CN113630145A - 一种平坦群延时射频收发机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种平坦群延时射频收发机，包括：发射机和接收机；所述发射机和接收机通过双工器汇接收发共用天线；所述的接收机包括接收限幅器、低噪声放大器、下变频器、接收中频滤波器；所述的发射机包括发射中频滤波器、上变频器、射频滤波器以及功率放大器，所述的接收中频滤波器和发射中频滤波器分别为中频交叉耦合滤波器；所述的中频交叉耦合滤波器包括：包含至少两微带线谐振器的滤波器本体；用于实现群延时的反向补偿功能的第一交叉耦合电路、第二交叉耦合电路。本发明由于在中频信道中采用了中频交叉耦合滤波器，根据需要可实现群延时的无补偿状态、最大平坦补偿转台以及过盈补偿状态。

Description

一种平坦群延时射频收发机

技术领域

本发明涉及微波射频技术领域，特别是一种平坦群延时射频收发机。

背景技术

高速数据传输广泛应用于地面移动通信、卫星通信以及数据链等领域，在现代通信系统中，由于射频链路中存在大量非线性器件，导致的幅度失真和群时延失真，导致高速数据传输产生波形恶化、码间干扰和频谱泄露，从而导致调制信号紊乱，增加系统误码率，严重情况下导致通信失败。

群时延是指频率非常接近的许多频谱分量按一定方式组成的复杂信号或波群通过网络所需要的时间。由于信号在传输过程中，信号中不同频率分量的响应并不是一模一样的，故可通过信号的群时延特性来衡量信号的相位失真。群时延代表的是复杂信号或波群整体的时延，而不是复杂信号或波群中某一频率分量的相时延，也不是复杂信号或波群中各频率分量相时延的平均值。射频链路的群时延特性与系统中的放大器、混频器、滤波器等器件的相位响应特性有关。放大器、混频器和倍频器等器件对收发系统的群时延特性影响比较小，一般在几十皮秒至几百皮秒之间。一般来说链路的群时延波动主要受制于链路中的滤波器，一般滤波器在通带边缘具有陡峭的群延时波动，若信号过于接近滤波器的通带边缘，将导致该频段的信号成分延时较大，通过滤波器之后，该频段的信号将难以与其他频带的信号组合成良好的波形，这是导致信号产生失真的主要原因，其后果是导致信号调制域恶化，误码率升高。

信号链路的幅度失真可通过幅度均衡器加以补偿，通过预失真或失真补偿等方式将信道的幅度响应调平。平坦群时延的实现方法主要有两种，一种是在链路中引入相反的群延时波动对原有的群延时加以补偿，另一种是针对群延时波动较大的器件，开发具有平坦群延时的替代器件。采用幅度均衡网络或群延时均衡网络需要引入额外的器件，增加电路的复杂度，降低系统的可靠性。因此希望针对现有器件的幅度波动和群延时波动的短板，开发具有平坦幅频响应以及平坦群延时的器件，或者开发具有反向变化趋势的幅频响应或反向群延时的器件，以期望中和其他器件带来的幅度和群延时的波动。

目前，上述现有技术的缺点包括：

链路的幅度失真可通过幅度均衡器加以补偿，但插入额外的器件导致电路复杂度、难度和成本增加，电路的可靠性变差。

引入相反的群延时波动对原有的群延时加以补偿的方式同样增加了额外的器件，导致电路复杂度、难度和成本增加，电路的可靠性变差。

发明内容

针对现存技术的不足之处，本发明目的是在不额外增加补偿性电路的前提下，改善中频滤波器的群延时特性，提供平坦群延时射频收发机。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：平坦群延时射频收发机，包括：发射机和接收机；所述发射机和接收机通过双工器汇接收发共用天线；所述的接收机包括接收限幅器、低噪声放大器、下变频器、接收中频滤波器；所述的收发共用天线接收的射频信号经所述双工器依次经接收限幅器、低噪声放大器、下变频器、接收中频滤波器后，输出下行中频信号；所述的发射机包括发射中频滤波器、上变频器、射频滤波器以及功率放大器，上行中频信号依次通过发射中频滤波器、上变频器、射频滤波器以及功率放大器形成发射射频信号经所述双工器接所述的收发共用天线发射；所述的接收中频滤波器和发射中频滤波器分别为中频交叉耦合滤波器；所述的中频交叉耦合滤波器包括：包含至少两微带线谐振器的滤波器本体；用于实现群延时的反向补偿功能的第一交叉耦合电路、第二交叉耦合电路。

