一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)采用時(shí)分互用(TDD)模式，其發(fā)射前端和接收前端采用同一種毫米波頻段，該系統(tǒng)包括發(fā)射前端模塊、接收前端模塊、頻率綜合器模塊和倍頻鏈模塊。該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的微波毫米波集成電路芯片(MMIC)通過(guò)在片微帶線實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)，或者通過(guò)制備在封裝載體上的微帶線實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)，并形成收發(fā)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成芯片(SoC)，不同功能的芯片采用同一種半導(dǎo)體材料工藝制備；為了獲得更好的系統(tǒng)性能，不同功能的芯片采用不同半導(dǎo)體材料工藝制備，通過(guò)混合集成制備在封裝載體上。該收發(fā)系統(tǒng)采用零中頻結(jié)構(gòu)或超外差結(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)線通信系統(tǒng)。具體地說(shuō)是有關(guān)一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波(如70GHz以上)的一大應(yīng)用是毫米波通信。因?yàn)閷?duì)高速率、高帶寬通信的持續(xù)升級(jí)要求，以及避免因?yàn)榈皖l段頻譜密集使用而產(chǎn)生的信號(hào)干擾，國(guó)際上微波毫米波技術(shù)的一大發(fā)展趨勢(shì)是向頻率更高的頻段升級(jí)。過(guò)去幾年間，隨著Ka波段以及8mm波段(?30GHz)的芯片與應(yīng)用技術(shù)的逐步成熟和推廣，在更高頻率的60GHz以及E波段(71-86GHZ)頻段，甚至更高頻段的W波段(70-110GHZ)也成為國(guó)際上毫米波技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的前沿。
[0003]國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-R)公布了 E波段無(wú)線通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，可用頻譜由兩個(gè)不同頻段組成，包括低頻段71GHz?76GHz和高頻段81GHz?86GHz。E波段無(wú)線通信適用于基站之間超高速互聯(lián)等應(yīng)用，無(wú)線傳輸速率可達(dá)到IGbps以上。
[0004]發(fā)明專(zhuān)利(StephenJames Connsolazio，“E-band radio transceiverarchitecture and chip set，，，US20050170789 (W02005074464A2)，Aug.4，2005，參考專(zhuān)利I)披露了一種利用同一種半導(dǎo)體材料砷化鎵(GaAs)的不同工藝制備的微波/毫米波單片集成電路芯片(MMIC)形成E-波段的芯片組，并通過(guò)把不同功能的多個(gè)芯片(如放大器、振蕩器、倍頻器等)進(jìn)行混合集成，實(shí)現(xiàn)E波段無(wú)線通信的收發(fā)系統(tǒng)技術(shù)。該發(fā)明專(zhuān)利收發(fā)系統(tǒng)中的發(fā)射前端和接收前端采用不同的頻率，例如，發(fā)射前端采用71 — 76GHz，接收前端采用81-86GHZ，從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的頻分互用(FDD)模式。該發(fā)明專(zhuān)利的接收部分采用二次變頻。
[0005]論文(0.Katz, R.Ben-Yishay, R.Carmon, B.Sheinman, F.Szenher, D.Papae,and D.Elad, “High-power high-linearity SiGe based E-band transceiver chipsetfor broadband communication”， IEEE Radio Frequency Integrated CircuitsSymp0Sium(RFIC)，2012，參考文獻(xiàn)I)介紹了一種用硅(Si)襯底材料的鍺硅(SiGe)工藝設(shè)計(jì)完成的E-波段單片集成電路芯片組。該芯片組采用超外差結(jié)構(gòu)，通過(guò)單片集成多個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)E波段的無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)。該芯片組所實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)工作在71 — 76GHz的下行頻率和81-86GHz的上行頻率，從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的頻分互用(FDD)模式。該芯片組可實(shí)現(xiàn)17.5-18.5dBm的發(fā)射功率。
