一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构的制作方法

1.本发明涉及无线通信与雷达探测一体化技术领域，特别涉及一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构。


背景技术：

2.随着新材料、信息技术及微电子技术的发展，电子信息系统与技术取得了较大进展，逐步形成了较为成熟的侦察、干扰、雷达探测和无线通信等多个功能体系。这些功能基本上是在不同时期、面向不同需求应运而生的。虽然都能在独占资源的条件下获得最佳性能，但是彼此之间缺乏统一的规划设计，导致并行协同能力不足。近年来，在5g无线通信、物联网、智能协同作战等新型民用和军用需求驱动下，现有电子信息系统的带宽需求日益增长、工作频段不断重合、设备数量指数增加。同时，6g网络预期也是实现通信网络和感知网络的融合，通感一体化的发展是时代所趋。倘若若干雷达、通信等设备在同一平台或同一区域并行工作，则必然导致严重的电磁频谱拥挤与干扰、资源利用率低下和管理控制复杂困难等诸多问题。随着科学技术高速发展和应用需求的不断拓展，感知系统和无线通信系统在收发通道、信号与数据处理、管理与控制等方面的差异正逐步缩小，传统的单功能电路正在向着更高频段，更低损耗，更高效率的方向继续发展，并呈现出一体化趋势，为未来电子信息系统的发展提供了新的机遇和挑战。
3.早期的研究主要致力于雷达和通信共存的方法，该方法中雷达和通信是两套独立的系统，收发接口也各自独立，导致系统的体积庞大，成本偏高。现阶段采用环形器或者开关的形式，使得收发共用同一个接口，但是后端的电路形式依然分为典型的发射机和接收机，电路面积较大，系统结构复杂。传统的电路设计方式难以实现系统高集成度、小型化、低功耗和便携性等需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构；其采用收发一体的形式，简化系统的电路结构，提高系统的稳定性和可靠性，具有小型化、结构简单、低成本、低功耗的特点。
5.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
6.一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构，包括i/o接口、匹配电路结构、共振隧穿二极管、电感、环形器、电阻、第一偏置器和第二偏置器；
7.所述i/o接口用于发射和接收射频信号；
8.所述匹配电路主要用于共振隧穿二极管与i/o接口之间的电路匹配，用于实现最大功率传输；
9.所述共振隧穿二极管作为直接调制器对发射的射频信号进行调制，实现通信功能，作为非线性器件对接收的射频信号进行感知，实现感知功能；
10.所述电感用于调节该射频前端的工作频率；
11.所述电容在发射时主要用于射频信号短路到地，减小射频信号损耗，在接收时与短路电感形成滤波器，阻止高频信号通过；
12.所述环形器用于实现发射和接收信号的隔离；
13.所述电阻主要用于通信端，抑制低频振荡，提高射频前端的稳定性；
14.所述第一偏置器用于直流馈电和调制信号通过，第二偏置器用于直流馈电和感知信号通过；
15.馈入第一偏置器的直流信号使共振隧穿二极管工作在负阻区域，调制信号对共振隧穿二极管产生的射频信号进行调制，形成射频调制信号并通过i/o接口辐射；馈入第二偏置器的直流信号使共振隧穿二极管工作在非线性区，对由i/o接口接收的射频信号进行探测。
16.作为发射时，第一偏置器的三个端口，其中第一端口11外接直流信号，第二端口12外接调制信号，第三端口13为调制和直流信号，第三端口13接电阻2一侧；环形器3的三个端口，其中一端口33为接收和发射共用端口；电阻2另一侧接环形器3的第一端口31，环形器的第三端口33接电容4一侧，电容4另一侧接电感5一侧，电感5另一侧接共振隧穿二极管6一侧，共振隧穿二极管6另一侧接匹配电路结构7一侧，匹配电路结构7另一侧接i/o接口8；
17.作为接收时，i/o接口8接匹配电路结构7一侧，匹配电路7另一侧接共振隧穿二极管6，共振隧穿二极管6另一侧接电感5一侧，电感5另一侧接电容4一侧，电容4另一侧接环形器的第三端口33；第二偏置器有三个端口，环形器的第二端口32接第二偏置器的第三端口93；第二偏置器的第一端口91外接直流信号，第二端口92用于输出感知信号。
