CN116131875A - 一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，包括分离左右圆极化信号的90度耦合器、本振模块以及两个收发模块；所述本振模块用于将输入的参考频率信号进行移相、倍频、放大以及I/Q分裂，并将产生的正交本振信号发送至两个收发模块；每个收发模块包括发射部分和接收部分；每个收发模块能在发送模式和接收模式之间切换，所述本振模块同时向两个收发模块的发射部分、接收部分发送本振信号；所述90度耦合器包括两个输出端口和两输入端口；一个收发模块与一个90度耦合器的一输出端口连接。

Description

一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机。

背景技术

雷达探测和无线通信是射频收发机芯片的两种主要用途。两种用途的射频收发机芯片均具有一收一发两大功能：发射功能是指在给定的频率范围内，产生雷达或通信所需的电磁信号并经由天线向自由空间发射；接收功能是指将天线接收的电磁信号进行放大、变频、移相等操作，转换为低频基带模拟信号，用来送入模数转换器采样为数字信号。

雷达探测和无线通信两类收发机又具有诸多性能要求上的不同：对于雷达收发机来说，接收和发射必须同时开启。而发射的电磁信号功率往往比接收信号高80dB(即一亿倍)左右。因此，发射信号对于接收信号的干扰就是雷达收发机所面临的最大挑战。在雷达收发机中，为了解决这一问题，主要存在如下两种解决方案：

1.双天线方案

顾名思义，双天线方案就是将收发机的发射部分和接收部分在物理空间上隔开，使用隔离开的两个天线分别进行发射和接收。这一方案虽然具有较好的隔离性能，但相比发射和接收一体的单天线方案，考虑到两个天线需要保持一定的间距，其所需要的天线面积是单天线方案的两倍以上。

双天线方案的缺点在相控阵雷达中更加突出。通常，单一雷达收发机只能测量目标距离，以及目标远离或靠近自身的速度。要想判断目标的方位，雷达收发机往往采用相控阵工作方式，即将多个雷达收发机在一维直线上以一定间距排列，或者在二维平面上以网格排列。通过同一个信号到达阵列中不同雷达收发机的时刻不同，相控阵雷达可以测量目标的方位信息。目标方位的探测精度，往往和雷达收发机阵列天线所覆盖的面积(或者称为孔径)有关。孔径越大，对于目标的方位测量就越精确。使用双天线方案来组成相控阵雷达时，其发射天线和接收天线都只能占据全部天线孔径的一部分，相比同样孔径，但是每个天线都具有接收和发射功能的单天线雷达收发机相控阵，其方位探测能力更差。在给定的天线孔径下，双天线方案无法充分发挥应有的方位探测能力。

2.电平衡双工器

电平衡双工器(van Liempd,Barend,Benjamin Hershberg,Saneaki Ariumi,KubaRaczk owski,Karl-Frederik Bink,Udo Karthaus,and others,‘A+70-DBm IIP3Electrical-Balance Duplexer for Highly Integrated Tunable Front-Ends’,IEEETransactions on Microwave Theo ry and Techniques,64.12(2016),4274–86)的基本原理是将发射的雷达信号一分为二，一部分流入平衡端电阻而被耗散掉，一部分流入天线并被发射出去，天线端和平衡端保持了对称；被天线发射的雷达信号碰到被探测物体之后反射回来，这一雷达回波又被天线接收。而平衡端显然不会接收到雷达回波，因此，天线端和平衡端因为天线的接收信号而产生了不对称的差值。在雷达的接收部分，通过芯片上的感应线圈等器件，将天线与平衡端的差值信号取出，就得到了雷达的接收信号。在这个过程中，发射信号因为天线和平衡端保持对称而不产生差值，因而不会流入雷达接收部分造成干扰。

电平衡器的缺点是显而易见的，在发射部分它首先浪费了一半的功率在平衡端。在接收部分，其采用的取差值的方式也只能得到接收功率的一半。这是因为取差值实际上是感应出天线端高于两端平均功率的部分，而接收信号中的一半实际上被用来推高两端的平均功率，天线端最终高于平均功率的部分只剩下接收信号的另一半。从上面的分析可以看到，在雷达探测的整个过程中，电平衡双工器实现发射信号和接收信号的隔离，是以两次损失一半功率(即-6dB损耗)为代价的。

相比于雷达探测，用于无线通信的射频收发机不一定需要同时进行通信信号的接收和发送。目前主流的通信收发机工作方式有时分双工(TDD)和频分双工(FDD)两种，另外还有与雷达工作方式类似，同时发射和接收信息的全双工(FD)工作方式。在全双工方式中，高功率的发射信号对于微弱的接收信号的干扰仍然是主要的难点。