[0006]針對(duì)基站超高速互聯(lián)等具體應(yīng)用，隨著基站的微型化和大量應(yīng)用，E波段無(wú)線通信系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素是如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的性能、價(jià)格之間的均衡與優(yōu)化。參考專(zhuān)利I和參考文獻(xiàn)I所采用的FDD模式，因?yàn)榘l(fā)射前端和接收前端采用不同頻段，因此發(fā)射前端與接收前端之間的干擾小，有助于提高收發(fā)系統(tǒng)的隔離度，降低收發(fā)信號(hào)之間的相互干擾。然而，F(xiàn)DD模式發(fā)射前端和接收前端必須各占用一個(gè)通信信道，較時(shí)分互用(TDD)模式占用了更多的信道資源。TDD模式可以靈活地設(shè)置上行和下行轉(zhuǎn)換時(shí)刻，用于實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的上行和下行業(yè)務(wù)帶寬，有利于實(shí)現(xiàn)明顯上行和下行不對(duì)稱(chēng)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。和TDD模式比較，F(xiàn)DD模式的系統(tǒng)復(fù)雜度和成本較高，例如，信號(hào)需要經(jīng)過(guò)雙工器再連接到天線，以保證信號(hào)不會(huì)相互干擾。而TDD模式就不存在該問(wèn)題，不但免除了接入雙工器所引起的插入損耗，使信號(hào)的收發(fā)處理變得簡(jiǎn)單，同時(shí)也降低造價(jià)，減小了設(shè)備的體積。
[0007]另外，參考專(zhuān)利I和參考文獻(xiàn)I的收發(fā)系統(tǒng)中，不同功能的芯片所采用的毫米波單片集成電路芯片(MMIC)工藝是基于同一種半導(dǎo)體襯底材料(如GaAs或Si)工藝。采用同一種半導(dǎo)體襯底材料具有單片集成各種不同功能芯片的優(yōu)勢(shì)。但是，襯底材料的單一化限制了根據(jù)不同材料和工藝實(shí)現(xiàn)不同芯片從而提高芯片性能的靈活性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。
[0008]此外，參考專(zhuān)利I和參考文獻(xiàn)I的接收系統(tǒng)都采用二次變頻的超外差結(jié)構(gòu)，雖然理論上信道選擇性更好，但需要高Q值鏡像抑制濾波器和信道選擇濾波器，這些濾波器幾乎不可能在片實(shí)現(xiàn)，從而增大了接收機(jī)的復(fù)雜度、成本以及尺寸。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]有鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)之缺失，本發(fā)明一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)將解決存在于現(xiàn)有技術(shù)中的該些缺失。
[0010]本發(fā)明的收發(fā)系統(tǒng)采用時(shí)分互用(TDD)模式。TDD模式的收發(fā)系統(tǒng)其發(fā)射前端和接收前端的頻率采用相同的頻段，在降低收發(fā)系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)增強(qiáng)上行和下行信道配置的靈活性。而TDD模式下收發(fā)信號(hào)之間的干擾，可以通過(guò)提高芯片線性度性能來(lái)抑制。
[0011]針對(duì)TDD模式收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，除了超外差結(jié)構(gòu)還可以采用一次變頻(零中頻)結(jié)構(gòu)。零中頻結(jié)構(gòu)不需要高Q值鏡像抑制濾波器和信道選擇濾波器，降低了收發(fā)系統(tǒng)復(fù)雜度。由于中頻中的有用信號(hào)最低頻率較高，混頻器與中頻放大器之間可以交流耦合，零中頻結(jié)構(gòu)帶來(lái)的直流失調(diào)可以得到有效抑制。另外，由于毫米波(如E-波段)無(wú)線通信的信道帶寬比較大(如?250MHz)，信道間隔也相應(yīng)增大，從而信道選擇變得相對(duì)容易，零中頻結(jié)構(gòu)能夠滿足信道選擇性的要求。
[0012]針對(duì)TDD模式收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，不同功能的器件芯片可以采用相同的半導(dǎo)體襯底材料工藝，形成系統(tǒng)集成芯片(system on chip, SoC),也可以采用不同的半導(dǎo)體襯底材料工藝，所制備的相關(guān)芯片通過(guò)混合集成形成收發(fā)系統(tǒng)?？晒┻x擇的半導(dǎo)體材料工藝包括，砷化鎵(GaAs)工藝、磷化銦(InP)工藝、氮化鎵(GaN)工藝(碳化硅或藍(lán)寶石襯底)、鍺硅(SiGe)工藝，以及硅(Si)工藝。幾種不同工藝制備的集成電路芯片具有各自的性能優(yōu)勢(shì)，例如，GaAs的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)具有比GaAs的贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)更低的相位噪聲，制備頻率綜合器的壓控振蕩器芯片噪聲更低、性能更好。