CN116614334A - 基于介质波导双极化的振幅键控传输的方法、天线及设备 - Google Patents

基于介质波导双极化的振幅键控传输的方法、天线及设备 Download PDF

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CN116614334A CN202310735667.5A CN202310735667A CN116614334A CN 116614334 A CN116614334 A CN 116614334A CN 202310735667 A CN202310735667 A CN 202310735667A CN 116614334 A CN116614334 A CN 116614334A
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彭秋雨
邓伟
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Abstract

本发明公开了一种基于介质波导双极化特性的二进制振幅键控传输的方法、天线以及电子设备，涉及集成电路技术领域。基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号；对导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号；利用介质波导信道传输激励信号；接收辐射并将激励信号转换为导波信号；对导波信号进行处理。本发明实现介质波导的信道复用，等效加倍介质波导的信道容量，扩充介质波导的信道容量，显著提升通信速率但几乎不增加收发机电路的设计。有效解决低阶二进制振幅键控调制下的低频带利用率问题，提升最高可实现通信速率。

Description

基于介质波导双极化的振幅键控传输的方法、天线及设备
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种基于介质波导双极化特性的二进制振幅键控传输的方法、天线以及电子设备。
背景技术
二进制振幅键控调制因具备电路结构简单、实现成本低、功耗低、无需相干本振解调等特点而备受关注。在毫米波和太赫兹频段，随着可用带宽的增加，对通信数据率的要求不断提升。
而二进制振幅键控调制由于其自身低阶调制的特性导致频带利用率低下，无法充分利用毫米波和太赫兹频段高的信道容量，限制了高通信传输速率的实现。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于介质波导双极化特性的二进制振幅键控传输的方法、天线以及电子设备。
本发明实施例提供一种基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，所述方法包括：
基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号；
对所述导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号；
利用介质波导信道传输所述激励信号；
接收辐射，并将所述激励信号转换为所述导波信号；
对所述导波信号进行处理。
可选地，对所述导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号，包括：
对所述导波信号进行辐射，利用具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的辐射信号对所述介质波导进行双极化激励，产生HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号。
可选地，基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号，包括：
基于二进制振幅键控调制和双极化特性，调制电磁波，产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的X方向和Y方向传输的导波信号。
可选地，接收辐射，并将所述激励信号转换为所述导波信号，包括：
接收辐射，分别接收所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号；
对所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号进行转换，得到具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
可选地，所述辐射由片上或者片外天线产生。
本发明实施例还提供一种基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线，所述天线包括：发射端、接收端、第一双极化激励单元、第二双极化激励单元以及介质波导；
所述发射端，用于基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号，并将其传输至所述第一双极化激励单元；
所述第一双极化激励单元，用于对所述导波信号进行辐射，利用所辐射信号对所述介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号，并耦合进入介质波导信道；
所述介质波导信道，用于传输所述激励信号至所述第二双极化激励单元；
所述第二双极化激励单元，用于接收辐射，并将所述激励信号转换成所述导波信号，传输至所述接收端；
所述接收端，用于处理接收到的所述导波信号。
可选地，所述第一双极化激励单元，具体用于对所述导波信号进行辐射，利用具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号对所述介质波导进行双极化激励，产生HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号；
所述第二双极化激励单元，具体用于接收辐射，分别接收所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号，并对所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号进行转换，得到具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
可选地，所述第一双极化激励单元、所述第二双极化激励单元，均由具备双极化辐射能力的天线构成；
其中，所述具备双极化辐射能力的天线包括：十字领结天线、圆极化天线、偶极子天线、缝隙天线、介质加载天线。
可选地，所述辐射由片上或者片外天线产生。
本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备采用如上任一所述的基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，实现通信信号的收发。