进一步的，上述的平坦群延时射频收发机中：所述的滤波器本体包含8个微带线谐振器。

进一步的，上述的平坦群延时射频收发机中：所述的第一交叉耦合电路和第二交叉耦合电路中均包括交叉耦合移相调节电路，所述的交叉耦合移相调节电路包括3db电桥，与不同的微带线谐振器交叉耦合的输入和输出分别与3dB电桥的两个端口连接，3dB电桥的剩余两个端口与电压控制端口相连并通过变容二极管接接地。

进一步的，上述的平坦群延时射频收发机中：所述的低噪声放大器和功率放大器分别为具有反馈相位可调节的宽带低噪声放大器；所述的宽带低噪声放大器包括第一互补性金属氧化物场效应管和第二互补性金属氧化物场效应管；

所述的第一互补性金属氧化物场效应管采用共源结构，其中漏极和栅极之间引入第一反馈回路，源极接地；在第一反馈回路中加入第一相位调节结构；

所述的第二互补性金属氧化物场效应管采用共栅结构，在漏极和源极之间引入第二反馈回路；在第二反馈回路中加入第二相位调节结构；

待放大的射频信号从所述的第一互补性金属氧化物场效应管的栅极输入，经所述的第一互补性金属氧化物场效应管的漏极后接所述的第二互补性金属氧化物场效应管的源极，最后放大的射频信号从所述的第二互补性金属氧化物场效应管的漏极输出。

进一步的，上述的平坦群延时射频收发机中：所述的第一反馈回路和第二反馈回路分别包括用于将输出信号延迟设定相位后反馈给输入端的移相器。

进一步的，上述的平坦群延时射频收发机中：所述的移相器为相位可调节的移相器。

进一步的，上述的平坦群延时射频收发机中：所述的第一反馈回路和第二反馈回路分别包括第二3dB电桥和第二变容二极管，第一反馈回路或者第二反馈回路的输入端和输出端分别接第二3db电桥的两个端口，第二3db电桥的剩余两个端口分别通过第二变容二极管接地；还包括DAC，所述的DAC产生合适的直流电压调节所述的第二变容二极管的节电容。

本发明由于在中频信道中采用了中频交叉耦合滤波器，根据需要可实现群延时的无补偿状态、最大平坦补偿转台以及过盈补偿状态。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。

附图说明

附图1为本发明实施例Ku波段平坦群延时射频收发机框图；

附图2为本发明实施例中的可调群延时的中频滤波器电路图；

附图3为本发明实施例中中频滤波器具体结构图；

附图4为本发明实施例中中频滤波器中交叉耦合的移相调节电路图；

附图5为本发明实施例中中频滤波器群延时调节效果图。

附图6为本发明实施例中Ku波段低噪声放大器框图；

附图7为本发明实施例中Ku波段低噪声放大器具体电路图。

具体实施方式

实施例1，如图1所示，本实施例是一种平坦群延时射频收发机，利用这样的平坦群时延射频收发机可以构成平坦延时多路雷达收发机。如图1所示，该收发机包括：发射机和接收机；发射机和接收机通过双工器2汇接收发共用天线1；

接收机包括接收限幅器3、低噪声放大器4、下变频器5、接收中频滤波器6；收发共用天线1接收的射频信号(雷达信号)经双工器2依次经接收限幅器3、低噪声放大器4、下变频器5、接收中频滤波器6后，输出下行中频信号IF_DN。

发射机包括发射中频滤波器9、上变频器10、射频滤波器8以及功率放大器7，上行中频信号IF_UP依次通过发射中频滤波器9、上变频器10、射频滤波器8以及功率放大器7形成发射射频信号经双工器2接所述的收发共用天线发射1。