时分双工就是发射功能和接收功能在不同的时间启用的工作方式。同一时间天线仅负责发射或接收通信信号，从而避免了发射信号和接收信号之间的干扰问题。但是，这种通信方式显然无法应用于要求实时双向通信的场景。而且，在一定的时间段内其平均的双向通信速率，相比发射和接收同时工作的通信方式要低一半左右。

频分双工就是同时进行通信信号的发射和接收，但是两者的工作频段相互错开的工作方式。天线与发射模块，接收模块之间分别使用射频滤波器进行电学连接。这两个射频滤波器分别只允许发射和接收各自频段的通信信号通过。因此，发射信号被滤波器隔绝在接收模块之外，天线收到的接收信号也不会进入发射模块造成损耗。频分双工的缺点就是需要两个不同的工作频段，而为了实现发射和接收的充分隔离，两个工作频段之间还需要保留一定的频率间隔，因此整个收发机系统所需要的频率范围要比其他工作方式大两倍以上。现实中，自由空间的频段是非常宝贵的资源，大部分民用频段均需支付不菲的授权费用才能使用。因此，频分双工的通信方式具有较低的频谱效率以及经济效益。

相比时分双工和频分双工，全双工通信方式与雷达工作模式类似，即同时在同一频段进行信号的接收和发送。因此全双工通信相比前述的时分双工和频分双工具有延时低、双向通信速率快、频谱效率高的优势。全双工通信收发机所面临的困难与前述雷达收发机所面临的困难相同，均需要解决发射信号对于同频段接收模块的强干扰。因此，雷达中使用的双天线方案和电平衡双工器方案均可用于全双工工作方式。两者的缺点也与雷达用途时的缺点相同，前文已经进行过描述。除了前文描述的两种全双工方案以外，还有仅适用于全双工通信的线极化分集全双工通信方案。

自由空间中传播的平面电磁波，按照线极化进行区分，可分为水平极化和垂直极化。两者的区别在于电磁波中电场是在水平方向振荡还是在垂直方向振荡。天线是发射水平极化还是垂直极化的电磁信号，取决于天线两级的摆放方式是水平的还是垂直的。将发射和接收模块配置在两种线极化方向，并分别使用紧凑摆放在两种极化方向上的天线，就是采用线极化分集的全双工通信方案。

线极化分集的全双工通信(T.Dinc,A.Chakrabarti,and H.Krishnaswamy,“A60GHz CMOS Full-Duplex Transceiver and Link with Polarization-Based Antennaand RF Cancellation,”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.51,no.5,pp.1125–1140,May 2016,doi:10.1109/JSSC.2015.2507367.)用于发射的和接收的天线紧密排列在一起。按照馈线位置不同，两个天线发射或接收的是两个垂直极化方向上的电磁信号，因此其互相之间的干扰大大减小。然而，两个相同的收发机面对面进行通信时(T.Chi,J.S.Park,S.Li,and H.Wang,“AMillimeter-Wave Polarization-Division-Duplex Transceiver Front-End With an On-Chip Multifeed Self-Interference-Canceling Antenna and an All-Passive Reconfigurable Canceller,”IEEE Journalof Solid-State Circuits,vol.53,no.12,pp.3628–3639,Dec.2018,doi:10.1109/JSSC.2018.2878823.),两个收发机互相之间的角度必须保持严格的90度。如此才能保证一个收发机的发射天线与另一个收发机的接收天线处于同一个朝向，发射天线发射的线极化通信信号能够被接收天线顺利地接收下来。这大大制约了该方案的实际场景。另一方面，大部分物体在被平面电磁波照射时，其反射的电磁波并不会改变其线极化方向，处于另一个线极化方向上的接收天线无法收到物体反射回来的电磁信号。因此，线极化方案无法应用于雷达用途。

综上所述，对于雷达收发机和通信收发机，目前没有既不增加额外损耗，又大幅降低发射信号对于接收模块的强烈干扰，同时进行发射和接收双向通信，且能够兼具雷达和通信双重功能的集成射频收发机芯片方案。

发明内容

本发明提供一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，目的是在不引入额外功率损耗、不需要接收与发射各自独立天线的要求下，既可用于雷达探测，又可用于全双工或时分双工通信的一种多模射频收发机。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，包括第一90度耦合器、本振模块以及两个收发模块；所述本振模块用于将输入的参考频率信号进行移相、倍频、放大以及I/Q分裂，并将产生的正交本振信号发送至两个收发模块；

