CN115951310A 审中 差分信号收发处理电路及多通道射频前端收发系统
技术领域 [0001]本申请涉及射频电路技术领域,特别涉及一种差分信号收发处理电路及多通道射频前端收发系统。 背景技术 [0002]近年来,雷达技术快速发展,多通道射频收发组件已被广泛应用在射频收发机前端当中。一方面,随着射频通道中传输的信号种类不断增加,集成度不断提高,空间紧凑的布局导致射频通道间存在隔离度问题;另一方面,由于差分走线对比单端具有更高的噪声免疫和抗干扰能力,故常被应用在电路当中,但差分信号的幅度和相位存在着不平衡问题,会导致链路引入非线性,对射频系统的性能有着直接的影响。 [0003]目前,传统的变压器结构仅能解决其中的单个问题,如威尔金森结构仅能解决隔离度问题,多巴伦结构仅能解决平衡度问题,二者的功能单一且都会占据较大面积。因此,利用较小的面积同时改善射频通道之间差分信号的隔离度且保证其平衡度对多通道射频收发系统有着重要意义。 发明内容 [0004]本申请的主要目的是提供一种差分信号收发处理电路及多通道射频前端收发系统,旨在利用有限的面积使变压器的整体结构在实现合成/分配的过程中兼具有高隔离度、高平衡度和良好匹配等优点。 [0005]为实现上述目的,本申请提出一种差分信号收发处理电路,用于差分信号的功率合成或功率分配,该差分信号收发处理电路包括: [0006]变压器,所述变压器至少包括一组与射频通道对应的初级线圈和次级线圈; [0007]至少一个阻抗变换模块,所述阻抗变换模块的一端与设置于同一射频通道中的次级线圈连接; [0008]至少一个差分端口,所述差分端口用于与不同的阻抗变换模块交互均分的差分信号; [0009]至少一个隔离模块,所述隔离模块交错连接在不同的阻抗变换模块之间,所述隔离模块用于隔离不同的射频通道之间的差分信号。 [0010]可选地,所述变压器为功率合成器,用于通过所述射频通道接收多路均分的差分信号并进行融合。 [0011]可选地,所述变压器为功率分配器,用于通过所述射频通道消除共模信号以向多个差分端口分配均分的差分信号。 [0012]可选地,所述变压器为一对多变压器,所述一对多变压器中的各所述初级线圈串联。 [0013]可选地,所述阻抗变换模块包括: [0014]正极阻抗变换单元,所述正极阻抗变换单元的一端与设置于同一射频通道中的次级线圈的一端连接,所述正极阻抗变换单元用于将阻抗调节为共轭状态; [0015]负极阻抗变换单元,所述负极阻抗变换单元的一端与设置于同一射频通道中的次级线圈的另一端连接,所述负极阻抗变换单元用于将阻抗调节为共轭状态。 [0016]可选地,所述阻抗变换模块为传输线结构或集总元件。 [0017]可选地,所述差分端口包括: [0018]差分正极,所述差分正极与两个正极阻抗变换单元的另一端连接,所述差分正极用于与两个正极阻抗变换单元交互均分的差分信号; [0019]差分负极,所述差分负极与两个负极阻抗变换单元的另一端连接,所述差分负极用于与两个负极阻抗变换单元交互均分的差分信号。 [0020]可选地,所述差分端口的数量以及所述阻抗变换模块的数量为N,其中,N为2的正整数次方; [0021]第一个差分端口与第N/2-1个阻抗变换模块以及第N/2个阻抗变换模块连接,第N个差分端口与第N/2-1个阻抗变换模块以及第N/2个阻抗变换模块连接; [0022]第N/2-1个差分端口与第一个阻抗变换模块以及第N个阻抗变换模块连接,第N/2个差分端口与第一个阻抗变换模块以及第N个阻抗变换模块连接。 [0023]可选地,一个所述隔离模块、两个所述正极阻抗变换单元以及一个所述差分正极依次连接,在各所述射频通道之间形成威尔金森结构; [0024]一个所述隔离模块、两个所述负极阻抗变换单元以及一个所述差分负极依次连接,在各所述射频通道之间形成威尔金森结构。 [0025]可选地,所述隔离模块由电阻和电容并联构成。 [0026]可选地,所述初级线圈的数量、所述次级线圈的数量、所述射频通道的数量、所述阻抗变换模块的数量、所述差分端口的数量以及所述隔离模块的数量为2的正整数次方。 [0027]为实现上述目的,本申请还提出一种多通道射频前端收发系统,所述多通道射频前端收发系统包括上述差分信号收发处理电路,具体参照上述,此处不再赘述。 [0028]本申请技术方案,通过设置变压器、至少一个阻抗变换模块、至少一个差分端口和至少一个隔离模块组成了差分信号收发处理电路,该差分信号收发处理电路中,变压器至少包括一组与射频通道对应的初级线圈和次级线圈,该阻抗变换模块的一端与设置于同一射频通道中的次级线圈连接,该差分端口用于与不同的阻抗变换模块交互均分的差分信号,该隔离模块交错连接在不同的阻抗变换模块之间,用于隔离不同的射频通道之间的差分信号,这样,该差分信号收发处理电路就能将差分信号通过上下中心对称连接方式连接到阻抗变换模块上,阻抗变换模块两两间隔连接隔离模块在多路射频通道之间形成威尔金森结构,利用有限的面积使整体结构在实现功率合成/功率分配的过程中兼具有高隔离度、高平衡度和良好匹配等优点,降低了系统损耗,克服了现有技术中的传统结构存在的占据面积大和功能单一的技术缺陷。 附图说明 [0029]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。 [0030]图1为本申请中差分信号收发处理电路一实施例的功能框图; [0031]图2为本申请中差分信号收发处理电路一实施例的结构示意图; [0032]图3为本申请中差分信号收发处理电路另一实施例的结构示意图; [0033]图4为本申请中基于图3中的差分信号收发处理电路进行拆解后得到的局部结构示意图; [0034]图5为本申请中基于图3中的差分信号收发处理电路进行拆解后得到的局部结构示意图; [0035]图6为本申请中差分信号收发处理电路又一实施例的结构示意图; [0036]图7为本申请中基于图6中的差分信号收发处理电路进行参数模拟配置的应用场景示意图; [0037]图8为本申请中差分信号收发处理电路一实施例的应用场景示意图; [0038]图9为本申请中差分信号收发处理电路一实施例的另一应用场景示意图; [0039]图10为本申请中多通道射频前端收发系统一实施例的结构示意图。 [0040]本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。 [0041]附图标号说明: [0042]
标号名称标号名称
10射频通道20变压器
201初级线圈202次级线圈
30阻抗变换模块301正极阻抗变换单元
302负极阻抗变换单元40差分端口
+差分正极-差分负极
50隔离模块R构成隔离模块的电阻
C构成隔离模块的电容Port端口
具体实施方式 [0043]下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请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申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。 [0044]需要说明,本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。 [0045]另外,在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本申请要求的保护范围之内。 [0046]近年来,雷达技术快速发展,多通道射频收发组件已被广泛应用在射频收发机前端当中。随着射频通道中传输的信号种类不断增加,集成度不断提高,空间紧凑的布局导致射频信号极易发生能量泄露并产生耦合效应,影响系统正常工作。另一方面,由于差分走线对比单端具有更高的噪声免疫和抗干扰能力常被应用在电路当中,但差分信号的幅度和相位不平衡会导致链路引入非线性,产生偶数次谐波失真,抬高共模噪声,对射频系统的性能有着直接的影响。因此,利用较小的面积同时改善通道之间差分信号的隔离度且保证其平衡度对多通道射频收发系统有着重要意义。而传统结构仅能解决其中单个问题,如威尔金森结构解决隔离度问题,多巴伦结构解决平衡度问题,功能单一且会占据较大面积。在目前的技术框架下有待解决的问题如下: [0047]1、传统高平衡度结构在合成/分配过程中由于并非功分结构,很难实现低损耗的均等分配,其中高损耗会导致系统性能降低,不均等会导致平衡度反而恶化; [0048]2、传统高隔离度功率合成/分配器在改善平衡度方面无任何体现; [0049]3、传统高平衡度结构通道之间没有任何隔离,在合成/分配信号的过程中会引入串扰产生无法消除的噪声; [0050]4、传统高平衡度结构复杂,功能单一,占据面积大。 [0051]基于此,本申请提出一种差分信号收发处理电路及多通道射频前端收发系统,通过设置至少一个阻抗变换模块、至少一个差分端口和至少一个隔离模块组成了差分信号收发处理电路,该差分信号收发处理电路中,变压器至少包括一组与射频通道对应的初级线圈和次级线圈,该阻抗变换模块的一端与设置于同一射频通道中的次级线圈连接,该差分端口用于与不同的阻抗变换模块交互均分的差分信号,该隔离模块交错连接在不同的阻抗变换模块之间,用于隔离不同的射频通道之间的差分信号,这样,该差分信号收发处理电路就能将差分信号通过上下中心对称连接方式连接到阻抗变换模块上,阻抗变换模块两两间隔连接隔离模块在多路射频通道之间形成威尔金森结构,利用有限的面积使整体结构在实现功率合成/功率分配的过程中兼具有高隔离度、高平衡度和良好匹配等优点,降低了系统损耗,克服了现有技术中的传统结构存在的占据面积大和功能单一的技术缺陷。 [0052]本申请实施例提供的一种差分信号收发处理电路及多通道射频前端收发系统,具体通过如下实施例进行说明,首先描述本申请实施例中的差分信号收发处理电路。在本申请一实施例中,差分信号收发处理电路包括多路射频通道、变压器、阻抗变换模块、多个差分端口以及隔离模块。 [0053]作为一种示例,参照图1图2,本实施例中,所述差分信号收发处理电路由变压器20、阻抗变换模块30、差分端口40以及隔离模块50组成。 [0054]其中,变压器20包括至少包括一组与射频通道10对应的初级线圈201和次级线圈202;阻抗变换模块30的一端与设置于同一射频通道10中的次级线圈202连接,阻抗变换模块30的另一端与差分端口40连接;差分端口40用于与不同的阻抗变换模块30交互均分的差分信号;隔离模块50交错连接在不同的阻抗变换模块30之间,隔离模块50用于隔离不同的射频通道10之间的差分信号。 [0055]需要说明的是,在本实施例提供的差分信号收发处理电路中,可以存在多路射频通道10,一路射频通道10中设置有一个次级线圈20,而变压器20可以是一对多变压器,该一对多变压器可以支持多路射频通道10的功率合成或功率分配,该一对多变压器包括多组成对的初级线圈201和次级线圈202,次级线圈202的数量与射频通道10的路数相同,对应的,初级线圈201的数量也与射频通道10的路数相同,各初级线圈201串联。在图1图2中,每一路射频通道10的右侧即为次级线圈202,各次级线圈202和初级线圈201的电压极性相反;各射频通道10中除设置有次级线圈202之外,还设置有一个阻抗变换模块30,即阻抗变换模块30的数量与射频通道10的数量一致,阻抗变换模块30由用于提高阻抗匹配的阻抗变换网络组成,这是因为良好的阻抗匹配可以降低损耗,由图1图2可知,在射频通道10中的阻抗变换模块30的一端与设置于同一射频通道10中的次级线圈202的连接,另一端与两个差分端口40连接;差分端口40的数量也与射频通道10的数量一致,即若存在2路射频通道,则存在2个差分端口,若存在8路射频通道,则存在8个差分端口;隔离模块50的数量与差分端口40的数量一致,每个隔离模块50都交错连接在两个阻抗变换模块30之间,即设置在两个射频通道10之间,可以显著提高各射频通道10之间的隔离度。 [0056]作为一个示例,变压器20为功率合成器,用于通过射频通道10接收多路均分的差分信号并进行融合. [0057]结合图1图2,从正向看(从图中左侧往右侧看),不同的差分端口40经不同的射频通道10传输的差分信号通过阻抗变换模块30到达功率合成变压器(变压器20在从图中左侧往右侧看时作为功率合成变压器)时已被转化为多路完全相同的均分的差分信号,提高了差分信号的幅度和相位平衡度。 [0058]进一步地,本实施例还可以结合图3进行理解,图3展示了一个差分端口与两个射频通道进行连接的结构示意图,对应图1图2中从正向看的情况,在图3中,Port1对应差分端口40,Port2对应变压器20的信号端,与同一Port相连的两个阻抗变换网络对应一个阻抗变换模块30,此时该差分信号收发处理电路作为功率合成器,可以显著改善差分信号的相位和幅度不平衡度。 [0059]进一步地,将图3进行拆解后可得到图4图5所示的结构,本实施例结合图34、5对射频通道之间的隔离度进行分析,先把图3的结构中的一对二变压器进行拆解得到如图4所示的结构,再将Port1端口的正负信号端进行拆解得到如图5所示的结构,显然,每个差分端口都通过中心对称连接线连到阻抗变换模块30上,阻抗变换模块30之间交叉连接的RC隔离网络使每个差分端口的输出信号经过的都是威尔金森结构,无论是在功率分配还是功率合成的过程中都能保证严格的均分和良好的隔离,可以使得射频通道之间不会产生任何串扰而引入噪声。 [0060]作为一个示例,变压器20为功率分配器,用于通过射频通道10消除共模信号以向多个差分端口40分配均分的差分信号。 [0061]结合图1图2,从逆向看(从图中右侧往左侧看),将变压器20的一端接地,此时变压器20作为功率分配变压器工作(变压器20在从图中右侧往左侧看时作为功率分配变压器),则该差分信号收发处理电路可以视为一种高隔离度高平衡度的单端转差分的巴伦结构,变压器20的输出信号经射频通道10进行传输后,能够消除差分信号在传输过程中产生的不平衡而导致的共模电流,使得到达各差分端口40的信号是均分的差分信号。 [0062]进一步地,本实施例还可以结合图6进行理解,图6展示了一个差分端口与两个射频通道进行连接的结构示意图,对应图1图2中从逆向看的情况,图6中,将变压器20一端接地,Port1对应变压器20的信号端,Port2对应差分端口40,与同一Port相连的两个阻抗变换网络对应阻抗变换模块30,此时该差分信号收发处理电路可以视为一种高隔离度高平衡度的单端转差分的巴伦结构。 [0063]进一步地,基于图6进行参数模拟设置可以得到图7,本实施例结合图7对射频通道之间的平衡度进行分析,用Ia+bIa表示差分端口Port1的正输入信号电流,-Ia+bIa表示差分端口port1的负输入信号电流,其中Ia表示差分电流,为差分传输中所需信号,bIa表示由于差分信号在传输过程中产生的不平衡而导致的共模电流,为差分传输中的干扰信号,该共模电流大小与信号大小有关,系数用b表示。首先分析Port1端口的正端信号,其通过一对二变压器的上侧初级线圈传到上侧次级线圈上,上侧次级线圈的正端得到信号为1/2(Ia+bIa),上侧次级线圈的负端得到信号为-1/2(Ia+bIa);对于Port1端口负端信号,其通过一对二变压器的下侧初级线圈传到下侧次级线圈上,下侧次级线圈的正端得到信号为-1/2(-Ia+bIa),下侧次级线圈的负端得到信号为1/2(-Ia+bIa);经过交叉相加,如下计算式所示: [0064]1/2(Ia+bIa)+-1/2(-Ia+bIa)=Ia; [0065]-1/2(Ia+bIa)+1/2(-Ia+bIa)=-Ia; [0066]在Port2正端得到Ia信号,在port2负端得到-Ia信号,共模信号被消除,显然,通过本结构可以使得原本平衡度较差存在共模的信号变得高度平衡。 [0067]作为一种示例,阻抗变换模块30包括:正极阻抗变换单元301,正极阻抗变换单元301的一端与设置于同一射频通道10中的次级线圈202的一端连接,正极阻抗变换单元301用于将阻抗调节为共轭状态;负极阻抗变换单元302,负极阻抗变换单元302的一端与设置于同一射频通道10中的次级线圈202的另一端连接,负极阻抗变换单元302用于将阻抗调节为共轭状态。 [0068]本实施例中,参照图1图2,在同一射频通道10中,设置于射频通道10上方的即正极阻抗变换单元301,正极阻抗变换单元301与设置于同一射频通道10中的次级线圈202的上侧端口(亦即含黑点的一端)连接;设置于射频通道10下方的即负极阻抗变换单元302,负极阻抗变换单元302与设置于同一射频通道10中的次级线圈202的下侧端口连接。 [0069]作为一种示例,阻抗变换模块30、正极阻抗变换单元301以及负极阻抗变换单元302不限于设置为传输线结构,也可以设置为LC集总元件,在射频芯片和射频板级电路上均可应用。 [0070]作为一种示例,参照图2,差分端口包括:差分正极,差分正极与两个正极阻抗变换单元的另一端连接,差分正极用于与两个正极阻抗变换单元交互均分的差分信号;差分负极,差分负极与两个负极阻抗变换单元的另一端连接,差分负极用于与两个负极阻抗变换单元交互均分的差分信号。 [0071]可以理解的是,图2中,差分端口40标注“+”的位置即差分正极,标注“-”的位置即差分负极,每个差分正极和差分负极分别与两个阻抗变换模块30连接,即每个差分端口40分别与两个射频通道10连接。 [0072]结合上述实施例可知,差分正极与两个不属于同一阻抗变换模块30的正极阻抗变换单元301的另一端连接,“另一端”表示其与正极阻抗变换单元301与次级线圈202连接的一端不是同一端;差分负极与两个不属于同一阻抗变换模块30的负极阻抗变换单元302的另一端连接,“另一端”表示其与负极阻抗变换单元302与次级线圈202连接的一端不是同一端。 [0073]作为一种示例,差分端口40的数量以及阻抗变换模块30的数量为N,其中,N为2的正整数次方;第一个差分端口与第N/2-1个阻抗变换模块以及第N/2个阻抗变换模块连接,第N个差分端口与第N/2-1个阻抗变换模块以及第N/2个阻抗变换模块连接;第N/2-1个差分端口与第一个阻抗变换模块以及第N个阻抗变换模块连接,第N/2个差分端口与第一个阻抗变换模块以及第N个阻抗变换模块连接。 [0074]需要说明的是,本申请提出的差分信号收发处理电路可应用于N路差分信号的功率合成或分配,N需满足2的整数次方倍,例如2,4,8,16,...,2N等等。特别需要注意的是,差分端口40与阻抗变换模块30的连接方式是上下中心对称连接,而上下中心对称连接指的是位于边缘位置的两个差分端口需要连接的位于中间位置的两个射频通道,假设由上至下分别存在1、2、3、4号差分端口以及对应的1、2、3、4号射频通道,则二者之间的连接关系是,1号和4号差分端口分别与2号和3号射频通道中的阻抗变换模块连接,2号和3号差分端口分别与1号和4号射频通道中的阻抗变换模块连接,这样一来,各个差分端口40到射频通道10中的阻抗变换模块之间的连线距离都是一致的,进而保障了不同差分端口40输入或输出的差分信号的平衡度。 [0075]作为一种示例,当N=2时,如图8所示,从正向看,该结构可以显著改善差分信号的相位和幅度不平衡度;并保持两输入通道之间的高隔离度。从逆向看,该结构为一种高平衡且通道隔离的双路功分器。 [0076]作为一种示例,当N=4时,如图9所示(此处省略了第二差分端口Port2和第三差分端口Port3到阻抗变换网络的连线,Port5为变压器的信号端),要求四个差分端口的差分信号上下中心对称连接到阻抗变换网络上,即第一差分端口Port1和第四差分端口Port4的差分信号需要连到第二射频通道和第三射频通道对应的阻抗变换网络上,第二差分端口Port2和第三差分端口Port3的差分信号需要连到第一射频通道和第四射频通道对应的阻抗变换网络上,以保证信号的幅度和相位高平衡度。从正向和逆向看,该结构分别为高隔离度高平衡度的4路功率合成器和功率分配器。 [0077]作为一种示例,当射频通道10的数量拓展到N通道时,该结构示意图如图2所示(省略了部分差分端口与阻抗变换模块的部分连线),由于需要不同通道差分信号与阻抗变换网络对上下中心对称连接,因此N需等于2的整数次方倍。从正向和逆向看,该结构分别为高隔离度高平衡度的N路功率合成器和功率分配器。 [0078]作为一种示例,参照图2,一个隔离模块50、两个正极阻抗变换单元301以及一个差分端口40依次连接,在各路射频通道10之间形成威尔金森结构;一个隔离模块50、两个负极阻抗变换单元302以及一个差分端口40依次连接,在各路射频通道10之间形成威尔金森结构。 [0079]本实施例中,通过将差分端口40上下中心对称连接到阻抗变换模块30上,经过跨接RC隔离网络(即隔离模块50)形成高隔离度的威尔金森结构,再通过一对多变压器20输出,就可以得到高隔离度、高平衡度的差分信号。 [0080]作为一种示例,隔离模块50由电阻R和电容C并联构成。 [0081]作为一种示例,初级线圈201的数量、次级线圈202的数量、射频通道10的数量、阻抗变换模块30的数量、差分端口40的数量以及隔离模块50的数量相同,均为2的正整数次方。 [0082]本申请提出一种差分信号收发处理电路,采用低损耗的功分结构进行均等分配/合成,且通道高度隔离,在均等合成或分配的过程中对平衡度不会产生任何影响,高隔离度和高平衡度相辅相成:解决了高损耗、不均等分配和通道不隔离引入的串扰问题。该差分信号收发处理电路中的中心对称连接线和RC隔离网络基本不占面积,而阻抗变换网络是所有需要进行阻抗匹配的结构必然存在的部分,一对多变压器对于合成器/分路器也是不可或缺的部分,因此对于传统的功率合成/功率分配变压器并未增加任何面积,仅利用很小的面积实现合路/功分功能并提升了损耗、隔离度和平衡度等方面性能,解决了现有技术中的变压器结构占据面积大和功能单一的问题。 [0083]此外,本申请还提供一种多通道射频前端收发系统,参照图10,所述多通道射频前端收发系统包括上述的差分信号收发处理电路,可以理解的是,由于在多通道射频前端收发系统中使用了上述差分信号收发处理电路,因此,该多通道射频前端收发系统的实施例包括上述差分信号收发处理电路全部实施例的全部技术方案,且所达到的技术效果也完全相同,在此不再赘述。 [0084]以上所述仅为本申请的优选实施例,并非因此限制本申请的专利范围,凡是在本申请的申请构思下,利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。
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