18.进一步的，i/o接口根据不同频段和应用需求可选择片上集成天线、喇叭天线、超材料天线、标准波导口或sma接头。
19.进一步的，所述匹配结构采用微带线、槽线、共面线或共面波导实现。
20.进一步的，所述电感通过短路面共面波导、短路面微带线或短路面共面线实现。
21.进一步的，所述环形器根据不同的工作频段和应用需求可选择开关传输线型、基于差分功分器和功率合成器型或非互易有源移相器型。
22.进一步的，偏置器采用外部组件或片上集成方式实现。
23.进一步的，所述片上集成天线可采用缝隙天线、领结天线、微带天线或相控阵天线实现。
24.进一步的，共振隧穿二极管可采用氮化镓、磷化铟、硅或锗化硅材料实现。
25.本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
26.1、本发明采用单个共振隧穿二极管的形式实现通感一体化的射频前端，降低了系统的功耗和复杂度。
27.2、本发明采用感知与通信一体化的设计形式，大大降低了系统的成本和体积。
28.3、本发明采用分时工作，复用关键的核心电路，精简了系统的架构，便于高效集成和大规模的生产实现。
附图说明
29.图1为本发明实施例一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构示意图。
30.图2为本发明实施例实际测得的共振隧穿二极管i-v曲线图。
具体实施方式
31.下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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获得其他的附图。
33.一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构，其特征在于，包括i/o接口、匹配电路结构、共振隧穿二极管、电感、环形器、电阻、第一偏置器和第二偏置器。
34.所述i/o接口用于发射和接收射频信号。
35.所述匹配电路主要用于共振隧穿二极管与i/o接口之间的电路匹配，用于实现最大功率传输。
36.所述共振隧穿二极管作为直接调制器对发射的射频信号进行调制，实现通信功能，作为非线性器件对接收的射频信号进行感知，实现感知功能。
37.所述电感用于调节该射频前端的工作频率。
38.所述电容在发射时主要用于射频信号短路到地，减小射频信号损耗，在接收时与短路电感形成滤波器，阻止高频信号通过；
39.所述环形器用于实现发射和接收信号的隔离。
40.所述电阻主要用于通信端，抑制低频振荡，提高射频前端的稳定性。
41.所述第一偏置器用于直流馈电和调制信号通过，第二偏置器用于直流馈电和感知信号通过。
42.优选地，所述采用i/o接口根据不同频段和应用需求选择片上集成天线、喇叭天线、超材料天线、标准波导口、sma接头等形式。
43.优选地，所述匹配结构可以采用微带线、槽线、共面线以及共面波导等形式组成。
44.优选地，所述采用的通信和感知核心器件为共振隧穿二极管。
45.优选地，所述电感采用由短路面共面波导或短路面微带或短路面共面线等形式实现。
46.优选地，所述环形器根据不同的工作频段和应用需求可以选择开关传输线型、基于差分功分器和功率合成器型和非互易有源移相器型等不同形式。
47.优选地，所述偏置器biastee可以采用外部组件也可以采用片上集成等方式实现。
48.优选地，所述片上集成天线可以采用缝隙天线、领结天线、微带天线、相控阵天线等形式实现。
49.优选地，共振隧穿二极管可以采用氮化镓、磷化铟、硅和锗化硅等材料实现。
50.下面为更一具体的实施例：
51.图1是本发明实施例提供的一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构示意图。如图1所示，实施例提供的一种适用于通感一体化的小型化射频前端电路结构，包括i/o接口、匹配电路结构、共振隧穿二极管rtd、电感、环形器、电阻、第一偏置器和第二偏置器。
52.所述i/o接口用于发射和接收射频信号。