GaAs的PHEMT具有比SiGe更高的電子遷移率，用于制備功率放大器時(shí)，可以提供更高的輸出功率，從而滿足中長(zhǎng)距離(如超過(guò)3km)的毫米波無(wú)線通信。另外，GaN工藝的功率放大器具有更大的輸出功率，更低的功耗，更高的效率。Si襯底的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝具有集成度高，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜功能電路的特點(diǎn)。InP工藝的低噪聲放大器具有比GaAs工藝的低噪聲放大器更低的噪聲。以上不同工藝制備的MMIC芯片通過(guò)混合集成，將可以實(shí)現(xiàn)毫米波無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)更高的性能/價(jià)格比，從而滿足不同條件的無(wú)線互聯(lián)應(yīng)用。
[0013]本發(fā)明提出了采用時(shí)分互用(TDD)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)的收發(fā)系統(tǒng)，用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)毫米波超高速無(wú)線通信。如圖1，所述系統(tǒng)其發(fā)射前端和接收前端采用的是同一個(gè)頻段，如針對(duì)E波段毫米波通信標(biāo)準(zhǔn)中的低頻段71~76GHz，或者高頻段81~86GHz。作為對(duì)比，參考專(zhuān)利I以及參考文獻(xiàn)I的毫米波無(wú)線通信系統(tǒng)采用的頻分互用(FDD)模式(如圖2、圖3)，其收發(fā)系統(tǒng)中發(fā)射前端和接收前端采用不同的毫米波頻段，具有占用信道資源多，系統(tǒng)復(fù)雜、體積大等劣勢(shì)。而本發(fā)明的信道資源利用率高，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了成本。
[0014]優(yōu)選的，該多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的微波毫米波集成電路芯片(MMIC)采用同一種半導(dǎo)體材料工藝制備，如GaAs或者Si襯底的SiGe材料，形成系統(tǒng)集成芯片(SoC)，從而提高系統(tǒng)的集成度，適用于如小型基站之間的中短距離通?目。
[0015]參考專(zhuān)利I與參考文獻(xiàn)I的FDD收發(fā)系統(tǒng)技術(shù)是采用同一種半導(dǎo)體襯底材料(如GaAs或者Si襯底的SiGe材料等)來(lái)制備不同芯片，具有潛在的可單片集成的優(yōu)勢(shì)，但卻無(wú)法充分發(fā)揮不同半導(dǎo)體材料(如GaAs、InP、SiGe, GaN等)的各自?xún)?yōu)勢(shì)。
[0016]通過(guò)在不同的半導(dǎo)體材料工藝基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同功能的芯片，將實(shí)現(xiàn)不同芯片的性能優(yōu)化，并通過(guò)混合集成制備在封裝載體上，形成收發(fā)系統(tǒng)并提高收發(fā)系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)適用于如大型基站之間的中長(zhǎng)距離通信 。
[0017]優(yōu)選的，該多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的微波毫米波集成電路芯片(MMIC)采用不同的半導(dǎo)體材料工藝制備，并通過(guò)混合集成形成收發(fā)系統(tǒng)。
[0018]優(yōu)選的，針對(duì)寬帶通信的信道帶寬較大、信道間隔較大，以及所需收發(fā)系統(tǒng)信道選擇性相對(duì)不高的特點(diǎn)，該多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)采用零中頻結(jié)構(gòu)，相比參考文獻(xiàn)I (如圖3)的超外差架構(gòu)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，減少了芯片數(shù)量，降低了成本。
[0019]優(yōu)選的，針對(duì)某一特定區(qū)域用戶(hù)(或基站)較多，信道帶寬較窄的情況下，該多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)采用超外差結(jié)構(gòu)，提高信道選擇性，提高通信質(zhì)量。
[0020]本發(fā)明并提供針對(duì)TDD模式的一種多芯片集成的毫米波無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)的解決方案。
[0021]請(qǐng)參閱圖1為一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)框圖，其特征在于該無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)采用時(shí)分互用(TDD)模式，其發(fā)射前端和接收前端采用同一種毫米波頻段。