微波通信具有通信容量大、覆盖面广、保密性好、机动灵活、性能稳定可靠等优点。微波(射频)收发机是微波通信和雷达系统的核心部件，典型的射频收发机采用超外差变频结构。发射机的角色是将中频(或基带)信号上变频至微波波段进而发射，接收机的功能是将射频信号接收进而下变频至中频或基带信号。在频域上，射频发射机将中频或基带信号的频谱向上搬移至高频波段，而接收机则将高频波段向下搬移回中频或基带。为了保证中频信号经过射频收发后仍具有较高的信号质量(能够无损或低损的恢复初始的发射基带信息)，要求射频收发机具有良好的传输特性，在频域上，要求射频收发机在通信带宽内具有平坦的幅度特性，在时域上，要求射频收发机在通信带宽内具有平坦的群延时。

本实施例中，Ku波段典型的射频收发机链路如图1所示，收发机共用天线1，发射机和接收机通过双工器2汇接。接收机包含接收限幅器3、低噪声放大器4、下变频器5、接收中频滤波器6等模块，发射机包含发射中频滤波器9、上变频器10、射频滤波器8以及功率放大器7等模块。为了兼顾射频链路性能和成本，射频频段的滤波器(以及双工器)带宽可适当放宽50～100％，较宽的滤波器带宽有利于降低射频的损耗。但较宽的射频滤波器成比例的带来额外噪声，为了去除有用信号带外的噪声，需在收发中频处插入窄带滤波器，窄带(仅比有用信号带宽大20％)滤波器可有效的抑制噪声水平，降低发射机的宽带发射噪声，也同时能够降低接收机的本底噪声。

在射频链路中，滤波器起着低损耗通过带内信号、抑制带外信号的特性。用于宽带通信的射频链路中使用的滤波器除了要求一定的幅频滤波特性以外，还要求传输的信号失真度不超过允许范围。信号的失真度由滤波器的相频特性描述，良好无失真的射频信道(或射频器件)具有线性的相位特性，在时域表现为平坦的群延时特性。

常规滤波器的群延时在通带中心群延时较低，在滤波通带边缘群延时较大，为了使群延时波动满足一定范围，在通信设计中，通信的带宽只能占用滤波器有效带宽的1/3～1/2，有相当比例的滤波器带宽由于群延时超标而不能使用。为了尽可能的利用滤波器的通带，业界开发了具有平坦群延时的滤波器，通过引入交叉耦合等手段，滤波器的群延时具有最大平坦特性，使得滤波器的可用带宽达到通带带宽的2/3。

本实施例中，窄带滤波器是射频链路群延时波动的主要原因，滤波器在通带边缘的群时延失真最大，如果只使用滤波器通带中心群延时平坦的部分，又会导致滤波器带宽浪费，多余的噪声功率进入导致底噪抬高。为解决这个问题，业界开发了基于交叉耦合的平坦群延时滤波器。即通过交叉耦合，在滤波器中引入多个路径的信号传输，利用某个路径的群延时反向趋势对其他路径的群延时进行补偿，从而在滤波器带内实现最大带宽的平坦群延时。良好设计的交叉耦合滤波器可实现平坦群延时的带宽可达到滤波器幅度带宽的65～85％,较常规滤波器的50％群延时可用带宽有较大提高。滤波器的交叉耦合技术较为复杂，成本较高，一般在射频链路中不宜使用多个交叉耦合滤波器。一个较好的策略是链路中仅使用一个交叉耦合滤波器，而其他滤波器为常规滤波器，希望交叉耦合滤波器具有反向的群延时补偿功能，或者交叉耦合滤波器具有群延时调节功能，能够根据链路中其他器件的群延时特性即时调整，从而实现整个链路的群延时平坦特性。

本实施例中，射频滤波器和双工器即采用了常规的滤波器，为了降低射频前端的损耗，滤波器带宽较宽，信号频谱尽量处于射频滤波器的带宽中心。本实施例中，接收中频滤波器和发射中频滤波器分别为中频交叉耦合滤波器；中频交叉耦合滤波器包括：包含8个微带线谐振器的滤波器本体；用于实现群延时的反向补偿功能的第一交叉耦合电路41、第二交叉耦合电路42，交叉耦合滤波器应用于中频，接收链路和发射链路各用一个，该滤波器的结构如图2所示。中频交叉耦合滤波器主要分为三部分，分别是滤波器本体(包含8个微带线谐振器)、第一交叉耦合电路41：第二交叉耦合电路42。两路交叉耦合电路用于实现群延时的反向补偿功能，在本实施例中，交叉耦合电路采用移相器设计如图4所示。交叉耦合移相调节电路包括3db电桥424，与不同的微带线谐振器交叉耦合的输入和输出分别与3dB电桥424的两个端口连接，3dB电桥的剩余两个端口与电压控制端口相连并通过变容二极管接接地。