每个收发模块包括发射部分和接收部分；每个收发模块在发送模式和接收模式之间切换，所述本振模块同时向两个收发模块的发射部分、接收部分发送本振信号；

所述第一90度耦合器包括两个输出端口和两输入端口，两个收发模块分别与第一90度耦合器的输出端口连接。

进一步地，所述本振模块包括第一功率放大器、与第一功率放大器连接的第一四倍频器以及与第一四倍频器连接的两条放大路线。

进一步地，所述两条放大路线均包括依次连接的移相器、第二功率放大器、第二四倍频器、第三功率放大器；所述第一四倍频器的输出端分别与每条放大路线的移相器连接，每条放大路线的第三功率放大器分别与各自放大线路的第二90度耦合器连接。

进一步地，90度耦合器包括两条金属和四个端口；两条金属以设置的间距并行，并在四分之一波长的距离形成耦合线，耦合线的中部交叉，以相互交换走线方向；耦合线的磁场和电场相互耦合；

两条金属以设置的间距并行四分之一波长的距离形成耦合线，并在耦合线的中部交叉，以相互交换走线方向；耦合线的磁场和电场相互耦合。

进一步地，当信号进入90度耦合器的第一端口时，信号将从90度耦合器的第二端口和第三端口输出，第二端口和第三端口输出信号幅度相同，第三端口输出信号相比第二端口滞后90度，第四端口没有信号输出；

将第二端口和第三端口接入圆极化天线的两组馈线时，第一端口输入的信号将经过第二端口、第三端口并使得圆极化天线辐射左旋极化电磁波；

当信号由90度耦合器的第四端口输入耦合器时，信号从第二端口和第三端口以等幅度输出，此时第二端口相比第三端口的相位滞后90度，在第一端口上没有信号输出，且接入圆极化天线后辐射的将为右旋极化电磁波。

进一步地，发射部分包括上变频器和射频功率放大器；接收部分包括低噪声放大器和下变频器；所述本振模块将输入的参考频率信号进行16倍频、移相、放大、I/Q两路分裂，同时向两个收发模块分别输出本振或雷达信号；

当收发模块处于雷达发射模式时，将从本振模块接收到的雷达信号经过射频功率放大器输出至对应的第一90度耦合器端口；当收发模块处于通信发射模式时，从本振模块接受的本振信号与输入的I、Q两路差分输入数据信号通过上变频器混频，形成射频通信信号，再经射频功率放大器输出至对应的第一90度耦合器端口；

当收发模块处于雷达或通信接收时，从对应的第一90度耦合器端口接收到的射频接收信号经过低噪声放大器放大后送入下变频器，同时与从本振模块收到的本振或雷达信号混频，形成I、Q两路基带输出信号。

进一步地，根据用途可切换为两种雷达模式、两种全双工通信模式以及两种时分双工通信模式。

进一步地，雷达模式1：向本振模块输入低频参考雷达扫频信号，该信号通过本振模块的倍频与放大形成雷达发射信号；关闭两个收发模块的基带信号输入，将接入第一90度耦合器的第一端口的第一收发模块切换为发射模式，接入第四端口的第二收发模块切换为接收模式；本振模块向接入第一端口的第一收发模块发送的雷达扫频信号，经上变频器被射频功率放大器放大后输出到第一90度耦合器的第一端口；扫频雷达信号通过第一90度耦合器的第一端口，驱动天线发射左旋极化的扫频雷达信号；该电磁信号在遇到外界探测目标后，被反射成为右旋极化信号；

与此同时，接入第四端口上第二收发模块切换为接收模式，照射到天线的右旋极化信号被天线接收以后，信号最终汇聚在第四端口，信号被第二收发模块的低噪声放大器放大、下变频器混频，最终形成I、Q两路基带差分信号作为整个系统雷达模式的输出，可接入外部数模转换器采样得到数字信号；

雷达模式2：向本振模块输入低频参考雷达扫频信号，该信号通过本振模块的倍频与放大形成雷达发射信号；关闭两个收发模块的计算信号输入，接入第一90度耦合器的第四端口的第二收发模块切换到发射模式，本振模块向第二收发模块提供的雷达扫频信号通过上变频器并经过射频功率放大器输出到第一90度耦合器的第四端口，发射的雷达扫频信号经过第一90度耦合器和天线，以右旋极化的形式发射到自由空间；目标反射产生的左旋极化信号被天线接收以后第一90度耦合器汇聚到第一端口，接入第一端口的第一收发模块切换至接收模式，信号被第一收发模块的低噪声放大器放大，并在下变频器中与来自本振模块的雷达发射信号混频，形成I、Q两路基带差分输出信号。输出信号可接入外部数模转换器采样得到数字信号。

