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技术领域

本发明涉及并发多频带接收机或发射机或收发器，适用于同时在超 过一个的频带中接收和/或发送信号。

背景技术

现代的发射机和接收机经常需要能够在不同频带中工作。这可以使 用不同的解决方案完成。

第一种可能性是使用并行的发射机或接收机，每个发射机/接收机 被用于特定的频带。这是一种在组件数量，面积和能量消耗方面成本昂 贵的解决方案。

另一种可能性是在发射机或接收机中使用可调谐元件，这些元件被 调谐用于特定的频带。可调谐的元件可以使用如变容二极管，从而使发 射机或接收机可以被调谐用于在不用的频段中调谐，如Chong-RuWu等人 于2008年9月在IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTS LETTERS,VOL.18,NO.9中发表的文章“A3-5GHzFrequency- TunableReceiverFrontendforMultibandApplications”中所述。 这种解决方案需要昂贵的可调谐组件和附加的数字电路用于调谐电路到 正确的频率。

另一种替代的方案，经常用于支持多频带操作，是在不同频带之间 进行切换，如AtsushiFukudaetal等人于2010年在IEEERadioand WirelessSymposiumconferencepublications第45-48页中发表的文章“A HighPowerandHighlyEfficientMulti-bandPowerAmplifierfor MobileTerminals”中所述。这可以由电容器组和开关，或甚至通过在 完整的匹配网络之间进行切换来完成。使用这种替代的方案，用于实现 多频带操作的额外的电路是必需的。

在另一种替代的方案中，可以在发射机或接收机中使用宽带电路。 然而，实际的构建块的最大带宽往往是有限的。此外，对于宽带接收机， 其缺点是对落入接收机带宽中的不想要的输入源是敏感的。类似地，宽 带发射机将放大落入发射机带宽中的不想要的输入信号。

前面给出的替代解决方案，除了最后一个，有一个共同点是发射机 或接收机一次只能在一个频带中发射或接收，因此降低了系统的吞吐量， 如JussiRyynanen等人于2006年第二季度在SpecialIssueonWireless ReconfigurableTerminals–PartII,IEEECircuitsandSystemsMagazine中 发表的文章“IntegratedCircuitsforMulti-BandMulti-Mode Receivers”中所述。

其他替代的解决方案例如从美国专利6658265和6917815可知。

美国专利6658265披露了一种双模放大器，该双模放大器能够对于 一个频带在共模中操作和对于第二个频带在差模中操作。在共模中，放 大器提供两个相同的信号到匹配的网络，在差模中，放大器提供两个彼 此180度异相的信号到匹配的网络。该匹配的网络被配置为保持相同的 输入和输出阻抗，而不管放大器是在共模或差模中操作。由于匹配网络 操作两个信号，所以不论共模或差模，通常需要功率组合网络将两个信 号组合成单个信号用于传输。可以看出该系统不支持并发多频带操作。

美国专利6917815披露了一种用于并发双通带高频接收机的架构。 它结合了具有双频带天线的并发双通带前端子系统，双通带前置放大器 滤波器和具有镜像抑制下变频器的并发双通带低噪声放大器(LNA)以提 供典型的接收机功能，包括在两个离散的期望的频带中同时接收，放大 和下变频信号。这里披露的是并发双通带接收机架构，但它不能同时进 行共模和差模操作。

因此，需要一种前端，能够同时工作并提供差分和共模操作，并具 有降低电路成本和电路走线的优点。

发明内容

因此，需要得到一种在多个频带中工作的前端，并降低成本和电路 走线。

因此，本发明的一个目的是提供一种适用于接收或发送信号的RF 前端，该信号分布在至少两个分离的频带中，包括：输入端和输出端， 还包括耦合到RF前端的输入端的第一移相器，耦合到RF前端的输出端 的第二移相器，第一移相器通过第一放大器和第二放大器分别被耦合到 第二移相器。

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定优选实施例。

RF前端可进一步包括输入匹配电路，该输入匹配电路包括耦合到 RF前端的输出端的第一输入端和耦合到第一移相器的第二输入端，第一 匹配电路还包括耦合到第一放大电路的输出端的第一输出端和耦合到第 二放大电路的输入端的第二输出端。RF前端，也可以包括输出匹配电路， 该输出匹配电路包括耦合到第一放大电路的输出端第三输入端，和耦合 到第二放大电路的输出端的第四输入端。

在一个实施例中，第一移相器与第二移相器具有相同的结构。输入 匹配电路可以具有与输出匹配电路相同的结构。上述两个特征都可以简 化电路设计。

第一移相器和第二移相器的每一个包括延迟线或集总的无源或有 源滤波器。如何选择取决于输入信号的频率范围。对于较低频率集总方 案可能更适合实施。对位于GHz范围或毫米范围内的较高频率，即十分 之一或几百个GHz，延迟线可能更适合。

