CN115799825A

CN115799825A - 一种差分馈线功率合成收发一体天线及其应用

Info

Publication number: CN115799825A
Application number: CN202310042808.5A
Authority: CN
Inventors: 章新明; 牛旭磊; 何荣文
Original assignee: Shenzhen Xinshengsi Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Xinshengsi Technology Co ltd
Priority date: 2023-01-28
Filing date: 2023-01-28
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明为一种差分馈线功率合成收发一体天线及其应用。它为背馈式结构的天线，所述天线上设有发射接口TX1，与收发机的芯片设有的一路差分信号TXN连接；发射接口TX2，与收发机的芯片设有的另一路差分信号TXP连接；接收端口RX，与收发机的芯片设有的射频信号输入端口连接；以及天线的接地端GND，与收发机的接地端GND采用共地连接方式进行连接。所述天线在芯片中的应用，所述芯片为集成射频的SOC芯片。本发明的有益效果为：本发明能够使差分功率放大器输出简洁化，不但减小了模块尺寸，还可以有效提高发射功率，可以降低系统功耗和成本。它可用于低成本的毫米波雷达、Wi‑Fi收发器、5G客户端收发器等多重场景。

Description

一种差分馈线功率合成收发一体天线及其应用

技术领域

本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，特别是一种差分馈线功率合成收发一体天线及其应用，它可用于低成本的毫米波雷达、Wi-Fi收发器、 5G 客户端收发器等多重场景。差分馈电方式的功率合成收发一体天线使得差分功率放大器输出简洁化，不但减小了模块尺寸，还可以有效提高发射功率，可以降低系统功耗和成本。

背景技术

利用差分电路共模抑制能力来降低外来干扰常常用在集成射频的SOC芯片中，提供便利的同时，也带来了其他的一些问题。

差分接收电路的使用就是将输入的单端信号利用单端转差分的方式，来提高抗干扰能力的。而在射频发射电路，最终需要的是单端输出的信号，为了实现差分信号转单端信号常使用巴伦或者变压器完成这个功能，理论上采用巴伦进行变换以后，发射功率等于两路单独差分信号的功率和。然而，如果在芯片内部制作巴伦或者变压器，由于巴伦或者变压器是由电感制作的缘故，电感器件本身就会占用比较大的芯片面积，另一方面，电感具有涡流效应，所以它下面对应的其他金属层也不适合布线，进一步加大了对芯片面积的需求，增加了芯片成本。假如采用外置方式，就需要根据芯片频率和功率去选择与之相匹配的巴伦或者变压器，这样就增加了客户在使用芯片中的难度，抬高了物料成本。

还有一种方式就是差分输出的两路中的一路接50欧姆负载，另外一路接天线，这种应用虽然简化了芯片的使用方法，但是输出的功率只有一路信号，另外一路的信号被消耗到了负载上，以热的形式被消耗掉了。降低了能源的使用效率。

如果芯片的两路差分输出口都接天线，可以满足将发射功率全部发射的要求，但是，由于在信号位于两个天线上，加之接收也需要一面天线，增加pcb的面积和模块尺寸，不利于设备的小型化，并且增加了成本开支。

发明内容

本发明的目的在于：在于提供一种差分馈线功率合成收发一体天线及其应用。

本发明通过如下技术方案实现：一种差分馈线功率合成收发一体天线，它为背馈式结构的天线，所述天线上设有

发射接口TX1 11，与收发机的芯片设有的一路差分信号TXN连接；

发射接口TX2 12，与收发机的芯片设有的另一路差分信号TXP连接；

接收端口RX13，与收发机的芯片设有的射频信号输入端口连接；以及

天线的接地端GND14，与收发机的接地端GND14采用共地连接方式进行连接。

一种差分馈线功率合成收发一体天线在芯片中的应用，所述芯片为集成射频的SOC芯片。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

1、本发明能够使差分功率放大器输出简洁化，不但减小了模块尺寸，还可以有效提高发射功率，可以降低系统功耗和成本。

2、本发明可以在不需要巴伦或者变压器的情况下，直接在天线上实现功率合成，并将信号发射出去，同时接收也由该天线完成，做到了合路输出、收发一体和模块小型化的统一。

3、它可用于低成本的毫米波雷达、Wi-Fi收发器、5G 客户端收发器等多重场景。

附图说明

图1为本发明与收发机连接示意图；

图2为信息层的结构示意图；

图3为地层的结构示意图；

图4为辐射层的结构示意图；

图5为本发明沿着发射接口TX1、接地端GND、发射接口TX2所在连线的局部剖面图。

标号说明：11发射接口TX1、12发射接口TX2、13接收端口RX、14接地端GND、21辐射层、22第二介质层、23地层、24第一介质层、25信号层、26过孔。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