进一步地，全双工通信模式1：向本振模块的参考频率端输入定频的低频参考信号，接入第一端口的第一收发模块切换为发射模式，本振模块的参考频率端输入定频信号作为通信本振，接入第四端口的第一收发模块切换到发射模式，并向该收发模块输入所需发送的I、Q两路通信基带信号，通信基带信号与本振模块输出的本振信号在第一收发模块的上变频器中混频，从而形成通信射频信号，再通过该收发模块的射频功率放大器传输至第一90度耦合器的第一端口，将通信信号转化为左旋极化电磁波的通信信号对外发射；

同时，接入第四端口的第二收发模块切换为接收模式，照射到天线的右旋极化通信信号被天线接收后，信号汇聚在第一90度耦合器的第四端口，通过第四端口传输至接入第四端口的第二收发模块，被第二收发模块放大、下变频为I、Q两路基带信号差分输出，该输出信号可通过数模转换器进行采样和计算后得到接收到右旋极化电磁波中调制的通信信号；

全双工通信模式2：本振模块的参考频率端输入定频信号作为通信本振，接入第四端口的第二收发模块切换到发射模式，并向该收发模块输入所需发送的I、Q两路通信基带信号，经过上变频器和射频功率放大器的调制放大以后，发射通信信号以右旋极化被天线发射到自由空间，同时，接在第一端口的收发模块切换至接收模式，天线接收到的左旋极化通信信号经过第一端口被第二收发模块的接收模式放大并下变频成为I、Q两路基带信号输出。

进一步地，时分双工发射模式：本振模块的参考频率端口输入定频通信本振信号，两个收发模块均切换至发射模式，向两个收发模块各自输入不同的基带数据信号，两个收发模块将把各自的基带数据信号经过上变频和射频功率放大器放大，成为两路不同的射频信号，并分别通过第一端口、第四端口两路端口输出，第一端口、第四端口两路端口的射频信号将被分别转化为左旋极化和右旋极化电磁信号发射出去；

时分双工接收模式：本振模块的参考频率端口输入定频通信本振信号，两个收发模块均切换至接收模式，天线同时接收左旋极化和右旋极化两种电磁信号，并将两种圆极化的信号分别在第一90度耦合器的第一端口、第四端口输出；接入第一端口、第四端口的两个收发模块均处于接收模式，将接收的信号进行放大、下变频至基带信号并输出。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明结构紧凑，在一对圆极化天线上同时实现了信号的发射与接收。当把多台所述射频收发机芯片组成阵列进行工作时，不管是发射还是接收均同时利用了所有的天线。对比同样天线面积，但将发射天线与接收天线分开放置的传统射频收发机阵列，作为雷达用途时本发明的角度分辨率更加精细；作为通信用途时，本发明的波束汇聚能力更强，在相同功率下通信距离更远。

(2)本发明在以雷达或全双工通信方式工作时，对比电平衡器原理的射频收发机，不会在接收和发射过程中引入平衡端功率损失。使得本发明发射射频信号时能耗更低，接收射频信号时增益更大，雷达探测或无线通信距离更远。

(3)相比传统采用频分双工的通信射频收发机，本发明接收和发射采用同一频段，其频谱利用率更高，在需支付频段授权费用的背景下经济性更佳。

(4)相比采用线极化分离的射频收发机，本发明采用圆极化作为雷达或通信信号的载波，因此能够利用物体反射圆极化信号时反转极型的特性，进行雷达探测。与线极化全双工射频收发机要求两个收发机的朝向严格保持90度夹角不同。本发明在进行全双工无线通信时，两个收发机只需天线面对面即可，两收发机的朝向不影响圆极化信号的接收和发送。

(5)与传统时分双工通信收发机相比，本发明在时分通信模式下，可完全利用两种圆极化载波信号，同时传输两路数据信号，其因此信息传递速率是传统时分双工通信系统的两倍。更加适合于单向高速的无线通信场景。

附图说明

通过结合附图对本发明的实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将会变得更加清楚，其中：

图1为本发明所描述的射频收发机结构框图；

图2为本发明实施例的90度耦合器结构示意图；

图3为本发明实施例的本振模块结构示意图；

图4为本发明实施例的射频收发模块结构示意图。

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。

如图1所示，本实施例的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，包括分离左右圆极化信号的第一90度耦合器、本振模块以及两个相同的收发模块(第一收发模块1和第二收发模块2)。每个收发模块包括发射部分和接收部分。所述发射部分包括射频功率放大器和上变频器，所述接收部分包括低噪声放大器和下变频器。

