一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统技术方案

本发明专利技术提出了一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于该系统采用时分互用(TDD)模式，其发射前端和接收前端采用同一种毫米波频段，该系统包括发射前端模块、接收前端模块、频率综合器模块和倍频链模块。该系统中实现不同功能的微波毫米波集成电路芯片(MMIC)通过在片微带线实现信号互联，或者通过制备在封装载体上的微带线实现信号互联，并形成收发系统。为了实现系统集成芯片(SoC)，不同功能的芯片采用同一种半导体材料工艺制备；为了获得更好的系统性能，不同功能的芯片采用不同半导体材料工艺制备，通过混合集成制备在封装载体上。该收发系统采用零中频结构或超外差结构。

【技术实现步骤摘要】
一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统
本专利技术涉及一种无线通信系统。具体地说是有关一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统。
技术介绍
毫米波(如70GHz以上)的一大应用是毫米波通信。因为对高速率、高带宽通信的持续升级要求，以及避免因为低频段频谱密集使用而产生的信号干扰，国际上微波毫米波技术的一大发展趋势是向频率更高的频段升级。过去几年间，随着Ka波段以及8mm波段(?30GHz)的芯片与应用技术的逐步成熟和推广，在更高频率的60GHz以及E波段(71-86GHZ)频段，甚至更高频段的W波段(70-110GHZ)也成为国际上毫米波技术开发领域的前沿。国际电信联盟(ITU-R)公布了 E波段无线通信的国际标准，可用频谱由两个不同频段组成，包括低频段71GHz?76GHz和高频段81GHz?86GHz。E波段无线通信适用于基站之间超高速互联等应用，无线传输速率可达到IGbps以上。专利技术专利(StephenJames Connsolazio，“E-band radio transceiverarchitecture and chip set，，，US20050170789 (W02005074464A2)，Aug.4，2005，参考专利I)披露了一种利用同一种半导体材料砷化镓(GaAs)的不同工艺制备的微波/毫米波单片集成电路芯片(MMIC)形成E-波段的芯片组，并通过把不同功能的多个芯片(如放大器、振荡器、倍频器等)进行混合集成，实现E波段无线通信的收发系统技术。该专利技术专利收发系统中的发射前端和接收前端采用不同的频率，例如，发射前端采用71 — 76GHz，接收前端采用81-86GHZ，从而实现收发系统的频分互用(FDD)模式。该专利技术专利的接收部分采用二次变频。论文(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)，2012，参考文献I)介绍了一种用硅(Si)衬底材料的锗硅(SiGe)工艺设计完成的E-波段单片集成电路芯片组。该芯片组采用超外差结构，通过单片集成多个芯片实现E波段的无线通信收发系统。该芯片组所实现的无线通信收发系统工作在71 — 76GHz的下行频率和81-86GHz的上行频率，从而实现收发系统的频分互用(FDD)模式。该芯片组可实现17.5-18.5dBm的发射功率。针对基站超高速互联等具体应用，随着基站的微型化和大量应用，E波段无线通信系统的一个重要考虑因素是如何实现无线收发系统的性能、价格之间的均衡与优化。参考专利I和参考文献I所采用的FDD模式，因为发射前端和接收前端采用不同频段，因此发射前端与接收前端之间的干扰小，有助于提高收发系统的隔离度，降低收发信号之间的相互干扰。然而，FDD模式发射前端和接收前端必须各占用一个通信信道，较时分互用(TDD)模式占用了更多的信道资源。TDD模式可以灵活地设置上行和下行转换时刻，用于实现不对称的上行和下行业务带宽，有利于实现明显上行和下行不对称的互联网业务。和TDD模式比较，FDD模式的系统复杂度和成本较高，例如，信号需要经过双工器再连接到天线，以保证信号不会相互干扰。而TDD模式就不存在该问题，不但免除了接入双工器所引起的插入损耗，使信号的收发处理变得简单，同时也降低造价，减小了设备的体积。另外，参考专利I和参考文献I的收发系统中，不同功能的芯片所采用的毫米波单片集成电路芯片(MMIC)工艺是基于同一种半导体衬底材料(如GaAs或Si)工艺。采用同一种半导体衬底材料具有单片集成各种不同功能芯片的优势。但是，衬底材料的单一化限制了根据不同材料和工艺实现不同芯片从而提高芯片性能的灵活性，无法实现优化系统性能的目的。此外，参考专利I和参考文献I的接收系统都采用二次变频的超外差结构，虽然理论上信道选择性更好，但需要高Q值镜像抑制滤波器和信道选择滤波器，这些滤波器几乎不可能在片实现，从而增大了接收机的复杂度、成本以及尺寸。
技术实现思路
有鉴于上述现有技术之缺失，本专利技术一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统将解决存在于现有技术中的该些缺失。本专利技术的收发系统采用时分互用(TDD)模式。TDD模式的收发系统其发射前端和接收前端的频率采用相同的频段，在降低收发系统复杂度的同时增强上行和下行信道配置的灵活性。而TDD模式下收发信号之间的干扰，可以通过提高芯片线性度性能来抑制。针对TDD模式收发系统的实现，除了超外差结构还可以采用一次变频(零中频)结构。零中频结构不需要高Q值镜像抑制滤波器和信道选择滤波器，降低了收发系统复杂度。由于中频中的有用信号最低频率较高，混频器与中频放大器之间可以交流耦合，零中频结构带来的直流失调可以得到有效抑制。另外，由于毫米波(如E-波段)无线通信的信道带宽比较大(如?250MHz)，信道间隔也相应增大，从而信道选择变得相对容易，零中频结构能够满足信道选择性的要求。针对TDD模式收发系统的实现，不同功能的器件芯片可以采用相同的半导体衬底材料工艺，形成系统集成芯片(system on chip, SoC),也可以采用不同的半导体衬底材料工艺，所制备的相关芯片通过混合集成形成收发系统。可供选择的半导体材料工艺包括，砷化镓(GaAs)工艺、磷化铟(InP)工艺、氮化镓(GaN)工艺(碳化硅或蓝宝石衬底)、锗硅(SiGe)工艺，以及硅(Si)工艺。几种不同工艺制备的集成电路芯片具有各自的性能优势，例如，GaAs的异质结双极型晶体管(HBT)具有比GaAs的赝高电子迁移率晶体管(PHEMT)更低的相位噪声，制备频率综合器的压控振荡器芯片噪声更低、性能更好。GaAs的PHEMT具有比SiGe更高的电子迁移率，用于制备功率放大器时，可以提供更高的输出功率，从而满足中长距离(如超过3km)的毫米波无线通信。另外，GaN工艺的功率放大器具有更大的输出功率，更低的功耗，更高的效率。Si衬底的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺具有集成度高，容易实现大规模复杂功能电路的特点。InP工艺的低噪声放大器具有比GaAs工艺的低噪声放大器更低的噪声。以上不同工艺制备的MMIC芯片通过混合集成，将可以实现毫米波无线通信收发系统更高的性能/价格比，从而满足不同条件的无线互联应用。本专利技术提出了采用时分互用(TDD)模式来实现一种多芯片集成的毫米波无线互联的收发系统，用该系统实现毫米波超高速无线通信。如图1，所述系统其发射前端和接收前端采用的是同一个频段，如针对E波段毫米波通信标准中的低频段71~76GHz，或者高频段81~86GHz。作为对比，参考专利I以及参考文献I的毫米波无线通信系统采用的频分互用(FDD)模式(如图2、图3)，其收发系统中发射前端和接收前端采用不同的毫米波频段，具有占用信道资源多，系统复杂、体积大等劣势。而本专利技术的信道资源利用率高，降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于该系统采用时分互用(TDD)模式，其发射前端和接收前端采用同一种毫米波频段；该系统包括发射前端模块、接收前端模块、频率综合器模块和倍频链模块，其中发射前端模块包括上变频混频器和功率放大器，接收前端模块包括下变频混频器和低噪声放大器，频率综合器模块包括振荡器单元和锁相环，倍频链模块包括倍频器、放大器、带通滤波器、功率分配器和缓冲放大器，振荡器单元包括压控振荡器、缓冲放大器、功率分配器；发射前端模块用于发射毫米波信号，接收前端模块用于接收毫米波信号，频率综合器模块用于产生一个稳定的微波或毫米波频率信号，倍频链模块用于把频率综合器模块提供的频率信号进行倍频；该系统中实现不同功能的微波毫米波集成电路芯片(MMIC)通过在片微带线实现信号互联，或者通过制备在封装载体上的微带线实现信号互联，并形成收发系统。