如图1-5所示：一种差分馈线功率合成收发一体天线，它为背馈式结构的天线，所述天线上设有

发射接口TX1 11，与芯片内收发机的差分发射端口的一路差分信号TXN（即互补端TXN路）连接；

发射接口TX2 12，与芯片内收发机的差分发射端口的另一路差分信号TXP连接（即同相位端TXP路）连接；

接收端口RX 13，与收发机的芯片的射频信号输入端口连接；以及

接地端GND 14，与收发机的接地端GND 14采用共地连接方式进行连接。

这里为了比较好的说明具体的连接关系，将收发机的芯片内的两路差分信号分别命名为TXN和TXP。芯片内的两路差分信号TXN和TXP输出经过相同距离的传输线分别接到天线的两个发射接口TX1和TX2上面。

所述天线的结构由下至上分别为辐射层21（一般是PCB板底层）、第二介质层22、地层23、第一介质层24、信号层25（一般是PCB板顶层）；所述辐射层21、地层23以及信号层25均为金属介质，所述辐射层21上设有天线振子作为辐射单元（也就是通常意义上的天线，其中介质层材料以及天线振子与地层距离影响天线参数）。

其中，天线对应发射接口TX1 11、发射接口TX2 12、接收端口RX 13以及接地端GND14的位置均设有过孔26；使得地层23经过孔26与辐射单元连接；信号层25的射频信号由过孔26连接到辐射单元，完成信号的馈入和馈出。

所述接地端GND 14所对应的过孔26位于天线的正中心；

所述发射接口TX1 11和发射接口TX2 12所述对应的过孔26位于接地端GND14对应的过孔26两侧且呈现中心对称；

所述接收端口RX13发射接口TX1 11和发射接口TX2 12所述对应的过孔26连线中心的垂直平分线上。

所述过孔26为上下贯穿天线的通孔。为了节省成本，将地层和辐射单元相连的过孔做成通孔，而不是盲孔。

所述天线振子为准对称的多边形或对称的多边形结构或圆形，这里的天线振子一般在底层，这个底层一般朝外对准被测运动物体或者被测单元。

天线结构和形状以及馈电点位置不同，会使得天线体现不同的性能，发明所述结构适用于其他形式的对称结构天线（主要是指天线振子的形状，因为一般意义上地层和介质层可以认为是无穷大的平面）。当然要求不高时，也可以是准对称的多边形。

一种差分馈线功率合成收发一体天线在芯片中的应用，所述芯片为集成射频的SOC芯片。具体可用于低成本的毫米波雷达、Wi-Fi收发器， 5G 客户端收发器等多重场景。

其工作原理如下：

下面结合具体实施例对本发明进行说明

以5.8GHz动感触发雷达模块为例说明。使用CMOS工艺设计制造的运动感应雷达触发芯片，体积小成本低而且功耗不高，配合PCB板天线做成雷达模块，可以安装在LED灯具内，实现人来开灯，人走延时灭灯的智慧照明，节省社会总体用电。目前楼宇走道内安装的红外感应自动灯，依靠菲涅尔透镜来将空间分区，使用差分输入热电堆来识别人体红外热辐射，虽然成本低廉，但因为LED发光发热，干扰红外探测器工作，因此红外感应探头需要独立安装。红外感应灯也就只适合新房新楼装修时一起安装，不方便进入千家万户。另外，用有机玻璃制造的菲涅尔透镜，天长日久容易老化，会降低红外传感器的灵敏度。另外，夏天南方楼宇内环境温度接近人体温度，很容易导致无法识别人类走动，导致人来了也不开灯的困难。使用多普勒测速原理的运动感应芯片来制造雷达感应模块，具有全天候工作的优点，可以直接放在灯具内。尤其是雷达模块放在球泡灯内，极大地方便了千家万户居民在自家楼道、衣帽间、储物间甚至厨房厕所使用。

