，每个单元根据应用场景的不同，可以有不同的控制模式，如：单波束发射，单波束接收，多波束发射，多波束接收等。通过包含两个基本收发单元的双通道收发芯片的不同组合形式，可以实现任意模式的波束扫描。期间，只需要各收发芯片的串行控制接口依次连接以及配合不同的片外功分器（网络）即可，也就是说，本申请所述的收发芯片具有高度灵活性，能够适用于多种应用场合。

需声明的是，本申请所提供的说明书中提供了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有部分或全部这些具体细节的情况下实施。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员应当理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

Claims (8)

1.一种基本收发单元，其特征在于，包括：

切换开关，包括固定端和多个选择端，所述多个选择端分别与多个信号通路连接，所述切换开关用于选通所述信号通路；

双向放大器，用于放大所述信号通路中的信号；

衰减器，用于对所述信号的强度进行衰减；

移相器，用于改变所述信号的相位；

以及控制电路，用于控制所述切换开关的选通、所述双向放大器的信号方向、所述衰减器的衰减幅度以及所述移相器的相移；

其中，所述切换开关的所述固定端与所述移相器或所述衰减器或所述双向放大器连接。

2.如权利要求1所述的收发单元，其特征在于，所述控制电路通过串行总线传送控制信息；所述控制信息至少部分地包括：所述切换开关的选通信息、所述双向放大器的信号方向信息、所述衰减器的衰减幅度信息以及所述移相器的相移信息。

3.如权利要求1或2所述的收发单元，其特征在于，

所述切换开关中的第一选择端与天线直接连接，单波束扫描时，选通所述第一选择端；

多个所述切换开关中的同名选择端通过同一功分器与天线连接，多波束扫描时，同时选通多个所述切换开关中的所述同名选择端。

4.一种收发芯片，其特征在于，包括2个如权利要求1所述的基本收发单元以及片内功分器；其中

所述控制电路通过串行总线传送控制信息，所述控制信息通过第一管脚输入所述收发芯片，并依次与第一基本收发单元和第二基本收发单元电连接，所述控制信息还通过第二管脚输出所述收发芯片；

所述第一基本收发单元和所述第二基本收发单元中的第一选择端直接引出至第三管脚；

所述第一基本收发单元和所述第二基本收发单元中的其他同名选择端与同一所述片内功分器的分配端连接，多个所述片内功分器的汇合端分别引出至相应的功分器管脚。

5.如权利要求4所述的收发芯片，其特征在于，所述基本收发单元的射频端引出至射频收/发管脚。

6.如权利要求4所述的收发芯片，其特征在于，所述功分器的个数与所述其他同名选择端的个数相同。

7.如权利要求4所述的收发芯片，其特征在于，通过外接功分器实现多个所述收发芯片的级联使用，其中，

前一级所述收发芯片的所述第二管脚与后一级所述收发芯片的所述第一管脚相连；

所述外接功分器的汇合端与天线直接连接，同名的所述片内功分器的汇总端与所述外接功分器的分配端连接。

8.如权利要求5所述的收发芯片，其特征在于，多个所述收发芯片级联使用时，通过射频功分器汇合所述射频端，其中，同名的所述射频端与一个所述射频功分器的分配端连接。

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