第一移相器和第二移相器的每一个在它们各自的输出处提供信号 的180度相移的奇数倍，该信号位于应用到各自的输入端的第一频带中。

第一移相器和第二移相器的每一个在它们各自的输出端处提供信 号的180度相移的偶数倍，该信号位于应用到它们各自的输入端的第二 频带中。

输入匹配电路包括T型滤波器，该T型滤波器包括电感器。输出匹 配电路包括T型滤波器，该T型滤波器包括电感器。优选地，两个电路 具有相同的拓扑和可能的最简单的实现方式是使用电感器。然而，两个 电路相同不是必需的。如何选择取决于电路用于什么应用中。

输入匹配执行源阻抗和第一频带中组合放大器的共模输入阻抗之 间的阻抗匹配，和源阻抗和第二频带中的组合放大器的差模输入阻抗之 间的阻抗匹配。

输出匹配电路对输出级起到了类似的作用。

第一放大器和第二放大器是单端或差分放大器。第一放大器和第二 放大器可以是跨导放大器。在非常简单的形式中，放大器可以是在任何 技术，例如，双极型，砷化镓(GaAs)或，在一般情况下，III-V族化 合物，CMOS等中制造的晶体管。然而，根据不同的应用，放大器可以是 跨阻放大器和比较普遍的任何类型的受控源。

在实际应用中，如雷达，高频通信如汽车到汽车通信，使用 IEEE802.11/p标准或它们的组合，优选地，可以具有发射机，该发射机 包括耦合到前述任何实施例中的RF前端的信号组合器，RF前端被耦合 到信号分离器，信号分离器被耦合到一对单频带天线，或被耦合到双频 带天线。

在上面的应用中，优选地，可以具有接收机，该接收机包括耦合到 前述RF前端的信号组合器，RF前端被耦合到信号分离器，信号组合器 被耦合到一对单频带天线，或被耦合到双频带天线。

在本发明的一个实施例中，通信设备被安装在车辆上，如汽车。

附图说明

上述和其它优点在相关附图示出的实施例中是明显的，其中：

图1示出了根据本发明的RF前端；

图2更详细地示出了RF前端；

图3示出了根据本发明的RF前端的功率增益；

图4示出了根据本发明的RF前端的另一实施例；

图5示出了使用根据本发明的RF前端的雷达系统；

图6示出了根据本发明的雷达接收机；

图7示出了根据本发明的另一种雷达接收机；

图8示出了根据本发明的一种包括至少两个RF前端的系统；和

图9示出了根据本发明的传输线的布图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的RF前端。RF前端(100)适用于接收或发 送信号，该信号分布在至少两个分离的频带中，包括：输入端和输出端， 并且还包括耦合到RF前端(100)的输入端的第一移相器(5)。还包括 耦合到RF前端(100)的输出端的第二移相器(6)，第一移相器(5)通 过第一放大器(3)和第二放大器(4)分别被耦合到第二移相器(6)。

RF前端(100)，还包括输入匹配电路(1)，输入匹配电路(1)包 括耦合到RF前端(100)的输入端的第一输入端和耦合到第一移相器(5) 的第二输入端，输入匹配电路(1)还包括耦合到第一放大器电路(3) 的输入端的第一输出端和耦合到第二放大器电路(4)的输入端的第二输 出端。RF前端(100)还包括输出匹配电路(2)，输出匹配电路(2)包 括耦合到第一放大器电路(3)的输出端的第三输入端，和耦合到第二放 大器电路(4)的输出端的第四输入端。优选地，第一移相器(5)具有 与第二移相器(6)相同的结构，但在实践中这不是必需的。这意味着， 各电路的拓扑可以是相同的，但各个设备所用的值不必要是相同的。

本发明能够提供在多个频带中的信号的放大，而不需要开关或调谐 元件。RF前端可以被设计为在多个频带中提供放大，并在布置不同的工 作频率上具有很高的自由度。此外，本发明支持在不同的频带中同时操 作。例如，这可以使多频带接收机/发射机被设计为其中的单个低噪声放 大器(LNA)在不同的通信频带用于同时放大信号。第二个例子可以是用 于同时放大两个不同频带的基站功率放大器，从而导致更高的系统效率 和更低的硬件成本。另一个例子可以是在雷达系统中的使用。