53.所述匹配电路主要用于共振隧穿二极管与i/o接口之间的电路匹配，实现最大功率传输。
54.所述rtd作为直接调制器对发射的射频信号进行调制，实现通信功能，作为非线性器件对接收的射频信号进行感知，实现感知功能。
55.所述电感用于调节该射频前端的工作频率。
56.所述电容在发射时主要用于射频信号短路到地，减小射频信号损耗，在接收时与短路电感形成滤波器，阻止高频信号通过。
57.所述环形器主要实现发射和接收信号的隔离。
58.所述电阻主要用于通信端，抑制低频振荡，提高射频前端的稳定性。
59.所述第一偏置器用于直流馈电和调制信号通过，第二偏置器用于直流馈电和感知信号通过。
60.在本实施例中，图2描述了实际测试得到的共振隧穿二极管的i-v曲线，通过直流曲线可以看出具有两个非线性区域a和b以及一个负阻区域。
61.具体的，由于共振隧穿二极管发射极中电子能量分布作用，尾部电子的共振隧穿形成非线性区域a，位于共振隧穿电流的起始区域。在随着偏置电压的增加隧穿电流开始截断的峰值电流区域形成非线性区域b，该区域具有很强的非线性特性，该区域的非线性特性与热指数无关，主要与量子阱隧穿次能带的展宽相关。
62.具体的，双势垒量子阱是共振隧穿二极管典型的能带结构，势阱中的分立能级随着势阱宽度的增大而变低，双势垒量子阱的隧穿几率随着入射电子能量的增加出现了共振隧穿峰，即当入射电子的能量与量子阱中的分立能级相等的时候，隧穿几率出现峰值约为1，而当入射电子能量偏离势阱中的分立能级时，隧穿几率迅速衰减，从而形成负阻区域。
63.在本实施例中，通信发射通道电路结构包括第一偏置器、电阻、环形器、电容、电感、共振隧穿二极管、匹配电路和i/o接口。第一偏置器一端接直流信号，使共振隧穿二极管工作于负阻区域，形成射频振荡信号；一端接调制信号，调制方式可以为ask、ook、pam4等；第三端包含直流和调制信号，经电阻、环形器、电容、电感后，馈入共振隧穿二极管中。该状态下，共振隧穿二极管作为直接调制器，将信号调制到射频频段，经匹配电路后馈入i/o接口输出通信信号。
64.在本实施例中，感知接收通道电路结构包括i/o接口、匹配电路、共振隧穿二极管、电感、电容、环形器、第二偏置器。第二偏置器一端接直流信号，使共振隧穿二极管工作于非线性区域a或者b，经i/o接口馈入的射频信号，经匹配电路后通过共振隧穿二极管实现对感知接收的射频信号的检波接收；一端接环形器，主要通过共振隧穿二极管检波后的感知信号并隔离直流信号；第三端将感知信号送入后级进行信号处理。接收通路中，电感和电容构成低通滤波器主要用于通过检波信号，阻止高频载波信号。
65.在本实施例中，通信与感知采用分时工作的模式，主要通过控制biastee的直流信号实现感知与通信模式的转换。
66.具体的，工作在感知模式时，第一偏置器不馈入直流信号，第二偏置器馈入直流信号，从而使共振隧穿二极管工作在非线性区a或者b，用作检波器；工作在通信模式时，第二偏置器不馈入直流信号，第一偏置器馈入直流信号，使共振隧穿二极管工作在负阻区域，用作射频直接调制器。
67.作为发射时：第一偏置器1共有11、12、13三个端口，其中端口11外接直流信号，端口12外接调制信号，端口13为调制和直流信号，端口13接电阻2一侧。环形器3有三个端口
31、32、33，其中，端口33为接收和发射共用端口。电阻2另一侧接端口31，端口33接电容4一侧，电容4另一侧接电感5一侧，电感5另一侧接共振隧穿二极管6一侧，共振隧穿二极管6另一侧接匹配电路7一侧，匹配电路7另一侧接i/o接口8。
68.作为接收时，i/o接口8接匹配电路7一侧，匹配电路7另一侧接共振隧穿二极管6，共振隧穿二极管6另一侧接电感5一侧，电感5另一侧接电容4一侧，电容4另一侧接环形器33端口。第二偏置器9共有91、92、93三个端口，环形器端口32接第二偏置器93，端口91外接直流信号，接口92用于输出感知信号。
69.发射与接收通路共用电容4，电感5，共振隧穿二极管6，匹配电路7，i/o接口8。
70.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优实施例，并不限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。