[0022]所述TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)包括如下4個(gè)(A、B、C、D)主要部分:
[0023]A部分:發(fā)射前端模塊，包括兩個(gè)單元(Al、A2)，其中Al為上變頻混頻器，A2為功率放大器；
[0024]B部分:接收前端模塊，包括兩個(gè)單元(B1、B2)，其中BI為下變頻混頻器，B2為低噪聲放大器；
[0025]C部分:頻率綜合器模塊，包括兩個(gè)單元(C1、C2)，其中Cl為振蕩器單元，包括壓控振蕩器、緩沖放大器、功率分配器，C2為鎖相環(huán)；
[0026]D部分:倍頻鏈模塊，包括倍頻器、放大器、帶通濾波器、功率分配器、緩沖放大器。
[0027]所述TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)中的發(fā)射前端模塊用于發(fā)射毫米波信號(hào)，接收前端模塊用于接收毫米波信號(hào)，頻率綜合器模塊用于產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的微波或毫米波頻率信號(hào)，倍頻鏈模塊用于把頻率綜合器模塊提供的頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻。[0028]在發(fā)射前端模塊(A部分)中，上變頻混頻器Al把基帶信號(hào)SI上變頻到毫米波波段，上變頻混頻器Al的射頻輸出端接功率放大器A2，毫米波信號(hào)在功率放大器A2中得到放大后，通過(guò)天線發(fā)射到空間。
[0029]在接收前端模塊(B部分)中，從天線接收到的毫米波信號(hào)S3，通過(guò)低噪聲放大器(B2)放大后送到下變頻混頻器BI，下變頻混頻器BI將信號(hào)下變頻為接收端基帶信號(hào)S4并輸出，最后，輸入到基帶進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。
[0030]頻率綜合器模塊(C部分)中的振蕩器單元Cl產(chǎn)生低相位噪聲的穩(wěn)定的兩路頻率信號(hào)，一路頻率信號(hào)送入倍頻鏈模塊，另一路送入鎖相環(huán)C2。鎖相環(huán)C2被用來(lái)增加頻率綜合器輸出頻率信號(hào)的穩(wěn)定度，減小該頻率信號(hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)(jitter)。
[0031]倍頻鏈模塊(D部分)通過(guò)倍頻、濾波、放大、功率分配、緩沖處理，輸出兩路毫米波頻率信號(hào)，一路作為上變頻混頻器Al的本振(LO)信號(hào)，另一路作為下變頻混頻器BI的本振(LO)信號(hào)。
[0032]所述TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其中實(shí)現(xiàn)不同功能的微波毫米波集成電路芯片(MMIC)通過(guò)在片微帶線實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)，或者通過(guò)制備在封裝載體上的微帶線實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)，并形成收發(fā)系統(tǒng)。
[0033]所述收發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的芯片可以采用相同的半導(dǎo)體材料工藝制備形成系統(tǒng)集成芯片，也可以采用不同的半導(dǎo)體材料工藝制備再混合集成，在封裝載體上形成收發(fā)系統(tǒng)。
[0034]所述收發(fā)系統(tǒng)可以采用零中頻結(jié)構(gòu)，也可以采用超外差結(jié)構(gòu)。
[0035]較佳地，該TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)中，所述發(fā)射前端模塊的上變頻混頻器可以采用砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)材料的贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝制備；功率放大器采用GaAs材料或GaN材料的PHEMT工藝制備；或功率放大器采用鍺硅(SiGe)的雙極型晶體管(HBT)工藝制備。
[0036]較佳地，該TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)中，所述接收前端模塊的下變頻混頻器采用GaAs或磷化銦(InP)材料的PHEMT工藝制備，低噪聲放大器采用GaAs或InP材料的PHEMT工藝制備；或低噪聲放大器采用鍺硅(SiGe)的雙極型晶體管(HBT)工藝制備。
[0037]較佳地，該TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)中，所述頻率綜合器模塊當(dāng)輸出低頻率信號(hào)時(shí)，振蕩器單元采用GaAs材料的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)工藝或鍺硅(SiGe)材料的HBT工藝制備，或者振蕩器單元采用硅(Si)材料的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝制備；當(dāng)輸出高頻信號(hào)時(shí)，振蕩器單元或GaAs材料的PHEMT工藝制備；鎖相環(huán)采用硅
