低成本的收发器架构60 GHz超宽带无线局域网

文摘

毫米波多端口收发器体系结构,用于60 GHz超宽频短程通信提出了本文。多端口电路的基础上混合耦合器集中用于相控天线阵,毫米波调制和下变频,作为一个低成本的替代传统的体系结构。这允许完整的集成电路包括天线、平面技术,在同一衬底上,改进整个收发器性能。

1。介绍

无线技术的快速发展,无处不在的和不间断的无线系统在家庭和企业预计将出现在不久的将来。促进这些无处不在的无线系统是下一代的终极目标之一(4 g和超越)无线技术正在讨论今天全世界。这增加了对无线连接使得监管机构提供新的机会用更少的限制未经授权的频谱使用无线电参数。为了提供更多的灵活性在频谱共享,FCC (i)引入一个衬底的方法有严重限制发射功率水平与操作要求占领和空闲的频谱3.1 - -10.6 GHz乐队和(2)一个开放7 GHz未经授权的频谱在毫米波频率约60 GHz,氧气吸收限制长途干扰。超宽带(UWB)光谱都适合短程无线局域网络(无线局域网)致力于高数据率的应用程序,这可能是高速家庭或办公室无线网络和娱乐,如高清晰度电视(HDTV)。

传统微波超宽频技术(3.1 -10.6 GHz乐队)在学术界是最活跃的领域之一,工业,和监管。由于功率谱密度的限制,(−41 dBm / MHz)微波超宽频覆盖现有的无线服务(GPS、电脑、蓝牙和IEEE 802.11无线局域网)没有明显的干扰。

与传统超宽频技术相比,60 GHz mm-wave通信将在当前运行未经授权的频谱(57 - 64 GHz)和很容易提供数据率几Gb / s (1- - - - - -3]。在可比的带宽和数据率的情况下,使用毫米波波段的一个重要的优点是减少了带宽和中心频率之间的比例,主要收发器简单的方式。然而,60 GHz室内超宽频无线通讯信道提出了一种具有挑战性的环境。因此,未来的超宽频无线局域网肯定会通过使用智能天线阵列,以降低多路径效应的链路预算和功耗。固有的权力限制和无线信道传播特性决定的短程能力60 GHz通信。强烈的信号衰减允许一个有效的频谱的重用。这有助于创建小型室内细胞热点安全的无线通信。

2。制造技术

成功的集成电路和模块到相同的底物是显著降低成本的关键。特别是,砷化镓技术已经被开发出来,60 GHz单片微波集成电路(MMIC)生产准备好了1,3]。另一种技术基于硅锗(锗硅)承诺提供低成本的毫米波前端MMICs,同时保持砷化镓(的表演1]。虽然互补金属氧化物半导体(CMOS)技术被认为是一个理想的解决方案的成本和电路集成射频CMOS 60 GHz频率需要更多的性能改进(3]。

小规模集成是一个非常有前途的技术由单片混合微波集成电路(MHMIC)非常薄陶瓷基片。要注意到共面丝焊芯片之间的互联和倒装芯片组装(脸朝下的直接电气连接,因此“翻转”)可以在60 GHz,低损耗而多片模块技术可以很好地适应毫米波组件如果和基带电路。

进一步改善将天线与MMIC或MHMIC芯片的单片集成电路互连,以避免重大损失。我们很少注意天线集成到前端,减少整体表现的噪音图和增益。的集成电路和天线形成一个前端模块提供了一些好处,如密实度、低功率消耗、多功能性。

3所示。多端口毫米波电路和超宽频应用程序模块

接收器60 GHz无线局域网必须由低成本零部件有良好的电气性能,根据超宽频收发器的设计要求。

毫米波多端口电路和模块代表了一种低成本的非常规的方法。

一个完整的多端口正交下变频理论,验证了各种模拟和测量的ka波段直接转换接收器,已经发表(4]。模拟也被表现为v频带多端口外差式接收机(5]。多端口技术允许改善结果的转换损失,需要减少LO权力相比,传统的方法(低至−20 dBm执行一个高效变频),因为它最近被证明在6]。众所周知,传统的二极管混合器使用反平行的二极管表演LO-driven交换机需要约+ 10 dBm LO相同的转换损失。优秀的多端口之间的隔离射频输入是另一个重要的优势与传统的方法。另一个最近的研究(7]证明了多端口混合展览很好抑制谐波和虚假的产品,由于对称和特定的多端口属性。

图1显示的多端口电路的实现框图下转换的目的。

电路采用四混合耦合器和移相器。归一化输出波在同一图表示。可以看到,输出波相移输入信号的线性组合。插入损耗等于6 dB,因为每个信号经过两个三分贝耦合器。

图2给出了等价与常规I / Q混合架构。毫米波多端口与本地振荡器和两个如果差动放大器(IFDA)将使用为了获得两个正交信号,避免了使用两个昂贵的毫米波混频器和降低能耗5]。要指出,这些如果电路实现额外的过滤功能。