移相器(5,6)的相移取决于频率。对于频率f_{0_cm}，移相器(5)在 输入和输出(6)处的相移是180度的奇数倍。因此，对于该频率，在输 入参考平面处的两个分支中的放大器输入电压是同相的，从而导致用第 一和第二放大器(3,4)实现的差分放大器用于在共模中操作。对于该频 率，在输出电压参考平面处的输出电压是同相的。移相器在输出处在此 频率下具有180度相移，导致在负载阻抗上的差分电压。对于频率f_{0_dm}， 移相器的相移在输入(5)和输出(6)处是180度的偶数倍。对于该频 率，输入电压在输入参考平面处是180度异相，和由第一和第二放大器 (3,4)形成的放大器在差模中操作。在此频率下，电压在输出电压参考 平面处也具有180度的相位差以及移相器在输出处具有插入相位，该插 入相位是180度的偶数倍，从而负载两端的电压只具有差分成分。

可以看出，放大器可以同时在多个频带中操作，即使它不包括可调 谐的设备或开关。实际上，这意味着差分源信号通过输入匹配网络(1) 和移相器(5)被转换成用于不同频带的共模和差模信号，然后通过放大 器在共模和差模中被放大，然后通过输出匹配网络(2)和输出端(6) 处的移相器转换为负载上的差分输出信号。

如果移相器(5,6)被实现为插入相位在不同频率下是180度的奇 数倍，则在相同频率下可以是共模放大，假设对于共模，放大器在这些 频率上是阻抗匹配的。这可以通过设计输入和输出匹配网络(1,2)以在 这些频率下提供正确的共模阻抗变换来实现。

如果移相器(5,6)的插入相位在不同频率下是180度的偶数倍， 则在相同频率下，放大器可在差模中提供增益，假设通过匹配网络，在 这些相同的频率下差分输入和输出阻抗是阻抗匹配的。

图2示出了更为详细的RF前端。它包含两个放大器(3,4)，用于 共模输入阻抗和差模输入阻抗的输入匹配网络(1)，用于共模和差模输 出阻抗的输出匹配网络(2)，以及实现为传输线的两个移相器(5,6)。 移相器(5,6)可以以多种方法实现，例如，用集总元件，无源全通滤波 器等。传输线路(5,6)的电长度β在f_{0_cm}处等于180度，以及在f_{0_dm}处为360度的电长度。如果在差模中，放大器的输入和输出阻抗在f_{0_dm}处匹配和放大器共模输入和输出阻抗在f_{0_cm}处匹配，则功率增益可以如 图3所示。

可以证明，需要满足两组要求使在频率f_{0_cm}和f_{0_dm}处具有功率增益：

1.移相器(5,6)的相移必须是在频率f_{0_cm}处为180度的奇数倍，在 频率f_{0_dm}处为180度的偶数倍；

2.共模输入和输出阻抗必须在频率f_{0_cm}处匹配。差模输入和输出阻抗 必须在频率f_{0_dm}处匹配。

第一和第二个上述要求甚至可以在两个以上的频率处得到满足，从 而导致多频带放大器。在本实施例中，第一个要求在多个频率下是自然 满足的，因为传输线的自然相位特性与频率相应。在本实施例中，具有 对共模和差模输入和输出阻抗的阻抗匹配的第二个要求，只有在各自的 f_{0_cm}和f_{0_dm}处得到满足。这是匹配网络复杂性低的结果，为电感器的T。 图2中的匹配网络元件L1，L2，L3和L4可以通过使用下面的公式选择。

f 0 , d m = 1 2 π L 1 C i n ]]>

f 0 , d m = 1 2 π L 3 C o u t ]]>

f 0 , c m = 1 2 π L 1 C i n + 2 L 2 C i n ]]>

f 0 , c m = 1 2 π L 3 C o u t + 2 L 4 C o u t ]]>

上述实施例仅仅是许多实现选择之一。移相器(5,6)和匹配网络 (1,2)，可以在多个可选择的方法中实现。例如，可以增加匹配网络的 复杂性，以允许多频带的阻抗匹配。匹配网络(1,2)也可以使用分散元 件而不是集总元件或它们的组合来实现。移相器(5,6)也可以以不同的 方式实现。在某些情况下，例如，在低频率下，使用集总元件的移相器 的使用可以节省面积。也可以使用有源移相器。相移是180度的偶数倍 或奇数倍是非常重要的，对于共模，阻抗匹配频率与频率相应，移相器 的相移是180度的奇数倍；而对于差模，放大器是阻抗匹配的，移相器 的相移在频率处是180度的偶数倍。

图4示出了根据本发明的RF前端的另一实施例。可以看出，如已 经在图1或2中所示，放大器3,4中的每一个可以是单端或差分。第一 放大器和第二放大器可以是跨导放大器。在非常简单的形式中，放大器 可以是以任何技术，例如，双极型，砷化镓(GaAs)或，在一般情况下， 一个III-V族化合物，CMOS等技术中制造的晶体管。然而，根据不同的 应用，放大器可以是跨阻放大器和比较普遍的任何类型的受控源。