(Si)材料的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝或鍺硅(SiGe)材料的HBT工藝制備。
[0038]較佳地，該TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)中，所述倍頻鏈模塊采用GaAs或者GaN材料的PHEMT工藝制備；或倍頻鏈模塊采用鍺硅(SiGe)的雙極型晶體管(HBT)。所述倍頻鏈模塊中的倍頻器數(shù)量、倍頻倍數(shù)、帶通濾波器數(shù)量隨頻率綜合器模塊輸出頻率的高低做相應(yīng)改變。當(dāng)所述頻率綜合器模塊輸出頻率為11.5-14.5GHz時(shí)，倍頻鏈模塊包括二(X2)倍頻器、三(X3)倍頻器、放大器，與倍頻器相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)帶通濾波器、功率分配器、緩沖放大器；頻率綜合器模塊輸出頻率為35.5-43GHZ時(shí)，倍頻鏈模塊包括二倍頻器、放大器，與倍頻器相對(duì)應(yīng)的一個(gè)帶通濾波器、功率分配器、緩沖放大器；頻率綜合器模塊輸出頻率為71—86GHz時(shí)，倍頻鏈模塊包括放大器、一個(gè)帶通濾波器、功率分配器、緩沖放大器。[0039]較佳地，該TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，所包含的各模塊中任何兩個(gè)或以上器件采用同一種材料工藝制備時(shí)，將兩個(gè)或以上器件集成在一個(gè)芯片上。
[0040]所述TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其工作頻率在毫米波段包括E-波段的7 lGHz-76GHz或8 lGHz_86GHz，在每個(gè)頻帶內(nèi)接收和發(fā)送I至4個(gè)1.25GHz或I至4個(gè)250MHz的信道，并且以全雙工方式與其他收發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。
[0041]所述TDD模式毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，該收發(fā)系統(tǒng)結(jié)合基帶系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源，組成毫米波無(wú)線互聯(lián)通信系統(tǒng)，所述無(wú)線互聯(lián)通信系統(tǒng)包括兩個(gè)及以上彼此通信的毫米波基站，每個(gè)基站包括基帶系統(tǒng)、收發(fā)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0042]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0043]圖1是一種多芯片集成的無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)框圖(示例性實(shí)施例1)。
[0044]圖2是參考專(zhuān)利I的FDD模式的收發(fā)系統(tǒng)框圖。
[0045]圖3是參考文獻(xiàn)I的超外差結(jié)構(gòu)FDD模式的收發(fā)系統(tǒng)框圖。
[0046]圖4是一種多芯片集成的無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)框圖(示例性實(shí)施例2)。
[0047]圖5是一種多芯片集成的無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)框圖(示例性實(shí)施例3)。
[0048]圖6是一種多芯片集成的無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)在E波段的相互通信示意圖。
[0049]圖7是一個(gè)典型的毫米波無(wú)線互聯(lián)通信系統(tǒng)示意圖。
[0050]其中
[0051]A-發(fā)射前端模塊
[0052]B-接收前端模塊
[0053]C-頻率綜合器模塊
[0054]D-倍頻鏈模塊
[0055]Al-上變頻混頻器
[0056]A2-功率放大器
[0057]B1-下變頻混頻器
[0058]B2-低噪聲放大器
[0059]Cl-振蕩器單元
[0060]Cl 1-壓控振蕩器
[0061]C12-功率分配器
[0062]C13-緩沖放大器
[0063]C2-鎖相環(huán)
[0064]D11-二(X2)倍頻器
[0065]D12-帶通濾波器
[0066]D13-放大器
[0067]D14-三(X3)倍頻器
[0068]D15-帶通濾波器
[0069]D16-功率分配器
[0070]D17-緩沖放大器[0071]D18-緩沖放大器
[0072]C14-壓控振蕩器
[0073]C15-功率分配器
[0074]C16-緩沖放大器
[0075]D21-X2 倍頻器
[0076]D22-帶通濾波器
[0077]C17-壓控振蕩器
[0078]C18-功率分配器
[0079]C19-緩沖放大器
[0080]D31-帶通濾波器
[0081]S1-用于發(fā)射的基帶信號(hào)
[0082]S2-功率放大器輸出信號(hào)
[0083]S3-天線接收的信號(hào)