作为其中一种优选的实施例，如图2所示的90度耦合器的芯片版图，芯片从衬底到芯片表面，具有11层金属互连线，距离衬底最近的一层金属称为M1，从M1开始距离芯片表面更近的金属互连层成为M2，由此依次称作M3到M11。其中M11距离芯片上表面最近，是芯片的最外层金属互联线层。每一层金属互连线层均可设计一定形状的金属图案，且上下相邻的金属互连线之间可通过通孔相互连接。因此特定形状的金属互连线可形成不同的无源射频器件。

在图2所述的90度耦合器版图示意图中。图案M1～M10表示该区域M1、M2……一直到M10一共十层的金属互连线通过通孔互相连接，形成用于屏蔽的金属墙。图案M1～M2表示M1和M2两层金属互相连接在一起，铺满90度耦合器的大部分区域形成90度耦合线的地平面。M10表示单层M10金属。M11表示单层M11金属。在所述90度耦合器中，使用M10金属线作为四个端口的电学连接。两条M10金属线在90度耦合器中部并行。在并行的中部，连接第一端口1的M10金属线通过M11跨过另一根M10金属线直通第三端口3：连接第四端口4的M10金属线直接交换到另一边与第二端口2相连。同时两条线底部金属地平面挖空。两金属线的间距、地平面挖空的间距，整体的长度尺寸已由图2标出。通过调节金属线之间并行的间距，以及地平面挖空的宽度，可以实现两条金属线之间恰当的耦合。

当射频信号由第一端口1进入90度耦合器时，信号将由第二端口2和第三端口3输出，第二端口2和第三端口3输出信号幅度相同，但第三端口3输出信号相比第二端口2滞后90度。而第四端口4几乎没有信号输出。因此将第二端口2和第三端口3接入圆极化天线的两组馈线时，耦合线第一端口1输入的信号将经过第二端口2、第三端口3并使得圆极化天线辐射左旋极化电磁波；当信号由第四端口4输入耦合器时，信号同样由第二端口2和第三端口3以等幅度输出，此时的相位是第二端口2相比第三端口3滞后90度，而在第一端口1上几乎没有信号输出，且接入圆极化天线后辐射的将是右旋极化电磁波。

由于天线与90度耦合器组成的无源电磁结构具有互易性，在接收信号时，其信号将沿着上述发射路径反向传播。当天线接收左旋极化信号时，信号将最终在第一端口输出，而在第四端口4没有信号。当天线接收右旋极化信号时，信号最终在第四端口4输出，而在第一端口1没有信号。所以，90度耦合器可以实现两种圆极化的分离功能。

如图3所示，所述本振模块包括移相器、第一倍频器、第二倍频器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器以及第二90度耦合器，以上所有结构均可使用半导体工艺生产并集成在一片芯片中。

作为另一种优选的实施例，本振模块将输入的参考频率信号进行16倍频、移相、放大、I/Q两路分裂。由外部输入的参考频率信号经过第一功率放大器放大和第一四倍频器倍频以后，分为两路进入移相器获得各自独立的相位，再经第二功率放大器放大、第二四倍频器倍频，以及第三功率放大器放大后，获得与输入参考信号的16倍频经移相信号。两路该信号通过各自上述的第二90度耦合器，各自分裂为功率相同，相位相差90度的I、Q正交本振信号，分别输入第一收发模块1和第二收发模块2。

所述射频收发机在用于雷达用途时，输入的参考频率信号应为雷达扫频信号；在用于通信用途时，参考频率信号应为定频信号。

每个收发模块是一种无射频开关的射频收发模块。如图4所示，每个收发模块包括发射部分和接收部分。发射部分包括上变频器和射频功率放大器；接收部分包括低噪声放大器和下变频器。使用时所述射频收发机的两个收发模块分别在发射模式和接收模式之间切换。

在发射模式时，发射部分打开，收发模块的上变频器和射频功率放大器偏置电压调整到预设值，同时接收部分关闭,此时收发模块可将差分输入的I、Q两路通信信号或扫频雷达信号经过射频功率放大器放大输出；在收发模块的接收模式，发射部分各电路偏置电压调至0，使得发射部分关闭。接收部分的偏置电压调整至预设值。接收部分正常工作，将射频端口输入的微弱电磁信号经过放大后由下变频器还原为I、Q两路基带信号差分输出，输出信号可供模/数转换器采样成为数字信号。

所述90度耦合器的第一端口1和第四端口4分别接入两个收发模块的射频端口(见图4)，第二端口2和第三端口3接入圆极化天线的两条馈线。每一个收发模块可以在发送模式和接收模式之间切换。同时本振模块同时向两个收发模块的上、下变频器提供本振信号。

所述射频接收机根据用途可切换为两种雷达模式、两种全双工通信模式以及两种时分双工通信模式。雷达用途只需单个所述射频收发机即可；全双工或者时分双工通信模式由两台所述射频收发机互相之间进行无线通信。