交叉耦合滤波器的细节具体如图3所示，交叉耦合的输入和输出分别与3dB电桥424的两个端口连接，3dB电桥424的剩余两个端口与变容二极管连接，通过外部控制电压即可实现移相器的相位调节，进而改变滤波器交叉路的耦合信号相位，从而实现滤波器群延时的调节。滤波器的输入/输出端口401分别设置在包含8个微带线谐振器402的滤波器本体40两端，第一交叉耦合电路41或第二交叉耦合电路42的两个交叉耦合端421、422分别接微带线谐振器402，压控变容二极管425上的控制电压423分别由雷达控制系统提供。这里，两个交叉耦合端421、422是通过空间耦合的，即两个平导线行的放置，两者之间就有了一定的电气连接，这类似于滤波器本体40的滤波器的输入/输出端口401和402与输入、输出端耦合连接。另外，滤波器本体40中微带线谐振器402的数量根据实践可以调整，微带线谐振器402的数量变化，两个交叉耦合端421和422所处的位置会发生变化，两者的位置并不一定对称，至于如何变化，本领域技术人员可以通过计算仿真得知。

本发明所示的中频滤波器具有群延时调节功能，根据需要可实现群延时的无补偿状态、最大平坦补偿转台以及过盈补偿状态。其中过盈补偿能够补偿其他常规滤波器的群延时波动，一条射频链路使用一个基于交叉耦合的中频滤波器即可实现整条链路的群延时平坦性，具有较高的性价比。

如图5所示，是本实施例中频滤波器的群延时调节效果，如图5所示，100所指示的曲线代表无补偿的情况下的曲线，200代表平坦补偿情况的曲线，300代表过盈补偿曲线。

本实施例中，低噪声放大器和功率放大器分别为具有反馈相位可调节的宽带低噪声放大器；宽带低噪声放大器包括第一互补性金属氧化物场效应管M1和第二互补性金属氧化物场效应管M2；第一互补性金属氧化物场效应管M1采用共源结构，其中漏极和栅极之间引入第一反馈回路，源极接地；在第一反馈回路中加入第一相位调节结构。

第二互补性金属氧化物场效应管M2采用共栅结构，在漏极和源极之间引入第二反馈回路；在第二反馈回路中加入第二相位调节结构。

待放大的射频信号从第一互补性金属氧化物场效应管M1的栅极输入，经第一互补性金属氧化物场M1效应管的漏极后接第二互补性金属氧化物场效应管M2的源极，最后放大的射频信号从第二互补性金属氧化物场效应管M2的漏极输出。

第一反馈回路和第二反馈回路分别包括用于将输出信号延迟设定相位后反馈给输入端的移相器。移相器为相位可调节的移相器。

第一反馈回路和第二反馈回路分别包括第二3dB电桥和第二变容二极管，第一反馈回路或者第二反馈回路的输入端和输出端分别接第二3db电桥的两个端口，第二3db电桥的剩余两个端口分别通过第二变容二极管接地；还包括DAC，所述的DAC产生合适的直流电压调节所述的第二变容二极管的节电容。

微波通信系统中，宽带低噪声放大器具有重要的作用，对整个系统的性能指标有着举足轻重的影响。宽带低噪声放大器接收很宽频的小信号并对其进行放大，要求具有低噪声系数、高平坦度的增益、良好的宽带输入输出匹配、良好的功率线性度和良好的相位线性度。在正交频分复用系统中，为了避免相邻信道之间的相互干扰，放大器的的幅度线性度和相位线性度必须达到一定的指标。