[0084]S4-接收端基帶信號(hào)
[0085]S5-參考信號(hào)源
[0086]S6-輸入數(shù)據(jù)
[0087]S7-輸出數(shù)據(jù)
[0088]TX-發(fā)射前端
[0089]RX-接收前端
[0090]T5-數(shù)據(jù)源
[0091]Wl-無(wú)線鏈路
[0092]f0- 一個(gè)特定的毫米波頻段(如71GHz?76GHz頻段或81GHz_86GHz頻段)
[0093]T-基站
[0094]T4-基帶系統(tǒng)
【具體實(shí)施方式】
[0095]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求項(xiàng)要求所限定的范圍。
[0096]本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例:
[0097]圖1系統(tǒng)記為T(mén)l，采用零中頻結(jié)構(gòu)，包括4個(gè)主要部分(A，B，C，D):
[0098]發(fā)射前端模塊(A部分)中，上變頻混頻器Al采用GaAs或GaN材料的PHEMT工藝制備，功率放大器A2采用GaAs材料或GaN材料的PHEMT工藝制備，功率放大器A2也可以采用SiGe材料的HBT工藝制備。
[0099]接收前端模塊(B部分)中，下變頻混頻器BI采用GaAs或InP材料的PHEMT工藝制備，低噪聲放大器B2采用GaAs或InP材料的PHEMT工藝制備，低噪聲放大器B2也可以采用SiGe材料的HBT工藝制備。
[0100]頻率綜合器模塊(C部分)中，振蕩器單元Cl采用GaAs材料的HBT工藝或SiGe材料的HBT工藝制備，鎖相環(huán)C2采用Si材料的CMOS工藝或SiGe材料的HBT工藝制備。[0101]倍頻鏈模塊(D部分)采用GaAs或GaN材料的PHEMT工藝制備。
[0102]A部分為發(fā)射前端模塊，用于發(fā)射毫米波信號(hào)(如E波段毫米波信號(hào))。上變頻混頻器Al把基帶信號(hào)SI上變頻到E波段，上變頻混頻器Al的射頻輸出端接功率放大器A2，毫米波信號(hào)在功率放大器A2中得到放大,使得連續(xù)波(CW)輸出功率達(dá)到約300毫瓦(約+25dBm)或以上?？紤]到上變頻混頻器Al的損耗，功率放大器A2輸出功率的正常范圍大約為+20dBm或以上。功率放大器A2的輸出信號(hào)S2送入天線。
[0103]B部分為接收前端模塊，用于接收毫米波信號(hào)(如E波段毫米波信號(hào))。低噪聲放大器B2能夠提供選擇性(可變)增益，保證線性度(PldB)性能的同時(shí)降低了接收前端模塊的噪聲系數(shù)(NF)。低噪聲放大器B2將天線接收的信號(hào)S3放大后送到下變頻混頻器BI，下變頻混頻器BI將信號(hào)下變頻為接收端基帶信號(hào)S4并輸出。
[0104]C部分為頻率綜合器模塊，用于產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的頻率信號(hào)。其中振蕩器單元Cl用GaAs或SiGe的HBT工藝制備，因?yàn)镠BT器件的閃爍噪聲低，這樣可以得到低相位噪聲的壓控振蕩器，并且HBT的工藝成本較低，可以降低收發(fā)系統(tǒng)的成本；振蕩器單元Cl也可以采用Si材料的CMOS工藝制備，在滿足性能的同時(shí)，具有低成本優(yōu)勢(shì)。壓控振蕩器Cll產(chǎn)生
11.5—14.5GHz的頻率信號(hào)，接功率分配器C12分成兩路頻率信號(hào)，一路頻率信號(hào)經(jīng)緩沖放大器C13放大后接倍頻鏈模塊，另一路接鎖相環(huán)C2。特別的是，可以在壓控振蕩器Cll適當(dāng)增加選擇諧振電路，使其輸出頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻鏈模塊(D部分)后得到覆蓋整個(gè)E波段的頻率信號(hào)。C2是鎖相環(huán)，鎖相環(huán)被用來(lái)增加頻率綜合器輸出頻率信號(hào)的穩(wěn)定度，減小該頻率信號(hào)的時(shí)鐘抖動(dòng)(jitter)。C2部分可以用CMOS工藝制備，既能滿足復(fù)雜的頻率調(diào)諧控制功能，又占用較小的芯片面積，降低整體芯片組的成本。鎖相環(huán)C2可以包括一個(gè)鑒相器、一個(gè)電荷泵和一個(gè)分頻比可調(diào)節(jié)的分頻器。信號(hào)源S5為鎖相環(huán)C2提供參考頻率，信號(hào)源S5可以是一個(gè)晶體振蕩器。
[0105]D部分為倍頻鏈模塊，用于把頻率綜合器模塊提供的頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻。頻率綜合器模塊提供的頻率信號(hào)(11.5-14.5GHz)首先通過(guò)二(X2)倍頻器Dll頻率增加一倍至23-29GHZ，隨后在帶通濾波器D12中進(jìn)行濾波，其中不期望的約其他倍頻輸出頻率分量被濾除(如一倍頻頻率分量、三倍頻頻率分量)，再在放大器D13中被放大到約+IOdBm,再通過(guò)X3倍頻器D14，頻率從23-29GHZ升到E波段所需的71—86GHz，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波器D15進(jìn)行濾波，濾除E波段之外的其他頻率分量，之后被送到功率分配器D16分成兩路信號(hào)，一路信號(hào)接緩沖放大器D17輸出作為上變頻混頻器Al的本振(LO)信號(hào)，另一路信號(hào)接緩沖放大器D18輸出作為下變頻混頻器BI的本振(LO)信號(hào)。功率分配器D16可以是一個(gè)威爾金森型功率分配器。為了縮小整體模塊體積，帶通濾波器D12、帶通濾波器D15和功率分配器D16利用在片微帶線實(shí)現(xiàn)。緩沖放大器D17、D18輸入功率大約-1OdBm,輸出功率約+lOdBm。進(jìn)一步理解的是，緩沖放大器D17、D18的放大功能也可用多個(gè)放大器來(lái)完成。