雷达模式1：

在该模式下向本振模块的参考频率端输入扫频雷达信号，关闭两个收发模块的基带信号输入，并将接入第一90度耦合器的第一端口1的收发模块切换为发射模式，接入第四端口4的收发模块切换为接收模式。本振模块向接入第一端口1的第一收发模块1提供的雷达扫频信号通过上变频器并经过射频功率放大器放大后输出到第一90度耦合器的第一端口1。根据第一90度耦合器的原理,扫频雷达信号将被第一90度耦合器转化为具有功率相等、相位相差90度的两股雷达信号经过第二端口2、第三端口3输出，驱动天线发射左旋极化的扫频雷达信号；该电磁信号在遇到外界探测目标后，被反射成为右旋极化信号。

与此同时，接入第四端口4上的第二收发模块2切换为接收模块。照射到天线的右旋极化信号被天线接收以后，同样根据第一90度耦合器的原理，信号最终汇聚在第四端口4，信号被第二收发模块2的低噪声放大器放大、下变频器混频成为I、Q两路基带信号差分输出至外部的数模转换器。通过外部的数模转换器进行采样和计算后得到目标的距离信息和速度信息。从而实现雷达功能。

雷达模式2：

该模式与雷达模式1极型相反，所述射频收发机发射右旋极化的雷达扫频信号，接收左旋极化的目标反射信号。

在雷达模式2下，依然向本振模块的参考频率端输入雷达扫频信号，关闭两个收发模块的计算信号输入。不同的是，接入第四端口4的第二收发模块2切换到发射模式，本振模块向接入接入第二收发模块2提供的雷达扫频信号通过上变频器和射频功率放大器放大输出，其发射的雷达扫频信号经过第一90度耦合器和天线，以右旋极化的形式发射到自由空间。外界等待雷达探测的物体反射产生的左旋极化信号被天线接收以后由第一90度耦合器汇聚到第一端口1。接入第一端口1的收发模块1切换至接收模式，信号同样以I、Q两路基带信号差分输出至外部的数模转换器。通过外部的数模转换器进行采样和计算后得到目标的距离信息和速度信息。从而实现雷达功能。

由于两种模式发射和接收的圆极化电磁信号极型不同，因此如果同一环境之中的两个所述射频收发机同时进行雷达探测，只要两者工作在不同的雷达模式，彼此之间的雷达信号就不会互相干扰。可同时独立工作。

全双工通信模式1：

在全双工通信模式1下，向本振模块的参考频率端输入定频信号作为通信本振。接入第一端口1的第一收发模块1切换为发射模式，由外界数模转换器产生的I、Q两路基带通信信号输入收发模块1的上变频器。两路基带信号被上变频器调制到射频频率后通过射频功率放大器，由第一端口1进入第一90度耦合器。根据前述第一90度耦合器的原理，该通信信号被转化为左旋极化的通信信号对外发射。

与此同时，接入第四端口4的第二收发模块2切换为接收模块。照射到天线的右旋极化通信信号被天线接收以后，同样根据前述第一90度耦合器的原理，信号最终汇聚在第四端口4，信号被接收模块放大、下变频为I、Q两路基带信号差分输出。通过外部的数模转换器进行采样和计算后得到接收到右旋极化电磁波中调制的通信信号。

除了用于雷达用途以外，所述射频收发机还能实现全双工无线通信，以及时分双工无线通信功能。

全双工通信模式2：

该模式与全双工通信模式1极型相反，所述射频收发机把所需发送的通信信息调制到右旋极化电磁信号中，同时接收左旋极化的通信信号。

在全双工通信模式2下，依然向本振模块的参考频率端输入定频信号作为通信本振。不同的是，接入第四端口4的第二收发模块2切换到发射模式，并向该收发模块输入所需发送的I、Q两路通信基带信号。同样经过上变频器调制和射频功率放大器放大以后，所需发射的通信信号以右旋极化被天线发射到自由空间。同时，接在第一端口1的第一收发模块1切换至接收模式，天线接收到的左旋极化通信信号经过第一端口1被放大并下变频成为I、Q两路基带信号输出。

两台所述射频收发机分别按照上述两种全双工通信模式工作时，可以实现互相之间的实时全双工无线通信。其中一台工作在全双工通信模式1，另一台工作在全双工通信模式2。处于全双工通信模式1的收发机发射的左旋极化信号恰好可以被处于全双工通信模式2的收发机接收，反过来其发射的右旋极化无线通信信号也能被处于全双工通信模式1的所述射频收发机接收。实时全双工无线通信功能可用于双向时延要求苛刻，双向数据传输均有需求的无线通信场景。

