CN209462376U - 太赫兹同收发全双工通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了太赫兹同收发全双工通信系统，该系统包括太赫兹天线、太赫兹射频前端、中频电路和基带电路；所述太赫兹射频前端包括太赫兹带通滤波器、太赫兹正交模耦合器、太赫兹分谐波混频器和太赫兹倍频链路，通过太赫兹正交模耦合器在同一射频前端中实现太赫兹信号的发射和接收。本实用新型在实现了太赫兹信号可同时发射和接收的功能的基础上，发射通道和接收通道仅采用一个天线，极大地减小了通信系统前端的体积，利用系统的小型化。

Description

太赫兹同收发全双工通信系统

技术领域

本实用新型涉及太赫兹通信技术领域，具体涉及太赫兹同收发全双工通信系统。

背景技术

太赫兹波是指频率在100GHz到10THz之间的电磁波。这一段电磁频谱处于传统电子学和光子学研究频段之间的特殊位置，过去对其研究以及开发利用都相对较少。随着无线通信的高速发展，现有的频谱资源已变得日益匮乏，开发无线通信的新频段已逐渐成为解决此矛盾的一种共识，而在太赫兹频段存在大量未被开发的频谱资源，使得太赫兹频率适于作为未来无线通信的新频段。在众多技术途径中，采用固态电子学的技术途径实现无线通信系统，未来存在将系统进行片上集成的可能，这对太赫兹无线通信系统走向实用化具有重要意义。

目前基于半导体技术的固态太赫兹通信系统均采用收发端分离的方案，及发射前端连接单独的天线，接收前端连接另一个单独的天线，无法使用同一个天线进行同时收发的功能。为了较高的增益和良好的性能，天线的尺寸往往比较大，如果使用传统的方案实现同收发功能，通信系统前端的体积过于庞大，不利于系统的集成。

实用新型内容

为了解决现有太赫兹通信系统实现同收发导致系统前端体积过大，不利于系统集成的技术问题，本实用新型提供了解决上述问题的太赫兹同收发全双工通信系统。

本实用新型通过下述技术方案实现：

太赫兹同收发全双工通信系统，该系统包括太赫兹天线、太赫兹射频前端、中频电路和基带电路；所述太赫兹射频前端包括太赫兹带通滤波器、太赫兹正交模耦合器、太赫兹分谐波混频器和太赫兹倍频链路，通过太赫兹正交模耦合器在同一射频前端中实现太赫兹信号的发射和接收。

优选的，所述基带电路包括DAC和ADC；其中，DAC产生的信号，经由中频电路的第一低通滤波器进行滤波处理后进入第一太赫兹分谐波混频器搬移至太赫兹频段，经由太赫兹正交模耦合器与接收信号形成模式隔离，再经过太赫兹带通滤波器进行边带抑制，最后经太赫兹天线发射传输至太赫兹信道。

优选的，由太赫兹天线接收太赫兹信道的信号经太赫兹带通滤波器滤波后，经由太赫兹正交模耦合器进入第二太赫兹分谐波混频器将信号搬移至中频频段，再经过中频电路的低噪声放大器和第二低通滤波器，最后输入到ADC进行解调。

优选的，所述太赫兹正交模耦合器将模式相互正交的发射信号和接收信号进行合路为一路信号，并产生模式隔离。

优选的，由50MHz晶振产生的信号经由锁相介质振荡器与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。

优选的，所述太赫兹正交模耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和正交分离结构；其中，所述第一端口为正方形波导口，能够通过两个正交的极化模式波；所述第二端口和第三端口均为标准矩形波导口。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

本实用新型对射频前端进行了改进，射频前端同时集成发射通道和接收通道，频率相同并且模式相互正交，并采用太赫兹正交模耦合器(Orthomode Transducer,OMT)与其相连，将两路模式正交的收发信号经由正交模耦合器合为一路信号，再将合路后的信号经由太赫兹天线发送至太赫兹信道进行数据传输。本实用新型在实现了太赫兹信号可同时发射和接收的功能的基础上，发射通道和接收通道仅采用一个天线，极大地减小了通信系统前端的体积，利用系统的小型化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的通信系统结构示意图。

图2为本实用新型的太赫兹正交模耦合器结构示意图。

图3为本实用新型的太赫兹正交模耦合器工作原理框图。

图4为本实用新型的太赫兹正交模耦合器Y向视图。

图5为本实用新型的太赫兹正交模耦合器Z向视图。

图6为本实用新型的太赫兹正交模耦合器仿真结果示意图；其中，(a)为插入损耗示意图，(b)为正交模式隔离度示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所实用新型的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本实用新型的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本实用新型的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本实用新型的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本实用新型的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本实用新型的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本实用新型的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

本实施例提出了太赫兹同收发全双工通信系统，该系统可同时实现发射和接收信号的双重功能，该系统包括太赫兹天线、太赫兹射频前端、中频电路和基带电路；所述太赫兹射频前端包括太赫兹带通滤波器、太赫兹正交模耦合器、太赫兹分谐波混频器和太赫兹倍频链路，通过太赫兹正交模耦合器在同一射频前端中实现太赫兹信号的发射和接收，如图1所示。

本实施例中，所述太赫兹射频前端部分包括太赫兹带通滤波器、太赫兹正交模耦合器(OMT)、第一太赫兹分谐波混频器、第二太赫兹分谐波混频器以及太赫兹倍频链路；所述中频电路包括第一中频低通滤波器，第二中频低通滤波器和中频低噪声放大器；所述基带电路包括DAC和ADC，如图1所示。