[0106]以上系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射和接收一個(gè)特定頻段的毫米波信號(hào)(如71GHz?76GHz頻段或81GHz-86GHz頻段)實(shí)現(xiàn)毫米波無(wú)線互聯(lián)。
[0107]本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例:
[0108]圖4系統(tǒng)記為T(mén)2，采用零中頻結(jié)構(gòu)，也包括4個(gè)主要部分(A，B, C，D)。在制備工藝方面同第一示例性實(shí)施例不同的是Cl部分采用GaAs材料的PHEMT工藝制備，這是因?yàn)?，一方面，較HBT工藝GaAs材料的PHEMT工藝制備的壓控振蕩器可以輸出更高頻率的信號(hào)，另一方面雖然PHEMT工藝制備的壓控振蕩器相位噪聲性能稍差，但由于倍頻鏈模塊提供的倍頻倍數(shù)相應(yīng)減小，倍頻鏈模塊引入的相位噪聲減小，最后提供給上變頻混頻器和下變頻混頻器的本振信號(hào)相位噪聲惡化不大。壓控振蕩器C14產(chǎn)生35.5-43GHZ的信號(hào)，倍頻鏈模塊包括二(X2)倍頻器D21、帶通濾波器D22、功率分配器D16、緩沖放大器D17和緩沖放大器D18。
[0109]本發(fā)明的第三示例性實(shí)施例:
[0110]圖5系統(tǒng)記為T(mén)3，采用零中頻結(jié)構(gòu)，也包括4個(gè)主要部分(A，B, C，D)。在制備工藝方面同第二示例性實(shí)施例相同。壓控振蕩器C17產(chǎn)生71-86GHZ的信號(hào)，倍頻鏈模塊電路中的倍頻器可以省略，這樣可以進(jìn)一步降低電路復(fù)雜度，使電路達(dá)到最簡(jiǎn)化，提高集成度同時(shí)縮小芯片面積。倍頻鏈模塊包括帶通濾波器D31、功率分配器D16、緩沖放大器D17和緩沖放大器D18。
[0111]本發(fā)明的其他特征和方面:
[0112]圖6展示了兩個(gè)毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)彼此之間通過(guò)無(wú)線鏈路Wl的通信，它們采用了 TDD通信方式。發(fā)射前端和接收前端采用同一頻段，并在不同的時(shí)間間隙內(nèi)完成收發(fā)雙工通信。在每個(gè)頻帶內(nèi)接收和發(fā)送1-4個(gè)1.25GHz或1-4個(gè)250MHz的信道，并且以全雙工方式與其他收發(fā)系統(tǒng)通信。
[0113]圖7顯示了一個(gè)典型的毫米波無(wú)線互聯(lián)通信系統(tǒng)示意圖。該示意圖可以適用于E-波段通信。具體地說(shuō)，典型的E-波段通信系統(tǒng)是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，其利用兩個(gè)基站T通過(guò)無(wú)線鏈路Wl在E-波段頻率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。每個(gè)基站T包括毫米波收發(fā)系統(tǒng)Tl，T2，T3中的至少一個(gè)，還包括基帶系統(tǒng)T4用于支持各種系統(tǒng)功能，此外，每個(gè)基站還包括數(shù)據(jù)源T5。
【權(quán)利要求】
1.一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)采用時(shí)分互用(TDD)模式，其發(fā)射前端和接收前端采用同一種毫米波頻段；該系統(tǒng)包括發(fā)射前端模塊、接收前端模塊、頻率綜合器模塊和倍頻鏈模塊，其中發(fā)射前端模塊包括上變頻混頻器和功率放大器，接收前端模塊包括下變頻混頻器和低噪聲放大器，頻率綜合器模塊包括振蕩器單元和鎖相環(huán)，倍頻鏈模塊包括倍頻器、放大器、帶通濾波器、功率分配器和緩沖放大器，振蕩器單元包括壓控振蕩器、緩沖放大器、功率分配器； 發(fā)射前端模塊用于發(fā)射毫米波信號(hào)，接收前端模塊用于接收毫米波信號(hào)，頻率綜合器模塊用于產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的微波或毫米波頻率信號(hào)，倍頻鏈模塊用于把頻率綜合器模塊提供的頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻； 