【技术特征摘要】
1.一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于该系统采用时分互用(TDD)模式，其发射前端和接收前端采用同一种毫米波频段；该系统包括发射前端模块、接收前端模块、频率综合器模块和倍频链模块，其中发射前端模块包括上变频混频器和功率放大器，接收前端模块包括下变频混频器和低噪声放大器，频率综合器模块包括振荡器单元和锁相环，倍频链模块包括倍频器、放大器、带通滤波器、功率分配器和缓冲放大器，振荡器单元包括压控振荡器、缓冲放大器、功率分配器； 发射前端模块用于发射毫米波信号，接收前端模块用于接收毫米波信号，频率综合器模块用于产生一个稳定的微波或毫米波频率信号，倍频链模块用于把频率综合器模块提供的频率信号进行倍频； 该系统中实现不同功能的微波毫米波集成电路芯片(MMIC)通过在片微带线实现信号互联，或者通过制备在封装载体上的微带线实现信号互联，并形成收发系统。2.根据权利要求1所述的一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于该系统中实现不同功能的微波毫米波集成电路芯片(MMIC)采用同一种半导体材料工艺制备。3.根据权利要求1所述的一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于该系统中实现不同功能的微波毫米波集成电路芯片(MMIC)采用不同的半导体材料工艺制备。4.根据权利要求1所述的一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于该系统采用零中频结构。5.根据权利要求1所述的一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于该系统采用超外差结构。6.根据权利要求1或3所述，一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于所述发射前端模块的上变频混频器采用砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)材料的赝高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺制备；功率放大器采用GaAs材料或GaN材料的PHEMT工艺制备；或功率放大器采用锗硅(SiGe)的双极型晶体管(HBT)工艺制备。7.根据权利要求1或3所述，一种多芯片集成的毫米波无线互联收发系统，其特征在于所述接收前端模块的下变频混频器采用GaAs或磷化铟(InP)材料的PHEMT工艺制备，低噪声放大器采用GaAs或InP材料的PHEMT工艺制备；或低噪声放大器采用锗硅(SiGe)的双极型晶体管(HBT)工艺制备。8.根据权利要求1或3所述，一种多芯片集成的毫米波无线互...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄风义，姜楠，
申请(专利权)人：爱斯泰克上海高频通讯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：