除了雷达用途和全双工通信用途，所述射频收发机还可用于时分双工通信用途，该用途时所述射频收发机可工作在发射模式和接收模式。

时分双工发射模式：

在该模式下，向收发机本振模块的参考频率端口输入定频通信本振信号，两个收发模块均切换至发射模式。此时可向两个收发模块各自输入不同的基带数据信号，两个收发模块将把各自的基带数据信号经过上变频和功率放大，成为两路不同的射频信号，并分别通过第一端口1、第四端口4两路端口输出。如前所述，第一端口1、第四端口4两路端口的射频信号将被分别转化为左旋极化和右旋极化电磁信号发射出去。此模式下收发机具有两倍的通信信息发送速率，并不再接收信号。

时分双工接收模式：

仍然向收发机本振模块的参考频率端口输入定频通信本振信号，时分双工接收模式与时分双工发射模式相反，所述射频收发机的两个收发模块均切换至接收模式。天线可以同时接收左旋极化和右旋极化两种电磁信号，并将两种圆极化的信号分别在第一90度耦合器的第一端口1、第四端口4输出。接入第一端口1、第四端口4的两个收发模块均处于接收模式，将接收的信号进行放大、下变频至基带信号并输出，输出数据同样可供外部的模数转换器采样成为数字信号。此模式下收发机具有两倍的通信信息接收速率，并不再发送信号。

两台所述射频收发机可通过上述发射与接收模式实现时分双工用途，其中一台工作在时分双工发射模式，一台工作在时分双工接收模式，即可在两个圆极化方向上同时传输两路基带通信信号。

所述射频收发机无需调整配置硬件，仅需改变内部电路的偏置电压以及信号输入类型，即可在上述一共6种模式之间切换，完成雷达探测、全双工通信以及时分通信三种不同的用途。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，包括第一90度耦合器、本振模块以及两个收发模块；所述本振模块用于将输入的参考频率信号进行移相、倍频、放大以及I/Q分裂，并将产生的正交本振信号发送至两个收发模块；

每个收发模块包括发射部分和接收部分；每个收发模块在发送模式和接收模式之间切换，所述本振模块同时向两个收发模块的发射部分、接收部分发送本振信号；

所述第一90度耦合器包括两个输出端口和两输入端口，两个收发模块分别与第一90度耦合器的输出端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，所述本振模块包括第一功率放大器、与第一功率放大器连接的第一四倍频器以及与第一四倍频器连接的两条放大路线。

3.根据权利要求2所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，所述两条放大路线均包括依次连接的移相器、第二功率放大器、第二四倍频器、第三功率放大器；所述第一四倍频器的输出端分别与每条放大路线的移相器连接，每条放大路线的第三功率放大器分别与各自放大线路的第二90度耦合器连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，90度耦合器包括两条金属和四个端口；两条金属以设置的间距并行，并在四分之一波长的距离形成耦合线，耦合线的中部交叉，以相互交换走线方向；耦合线的磁场和电场相互耦合；

两条金属以设置的间距并行四分之一波长的距离形成耦合线，并在耦合线的中部交叉，以相互交换走线方向；耦合线的磁场和电场相互耦合。

5.根据权利要求4所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，当信号进入90度耦合器的第一端口时，信号将从90度耦合器的第二端口和第三端口输出，第二端口和第三端口输出信号幅度相同，第三端口输出信号相比第二端口滞后90度，第四端口没有信号输出；

将第二端口和第三端口接入圆极化天线的两组馈线时，第一端口输入的信号将经过第二端口、第三端口并使得圆极化天线辐射左旋极化电磁波；

当信号由90度耦合器的第四端口输入耦合器时，信号从第二端口和第三端口以等幅度输出，此时第二端口相比第三端口的相位滞后90度，在第一端口上没有信号输出，且接入圆极化天线后辐射的将为右旋极化电磁波。

6.根据权利要求1所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，发射部分包括上变频器和射频功率放大器；接收部分包括低噪声放大器和下变频器；所述本振模块将输入的参考频率信号进行16倍频、移相、放大、I/Q两路分裂，同时向两个收发模块分别输出本振或雷达信号；

当收发模块处于雷达发射模式时，将从本振模块接收到的雷达信号经过射频功率放大器输出至对应的第一90度耦合器端口；当收发模块处于通信发射模式时，从本振模块接受的本振信号与输入的I、Q两路差分输入数据信号通过上变频器混频，形成射频通信信号，再经射频功率放大器输出至对应的第一90度耦合器端口；