然而，为了适应低成本的家用，雷达芯片需要很低的成本。5.8GHz运动感应雷达芯片里面有产生射频频率源的压控振荡器，有功率放大器，接收低噪声放大器，接收混频器，工作频率很低的中频放大器，以及模数转换器，MCU或者等效数字逻辑，来判断雷达触发信号。集成度如此高的SOC芯片，当然需要差分设计来降低芯片内部的干扰。但是，因为芯片内部的巴伦尺寸比较大，在芯片内部集成巴伦将差分转换为单端输出，增加了芯片成本。而在PCB板上使用巴伦成本偏高，雷达模块厂商在使用差分输出的雷达感应芯片的时候，实际上只将射频输出的同相端送到收发一体天线的发射端，而具有同等发射功率的互补输出端直接接到50欧姆匹配电阻上，这部分射频功率被浪费了。为了得到同样的探测距离，实际上会调高芯片的发射增益，于是芯片的工作电流升高了。

现在，按照本发明提供的原理，在原六角形收发一体天线的基础上，以接收RX和中心接地点GND为对称轴，将发射功率馈入点做镜像，产生另外一个发射功率馈入点，并将芯片功率放大器差分输出端，用严格等长的微带线走线方式，接入到这2个射频馈线点。在PCB板上，收发一体天线一般位于芯片的收发管脚正中央，差分输出的同相端和互补端到天线距离实际长度并不相等，所以要用差分走线的方式，先送到接近天线的位置，再分开。于是，差分馈入方式，比无巴伦的单端馈入方式，发射功率增加了接近3dB。比使用巴伦的方式，节省了一个巴伦的成本。采购无巴伦差分输出的雷达感应芯片，因为芯片面积比带巴伦的芯片面积小因而成本更低。

因为5.8GHz的1/4波长约13毫米，即使电路板尺寸只有20mmx20mm，也有足够的空间做PCB板天线，让运动感应雷达模组足够小，可以直接放入球泡灯内。如果是10GHz或者24GHz雷达，波长更短，PCB天线尺寸更小，整个雷达模组面积更小。总之，使用差分馈入方式的收发一体天线，可以降低成本，降低功耗，具有商业价值。广泛使用带运动感应雷达芯片的自动灯，可以节省电力，降低碳排放，为绿色环保做贡献。

最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种差分馈线功率合成收发一体天线，其特征在于：它为背馈式结构的天线，所述天线上设有

发射接口TX1（11），与收发机的芯片设有的一路差分信号TXN连接；

发射接口TX2（12），与收发机的芯片设有的另一路差分信号TXP连接；

接收端口RX（13），与收发机的芯片设有的射频信号输入端口连接；以及

天线的接地端GND（14），与收发机的接地端GND（14）采用共地连接方式进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种差分馈线功率合成收发一体天线，其特征在于：所述天线的结构由下至上分别为辐射层（21）、第二介质层（22）、地层（23）、第一介质层（24）、信号层（25）；所述辐射层（21）、地层（23）以及信号层（25）均为金属介质，所述辐射层（21）上设有天线振子作为辐射单元；

其中，天线对应发射接口TX1（11）、发射接口TX2（12）、接收端口RX（13）以及接地端GND（14）的位置均设有过孔（26）；使得地层（23）经过孔（26）与辐射单元连接；信号层（25）的射频信号由过孔（26）连接到辐射单元，完成信号的馈入和馈出。

3.根据权利要求2所述的一种差分馈线功率合成收发一体天线，其特征在于：所述接地端GND（14）所对应的过孔（26）位于天线的正中心；

所述发射接口TX1（11）和发射接口TX2（12）所述对应的过孔（26）位于接地端GND（14）对应的过孔（26）两侧且呈现中心对称；

所述接收端口RX（13）发射接口TX1（11）和发射接口TX2（12）所述对应的过孔（26）连线中心的垂直平分线上。

4.根据权利要求2或3所述的一种差分馈线功率合成收发一体天线，其特征在于：所述过孔（26）为上下贯穿天线的通孔。

5.根据权利要求2所述的一种差分馈线功率合成收发一体天线，其特征在于：所述天线振子为准对称的多边形或对称的多边形结构或圆形。

6.根据权利要求1-5任一项所述的天线在芯片中的应用，所述芯片为集成射频的SOC芯片。