本发明提供的基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，先基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号；接着对导波信号进行辐射，利用所辐射出去的辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号；之后利用介质波导信道传输激励信号；而接收端需要接收辐射，并将激励信号转换为发射端产生的导波信号；最后对导波信号进行处理。
本发明所提基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，通过正交的双极化激励实现两个独立的模式传输，进而实现介质波导的信道复用，等效加倍介质波导的信道容量，从而扩充了介质波导的信道容量，显著提升通信速率但几乎不增加收发机电路的设计。有效解决了低阶二进制振幅键控调制下的低频带利用率问题，进而有效提升最高可实现通信速率，具有极高的实用性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是目前基于介质波导信道的通信传输模型；
图2是目前介质波导应用在基于二进制振幅键控调制的收发机集成电路中，为了提高通信传输速率而设计的复杂的调制电路；
图3是本发明实施例一种基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法的流程图；
图4是本发明实施例中以聚四氟乙烯为例的主模HE11模，两个正交的简并模HE11Y、HE11X传输模式示意图；
图5是本发明实施例中基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线的传输框图；
图6是本发明实施例中以具体的元器件为例组成的电路结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
发明人发现，虽然二进制振幅键控调制具备电路结构简单、实现成本低、功耗低、无需相干本振解调等特点，但是当应用在毫米波和太赫兹频段，由于其自身低阶调制的特性，导致频带利用率低下，无法充分利用毫米波和太赫兹频段高的信道容量，限制了高通信传输速率的实现，即限制了二进制振幅键控调制在毫米波和太赫兹频段的应用。
发明人还发现，在系统数据传输过程中，影响最终通信速率的因素除了发射机和接收机的性能瓶颈之外，传输信道的特性也限制了高通信速率的实现。
而为了实现高的通信速率，一些低损耗，低时延的信道正在被研究和应用。发明人进一步研究发现，在毫米波和太赫兹频段，被广泛研究和应用的是介质波导信道。参照图1所示的基于介质波导信道的通信传输模型，Tx小时发射机，Rx表示接收机，两者利用介质波导传输通信信号。
与自由空间信道相比，介质波导具有低的单位距离传输损耗和群时延波动，进而提供了显著优于自由空间的高速传输环境，减轻了发射机和接收机自身的设计压力。例如：在100GHz下，利用介质波导信道可以轻松实现5dB/m的传输损耗，在10m的传输距离下仅有-50dB的衰减，而对应自由空间则有高达-90dB的传输衰减，在发射功率相同情况下，可以显著提高接收机端的信噪比。
除了低的传输损耗特性，介质波导也具有低的时延拓展特性，进而表现出无码间干扰的高通信数据传输的潜力。在毫米波和太赫兹频段，介质波导的尺寸也随频率升高而缩小，对于介质圆波导而言，直径减小至1mm级别，便于与系统进行集成化设计和连接，尤其在高速近距应用中，介质波导的低损耗和低时延拓展特性被广泛利用去实现高的信噪比和通信带宽，进而降低收发机的设计成本，同时实现高的通信速率。
但发明人更深入的研究后却发现，目前研究和应用在毫米波和太赫兹频段的介质波导，几乎都是对介质波导的损耗性能和时延性能进行研究、改进。为了提高通信传输速率，大多数应用是采取高阶调制的方法来提高频带利用率，但高阶调制自身需要更为复杂的调制电路设计和更高的功耗需求，不利于低成本低功耗的系统设计。
例如：参照图2所示的目前介质波导应用在基于正交高阶调制的收发机集成电路中，为了提高通信传输速率而设计的复杂的调制电路。通过采用倍频网络和正交移相网络产生高频载波，利用多电平序列调制载波从而实现高阶正交调制。其中在应用于毫米波和太赫兹频段的设计，往往需要多次倍频从而需要多级倍频电路设计，需要消耗更大的电路功耗和面积开销。而在毫米波，太赫兹频段下的差分正交移相设计要求具有好的差分性和正交特性，在实际设计中很难实现。本振泄露和镜像问题也在该结构中影响显著，往往需要设计额外的辅助电路进行校正，增加了电路的设计成本。在实际应用可以实现16QAM，64QAM等高阶调制方式从而提高通信速率，但电路开销的显著增大使其不适用于低功耗应用场景，限制了其应用范围。
通过上述研究发现，虽然上述电路结构提高了通信传输速率，但是电路结构复杂，控制逻辑也较为繁琐，显然并不能很好的适应当前发展和使用需求。在当前5G等高速通信应用场景需求不断增长之下，如何保持低复杂度的二进制振幅键控传输的特性，降低成本的同时，提高系统通信速率是一个亟需解决的问题。
为了解决上述问题，发明人创造性的提出本发明的一种基于介质波导双极化特性的二进制振幅键控传输的方法、天线以及电子设备，有效解决了低阶二进制振幅键控调制下的低频带利用率问题，进而有效提升最高可实现通信速率。以下对本发明所提一种基于介质波导双极化特性的二进制振幅键控传输的方法、天线以及电子设备，进行详细解释和说明。
参照图3，示出了本发明实施例一种基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法的流程图，基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法包括：
步骤301：基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
在目前已有的介质波导应用基础上，发明人区别于目前研究的以降低损耗性能和时延性能去提高通信传输速率的这个研究方向，而是创造性的以介质波导的极化特性为突破口，从这个方向去提高通信传输速率。
对于介质波导，其具有多模传输特性，以聚四氟乙烯为例：其主模HE11模是两个正交的简并模HE11Y、HE11X，如图4所示，并且在介质波导弯曲情形下仍能保证良好的正交特性。
发明人创造性的基于这个极化特性，提出通过正交的双极化激励介质波导，实现两个独立的模式传输，进而实现介质波导信道的复用，从而将通信容量加倍，显著提升通信速率而几乎不增加收发机电路的设计成本，有效解决了低阶二进制振幅键控调制下的低频带利用率问题。
首先，对于发射端(一般可以为发射机或者实现发射机功能的电路)来说，可以基于二进制振幅键控调制和双极化特性，产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