当收发模块处于雷达或通信接收时，从对应的第一90度耦合器端口接收到的射频接收信号经过低噪声放大器放大后送入下变频器，同时与从本振模块收到的本振或雷达信号混频，形成I、Q两路基带输出信号。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，根据用途可切换为两种雷达模式、两种全双工通信模式以及两种时分双工通信模式。

8.根据权利要求7所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，雷达模式1：向本振模块输入低频参考雷达扫频信号，该信号通过本振模块的倍频与放大形成雷达发射信号；关闭两个收发模块的基带信号输入，将接入第一90度耦合器的第一端口的第一收发模块切换为发射模式，接入第四端口的第二收发模块切换为接收模式；本振模块向接入第一端口的第一收发模块发送的雷达扫频信号，经上变频器被射频功率放大器放大后输出到第一90度耦合器的第一端口；扫频雷达信号通过第一90度耦合器的第一端口，驱动天线发射左旋极化的扫频雷达信号；该电磁信号在遇到外界探测目标后，被反射成为右旋极化信号；

与此同时，接入第四端口上第二收发模块切换为接收模式，照射到天线的右旋极化信号被天线接收以后，信号最终汇聚在第四端口，信号被第二收发模块的低噪声放大器放大、下变频器混频，最终形成I、Q两路基带差分信号作为整个系统雷达模式的输出，可接入外部数模转换器采样得到数字信号；

雷达模式2：向本振模块输入低频参考雷达扫频信号，该信号通过本振模块的倍频与放大形成雷达发射信号；关闭两个收发模块的计算信号输入，接入第一90度耦合器的第四端口的第二收发模块切换到发射模式，本振模块向第二收发模块提供的雷达扫频信号通过上变频器并经过射频功率放大器输出到第一90度耦合器的第四端口，发射的雷达扫频信号经过第一90度耦合器和天线，以右旋极化的形式发射到自由空间；目标反射产生的左旋极化信号被天线接收以后第一90度耦合器汇聚到第一端口，接入第一端口的第一收发模块切换至接收模式，信号被第一收发模块的低噪声放大器放大，并在下变频器中与来自本振模块的雷达发射信号混频，形成I、Q两路基带差分输出信号。输出信号可接入外部数模转换器采样得到数字信号。

9.根据权利要求7所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，全双工通信模式1：向本振模块的参考频率端输入定频的低频参考信号，接入第一端口的第一收发模块切换为发射模式，本振模块的参考频率端输入定频信号作为通信本振，接入第四端口的第一收发模块切换到发射模式，并向该收发模块输入所需发送的I、Q两路通信基带信号，通信基带信号与本振模块输出的本振信号在第一收发模块的上变频器中混频，从而形成通信射频信号，再通过该收发模块的射频功率放大器传输至第一90度耦合器的第一端口，将通信信号转化为左旋极化电磁波的通信信号对外发射；

同时，接入第四端口的第二收发模块切换为接收模式，照射到天线的右旋极化通信信号被天线接收后，信号汇聚在第一90度耦合器的第四端口，通过第四端口传输至接入第四端口的第二收发模块，被第二收发模块放大、下变频为I、Q两路基带信号差分输出，该输出信号可通过数模转换器进行采样和计算后得到接收到右旋极化电磁波中调制的通信信号；

全双工通信模式2：本振模块的参考频率端输入定频信号作为通信本振，接入第四端口的第二收发模块切换到发射模式，并向该收发模块输入所需发送的I、Q两路通信基带信号，经过上变频器和射频功率放大器的调制放大以后，发射通信信号以右旋极化被天线发射到自由空间，同时，接在第一端口的收发模块切换至接收模式，天线接收到的左旋极化通信信号经过第一端口被第二收发模块的接收模式放大并下变频成为I、Q两路基带信号输出。

10.根据权利要求7所述的一种具有雷达和通信功能的多模式圆极化射频收发机，其特征在于，时分双工发射模式：本振模块的参考频率端口输入定频通信本振信号，两个收发模块均切换至发射模式，向两个收发模块各自输入不同的基带数据信号，两个收发模块将把各自的基带数据信号经过上变频和射频功率放大器放大，成为两路不同的射频信号，并分别通过第一端口、第四端口两路端口输出，第一端口、第四端口两路端口的射频信号将被分别转化为左旋极化和右旋极化电磁信号发射出去；

时分双工接收模式：本振模块的参考频率端口输入定频通信本振信号，两个收发模块均切换至接收模式，天线同时接收左旋极化和右旋极化两种电磁信号，并将两种圆极化的信号分别在第一90度耦合器的第一端口、第四端口输出；接入第一端口、第四端口的两个收发模块均处于接收模式，将接收的信号进行放大、下变频至基带信号并输出。

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