甚至，当它们被实现为单管放大器时，它们也可能被连接成共基极 (栅极)或发射极(源极)输出器。

图5示出了使用根据本发明的RF前端的雷达系统。更精确地，本 实施例涉及一种低成本的多频带雷达收发器。

该系统包含雷达发射机和接收机，能够在具有带宽BW1和BW2的两 个频带F1和F2中发送和接收一系列的连续波频率啁啾或脉冲。

发射机和接收机模块被连接到雷达信号控制器/处理器模块。该模 块从飞行的时间和反射信号的相位关系生成雷达脉冲/啁啾和导出多个 目标的范围，速度和角度。

多频带雷达系统相比传统的单频带雷达系统具有以下优点：

与检测要求相应，频率和带宽可以被优化。

-长距离，中等分辨率：低频，窄带宽。

-短距离，高分辨率：高频，大带宽

根据ΔR＝C/(2.BW)，分辨率和带宽有关。其中c是光速和BW是频 率带宽。范围和频率/带宽之间的关系是复杂的，频率越高，带宽越大， 检测范围降低。

并发多频带操作，所检测的目标的平滑频率转换取决于它们之间的 距离和所需的分辨率。

在多个频带中的并发操作增加来自目标的信息被检测到的速度，因 此减少了系统的响应时间。

根据本申请的多频带操作，通过收发器和天线硬件的再使用节约系 统的成本。

图6示出了根据本发明的双频带雷达发射机的一个例子。发射机同 时产生两个频率啁啾：一个啁啾在76-81GHz频带，具有有限的带宽 0.5GHz，用于有限的分辨率的远距离检测；另一啁啾在115-125GHz频带， 具有5GHz的带宽，用于有限的范围内的高分辨率检测。

信号在信号组合器(200)中的多频带放大器的输入端被组合。信 号在信号分离器(300)中的放大器的输出端被分离并馈送到两个单频带 天线400，每个单频带天线400被设计为在目标频带之一中传播功率。

图7示出了图6中提出的概念的替换方案。在这种情况下，在放大 器的输出处的信号被馈送到双频带天线，该双频带天线被设计为在两个 频带中传播功率，并在输出分配器如模块405中一起示出。

多频带接收机包括和发射机相同的主要构件模块，但顺序不同。根 据本发明的双频带雷达接收机可以同时接收两个频率啁啾，一个啁啾在 76-81GHz频带，具有有限的带宽0.5GHz，用于有限的分辨率的远距离检 测；另一啁啾在115-125GHz频带，具有5GHz的带宽，用于有限的范围 内的高分辨率检测。

信号由两个单频带天线接收，并在信号组合器中的多频带放大器的 输入端组合。信号通过使用信号分离器在放大器的输出处被分离，并被 馈送到两个单频带接收机的输出处用于进一步的信号处理。

可替换地，信号由双频带天线接收，该双频带天线被设计为在两个 频带中接收功率，这样，不再需要在输入端的信号组合器。

在本发明的另一实施例中，RF前端可用于低成本的雷达和点对点通 信系统，如图8所示。该系统包括发射机和接收机，能够在具有带宽BW1 的频带F1和具有带宽BW2的频带F2中发送和接收一系列连续波频率啁 啾或脉冲。

发射机和接收机模块被连接到雷达和通信信号控制器/处理器模 块。该模块从反射信号的飞行时间和相位关系生成雷达脉冲/啁啾和导出 多个目标的范围，速度和角度，并且生成并检测通信信号。

这种结合的雷达/通信系统相比传统的雷达和点对点通讯系统，具 有以下优点：

-它在特定的角度方向可同时检测和传输目标或传输到目标。一个 例子是汽车雷达/智能交通系统(ITS)通信系统，其中使用点对点通信 在汽车之间交换ITS信号，在雷达系统测量的特定的空间方向发送和接 收数据。这种频谱的空间再利用的形成，避免了传统的非定向ITS通信 系统的系统容量有限的问题。

-根据本发明的结合雷达和通信功能，通过收发器和天线硬件的再 使用节约系统的成本。

图9示出了根据本发明的传输线的布局。该网络由两个分离的单端 的传输线组成,这两个传输线具有不同的电长度。图中移相器5的连接点 与布局描述相对应。进一步来说，对于确定相移，总的电长度是很重要 的，但实际的几何形状是不太重要的。

需要指出的是，本发明保护的范围并不限于本文所描述的实施例。 本发明的保护范围也不受权利要求中的附图标记的限制。词语“包括” 并不排除在权利要求中提到的部分以外的部分。形成本发明的一部分的 单元，可以以专用硬件的形式实现，或以已编程的目标处理器的形式实 现。本发明在于每个新的特征或特征的组合。