本实施例中，系统中构建的发射电路：基带DAC产生的信号，经由中频电路的第一LPF(低通滤波器)滤除杂散信号，通信信号进入第一太赫兹分谐波混频器搬移至太赫兹频段，经过太赫兹OMT与接收信号形成模式隔离，防止收发信号相互干扰，再经过太赫兹带通滤波器进行边带抑制，最后经过太赫兹天线将发射信号传输至太赫兹信道；

本实施例中，系统中构建的接收电路：由太赫兹天线接收太赫兹信道的有用信号，经过太赫兹带通滤波器对无用信号进行抑制，经过太赫兹OMT进入第二太赫兹分谐波混频器将信号搬移至中频频段，再经过中频低噪放和第二中频LPF(低通滤波器)滤除杂散信号，最后输入到基带ADC进行解调。

本实施例中，所述太赫兹分谐波混频器负责将中频信号搬移至太赫兹频段(上变频功能)或将太赫兹频段信号搬移至中频频段(下变频功能)。

本实施例中，所述太赫兹OMT的作用是将模式相互正交的发射信号和接收信号进行合路，并且产生模式隔离，防止发射信号和接收信号相互干扰。

本实施例中，所述太赫兹带通滤波器将混频器产生的双边带信号的无用边带进行滤除，进行边带抑制，防止另一边带信号对通信系统造成影响。

本实施例中的中频低通滤波器(LPF)对基带DAC输出的信号和输入到基带ADC的信号中的杂散信号进行有效抑制，防止杂散信号对系统进行干扰；本实施例中的中频低噪放用于接收机中频信号的放大。

本实施例中，所述中频电路还包括50MHz晶振和锁相介质振荡器(PDRO)；其中50MHz晶振产生的信号经由锁相介质振荡器(Phase-locked Dielectric ResonatorOscillator,PDRO)与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动，驱动太赫兹分谐波混频器的有效工作。

本实用新型在实现了太赫兹信号可同时发射和接收的功能的基础上，发射通道和接收通道仅采用一个天线，极大地减小了通信系统前端的体积，利用系统的小型化。

实施例2

基于上述实施例1的通信系统，本实施中对太赫兹正交模耦合器(OMT)作了进一步设计，如图2所示，本实施例的太赫兹正交模耦合器包括一个输入部分(端口1)、两个输出部分(端口2和端口3)和正交分离部分(包括极化分离结构和过度结构)。来自端口1的两个正交的极化模式波(水平极化和垂直极化)，通过偏振分离结构和过渡结构，从端口2输出垂直极化波，从端口3输出水平极化波，如图3所示。当然，反向使用也是可以的，端口2和端口3是互不影响的。端口1为正方形波导口，尺寸为1.092mm×1.092mm；端口2和端口3为标准矩形波导口WR-4，尺寸为1.092mm×0.546mm。

主模TE10波的传播电场与波导的宽边有关，而与窄边无关。为了减小插入损耗，保持了波导长边与相应偏振模的连续性。通过减小窄边的宽度(包括窄边渐变和窄边跳变)，增强了与之正交模的隔离，如图4所示的太赫兹正交模耦合器的Y向视图(参照图3中定义的X-Y-Z坐标系)。圆波导的四分之一用来调节垂直偏振波的传播方向。由于端口1到端口3的距离大于到端口2，所以能量损失也较大。故从端口1到端口3的过渡设计的比较缓慢，不是一个标准的等腰梯形，如图5所示的太赫兹正交模耦合器的Z向视图(参照图3中定义的X-Y-Z坐标系)。

对本实施例中设计的太赫兹正交模耦合器进行仿真，得到仿真测试结果如图6所示的在180～220GHz频段具有良好的仿真性能。由图6(a)可知：在180～220GHz频段，整个频带的插入损耗小于0.095dB，每个端口的回波损耗小于-17dB；由图6(b)可知：在180～220GHz频段，正交模式波的隔离度大于51dB，端口2与端口3的隔离度也优于50dB。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.太赫兹同收发全双工通信系统，其特征在于，该系统包括太赫兹天线、太赫兹射频前端、中频电路和基带电路；所述太赫兹射频前端包括太赫兹带通滤波器、太赫兹正交模耦合器、太赫兹分谐波混频器和太赫兹倍频链路，通过太赫兹正交模耦合器在同一射频前端中实现太赫兹信号的发射和接收。

2.根据权利要求1所述的太赫兹同收发全双工通信系统，其特征在于，所述基带电路包括DAC和ADC；其中，DAC产生的信号，经由中频电路的第一低通滤波器进行滤波处理后进入第一太赫兹分谐波混频器搬移至太赫兹频段，经由太赫兹正交模耦合器与接收信号形成模式隔离，再经过太赫兹带通滤波器进行边带抑制，最后经太赫兹天线发射传输至太赫兹信道。

3.根据权利要求2所述的太赫兹同收发全双工通信系统，其特征在于，由太赫兹天线接收太赫兹信道的信号经太赫兹带通滤波器滤波后，经由太赫兹正交模耦合器进入第二太赫兹分谐波混频器将信号搬移至中频频段，再经过中频电路的低噪声放大器和第二低通滤波器，最后输入到ADC进行解调。

4.根据权利要求3所述的太赫兹同收发全双工通信系统，其特征在于，所述太赫兹正交模耦合器将模式相互正交的发射信号和接收信号进行合路为一路信号，并产生模式隔离。

5.根据权利要求1-4任一项所述的太赫兹同收发全双工通信系统，其特征在于，由50MHz晶振产生的信号经由锁相介质振荡器与太赫兹倍频链路，产生太赫兹信号为太赫兹分谐波混频器提供本振驱动。

6.根据权利要求5所述的太赫兹同收发全双工通信系统，其特征在于，所述太赫兹正交模耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和正交分离结构；其中，所述第一端口为正方形波导口，能够通过两个正交的极化模式波；所述第二端口和第三端口均为标准矩形波导口。