在一种可能的实施例中，可以基于二进制振幅键控调制和双极化特性，调制发射端电路产生的电磁波，从而产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的X方向和Y方向传输的导波信号。
步骤302：对导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号。
得到具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号后，需要对导波信号进行辐射，也即发出辐射，之所以发出辐射是为了使得介质波导中产生具有两个正交的简并模，实现两个独立的模式传输，这样才可以实现介质波导的信道复用。
由于辐射会得到辐射信号，因此可以利用所辐射出去的辐射信号对介质波导进行双极化激励，从而产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号。
具体的：可以对导波信号进行辐射，利用具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的辐射信号对介质波导进行双极化激励，从而产生HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号。
步骤303：利用介质波导信道传输激励信号。
由于介质波导被激励使其产生具有两个正交的简并模，因此利用其两个正交的简并模式传输激励信号，可以提供双极化传输，实现信道复用，从而在保证低成本的二进制振幅键控调制下实现高速数据传输。
步骤304：接收辐射，并将激励信号转换为导波信号。
介质波导利用介质波导信道传输具有两个正交的简并模传输特性的激励信号后，由于对于接收端(一般可以为接收机或者实现接收机功能的电路)来说，其不能直接对该激励信号进行处理，因此需要接收辐射，并将该激励信号转换为导波信号，才可以进行后续处理。
步骤305：对导波信号进行处理。
在接收端接收到导波信号后，再按照常规的流程或者方法，对对导波信号进行处理，从而实现通信信号的收发。
需要说明的是，上述步骤中，无论是发出辐射，还是接收辐射，都可以由片上天线或者片外天线产生。
基于上述介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，本发明还提出一种基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线，该天线可以实现基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，为了实现上述方法，基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线包括：发射端、接收端、第一双极化激励单元、第二双极化激励单元以及介质波导。
发射端(一般可以为发射机或者实现发射机功能的电路)，用于基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号，并将其传输至第一双极化激励单元。
第一双极化激励单元，用于对导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号，并耦合进入介质波导信道。
介质波导信道，用于传输激励信号至第二双极化激励单元。
第二双极化激励单元，用于接收辐射，并将激励信号转换成导波信号，传输至接收端。
接收端(一般可以为接收机或者实现接收机功能的电路)，用于处理接收到的导波信号。
上述基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线，结合图5所示的传输框图，原理可以概述为：发射端(图5中未示出)基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
第一双极化激励单元(图5中左边示出的双极化激励单元)对导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号(图5中左边示出的表征正交简并模的V、H)，并耦合进入介质波导信道。
介质波导信道传输激励信号至第二双极化激励单元(图5中右边示出的双极化激励单元)。
第二双极化激励单元接收辐射，并将激励信号(图5中右边示出的表征正交简并模的V、H)转换成导波信号，传输至接收端(图5中未示出)。最后由接收端处理接收到的导波信号。
基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线，实现基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，可以结合前述步骤301～步骤305的解释和说明得到更好的理解。
自然可以理解的是，第一双极化激励单元，具体用于对导波信号进行辐射，利用具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号对介质波导进行双极化激励，产生HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号；第二双极化激励单元，具体用于接收辐射，分别接收HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号，并对HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号进行转换，得到具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
本发明实施例中，由于第一双极化激励单元和第二双极化激励单元均需要具备辐射和双极化功能，因此在一种可能的实施例中，第一双极化激励单元和第二双极化激励单元均可以由具备双极化辐射能力的天线构成。其中，所设计的具备双极化辐射能力的天线包括：十字领结天线、圆极化天线、偶极子天线、缝隙天线、介质加载天线等等。所有具备辐射和双极化功能的电子元器件或者电路结构，均可以作为第一双极化激励单元和第二双极化激励单元。此外，由于发出辐射或者接收辐射均可以由片上天线或者片外天线产生，因此第一双极化激励单元和第二双极化激励单元可以集成在片上，或者布置于片外，例如布置于芯片所在的PCB(Printed Circuit Board印制线路板)任意位置上。
上述基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线，以具体的元器件为例组成的电路结构图参照图6所示。图6中发射端用Tx表示，接收端用Rx表示，具体采用的介质波导为Teflon(化学家Roy J.Plunkett博士在杜邦(DuPont)公司位于美国新泽西州的Jackson实验室中发明了聚四氟乙烯树脂，杜邦公司以“Teflon”作为该产品的商标名称)圆波导。发射端Tx与Teflon圆波导之间布设有十字领结天线(即第一双极化激励单元)，接收端Rx与Teflon圆波导之间也布设有十字领结天线(即第二双极化激励单元)。通过这样的电路结构，实现基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法。