针对宽带低噪声放大器的平坦幅度响应和平坦群延时特性的要求，本实施例中，提出了工作于12.5～15GHz频段，基于共源共栅反结构的极小型低噪声放大器。该放大器采用两只Ku波段互补性金属氧化物场效应管(CMOS)。第一只场效应管采用共源结构，其中漏极和栅极之间引入负反馈，用于提高放大器的稳定性，同时在反馈电路中加入相位调节结构，用于实现放大器幅度曲线和相位(群延时)曲线的调整。第二只场效应管采用共栅结构，在漏极和源极之间引入反馈回路，用于实现放大器的增益平坦性，同时在反馈回路中引入相位调节机构，实现放大器幅度和相位的调整。宽带低噪声放大器的原理框图如图6所示，其中T1和T3为一定电长度的传输线，用于将输出信号延迟一定相位后反馈给输入端，即T1和T3等效为移相器。如果T1和T3具有相位可调节功能，便可以实现反馈的调节功能，从而实现放大器幅度响应和相位响应的调节。

具有反馈相位可调节的宽带低噪声放大器电路如图7所示，传输线T1和T3采用第二3dB电桥和变容二极管配合实现，直流电压V1用于调节变容二极管的节电容，不同的节电容会对3dB电桥的输入和输出端产生不同的移相效果，从而实现放大器反馈信号的可调。该放大器在使用时，内部控制电路根据需要通过DAC产生合适的直流电压，驱动移相器产生需要的相移。应用移相反馈回路可以实现放大器增益平坦性和群延时平坦性。

Claims (7)

1.一种平坦群延时射频收发机，包括：发射机和接收机；所述发射机和接收机通过双工器汇接收发共用天线；

所述的接收机包括接收限幅器、低噪声放大器、下变频器、接收中频滤波器；所述的收发共用天线接收的射频信号经所述双工器依次经接收限幅器、低噪声放大器、下变频器、接收中频滤波器后，输出下行中频信号；

所述的发射机包括发射中频滤波器、上变频器、射频滤波器以及功率放大器，上行中频信号依次通过发射中频滤波器、上变频器、射频滤波器以及功率放大器形成发射射频信号经所述双工器接所述的收发共用天线发射；

其特征在于：所述的接收中频滤波器和发射中频滤波器分别为中频交叉耦合滤波器；所述的中频交叉耦合滤波器包括：

包含至少两微带线谐振器的滤波器本体；用于实现群延时的反向补偿功能的第一交叉耦合电路、第二交叉耦合电路。

2.根据权利要求1所述的平坦群延时射频收发机，其特征在于：所述的滤波器本体包含8个微带线谐振器。

3.根据权利要求1所述的平坦群延时射频收发机，其特征在于：所述的第一交叉耦合电路和第二交叉耦合电路中均包括交叉耦合移相调节电路，所述的交叉耦合移相调节电路包括3db电桥，与不同的微带线谐振器交叉耦合的输入和输出分别与3dB电桥的两个端口连接，3dB电桥的剩余两个端口与电压控制端口相连并通过变容二极管接接地。

4.根据权利要求1或2或3所述的平坦群延时射频收发机，其特征在于：所述的低噪声放大器和功率放大器分别为具有反馈相位可调节的宽带低噪声放大器；所述的宽带低噪声放大器包括第一互补性金属氧化物场效应管和第二互补性金属氧化物场效应管；

所述的第一互补性金属氧化物场效应管采用共源结构，其中漏极和栅极之间引入第一反馈回路，源极接地；在第一反馈回路中加入第一相位调节结构；

所述的第二互补性金属氧化物场效应管采用共栅结构，在漏极和源极之间引入第二反馈回路；在第二反馈回路中加入第二相位调节结构；

待放大的射频信号从所述的第一互补性金属氧化物场效应管的栅极输入，经所述的第一互补性金属氧化物场效应管的漏极后接所述的第二互补性金属氧化物场效应管的源极，最后放大的射频信号从所述的第二互补性金属氧化物场效应管的漏极输出。

5.根据权利要求4所述的平坦群延时射频收发机，其特征在于：所述的第一反馈回路和第二反馈回路分别包括用于将输出信号延迟设定相位后反馈给输入端的移相器。

6.根据权利要求5所述的平坦群延时射频收发机，其特征在于：所述的移相器为相位可调节的移相器。

7.根据权利要求4所述的平坦群延时射频收发机，其特征在于：所述的第一反馈回路和第二反馈回路分别包括第二3dB电桥和第二变容二极管，第一反馈回路或者第二反馈回路的输入端和输出端分别接第二3db电桥的两个端口，第二3db电桥的剩余两个端口分别通过第二变容二极管接地；还包括DAC，所述的DAC产生合适的直流电压调节所述的第二变容二极管的节电容。

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