在毫米波发射机调制器是一个重要的元素。根据特定的调制方案,multiport-based调制器或毫米波交换网络提出了低成本超宽频应用程序。

多端口调制器是由四个混合耦合器,移相器和两双monoports可控反射系数,见图3。归一化输出信号的相位和振幅有关monoport回波损耗值。因此,毫米波信号的直接调制可以很容易获得。作为一个例子,使用短或开放电路,回波损耗值等于−1 + 1,分别获得直接的正交相移编码多端口调制器(8]。

另外,“使用二极管”或“T”开关电路(在适当的回报和插入损失60 GHz,和几个GHz)带宽可以设计和实现微波超宽频60 GHz的换位。

智能天线利用天线技术和传播特性(9,10]。使用这种天线在毫米波前端有可能降低多路径干扰和提高输出信噪比。

电子束扫描的优点被广泛讨论文学。使用天线阵列的主要原因是生产指令束可以电子重新定位(扫描)。天线阵列由多个固定天线元素(美联储连贯地),可以在每个元素使用相移控制扫描光束空间角度。

为了避免使用相移控制,对于低成本的毫米波应用程序,使用基于巴特勒矩阵提出了天线阵列。这是一个多波束阵列,每个输入端口激动人心的一个单独的光束在空间。巴特勒矩阵是一个电路实现FFT的辐射正交组束孔径均匀照明。提出的是一个选择巴特勒矩阵天线阵和四个正交梁,间隔。如果需要更多离散梁,天线和巴特勒矩阵的复杂性迅速增加。

图4显示了四个元素的框图天线阵列。它的架构是基于巴特勒矩阵有一个原始拓扑适应毫米波频率,避免任何横条线。四个补丁天线连接到一个多端口电路有四个输入和四个输出。这个电路由四个混合耦合器和两个相移,实现使用g / 8输电线路。由于其小尺寸、贴片天线集成在同一衬底。

对于每一个多端口输出信号(),一个人获得最大的转变到来的角度的范围内。旁瓣是至少8分贝以下相对应的主瓣和到达角最大信号−左右,−,,。因此,天线阵的主瓣可以转移繁殖。获得约10 dBi可以获得使用此多端口天线阵(11]。

4所示。提出了收发器架构

超宽频技术使用短脉冲信号已经被应用于雷达系统自1960年代以来,和他们沟通应用1990年代以来刺激工业和学术界的兴趣。许多数百Mbps的网络容量等一些特定的应用程序可能需要的WLAN互连的桥梁Giga-Ethernet局域网,无线虚拟物业允许自由的身体动作,无线电视高分辨率记录相机,或者无线网络下载的冗长的文件。是指出,除了通信应用,超宽频设备可用于成像,测量,传感器和雷达。原则上,有两种方法可以实现这样一个重要的网络容量:(i)通过增加频谱效率和/或(2)通过使用一个扩展带宽。根据FCC定义,超宽频信号的传输带宽应该大于500 MHz频率或大于20%的中央。这个开放的定义不指定任何空气对超宽频接口或调制。在早期阶段,时域脉冲无线电(IR)主导的超宽频技术和仍然起着至关重要的作用。然而,由于标准化活动,传统的调制方案,如正交频分复用(OFDM)或单载波(SC),也出现了(3]。

众所周知,OFDM技术分区超宽频通道的非选择性窄带通道(使用一个简单的调制技术如QPSK),这使得它强劲的大延迟传播,被保留在频域正交性。为了满足至少超宽频系统的“500 MHz的要求”,可以使用两种方法:(i)大量的运营商(16、32、64或128)与相应的相对较低的码率/载体,或(ii)少数运营商(2、4、8)与相应的高码率/载体。然而,在60 GHz,相位噪声和载波偏移将降低OFDM表演。由于OFDM体系结构的复杂性,在我们看来,只有第二种方法可以适用于低成本60 GHz超宽频无线局域网。

可用带宽,有效重用的频谱(由于强烈的信号衰减60 GHz)使灵活性、简单性和成本最关键的点。这是证明传输使用SC先进的调制技术和定向天线可以实现类似的表演与OFDM 60 GHz室内通道(3]。这些调节,如必要正交幅度调制(QAM)必要相移键控(相移键控),将增加频谱效率。模拟一个60 GHz高速多端口外差式接收机最近发表(5]。码率高达400 Mbps已经通过使用一个16 QAM调制的如果900 MHz。建议的体系结构使紧凑和低成本的设计为未来的高速无线局域网,无线毫米波通信接收机根据IEEE 802.15.3c标准。然而,毫米波电路的带宽必须增加几个GHz,如果必须至少2.45 GHz,应对Gb / s比特率。

为了使用这种灯,必须设计一个超宽频发射机。SC-AM而言,指令的使用基于多端口天线阵列,外差的多端口I / Q变频技术,和多端口的调制器,被认为是很有前途的室内低成本超宽频通讯。