由于本发明实施例中，导波信号被辐射后对介质波导进行双极化激励，通过正交的双极化激励实现介质波导两个独立的模式传输，进而实现介质波导的信道复用，等效加倍介质波导的信道容量，从而扩充了介质波导的信道容量，显著提升通信速率。这区别于目前研究的以降低损耗性能和时延性能去提高通信传输速率的这个研究方向，而是创造性的以介质波导的极化特性为突破口，从这个方向去提高了通信传输速率。
基于上述介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，本发明实施例还提出一种电子设备，所述电子设备采用如步骤301～步骤305任一所述的基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，实现通信信号的收发。
综上所述，本发明的基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，先基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号；接着对导波信号进行辐射，利用所辐射出去的辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号；之后利用介质波导信道传输激励信号；而接收端需要接收辐射，并将激励信号转换为发射端产生的导波信号；最后对导波信号进行处理。
本发明所提基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，通过正交的双极化激励实现两个独立的模式传输，进而实现介质波导的信道复用，等效加倍介质波导的信道容量，从而扩充了介质波导的信道容量，显著提升通信速率但几乎不增加收发机电路的设计。有效解决了低阶二进制振幅键控调制下的低频带利用率问题，进而有效提升最高可实现通信速率，具有极高的实用性。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，其特征在于，所述方法包括：
基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号；
对所述导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号；
利用介质波导信道传输所述激励信号；
接收辐射，并将所述激励信号转换为所述导波信号；
对所述导波信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述导波信号进行辐射，利用所辐射信号对介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号，包括：
对所述导波信号进行辐射，利用具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的辐射信号对所述介质波导进行双极化激励，产生HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号，包括：
基于二进制振幅键控调制和双极化特性，调制电磁波，产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的X方向和Y方向传输的导波信号。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，接收辐射，并将所述激励信号转换为所述导波信号，包括：
接收辐射，分别接收所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号；
对所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号进行转换，得到具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述辐射由片上或者片外天线产生。
6.一种基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的天线，其特征在于，所述天线包括：发射端、接收端、第一双极化激励单元、第二双极化激励单元以及介质波导；
所述发射端，用于基于二进制振幅键控调制和双极化特性产生具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号，并将其传输至所述第一双极化激励单元；
所述第一双极化激励单元，用于对所述导波信号进行辐射，利用所辐射信号对所述介质波导进行双极化激励，产生具有两个正交的简并模传输特性的激励信号，并耦合进入介质波导信道；
所述介质波导信道，用于传输所述激励信号至所述第二双极化激励单元；
所述第二双极化激励单元，用于接收辐射，并将所述激励信号转换成所述导波信号，传输至所述接收端；
所述接收端，用于处理接收到的所述导波信号。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述第一双极化激励单元，具体用于对所述导波信号进行辐射，利用具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号对所述介质波导进行双极化激励，产生HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号；
所述第二双极化激励单元，具体用于接收辐射，分别接收所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号，并对所述HE11模的X方向和Y方向传输的激励信号进行转换，得到具备二进制振幅键控调制特性和双极化特性的导波信号。
8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述第一双极化激励单元、所述第二双极化激励单元，均由具备双极化辐射能力的天线构成；
其中，所述具备双极化辐射能力的天线包括：十字领结天线、圆极化天线、偶极子天线、缝隙天线、介质加载天线。
9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述辐射由片上或者片外天线产生。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备采用如权利要求1-5任一所述的基于介质波导双极化的二进制振幅键控传输的方法，实现通信信号的收发。
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