該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的微波毫米波集成電路芯片(MMIC)通過(guò)在片微帶線實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)，或者通過(guò)制備在封裝載體上的微帶線實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)，并形成收發(fā)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的微波毫米波集成電路芯片(MMIC)采用同一種半導(dǎo)體材料工藝制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的微波毫米波集成電路芯片(MMIC)采用不同的半導(dǎo)體材料工藝制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)采用零中頻結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)采用超外差結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射前端模塊的上變頻混頻器采用砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)材料的贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝制備；功率放大器采用GaAs材料或GaN材料的PHEMT工藝制備；或功率放大器采用鍺硅(SiGe)的雙極型晶體管(HBT)工藝制備。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述接收前端模塊的下變頻混頻器采用GaAs或磷化銦(InP)材料的PHEMT工藝制備，低噪聲放大器采用GaAs或InP材料的PHEMT工藝制備；或低噪聲放大器采用鍺硅(SiGe)的雙極型晶體管(HBT)工藝制備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述頻率綜合器模塊當(dāng)輸出低頻率信號(hào)時(shí)，振蕩器單元采用GaAs材料的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)工藝或鍺硅(SiGe)材料的HBT工藝制備，或者振蕩器單元采用硅(Si)材料的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝制備；當(dāng)輸出高頻率信號(hào)時(shí)，振蕩器單元采用GaAs材料的PHEMT工藝制備；鎖相環(huán)采用硅(Si)材料的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝或鍺硅(SiGe)材料的HBT工藝制備。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述倍頻鏈模塊采用GaAs或者GaN材料的PHEMT工藝制備；或倍頻鏈模塊采用鍺硅(SiGe)的雙極型晶體管(HBT)工藝制備。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述倍頻鏈模塊中的倍頻器數(shù)量、倍頻倍數(shù)、帶通濾波器數(shù)量隨頻率綜合器模塊輸出頻率的高低做相應(yīng)改變。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述頻率綜合器模塊輸出頻率為11.5 —14.5GHz時(shí)，倍頻鏈模塊包括二(X2)倍頻器、三(X3)倍頻器、放大器，與倍頻器相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)帶通濾波器、功率分配器、緩沖放大器；頻率綜合器模塊輸出頻率為35.5-43GHZ時(shí)，倍頻鏈模塊包括二倍頻器、放大器，與倍頻器相對(duì)應(yīng)的一個(gè)帶通濾波器、功率分配器、緩沖放大器；頻率綜合器模塊輸出頻率為71—86GHz時(shí)，倍頻鏈模塊包括放大器、一個(gè)帶通濾波器、功率分配器、緩沖放大器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述該系統(tǒng)的各模塊中任何兩個(gè)或以上器件采用同一種材料工藝制備時(shí)，將兩個(gè)或以上器件集成在Iv芯片上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述該系統(tǒng)的工作頻率是E-波段的71GHz-76GHz或81GHz-86GHz，在每個(gè)頻帶內(nèi)接收和發(fā)送I至4個(gè)1.25GHz或I至4個(gè)250MHz的信道，并且以全雙工方式與其他收發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種多芯片集成的毫米波無(wú)線互聯(lián)收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于所述該系統(tǒng)結(jié)合基帶系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源，組成毫米波無(wú)線互聯(lián)通信系統(tǒng)，所述無(wú)線互聯(lián)通信系統(tǒng)包括兩個(gè)及以上彼此通信的毫米波基站，每個(gè)基站包括基帶系統(tǒng)、收發(fā)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源。
【文檔編號(hào)】H04B1/40GK103580714SQ201310557086
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】黃風(fēng)義, 姜楠 申請(qǐng)人:愛(ài)斯泰克（上海）高頻通訊技術(shù)有限公司