图5显示了一个简化框图的毫米波收发器多端口直接转换。一个多输入多输出(MIMO)体系结构提出了。时履行数组使用基于巴特勒矩阵。这个解决方案似乎最优,因为一些离散梁方向在室内无线局域网通常是足够的。20 GHz微波振荡器和一个倍频器产生60 GHz的信号。DSP单元使用一个多端口直接调制器MP2调节承运人。根据60 GHz建议标准,要求放大器输出功率+ 10 dBm。为了获得光束传播的控制,DSP将激活一个毫米波放大器给发射机多端口天线阵MP3。相应的直接变频接收机()是由一个低噪声放大器(LNA),载波恢复(CR)电路,一个多端口的变频技术(MP1,探测器和微分放大器(DA)),和两个基带放大器(BBA)。

访问同相的(我)和正交(Q)信号将使重要的额外功能,提高相位测量精度,提供一个简单的通信基带相量之间的转动频率和多普勒频移,如果相同的振荡器用于接收机的部分。载波恢复电路信号作为参考,将在一个硬件补偿多普勒频移的方法。

图6显示了外差式架构的多端口收发器。由于增加了接收机的增益,全向天线也可以使用。必须使用一个额外的毫米波振荡器接收机部分由于非零。多普勒效应和毫米波振荡器之间的固有频移补偿使用锁相环电路的操作。第二下转换可以使用传统方法由于微波工作频率。应对500 Mbps的数据传输速率,如果外差接收机的选择在900 MHz。如果数据率增加到1 Gb / s,如果可以选择在2.45 GHz。

直接序列(DS)超宽频通常被推荐人冲动,基带或零航母技术。它是通过发送脉冲高斯low-power-shaped,连贯地由接收器接收。针对系统运行使用脉冲,传播扩散在一个大的带宽,通常几百兆赫或甚至几个GHz。使数据能够进行,DS超宽频传输可以以多种方式调制。例如,脉冲位置调制(PPM)编码的信息通过修改的时间间隔,因此,脉冲的位置;二进制相移键控(BPSK)改变脉冲的相位来表示数据传输。

因此,为了使用一个更大的带宽,降低功耗,换位的新方法基于脉冲无线电超宽带(红外超宽频)信号(60 ghz频带,这些频带也可以考虑12- - - - - -14]。

作为一个低成本的60 GHz红外超宽频提议,发射机部分可以使用一个振荡器,实现毫米波开关和一个放大器。一个脉冲发生器(1日PG)生成亚毫微秒脉冲(例如,脉冲宽度约350 ps,以达到3 GHz带宽)。60 GHz载体将数字脉冲位置调制(PPM)使用毫米波开关。放大后,高斯脉冲发出几个GHz带宽集中到60 GHz带。为了实现接收机,可以使用搅拌机或探测器。如果使用一个混合器,毫米波振荡器是必要的。混合器可以实现使用低成本、低功率消耗多端口变频技术。振荡器不需要当一个拓扑选择检测器,呈现在图7。因此,接收机是由三个主要模块:低噪声放大器,一个60 GHz探测器,和一个相关器。脉冲发生器(2日PG)用于控制取样维持(S / H)电路。这种架构的主要优势是不需要相位信息,因此,没有复杂的连贯的稳定来源或载波恢复电路。要指出的是,脉冲也可以使用BPSK调制以最小的发射机和接收机架构变化。为了传输数据信息,而不是修改的位置脉冲PPM,亚毫微秒脉冲的相位将发射机被逆转。接收方必须能够观察这些相变;因此,基于多端口相位侦测器可以成功应用。是指出方框图,所需的DSP包括A / D和D / A转换器。

传播范围10米可以预期,由于高载波频率空间损失。Friis路径损失方程表明,等于天线增益,路径损耗与载波频率的平方增加。因此,60 GHz通信有一个额外的22分贝的路径损耗相比,同等5 GHz系统。然而,天线尺寸是载波频率成反比。因此,更多的天线可以被放置在一个固定区域,以及随之而来的天线阵将提高整个天线增益。定向天线的波束形成天线阵列模式提高了信道多路径配置文件通过限制空间的传输和接收天线模式占主导地位的传播路径。这方面开辟了新的无线系统设计的机会。使用智能天线也会提高链路预算和将降低发射机功率。

监禁小细胞的结果是信道色散值小于遇到较低的平均频率由于回声路径更短。然而,便携站的运动,以及对象的运动环境中,引起多普勒效应,相对严重的60 GHz,因为它们与载波频率成正比。例如,如果人在步行速度1.5国会议员,多普勒扩散结果是1200赫兹。

结果是优秀的模拟误码率。的误码率值低于纯能量每一点噪声功率谱密度(Eb /不)比10 dB (11]。这些结果证明简单的多端口的体系结构可以适用于低成本的毫米波收发器为未来60 GHz无线局域网。

5。结论

几个毫米波多端口收发器架构被提出了。毫米波频率转换是获得使用提出的I / Q多端口变频技术,避免了使用昂贵的主动混合器或高功率毫米波罗(传统的二极管的搅拌机)。多端口直接调制器或毫米波交换网络可以用来调节毫米波载体。此外,基于多端口天线阵列电路提供了四个输出信号对应于四个优化方向的到来。

提出了多端口的架构使紧凑和低成本的无线毫米波收发器的设计未来的超宽频无线通讯系统。

确认

财政支持的国家科学工程研究委员会(NSERC)的加拿大是感激地接受。

引用

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